Активизация исследовательского опыта естественно-научной направленности у обучающихся при реализации программы «Эко-биология Лабо»

Современное естественно-научное образование невозможно представить без инновационных технологий. Использование цифрового оборудования в дополнительном образовании детей помогает активизации исследовательского опыта естественно-научной направленности у обучающихся.

С 1 сентября 2020 года в нашем Центре детского творчества (ЦДТ) созданы новые места дополни- тельного образования детей и подростков. Это стало возможным в рамках федерального проекта «Успех каждого ребенка» национального проекта «Образование». В 2022 году, согласно модели «ДИАЛОГ НАУК», в ЦДТ поступил лабораторный комплекс учебной, практической и проектной деятельности по биологии и экологии. Наличие комплекса позволило создать учебные кабинеты, оснащенные компьютерной техникой. Педагоги и обучающиеся получили доступ к цифровым лабораториям – комплектам учебного оборудования и программного обеспечения для проведения демонстрационных экспериментов, лабораторных работ и учебных исследований по программам естественно-научного цикла. Это актуальное средство позволило увеличить охват обучающихся качественным дополнительным образованием, продолжить решение задач гражданско-патриотического воспитания, содействия обучающимся в их научной и творческой активности, как это предусмотре- но госпрограммой РФ «Развитие Образования»2. В свою очередь, это расширило возможности Центра по формированию у обучающихся представлений о биологии и экологии как о современных и динамично развивающихся отраслях научного знания. Педагоги стали проводить занятия с применением информационно-коммуникационных технологий. Это повысило активность обучающихся на занятиях, содействовало пробуждению у них интерес к окружающей природе, к биологии и экологии, к естественно-научным предметам.

В рамках организационно-методического обеспечения педагогической деятельности нами была разработана и успешно реализуется дополнительная общеобразовательная общеразвивающая программа естественно-научной направленности «Эко-биология лабо»3. Программа нацелена на удовлетворение потребностей, интересов и запросов обучающихся и их родителей в освоении современных научных методов биологических и экологических исследований.

Педагогическая целесообразность используемых при реализации программы методик, приемов, технологий, форм организации учебно-исследовательской деятельности обучающихся обусловлена возможностью их адаптации к физиолого-психологическим особенностям подростков 15–17 лет. Применяемый методико-технологический инструментарий обеспечивает необходимую в изучении биологии и экологии наглядность на основе системно-деятельностного подхода. Он содействует развитию умений обучающихся наблюдать, экспериментировать, анализировать исследовательские результаты с учетом индивидуальных образовательных потребностей, личностного развития, профессионального самоопределения и творческого труда каждого обучающегося.

Отличительная особенность программы «Эко-биология лабо» заключается в том, что обучение проходит в специально оборудованном кабинете, оснащенном комплексом учебно-методических и технических пособий, современным лабораторным и цифровым оборудованием производства ООО «Релеон». Программа пра-ктико-ориентирована за счет применения лабораторного оборудования, требуемых реактивов, микроскопа, цифровой камеры, компьютера, датчиков. Это позволяет обучающимся выполнять лабораторные работы на уровне современного исследования, проводить статистическую обработку полученных данных, графически представлять обнаруженные зависимости, проводить фотосъемку, измерять и сравнивать микроскопические объекты. Благодаря этому существенно расширяются возможности глубокого усвоения естественно-научных знаний и обеспечивается развитие необходимых обучающимся для изучения биологии умений и навыков биологических наблюдений и экспериментов в рамках системы дополнительного образования детей.

Целью программы является активизация исследовательского опыта естественно-научной направленности у обучающихся, интереса к лабораторным наблюдениям и экспериментам, формирование умений и навыков, необходимых исследователю, овладение методами научных исследований в области биологии и экологии. В соответствии с целью проектируются и решаются образовательные, личностные и метапредметные задачи, а именно:

Ι. Образовательные (предметные) задачи:

• 1)    сформировать систему практических умений и навыков работы с лабораторным оборудованием;

• 2)    усовершенствовать умения выполнять лабораторные опыты, анализировать результаты, обобщать, оформлять результаты и делать выводы;

• 3)    сформировать систему биологических знаний как компонента естественно-научной картины мира;

• 4)    усовершенствовать умения различать (узнавать) структуры клеток, органов, систем органов, организмов, экосистем на живых объектах и препаратах.

ΙΙ. Личностные задачи:

• 1)    развить познавательные интересы и мотивы, направленные на изучение биологии и экологии;

• 2)    сформировать экологически целесообразное поведение в быту и будущей трудовой деятельности;

• 3)    привить интерес к учебно-исследовательской деятельности;

• 4)    развить установки на здоровый образ жизни и привычку к здоровьесберегающему поведению.

