Упровадження елементів

 STEM (STEAM) - освіти на уроках математики через 

AR і 3D - технології та проєктно-дослідницьку діяльність

Шостак Тетяна Сергіївна, вчитель математики  Полтавської загальноосвітньої школи І-ІІІ ступенів № 9

Полтавської міської ради

Полтавської області

Анотація. У статті розкрито аспекти щодо впровадження елементів STEM-освіти на уроках математики. Розглянуто форми проєктно-дослідницької діяльності щодо реалізації STEM на уроках математики через призму AR і 3Dтехнологій. Проаналізовано підходи до розкриття методики впровадження STEM-освіти через інноваційні методи, засоби та форми організації

навчального процесу: онлайн експерименти, електронні віртуальні лабораторії, наукові музеї. Обгрунтованим є припущення того, що правильне впровадження елементів STEM-освіти забезпечить якісну реалізацію навчальної програми з математики у Новій українській школі та стане вагомим чинником у формуванні конкурентно спроможного, креативного випускника.

 Ключові слова:         STEM-освіта,       інновація,   проєктно-дослідницька діяльність, AR і 3D-технології, Нова українська школа.

Ми в Apple переконані, 

що самих лише технологій замало. 

Лише альянс технологій з мистецтвом і гуманітарними знаннями приносить результат і змушує наші серця співати Стів Джобс

Сьогоднішній день ставить перед суспільством нові вимоги. Тому необхідно усвідомити, як змінилося поняття освіти в сучасному світі, якими сьогодні є її ролі та функції, і враховувати це у своїй роботі або освітньому процесі. Відкритість до нового та постійне оновлення – запорука відповідності часу. Як наслідок змін функцій і формату освіти, змінюється також і роль вчителя:  він сьогодні не лише передає знання, але і дає учням цілу систему soft skills (англ. – гнучкі навички), навичок дослідницької роботи, розвитку власної кар'єри тощо. Учитель сьогодні має бути ментором, фасилітатором, створювати оптимальні умови для прогресу та навчання учнів. 

Держава щороку збільшує кількість місць на здобуття STEM-професій. Подібна тенденція спостерігається і у світі. Це ІТ-спеціалісти, технологи, науково-інженерні кадри та математики. Тому одним із завдань сучасної школи та вчителя є створення умов для розвитку саме тих навичок учнів, що необхідні для набуття і STEM-професій в тому числі, а саме:

1)  вміння бачити проблему комплексно та нестандартно;

2)  проводити дослідницьку діяльність;

3)  вміння використовувати ІКТ;

4)  вміння спілкуватися рідною та іноземними мовами;

5)  вміння працювати в команді;

6)  брати на себе відповідальність.

STEM - це напрям в освіті, в якому посилюється природничо-науковий компонент та інноваційні технології. STEM - це інтергація наук, інженерій, технологій та математики. Конкретизуємо чотири складники STEM: S – наука  (science), T – технології (technology), Е–engineering (інженерія, технічна творчість), М – mathematics (математика). [8] Отож, ключовий аспект упровадження STEM - освіти полягає не лише у застосуванні на окремих уроках, а під час усього освітнього процесу. Відтак, головним завданням дослідницької роботи буде презентувати тезовий та практичний матеріал як доказ впровадження елементів STEM - освіти на уроках математики.

 Дане питання у природничо-математичному та загально-педагогічному контексті досліджено багатьма науковцями: Cліпухіна І. А. (сучасний фізичний експеримент у дидактиці STEM-орієнтованого навчання, цифровий вимірювальний комплекс як формувальний чинник STEM-орієнтованого освітнього середовища), Барна О. В. (шляхи та методи впровадження STEM освіти у навчально-виховний процес), Гончарова Н. О. (використання ігрових технологій у STEM - освіті), Васильєва Д. В. (реалізація STEM - підходів на уроках математики), Бутурліна О. В. (мотиваційна та технологічна готовність учасників навчально-виховного процесу до впровадження STEM - освіти), Бережна Т. Л. ( І. (STEM - освіта як елемент професійної компетенції вчителя), Горбенко С. Л. (STEM - освіта і обдарована молодь), Стеценко І. (STEM - освіта для дошкільників) та ін. Приходимо до висновку, що діяльність STEM-вчителя не обмежується викладанням власного предмета, це фахівець нового формату, який навчає молодь в контексті соціокультурного простору, міждисциплінарних зв’язків.[1] Важливим є його вміння організувати освітній процес як педагогічну взаємодію, спрямовану на розвиток особистості дитини, її підготовку до розв’язання завдань життєтворчості. Тому першочергово необхідно розв’язати проблему – розвиток професійних компетентностей STEM-педагога. Саме впровадження елементів STEM- чи STEAM- освіти на уроках математики є об’єктом системного розгляду даного дослідження. 

