Статья «Биологическое образование будущего: STEАM-технологии в современном образовательном пространстве»

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ БУДУЩЕГО: STEАM-ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Малюта Анна Михайловна,

учитель биологии и химии

МОУ «Основная школа №24

города Макеевки»

Аннотация. В статье рассмотрен вопрос об использовании STEАM-технологий в современном образовательном пространстве. Раскрыты основные положения STEАM-технологий и определена их роль в современном образовании. В качестве примера проведен краткий обзор метапредметных образовательных проектов, реализующих STEАM-технологии в биологическом образовании.

Ключевые слова: STEАM-технологии, STEАM-образование, современное образовательное пространство, биологическое образование, метапредметный образовательный проект.

   Актуальность исследования. Сегодня наблюдается технологическая революция. Высокие технологии становятся неотъемлемыми составляющими современного общества. В связи с развитием инновационной экономики одними из самых перспективных профессий станут IT специалисты, инженеры, программисты. Согласно статистике, уровень спроса на STEAM-профессии с 2011 года возрос на 17%, в то время как спрос на обычные профессии возрос всего лишь на 9,8%, что говорит о большой востребованности данной системы образования во всем мире. В связи с этим STEАM-технологии становятся приоритетным направлением государственной политики в сфере образования. Благодаря внедрению STEАM-технологий в образованный процесс удастся удовлетворить потребность в научно-инженерных кадрах и модернизировать разработки в области искусственного интеллекта, био- и нано технологий в стране. Кроме того, появление STEАM-технологий связано с неспособностью учащихся интегрировать полученные знания из различных дисциплин в одном проекте. Применение STEАM-технологий в образовании позволит развить высокоорганизованное мышление и использовать метапредметный подход в решении практических задач[1-3].

   Вопросы реализации STEАM-технологий в современном образовательном пространстве представлены в работах В. Мацкекивича, Т. Водолажской, Т. Коваленка, Д. Король, А. Мельченко и др.

    Вместе с тем, применение STEАM-технологий в современном биологическом образовании не были предметом специального исследования.

   Актуальность и недостаточное отражение в научно-методической литературе STEАM-технологий в современном биологическом образовании определило тему настоящего исследования.

   Анализ состояния проблемы позволил сформулировать цель исследования: раскрыть основные положения STEАM-технологий и определить их роль в современном образовании.

    Задачи исследования:

познакомиться с понятием «STEАM- технология»;

рассмотреть мировые тенденции и практику STEАM- технологий в разных странах;

оценить достоинства STEАM-технологий в современном образовательном пространстве;

представить примеры метапредметных образовательных проектов, реализующих STEАM - технологии в биологическом образовании.

     Объект исследования: STEАM-технологии в биологическом образовании.

  Предмет исследования: современное образовательное пространство посредством реализации STEАM-технологий.

 Гипотеза исследования: совершенствование современного образовательного пространства возможно при условии использования STEАM-технологий в биологическом образовании.

   Методы исследования: теоретический анализ литературы по проблеме исследования, анализ, синтез, наблюдение, эмпирический метод.

  Практическая значимость исследования заключается в том, применение STEАM-технологий в современном образовательном пространстве позволит развивать пространственное мышление посредством работы с трехмерными формами, усовершенствует навыки в профессиональных программах по 3D-моделированию, позволит эффективно применять полученные знания на практике.

    Обзор литературы. В настоящее время все большую популярность приобретают STEАM-технологии в образовании.

  STEАM - образование, основанное на применении метапредметного и прикладного подхода, а также на интеграции всех пяти дисциплин в единую схему обучения. STEАM: S – science; T – technology; E – engineering; А-art; M – mathematics или: естественные науки, технология, моделирование, искусство, математика. Потенциальным эталоном STEАM-образования мог бы быть Леонардо да Винчи — человек, который видел взаимосвязи в сводах соборов и строении стопы человека, который был одинаково хорош и как живописец, и как инженер-изобретатель[2,4].