ΙΙΙ. Метапредметные задачи:

• 1)    развить способности к сотрудничеству и коммуникации во время исследований и выполнения лабораторных работ;

• 2)    способствовать выработке навыков планирования способов и путей достижения целей исследовательской деятельности;

• 3)    развить готовность и способность к освоению системных знаний, их самостоятельному пополнению и применению во время исследований;

• 4)    усовершенствовать умения критического восприятия и обработки информации из разных источников;

• 5)    укрепить ответственность обучающихся за результаты исследовательской деятельности и обучения в целом по программе.

Содержание программы включает четыре раздела: 1) Системная организация жизни от клетки до биосферы; 2) Многообразие организмов; 3) Анатомия и физиология человека; 4) Эволюция и экология.

В итоге освоения программы ожидается достижение обучающимися личностных, мета-предметных, предметных результатов.

Ι. Личностные результаты:

– активный и устойчивый интерес к изучению биологии и экологии;

– экологически целесообразное поведение в биолого-экологических ситуациях (во время исследований, в окружающей природе, в быту, в общественно полезной деятельности);

– устойчивое желание заниматься учебными исследованиями, демонстрируя исследовательский опыт естественно-научной направленности;

– привычка к здоровому образу жизни и здоровьесберегающему поведению;

– нравственные личностные качества исследователя.

ΙΙ. Метапредметные результаты:

– способность к сотрудничеству и коммуникации во время исследований при выполнении лабораторных работ;

– владение способами и опыт планирования по достижению целей учебной и исследовательской деятельности;

– готовность и способность самостоятельного поиска и освоения системных знаний в сфере би-

ологии и экологии, самостоятельного применения в исследовательской деятельности;

– умение критичного восприятия и обработки информации из разных источников во время исследований;

– ответственность за результаты исследовательской деятельности и освоения программы.

ΙΙΙ. Предметные результаты:

– исследовательские умения и навыки, в том числе связанные с использованием лабораторного оборудования в ходе исследований;

– умения проведения лабораторных опытов, анализа полученных результатов и их оформления (в виде текста, таблиц, графиков, диаграмм, в том числе с помощью компьютера), навык формулирования выводов на основе обобщения данных исследования;

– личностная естественно-научная картина мира, включая: систему знаний по биологии (структура клеток, органов, систем органов, организмов и т.п.) и экологии (экосистемы и т.п.), по исследовательскому инструментарию; умения различать структуры клеток, органов, систем органов, организмов, экосистем на живых объектах и препаратах).

Приведем примеры реализации программы «Эко-биология лабо».

Так, на изучение первого раздела программы отводится 26 часов, 10 часов из которых – это работа с лабораторным оборудованием (таблица 1.).

Таблица 1. Раздел программы и список лабораторных работ

Раздел	Лабораторные работы
Раздел 1. Системная организация жизни от клетки до биосферы.	1.1. Методы исследования: работа с микроскопом, биологический рисунок, приготовление микроскопических препаратов.
	1.2. Строение клеток бактерий, животных и растений.
	1.3. Химический состав клетки.
	1.4. Изучение клубеньков бобовых растений как пример симбиоза.
	1.5. Экологическое сообщество аквариума.

Работа организуется согласно методическим рекомендациям по проведению практических и лабораторных работ4. Обучающиеся осваивают в ходе выполнения лабораторных работы 1.1–1.5 инструменты и методы современных микроскопических исследований (фото 1 и 2).

Фото 1. Лабораторное исследование с помощью стереоскопического бинокулярного микроскопа Levenhuk Zoom

Учащиеся изучают устройство, правила применения современных микроскопов, вырабатывают навыки микроскопических исследований строения клеток живых организмов по готовым микропрепаратам, осваивают методику приготовления временных микропрепаратов кожицы

Фото 2. Лабораторное исследование с помощью цифровых микроскопов Levenhuk DTX 90

лука и листа элодеи. Тем самым активизируется исследовательский опыт обучающихся, расширяются горизонты их научного познания, в том числе с помощью современных устройств.

Особый интерес обучающиеся проявляют к компьютеризированному эксперименту. Ведь использование в учебных экспериментальных установках цифровых датчиков и компьютера дает им возможность овладевать современными методами научных исследований, расширяет диапазон величин, значения которых определяются посредством прямых измерений, повышает точность количественных измерений, позволяет отслеживать динамику изучаемых явлений во времени.

Так, цифровая лаборатория «Релеон», включающая мульти датчик со встроенными в него датчиками освещенности, относительной влажности, температуры окружающей среды, атмосферного давления, есть не что иное, как пример современного исследовательского комплекса. К нему подключаются выносные датчики температуры и водородного показателя рН в исследуемых растворах. Информация со всех датчиков преобразуется в мульти датчике и передается в цифровой форме на персональный компьютер для регистрации процессов измерения и обработки результатов.

