О возможностях оборудования педагогического технопарка «Кванториум» для формирования практических умений и навыков обучающихся при изучении раздела биологии «Генетика»

,

,

В связи с переходом школ на федеральный государственный образовательный стандарт важным направлением их деятельности является создание условий для формирования у детей ключевых компетенций как целостной системы универсальных учебных действий.

Современное образование требует применения такого подхода к школьному обучению, в рамках которого освоение программных предметов и дисциплин переносится на сам процесс познания, эффективность которого полностью зависит от соответствующей активности и самостоятельности обучающегося и его способности к самооценке. В этой связи на первое место выходит развитие у обучающихся практических умений и навыков.

Уроки формирования практических умений и навыков трудны для педагога в организации и проведении. Они требуют от него высокой организованности, способности контролировать каждого школьника в практической деятельности, эмоциональных и физических затрат, тщательной предварительной подготовки, в связи с чем большой заинтересованности у педагогов не вызывают и зачастую проводятся формально и нерезультативно1.

Наряду с сообщением системы научных знаний обучение должно вооружить школьников целым рядом умений и навыков познавательного и практического характера. Поэтому, говоря о поисках путей совершенствования процесса обучения, следует иметь в виду не только методы преподнесения новых знаний, но и способы развития у детей умений и практических навыков учебной работы. От уровня их сформированности зависят образовательные успехи школьников, темпы их обучаемости.

Процесс овладения знаниями неразрывно связан с развитием интеллектуальных умений (анализ, сравнение, синтез, абстрагирование и т. д.), умений практического характера (вычисления, измерения, постановка эксперимента и т. д.). Для успешного обучения первостепенное значение имеют познавательные умения, состоящие в способности самостоятельно приобретать знания. Они особенно важны для подготовки учащихся к пополнению и обогащению знаний по окончании учебного заведения, то есть для готовности к непрерывному самообразованию. Формирование у школьников умений и практических навыков является важным средством повышения учебно-воспитательной эффективности уроков, которое часто достигается посредством познавательной активности школьников.

Ведущая роль в решении задачи формирования умений и практических навыков принадлежит школьному курсу биологии и тем его разделам, которые рассматриваются в стратегических планах России как прорывные направления развития экономики и социального благополучия. Одним из них является генетика, актуальной проблемой в преподавании которой становится поиск и выбор форм эффективного и продуктивного усвоения генетических знаний, умений их использовать в решении практических задач, в ходе принятия жизненных решений.

При изучении раздела биологии «Генетика» широко применяются современные, в том числе интерактивные, методы обучения (Орлянская и др., 2019); успешно используется практическое обучение, расширяется спектр биологических объектов, подлежащих исследованию (Анализ преподавания генетики на младших курсах Сеченовского университета …, 2020); постоянно внедряются новые подходы к преподаванию генетики, а также качество методических материалов (Формирование мотивации в преподавании медицинской генетики как фактор повышения ка- чества образования …, 2020); проводятся исследования с использованием математического моделирования (К вопросу о необходимости совершенствования преподавания медицинской генетики в медицинских высших учебных заведениях …, 2020) и др.

В соответствии с реализацией национального проекта1, целями которого является обеспечение глобальной конкурентоспособности российского образования, воспитание гармонично развитой и социально ответственной личности на основе духовно-нравственных ценностей народов Российской Федерации, исторических и национально-культурных традиций, в стране был открыт ряд педагогических технопарков «Кванториум». Их главными задачами являются: выполнение обучающимися междисциплинарных и метапредметных проектов, организация исследовательской работы, формирование функциональной грамотности, развитие практических навыков и умений в естественнонаучных дисциплинах студентов и школьников и многое другое.

Глазовский государственный инженерно-педагогический университет имени В.Г. Короленко (ГИПУ) также принял участие в программе цифровизации процесса обучения. К актуальным образовательным пространствам вуза относится и «Кластер физиологии и инженерно-биологических систем», который оснащен современным оборудованием для изучения физиологии и генетики и дает возможность на практике изучить темы школьного курса биологии.