 STEАM-технологии называют самым перспективным трендом национальной образовательной политики в США,  Канаде, Сингапуре, Китае, Японии, Австралии. В  2010 году в России эта тенденция началась при поддержке государства, отечественных и зарубежных высокотехнологических компаний. На российском рынке в 2014 году появилась сеть инженерно-технических центров (кванториумы, фаблабы, ЦМИТы и центр «Сириус»). Согласно исследованию European Schoolnet, проведенному в 30 странах в 2015 г., 80 % стран отметили STEАM-образование как свой приоритет. Драйвером в развитии этого направления стало  низкое качество образования в сфере точных наук и низкая мотивация учащихся, недостаточная оснащенность материально-технической базой, цифровая экономика Индустрии 4.0, большой спрос на специалистов высокотехнологичных производств[1,3,4].

    Достоинства STEАM-технологий в современном образовательном пространстве:

 познавательный интерес к техническим дисциплинам;

реализация высокотехнологичных проектов в инновационной экономике;

применение научно-технических знаний к условиям нашей современности;

раскрытие потенциала и мотивация к техническому творчеству;

формирование навыков креативного и критического мышления;

активная коммуникация и эффективное взаимодействие друг с другом;

профессиональная ориен тация на рынке высоких технологий[1].

  STEАM-образование — это попытка решить какую-то реальную проблему, используя научные методы, технические приложения, математическое моделирование, инженерный дизайн. Все это делает образовательный процесс более разнообразным, мобильным. На практике учащиеся работают в команде, проводят исследование и эксперименты, разрабатывают конструкции, программы и модели, продвигают свои продукты через  социальные сети, интернет-платформы и сайты, что повышает мотивацию к обучению и расширяют базовые знания в области конструирования и программирования[3,4].

 Примером метапредметного STEАM проекта, основанного на принципах Edutainmenta (образование + равлечение) может быть проект «Вкусная батарейка из фруктов и овощей». Рассмотрим этот проект более детально.

   Актуальность. Использование электрической энергии в настоящее время очень тесно связано с комфортностью проживания человека в современном мире. Вместе с тем запасы тради­ционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Человечество ищет альтернативные источники получения электрического тока: ветер, геотермальные воды, энергию приливов и отливов. А может быть, источники тока создала сама природа? И нам остается лишь найти им применение[5].

  Цель исследования – исследовать возможность получения электрического тока из фруктов и овощей.

    Задачи исследования:

изучить литературу, Интернет-ресурсы по теме исследования;

ознакомиться с устройством и принципом работы батарейки;

создать фруктово - овощную батарейку;

измерить полученное напряжение в электрической цепи и сравнить его показателями пальчиковой батарейки;

рассмотреть возможность практического применения полученной батарейки.

    Объект исследования: фруктовые и овощные батарейки.

    Предмет исследования: получение электрического тока из фруктов и овощей.

    Гипотеза: из фруктов и овощей можно создать источник тока – батарейку.

  Методы исследования: теоретические (анализ литературы, сравнение, обобщение), экспериментальные (сборка гальванического элемента), статистические (определение среднего значения).

   Научная новизна работы заключается в том, что батарейки из фруктов и овощей помогут решить проблему неправильной утилизации батареек и их влияния на окружающую природную среду и здоровье человека.

    Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что батарейки из фруктов и овощей могут использоваться для работы приборов с низким потреблением энергии.

  Обзор литературы. Батарейка – это две металлические пластины, помещенные в специальное химическое вещество – электролит. Одна пластина подключена к выводу «+», другая – к выводу «-». Стоит подключить к батарейке нагрузку, например, лампочку, как от пластины «+» к пластине «-» потечет ток. Начнется химическая реакция в электролите, которая начнет перекидывать электроны с «-» (отрицательной) пластины на «+» положительную (рис.1)[6].

Рис. 1. Устройство и работа батарейки.

    Материалы и методы исследования.

