Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Приоритетный сценарий развития современного общества в России представлен в «Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы», утвержденной президентом [1]. Целью стратегии является реализация внутренней и внешней политики Российской Федерации в сфере применения информационных и коммуникационных технологий, направленных на развитие общества. Частным видом информационных технологий являются цифровые технологии, которые сегодня используются в сфере промышленных производств и образования. Возможности цифровых технологий с каждым годом расширяются, поэтому перед системой образования появилась первоочередная задача – регламентировать цифровую трансформацию образования, обеспечить наличие качественной законодательной базы.

Ключевые приоритеты государственной политики в области образования представлены в Государственной программе Российской Федерации «Развитие образования» [2]. В данном документе обозначено включение в образовательный процесс цифровых систем, развитие различных цифровых инструментов и сервисов, которые будут обеспечивать получение качественного образования на всей территории Российской Федерации. Также в программе выделены задачи, связанные с цифровой трансформацией образования:

- модернизация материально-технической базы образовательных организаций (оснащение компьютерным, мультимедийным, презентационным оборудованием и программным обеспечением, создание и обеспечение функционирования центров образования естественно-научной и технологической направленности и др.);

- формирование единой базы цифровых компетентностных профилей выпускников, платформенное сопровождение студентов.

Упорядочивание внедрений цифровых технологий в образование реализуется через систему мероприятий федерального проекта «Цифровая образовательная среда». Целевая модель цифровой образовательной среды (ЦОС) разработана в целях развития и регулирования ЦОС в сфере общего образования, среднего профессионального образования и соответствующего дополнительного профессионального образования, профессионального обучения, дополнительного образования детей и взрослых [3]. Согласно целевой модели, цифровой образовательный контент должен соответствовать федеральным государственным образовательным стандартам (ФГОС), федеральным государственным требованиям для использования в образовательном и воспитательном процессе.

Многочисленные научные публикации авторов [4-6] свидетельствуют об актуальности выбранной нами темы исследования, поскольку в настоящее время проявляется тенденция цифровой трансформации образования, выражающаяся в том числе в использовании цифровых лабораторий в учебном процессе при изучении естественно-научных дисциплин.

Термин «информационные технологии» появился в педагогике сравнительно недавно. Он пришел в образование из сферы промышленного производства.

В педагогике существует понятие «информационные технологии обучения». А.В. Таранцова характеризует это понятие как процесс подготовки и трансляции информации обучаемому, а программные продукты, компьютерная техника выступают средством реализации процесса [4].

И.Г. Захарова трактует понятие информационной технологии обучения как педагогическую технологию, использующую специальные способы, программные и технические средства (кино, аудио- и видеосредства, компьютеры, телекоммуникационные сети) для работы с информацией [5].

Таким образом, понятие «информационная технология» учеными рассматривается в основном с двух сторон: как научное направление или как способ работы с информацией.

Проблеме использования информационных технологий посвящен ряд методических работ в области химического образования, где авторы рассматривают химический эксперимент с применением цифровых лабораторий в средней школе [6-8].

Е.С. Полат приводит варианты применения информационных технологий, в частности компьютерных телекоммуникаций, в исследовательской, поисковой, творческой, проектной деятельности учащихся [7].

В современных образовательных организациях без применения информационных технологий невозможно осуществление полноценной образовательной деятельности. При этом многие преподаватели рассматривают эти технологии как инструмент совершенствования традиционной системы образования, а не как принципиально новую организацию работы. В то же время широкое использование информационных технологий в учебном процессе требует соответствующей и своевременной подготовки учителей.

Частным случаем информационных технологий являются цифровые технологии, которые как понятие возникли исторически недавно. Использование цифровых технологий в разных сферах деятельности достаточно прочно входит в нашу жизнь, они появились и в системе образования.

До сегодняшнего момента педагогическое образование опиралось на компетентностный подход, который определял результат образования как сформированные компетенции, указанные в ФГОС по соответствующим направлениям подготовки. Однако не до конца остались реализованными некоторые аспекты этого подхода, слабой составляющей является внедрение практикумов, направленных на формирование информационно-коммуникационных компетенций, тесно связанных с предметной сферой, в образовательный процесс. Решением данной проблемы могут быть созданные на базах учебных заведений технопарки универсальных педагогических компетенций, точки роста, кванториумы, цифровые лаборатории. Они могут стать ключевыми элементами инфраструктуры, поддерживающей формирование и развитие компетенций [9].