Застосування моделі проєктно-дослідницької діяльності під час STEM уроку змінює роль учителя на менеджера і консультанта, а учня - на дослідника. Вчитель пропонує необхідний інструментарій, спостерігає за ходом наукового пошуку, стимулює до висновків, допомагає зрозуміти і усунути недоліки. Учні, генеруючи цікаві ідеї, втілюють їх у життя, планують свою діяльність, виходячи з поставленого завдання і наявних ресурсів. А використання ІКТ в навчальному процесі дає можливість вчителю доступно пояснити теоретичний матеріал, підвищити інтерес учнів до навчання, краще утримувати їх увагу, а також проводити лабораторні експерименти у смартфоні.

Розглянемо у розрізі питання проєктно-дослідницької діяльності на уроках математики такий елемент STEM - освіти, як AR і 3D-технології.  

3D (Three-dimensional) і AR (Augmented Reality) — це цифрові інструменти для створення тривимірних зображень та доповненої реальності. За оцінками дослідників, ці технології набувають популярності: нині смартфони та планшети вже постійно з нами, а занурення у віртуальну чи змішану реальність поступово стає звичним способом дозвілля, роботи та навчання.

3D-технології дозволяють дизайнерам і розробникам моделювати будьякі об’єкти (наприклад, молекулу кисню чи двигун автівки), а користувачам — роздивлятися їх зусебіч на екрані свого гаджета. Тим часом,  ARтехнології дають можливість розташовувати ці віртуальні об’єкти в реальному просторі, застосовуючи камеру на смартфоні чи планшеті. Часто застосунки з доповненою реальністю супроводжують зображення звуками та різними додатковими ефектами для більшого занурення користувачів у той чи інший контент, навчальний зокрема. 

3D- і AR - технології можуть асоціюватися з іграми та різноманітними розвагами. Проте нині ці інструменти активно використовують у медицині, бізнесі, військовій справі, дослідженні космосу та в освіті (початковій, середній, вищій): за їх допомогою можна і навчити дитину рахувати, і допомогти студентам засвоїти складну тему з анатомії.

Які можливості надають 3D- і AR – технології під час STEM-уроку? 

 − розвивають увагу – учні більше зосереджені, якщо завдання виконується особисто, на власному гаджеті, у власному темпі; 

− підвищують ефективність запам'ятовування – візуалізація процесів сприяє підвищенню ефективності навчання; 

− активують всі органи чуття – мультисенсорне навчання (слух, зір, тактильність) для підвищення якості індивідуалізованого навчання;

 − підвищують ефективність сприйняття, розуміння – допомагає учням поліпшити якість навчання;

 − розвивають моторику – реалізація діяльнісного підходу; 

− стимулюють мислення − допомагає учням набути необхідних навичок 21 століття.

Доповнена реальність (AR, Augmented Reality) – поняття, яке описує процес доповнення існуючої реальності віртуальним об’єктами. Комунікація з віртуальною реальністю виконується в режимі on-line, а для забезпечення необхідного ефекту має бути лише веб-камера, зображення з якої буде доповнюватись віртуальними об’єктами. Використання такого засобу ІКТ під час вивчення нового матеріалу сприятиме кращому його засвоєнню та формуванню певних практичних навичок, причому його використання проводиться за допомогою телефона, що є перевагою AR. У разі наведення на маркер мобільного телефону, рисунок «оживає», на екрані з’являється його тривимірна модель, яку можна обертати, збільшувати, переглядати під різними кутами для кращого усвідомлення її будови, принципу дії тощо.