   Для создания фруктово-овощной батарейки необходимо: фрукты и овощи (картофель, яблоки, лимоны и апельсины), несколько кусочков медной изолированной проволоки длиной 15 - 20 см, оцинкованные и медные пластины – для создания отрицательного полюса «-» и положительного полюса «+», светодиод, мультиметр.

  Чтобы сделать гальванический элемент нам необходимо: два электрода, окислитель, восстановитель и электролит. Фрукты и овощи работают как гальванический элемент (батарейка): медь – положительный (+) полюс, а цинковый электрод – отрицательный (-). Сок фруктов и овощей содержит растворенные электролиты - соли и органические кислоты. Восстановителем в нашем случае служит цинк, окислителем - ионы водорода и кислород (которые содержатся в соке) (рис.2)[6].

Рис.2. Гальванический элемент из фруктов

    Результаты и их обсуждение.

   Для увеличения напряжение в батарейке ее элементы (фрукты+овощи с наивысшими показателями напряжения) соединили проволокой последовательно в электрической цепи, присоединив светодиод, и получили следующие результаты (табл.1).

Таблица 1

Сравнительная характеристика показателей напряжения фруктово-овощной батарейки

    Заключение.

 В результате исследования установлено, что наибольшее напряжение 4,54 В зафиксировано в батарейке из пяти овощей и фруктов (помидор+картофель+лимон+яблоко+мандарин), а наименьшее - 1,83В в батарейке (помидор+картофель) по сравнению с показателями напряжения пальчиковой батарейки. Разность напряжения фруктово-овощной батарейки зависит от концентрации ионов водорода (а также - других ионов) в соке фруктов и овощей, скорости диффузии кислорода, состояния поверхности электродов и других факторов.

     Рекомендации.

     фруктово-овощные батарейки могут использоваться для работы приборов с низким потреблением энергии.

   Ярким примером метапредметного STEАM проекта является проект «Моделирование структуры капсида коронавируса COVID-19 посредством online - программы Virus Particle Explorer». Рассмотрим его ниже.

   Актуальность. С каждым днем нарастает мировой ажиотаж, связанный с пандемией коронавируса. Эта тема стала номер один в мировой информационной повестке новостей европейских и мировых СМИ. Все больше стран стремительно закрывают границы, прекращается транспортное сообщение. Количество заболевших коронавирусом увеличивается с каждым днем. Сведения об эпидемиологии, клинических проявлениях и лечении этого заболевания ограничены[7,8].

    Цель исследования – научиться моделировать структуру капсида коронавируса COVID-19 с помощью компьютерных моделей.

     Задачи исследования:

исследовать эпидемиологическую  ситуацию,   вызванную коронавирусом CoViD-19;

изучить структуру капсида коронавируса COVID-19 с помощью online - программы Virus Particle Explorer;

разработать меры профилактики COVID-19.

     Объект исследования: структура капсида коронавируса COVID-19.

     Предмет исследования: online - программа Virus Particle Explorer.

    Гипотеза: моделирование коронавируса COVID-19 с помощью online - программы Virus Particle Explorer позволит в полном объеме изучить структуру его капсида.

  Методы исследования: теоретические (анализ литературы, синтез, обобщение), экспериментальные (моделирование структуры коронавируса).

    Научная новизна результатов исследования состоит в том, что моделирование капсида коронавируса COVID-19 расширяет представление о его структуре и позволяет проводить более эффективные мероприятия по профилактике заболевания.

  Практическая значимость работы заключается в систематизации сведений по теме исследования, в возможности использования результатов исследования в лечебной практике.

  Обзор литературы. В настоящее время сведения о эпидемиологической ситуации, связанной с распространением коронавирусной инфекции, ограничены. По данным СМИ, более 80% случаев заболевания вирусом зарегистрированы в Юго-Восточной части КНР с эпицентром в городе Ухань (провинция Хубэй). Вспышки заболевания COVID-19 зафиксированы более чем в 70 странах мира. Согласно статистике, на 16 мая 2020 г., в России число заболевших достигло 272043 человек, а 63166 - перенесли заболевание в легкой форме. Изначально источник инфекции не установлен[8].

