CC BY
618
Задания для практики STEM-образования: от суммы частных задач и учебных дисциплин к целостному деятельностному междисциплинарному подходу
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
Задания для практики STEM-образования: от суммы частных задач и учебных дисциплин к целостному деятельностному междисциплинарному подходу
A collection of tasks for the practice of STEM education: from the sum of separate tasks and academic disciplines to a holistic, active, interdisciplinary approach
Аннотация. STEM (Science, Technology, Engineering, Maths — устойчивая аббревиатура, которая объединяет естественные науки, технологии, инженерию и математику. STEM-образование — это не просто объединение под одной шапкой нескольких направлений, а скорее современная линия интеграции естественно-научного, математического и инженерного образования. Практика реализации STEM-подхода в образовании строится на деятельностной основе — через экспериментирование, исследование, проектирование, конструирование, программирование. В статье представлен подход, заложенный в сборник заданий по STEM, который готовится к изданию. Данный сборник направлен на получение знаний и навыков в области STEM школьниками начального, основного и среднего общего образования. В основание данного сборника заложены идеи межпредметных связей, практической ориентированности, деятельностной составляющей.
Ключевые слова: STEM-образование, междисциплинарный подход, межпредметные связи, экспериментирование, исследование, проект
Abstract. STEM (Science, Technology, Engineering, Maths) is a stable abbreviation that combines science, technology, engineering and mathematics. STEM education is not just a combination of several fields under one heading, but rather a modern line of integration of science, mathematics and engineering. The practice of implementing the STEM approach in education is based on an activity, i.e. through experiment, research, design, construction, programming. The article presents the approach inherent in the preparation of the collection of STEM-based tasks, which is being prepared for publication. This collection is aimed at acquiring knowledge and skills in the field
Обухов
Алексей Сергеевич,
к. психол. н., доцент, ведущий эксперт Института образования НИУ ВШЭ, главный редактор журнала «Исследователь/Researcher», г. Москва
e-mail: [email protected]
STEM-образование
Ловягин
Сергей
Александрович,
к. пед. н., заведующий кафедрой STEM ЧОУ «Хорошевская школа», руководитель магистерской программы МГПУ «Обучение физике и STEM-образование», г. Москва
е-mail: [email protected]
Alexey
Obukhov,
Ph. D. in Psychology, Associate Professor, Leading Expert at the Institute of Education, Higher School of Economics, Editor-in-Chief of the Researcher journal, Moscow
Sergey
Lovyagin,
Ph. D. in Pedagogy, Head of the STEM department of the "Khoroshkola" school, Leader of the master's program in Physics Education and STEM Education, the Moscow State Pedagogical University, Moscow
of STEM by primary and secondary school students. The idea of this collection is based on intersubject communications, practical orientation, and the active component.
Keywords: STEM-education, interdisciplinary approach, interdisciplinary communication, experimentation, research, project
В России несколько лет как стала распространяться аббревиатура STEM (и различные вариации с добавлением той или иной буквы — STEAM, STEMM и др.). Буквально она означает собирание под одну шапку набора учебных дисциплин: Science, Technology, Engineering and Math, то есть Наука, Технологии, Инжиниринг и Математика. Данный подход пришел к нам с Запада, в первую очередь из США и Канады, где он имел свою историю развития. Кратко можно его выразить так: от группирования разных дисциплин в один блок к интеграции освоения и применения методов, знаний, инструментов различных дисциплин при решении практических и проектных задач.
Что такое STEM-подход? Прежде чем обсуждать различные аспекты STEM-подхода в образовании, важно обозначить, что же мы понимаем под ним помимо набора дисциплин, которые включены в аббревиатуру. Если коротко ответить на данный вопрос, то мы выделяем две ключевые составляющие, без которых STEM не будет подходом в образовании, а останется просто блоком учебных дисциплин:
• интеграция предметного содержания (естественные науки, информационные технологии, математика, инженерные технологии);
• реализация проектного подхода (проекты и/или исследования учащихся как форма организации учебной деятельности).
Есть еще ряд сопутствующих принципов и методов, значимых для STEM-подхода, которые часто используются при его реализации в практике работы с обучающимися. Они в той или иной степени направлены на развитие универсальных навыков XXI века (4К — критическое мышление, креативность, коммуникация, командная работа) [Фрумин, Добрякова, Баранников, Реморенко 2018] в процессе решения предметных и межпредметных задач. То есть желательно, чтобы задачи решались в паре или группах с функциональным распределением ролей, развивали навык командной работы и коммуникации. Важно, чтобы предлагаемая задача и материал позволяли развивать навыки работы с информацией, критическое мышление. Чтобы ряд задач позволял проявлять инициативу и надситуативную активность, выходить за пределы заданного и действовать по инструкции — то есть давал возможность проявления и развития креативности.
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
Сама идея, что логика построения образования должна отображать логику развития научного знания, не нова. А то, что наука развивается не по отраслям (равно как и развитие образовательной программы не равно изменению набора отдельных учебным предметов), также давно обсуждается. Еще в первой половине ХХ века академик В. И. Вернадский писал: «...Мы все больше специализируемся не по наукам, а по проблемам. Это позволяет, с одной стороны, чрезвычайно углубляться в изучаемое явление, а с другой — расширять охват его со всех точек зрения» [Вернадский 2002, 275].
Проблема разобщенности отдельных школьных предметов, преподавание каждого из них в логике развития самостоятельного научного знания исторически понятны. Однако если выстраивать преподавание в исследовательском и/или проектном ключе, то системное преподавание отдельных предметов без взаимосвязи друг с другом, без освоения различных инструментов и методов (математических, инженерных, ИКТ и др.) становится непродуктивным. Возникает проблема интеграции отдельных дисциплин через решение конкретных, практических и прикладных задач. При этом важно так выстраивать систему организации деятельности, чтобы в конечном счете знания и по предметами становились системными, целостными. Это довольно непростая задача, так как все и сразу освоить невозможно, а по отдельности — непонятно почему и как это потом свяжется.
