Аннотация. В современном образовательном процессе активно внедряется STEM-подход, направленный на формирование естественно-научных компетенций у учащихся общеобразовательных школ. Одним из наиболее эффективных инструментов являются практические мастер-классы, позволяющие учащимся применять знания на практике, развивать исследовательские навыки и способствующие повышению мотивации к изучению естественных наук. В статье рассматриваются методологические основы STEM-образования, анализируется роль практических занятий в развитии исследовательских компетенций, критического мышления и повышения мотивации к обучению. Представлено описание примеров успешных образовательных форматов в соответствии с принципами STEM-обучения, а также подтверждение повышения вовлечённости учащихся и развития их исследовательских навыков.
Ключевые слова: STEM-образование, мастер-классы, естественные науки, практическое обучение, исследовательская деятельность, критическое мышление.
Современное общество предъявляет высокие требования к выпускникам школ, особенно к уровню сформированности «гибких» навыков, функциональной грамотности, исследовательских компетенций. В условиях стремительного развития науки и технологий, а также глобальных вызовов (увеличение антропогенной нагрузки, изменения климата и биотехнологические инновации), становится очевидным, что наиболее востребованными становятся высококвалифицированные специалисты, с техническим и естественно-научным образованием, на подготовку которых обращается пристальное внимание со стороны государства.
Результат четвертой технологической революции, происходящей в настоящее время в мире: интенсивный поток информации, высокий уровень технологических разработок и инноваций меняют спрос, интересы общества и личности во всех сферах. Эти изменения также оказывают влияние на сферу образования. В соответствии с этим, внедряя позитивные инициативы в систему образования, мы должны дать нашей молодежи всестороннее, качественное образование, соответствующее мировым стандартам. Это, в свою очередь, требует внедрения в систему образования новых современных методов и технологий [3].
В настоящее время STEM-образование является особой технологией, представляющей принципиально новые подходы к обучающему процессу. Сегодня это не просто изучение разных школьных дисциплин в рамках используемой учебной программы, а буквально их соединение в одно «целое». В результате преподавания дисциплин при таком подходе происходит решение задач более глобально и комплексно, а не частично и с опорой только на одну область [2].
Одной из тенденций развития современного образования является поиск новых моделей и технологий реализации инженерно-технологического и информационно- технологического образования. Привлечение молодежи к изучению и практическому освоению инженерных специальностей в России начало активно реализовываться на основе разработанных федеральных и региональных программ [4, с. 620].
По результатам аналитических исследований, из 10 специальностей, которые имеют высокий уровень актуальности, 9 требуют глубоких знаний естественно-научных, технических, инженерных и математических дисциплин, на интеграцию которых направлен STEM-подход в образовании. Анализ рынка труда показывает продолжающийся рост потребности в инженерах-химиках, software-разработчиках, инженеров нефтегазовой промышленности, аналитиков компьютерных систем, инженеров-механиков, инженеров-строителей, робототехников, инженеров ядерной медицины, архитекторов подводных сооружений, аэрокосмических инженеров и других специалистов наукоёмких профессий [5, с. 112].
Одним из эффективных подходов в обучении школьников является STEM-образования (Science, Technology, Engineering, Mathematics), которое ориентировано на междисциплинарный подход и развитие практических навыков, исследовательских компетенций и критического мышления.
Применение STEM-подходов в школьном обучении способствует не только развитию теоретических знаний, но и приобретению практических навыков, таких как решение задач, работа с данными, проведение экспериментов. Практические мастер-классы являются одним из эффективных инструментов для реализации этого подхода, так как они позволяют учащимся не только пополнить теоретические знания, но и применить их на практике.
Работа, промежуточные результаты которой описаны в данной статье, направлена на изучение эффективности использования STEM-подхода при проведении образовательных событий в формате мастер-классов с целью формирования практических навыков и исследовательских компетенций в области естественных наук у обучающихся общеобразовательной школы.