Для изучения генетики в кластере представлено оборудование, которое включает в себя наборы для проведения лабораторных работ:

• –    «Лабораторный набор по генетике, и материалы» – учебный комплекс для проведения экспериментов в данной тематической области, включая камеру для гель-электрофореза. Кроме того, в комплект входит карта для тренировки пипетирования, что позволяет экономить время и материалы при тренировке с помощью пипеток;

• –    «Трис-боратный буфер для электрофореза» – набор для проведения электрофореза на агарозных и полиакриламидных гелях. Рекомендован для разделения маленьких фрагментов ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) (< 1,5 кб), например, при определении полимеразной цепной реакции (ПЦР) продуктов или продуктов реакции рестрикции, а также для электрофореза рибонуклеиновой кислоты (РНК) в полиакриламидном геле;

• –    «Агарозные таблетки» – набор для занятий, который позволяет визуализировать разделение ДНК во время ее выполнения;

• –    «Бактериальная плазмидная ДНК», «Электрофорез Лямбда-ДНК». «Генетический отпечаток (ДНК-отпечаток)» и «Тест на отцовство (ДНК)» – комплексы для оснащения не менее 10 рабочих мест обучающихся с целью проведения ими экспериментов с использованием метода гель-электрофореза. С помощью данных наборов реализуется возможность получения лямбда-ДНК в электрофорезе в агарозном геле. Они включают: двухцепочечный геном ДНК из оснований бактериофага лямбда, набор реактивов, необходимых для проведения экспериментов, предварительно обработанные и лиофилизированные образцы фрагментов ДНК, а также методические материалы по проведению эксперимента;

• –    «Митоз и мейоз» – наглядный конструктор, позволяющий поэтапно изучить процессы митоза и мейоза клетки;

• –    «Микропрепараты на тему Covid-19» – набор лабораторных препаратов для практического изучения влияния вируса на организм не только человека, но и других живых существ;

• –    «Модель ДНК» – собираемый наглядный конструктор для изучения цепочки ДНК.

Профессиональное оптическое оборудование, используемое на базе технопарка «Кванто-риум», включает тринокулярный микроскоп с функцией увеличения исследуемого объекта в 1 000 раз. Такие аппараты в современной науке и технике получили весьма широкое распространение. Их применяют тогда, когда у исследователя есть цель не только лишь рассмотреть образец в деталях на большом увеличении, но и сделать снимок полученного изображения, либо же вывести его в режиме реального времени на экран монитора. Поэтому исследование могут проводить несколько человек в комфортных условиях с визуализацией изображения на экране компьютера. Три-нокулярный микроскоп широко используется как в области клинических исследований, так и в лабораториях, где есть необходимость изучения объектов под значительным увеличением. Именно благодаря третьему окуляру возможно установить видеокамеру или фотосъемку в микроскопическом варианте с целью документирования исследования и записи его на съемный носитель.

Таким образом, при помощи оборудования технопарка «Кванториум» можно решать следующие педагогические задачи:

• 1.    Создание условий для обогащения личностного и профессионального опыта студентов и школьников, расширения их кругозора, демонстрации достижений отечественной науки и техники в области генетики в целях дальнейшего успешного достижения целей обучения и воспитания.

• 2.    Создание условий для формирования междисциплинарного и метапредметного мышления школьников.

• 3.    Интеграция современной насыщенной учебной инфраструктуры в педагогическое образование, организация научно-исследовательской деятельности обучающихся.

• 4.    Создание условий для приобретения опыта коллаборации в межпредметных и разновозрастных группах при педагогическом проектировании, в том числе со школьниками, ориентированными на педагогическую профессию.

• 5.    Приобретение умений и практических навыков при взаимодействии с техносферой современной школы.

• 6.    Развитие познавательной активности и учебного интереса у обучающихся старших классов.

Настоящая статья призвана показать эффективность разработанного комплекса учебных заданий для школьников с использованием оборудования педагогического технопарка ГИПУ «Кванториум», ориентированного на формирование и развитие умений и практических навыков детей при изучении биологии.