Стоит отметить, что STEM-подход выстраивается «сверху» как способ соединения, интеграции, построения взаимосвязей между сложившимися науками/учебными дисциплинами для их преподавания учащимся. При этом многие годы происходит развитие практики обучения через открытия, которая строится «снизу», на понимании природы развития и взросления ребенка, становления его деятельности и познания.
Одной из мировых тенденций развития образования является персонализация, чему технически способствует развитие инструментов и методов цифрового образования. Однако на данный момент массовая цифровизация образования не всегда содействует вхождению обучения через открытия в повседневную ткань жизни школы, поскольку программированные алгоритмы чаще требуют однозначных и односложных ответов, решений, форматов предъявления результатов. Только в последние годы начали развиваться открытые учебные ситуации в цифровой среде, с использованием цифровых датчиков, алгоритмов обработки данных — помогающие учащимся осваивать алгоритм и инструментарий исследования и проектирования. Такой инструментарий позволяет ученику самостоятельно раскрыть на локальном материале (который всегда уникален и специфичен) общие закономерности, известные в науке. Ситуации, в которых ребенок решает проблемные задачи с открытым финалом — где ход деятельности более показателен, чем конкретный ответ, где
STEM-образование
«как» важнее, чем «что» — очень медленно и постепенно начинают входить в массовое образование. Реальная персонализация образования также требует кардинальной перестройки всего процесса обучения, урочной системы или формата организации урока. Эталонов и примеров новых форматов обучения не так много, что естественно тормозит вхождение новых форм организации образования на основе исследовательской и проектной деятельности в массовую школу.
Общий социальный контекст (а образование — это часть социума) также неоднозначно реагирует на повышение разнообразия, неопределенности, изменчивости. В обществе начинает расти запрос на стабильность, управляемость, внешний контроль — при неготовности использовать ситуацию изменений как ресурсную. Как только создаешь ситуацию, в которой ребенок сам может определить, что и зачем ему изучать, сразу возникает неуверенность взрослых и педагогов, что это правильно, нужно и др. И этот страх поддерживается тем, что «в наше время было не так». Заход про «норму» обучения исходя из прошлого опыта (основная аргументация у большого числа взрослых) явно находится в противоречии с задачами образования для будущего (опыта которого не было ни у кого). И практика обучения через открытия, где учащийся сам осваивает алгоритм осознанной и целенаправленной деятельности в ситуации новизны и неопределенности, видится естественной для обновления содержания и формы построения образования для будущего. Однако и здесь появляются понятные «ловушки»: а как оценить результат, если он изначально не известен, как проверить — правильно или нет? Привычка, что все должно иметь однозначно правильные и проверяемые ответы, естественно, тормозит вхождение практики построения обучения через исследование в повседневную жизнь школы.
В этом контексте STEM-образование имеет два вектора развития:
1. усиление значимости академического изучения учебных дисциплин, объединенных в отдельный блок;
2. интеграция знаний и методов различных дисциплин в решении проектных и исследовательских задач (как повседневных, так и задач развития современной науки и технологий).
Как и зачем появился STEM? Раскроем историю развития STEM за рубежом немного подробнее.
STEM появился в зарубежных образовательных системах как ответ на вызов — потребность резкого повышения уровня инженерного и естественно-научного образования. Как запрос государств и высокотехнологических корпораций на усиление естественно-научного, математического, инженерно-технологического образования, вовлечения в передовые отрасли талантливой молодежи, а также в целом повышения научной
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
и технологической грамотности населения. Особенно в тех странах, где делается ставка на высокие технологии.
Как отмечает Рени Барлоу, руководитель Национальной канадской ассоциации по поддержке научно-технического творчества молодежи, вице-президент всемирной организации MILSET1, интерес к научно-техническому творчеству и естественно-научному образованию в Канаде имел несколько «волн». В 1960-е годы, после запуска в СССР первого спутника в космос и полета Ю. А. Гагарина, во многих западноевропейских странах, в том числе в Канаде, была сделана ставка на развитие проектного и исследовательского подхода как в школьном, так и во внешкольном образовании. В эти годы происходил расцвет и становление научно-технического творчества молодежи, естественно-научного образования и инженерного творчества. Однако потом произошел обратный откат к классическому, академическому образованию, где основной упор делался на присвоение заданного набора знаний по отдельный предметам, проверки их стандартизированными независимыми экзаменами. Возрождение и новый всплеск интереса к научно-техническому творчеству молодежи приходится на начало XXI века и происходит во многом под лозунгом STEM-образования, актуализация которого на основе проектного метода обучения и интеграции предметных знаний и методов стала расширяться в 2010-е годы. Общественные организации во многих странах мира, которые реализуют задачу вовлечения учащихся в научно-техническое творчество, стали получать колоссальную поддержку как государств, так и крупных корпораций, понимающих значимость увеличения числа молодежи, увлеченных STEM, переживающих идентичность с профессиями в области STEM (включая инженерное дело, робототехнику, программирование, современные направления физики, биологии, медицины и др.).
Развитие естественно-научного образования с применением исследовательского подхода в англоязычных странах подробно анализирует А. Ю. Уваров [Уваров 2018]. Он отмечает, что «макроанализ многолетних исследований, посвященных оценке результативности зарубежного опыта использования различных вариантов исследовательского подхода в реальном учебном процессе показывает, что на практике этот подход далеко не всегда приводит к заметному улучшению образовательных результатов [Cakir 2008]. (...) повышенное внимание педагогов к активизации учебной работы, к формулированию школьниками своих выводов с опорой на имеющиеся данные положительно влияет на глубину понимания ими содержания осваиваемых понятий. Точно так же, самостоятельная работа учащихся по подготовке и проведению своих исследовательских проектов ведет к существенному повышению уровня освоения ими исследовательских и инженерных практик. Оба эти вывода хорошо согласуются с предсказаниями конструктивистской
1
Из докладов Рени Барлоу на конференциях: VIII международная конференция «Исследовательская деятельность учащихся в современном образовательном пространстве» (Москва, 2016; URL: http:// issl-konf.ru/programm) и международный симпозиум «Научное образование/Science education» (Якутск, 2018; см [Обухов 2019]).