Так, інноваційним та захоплюючим способом вивчення геометрії за допомогою візуалізації та взаємодії є додаток CleverBooks, [7] який легко запускається на планшеті чи мобільному телефоні (на базі Android чи Apple). За допомогою колекції флеш-карт (ключові зображення потрібно роздрукувати) можна вивчати прості геометричні фігури. У програмі представлені 3D-моделі з доповненою реальністю для основних геометричних фігур. Діти можуть безпосередньо взаємодіяти з фігурами, що сприяє розвитку просторового мислення та уяви.

Ключові зображення:

Математика та мистецтво пов'язані здавна. Математику описували як мистецтво, мотивоване красою. Вона існує в таких видах мистецтва як музика, хореографія, архітектура, текстиль, художня культура і т.п.. В кожному з цих видів математика відіграє певну важливу роль. Тому, залучаючи учнів до проєктно-дослідницької діяльності, доцільно, наприклад, у 9 класі розширити поняття учнів про геометричні фігури та розглянути тему «Многокутники в архітектурі та будівництві» із використанням додатку CleverBooks. 

Одним із застосунків від українських розробників є AR_Book, що був створений для діджиталізації навчального процесу. Він допомагає унаочнити тему уроку, проілюструвати різні процеси за допомогою практичних дослідів і зафіксувати результати роботи у зручному форматі. Застосунок має 6 основних розділів за шкільними предметами: фізика, хімія, астрономія, біологія, математика та географія. Розділи містять експерименти, що ілюструють теми уроків. Кожен експеримент — це набір тривимірних моделей приладів, пристроїв чи природних об’єктів, з якими можна взаємодіяти. У межах тієї чи іншої теми учень/-иця покроково знайомиться з усіма процесами, виконує аудіовказівки та власноруч активує реакції і взаємодії: запускає двигун, змішує речовини чи підсвічує частини тіла тварин. Також застосунок містить додаткові розділи, наприклад, «Енциклопедія», в якому діти можуть роздивлятися тривимірні моделі тварин. Окрема частина функціоналу AR_Book, що має назву AR_Teacher, призначена для освітян. Завдяки їй вчитель/-ка може створювати власні тести, проводити експерименти у групах і відстежувати прогрес учнів у режимі реального часу.

Додаток AR_Book, на нашу думку, задовольняє принцип «розумної інтеграції», що є важливим критерієм STEM - освіти для вчителів математики. Оскільки особливою формою наскрізного STEM - навчання є інтегровані уроки, які спрямовуються на встановлення міжпредметних зв’язків, формуючи в учнів цілісний, системний світогляд, актуалізуючи особистісне ставлення до проблем, що розглядаються на уроці, вносячи новизну в традиційну систему навчання, знімаючи суворі кордони предметного викладання, допомагаючи дітям емоційно і системно сприймати деякі поняття і явища, цілісно сприймати навколишній світ. Інтегровані уроки проводяться об’єднуючи схожі теми кількох навчальних предметів: математика-фізика, математика-біологія, математика-географія, математика-природознавство і, навіть, математикалітература. Так, наприклад, робота у проєктах із застосуванням доповненої реальності AR_Book «Математичний орнамент. Рукавички для Герди» або «Математичні подарунки Снігової королеви», дасть можливість активізувати роботу п’ятикласників у новому середовищі та реалізувати багато цікавих природничо-технологічних процесів. Учні не лише розроблятимуть орнамент для рукавичок героїні, а й створюватимуть флористичні композиції. Дев’ятикласникам цікаво буде вивчати твір Джонатана Свіфта «Мандри Гуллівера», а через математичні розрахунки щодо того, скільки їжі потрібно Чоловіку-Горі, досліджуючи географічне розташування країни Ліліпутії та особливості біологічного годинника людини-гори, розвивати не лише логічне, а й креативне мислення.

