Ru
En

Новые образовательные стратегии в современном информационном пространстве

New Educational Strategies in Modern Information Space - 2022

Аникьева М. А.

ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ),

г. Красноярск

Григорьев С. Г.

ГАОУ ВО «Московский городской педагогический университет» (МГПУ)

г. Москва

 

Средства для поддержки STEM-образования

 

STEM – интегрированная форма обучения, включающая комплексно четыре дисциплины Science, Technology, Engineering и Mathematics. При таком подходе к обучению, обучающиеся учатся решать проблемы, опираясь на знания и навыки нескольких дисциплин. Основная цель внедрения этой формы в образовательный процесс состоит в обеспечении инновационных решений для двух глобальных проблем 21-го века: занятости населения и экологической устойчивости. В представляемом исследовании проведен обзор затруднений при реализации STEM-образования. Производится обзор инструментов, применяющихся для поддержки преподавателей и обучающихся при подготовке и реализации дисциплин STEM. Предлагается методика формирования обучающего контента на основе дерева понятий.

 

Anikieva M. A.

Siberian Federal University

Krasnoyarsk, Russia

Grigoriev S. G.

Moscow City Teacher Training University

Moscow, Russia

 

Resources to support STEM education

 

STEM is a unified form of education that includes four disciplines in a complex Science, Technology, Engineering and Mathematics. With this approach to learning, students learn to solve problems, relying on the knowledge and skills of certain disciplines. The main purpose of collecting this form in the educational process is that in a number of cases there are solutions to two difficult problems of the 21st century: employment of the population and environmental sustainability. In the preliminary experience, an overview of the difficulties of implementing STEM education was carried out. Reviews are made of the tools hired to support operators and trainees in the management and implementation of STEM disciplines. A technique for forming food containers based on a concept tree is proposed.

 

Введение

Навыки 21-го века для обучения и инноваций включают критическое мышление, творчество, общение и сотрудничество, которые становятся одним из ключей к успеху – быть конкурентоспособным в эпоху информации и знаний. Для развития навыков 21-го века широко используется во многих странах STEM-образование [1]. Стратегия STEM-образования предполагает создание и развитие учебных программ, направленных на устранение разрыва между теорией и практикой, а также на улучшение навыков решения проблем, основанных на практических навыках применения полученных знаний. Для развития стратегии STEM-образования необходимо, чтобы каждая из дисциплин, участвующих в STEM, включала в себя ряд существенных концептуальных, процедурных и поведенческих аспектов таким образом, чтобы владеть каждой из дисциплин STEM, и так же развивать способность обнаруживать и устанавливать связи, которые существуют между предметными областями.

 

STEM можно рассматривать как эмерджентное явление, то есть синтетическое целое, которое является результатом дисциплинарной интеграции, больше, чем сумма его частей. Эта интеграция областей знаний предполагает получение конечного продукта, превышающего сумму его отдельных частей [2]. Было установлено, что интегрированное преподавание дисциплин STEM является более эффективной формой обучения по сравнению с индивидуальным преподаванием разрозненных дисциплин [3].

 

STEM имеет специальные характеристики, которые отличают его от других подходов, а именно:

a. Фокусируется на проблемах, которые существуют в реальном мире;

b. Руководствуется процессом инженерного проектирования, где конструкция решения рождается в мышлении студента;

c. Обучающиеся вовлекаются в командную работу;

d. Обучающиеся осознают необходимость исследования причинно-следственных связей между явлениями и учебными дисциплинами.