STEM-образование
теории. (...) Есть все основания полагать, что уже в недалеком будущем проектное обучение станет одной из основных форм учебной работы при изучении естественно-научных дисциплин в массовой школе» [Уваров 2018, 52-53].
В США STEM-образование на государственном уровне получило поддержку благодаря закону America COMPETES Act (The America Creating Opportunities to Meaningfully Promote Excellence in Technology, Education and Science Act of 2007). Данный закон направлен на развитие STEM-образования при подготовке учителей, совершенствование прикладных бакалаврских программ и создание инновационных методик преподавания в области естественно-научного, математического и инженерного образования. В 2010 году данный закон был продлен, что подтвердило курс на STEM-образование на уровне государства. С 2013 года в США реализуется Федеральный пятилетний стратегический план по STEM-образованию (20132018), цель которого — способствовать подготовке кадров для поддержания статуса США как лидера инноваций, поднятия рейтинга США в школьном образовании по STEM-предметам [STEM-подход в образовании 2018].
В США в 2014 году вышел обширный аналитический обзор, подготовленный Комитетом по интегрированному образованию STEM, созданный группой экспертов по различным предметам под эгидой Национальной инженерной академии (NAE) и Совета по научному образованию Национального исследовательского совета (NRC) в рамках уровня образования К-12 (12-летней полной школы) [STEM Integration in K-12 Education 2014]. С опорой на этот отчет представим логику развития STEM подхода в образовании в Соединенный Штатах Америки.
В отчете отмечается, что за последнее десятилетие аббревиатура STEM получила широкое распространение в образовательных и политических кругах США. Лидеры в бизнесе, правительстве и научных кругах утверждают, что обучение по предметам STEM жизненно важно не только для поддержания инновационного потенциала Соединенных Штатов, но и в качестве основы для успешной занятости, включая, но не ограничиваясь работой в областях STEM. Исторически сложилось так, что образование в США K-12 STEM было сосредоточено на отдельных предметах, в частности, на естественных науках и математике. Усилия по реформе, в том числе разработка стандартов обучения и, в последнее время, крупномасштабных оценок, также рассматривали предметы STEM в основном в изоляции. Относительно недавнее внедрение инженерного образования в некоторых классах K-12 и за пределами школы, а также публикация в 2013 году научных стандартов следующего поколения, которые явно связывают научные концепции и практики с инженерными, подняли идею интеграции как потенциальный компонент обучения STEM.
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
В отчете признается, что образование в рамках отдельных дисциплин STEM имеет большое значение и что усилия по улучшению преподавания и обучения, ориентированного на дисциплины, должны продолжаться; обсуждаются большие выгоды, связанные с интеграцией предметов в рамках STEM. В докладе достаточно широко и неоднозначно одобряется интегрированный подход к обучению STEM. Отмечается, что сторонники более интегрированных подходов к обучению STEM K-12 утверждают, что преподавание STEM в более взаимосвязанной форме, особенно в контексте реальных проблем, может сделать предметы STEM более подходящими для учащихся и преподавателей. Это, в свою очередь, может повысить мотивацию к обучению и повысить интерес, успеваемость и вовлеченность учащихся, а также ориентацию большего числа учащихся на построение карьеры в области, связанной со STEM [STEM Integration in K-12 Education 2014, 1].
В последнее время в США как Стандарты общего базового образования по математике (CCSSM), так и Стандарты естественно-научного образования следующего поколения (NGSS) призвали к расширению и углублению связей между предметами STEM. NGSS явно включает в себя практические методы и основные дисциплинарные идеи из инженерного дела наряду с научными. Это подразумевает, что учителя естественных наук будут преподавать естественные и инженерные науки интегрированным образом.
Несмотря на рост интереса к предоставлению учащимся опыта обучения, способствующего установлению связей по всем дисциплинам STEM, отмечается, что мало исследований и наработок о том, как это лучше всего сделать или какие факторы повышают вероятность интеграции предметных знаний учеников, повышают результативность обучения, интерес, вовлеченность, академические достижения и др.
Интегрированное обучение STEM — это далеко не целостная практика. Оно включает в себя целый ряд различных способов предметного обучения в различных форматах и степени связи друг с другом. Интеграция между предметами STEM может происходить в течение одного или нескольких классов, на протяжении всей учебной программы, отражаться в организации отдельного курса или всей школы или охватывать внешкольные занятия. Каждый вариант интегрированного обучения STEM предлагает различные подходы к планированию, потребности в ресурсах, проблемы реализации и результаты.
Существующие подходы интеграции предметов в рамках обучения STEM в США во многом ориентируются на решение задач повышения общей грамотности населения в области STEM и развития компетенций XXI века; повышения интереса и участия учащихся в STEM; привлечения молодых специалистов в работу в сфере STEM. С точки зрения результатов STEM
STEM-образование
образования рассматриваются: уровень прохождения учебных курсов и академических достижений по предметам, входящим в STEM; занятость, связанная со STEM; сформированность «STEM-идентичности» у учащихся; способность передавать понимание между дисциплинами STEM при решении интегративных задач.
Отмечается, что один из значимых признаков интегративно-го подхода к STEM — использование реальных ситуаций или проблем. Хотя эти контексты могут оживить поля STEM для учащихся и могут углубить их обучение, они также могут создавать проблемы для студентов. Так, в аналитическом обзоре обсуждается, что есть свидетельства того, когда при использовании конкретных жизненных ситуаций, которые включают в себя детальную и разнообразную информацию, учащиеся могут затрудняться в выделении и идентификации обобщенных категорий и понятий, которые необходимы для переноса их опыта в другие условия.
