STEM освіта та цифрові лабораторії

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 проекти, 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. Програмне забезпечення представляє собою потужний інструмент, як для моніторингу експериментальних даних, так і для глибокого аналізу, з можливістю виведення математичних закономірностей, ведення журналу наукових спостережень і спільної роботи з іншими учасниками експерименту.

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.

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.

Активне впровадження цифрових лабораторій в освітню практику закладів загальної середньої освіти стало природним наслідком формування сучасного інформаційно-освітнього середовища. Наказом Міністерства освіти і науки України від 22.06.2016 № 704 затверджено «Типовий перелік засобів навчання та обладнання навчального і загального призначення для кабінетів природничо-математичних предметів загальноосвітніх навчальних закладів», яким визначено вимоги до цифрового вимірювального обладнання для кабінетів природничо-математичних предметів.

У КЗ «ЗОІППО» ЗОР відповідно до «Програми розвитку освіти Запорізької області на 2018-2022 р.р.» (Проект «Розвиток професійної компетентності педагога в системі неперервної освіти», п. 14), затвердженої рішенням сесії Запорізької обласної ради від 30.11.2017 № 54, розпочата робота зі створення STEM-лабораторії цифрових вимірювань.

У межах цієї роботи в 2018 році за рахунок коштів обласного бюджету здійснено закупівлю елементів цифрового вимірювального комп’ютерного комплексу, до складу якого входять: система збору, зберігання та первинної обробки даних; набір датчиків різного типу та призначення для вимірювання фізичних і фізико-хімічних параметрів об’єктів дослідження та програмне забезпечення комплексу.

Обладнання цифрової лабораторії дозволяє проводити вимірювання, здійснювати математичну обробку, візуалізацію та аналіз отриманих результатів, розширює дослідницьку складову у вивченні природничих наук. Лабораторія має апаратну і програмну складові, призначені для проведення експериментів із фізики, хімії, біології, географії, математики.

Програмне забезпечення цифрового вимірювального комплексу 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. Візуалізація експериментальних даних здійснюється або на екрані реєстратора даних, або на моніторі комп’ютера, до якого він підключений.

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 цифрового комплексу 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 цифрового вимірювального комп’ютерного комплексу він один для всіх предметних областей.

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. Так, у 2019 році в КЗ «ЗОІППО» ЗОР, відповідно до типового навчального плану курсів підвищення кваліфікації педагогічних працівників, організовано проведення фахового спецкурсу «Використання цифрових лабораторій при викладанні природничих наук» за напрямами: хімія, біологія та географія.

На курсах підвищення кваліфікації вчителі природничо-математичних дисциплін знайомляться з можливостями та досвідом використання в освітньому процесі цифрових лабораторій; з поколіннями ЦЛ; з номенклатурою датчиків і їх основними характеристиками; з виконанням експериментів. Педагоги вивчають, як підготувати до роботи реєстратор даних: включення і виключення, підключення зовнішніх пристроїв, графічний інтерфейс, програмне забезпечення, налаштування датчиків, калібрування екрану, виконання вимірювань з одним або декількома датчиками.

У рамках курсів підвищення кваліфікації вчителі хімії, біології та географії виконують лабораторні роботи, використовуючи комп’ютери, системи збору даних LabQuest 2 та відповідні датчики цифрової лабораторії «Vernier». Фаховий спецкурс «Використання цифрових лабораторій при викладанні природничих наук» за напрямами: хімія, біологія та географія передбачає виконання п’яти лабораторних робіт (п’ять робіт з кожної дисципліни), але спектр виконуваних робіт набагато ширший і не обмежується тільки цими роботами.

Загалом, за першу половину 2019 року з використанням обладнання цифрового вимірювального комп’ютерного комплексу в КЗ «ЗОІППО» ЗОР пройшли підвищення кваліфікації 12 груп учителів природничо-математичних дисциплін (315 осіб).

Такі види навчальних занять дозволяють учителю оцінити ефект від включення цифрового обладнання в реальний освітній процес через власне сприйняття побаченого навчального заняття. Використання ЦЛ залишає у шкільних учителів і викладачів інших закладів освіти відчуття, що вони отримали для роботи сучасний, надійний, інформативний інструмент, який суттєво поліпшує освітній процес, що дозволяє вчителю швидше і ефективніше викладати навчальний матеріал, а учням більш повно і якісно його освоювати.

Принципово важливим є те, щоб учителі-предметники розуміли, що 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.

Використання ЦЛ не закликає повністю відмовитися від традиційного натурного експерименту, а лише дозволяє економити час на уроці та збільшити візуалізацію проведених досліджень, додає гнучкості в освітній процес, що надає учням більше незалежності в дослідженні та вивченні світу, формуючи тим самим ряд специфічних універсальних навчальних дій, відповідаючи вимогам державного освітнього стандарту: вчитися досліджувати і вчитися за допомогою досліджень.

Заходи

8-9 листопада 2018 р. у м. Київ відбулася ІV Міжнародна науково-практична конференція «STEM-освіта: стан впровадження та перспективи розвитку».

Метою науково-практичної конференції було обговорення умов розвитку STEM-освіти в Україні, пошук ефективних методичних підходів і
технологічних рішень упровадження STEM-навчання в контексті реалізації дидактичних принципів Нової української школи, представлення інноваційних моделей і технологій навчання учнівської молоді щодо побудови успішної кар’єри в майбутньому.

Запорізький край на конференції представила делегація, очолювана в. о. ректора КЗ «ЗОІППО» ЗОР Казачуком А.В., до складу якої увійшли співробітники інституту Іванов С.А., Васильченко Л.В., Давидовський М.В., директор Мелітопольської ЗОШ №4 Коваленко А.М., вчитель фізики Ченцов О.М. Мелітопольської ЗОШ №4 та Мельник Ю.С., вчитель інформатики Мелітопольської ЗОШ №8.

Фотозвіт

11 грудня 2018 року на базі КЗ «Запорізький обласний інститут післядипломної педагогічної освіти» ЗОР відбувся навчально-
демонстраційний семінар «Цифрові вимірювальні комплекси «Einstein» в дії». Семінар провели представники ТОВ «БМС ТЕХНО», які здійснюють технічну та методичну підтримку використання комплексів «Einstein» в освітньому процесі закладів освіти України.

У семінарі взяли участь педагогічні працівники десяти закладів освіти Запорізької області, які мають цифрові лабораторії «Einstein».

Учасники семінару були ознайомлені з основними можливостями комплексу «Einstein», датчиками, які входять до його складу, основними функціями програмного забезпечення. Разом з представниками ТОВ «БМС ТЕХНО» вони виконали практичні роботи з використання цифрової лабораторії в освітньому процесі.

За результатами семінару учасники отримали сертифікат.

Фотозвіт

 

25 лютого 2019 року на базі КЗ «ЗОІППО» ЗОР відбувся семінар-практикум «STEAM-лабораторія як інтеграційна основа підвищення якості викладання природничо-математичних дисциплін у закладах освіти», який був проведений спільно з ТОВ «АККОРДГРУП».

Учасники семінару ознайомились з основними можливостями використання шкільної STEAM-лабораторії в закладах освіти та виконали практичні роботи для молодшої, середньої та старшої школи. Досвідом реалізації STEAM-проектів в освітньому процесі поділились представники Запорізької школи-інтернату «Січовий колегіум». За результатами семінару учасники отримали сертифікати.

Фотозвіт