Спілкування з колегами при підготовці до таких уроків, збільшує багаж знань, занурюючи у міжпредметну єдність, змінюючи педагогічну і фахову філософію мислення. Під час інтеграції, запропонований математичний апарат, виступає методом формалізації і як метод пізнання, тобто відображення структури об’єктів у знаковій формі. Так, під час вивчення, наприклад, рівноприскореного руху використовується інформація про лінійну функцію, при вивченні електричних явищ – інформація про пряму і обернену пропорційності. При вивченні механіки потрібно володіти векторними і координатними методами, а при вивченні оптики – знаннями про властивості симетрії тощо. Тісна комунікація з учителями іншого фаху впливає на послідовність розташування тем курсу, забезпечуючи своєчасну підготовку до вивчення інших предметів. 

Віртуальні середовища GeoGebra і Desmos дозволяють проводити

математичні хакатони, що беруть свій початок у ІТ-сфері (hack - зламувати та marathon - марафон), – заходи, під час яких учнівські команди розв’язують певну проблему в обмежений період часу, представляючи здобуті результати перед учасниками освітнього процесу. Переможці отримують в якості винагороди не тільки оцінки, а й підтримку створених проєктів у напрямку подальшого практичного використання в освітньому процесі. 

На думку американських учених спроба активізувати освіту тільки в напрямку науки без паралельного розвитку Arts-дисциплін може призвести до того, що молоде покоління позбудеться навичок креативності. Саме інтерактивні форми роботи під час вивчення матеріалу з математики мають стати дотичними як до впровадження елементів STEM-освіти, так і до STEAM- чи STREAM-освіти, що є відгалуженнями загального терміну. 

У цьому контексті є доцільним застосування додатків доповненої реальності AR_Book,  GeoGebra під час дослідження та розробки STEM проєктів, що знайшли своє місце у наступних тематиках:

1.             Проєкт «Моє рідне місто» (9 клас). В рамках такого проєкту можна запропонувати учням створити віртуальну модель центральної вулиці міста та оздобити її частину макетом українського орнаменту, виконавши відповідні математичні розрахунки. Мета проєкту полягає у зацікавленні учнів вивченням історії рідного міста; вихованні почуття патріотизму і гордості за свою країну та рідне місто; об’єднанні учнів спільною ідеєю; вихованні інтересу до вивчення математики; використанні знань учнів з геометрії про обчислення площ многокутників для оздоблення вулиці; реалізації наскрізних ліній «Підприємливість і фінансова грамотність" та «Громадянська відповідальність" через роботу в проєкті; виробленні у школярів практичних дизайнерських навичок; створенні за допомогою сучасного ПЗ макету оздоблення та презентації проєкту.

2.             Проєкт «Розумна ферма» (6-9 класи). Він може бути представлений на прикладі вирощування домашньої птиці. Інтеграція таких предметів, як біологія (визначення кормів, необхідних для, наприклад, курей, визначення можливостей запобігання захворюваннням, формування режиму дня); хімія (визначення корисних елементів, що містяться в курячих яйцях; використання яєчної шкаралупи для домашніх цілей); географія (дослідити час сходу сонця); фізика (розробити механізм на основі важелів, наступаючи на який кури могли б відкрити годівниці, поїлки); технології (виготовити годівницю та поїлку для курей); інформатика (розробити макет приміщення для утримання птиці); мистецтво (виготовити крашанки, писанки, драпанки); математика (розв'язувати задачі на обчислення: яка кількість кормів необхідна для певної кількості курей, їх вартість та об'єм, що може вмістити годівниця, визначити відсоткове відношення між ціною 1 десятка фермівських яєць та 1 десятка яєць, придбаних у супермаркеті) дає можливість переконатися в тому, що елементи STEM – освіти через призму AR і 3D - технологій та проєктно-дослідницьку діяльність формують в учнів цілісний, системний світогляд, актуалізуючи особистісне ставлення до проблем, допомагаючи дітям емоційно і системно сприйняти деякі поняття і явища, цілісно розглядати навколишній світ.

3.             Проєкт «Швидкість капання краплі води» (5-6 клас). 