В аналитическом отчете отмечается, что для разработки интегрированных образовательных инициатив STEM значимо соблюдений трех условий [STEM Integration in K-12 Education 2014, 5]:
1. Интеграция должна быть явной. Важна специальная отработка интегрированного опыта, который обеспечивает преднамеренную и явную поддержку учащихся для накопления знаний и навыков как внутри отдельных дисциплин, так и между дисциплинами. Во многих интегрированных программах STEM такие поддержки отсутствуют или только неявно встроены в деятельность в классе или в программное обеспечение, измерительные инструменты и вычислительные инструменты, используемые в классе.
2. Знания учащихся в отдельных дисциплинах должны быть поддержаны. Соединение идей между учебными дисциплинами — сложная задача, когда учащиеся плохо владеют и не понимают конкретные идеи и методы в отдельных дисциплинах. Кроме того, учащиеся не всегда используют свои дисциплинарные знания в интегрированном контексте. Таким образом, учащимся требуется поддержка, чтобы выявить соответствующие научные или математические идеи в контексте инженерного или технологического проектирования, продуктивно связать эти идеи и реорганизовать свои собственные идеи таким образом, чтобы они отражали соответствующие научные идеи и практики.
3. Больше интеграции не обязательно лучше. Потенциальные преимущества и проблемы установления связей между предметами в рамках STEM указывают на важность взвешенного, стратегического подхода к внедрению интегрированного обучения STEM, учитывающего потенциальные компромиссы в познании и обучении.
Различные вопросы в интеграции отдельных предметов в области STEM в STEM-подход в образовании в американском аналитическом отчете представлены в виде схемы [STEM Integration in K-12 Education 2014, 32]:
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
Интеграция STEM-образования
Схема 1. Интегративные процессы в STEM-подходе в образовании
В ряде работ отмечается, что STEM-подход требует изменения позиции учителя с транслятора знаний на наставника и ментора при освоении сложных видов деятельности. Так, в одном из аналитических отчетов по STEMM-образованию (еще одно M в нем включает медицину) в США наставничество определяют как «интеллектуальную и практическую деятельность, охватывающую систематическое изучение структур и поведения посредством наблюдения, эксперимента и теории» [The Science of Effective Mentorship in STEMM 2019, 2]. Наставничество — это профессиональный, рабочий альянс, в котором люди работают вместе, чтобы поддерживать личностный и профессиональный рост, развитие и успех партнеров по взаимоотношениям посредством предоставления карьерной и психосоциальной поддержки. Менторство в контексте STEMM рассматривается как реализация «функции поддержки карьеры (например, профориентация, развитие навыков, спонсорство) и функции психосоциальной поддержки (например, психологическая и эмоциональная поддержка, ролевое моделирование), нацеленные на развитие навыков ученичества» [The Science of Effective Mentorship in STEMM 2019, 2]. Наставничество же дополняет другие процессы развития, такие как обучение или инструктаж, для поддержки подопечных в развитии знаний и навыков, и имеет важное значение для целостного развития профессионалов STEMM, включая, помимо прочего, развитие
STEM-образование
сильной идентичности профессионала STEMM, развитие уверенности в способности работать профессионалом STEMM и успешно ориентироваться в культуре STEMM.
STEM в России. В России на данный момент институционально STEM начинает закрепляться только в единичных примерах. Даже если взглянуть на основные источники наших белорусских коллег, которые активно пытаются включиться в развитие STEM подхода в образовании [STEM-подход в образовании 2018], там представлены в основном конференции, сборники и институции, связанные с нашей практикой развития исследовательских и проектных методов обучения, часть которых в последние годы стала сопряжена со STEM [Научно-практическое образование, исследовательское обучение, STEAM-образование 2018, Научное образование/Science Education 2018].
Важно отметить, что в России до появления STEM активно развивались значимые составляющие, которые связаны со STEM-подходом в образовании. Среди них можно назвать:
1. курсы «Окружающий мир» для начальной школы и «Естествознание» для средней и старшей школы как попытка реализации интегративного преподавания естественнонаучных дисциплин;
2. проектный метод обучения, или метод проектов;
3. учебно-исследовательскую деятельность учащихся. Следует отметить, что развитием практики преподавания
«Окружающего мира» в логике STEM Россия во многом обязана Кэролл Бренан (Гавайский университет, США), которая много лет проводила обучение воспитателей детских садов и учителей начальной школы и студентов дошкольного и начального образования Института детства МПГУ, погружая их в практику интегративного подхода обучения STEM дошкольников и младших школьников. Общие принципы данного подхода представлены в ее статье [Бреннан, Поттенгер III 2019].
В последние несколько лет также активно развивается и российская практика STEM-подхода в дошкольном образовании и начальном образовании [Волосовец, Маркова, Аверин 2019].
В непосредственной практике образования на данный момент нам известно два образовательных проекта, которые напрямую названы STEM. Так, в ЧОУ «Хорошевская школа» в связи с открытием Гимназии в 2017 году была открыта кафедра STEM (заведующий к. п. н. С. А. Ловягин), объединившая преподавателей физики, биологии, химии, географии, информатики и технологии при определенном сотрудничестве с математиками, которые при этом имеют свою кафедру, не входящую в STEM. Кафедра STEM начала выстраивать вариативную практику работы с учащимися средней и старшей школы. Эта практика направлена на интеграцию смежных предметов через постановку учащимся практических задач, в
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
ходе решения которых необходимо использовать те или иные теоретические материалы и методы разных наук.
Также в 2017 году в МГПУ была открыта магистерская программа «Обучение физике и STEM-образование»2 (руководитель программы — С. А. Ловягин), которая стала готовить учителей физики, математики, информатики, химии, биологии и даже начальных классов к принципам и методам организации обучения школьников в деятельностной парадигме при интеграции различных предметов — через реализацию межпредметных проектов на стыке физики, информатики, технологии, математики и др. В 2019 году программа сделала третий набор студентов. Значительная часть студентов данной программы проходит практику, а некоторые уже и работают в Хорошколе.
