ДОСЛІДЖЕННЯ ФУНКЦІОНУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ШТУЧНОЇ ЕКОСИСТЕМИ ЯК ЕЛЕМЕНТ STEM-ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ВИВЧЕННІ БІОЛОГІЇ

ДОСЛІДЖЕННЯ ФУНКЦІОНУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ШТУЧНОЇ ЕКОСИСТЕМИ ЯК ЕЛЕМЕНТ STEM-ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ВИВЧЕННІ БІОЛОГІЇ

Анотація. У статті розглянуто особливості створення та дослідження автоматизованої штучної екосистеми на базі платформи Keystudio, запропоновано можливості використання результатів дослідження її функціонування як елемента застосування STEM-технології при вивченні певних тем шкільного курсу біології.

Ключові слова: STEM-технології, екосистема, проєктна діяльність, освітній процес.

Освітній процес сьогодні має відповідати вимогами сучасного суспільства. Серед них

розуміння, що результат навчання в школі – це не готові знання, які дає учитель. Дитина має

навчитися здобувати ці знання самостійно, бо кількість інформації зростає в геометричний

прогресії і те, що було актуально сьогодні, завтра може бути застарілим. А для цього здобувачів

освіти потрібно змотивувати.

Щоб зробити уроки цікавими, практичними, наочними, сучасними варто використовувати STEM-технології.

Метою дослідження є визначення ефективності використання STEM-технології при вивченні

біології на прикладі створення та дослідження функціонування моделі штучної екосистеми на базі

платформи Keystudio.

Завданнями дослідження є: створити автоматизовану штучну екосистему на базі платформи

Keystudio; дослідити функціонування штучної екосистеми; застосувати результати дослідження

штучної екосистеми на базі платформи Keystudio при вивченні певних тем з біології в 6, 7, 9 та

біології і екології в 10 класі.

Акронім STEM уживається для позначення популярного напряму в освіті, що охоплює природничі науки (Science), технології (Technology), технічну творчість (Engineering) та математику (Mathematics). Це напрям в освіті, при якому в навчальних програмах посилюється природничонауковий компонент та запроваджуються інноваційні технології. При цьому дані дисципліни вивчаються не окремо, як ми звикли, а в комплексі. Важливе значення має практичне

 застосування отриманих знань. Здобувачі освіти отримують практичні навички, що можуть зробити наше життя простішим [4, с. 1].

Таким чином, STEM-освіта – це такий підхід до виховання та навчання дитини, коли головним вважається не набуття знань, а вміння їх здобувати, використовувати на практиці, не втрачаючи при цьому себе, як особистості. Одержати знання не з окремих предметів, а за допомогою інтеграції чотирьох напрямів в єдине ціле [3, с. 56].

У нашому освітньому закладі з предметів природничого циклу є традиційним реалізація проєктної діяльності. Одним з таких проєктів є «Дослідження саморегуляції та динамічної рівноваги автоматизованої штучної екосистеми на базі платформи Keystudio» змодельованої. Реалізація даного проєкту є елементом STEM-технології. Для створення та дослідження моделі екосистеми використані знання з таких навчальних предметів, як фізика, хімія, біологія, інформатика.

Створення моделі екосистеми. Для створення екосистеми ми взяли чотирилітрову ємність

із кришкою. У неї помістили попередньо продезінфікований дренаж (0,2 л каменів та 0,2 л піску) та 0,5 л звичайного ґрунту. У підготовлений субстрат висадили чотири рослини: 2 рослини Молодила звичайного (Sempervivum globiferum) та дві рослини Гавортії відтягнутої (Haworthia attenuata).

Рослини полили 0,3 л води та закрили кришкою. Загальна маса закритої банки становила 3880 г.

Загальний об’єм повітря в банці становив 3, 1 л. Дану екосистему перед закриттям оснастили

датчиками якості повітря та вологості ґрунту, додали діоди синього, зеленого та червоного кольорів загальною потужністю 40 В.