 

Обзор особенностей внедрения STEM-образования

Несмотря на явные и бесспорные достоинства STEM-образования, тем не менее исследователями и практиками отмечаются сложности, которые возникают при внедрении этого подхода на практике. К ним можно отнести слабую ориентацию в школах в области STEM, недостаточный уровень программ для подготовки учителей для STEM-образования, недостаточный уровень материальной и организационной поддержки STEM-образования [4]. Большинство учителей обучающие в рамках своей предметной дисциплины не способны реализовать комплексный подход к STEM-образованию [5]. Проектирование мероприятий, основанных на интеграции содержания различных предметных областей, применении соответствующих содержанию педагогических стратегий, является сложной задачей, так как определение правильных учебных материалов, помогающих учащимся решать реальные проблемы, процесс проектирования деятельности иногда отнимает много времени. Кроме этого, существует нехватка инструментов для педагогов для измерения различных показателей, которые необходимы учителям для эффективного внедрения STEM-образования [6].

 

Кроме затруднений, которые возникают у преподавателей в организации занятий для реализации стратегии STEM-образования, развитие STEM-грамотности у обучающихся тоже вызывает затруднения. Наблюдается высокая степень отсева из программ, ориентированных на STEM-образование. Преподаватели отмечают что сложно поддерживать интерес студентов и положительные эмоции к обучению и карьере с интегрированием дисциплин STEM [6]. Учеными всего мира ведутся исследования перспектив внедрения STEM-образования [7], как следует осуществлять интегрированное обучение и преподавание дисциплин STEM.

 

Возможности для поддержки внедрения STEM в учебный процесс

Стратегии STEM-образования давно уже вышли за пределы установления связей между устоявшимися предметными областями STEM (наука, технологии, инженерия и математика). Наиболее явно видна тенденция включения дисциплин, связанных с компьютерными технологиями [8]. Более широкий взгляд на STEM-образование включает такие дисциплины как химия, компьютерные и информационные технологии, инженерия, весь спектр географических наук, науки о жизни, математические науки, физика и астрономия, психология, социальные науки, педагогические науки и исследования в области STEM-образования [9]. То есть STEM-образование направлено на интегрирование в единое пространство всех дисциплин, необходимых для всесторонней подготовки специалистов.

 

Поэтому, для преодоления затруднений внедрения и реализации STEM- образования рассмотрим образовательные практики, которые уже хорошо себя зарекомендовали. В работе [10] выделены следующие категории практик, используемых в STEM-обучении: фокус на решении проблем, исследования, проектирование, командная работа, интеграция контента. Различают мультидисциплинарный, междисциплинарный и интегрированный подходы к интеграции контента.

 

Формирование контента для STEM-обучения на основе дерева знаний

Так как наиболее важной задачей для реализации обучения является формирование обучающего контента, поэтому предлагается модель формирования контента обучающей программы. Необходим репозиторий учебных программ, каждая программа или элемент программы в таком репозитории снабжена комплектом метаданных, на основе которых происходит подбор учебного материала.

 

Множество возможных элементов для изучения N=1,2,…, n  представим в виде дерева. Обход дерева дает нам путь, последовательность изучения элементов дерева. Узлам дерева назначаем характеристику P  — полезность pi  для достижения цели обучения. Дугам между узлами назначаем вес bij , соответствующий параметру, по величине которого ограничивается общий вес B.  Например, таким параметром может быть время освоения учебного материала.

 

Следовательно, для составления модели курса обучения из заданного множества элементов N, необходимо найти такой набор элементов для изучения N', который обладает максимальной полезностью и удовлетворяет заданному ограничению B. В случае, когда полезность не зависит от ограничивающей характеристики B, решение задачи будет найдено, если будут выполнены условия:

Оставить комментарий:

где xi  — переменная, принимающая значение равное 1, если элемент включается в программу обучения, или 0, если элемент не включается.

Следовательно, решение задачи сводится к нахождению пути максимальной длины. Эффективным алгоритмом для нахождения решения является метод динамического программирования [11].

 

Полезность P=f(h1,h2,…hz) это функция зависящая от характеристик h элементов дерева. Этими характеристиками могут быть уровень освоения, сложность, необходимая для освоения подготовка, форма контента и пр.

 

Следует отметить, что расчет значений функции полезности является довольно сложной задачей. Для решения таких задач в настоящее время широко используются нейронные сети.

