В условиях реализации Федерального государственного стандарта основного общего образования в новой редакции (приказ № 287 Министерства просвещения РФ от 31мая 2021 г.) [1], главным образом в разделе, в котором раскрываются требования к условиям реализации программы основного общего образования, говорится об ориентировании современного российского образования на достижение главной цели – формирование функциональной грамотности (читательской, математической, естественно-научной и др.) у обучающихся. Естественно-научная грамотность формируется в рамках обязательной предметной области «Естественно-научные предметы», в которую входит учебный предмет «Биология». Эти изменения предполагают определение такой системы профессиональных компетенций у будущих учителей биологии, которая позволила бы обеспечить успешное развитие школьников, готовых к решению различных жизненных ситуаций. Для этого в основе подготовки будущих учителей биологии должны быть заложены профессиональные и предметные компетенции, которые способствовали бы удовлетворению различных образовательных потребностей школьников. Современный учитель биологии должен владеть основными компетенциями, составляющими основу естественно-научной грамотности, знать и понимать, что лежит в основе становления естественно-научной грамотности школьников в частности и функциональной грамотности в целом.
Цель исследования состоит в описании и обобщении опыта использования приемов формирования естественно-научной грамотности у будущих учителей биологии посредством применения цифровой лаборатории по биологии и химии.
Материал и методы исследования: анализ методологических основ формирования естественно-научной грамотности у будущих учителей биологии, педагогическое наблюдение и обобщение педагогического опыта использования цифровой лаборатории при изучении дисциплин обязательной части образовательной программы, опрос студентов.
Период исследования – 2021/2022 учебный год. Материальной базой выступил ФГБОУ ВО «Шадринский государственный педагогический университет». В исследовании приняли участие 22 студента четвертого курса направления подготовки 44.03.05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки), профили «Биология» и «География».
Практическая значимость исследования состоит в том, что описанный и обобщенный опыт дидактических приемов формирования естественно-научных компетенций может быть использован в учебно-воспитательном процессе педагогических вузов.
Первый этап исследования состоял в изучении и анализе основ формирования естественно-научной грамотности у студентов педагогического вуза в условиях интеграции современной учебной инфраструктуры в образовательное пространство. На этом этапе были подготовлены вопросы для опроса студентов, разработаны учебные ситуационные и проектные задания с использованием USB-датчиков.
Второй этап исследования заключался в процессе внедрения ситуационных и проектных задач в учебный процесс с последующим анализом результатов контрольных процедур по трем компетенциям естественно-научной грамотности.
Различные аспекты процесса формирования естественно-научной грамотности в отечественной педагогике представлены в работах В.Г.Разумовского [2,3], Г.Г.Никифорова, А.Ю.Пентина, Г.М.Поповой [3, 4], Е.А.Никишовой [4], Г.С.Ковалевой, Е.И.Давыдовой [5, 6], Л.И.Асановой, И.Е.Барсукова, Л.Г.Кудровой [7] и др.
В трудах О.В.Тумашевой [8], В.А.Ермоленко [9] и иных обоснована теория развития естественно-научного мышления как необходимой составляющей естественно-научной грамотности и функциональной грамотности в целом. В исследованиях современных педагогов Н.А.Заграничной, Л.А.Паршутиной [10], Е.А.Шимко [11], Ю.П.Киселева, Д.С.Ямщиковой [12] сделан акцент на проблемы формирования естественно-научной грамотности на различных ступенях образования.
Формирование естественно-научной грамотности осуществляется с учетом трех составляющих компетенций: применение естественно-научных знаний для объяснения явления; интерпретация данных, системное представление знаний; описание и оценивание способов, которые используют ученые, чтобы обеспечить надежность данных и достоверность объяснений.
Результаты исследования и их обсуждение. На констатирующем этапе исследования студентам четвертого курса в качестве диагностических материалов были предложены кейсы, включающие ситуационные и проектные задания по биологии и экологии с использованием USB-датчиков цифровой лаборатории по биологии и химии.
В предварительном опросе были получены следующие ответы. На вопрос: «Знаете ли вы, что такое цифровая лаборатория?» 63,6% опрошенных ответили утвердительно, 36,4% респондентов затруднились с ответом. На второй вопрос: «Что вы понимаете под понятием “цифровой датчик”?» 63,6% четверокурсников ответили, что имеют представление о цифровых датчиках, и дают определение, 18,2% – имеют некоторое представление, но затрудняются дать определение, и у 18,2% ответ отсутствовал. На вопрос, определяющий знания возможностей при использовании цифровой лаборатории в обучении школьной биологии, 27,3% студентов ответили: «Да, могу привести методику использования», 31,8% – знают возможности, но не у всех датчиков, и 40,9% респондентов затрудняются в характеристике датчиков и приемах их использования в школьной биологии.