   Материалы и методы исследования. Для решения поставленной задачи использовали персональный компьютер с ОС MS Windows XP, локальную сеть, online - программу Virus Particle Explorer.

    Результаты и их обсуждение.

В результате моделирования капсида коронавируса COVID-19 с помощью online - программы Virus Particle Explorer были получены следующие результаты (рис.1).

Рис.1. Структура капсида коронавируса COVID-19

     Заключение. На основании полученных данных можно сделать следующие выводы:

1. проведенное моделирование показало, что капсид коронавируса COVID-19 состоит из α-спиральных, β-складчатых и нерегулярных участков (изгибы, петли) белка. Эти белки покрывают  оболочку вирусной частицы. Именно их атакуют противовирусные антитела. А для самого вируса белки служат главным инструментом заражения клеток. Своей внешней частью они имитируют структуру обычных и важных для клетки молекул, благодаря чему связываются с соответствующими мембранными рецепторами посредством активных центров, изменив при этом свою конформацию - и проникают внутрь. Детально изученная структура этого белка облегчит получение новых перспективных антител и вакцин[9].

2. oсновные меры профилактики коронавирусной инфекции:

регулярно обрабатывайте руки антисептиком;

соблюдайте социальную дистанцию;

при появлении симптомов обращайтесь за медицинской помощью.

   Таким образом, рассмотренные метапредметные образовательные проекты не только интегрировали знания по биологии, химии, математике, информатике и ИКТ, но и приобрели практическую значимость. То есть в полном соответствии с идеологией STEAM -образования. Ведь именно такой подход имеет решающее значение для развития профессиональных компетенций, необходимых для решения задач будущего[3,4].

Интернет ресурсы

Что такое STEM-образование? [Электронный ресурс], URL: https://anrotech.ru/blog/chto-takoe-stem-obrazovanie/, (дата обращения 14.07.2020).

Что такое STEM-образование? [Электронный ресурс], URL: http://rptica.ru/Stati/Chto-takoe-STEAM-obrazovanie/, (дата обращения 14.07.2020).

Морозова О.В., Духанина Е.С. STEAM –технологии в дополнительном образовании детей [Электронный ресурс], URL: https://cyberleninka.ru/article/n/steam-tehnologii-v-dopolnitelnom-obrazovanii-detey/viewer, (дата обращения 14.07.2020).

3 вопроса об образовательной технологии STEAM, которая изменит российскую школу [Электронный ресурс], URL: https://letidor.ru/obrazovanie/3-voprosa-o-sisteme-steam-kotoraya-izmenit-rossiiskuyu-shkolu.htm, (дата обращения 14.07.2020).

Злобина Е. А., Стороженко О.В. Батарейка из овощей и фруктов. [Электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: https://kopilkaurokov.ru/nachalniyeKlassi/prochee/issliedovatiel_skaia_rabota_batarieika_iz_ovoshchiei , (дата обращения:15.07.2020).

Полтаев С. Е., Погорелова Г. Л. Батарейка из овощей и фруктов. [Электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: https://intolimp.org/publication/issliedovatiel-skaia-rabota-batarieika-iz-ovoshchiei-i-fruktov.html , (дата обращения:15.07.2020).

Гончаров Т. Коронавирус – проект глобалистов и транснациональных корпораций [Электронный ресурс], URL: https://novorosinform.org/808390, (дата обращения:15.07.2020).

Гришачева М.О., Колесниченко В.В. Проект на тему «Коронавирус COVID-19» [Электронный ресурс], URL: https://obuchonok.ru/node/6964, (дата обращения:16.07.2020).

Установлена структура ключевого белка в «короне» вируса SARS-CoV-2[Электронный ресурс], URL: https://yandex.ua/turbo/s/naked-science.ru/article/medicine/ustanovlena-struktura-klyuchevogo-belka-v-korone-virusa-sars-cov-2, (дата обращения:16.07.2020).