Представим описание практики реализации STEM-подхода в Хорошколе. Данная практика была описана С. А. Ловягиным ранее [Ловягин 2018]. Приведем некоторые выдержки из данного описания.
Цель естественно-научного образования — становление умения самостоятельно решать различные жизненные задачи в современном, быстро меняющемся, высокотехнологичном мире, опирающегося на:
• исследовательскую установку;
• проектный подход;
• навыки XXI века;
• владение основными научными понятиями и инструментами.
Задачи естественно-научного образования в основной
школе — формировать:
интерес к науке и познанию окружающего мира; навыки проведения лабораторного эксперимента; понимание фундаментальных научных понятий и законов; умение применять современные инструменты деятельности; компетенции XXI века: критическое мышление; креативность; коммуникацию;
опыт работы в команде и навыки сотрудничества; навыки исследования и проектирования; готовность к изучению естественных наук на английском языке.
Планируемые результаты:
знание и понимание основных естественно-научных понятий школьной программы в соответствии с образовательным стандартом;
компетенции XXI века (4К): критическое мышление, креативность, коммуникация и кооперация; умение решать практические задачи с использованием математического моделирования и метрической системы единиц;
навыки использования лабораторного оборудования, цифровых средств измерений, фиксации и анализа данных;
https://www. facebook.com/pg/ physics.STEM/posts/
STEM-образование
• умение использовать знания на практике, в том числе для оценки информации и при принятии решений;
• осознанный выбор индивидуального плана изучения естественных наук в старшей школе.
В естественно-научный кластер Хорошколы входят: физика, химия, биология, география и астрономия. География целенаправленно включена в естественные науки, поскольку ее объект изучения интегративен по своей сути (в западных странах его название говорит само за себя: Earth Science). В 5-6 классах естественные науки изучаются в рамках интегрированного предмета «Естествознание», цель которого — познакомить с понятиями и явлениями, а также сформировать базовые лабораторные навыки и умения. Естествознание изучается 5 часов в неделю: два раза по два часа (пара), на которых основное время занимает лабораторный практикум, и дополнительный час, ориентированный на индивидуальные самостоятельные занятия (подготовку лабораторных отчетов и т. д.). В 7-9 классах предметы изучаются в рамках образовательной области «Естественные науки», занимающей в расписании 7 часов в неделю: три сдвоенных часа, включающих лабораторный практикум, и один час индивидуальных самостоятельных занятий по предмету. В 7-8 классах каждый из естественно-научных предметов изучается в формате учебных модулей — погружений: в течение 2-3 недель все 7 часов отводятся на изучение одного предмета. Последовательность предметов в течение года выстраивается в логике межпредметных связей (пример: перед изучением на географии темы «Атмосфера» учащиеся 7 класса занимаются в течение 2 недель физикой, осваивая понятия: архимедова сила, давление атмосферы, тепловое расширение, конвекция...).
Изучение естественных наук основано на системно-де-ятельностном подходе и конструкционистском понимании процессов учения: каждый человек строит свое собственное знание и понимание на основании личного опыта; в этом процессе происходит последовательное приращение знания; освоенное человеком знание развивается и проясняется во взаимодействии с другими людьми. Обучение носит проблемный характер. Основное время учащиеся решают практические задачи в малых группах (2-4 человека) с помощью лабораторных экспериментов. Они выполняют задания, отвечают на вопросы, проектируют приборы, конструируют установки, планируют и проводят несложные исследования с их помощью. Задания учащиеся получают через информационную среду (LMS) школы, используя для этого персональные цифровые устройства (ноутбуки).
В итоге совместно проведенной работы и обсуждений каждый учащийся должен сделать в информационной среде школы индивидуальный отчет о выполнении работы. В связи с ориентацией школы на IB уже в основной ступени часть занятий во
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
всех классах ведет опытный педагог (носитель языка и научной культуры) на английском языке. На занятиях естественными науками присутствуют сразу все учащиеся параллели. Деления на группы по уровням сложности во время лабораторных занятий не происходит; эту задачу решают курсы по выбору.
Предметное содержание. Изучение естественных наук выстраивается в соответствии с проектным подходом в межпредметной логике. STEM предполагает освоение предметного содержания через проекты, в которых естественным образом интегрировано научное знание и проектирование, информационные технологии и математические расчеты.
Диапазон понимания термина «проект» в этом контексте очень широк, и в рамках данной реализации «учебный проект» представляет собой скорее вариант практической задачи проблемного характера, решение которой группа учащихся ищет самостоятельно, опираясь при этом не на пошаговую инструкцию, а на вопросы открытого типа. Проект предполагает проведение исследований, включающих постановку исследовательского вопроса, формулирование гипотезы, разработку методики исследования, сбор, представление и анализ данных. Содержание предметов в целом соответствует примерной программе основного общего образования. Распределение тем и разделов по годам обучения следует логике межпредметных связей, на которых построено изучение естественных наук в целом. Предметные знания не сообщаются учащемуся в готовом виде в традиционном формате объяснения нового материала или чтения учебника. Они интегрированы в содержание практических заданий, сама тематика которых определена программой обучения. Предметные знания даются в виде информационных вкраплений, содержащих краткие пояснительные тексты и ссылки на специально отобранные информационные ресурсы сети Интернет, которые выступают в роли средства решения учебной задачи: не познакомившись с новым понятием или формулой, учащийся не сможет выполнить задачу. Поэтому информация всегда дается учащемуся только после постановки учебной задачи, для решения которой она нужна. Такой формат учебной работы определяет объем осваиваемого содержания: информации становится меньше, зато меняется качество ее «присвоения» учащимися.