В целом студенты отмечали, что навыки работы с цифровыми датчиками получили, только обучаясь в вузе. Кроме того, только 27,3% студентов имеют представления о проектных заданиях и опыт их решения на школьном уровне в процессе изучения дисциплин естественно-научного цикла. У 54,5% студентов есть успешный опыт решения ситуационных заданий по биологии и экологии.
С целью активизации учебного процесса при освоении дисциплин обязательной части программы («Общая экология», «Физиология человека и животных», «Микробиология», «Методика обучения биологии») и формирования естественно-научной грамотности для студентов профиля «Биология» были разработаны кейсы ситуационных и проектных заданий по экологии и химии с использованием современной измерительной аппаратуры, представляющей собой цифровой обучающий модуль «Биология» и «Химия».
Под кейсами проектных заданий мы понимаем систему заданий, направленных на создание студентами качественно новых дидактических продуктов на основе данных, полученных с помощью цифровых датчиков, которые могут быть использованы при обучении биологии в школе как средство формирования компетенций естественно-научной грамотности.
Мобильный комплект USB-датчиков цифровой лаборатории, в которой есть место для проведения опытов, экспериментов, мини-проектов, был использован для организации и проведения практических и лабораторных занятий. В исследовании были применены датчики Vernier, ПО сбора данных Logger Pro, датчики набора «Цифровая лаборатория в области нейротехнологий. Практикум по биологии», ПО BioTronics Studio, школьная цифровая лаборатория «Радуга» по экологии.
Кроме того, студенты получили возможность создавать как моно-, так и бинарные проекты, используя современную образовательную среду вуза. При освоении дисциплины «Методика обучения биологии» обучающиеся приобретают такие компетенции, которые обеспечивают им участие в педагогическом проектировании. Цифровая образовательная среда в вузе способствует формированию ключевых компетенций естественно-научной грамотности, определяющих конкурентоспособность и успешность будущего учителя.
Для наглядного примера опишем реализованные практические работы с применением датчиков цифровых лабораторий, приемы работы с ними в проектных заданиях, которые, на наш взгляд, способствуют формированию естественно-научной грамотности студентов.
В рамках дисциплины «Физиология человека и животных» были проведены следующие практические работы. При изучении темы «Мышечная система» с помощью сенсора ЭМГ (электромиографии) были изучены параметры сигнала ЭМГ от разных мышц руки при расслаблении и напряжении мышцы с разной силы. Необходимо было записать сигналы ЭМГ мышц-сгибателей пальцев и определить оптимальное положение регистрирующих электродов, регистрировать сигналы ЭМГ двуглавой мышцы плеча (бицепса). В результате работы студенты должны были научиться объяснять особенности строения мышечной ткани, мышц; познакомиться с сенсором ЭМГ и интерпретировать результаты и особенности методики электромиографии.
В теме «Сердечно-сосудистая система» для измерения пульса с использованием метода фотоплетизмографии (ФПГ) был применен сенсор (датчик) пульса. В задачи лабораторной работы входили измерение пульса в разных точках, расчет частоты сердечных сокращений по записям сигнала пульса и сравнение с данными при измерении пульса вручную. В ходе работы студенты должны были познакомиться с модулем ФПГ, научиться измерять пульс, объяснять механизм образования пульсовой волны и называть факторы, на нее влияющие.
Сенсор электроэнцефалограммы (ЭЭГ) был использован при изучении ритмов мозга в теме «Нервная система». С целью анализа записи ЭЭГ и выделения в ней ритмов разной частоты необходимо было получить ЭЭГ бодрствующего человека в затылочном отведении в расслабленном состоянии и с закрытыми глазами. Обучающиеся должны были научиться объяснять график ЭЭГ и распознавать альфа-ритм на спектре, делать вывод в сравнении у разных испытуемых.
В лабораторной работе «Определение частоты дыхания и физическая нагрузка» (тема «Дыхательная система») был задействован сенсор механических колебаний грудной клетки. Студентам необходимо было получить запись и посчитать количество дыхательных циклов. После физической нагрузки (приседаний) снова производят запись, сравнивают полученные графики и делают вывод о влиянии физической нагрузки на частоту дыхания.
Цифровой датчик температуры Vernier был использован в теме «Пищеварительная система» для исследования энергетической ценности продуктов. В ходе эксперимента определяли энергию (в кДж/г), выделяющуюся при сгорании различных видов пищи по формуле: q = CpmΔt, где q – количество теплоты, Cp – удельная теплоемкость воды, m – масса воды, Δt – изменение температуры воды. Студентам необходимо было найти количественную закономерность выделения энергии при различных видах пищи (с высоким содержанием жира либо углеводов). Суть опыта заключалась в регистрации датчиком изменений температуры воды, вызванных сгоранием образцов пищи. Включение заданий с использованием цифровой лаборатории по химии в подготовку студентов профиля «Биология», на наш взгляд, будет способствовать формированию естественно-научной грамотности, так как она также включает знания предметных областей химии и физики.
