STEM освіта та використання цифрових лабораторій в освітньому процесі

Компетентнісний підхід в освіті, задекларований Законом України “Про освіту” та концепцією реалізації державної політики у сфері реформування загальної середньої освіти «Нова українська школа» на період до 2029 року, схваленою розпорядженням Кабінету Міністрів України від 14 грудня 2016 р. № 988-р, потребує створення в закладах освіти освітнього середовища, яке б враховувало вимоги новітніх технологій викладання навчальних предметів – середовище Нової української школи. Особливо такі вимоги стосуються викладання предметів природничого циклу. 

Засвоєння освітньої програми з фізики, хімії, біології, географії передбачає набуття досвіду застосування наукових методів пізнання, спостереження природних явищ, проведення дослідів, простих експериментальних досліджень, прямих і непрямих вимірювань з використанням аналогових і цифрових вимірювальних приладів.

У зв’язку із загальною інформатизацією освіти і швидким розвитком цифрових засобів обробки інформації назріла необхідність упровадження в освітній процес сучасного демонстраційного і лабораторного обладнання з використанням цифрових приладів та лабораторій. 

Цифрові лабораторії (ЦЛ) – це високотехнологічне електронне обладнання для зчитування, реєстрації, цифрової обробки і візуалізації результатів вимірювань, проведених у рамках експериментів і досліджень, демонстраційних і лабораторних робіт. ЦЛ надають можливість проводити різного роду природничо-наукові експерименти а також здійснювати навчально-дослідні проєкти, що сприяють вирішенню міжпредметних завдань. Вони дозволяють активізувати пізнавальну діяльність учнів, сприяють розвитку інтересу до предметів природничого циклу.

Цифрові навчальні лабораторії, як правило, мають у своїй основі спеціалізоване програмне забезпечення, реєстратори даних, а також певний набір датчиків, що дозволяють отримувати практично всі фізичні, хімічні та біологічні дані, необхідні для наочного викладання навчального матеріалу в закладах освіти. 

Обладнання ЦЛ дозволяє проводити вимірювання, здійснювати математичну обробку, візуалізацію та аналіз отриманих результатів, розширює дослідницьку складову у вивченні природничих наук. 

Програмне забезпечення ЦЛ передбачає автоматизований збір та обробку отриманих даних, дозволяє відображати хід експерименту у вигляді графіків, таблиць, показань приладів, надає можливість проводити різного роду природничо-навчальні експерименти як у приміщенні закладу освіти, так і за його межами. 

Швидке налаштування експерименту і наочне відображення даних, одержаних під час виконання експерименту, зручні інструменти аналізу дозволяють проводити більше експериментів і перевіряти більше гіпотез, що сприяє більш швидкому і якісному засвоєнню навчального матеріалу.

Автоматична обробка отриманих даних значно полегшує проведення демонстраційного експерименту вчителем у рамках уроку, обмеженого часом, дозволяє виводити зображення ходу та результатів експерименту з персонального комп’ютера на екран (інтерактивну дошку). Завдяки цьому, зібрані під час виконання досліду дані можна проаналізувати і зробити висновки всім класом. Це сприяє формуванню пізнавального інтересу, логічного мислення, творчої самостійності, більш ранньої професійної орієнтації учнів, дозволяє встановлювати причинно-наслідкові зв’язки, тренує навички учнів по виконанню інструкцій, що описують реальні експериментальні дії. 

Безсумнівним плюсом ЦЛ є той факт, що інструменти апаратного і програмного забезпечення незалежні від експериментів. Різноманітні дослідження із хімії, фізики, географії та біології використовують один і той же реєстратор даних і теж саме програмне забезпечення. Розрізняються лише типи датчиків, що підключаються до реєстратора даних, залежно від того, який експеримент планується виконати. Цей факт особливо важливий за наявності у школі кабінету природознавства, без поділу його на більш вузькі предметні області. Учителі та учні можуть зосередитися на дослідженні багатьох природних явищ і процесів, не витрачаючи багато часу на вивчення нового складного спеціального інтерфейсу – у ЦЛ він один для всіх предметних областей. 

Цифрові навчальні лабораторії спеціально розроблені для використання в освітніх закладах різного рівня й забезпечують комплексний підхід у сучасному навчанні та досягнення учнями зазначених у державному освітньому стандарті результатів. ЦЛ є не просто засобом навчальних досліджень явищ природи і фізичних закономірностей, але також і сучасним засобом загального особистісного розвитку учнів, їх інтелектуальних і навчальних здібностей, самостійності та критичності мислення, формування вміння побачити цікаву проблему, розробити план її дослідження, оцінити отримані результати з позицій наявного знання і примножити його, отримавши нову інформацію і здатність по-новому поглянути на традиційні навчальні заняття. 

На сьогодні розробники навчального обладнання пропонують різні варіанти цифрових навчальних лабораторій для проведення занять на всіх щаблях шкільної освіти: від початкової школи до старших класів, з широкими можливостями по змісту освітньої діяльності. 

Серед нового покоління популярних шкільних цифрових лабораторій, призначених для проведення демонстраційних дослідів, лабораторних і практичних робіт, організації навчальних досліджень, можна виділити такі: 

Вибір ЦЛ серед такого різноманіття обладнання, що пропонується сьогодні виробниками, – це дуже комплексне питання, що вимагає глибокого вивчення як самого обладнання, так і його програмного забезпечення, наявності методичних посібників і методичної підтримки на різних стадіях упровадження. 

Практичний досвід використання ЦЛ показав, що ефективність їх застосування багато в чому залежить від зручності використання і, відповідно, від ступеня опрацювання методики проведення експериментів, яка включає в себе як обладнання, так і методичний та програмний супровід.

Відповідно до Національної стратегії розвитку освіти в Україні можна стверджувати, що для вчителів є своєчасним знайомство із сучасними цифровими лабораторіями та експериментальними установками, оскільки цифрові лабораторії починають активно з’являтися в закладах освіти України. 

Використання цифрового вимірювального обладнання в освітньому процесі вимагає від учителів природничих дисциплін навичок роботи з таким обладнанням та додаткових знань методик його використання в лабораторній та дослідницький практиці. З огляду на це, на сьогодні актуальною є організація підвищення кваліфікації педагогічних працівників за напрямом використання цифрового вимірювального обладнання у практиці викладання предметів природничого циклу. 

Вирішити проблему освоєння нових засобів навчання та цифрових інструментів учителями можна саме в системі підвищення кваліфікації працівників освіти. Правильно організована взаємодія вчителя та закладу підвищення кваліфікації сприяє досягненню нової якості професіоналізму педагогічних кадрів.