Методология исследования
В ходе исследования были применены различные методы, такие как: анализ существующих практик в области STEM-обучения, разработка сценариев образовательных событий различных форматов (мастер-классов, квестов, практикумов) и практическое внедрение их в образовательный процесс; анкетирование участников образовательных событий; анкетирование учителей; педагогическое наблюдение. Одним из важнейших аспектов исследования является контингент обучающихся, которые посещают образовательные события. В них приняли участие 100 обучающихся 7-9 классов из образовательных организаций Москвы: ГБОУ «Школа №2051», ГБОУ «Школа №2107», ГБОУ «Школа №1905» и ГБОУ «Школа №2094». Все занятия проходили в Институте естествознания и спортивных технологий Московского городского педагогического университета (МГПУ) в 2024/2025 учебном году в очном формате.
Наибольшее количество учеников было из 9-х классов, что объясняется их более высокой мотивацией к изучению естественных наук и подготовкой к итоговой аттестации (ОГЭ). Учащиеся 8-х классов проявили средний уровень активности, а 7-классники, несмотря на меньшую подготовленность в предметной области, продемонстрировали значительный интерес к практическим занятиям и исследовательской деятельности (см. рисунок 1).
Рис. 1. Распределение участников образовательных мероприятий по классам (в %)
Наибольшую долю составили учащиеся 8-х и 9-х классов – по 35% от общего числа участников. 7-классников было несколько меньше – 30%. Данные позволяют оценить уровень вовлечённости школьников разных возрастных групп в образовательный процесс. Это позволило сформировать репрезентативную выборку, охватывающую учащихся с разным уровнем подготовки и интересом к естественно-научным дисциплинам.
Методы и подходы в организации мастер-классов
При проведении мастер-классов применялись разнообразные подходы, которые способствовали формированию практических навыков и исследовательских компетенций у участников образовательных событий, а также развитию критического мышления. При организации образовательных событий можно наблюдать степень вовлеченности в процесс, а далее выявить влияние подобного рода мероприятий на мотивацию к изучению естественно-научных учебных предметов. При планировании и проведении мероприятий особая роль отводилась проблемным экспериментам, в проведении которых принимали участие не только студенты-организаторы (и студенты-волонтёры), но и сами учащиеся. После проведения всех необходимых опытов обучающиеся анализируют полученные результаты, обсуждают их, формулируют выводы. Данный подход не только позволяет показать применение научных знаний на практике, но и помогает лучше понять учащимся, как теоретическое содержание разных учебных предметов способствует поиску решения реальных задач.
Практическая деятельность исследовательского характера является важной частью мастер-классов (и иных форматов образовательных событий, например «экспериментариумов»), ведь в таком случае обучающиеся самостоятельно проводят исследования, используя лабораторное оборудование. Такой подход способствует углубленному пониманию научных принципов, методики выполнения естественно-научного эксперимента. Также благодаря развитию навыков работы с лабораторным оборудованием, подбора методов проведения эксперимента, интерпретации результатов эксперимента происходит формирование исследовательских компетенций.
Также свою эффективность доказали интерактивные научно-исследовательские квесты, которые встраиваются в процесс обучения через игровые форматы.
Перечисленные форматы обучения (и внеучебной работы) помогают повысить уровень учебной мотивации обучающихся, тем самым делая образовательный процесс намного более эффективным, что в дальнейшем приводит к лучшему усвоению содержание естественно-научных учебных предметов. Таким образом, сочетание разнообразных подходов и форматов обучения обеспечивает многостороннее развитие обучающихся.
