Реалізація STEM-освіти на уроках фізики в умовах НУШ та обмеженого матеріального фінансування (7–9 класи)

Реалізація STEM-освіти  на  уроках фізики в умовах НУШ та обмеженого матеріального фінансування  (7–9 класи)

Катерина ГОВОР

вчитель фізики і астрономії Люботинська гімназія №1

«Скажи мені — і я забуду. Покажи мені — і я запам’ятаю. Дай мені зробити — і я зрозумію.»

Конфуцій

Сучасна освіта в Україні, відповідно до концепції Нової української школи, ґрунтується на компетентнісному підході, що передбачає формування в учнів здатності застосовувати знання у реальних життєвих ситуаціях. Особливого значення в цьому контексті набуває STEM-освіта як інтегрований підхід, що поєднує науку, технології, інженерію та математику.

В умовах воєнного стану, дистанційного або змішаного навчання та обмеженого матеріального забезпечення постає проблема ефективної реалізації STEM-підходу. Водночас саме фізика як навчальний предмет є природною основою для впровадження STEM через експериментальну та дослідницьку діяльність.

Сучасні дослідження підтверджують, що ефективність STEM-освіти не визначається рівнем технічного оснащення закладу, а залежить від організації навчальної діяльності та залучення учнів до дослідницьких і проєктних практик. Зокрема, у роботах з аналізу STEM-методик підкреслюється, що ключовим чинником є активне конструювання знань через практичну діяльність, а не наявність лабораторій високого рівня технологічності .

В українських умовах реалізація STEM ускладнюється такими факторами:

1. Матеріальні обмеження. Більшість шкіл працює без сучасного лабораторного обладнання або з його частковою відсутністю. Це створює потребу у переході до моделі low-cost STEM (STEM із низьким бюджетом).

2. Воєнний стан та освітні ризики. Порушення стабільності освітнього процесу (повітряні тривоги, дистанційне навчання, евакуація) змінює формат уроку фізики з лабораторного на домашньо-дослідницький.

3. Психолого-педагогічні чинники. Дослідження STEM-компетентностей показують, що сучасний учень ефективніше засвоює матеріал через:

•       практичну діяльність,
•       проєктне навчання,
•       міждисциплінарні завдання,
•       роботу з реальними об’єктами

Сучасні наукові підходи трактують STEM як інтегративну модель формування дослідницької компетентності через проєктну діяльність та вирішення реальних проблем.

Запропонована методична модель реалізації STEM-освіти ґрунтується на принципах НУШ: компетентнісності, діяльнісного підходу, інтегрованості, практичної спрямованості та педагогіки партнерства. Її основна ідея полягає у переході: від пасивного засвоєння фізичних законів до самостійного конструювання, дослідження та пояснення фізичних явищ учнями. Авторська STEM-модель уроку фізики пропонує наступну послідовність:

Рис. 1. Методична модель реалізації STEM-освіти на уроках фізики в 7–9 класах НУШ

Саме така структура відповідає логіці inquiry-based learning (дослідницького навчання) та проєктного підходу НУШ.

Однією з умов ефективної реалізації STEM-освіти на уроках фізики є системність практичної діяльності учнів. Аналіз педагогічної практики свідчить, що найбільш результативними є не окремі епізодичні експерименти, а послідовна система STEM-завдань, що ускладнюються від класу до класу та відповідають віковим особливостям учнів.

У запропонованій методичній моделі домашній STEM-експеримент виступає не лише способом демонстрації фізичних явищ, а інструментом формування компетентностей, визначених Державним стандартом базової середньої освіти НУШ. Важливо, що всі запропоновані проєкти можуть бути реалізовані в умовах обмеженого матеріального забезпечення, з використанням доступних побутових матеріалів, що особливо актуально в умовах воєнного стану та дистанційного навчання.

Нижче подано систему STEM-експериментів, адаптованих до змісту модельних навчальних програм фізики 7–9 класів НУШ які використовуються в Люботинській гімназії №1.

Таблиця №1

ТАБЛИЦЯ STEM-ЕКСПЕРИМЕНТІВ (7–9 класи НУШ)

У 7 класі переважають експерименти спостережувального та конструктивного характеру, що спрямовані на формування первинних уявлень про фізичні закономірності та розвиток інтересу до природничих наук. На цьому етапі учні працюють із простими моделями, використовуючи доступні матеріали та набуваючи базових навичок дослідження.

У 8 класі STEM-діяльність набуває інженерної спрямованості. Учні не лише спостерігають фізичні явища, а й конструюють технічні моделі, аналізують залежності між фізичними величинами, проводять вимірювання та прогнозують результати експерименту. Приклади водяної ракети чи арбалета демонструють ефективність проєктного підходу для формування причинно-наслідкового мислення.

У 9 класі відбувається перехід до міжпредметної STEM-інтеграції, де фізика поєднується з хімією, екологією, інженерією та цифровими технологіями. Учні не лише виконують експеримент, а й здійснюють аналіз отриманих результатів, оцінюють ефективність конструкцій, пропонують шляхи вдосконалення моделей.

Таким чином, система домашніх STEM-експериментів забезпечує послідовне формування дослідницької, інженерної та природничо-наукової компетентностей, що відповідає вимогам Нової української школи. Розглянемо декілька прикладів конкретних експериментів:

1. Водяна ракета (8 клас, тема «Реактивний рух»)

Проблемне питання. Чому ракети можуть рухатися без опори та як змінити дальність їх польоту?

Гіпотеза. Учні висувають припущення, що:

•                     збільшення тиску підвищує висоту польоту;
•                     надлишок води може зменшувати ефективність запуску;
•                     кут запуску впливає на дальність польоту.