Исследования по формированию практических умений и навыков школьников нами были проведены на базе ГИПУ (Глазов, Удмуртская Республика). Для организации исследовательской работы были привлечены учащиеся двух 9 классов МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 11».

В исследовании приняли участие 39 подростков. Контрольную группу (КГ) составили 19 человек 9 «А» класса, экспериментальную (ЭГ) – 20 обучающихся 9 «Б» класса.

Методами исследования выступили: анализ, систематизация, классификация, обобщение и синтез полученной информации, статистическая обработка данных.

Экспериментальное исследование проводилось в несколько этапов в течение 2022–2023 учебного года. На первом из них – начальном – был проведен контроль знаний школьников по предмету «Биология», оценивался средний уровень успеваемости. Результаты первичной диагностики сформированности навыков познавательной активности представлены на рис. 1.

Контрольная группа

47       ⁴⁸

Высокий уровень             Средний уровень              Низкий уровень

Рисунок 1 – Уровень сформированности навыков познавательной активности на начальном этапе исследования у школьников обеих групп, % ¹

• Figure 1    – The Level of Formation of Cognitive Activity Skills at the Initial Stage of the Study in Schoolchildren of Both Groups, %

Как видно из рис. 1, превалирующим уровнем познавательной активности у обучающихся 9 классов является низкий. Для него характерны более высокие показатели в сравнении со средним и высоким уровнями. Разница в значениях составляет по 15 % для контрольной и экспериментальной групп. Данные результаты свидетельствуют о наличии общего безразличия в обоих классах к учебной деятельности.

Обработка данных показателей экспериментальной и контрольной групп по t-критерию Стьюдента выявила статистическую недостоверность различий при p > 0,05. Это означает, что до проведения эксперимента группы были статистически равными.

Результаты первичного тестирования (табл. 1) обнаружили необходимость активизации самостоятельной познавательной деятельности детей, повышения у них учебной мотивации и формирования положительного отношения к узнаванию нового.

Таблица 1 – Уровень успеваемости на начальном этапе исследования

Table 1 – Level of Performance at the Initial Stage of the Study

Оценка	Контрольная группа (количество обучающихся и процентное соотношение)	Экспериментальная группа (количество обучающихся и процентное соотношение)
«5»	3 (16 %)	4 (20 %)
«4»	7 (37 %)	8 (40 %)
«3»	6 (31 %)	6 (30 %)
«2»	3 (16 %)	2 (10 %)

Как видно из табл. 1, в контрольной и экспериментальной группе лидирующими оценками являются «3» и «4». Значительно реже встречается «5», разница между лидирующей оценкой составила: 20 % – в контрольной группе и 21 % – в экспериментальной. Это может свидетельствовать об отсутствии у детей знаний по предмету, а также о низком уровне сформированности практических навыков.

Нами также был проведен анализ уровня обучаемости школьников и качества их знаний: в контрольной группе успеваемость составляет 56 %, качество званий – 60 %, степень обученности – 58 %, а средний балл – 3,7; в экспериментальной группе аналогично: успеваемость – 53 %, качество званий – 53 %, степень обученности – 53 %, средний балл – 3,5. Очевидно, что обе группы находятся приблизительно на одинаковых уровнях успеваемости.

Из анализа результатов первичной диагностики видно, что обе группы имеют допустимый уровень успеваемости в соответствии с государственным стандартом, однако он все же нуждается в повышении за счет формирования у обучающихся навыков познавательной активности. Нами был разработан комплекс заданий для школьников 9 классов с использованием оборудования педагогического технопарка «Кванториум». Цель его применения заключается в формировании у них умений и практических навыков образовательной деятельности при изучении раздела биологии «Генетика». Данный комплекс применялся на специально организованном курсе по биологии в ГИПУ в соответствующем кластере физиологии и инженерно-биологических систем.