Щоб зробити штучну екосистему автоматизованою, підключили її до платформи Keystudio.

Крім світлодіодів, до платформи приєднали датчик якості повітря та датчик вологості ґрунту, які відправляють показники на комп’ютер.

Ураховуючи характеристики датчиків та світлодіодів, створили програму для Keystudio – контролера, зв’язавши показники якості повітря зі світлодіодами. У результаті збільшення вуглекислого газу в повітрі програма буде включати світлодіоди, що у свою чергу сприятиме початку процесу фотосинтезу. Датчик вологості ґрунту в нормальних умовах (достатньо политий ґрунт) відображає показник 10 еквівалентних одиниць. Датчик якості повітря відображає два показники: норма, чи надмірна кількість вуглекислого газу.

Дану екосистему можна вважати умовно закритою штучною регульованою системою.

Умовно закритою екосистема є через вплив природного сонячного освітлення, дія інших факторів

поза екосистемою обмежена. Штучною, бо створена людиною. Регульованою, бо діє на базі

платформи Keystudio, яка за допомогою датчиків зчитує інформацію про функціонування

екосистеми та врівноважує процеси, що відбуваються в екосистемі за рахунок впливу на перебіг

процесу фотосинтезу.

Дослідження функціонування екосистеми. Дослідження тривало вісім місяців. Дослідження

діяльності екосистеми ми здійснювали трьома шляхами:

 за допомогою візуального огляду 1 раз на тиждень;

 за допомогою моніторингу показників датчиків на базі платформи Keystudio, результати

яких висвітлювалися за допомогою програми на комп’ютері (з періодичністю чотири рази на добу);

 за допомогою зважування екосистеми (з періодичністю 1 раз на місяць).

Аналізуючи результати візуального огляду екосистеми, варто зазначити, що екосистема розвивалася прогнозовано: протягом двох місяців у екосистемі загинули представники менш витривалого виду Гавортії відтягнутої (Haworthia attenuata), натомість активно почали розвиватися рослини Молодила звичайного (Sempervivum globiferum) та рослини-бур’яни, які виросли з насіння, що, ймовірно знаходилось у ґрунті.

Результати дослідження розвитку екосистеми методом зважування, говорять про активність приросту фітомаси в дні з довгою тривалістю дня та з моменту початку активного вегетативного розмноження. Загальний приріст фітомаси становив 64 г.

Для здійснення вимірювання вологості ґрунту в екосистемі використовувався стандартний датчик вологості ґрунту платформи Keystudio. Він вимірює опір між двома провідниками, поміщеними в ґрунт на відстані 3 см один від одного. Для здійснення вимірювання кількості вуглекислого газу в екосистемі використовувався стандартний датчик якості повітря платформи Keystudio. Показники даних, що зчитувались із датчиків екосистеми о 6.00, 12.00, 18.00, 24.00, говорять про залежність вологості ґрунту та якості повітря в екосистемі від часу доби та пропорційно залежать від зміни тривалості світлового дня.

Отримані результати доводять, що створена екосистема повністю здатна до саморегуляції

шляхом підтримання динамічної рівноваги основних показників існування екосистеми, а саме:

вологості ґрунту, якості повітря, освітленості, що безпосередньо впливають на живі організми

екосистеми.

Використання результатів дослідження на уроках біології. Результати дослідження

саморегуляції та динамічної рівноваги автоматизованої штучної екосистеми на базі платформи

Keystudio використовуємо під час вивчення тем з біології в 6, 7 та 9,10 класах. STEM-технології в

біології спонукають здобувачів освіти подивитися на відомі теми по-новому. Учні можуть не тільки бачити модель екосистеми, а й долучитися самостійно до вивчення особливостей її функціонування, аналізуючи результати моніторингу процесів колообігу речовин: дослідження  процесів дихання й фотосинтезу та їх взаємозалежності, вплив на ці процеси факторів навколишнього середовища – у 6 та 9 класах, вивчення екосистем та законів їх існування – у 7 та 9 класах, вивчення обміну речовин і перетворення енергії як основи функціонування біосистем –

10 клас.