Конструювання: Учні створюють модель ракети з пластикової пляшки, стабілізаторів із картону та пускового механізму.

Рис.2. Конструювання та зовнішній вигляд ракети

Експеримент. Проводиться серія запусків із різним об’ємом води, тиском, кутом запуску.

Учні вимірюють:

•       дальність польоту;
•       висоту;
•       стабільність траєкторії.

Аналіз. Учні встановлюють оптимальні умови запуску та пояснюють результати через: F=ma  та третій закон Ньютона.

Освітній результат: формуються:

•       дослідницька компетентність;
•       інженерне мислення;
•       уміння працювати з експериментальними даними.

Рис.3 Запуск водяної ракети

2. Саморобний спектрометр (9 клас, тема «Світлові явища»)

Проблемне питання. Чому різні джерела світла мають різний колір та відтінок?

Гіпотеза. Учні припускають, що різні лампи мають різний спектральний склад та що колір залежить від довжини хвилі світла.

Конструювання: Створення спектрометра з:

•       коробки;
•       CD-диска;
•       чорного паперу.

Рис 4. Конструювання на демонстрація роботи спектрометру на онлайн конференції МАН

Експеримент. Порівнюються спектри LED-лампи, лампи розжарювання, денного світла, екрану смартфона

Рис. 5. Результати роботи спектрометру

Аналіз: Учні аналізують:

•       спектральні лінії;
•       рівномірність спектра;
•       відмінності між джерелами.

Освітній результат. Розвиваються:

•       навички аналізу;
•       міжпредметна інтеграція (фізика + технології);
•       цифрова грамотність.

Ці експерименти засвідчують, що ефективність STEM-підходу визначається не стільки рівнем технічного оснащення, скільки здатністю вчителя організувати дослідницьку, інженерну та проєктну діяльність учнів. Особливої актуальності це набуває в умовах воєнного стану, дистанційного або змішаного навчання, коли доступ до шкільного лабораторного обладнання є обмеженим.

Одним із найбільш показових прикладів ефективної STEM-реалізації є проєкт «Водяна ракета», який використовується під час вивчення реактивного руху у 8 класі. У традиційній STEM-освіті для моделювання реактивного руху використовуються готові навчальні набори або промислові пускові установки, вартість яких може становити 25–50 доларів США (≈1000–2000 грн) лише за базовий комплект. Окремі освітні набори включають готову платформу запуску, насос, стабілізатори та інструкції. Проте аналогічний освітній результат може бути досягнутий за допомогою звичайної пластикової пляшки, велосипедного насоса, картону та доступних кріплень. Методична цінність водяної ракети полягає у тому, що учні проходять повний цикл інженерного проєктування: від постановки проблеми до вдосконалення конструкції. У процесі роботи школярі формулюють гіпотези щодо впливу тиску, кількості води або кута запуску на дальність польоту, здійснюють серію запусків, аналізують результати та пояснюють їх через закони Ньютона. Таким чином STEM-проєкт трансформує абстрактне поняття реактивного руху в реальний дослідницький процес, що позитивно впливає на мотивацію до вивчення фізики.

Не менш показовим прикладом low-cost STEM є саморобний спектрометр, що використовується під час вивчення оптичних явищ у 9 класі. Однією з проблем шкільного курсу оптики є складність візуалізації спектрального аналізу через відсутність відповідного обладнання. Професійні або освітні спектрометри мають досить високу вартість: шкільні моделі можуть коштувати від 500 до понад 2000 доларів США (≈20–85 тис. грн) залежно від функціоналу та точності вимірювання. Навіть прості навчальні спектроскопи нерідко коштують сотні євро.

Водночас створення саморобного спектрометра з коробки, фрагмента CD-диска та вузької щілини фактично не потребує фінансових витрат. Особливо важливо, що учні не просто спостерігають явище, а виконують справжнє фізичне дослідження: порівнюють спектри різних джерел світла, аналізують їх особливості, встановлюють відмінності між лампою розжарювання, LED-лампою, денним освітленням або екранами цифрових пристроїв. Такий формат роботи забезпечує міжпредметну інтеграцію фізики, цифрових технологій та елементів дослідницької діяльності.

Важливою особливістю STEM в умовах обмеженого фінансування є також активне використання безкоштовних цифрових лабораторій, які дозволяють компенсувати відсутність частини фізичного обладнання. Використання цифрових лабораторій особливо ефективне у поєднанні з домашніми STEM-експериментами. Наприклад, запуск водяної ракети може супроводжуватися відеоаналізом траєкторії через Tracker, а результати дослідження спектра — цифровою фіксацією за допомогою смартфона.

Отже, досвід реалізації STEM на уроках фізики свідчить, що обмежене матеріальне забезпечення не є перешкодою для впровадження STEM-освіти. Навпаки, саме в умовах дефіциту ресурсів найбільш ефективно формується педагогіка дослідництва та винахідництва, де ключовими ресурсами стають творчість учителя, допитливість учнів і здатність бачити фізику у звичайних речах.

Список літератури:

1. Концепція розвитку природничо-математичної освіти (STEM-освіти) в Україні. МОН України.
2. Методичні рекомендації щодо викладання фізики в умовах НУШ. Міністерство освіти і науки України, 2022–2025.
3. Bybee, R. W. (2013). The Case for STEM Education: Challenges and Opportunities. NSTA Press.
4. Honey, M., Pearson, G., & Schweingruber, H. (2014). STEM Integration in K-12 Education. National Research Council.
5. English, L. D. (2016). STEM education K-12: Perspectives on integration. International Journal of STEM Education.
6. PhET Interactive Simulations
7. Journal of  STEM Education Research (різні випуски щодо inquiry-based learning).