При оценке образовательных результатов используются три способа: оперативная обратная связь, качественное текущее оценивание каждой выполненной практической работы и балльное критериальное оценивание по результатам итоговых работ. Основной формой оценки является формирующее оценивание: учащиеся получают задания не с целью проверки наличия знаний и умений, а для их формирования. Соответственно, ошибки являются нормальным явлением, и их появление встречает не негативную оценку, а позитивную обратную связь: что требует коррекции и как это сделать. Оперативная обратная
STEM-образование
связь дается непосредственно во время выполнения практической работы (каждой группе в отдельности и индивидуально). Текущее оценивание результатов работы каждого учащегося происходит каждое занятие. Оцениваются только те результаты работы, которые учащиеся разместили в информационной среде. Основная форма результата — отчет по лабораторной работе, в котором зафиксированы: ответы на вопросы, результаты выполнения заданий, сделанные детьми эксперименты, установки, приборы. Отчет является предметом качественной оценки (обратной связи), поскольку позволяет оценить знание и понимание изучаемой темы, а также уровень формирования предметных умений и универсальных учебных действий (компетенций). Оценка отчетов происходит в течение суток (до начала следующего занятия). Итоговые предметные знания и навыки, а также метапредметные умения оцениваются отдельно при помощи заданий и вопросов в информационной среде школы (констатирующее оценивание).
Выбор индивидуального учебного трека. Помимо общих для всего класса занятий учащийся может выбрать дополнительные курсы в любом из естественно-научных направлений. Это может быть подготовка к олимпиадам, включая Олимпиаду НТИ, какой-нибудь из форматов прикладной работы, исследовательский или технологический проект (в последнем случае термин «проект» используется в обычном смысле). Тот, кто выбирает в 9 (11) классе экзамены по естественно-научным предметам, получает возможность дополнительной тренировки к государственным аттестационным процедурам по выбранному предмету. Формы учебной работы:
• практические задания (лабораторные работы с элементами исследования);
• самостоятельные занятия (создание отчетов, освоение информационных источников, тестирование, подготовка проектов и т. д.);
• демо-лекции (демонстрация экспериментов, постановка и обсуждение проблем предметного характера);
• дискуссии (модерируемое учителями обсуждение результатов практической работы в больших группах);
• лекции представителей современного высокотехнологичного бизнеса, использующего естественно-научное содержание;
• хакатоны (одно-двухдневные проектные сессии);
• полевые практики и экскурсии;
• конференции, презентации и защита проектов.
В силу практической ориентации образовательного процесса при изучении естественных наук существенно меняется роль педагога. Отсутствие фронтальных форм работы (объяснений нового материала, проверки домашних заданий, опросов, обсуждений...) приводит к тому, что учитель перестает
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
быть основным источником информации и главным действующим лицом образовательного процесса. Дети работают в мини-группах по 2-4 человека, с высокой степенью самостоятельности выполняя задания, размещенные в информационной среде школы. Учителя играют роль помощников, фасилитаторов групповой работы. Им же принадлежит функция наблюдения за текущей работой учащихся и ее оценки, оказания своевременной помощи и обратной связи. Также педагоги качественно оценивают работу учащихся в информационной среде в соответствии с системой критериев, которые заранее объявляются учащимся. Важнейшей функцией учителя в школе становится педагогический дизайн: педагоги самостоятельно и при участии экспертов разрабатывают все учебные материалы (содержание обучения): практические задания, аннотированные ссылки на информационные ресурсы Интернет, тесты и критерии оценивания (рубрики). Это требует специалистов высочайшей квалификации, сочетающих в одном лице качества педагога, ученого и методиста. Поэтому основной состав естественников школы — молодые выпускники МГУ, имеющие богатый опыт работы со школьниками. Курсы по выбору ведут не только учителя школы, но и приглашенные специалисты.
Образовательная среда. Образовательная среда ориентирована на практическую деятельность учащихся: пространство легко трансформируется для решения различных задач; учебное оборудование предназначено для использования учащимися, в первую очередь для фронтальных практических (лабораторных) работ.
Особую роль в реализации концепции естественнонаучного образования школы играет специально спроектированная образовательная среда. В школе нет деления на кабинеты химии, физики, биологии. Есть 4 больших пространства, специализированных на решении определенных задач:
1. Мегалаб площадью 900 м2 оснащен всем необходимым для проведения лабораторных исследований учащимися основной и старшей школы;
2. Экспериментариум (250 м2) позволяет делать практические работы, изготавливать приборы и проводить демонстрации с учащимися 5-6 классов;
3. FabLab (300 м2) позволяет материализовать любой естественно-научный проект, используя для этого станки с ЧПУ и аддитивные технологии;
4. Мастерская робототехники, электроники и программирования (180 м2) позволяет создавать установки для исследовательских проектов с помощью программируемых систем сбора данных.
Зоны Мегалаба не разделены стенами, а представляют собой пространство различного функционального назначения: половина его оснащена лабораторными столами и подвесными
STEM-образование
системами коммуникаций (вода, электричество, газ, вытяжки) для проведения работ по химии, физике, биологии одновременно 80 учащимися. Большое пространство рядом с лабораторными столами предназначено для группового обсуждения и позволяет оперативно менять форматы работы, переходя от экспериментов к обсуждениям и работе с информационными ресурсами. Лабораторное и групповое пространство — основная учебная зона; в ней нет фронтальной расстановки парт. Это пространство легко трансформируется под различные учебные задачи: легкие столы на колесах быстро переставляются и группируются при смене численности учащихся в команде или изменении формата работы. Лабораторное пространство может быть разделено физически на три больших лаборатории благодаря подвижным перегородкам. Вторая половина Мегалаба предназначена для неформальной учебной работы — это скорее зона общения, индивидуальной работы и свободного обсуждения проектов в мини-группах. Она напоминает открытое пространство современного интерактивного музея увлекательной науки: в нем располагаются интерактивные приборы, сделанные руками учащихся в результате проектной деятельности. В зоне неформального учения Мегалаба находится девятиметровый купол, выгораживающий пространство для демонстраций: лекций, презентаций, конференций, просмотра видео в формате 360°.
В контексте описанных условий логично преобразование заданий конвергентного типа (имеющих один правильный ответ и вариант решения) на задачи дивергентного типа и заданий с открытым финалом (исследовательского типа), а также задач для проектного действия. Именно такого типа задания в области STEM мы и будем предлагать в готовящемся сборнике, о котором расскажем ниже.
