Гигиеническая оптимизация учебного процесса в школе в условиях использования электронных средств обучения

В условиях гиперинформационного общества одной из важнейших задач является сохранение здоровья подрастающего поколения. Цифровая среда обитания оказывает серьезное влияние на поведение, стиль, образ жизни и формирует дополнительные факторы риска здоровью детей и подростков [1, 2]. Наблюдается возрастание информационной нагрузки и психоэмоционального перенапряжения, различных форм информационной зависимости [3–5], увеличение распространенности пограничных психических расстройств и поведенческих нарушений у детей и подростков [6]. Длительное использование интернета сопряжено у детей со снижением вербального интеллекта и нарушением развития мозга в области, ответственной за речь, внимание, эмоции и т.д. [7]. Значительная часть авторов публикаций, касающихся вопросов влияния цифровых средств на здоровье, характеризует их использование современными детьми и подростками как чрезмерное, что, как нам кажется, может быть основным фактором, препятст- вующим формированию «здоровой психофизиологической устойчивости» [8–12].

Наряду с этим основная и наиболее заметная тенденция современного образования связана, прежде всего, со все более интенсивным использованием цифровых средств в обучении детей и подростков. Имея огромные возможности, повышающие эффективность образования, обучение в цифровой среде формирует комплекс факторов, которые обладают потенциально негативным эффектом воздействия на здоровье школьников. К ним следует отнести увеличение зрительной нагрузки, интенсификацию учебного труда, повышение статического напряжения и гипокинезию [13, 14].

В последние годы было изучено влияние применения наиболее распространенных электронных средств обучения (ЭСО) (персонального компьютера, ноутбука, интерактивной доски проекционного типа, планшета) на функциональное состояние организма (ФСО) школьников. В работах [15–18]

Александрова Ирина Эрнстовна – доктор медицинских наук, главный научный сотрудник лаборатории комплексных проблем гигиены детей и подростков (е-mail: ; тел.: 8 (495) 917-10-60; ORCID: .

показано, что нерегламентированное применение ЭСО в учебном процессе обусловливает ухудшение самочувствия, снижение зрительной, умственной работоспособности учащихся, невозможность соблюдения оптимальной зрительной дистанции; способствует формированию «передней» рабочей позы школьника.

В результате анализа изменений функционального состояния организма учащихся в динамике урока в зависимости от различного времени применения ЭСО определена допустимая продолжительность их использования, при превышении которой выявляли значимую негативную динамику показателей ФСО. В ходе этих исследований установлены регламенты безопасного использования на уроках: компьютера, интерактивной доски и ноутбука, показано активизирующее влияние ЭСО на учебную деятельность и ФСО школьника при рациональном, с позиций гигиены, их использовании [17, 18]. Позитивное влияние выражалось, в первую очередь, в эмоциональной активизации деятельности центральной нервной системы, оптимизации функции зрительного анализатора, повышении уровня умственной работоспособности школьника.

Проведены исследования по выявлению факторов, определяющих утомительность современного школьного урока. Установлено, что многокомпо-нентность понятия утомительность урока включает: трудность учебного предмета, способности и наклонности школьника, условия обучения. Обоснованы шкалы трудности учебных предметов для построения учебного расписания в 1–9 классах и его гигиенической оценки [19]. Применение электронных средств на уроке меняет его утомительность для учащихся. Сами педагоги, положительно оценивая влияние современных цифровых уроков на развитие школьников, также отмечают увеличение информационной нагрузки, интенсификацию учебной деятельности учащихся [20, 21].

Появление новых факторов риска для развития и здоровья учащихся, практически постоянно находящихся в условиях «цифровой школы», обусловливает необходимость всестороннего их изучения. Наряду с условиями внутришкольной среды (в том числе физическими параметрами самих ЭСО, их размещением, правилами эксплуатации и т.п.) и продолжительностью использования ЭСО, необходимо с позиции гигиены оценивать и организацию современного процесса обучения: построение школьного урока, расписания. Только такой подход позволит учесть и минимизировать возможные риски для здоровья школьников.

Цель настоящего исследования – научное обоснование гигиенической оптимизации учебного процесса для профилактики выраженного утомления школьников в процессе обучения в условиях цифровой среды.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• –    изучение связи показателей ФСО учащихся с данными, характеризующими организацию урока;

• –    изучение влияния проведения профилактических мероприятий на уроке с ЭСО на показатели умственной и зрительной работоспособности;

• –    обоснование метода гигиенической оценки урока;

• –    изучение связи показателей ФСО учащихся с «гигиенической рациональностью» расписания уроков.

Материалы и методы . Применялся комплекс гигиенических, физиологических, а также статистических методов исследования.