Так, осенью 2021 года при Мининском университете состоялось официальное открытие Педагогического кванториума и межфакультетского технопарка универсальных педагогических компетенций. Бакалавры Мининского университета по завершении обучения сдают комплексный государственный экзамен, предполагающий выполнение заданий с использованием цифровых лабораторий [10].

Цифровые лаборатории по химии – новое поколение естественно-научных лабораторий, которое позволяет реализовывать ФГОС по использованию ИКТ-технологий в обучении.

Цифровые лаборатории могут выступать как средство обучения, которое расширяет возможности натурального химического эксперимента и выводит его на принципиально новый уровень, поскольку появляется возможность экспериментального выведения химических понятий. Вместе с тем методическая составляющая использования цифровых образовательных ресурсов в учебном процессе еще до конца не изучена.

В процессе подготовки учителей химии цифровые лаборатории могут использоваться для проведения демонстрационных экспериментов преподавателем, выполнения лабораторных работ, творческих заданий, хранения результатов эксперимента в форме таблиц, графиков. Использование таких лабораторий позволяет выводить процесс обучения химии на исследование количественных зависимостей. Потенциал цифровых лабораторий позволяет открывать больше возможностей в процессе обучения учителей химии в педагогических вузах, специалистов других отраслей, которым тоже необходимы знания в области химии.

Цель исследования – показать возможности использования цифровых лабораторий для поддержания познавательной активности при подготовке учителей химии.

Материалы и методы исследования

В основу нашего исследования по использованию цифровых лабораторий в процессе профессиональной подготовки будущих учителей химии положены следующие дидактические подходы:

- компетентностный подход, предполагающий формирование широкого круга компетенций у будущих учителей химии посредством использования цифровых лабораторий в учебном процессе;

- системно-деятельностный подход, подразумевающий использование цифровых лабораторий по химии не от случая к случаю, а системно и систематически;

- личностно ориентированный подход, ставящий во главу угла личность обучающегося, его активное включение в образовательный процесс с использованием цифровых лабораторий в содружестве с преподавателем-наставником.

При написании статьи использовались теоретические и эмпирические методы исследования. Проводился анализ научно-методической литературы, посвященной вопросам применения цифровых лабораторий в образовательном процессе. Также было проведено педагогическое исследование с целью диагностики уровня познавательной активности обучающихся.

Результаты исследования и их обсуждение

Обзор литературных источников позволил сделать вывод о том, что в настоящее время необходимо методическое сопровождение для созданной «умной цифровой образовательной среды», которая помогает индивидуализировать учебную работу каждого отдельного обучающегося в ходе занятия на каждом из его этапов.

Цифровые лаборатории могут использоваться как для обучения школьников, так и будущих учителей химии и уже практикующих учителей, обучение последних осуществляется в рамках дополнительного образования.

Как справедливо отмечает Е.Н. Перевощикова [10], до сих пор происходит «модернизация образования, изменение образовательной парадигмы, внедрение
обновленных стандартов высшего образования…», что, на наш взгляд, будет способствовать вовлечению школьников и студентов в проектную и исследовательскую деятельность с использованием цифровых лабораторий. Для того чтобы заинтересовать школьника той или иной темой, его нужно погрузить в проблемную ситуацию, в ходе которой он должен прийти к выводу о необходимости применения цифровой лаборатории для проведения эксперимента, исследования.

При работе с цифровыми лабораториями учащиеся должны осознавать цель проводимого эксперимента, уметь логично объяснять свои действия и полученные результаты, поэтому нужно сначала познакомить учащихся с цифровыми лабораториями, изучить физические и химические явления, лежащие в основе принципов работы датчиков, методов анализа и методик исследования.