Задания по STEM: от 1 до 11 класса. Нами с коллективом авторов подготовлено методическое пособие, которое включает в себя 300 заданий, охватывающих все предметы STEM-направления, а также метапредметные задания, с решениями и методическими рекомендациями, рекомендуемые для включения в российскую школьную практику.
Отобранные нами задания демонстрируют примеры реализации STEM-подхода в образовании, что требует межпредметной интеграции и практической направленности деятельности. В представленных заданиях важен выход за рамки школьного предмета: связь с окружающим миром и актуальными проблемами. Данная характеристика заданий может быть альтернативой проектной деятельности.
Задания по STEM и естественно-научному образованию мы представляем по основным направлениям школьных предметов и за их пределами в области естественных наук, программирования и инженерного дела. При этом в большинстве заданий важно прикладное использование математики, а также применение
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
цифровых технологий учащимися для решения предметных задач. Практически во всех заданиях присутствуют межпредметные связи — минимум по двум предметам (например, физика и технология; химия и физика; химия и биология, биология и география), но зачастую и по большему числу предметов.
Среди отдельных фокусировок, в условной привязке к школьным предметам, от которых мы отталкиваемся, но выводим на задачи в логике STEM, биология, экология и география; физика и математика; робототехника и программирование; химия и науки о материалах. В связи с тем, что большая часть заданий имеют межпредметный характер, мы не структурировали их по предметным областям, а располагали скорее в логике возрастания классов. Привязка к предметной области — одна из самостоятельных характеристик каждого конкретного задания. При этом есть ряд заданий, которые могут рассматриваться как последовательный цикл задач, системно раскрывающих ту или иную область, например, биологии или физики.
Задания разделены на три раздела:
1. задания для начальной школы, большую часть которых возможно реализовать в рамках предмета «Окружающий мир», изначально направленного на интеграцию различных наук и усвоение учащимися универсальных учебных действий, в том числе значимых для реализации исследовательской и проектной деятельности. Данные задания имеют многолетний опыт воплощения с младшими школьниками учителями, их разработавшими;
2. задания для средней и старшей школы, разработанные и реализуемые российскими учителями в своей практике в ряде московских школ. Часть заданий вписываются в традиционные школьные предметы (биология, химия, физика, география, информатика) с использованием математики или ИКТ, но большая часть требует интеграции знаний и методов различных наук, реализации межпредметного подхода и проявления мета-предметных способностей;
3. задания для средней и старшей школы, переведенные из методических пособий и задачников Великобритании и США, которые используются в американских школах или при вступительных испытаниях на бакалавриат в Оксфорд. Задания отобраны и адаптированы к российской системе образования. Задания Оксфорда во многом направлены на проявление и развитие критического мышления, способности работать с различной информацией, анализировать ее и делать обоснованные выводы. Задания из американского пособия во многом направлены на освоение физики через практический опыт, эксперименты, решение практических задач с применением математики, информатики, различных технологий.
Все представленные задания могут быть использованы в проведении занятий в российских школах — как в учебном
STEM-образование
процессе, так и при проведении интеллектуальных соревнований. В каждом задании мы давали привязку, на какой класс оно рассчитано, хотя большая часть заданий может применяться в различных классах (по ситуации). Ряд заданий применим для ОГЭ, ЕГЭ, ВПР. Значительная часть заданий требует практических действий, экспериментов, проведения лабораторных работ. Некоторые задания подразумевают выход на специальные площадки (например, зоопарк). Однако большая часть заданий может быть реализована в условиях традиционной практики обучения — на уроках в классе.
Задания, представленные в упомянутом сборнике, описаны в структуре, которая была изначально задана авторам — действующим учителям, практикующим STEM-подход в своей работе. Переводные задания также были доработаны и описаны в принятой нами структуре. Кратко поясним заданную структуру описания заданий и как этим можно пользоваться.
Формат описания заданий STEM
Вводная часть
Название задания — данные названия не формализованы и носят порой образное содержание, хотя мы старались давать названия так, чтобы была понятна суть задачи. Автор задания — разработчик задания или педагог, который задание адаптировал и описал в заданном формате.
На какой класс рассчитано — часто обозначается не один класс, а несколько, так как задание может быть реализовано в различных классах, в зависимости от общей логики работы с учащимися.
Какие предметные области охватывает — большая часть заданий охватывает несколько предметных областей. Это подразумевает, что данное задание требует применения знаний и методов из разных учебных дисциплин и наук при решении конкретной практической задачи.
Какие метапредметные умения развивает — на какие аспекты развития универсальных учебных действий, метапредметных результатов образования, навыков XXI века может работать практика реализации представленного задания.
Часть 1 — пояснительная записка для педагогов (методические рекомендации)
Необходимые материалы: перечень материалов, которые необходимы для реализации конкретной задачи, что особенно значимо при практических, лабораторных заданиях. Оптимальное время для реализации: примерное время, требующееся для реализации предлагаемой задачи. Разброс времени от задания к заданию может быть значительным. Некоторые задания требуют краткого решения за несколько минут, некоторые требуют реализации цепочки последовательных действий с временными промежутками между этапами. Форма проведения: могла быть дана на выбор учителю или была рекомендована (индивидуально, в паре, в группе). Значительную часть заданий для развития метапредметных умений продуктивнее реализовывать в парах или в группах.
Достижение каких предметных образовательных результатов ожидается.
Задания для практики STEM-образования: от суммы частных задач и учебных дисциплин к целостному деятельностному междисциплинарному подходу
Обухов Алексей Сергеевич, Ловягин Сергей Александрович
Часть 2 — собственно задание для учащихся
Текст задания, предлагаемый учащимся. Иллюстративные материалы, если необходимы.
Формы, бланки, форматы регистрации данных и др., предлагаемые учащимся.