Медична сестра хоче вдвічі збільшити час уведення розчину. Завдання: опишіть, як саме зміниться величина D, якщо t збільшиться вдвічі, а k і V при  цьому залишаться тими самими. Медичним сестрам також доводиться обчислювати об'єм розчину V відповідно до заданої

швидкості капання D. Розчин, який уводять зі швидкістю 50 крапель за хвилину, необхідно ввести пацієнту упродовж 3 годин. Коефіцієнт капання для цього вливання дорівнює 25 крапель на мілілітр. Чому дорівнює об'єм розчину (у мл)?

Фантазія педагога може утворити безліч прикладів STEM-проєктів та сформулювати різні задачі з елементами STEM (STEAM, STREAM) – освіти та реалізувати їх за допомогою AR і 3D – технологій. Новітні технології для розроблення освітнього контенту мають величезний потенціал для підвищення ефективності навчання здобувачів освіти. З їхньою допомогою можна забезпечити діяльнісний підхід до різних форм роботи як індивідуальної, так і групової, підтримувати навчання учнів з особливими потребами. Неперервний доступ до освітнього AR-контенту, простота використання, забезпечать підтримку безперервного процесу навчання, що підвищить інтерес як до конкретного навчального предмета, так до освіти вцілому. Отже, на концептуальному рівні використання засобів доповненої реальності в освітньому процесі з метою підвищення рівня візуалізації освітнього змісту має задовольняти як технологічним, так і контентним потребам здобувачів освіти й педагогів. Але все ще залишається недостатньою кількість розроблених програм і тренінгів для навчання педагогів, що уповільнює впровадження нових підходів у навчанні. Проблемою залишається інтеграція AR об’єктів і змісту освіти: здобувачі готові використовувати імерсивні технології, але ні підручники, ні робочі зошити, ні роздатковий матеріал не містять таких об’єктів. Попередньо здійснений аналіз теорії та практики використання засобів доповненої реальності в освітній практиці засвідчує, що в закладах освіти може з’явитися такий контент, і підготовлені до такої діяльності, педагоги якщо посилити підготовку майбутніх вчителів. Подальшого дослідження потребує розробка змісту навчальних тренінгів, а також визначення місця AR в навчальній літературі для здобувачів освіти.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1.             Барна О. В., Балик Н. Р. Впровадження STEM-освіти у навчальних закладах: етапи та моделі / Ольга Барна, Надія Балик. Сучасні інформаційні технології та інновації методики навчання: досвід, тенденції, перспективи. Матеріали І-ої Всеукраїнської науково-практичної Інтернет-конференції з міжнародною участю. – Тернопіль, 2017.

2.             Концепція «Нова Українська школа» [Електронний ресурс]. – URL: http://mon.gov.ua  

3.             Король С.В. Використання методу проектів для посилення професійної спрямованості гуманітарних дисциплін у підготовці майбутніх інженерів / С.В.Король [Електронний ресурс]. – URL: www.irbis-nbuv.gov.ua

4.             Лист ІМЗО від 22.08.2019 № 22.1/10-2876 ― «Методичні рекомендації щодо розвитку STEM-освіти у закладах загальної середньої та позашкільної освіти у 2019/2020 навчальному році»

5.             Національний звіт за результатами міжнародного дослідження якості освіти PISA-2018 / кол. авт. : М. Мазорчук (осн. автор), Т. Вакуленко, В. Терещенко, Г. Бичко, К. Шумова, С. Раков, В. Горох та ін. Український центр оцінювання якості освіти. Київ : УЦОЯО, 2019. 439 с. 

6.             GeoGebra [Електронний ресурс]. - URL:www.geogebra.org

7.             CleverBooks: доповнена реальність для STEM-освіти [Електронний ресурс]. – Режим доступу: Освітній міст у майбутнє – CleverBooks

8.             STEM-освіта        //        Інститут      модернізації         змісту         освіти.           URL:

https://imzo.gov.ua/stem-osvita 8. STEM освіта – світовий освітній тренд //

Марафон в-ва «Основа». URL: https://www.youtube.com/watch?v=esIN32UO6B4

9.             STEM-освіта – шлях до майбутнього // Педагогічна майстерність. №9. 2017.