Уроки в контрольной и экспериментальной группе проходили согласно учебной программе в МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 11», но экспериментальная группа дополнительно один раз в неделю на протяжении 2 месяцев посещала технопарк ГИПУ для занятий, на которых обучающиеся для выполнения заданий по специально разработанному комплексу, тематически соответствующему школьной программе, использовали специальное оборудование, охарактеризованное выше. Такая практика показала, что при изучении раздела «Генетика» в рамках учебного предмета «Биология» специальное оборудование можно дополнительно использовать для обеспечения большей наглядности и практической ориентированности образовательного процесса. При этом важно методически и педагогически грамотно акцентировать внимание обучающихся на предложенном материале и оборудовании, что будет способствовать эффективному формированию умений и практических навыков школьников.

После реализации разработанного нами комплекса заданий с использованием оборудования технопарка ГИПУ была вторично проведена диагностика обучающихся на предмет изучения уровня сформированности у них навыков познавательной активности и оценки средней успеваемости по школьному предмету «Биология» (рис. 2).

КГ До

КГ После

ЭГ До

- ЭГ После

Высокий уровень

Средний уровень

Низкий уровень

Рисунок 2 – Уровни сформированности навыков познавательной активности у школьников 9 классов на конечном этапе исследования, %

• Figure 2    – Levels of Cognitive Activity Skills Formation

among 9th Grade Pupils at the Final Stage of the Study, %

Как видно из рис. 2, в экспериментальной группе наблюдается общая тенденция роста значений показателей высокого уровня, а также падения показателей низкого уровня. В контрольной группе до и после эксперимента также выявлены незначительные изменения. В экспериментальной группе разница показателей высокого уровня до эксперимента и после составила 10 %. В то же время статистически достоверные различия наблюдаются по низкому уровню и составляют 29 %.

Математико-статистическая обработка по t-критерию Стьюдента данных показателей выявила статистически достоверную разницу между двумя группами (p < 0,01).

По уровню успеваемости в экспериментальной группе также наблюдаются отличия (табл. 2).

Таблица 2 – Уровень успеваемости на конечном этапе исследования

Table 1 – Level of Achievement at the End of the Study

Оценка	Контрольная группа (количество обучающихся и процентное соотношение)		Экспериментальная группа (количество обучающихся и процентное соотношение)
	до	после	до	после
«5»	3 (16 %)	3 (16%)	4 (20 %)	6 (28%)
«4»	7 (37 %)	8 (42%)	8 (40 %)	10 (48%)
«3»	6 (31 %)	6 (31%)	6 (30 %)	5 (24%)
«2»	3 (16 %)	2 (11%)	2 (10 %)	0 (0%)

Как видно из табл. 2, в контрольной и в экспериментальной группе наблюдаются изменения оценок проведенных тестов:

– в КГ увеличилось количество «четверок» – с 37 до 42 %, выросло число учащихся, повысивших свой уровень с «2» на «3», об этом свидетельствует уменьшение процентной выраженности «двоек» с 16 до 11; показатели «5» и «3» остались без изменений;

– в ЭГ: оценку «5» получили на 8 % больше обучающихся; «4» – аналогично; количество школьников, знания и умения которых соответствуют оценке «3», снизилось на 6 %, а учащиеся, имевшие оценку «2» на начальном этапе эксперимента, после выполнения комплекса заданий больше не получали неудовлетворительных отметок.

Нами был проведен анализ степени обученности школьников и качества их знаний по полученным оценкам на завершающем этапе, который позволил выявить следующее: в контрольной группе успеваемость составляет 57 %, качество званий – 84 %, степень обученности – 56 %, а средний балл – 3,6; в экспериментальной группе соответственно: успеваемость – 76 %, качество званий – 100 %, степень обученности – 67 %, а средний балл – 4.

Из приведенных данных видно, что разница успеваемости между контрольной и экспериментальной группой составляет 19 %, качества знаний – 16 %, обученности – 11 %, средний балл на 0,4 % выше. Полученные результаты напрямую свидетельствуют об эффективности применения оборудования технопарка «Кванториум» на занятиях по биологии, что подтверждает результативность применения разработанного нами комплекса заданий для формирования практических навыков и развития познавательной активности детей вообще и в области генетики в частности.