Використання штучної екосистеми на базі платформи Keystudio як наочності, сприятиме

вивченню таких тем з біології:

6 клас.

1. Рослина живий організм. Фотосинтез як характерна особливість рослин, живлення,

дихання. Демонстрація екосистеми відбувалася для унаочнення врівноваження процесів дихання

та процесів фотосинтезу.

7 клас.

1. Поняття про екосистему та чинники середовища. Штучна екосистема використовувалася

для відображення складових екосистеми.

2. Ланцюги живлення. Колообіг речовин та потік енергії в екосистемі. Створена модель

екосистеми використовувалася для унаочнення процесів біогеохімічного колообігу речовин.

9 клас.

1. Фотосинтез: світлова та темнова фази. Відображення показників датчиків демонструвало

зміну якості повітря й вологості ґрунту залежно від інтенсивності процесів фотосинтезу.

2. Екосистема. Різноманітність екосистем. Штучна екосистема використовувалася для

відображення складових екосистеми.

3 Харчові зв’язки, потоки енергії та колообіг речовин у екосистемах. Створена модель

екосистеми використовувалася для унаочнення процесів біогеохімічного колообігу речовин.

4) Стабільність екосистем та причини її порушення. Створена модель екосистеми дала

можливість відобразити урівноваженість процесів у даних угрупуваннях.

10 клас.

1) «Обмін речовин і перетворення енергії як основи функціонування біосистем» для

з’ясування особливостей процесу метаболізму, перебігу його етапів, також для порівняння

перебігу етапів анаболізму та катаболізму в даній екосистемі.

Унаочнення вивчення нового матеріалу відповідних тем з біології дає можливість сприяти мотивації учнів до засвоєння нових знань, дозволяє на уроках біології застосовувати знання з хімії, фізики, інформатики. Сприяє покращенню навчальних досягнень учнів на один – два бали, порівняно з результатами оцінювання учнів з паралельного класу, згідно результатів аналізу успішності.

Результат використання моделі екосистеми на уроках біології був вагомий. Жодний учень не залишився байдужим. Питання були у кожного, незалежно від їх інтересів: когось цікавила технічна складова, декого розвиток організмів, були бажаючи урізноманітнити видовий склад екосистеми, учні цікавились урівноваженість процесів дихання й фотосинтезу та можливістю «зламати» екосистему з допомогою вірусної програми.

Отже, підсумовуючи вище зазначене, варто вказати, що використання штучної екосистеми сприяло засвоєнню інформації відповідних тем з біології та інтеграції їх з іншими науками.

Створена модель екосистеми сприяє унаочненню матеріалу та мотивує учнів до його активного засвоєння.

Список використаних джерел:

1. Барна О.В., Балик Н.Р. Впровадження STEM-освіти у навчальних закладах: етапи та моделі. Тези

доповідей І регіональної науково-практичної веб-конференції «STEM-освіта та шляхи її впровадження в

навчально-виховний процес». Тернопіль: ТОКІППО, 2017. С. 3–8. URL:

http://elar.ippo.edu.te.ua:8080/handle/123456789/4559 (дата звернення 01.08.2019).

2. Бондаренко А.Ю. Розвиток творчого потенціалу школярів через науково-дослідну роботу.

Педагогічна майстерня. 2015. №1. С. 4–11.

3. Рубин А.Б. Биофизика фотосинтеза и методы экологического мониторинга. Технология живых

систем. 2005. №2. С. 47-68.

4. НУШ І STEM – Нова українська школа і STEM-освіта. Інтерсервіс. 2018. URL:https://nus.com.ua/

nus-and-stem/ (дата звернення: 15.03.2019).__