Проектные работы по химии – это всегда работы практической направленности, они требуют оценки качественных и количественных показателей. Так, например, экспериментальную часть проектов, связанных с проблемой безопасности продуктов питания, идентификации и фальсификации различных продовольственных продуктов, школьники, студенты и действующие учителя химии могут отрабатывать под руководством опытных преподавателей на базе Института пищевых технологий и дизайна, где функционирует «Испытательная лаборатория фундаментальных и прикладных исследований качества и технологий пищевых продуктов». С помощью системы капиллярного электрофореза «Капель» проводятся исследования по выявлению различных сахаров в продуктах питания, фосфатов в молоке; на жидкостном хроматографе «Люмахром» определяют наличие и содержание различных жирорастворимых витаминов (А, Е, Д и др.) в продуктах питания. Данное оборудование подключено к ноутбуку, на который выводится вся необходимая информация по проведенному анализу. Применение цифровых технологий в данном случае позволяет во многом облегчить проведение физико-химического анализа и вывести его на более высокий уровень.

В связи с этим подготовка выпускников педагогического вуза, способных использовать в своей профессиональной деятельности информационные технологии и цифровые лаборатории, а также повышение квалификации в данной области уже работающих учителей становится особенно важной задачей современной системы высшего и дополнительного образования. Появление педагогических кванториумов расширяет материально-техническую базу педвузов и способствует повышению уровня подготовки педагогических кадров [11]. Очень важно, чтобы учитель грамотно составлял инструкции к лабораторным работам, которые должны быть направлены на критический и системный анализ, выполняемый обучающимися. Будущие педагоги могут проводить уроки и лабораторные работы с использованием цифровых лабораторий по таким темам, как «Электролиз», «Тепловой эффект реакции», «Водородный показатель» и др.

Примеры изучения конкретных тем и проведения лабораторных работ по химии с использованием цифровых лабораторий приведены в таблице 1.

Таблица 1

Примеры использования цифровых лабораторий при изучении различных тем в школьном курсе химии

Практикующие учителя химии ощущают большие преимущества при использовании цифровых химических лабораторий, к которым относятся доступность изучения химических процессов, динамика исследуемого явления. Цифровые лаборатории могут использоваться и во время лекций как теоретическая поддержка излагаемого преподавателем материала; при изучении большого количества тем в химии может использоваться широкий спектр датчиков.

Небольшая продолжительность эксперимента, проводимого с помощью цифровых лабораторий, позволит занять лишь часть урока, остальное время может быть потрачено на отработку умений и их закрепление. Учителям химии важно использовать на уроках разные датчики, формы работы и варианты включения цифровых лабораторий в организацию познавательной деятельности учащихся на уроках, поскольку постоянное использование одних и тех же датчиков ведет к снижению эффекта новизны, и учащимся постепенно становится неинтересно, для них это однообразно и рутинно.

В 2021-2023 учебных годах в НГПУ им. К. Минина проводилось педагогическое исследование, целью которого являлась диагностика уровня познавательной активности обучающихся до и после использования цифровых лабораторий при изучении химии.

Анализ научной педагогической литературы показал отсутствие однозначной трактовки педагогической категории «познавательная активность», что еще раз убеждает нас в актуальности выбранной темы исследования. В данной работе авторы придерживаются определения Т.И. Шамовой:познавательная активность – это, во-первых, усиленная интеллектуальная реакция на изучаемый материал, основанная на возникающей познавательной потребности. Во-вторых, серия последовательных и взаимосвязанных умственных действий учеников (как самостоятельных, так и следующих за действиями учителя), направленных на достижение определенного когнитивного результата [12].

Она отмечает три наиболее существенных компонента познавательной активности, которые взаимосвязаны и взаимообусловлены:

-мотивационный компонентподразумевает наличие познавательных мотивов, связанных с потребностью обучающегося в овладении новыми знаниями в ходе учебной деятельности, и социальных мотивов, связанных с коммуникативными умениями;

-содержательный компонентхарактеризуется наличием у обучающихся необходимых знаний, а также степенью овладения предметным содержанием и умением применить эти знания в реальной жизненной ситуации;

-эмоциональный компонентвыражается в поддержании положительной психолого-эмоциональной обстановки на протяжении всего учебного занятия [12].

В исследовании приняли участие 50 студентов 4 курса направления подготовки 44.03.05 «Педагогическое образование», профиля «Биология и химия».