Примеры образовательных событий основанных на применении STEM-подходов
В исследовании были проведены несколько тематических мастер-классов:
- Мастер-класс «Значение цвета в химии»
В ходе данного мастер-класса учащиеся знакомятся с теорией цветности, понимают суть образования цвета и восприятия цвета человеком, понимают значение цвета в химии через проведение цветных реакций. Например, при взаимодействии иодида калия (KI) с ацетатом свинца (Pb(CH3COO)2) выпадает жёлтый осадок, а при реакции сульфата меди (CuSO4) с гидроксидом натрия (NaOH) происходит образование голубого осадка. Эти реакции позволяют продемонстрировать процессы протекания реакций ионного обмена, сопровождающиеся образованием цветных осадков. Для исследования растворимости осадков и образования комплексных соединений используется раствор аммиака (NH3). Далее предлагается применить полученные знания и опыт проведения химических реакций (результаты наблюдений), а именно провести качественные реакции и определить наличие ионов в смеси или растворе (почвенная вытяжка, почва, природная вода и т.п.). Мастер-класс сочетает элементы науки (химия), технологии (методы проведения химических реакций) и инженерии (проектирование реакций), а также способствует развитию критического мышления и практических навыков, что характеризует его как STEM-обучение.
- Мастер-класс «Вода – уникальное вещество»
В теоретической части данного занятия организуется дискуссия по различным утверждениям, которые характеризуют аномальные свойства воды. Практическая часть данного мастер-класса организуется в формате исследования качества воды (разные образцы: природная, водопроводная, бутилированная), с помощью химических методов анализа. С помощью качественных реакций обучающиеся могут обнаружить ионы (или доказать их отсутствие): хлорид-ионы, сульфат-ионы, нитрит-ионы, катионы железа разной валентности, катионы свинца (II). Методом кислотно-основного титрования определяют жёсткость воды (используя количественные расчеты в том числе). Работа с разными образцами проб организуется в мини-группах, после чего полученные данные анализируются, обсуждаются и формулируются выводы. Освоение перечисленных практических методов позволяют понять, каким образом химические реакции используются для изучения состояния окружающей среды. Учащиеся изучают принципы аналитической химии и работы с лабораторным оборудованием, что способствует развитию навыков постановки и проведения химического эксперимента. Содержание мастер-класса междисциплинарное, так как охватываются разные научные дисциплины (химию, биологию и экологию), и отрабатывается технология методов выполнения химического анализа, что соответствует принципам STEM-обучения.
- Мастер-класс «Первая помощь»
Этот мастер-класс способствует обучению основам оказания неотложной (первой) помощи в самых разнообразных экстренных ситуациях: остановка дыхания или артериальное кровотечение. Учащиеся практикуются в проведении сердечно-лёгочной реанимации и наложении жгута, а также происходит изучение биологических и физиологических процессов, происходящих в организме при травмах или остановке сердца. Благодаря данным практико-ориентированным заданиям происходит понимание важности процессов, происходящих в организме, и развитие способности применения полученных знаний в экстренных ситуациях. Благодаря такому подходу происходит охват множества дисциплин, как теоретических, так и практических: биология, физиология и медицина.
- Квест «Кубок науки»
Данное образовательное событие представляет собой создание вечного террариума, благодаря которому происходит изучение принципов экосистем, включая круговороты углерода и воды, влияние живых организмов на окружающую среду и т.д. Участники мероприятия также проводят ряд химических экспериментов: создание «вулкана», «гроза в пробирке», «химическая радуга» и т.п. Данные химические опыты позволяют увидеть на практике окислительно-восстановительные процессы, выделения газов, выпадения осадков. Квест формирует междисциплинарные связи по таким предметам, как химия, биология и экология. Также он позволяет обучающимся применять полученные научные знания на практике. Это делает квест «Кубок науки» ярким примером STEM-обучения, где используются теории из разных областей науки для решения реальных задач.
Все четыре представленных мастер-класса являются яркими примерами применения STEM-обучения во внеучебном процессе. При это надо отметить, что разработанные сценарии можно тиражировать и проводить занятия в школе (во время уроков по соответствующим темам). Каждый из них направлен на изучение различных областей наук и формирование у учащихся востребованных в современном обществе компетенций.