 

Заключение

STEM-образование рассматривается профессиональным, научным и педагогическим сообществами как возможность обеспечивать рынок труда специалистами, способными трансформировать имеющиеся у них навыки в соответствии с требованиями времени на основе развитой способности комплексно применять знания и умения.

 

Тем не менее, реализация STEM-образования имеет затруднения в сфере разработки, реализации программ STEM, а также в сфере освоения обучающимися дисциплин STEM.

 

Одним из центральных аспектов для успешной реализации STEM-образования является формирование учебного контента. Использование репозиториев с учебными курсами, структуру знаний в репозитории, в учебном курсе или его элементе, используя комплект метаданных о курсе/элементе курса, можно автоматизировать построение программ обучения, включающих в себя комплект знаний из разных предметных областей.

 

Литература:

  1. Lyon J. A., J. Magana A. Computational thinking in higher education: A review of the literature // Computer Applications in Engineering Education. 2020. 28. № 5. С. 1174–1189. https://doi.org/10.1002/cae.22295.
  2. Андрюшкова О. В., Григорьев С. Г. Эмергентное обучение в информационно-образовательной среде: монография. М.: Образование и Информатика, 2018. 104 c. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=41518855.
  3. Jackson C., Mohr-Schroeder M. J., Bush S. B., Maiorca C., Roberts T., Yost C., Fowler A. Equity-Oriented Conceptual Framework for K-12 STEM literacy // International Journal of STEM Education. 2021. 8. № 1. https://doi.org/10.1186/s40594-021-00294-z.
  4. Григорьев С. Г., Курносенко М. В. Внедрение элементов STEM-образования в подготовку педагогов по профилю «Информатика и технологии» // Известия института педагогики и психологии образования. 2018. № 2. С. 5–13. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=35260903.
  5. Lo C. K. Design Principles for Effective Teacher Professional Development in Integrated STEM Education: A Systematic Review // Educational Technology & Society. 2021. 24. № 4. С. 136–152. URL: https://www.j-ets.net/collection/published-issues/24_4.
  6. 6.   Gyasi J. F., Zheng L., Zhou Y. Perusing the Past to Propel the Future: A Systematic Review of STEM Learning Activity Based on Activity Theory // Sustainability. 2021. 13. № 16. С. 8828. https://doi.org/10.3390/su13168828.
  7. Smith C., Watson J. STEM: Silver bullet for a viable future or just more flatland? // Journal of Futures Studies. 2018. 4. № 22. С. 25–44. https://doi.org/10.6531/JFS.201806.22(4).0003.
  8. Lee I., Grover S., Martin F., Pillai S., Malyn-Smith J. Computational Thinking from a Disciplinary Perspective: Integrating Computational Thinking in K-12 Science, Technology, Engineering, and Mathematics Education // Journal of Science Education and Technology. 2020. 29. № 1. С. 1–8. https://doi.org/10.1007/s10956-019-09803-w.
  9. Martín‐Páez T., Aguilera D., Perales‐Palacios F. J., Vílchez‐González J. M. What are we talking about when we talk about STEM education? A review of literature // Science Education. 2019. 103. № 4. С. 799–822. https://doi.org/10.1002/sce.21522.
  10. Thibaut L., Ceuppens S., Loof H. de, Meester J. de, Goovaerts L., Struyf A., Boeve-de Pauw J., Dehaene W., Deprez J., Cock M. de, Hellinckx L., Knipprath H., Langie G., Struyven K., van de Velde D., van Petegem P., Depaepe F. Integrated STEM Education: A Systematic Review of Instructional Practices in Secondary Education // European Journal of STEM Education. 2018. 3. № 1. https://doi.org/10.20897/ejsteme/85525.
  11. Бурков В. Н., Заложнев А. Ю., Новиков Д. А. Теория графов в управлении организационными системами: учебное пособие. М.: СИНТЕГ, 2001. 124 c. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=18062603.