В рамках реализации дисциплины «Общая экология» были использованы цифровые датчики школьной цифровой лаборатории «Радуга» при изучении удельной электропроводности водных растворов, измерении pH и солености образцов близлежащих водоемов, имитации процесса образования кислотного дождя, исследовании различных образцов почв, измерении освещенности в аудиториях вуза, мониторинге относительной влажности и температуры окружающего воздуха на рабочих местах студентов в течение занятия.
При изучении процесса брожения (дисциплина «Микробиология») в лабораторном опыте были применены датчики температуры и давления газа цифровой лаборатории Vernier по химии. Студентам необходимо было отследить изменение давления внутри пробирки, обусловленное разложением глюкозы дрожжами в анаэробных условиях с образованием углекислого газа, после вычислить скорость брожения. Также нужно было исследовать факторы (температура, значение pH, концентрации различных добавленных веществ), влияющие на протекание процесса брожения.
На следующем этапе исследовательской работы студентам было предложено задание в курсе «Методика обучения биологии». Они должны были решить кейсы проектных заданий для создания дидактических материалов по биологии для школьников с использованием USB-датчиков (освещенности, влажности, рН, температуры (–20оС – +110оС)).
В стандартный кейс входили следующие материалы: информация, содержащая сведения о технических характеристиках и возможностях определенного цифрового датчика; тексты с описанием экспериментов и исследований экологического содержания, где используются данные цифровых датчиков; тексты заданий, проверяющих умение интерпретировать данные по графикам, диаграммам и устанавливать зависимость между задаваемыми экспериментатором параметрами, делать вывод на основе причинно-следственных связей.
Студенты были распределены на микрогруппы по 3–4 человека и самостоятельно планировали свою деятельность по созданию дидактического материала. В качестве примера представим кейс проектных заданий для составления обучающих материалов для школьников 9-го класса по теме «Методы биологических исследований».
Одна из групп студентов составляла задания по предложенной теме с использованием USB-датчика рН среды, подбирала соответствующие материалы, включающие описание технических характеристик датчика, описание исследования по измерению рН среды газированных и негазированных напитков; текст с официальными данными по влиянию рН среды напитков на состояние организма; примеры графиков и диаграмм, отражающих рН различных напитков; образцы проверочных заданий, направленных на интерпретацию данных исследования. Итогом работы группы студентов выступала система заданий для девятиклассников, благодаря которой можно было осуществлять диагностику уровня сформированности компетенций естественно-научной грамотности.
Далее студенты по принципу «карусель» были погружены в режим апробирования подготовленных кейсов. Аудитория была оборудована таким образом, чтобы был свободный доступ для работы с датчиками каждой группе. После выполнения заданий одного кейса группа переходила к другому столу и решала следующий кейс. Так все группы были вовлечены в решение спроектированной системы заданий и получили возможность продиагностировать решаемость предложенных заданий.
Последующая диагностика позволила оценить у студентов уровень владения компетенциями естественно-научной грамотности.
Заключение. При выявлении уровня владения компетенцией «научное объяснение явлений» высокий уровень был выявлен у 63,6% респондентов, средний – у 36,4%, что говорит о достаточно успешном уровне освоения данной компетенции. Анализ умений, составляющих компетенцию «понимание особенностей естественно-научного исследования», показал, что 68,2% студентов демонстрируют средний уровень, высокий уровень отмечен только у 31,8% респондентов. Умения, характерные для компетенции «интерпретация данных и использование научных доказательств для получения выводов», оказались самыми сложными для выполнения, только 9 студентов из 22 успешно справились с заданиями и продемонстрировали высокий уровень владения компетенцией.
Описанный и обобщенный опыт применения приемов формирования естественно-научной грамотности у будущих учителей биологии (кейсы ситуационных и проектных заданий с использованием цифровых лабораторий) может быть использован для формирования рассмотренных компетенций у студентов 1–3-х курсов при изучении химико-биологической составляющей естественно-научной области знаний.
Исследование выполнено при финансовой поддержке научно-исследовательских работ по приоритетным направлениям деятельности вузов – партнеров ЮУрГГПУ и ШГПУ в 2022 г. по теме «Формирование естественно-научной грамотности обучающихся посредством цифровой лаборатории по биологии и экологии» (№ 16-436 от 23.06.2022).