Оценка эффективности использования STEM-подхода при проведении образовательных событий различных форматов (мастер-классов, квестов, практикумов)
Проведение оценки эффективности использования STEM-подхода происходит на нескольких уровнях, что необходимо для получения комплексной картины уровня развития исследовательских компетенций, критического мышления и вовлеченности учащихся в образовательный процесс. Во-первых, для оценивания мероприятия использовалась обратная связь (рефлексия после мероприятия). Обучающиеся оценивали (метод анкетирования), насколько посещенные занятия способствовали развитию их практических навыков (85%), критического мышления (78%) и исследовательских компетенций (82%). С помощью рефлексии стало возможным отслеживание уровня восприятия и усвоения материала, выявление сильных и слабых сторон проводимых мероприятий для дальнейшего улучшения программы будущих мероприятий в контексте повышения их эффективности (см. рисунок 2).
Рис. 2. Результаты анкетирования участников
В качестве выявления уровня формирования практических навыков использовались практические задания, целью которых являлась оценка способности применять теоретические знания, полученные в рамках данных занятий и в период обучения в школе для решения практических задач. Помимо этого, использовался метод педагогического наблюдения за учебным процессом: преподаватели, в роли тьюторов, фиксируют активность участников и их вовлеченность в работу (см. рисунок 3). Данные методы позволяют как зафиксировать субъективное восприятие учебного процесса обучающимися, так и предоставляют ценную информацию для дальнейшей модификации учебного процесса и применяемых образовательных методов.
Рис. 3. Результаты педагогического наблюдения
С предлагаемыми практическим (экспериментальными) заданиями справилось большинство участников образовательных событий. Было отмечено, что качество выполнения лабораторных (технических) операций зависело не только от теоретической подготовленности участников (в первую очередь от класса и уровня подготовки по предметам естественно-научной направленности), но и от наличия четких инструкций (в письменном и устном виде). Большая часть участников приняла активное участие в обсуждении результатов проведенной работы и формулировании выводов.
По результатам педагогического наблюдения можно сделать вывод о том, что максимальная вовлеченность в образовательный процесс участники проявляют на этапе практической деятельности (во время проведения опытов, выполнения практических заданий), что положительно отразилось на активности на этапе обсуждения результатов и формулировки выводов (что обычно не так интересно для обучающихся). Учителями же отмечалось, что активность на уроках биологии и химии у многих участников повысилась.
Заключение
STEM-обучение представляет собой комплексный подход, включающий естественные науки, технологии, инженерию и математику, что способствует развитию критического мышления и исследовательских навыков у школьников.
В настоящее время вопрос STEM-образования – это не только работа над отдельным учебным проектом, а широко внедряемая технология обучения. Основная особенность уроков с применением STEM – это построение процесса обучения таким образом, чтобы ребенок задействовал знания по различным учебным предметам [1, с. 547].
Для реализации идей комплексного обновления содержания подготовки обучающихся к успешной жизни и созидательному труду в цифровом обществе, необходим пересмотр концепции построения модели обучения будущих педагогов, которые должны сегодня сочетать в себе способности не только учителя, но и ученого, конструктора, дизайнера, менеджера и психолога. В этом плане STEAM-образование, на наш взгляд, способно найти новые методы работы педагогов с искусством для подготовки креативных, культурных и грамотных людей [6].
Практические мастер-классы, описанные в статье, являются интерактивными, практико-ориентированными и межпредметными, предоставляя учащимся возможность «визуализировать» научные концепции через естественно-научные эксперименты. Это не только способствует лучшему освоению различных теорий, но и развивает практические навыки и исследовательские компетенции, которые полезны для решения реальных задач. Интеграция таких образовательных событий в школьную программу способствует подготовке учащихся к вызовам современной науки и технологий, а также пробуждает интерес к естественным наукам.