В условиях использования на учебных занятиях ЭСО была проведена оценка школьных средовых факторов, изучены параметры ФСО 607 обучающихся 5–9-х классов. Исследования базировались на изучении умственной работоспособности (УР), являющейся интегральным показателем ФСО детей1. УР имеет определяющее значение для учебной деятельности. УР оценивали по результатам корректурного теста – дозированной по времени методике, позволяющей получать информацию об основных параметрах, характеризующих умственную работоспособность: объеме выполненной работы и количестве сделанных ошибок. Соотношение данных показателей определяет продуктивность работы, и ей дается комплексная оценка (отличная, хорошая, удовлетворительная, плохая, неудовлетворительная). Исходя из соотношения суммы отличных и хороших оценок к сумме плохих и неудовлетворительных, вычисляется интегральный показатель работоспособности классного коллектива.

Оценку динамики функционального состояния центральной нервной системы проводили с учетом характера индивидуальных сдвигов работоспособности от начала к концу урока. Для анализа влияния организации обучения на УР школьников выбрали наиболее «неблагоприятные» варианты сдвигов, отражающих явное и выраженное утомление, когда наблюдается уменьшение (сохранение) количества просмотренных знаков при сохранении (увеличении) количества ошибок или снижение количества просмотренных знаков при увеличении ошибок.

В динамике учебного дня провели оценку показателей УР 211 школьников 5–9-х классов с различной организацией уроков (различной плотностью урока, числом видов учебной деятельности) и построением учебного расписания (с разной степенью соответствия гигиеническим рекомендациям).

У 396 учащихся средней школы (5–9-е классы) оценили показатели УР в зависимости от наличия (или отсутствия) комплекса профилактических мероприятий (офтальмотренажа и физкультминуток) на уроке. Кроме того, у этой группы детей изучили показатели, характеризующие зрительное утомление. Использовали методики определения критической частоты слияния световых мельканий (КЧСМ), объема аккомодации и степени утомления цилиарной мышцы глаза. Методика изучения КЧСМ предназначена для определения лабильности коркового звена зрительного анализатора, о снижении которой свидетельствует уменьшение частоты различения отдельных световых мельканий, что позволяет говорить о развитии у школьника зрительного утомления. Объем аккомодации характеризует величину изменения оптической силы глаза в процессе аккомодации, а степень утомления цилиарной мышцы глаза характеризуется коэффициентом утомляемости – процентным соотношением разности между объемами аккомодации в начале и в конце наблюдения к исходному объему аккомодации. Отрицательная величина коэффициента утомляемости указывает на увеличение объема аккомодации, а положительная – на его уменьшение.

Для выявления характера и длительности различных видов учебной деятельности на уроке применили метод хронометражных наблюдений. Провели хронометражные исследования организации 32 уроков. Оценили плотность урока (количество времени урока, затраченного на собственно учебную работу, к общему времени урока, выраженное в процентах), количество смен видов учебной деятельности.

Анализ учебного расписания проводился с помощью «Электронного методического комплекса для гигиенической оценки школьного расписания»2, созданного авторами на основе новых шкал трудности учебных предметов, разработанных с учетом активного применения ЭСО на уроках. Провели оценку 15 вариантов дневных расписаний и пяти вариантов недельных школьных расписаний. Гигиеническая рациональность построения расписания определялась, прежде всего, соответствием динамики трудности учебных предметов в течение учебного дня (недели) физиологической «кривой» УР школьников [22–24].

Статистическая обработка результатов проведена с использованием параметрических и непараметрических методов анализа. По принципам доказательной медицины установлены величины относительного риска – вероятности появления «неблагоприятных» показателей ФСО учащихся в зависимости от показателей учебной среды (построения урока, учебного расписания), которые при гигиенически нерациональной организации становятся «факторами риска». Возникновение числа «неблагоприятных» случаев ФСО соотнесли с уроками, имеющими различную плотность (70 % и ниже – выше 70 %; 80 % и ниже – выше 80 %; 90 % и ниже – выше 90 %), разным количеством смен видов учебной деятельности (5 и менее – более 5; 6 и менее – более 6; 7 и менее – более 7), а также с обучением на фоне школьного расписания, составленного, с гигиенических позиций, с различной степенью рациональности (рационально – нерационально). Соответственно, например, плотность урока выше 90 % – это «фактор риска есть», а плотность урока 90 % и ниже – «фактор риска отсутствует», количество школьников с «неблагоприятным» типом УР к концу урока – «исход есть»; школьники, не имеющие «неблагоприятного» типа УР к концу урока – «исхода нет» и т.д.

Таким образом заполнялась четырехпольная таблица сопряженности (табл. 1).