Группам БХ-18-1, БХ-19-1 и БХ-19-2 было предложено провести химические опыты с использованием цифровых лабораторий: «Определение концентрации веществ колориметрическим методом по калибровочному графику», «Отделение кристаллизационной воды от кристаллогидрата», «Определение рH растворов в разных средах» и разработанный соавтором статьи И.Р. Новик оригинальный опыт «Исследование рН растворов моющих средств».

Рассмотрим описание опыта по исследованию рН растворов моющих средств. Для его проведения используется измерительный датчик рН цифровой лаборатории Releon, химические стаканы на 50 мл, растворы различных моющих средств (стиральные порошки в виде гелей, моющие средства для мытья посуды, кафеля, сантехники), промывалки с дистиллированной водой, кристаллизатор. Моющие средства наливаются в отдельные стаканчики. Датчик рН промывается дистиллированной водой и просушивается фильтровальной бумагой. Далее он подключается к ноутбуку с установленной специальной программой. Затем датчик рН поочередно опускается в исследуемые растворы моющих средств. После опускания в раствор фиксируется установившееся значение рН, датчик промывается дистиллированной водой и просушивается фильтровальной бумагой. Далее исследуется следующий раствор. По окончании эксперимента результаты вносят в сравнительную таблицу и делают соответствующие выводы о влиянии рН моющих средств на здоровье человека.

Для выявления отношения будущих учителей химии к использованию цифровых лабораторий в учебном процессе на констатирующем этапе исследования им было предложено пройти входное анкетирование.

Согласно его результатам, 11 из 50 респондентов не имели никакого представления о цифровых лабораториях вообще и никогда с ними не работали. Этим была подтверждена правильность выбранной тематики опытов, ведь будущие учителя биологии и химии должны уметь работать с современным школьным измерительным оборудованием, позволяющим представить полученные результаты в цифровой форме.

В ходе выполнения серии опытов с использованием цифровых лабораторий на формирующем этапе нашего исследования обучающимся предлагалось ответить на вопросы по теории и методике проведения химических опытов, представленные в таблице 2, в форме эвристической беседы преподавателя со студентами.

Таблица 2

Рассчитанные значения познавательной активности обучающихся

Примечание. * ПА = (число ответивших обучающихся + число обучающихся, поднявших руку) / общее число обучающихся (50 чел.) [13].

По результатам обработки ответов, полученных от респондентов, а также с учётом их активности во время работы с цифровыми лабораториями была рассчитана величина познавательной активности (в долях от единицы).

Рассчитанная величина познавательной активности составила 0,85, что доказывает высокий уровень познавательной активности обучающихся во время работы с цифровыми лабораториями (данное значение получено в результате подсчёта среднего арифметического величин познавательной активности при ответах на каждый заданный вопрос; студентам было задано 9 вопросов, по 3 после каждого проведенного опыта (табл. 1)).

После проведения серии опытов с цифровыми лабораториями обучающимся было предложено пройти итоговое анкетирование. Его результаты показали следующее: 49 из 50 опрошенных респондентов понравилось работать с цифровыми лабораториями. 48 студентов сочли желательным использовать цифровые лаборатории на учебных занятиях наряду с традиционными средствами проведения химического эксперимента. Познавательная активность большинства студентов (32 чел.) оказалась высокой изначально (по данным вводного анкетирования), однако после проведения серии опытов с цифровыми лабораториями уже 48 человек проявили высокий уровень познавательной активности (по данным итогового анкетирования), что свидетельствует о повышении их познавательной активности посредством использования цифровых лабораторий в учебном процессе.

Заключение

Работа с использованием цифровых лабораторий во многих случаях позволяет поддерживать познавательную активность обучающихся на высоком уровне, что было подтверждено педагогическим исследованием. Разнообразные формы, методы и образовательные технологии работы, несомненно, развивают профессиональную мотивацию у будущих учителей химии за счет применения практико-ориентированных лабораторных опытов в учебном процессе с использованием цифровых лабораторий. В ходе беседы со студентами выявлено, что им нравится работать с современными приборами, переводя качественные характеристики в количественные, поскольку это обогащает образовательный процесс и обучение становится для них более интересным и мотивированным.