Часть 3 — логика решения задания
Краткое описание ожидаемых действий, хода решения, вариантов ответов. Значительная часть заданий имеет именно алгоритм решения, так как они имеют «открытый» характер, а также вариативные пути решения. Задания STEM в целом в большей степени имеют дивергентный, а не конвергентный характер. (Дивергентная задача имеет много правильных ответов и вариантов решений. Такой тип задач направлен на развитие творческого мышления. Конвергентные задачи имеют единственно правильное решение и один способ решения, направлены на освоение общего умения решать задачи [Савенков 2008]). Критерии оценивания. В заданиях представлены вариативные способы и методы оценивания. Всю вариативность можно представить в виде трех типов обратной связи для учащихся:
1. зачет/незачет (сделал/не сделал) — что наиболее применимо, особенно в начальной школе;
2. выполнено/выполнено частично/не выполнено (или 2, 1 и 0 баллов соответственно), когда при 1 учащемуся требуется уточнение, что и как ему важно доделать;
3. различные шкалы в баллах по заданным критериям, которые могут также иметь конкретизацию на разных этапах реализации задачи.
Существенно, чтобы критерии учащиеся знали изначально и ориентировались на них. При этом задания могут менять способы оценивания — по решению учителя при планировании включения предлагаемых заданий в практику своей работы.
Мы надеемся, что наш сборник будет полезен как преподавателям различных учебных дисциплин в области STEM, а также он будет способствовать усилению интеграции между дисциплинами STEM и продуктивному взаимодействию учителей для реализации проблемного, проектного и исследовательского подхода в работе со школьниками.
О выходе сборника мы отдельно информируем на сайте журнала «Исследователь/Researcher». Уверены, что он будет полезен учителям различных школьных предметов на всех ступенях общего образования, а также в дополнительном образовании детей и подростков.Щ
Литература
Бреннан, Поттенгер III 2019 - Бреннан К. Э, Поттенгер III Ф. П. Методы исследования, используемые в дошкольном образовании // Исследователь/Researcher. 2019. № 1-2. С. 52-56.
Вернадский 2002 - Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. М.: Рольф, 2002.
Волосовец, Маркова, Аверин 2019 — Волосовец Т. В., Маркова В. А., Аверин С. А. STEM-образование детей дошкольного и младшего школьного возраста. Парциальная модульная программа развития интеллектуальных способностей в процессе познавательной деятельности
STEM-образование
и вовлечения в научно-техническое творчество: учебная программа. 2-е изд. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2019. 112 с.
Ловягин 2018 - Ловягин С. А. Изучение естественных наук в логике STEM-образования: концепция и практика Хорошколы // Научно-практическое образование, исследовательское обучение, STEAM-образование: новые типы образовательных ситуаций. Сборник докладов IX Международной научно-практической конференции «Исследовательская деятельность учащихся в современном образовательном пространстве». В 2-х тт. / Под ред. А. С. Обухова. М.: МОД «Исследователь»; Журнал «Исследователь/Researcher», 2018. Т. 1. С. 166-172.
Научное образование/Science Education 2018 - Научное образование/Science Education: сборник статей участников симпозиума по проблемам развития одаренности детей и юношества в образовании / Под редакцией А. С. Обухова. Якутск: Академия наук Республики Саха (Якутия); М.: Библиотека журнала «Исследователь/Researcher», 2018. 304 с.
Научно-практическое образование, исследовательское обучение, STEAM-образование 2018 - Научно-практическое образование, исследовательское обучение, STEAM-образование: новые типы образовательных ситуаций. Сборник докладов IX Международной научно-практической конференции «Исследовательская деятельность учащихся в современном образовательном пространстве». В 2-х тт. / Под ред. А. С. Обухова. М.: МОД «Исследователь»; Журнал «Исследователь/Researcher», 2018. Т. 1. 260 с.; Т. 2. 290 с.
Обухов 2019 - Обухов А. С. Международный симпозиум по проблемам развития одаренности детей и молодежи в образовании «Научное образование» в рамках Международных интеллектуальных игр в Якутске // Исследователь/Researcher. 2019. № 1-2. С. 183-194.
Савенков 2008 - Савенков А. И. Творческая одаренность // Психология и школа. 2008. № 1. С. 76-80.
Уваров 2018 - Уваров А. Ю. Исследовательский подход в обучении естественным наукам за рубежом // Научно-практическое образование, исследовательское обучение, STEAM-образование: новые типы образовательных ситуаций. Сборник докладов IX Международной научно-практической конференции «Исследовательская деятельность учащихся в современном образовательном пространстве». Том 1 / под ред. А. С. Обухова. М.: МОД «Исследователь»; Журнал «Исследователь/Researcher», 2018. С. 34-54.
Фрумин, Добрякова, Баранников, Реморенко 2018 - Фрумин И. Д., Добрякова М. С., Баранников К. А., Реморенко И. М. Универсальные компетентности и новая грамотность: чему учить сегодня для успеха завтра. Предварительные выводы международного доклада о тенденциях трансформации школьного образования // Современная аналитика образования. 2018. № 2(19). М.: НИУ ВШЭ. 28 с.
Cakir 2008 — Cakir M. Constructivist approaches to learning in science and their implications for science pedagogy: A literature review // International Journal of Environmental & Science Education. 2008. No 3(4). Р. 193-206. [Электронный ресурс, 5.03.2018]. URL: http://cepa.info/3848
STEM-подход в образовании 2018 - STEM-подход в образовании: идеи/методы/практика/перспективы. Минск, 2018. URL: http://edu4fu-ture.by/storage/app/media/camp/stem-podkhod-v-obrazovaniiprint.pdf
STEM Integration in K-12 Education 2014 - STEM Integration in K-12 Education: Status, Prospects, and an Agenda for Research. Washington, DC: The National Academies Press, 2014. URL: https://doi.org/10.17226/18612.
The Science of Effective Mentorship in STEMM 2019 - The Science of Effective Mentorship in STEMM // National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2019. Washington, DC: The National Academies Press. URL: https://doi.org/10.17226/25568.