Таблица 1

Таблица сопряженности

Показатель	Исход есть (1)	Исхода нет (0)	Всего
Фактор риска есть (1)	A	B	A + B
Фактор риска отсутствует (0)	C	D	C + D
Всего	A + C	B + D	A + B + C + D

Значение относительного риска определялось по формуле

RR = ( A /( A + B )) / ( C /( C + D )) =

= (A(C + D)) / (C(A + B)), где A, B, C, D – количество наблюдений в ячейках таблицы сопряженности. После определения границ 95%-ного доверительного интервала (не включающего единицу) сравнивали значения относительного риска с единицей: выбирали значения, превышающие единицу, считая, что фактор повышает частоту исходов. Рассчитали: чувствительность (А/А + С ∙ 100) и специфичность методов (D/B + D ∙ 100). Этиологическую составляющую (EF) воздействия показателей организации урока на УР школьников, вызывающего явное и выраженное утомление, определяли согласно «Оценке степени причинно-следственной связи нарушений здоровья с работой»3.

Результаты и их обсуждение . Условия в классах, где проводились исследования, были максимально оптимизированы в соответствии с требованиями санитарных правил. Все ЭСО, применяемые на уроках, имели необходимые документы, разрешающие их использование в детских образовательных учреждениях.

В процессе анализа были отобраны учащиеся с «неблагоприятными» сдвигами УР к концу урока, отражающими развитие у них явного и выраженного утомления.

Установлен относительный риск ( RR ) возникновения указанных сдвигов УР в зависимости от таких показателей организации урока, как плотность урока, частота смен учебной деятельности (табл. 2).

Значимый риск увеличения случаев явного и выраженного утомления у школьников отмечен на уроках с учебной плотностью, превышающей 90 %, и с частотой смен видов учебной деятельности более 7. При других вариантах организации урока подобный риск не выявлен ( RR < 1).

Этиологическую составляющую воздействия показателей организации урока на УР школьников, вызывающего явное и выраженное утомление, охарактеризовали как «высокой» степени (57,3 %) – для учебной плотности урока (выше 90 %) и «средней» степени (41,1 %) – для частоты смен видов учебной деятельности (превышающей 7), так как длительность и непрерывность воздействия школьных факторов на растущий организм определяют необходимость оценивать их аналогично профессиональным.

Также наши исследования подтвердили эффективность проведения комплекса профилактических мероприятий (офтальмотренажа и физкультминуток) на уроках с использованием ЭСО (табл. 3).

После уроков, на которых проводились профилактические мероприятия, у учащихся улучшались показатели умственной и зрительной работоспособности. Так, интегральный показатель работоспособности классного коллектива (соотношение суммы «отличных» и «хороших» оценок УР к сумме «плохих» и «неудовлетворительных») увеличивался к концу урока, содержание которого включало оф-тальмотренаж и физкультминутки и, наоборот, уменьшался в «контрольном» классе. Кроме того, отмечено значимое уменьшение частоты различения отдельных световых мельканий у детей на уроке без профилактических мероприятий (с 31,55 ± 0,31 до 27,6 ± 0,29 Гц, р <  0,05), снижение объема аккомодации и, соответственно, увеличение коэффициента утомляемости цилиарной мышцы глаза.

Полученные данные о зависимости ФСО учащихся от учебной плотности урока, частоты смен видов учебной деятельности, наличия профилактических мероприятий на уроке (с учетом результатов ранее проведенных исследований [12, 13] по обоснованию регламентов использования ЭСО на уроках) позволили обосновать метод гигиенической оценки урока в условиях использования ЭСО.

Таблица 2

Относительный риск возникновения явного и выраженного утомления у школьников в зависимости от показателей организации урока

Показатель ФСО школьника	Показатель организации урока	RR	ДИ *	EF , %	Se	Sp
Сдвиги показателей УР, отражающие явное и выраженное утомление учащихся	Плотность урока более 90 %	3,34	2,47–4,49	57,3	0,46	0,94
	Более 7 смен видов учебной деятельности	2,5	1,4–3,2	41,1	0,96	0,37

П р и м е ч а н и е : * p < 0,05; RR – относительный риск, ДИ – доверительный интервал, EF – этиологическая составляющая, Se – чувствительность метода, Sp – специфичность метода.

Таблица 3

Динамика ФСО учащихся на уроках с проведением профилактических мероприятий (офтальмотренажа и физкультминуток) и без таковых

Показатель		5–9-е классы
		Уроки с проведением профилактических мероприятий		Уроки без проведения профилактических мероприятий
		начало урока	конец урока	начало урока	конец урока
Число исследований		199	199	197	197
Количество просмотренных знаков, М ± m		296,7 ± 2,3	304,7 ± 2,1	301,7 ± 2,5	282,6 ± 3,1
Количество стандартизированных ошибок на 500 зн., М ± m		7,11 ± 0,19	6,97 ± 0,21	6,54 ± 0,17	7,30 ± 0,19
Интегральный показатель работоспособности, усл. ед		0,95	1,25	1,51	0,96
Доля сдвигов УР с явным и выраженным утомлением, %			28,8		35,7
КЧСМ	Кол-во исследований	100	98	57	56
	М ± m , Гц	26,8 ± 0,21	26,4 ± 0,22	31,5 ± 0,31	27,6 ± 0,29*
Аккомодация	Кол-во исследований	56	56	55	51
	Объем аккомодации, дптр	13,9 ± 0,30	13,5 ± 0,30	14,2 ± 0,30	12,8 ± 0,30**
	Коэффициент утомляемости цилиарной мышцы глаза, %		+3,1		+9,7

П р и м е ч а н и е : * – р <  0,05; ** – р <  0,01; УР – умственная работоспособность, КЧСМ – критическая частота слияния световых мельканий.