Список литературы:
- Гаврилова Т.Ю., Игнатова О.Г STEM-образование в современной школе в рамках проектной деятельности по естественно-научным дисциплинам // Электронные библиотеки, 2019. Т. 22, Вып. 6. С. 547-555. (дата обращения: 03.03.2025).
- Курносенко М.В., Григорьев С.Г. Электронные технологические ресурсы и STEM-образование // Информатизация непрерывного образования – 2018. М.: 2018. Т. 1. С. 466-477.
- Нургожа Ж.М., Кенжеева Ж.К. Білім беру мекемесінде биология сабақтарында Stem заманауи технологиясын қолдану (Применение современной технологии Stem на уроках биологии в образовательном учреждении) // Педагогические науки, 2024. №1(72). (дата обращения: 03.03.2025).
- Руденко И.В., Кузьмина Ю.А., Яшина Н.В. STEM-образование как ресурс инновационного развития современной школы // Сборник научных трудов международной научно-практической конференции «Образовательное пространство в информационную эпоху». М.: ФГБНУ «Институт стратегии развития образования», 2018. С. 619-626.
- Успаева М.Г., Гачаев А.М. STEM-образование: научный дискурс и образовательные практики // Управление образованием: теория и практика, 2022. №9(55). С. 110-117. (дата обращения: 13.02.2025).
- Шатунова О.В., Иванов С.В. STEM и STEAM-образование в современной школе // Вопросы педагогики, 2019. №6-2. С. 147-150.
STEM-learning in extracurricular activities as a means of developing research competencies and increasing engagement in the process of learning science
Sankov D.D.,
student of 3 course of the Moscow City University, Moscow
Coauthors:
Kuvaeva V.S.,
student of 2 course of the Moscow City University, Moscow
Zhuk S.K.,
student of 3 course of the Moscow City University, Moscow
Mokhova L.S.,
student of 3 course of the Moscow City University, Moscow
Research supervisor:
Zhukova Natalya Vyacheslavovna,
Associate Professor of the Institute of Natural Science and Sports Technologies, Moscow City University, Candidate of Chemical Sciences
Abstract. In the modern educational process, the STEM approach is being actively implemented, aimed at the formation of natural science competencies among students of general education schools. One of the most effective tools is practical master classes, which allow students to apply knowledge in practice, develop research skills and helps to increase motivation to study natural sciences. The article discusses the methodological foundations of STEM education, analyzes the role of practical classes in developing research competencies, critical thinking and increasing motivation for learning. It describes examples of successful educational formats in accordance with the principles of STEM-learning and provides evidence of increased student engagement and research skills.
Keywords: STEM education, workshops, science, hands-on learning, research, critical thinking.
References:
- Gavrilova T.Y., Ignatova O.G. STEM-education in modern school within the framework of project activities in natural science disciplines // Digital Libraries, 2019. Vol. 22. Issue 6.: 547-555. (date of the address: 03.03.2025).
- Kurnosenko M.V., Grigoriev S.G. Electronic technological resources and STEM education // Informatization of continuing education – 2018. Moscow: 2018. Vol. 1.: 466-477.
- Nurgozha J.M., Kenzheeva J.K. Application of modern STEM technology in biology lessons in an educational institution // Pedagogical Sciences, 2024. №1(72). (date of the address: 03.03.2025).
- Rudenko I.V., Kuzmina Y.A., Yashina N.V. STEM-education as a resource of innovative development of modern school // Collection of scientific papers of the international scientific-practical conference «Educational Space in the Information Age». Moscow: Institute for Education Development Strategy, 2018.: 619-626.
- Uspayeva M.G., Gachaev A.M. STEM-education: scientific discourse and educational practices // Education Management: theory and practice, 2022. №9(55).: 110-117. (date of the address: 13.02.2025).
- Shatunova O.V., Ivanov S.V. STEM and STEAM-education in modern school // Voprosy pedagogiki, 2019. №6-2.: 147-150.