Педагоги и обучающиеся широко используют возможности цифровой лаборатории при изучении различных учебных тем программы. Например, при изучении пищеварения и гигиены питания обучающиеся определяют каче- ство питьевой воды из различных источников, а также бутилированной воды различных производителей, и выясняют, что качество водопроводной воды в нашем городе соответствует нормам. Обучающиеся определяют рН различных напитков и продуктов, анализируют результаты и делают выводы о возможности их употребления.

Для практического применения экологических знаний обучающиеся определяют кислотность различных образцов почвы, чтобы на основе исследований сформулировать вывод о пригодности почвы для выращивания сельскохозяйственных культур.

Изучая зрительный анализатор, обучающиеся определяют общую освещенность и освещенность рабочих мест в аудитории.

При изучении кожного анализатора интерес обучающихся пробуждает определение кислотно-щелочного равновесия (рН) гигиенических средств. Ведь для здоровья необходимо соответствие рН применяемых средств и рН кожи человека. Гидролипидная мантия здоровой кожи имеет рН = 4,5 – 5,5. В исследованиях обучающиеся задались целью выяснить рН средств гигиены, которыми пользуются в быту, их соответствие маркировке и безопасности для кожи. Для этого они приготовили растворы одинаковой концентрации, определили рН сначала с помощью универсального индикатора, а затем с помощью цифровой лаборатории. Результаты занесли в таблицу 2 и сформулировали выводы.

Таблица 2. Сравнение рН средств гигиены

Параметры	Средства гигиены
	Раствор тоника для лица	Раствор жидкого мыла	Раствор шампуня	Раствор геля для душа	Раствор геля для стирки
Показатель рН
Реакция среды
Вывод:

По результатам исследований оказалось, что не все средства гигиены имеют безвредный показатель кислотно-щелочного равновесия. В ходе исследования обучающиеся убедились в эффективности применения лабораторного оборудования, в возможностях устройств цифровой лаборатории и выработали опыт самостоятельной исследовательской деятельности, значимой для практики и для жизни.

На фото 3 зафиксирован момент исследования кислотно-щелочного равновесия (рН) гигиенических средств.

При изучении темы 4.5. «Экология биосистем» обучающиеся участвуют в теоретических и практических занятиях. Они осваивают такие элементы содержания темы, как: структура эко-

Фото 3. Определение рН растворов средств гигиены

систем (пространственная, возрастная, половая, видовая, экологическая); причины устойчивости и смены экосистем; значение биологического разнообразия; экологические нарушения; влияние человека на экосистемы; искусственные экосистемы.

Практическое занятие проводится в форме экологической экскурсии «Изучение искусственной экосистемы территории образовательного учреждения» (фото 5). В ходе экскурсии используется мульти датчик освещенности, влажности, температуры воздуха. Для этого соответствующее приложение обучающиеся устанавливают на телефон. Они применяют лупы для рассмотрения семян, жилкования листьев, строения цветка. Обучающиеся собирают и систематизируют материалы для дальнейшего использования на занятиях по ботанике: семена туи, сосны, ели. Исследовательский опыт обучающихся активизируется во время применения бинокля Levenhuk Karma BASE.

Фото 5. Изучение искусственной экосистемы территории образовательного учреждения

Ценность экологической экскурсии в единстве ее образовательного, развивающего и личностного компонентов. Обучающиеся осваивают экологические представления и понятия, применяют на практике теоретические знания при выполнении самостоятельных исследовательских работ в природе. Экологическая экскурсия способствует развитию познавательного интереса и любознательности обучающихся в живой природе, совершенствованию умений наблюдения и укреплению исследовательского опыта. Развивается способность обучающихся к сотрудничеству и коммуникации в практической деятельности по биологии и экологии. Экс- курсии способствуют формированию экологической культуры обучающихся, в частности, закрепляет привычку экологически целесообразного поведения «на природе» и в быту.

Таким образом, освоение программы «Эко-биология лабо» дает возможность пробудить и развить неподдельный познавательный интерес обучающихся к исследовательской деятельности в ходе биологических экспериментов, во время применения современного оборудования для исследований (фото 6). Обучающиеся получают опыт работы с современной исследовательской техникой, компьютерными программами, а также опыт информационного поиска, анализа и презентации результатов исследования, опыт межличностного взаимодействия. Все это указывает на возможность активизации опыта естественно-научной направленности у обучающихся в условиях применения современного учебно-исследовательского оборудования в ходе освоения программы «Эко-биология лабо». Использование лабораторного комплекса в процессе углубленного изучения биологии и экологии по программе «Эко-биология лабо» повышают мотивацию обучающихся к исследовательской деятельности, содействует выработке навыков применения средств визуализации в экспериментах по биологии, помогает обучающимся освоить новейшие средства проведения учебного эксперимента, реализовать поддерживающую функцию компьютера при проведении натурного эксперимента.

Фото 6. На занятии по программе «Эко-биология лабо»