Таблица 4

Относительный риск возникновения выраженного утомления учащихся в зависимости от гигиенической рациональности школьного расписания

Показатель ФСО школьника (исход)	Фактор учебного процесса	RR	ДИ	EF	Se	Sp
Сдвиги показателей УР, отражающие выраженное утомление учащихся	1. Несоответствие «кривой трудности» учебных предметов недельной динамике умственной работоспособности	2,13*	1,04–3,22	30,7	0,84	0,42
	2. Несоответствие «кривой трудности» учебных предметов дневной динамике умственной работоспособности	2,64*	2,13–3,27	53,3	0,29	0,96

П р и м е ч а н и е : * – р <  0,05; RR – относительный риск; ДИ – доверительный интервал; EF – этиологическая составляющая; Se – чувствительность метода, Sp – специфичность метода.

Метод заключается в балльной оценке учебного занятия по следующим позициям:

• 1.    Учебная плотность урока (не более 90 %).

• 2.    Количество смен видов учебной деятельности (не более 7).

• 3.    Длительность непрерывного использования ЭСО (согласно возрастным регламентам).

• 4.    Длительность суммарного (за урок) использования ЭСО (согласно возрастным регламентам).

• 5.    Наличие комплекса профилактических мероприятий.

По каждому пункту при соответствии гигиеническим рекомендациям ставится один балл, при несоответствии – 0 баллов. Согласно итоговому (суммарному) баллу уроку присваивается один из уровней гигиенической рациональности: гигиенически рациональный урок – 5 баллов; недостаточно рациональный – 3–4 балла (при этом каждый из показателей урока № 1, № 3, № 4 должны быть оценены в один балл); а гигиенически нерациональный урок – 2 балла и менее.

Данный метод гигиенической оценки урока рекомендуется использовать как образовательной организации (администрации, педагогам, медицинским работникам) для «самоаудита» учебного процесса с целью снижения его утомительного влияния на организм школьника, так и специалистам органов Роспотребнадзора в ходе надзорных мероприятий.

Важным компонентом организации учебного процесса является расписание уроков.

Оценена взаимосвязь между воздействием нерационально, с гигиенических позиций, составленным расписанием и исходами – количеством школьников со сдвигами УР, отражающими выраженное утомление к концу учебного дня: установлены значимые величины относительного риска (табл. 4). Этиологическая составляющая фактора – нерациональность дневного расписания – 53,3 %, что оценивается как высокая степень связи между фактором и исходом. Этиологическую составляющую фактора, отражающего нерациональность недельного расписания (30,7 %), оценили как «среднюю» степень связи между фактором и исходом.

Распространенность показателей выраженного утомления учащихся увеличивается при обучении на фоне нерационально построенного школьного расписания занятий (без использования обновленной «шкалы трудности» учебных предметов, созданной с учетом широкого применения ЭСО на уроках).

Выводы. Широкое внедрение в современное школьное обучение электронных средств обусловливает возникновение новых рисков здоровью учащихся. Гигиеническая оценка «цифрового» фактора школьной среды наряду с характеристиками самого электронного средства обучения, условий его размещения и т.п. подразумевает и анализ организации учебного процесса: урока, расписания.

Обоснована оптимальная, с физиолого-гигиенических позиций, структура урока с использованием ЭСО. Доказаны значимые риски увеличения показателей явного и выраженного утомления школьников при плотности урока, превышающей 90 % ( RR = 3,34); частоте смен учебной деятельности более 7 ( RR = 2,5) и подтверждена эффективность профилактических мероприятий на уроке. Предложенный метод гигиенической оценки урока позволит своевременно скорректировать его организацию.

Установлены значимые риски возникновения неблагоприятных сдвигов умственной работоспособности в динамике обучения на фоне нерационального (без учета трудности учебных предметов с использованием обновленных шкал) недельного и дневного школьного расписания ( RR = 2,13 и RR = 2,64 соответственно).

Гигиеническая оптимизация урока и школьного расписания в условиях цифровой среды, в том числе с помощью предложенного методического инструментария, будет способствовать сохранению благоприятной динамики функционального состояния организма учащихся, снижению рисков развития переутомления в процессе обучения.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.