С.Г.Григорьев, М.В.Курносенко | ВНЕДРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ STEM-ОБРАЗОВАНИЯ В ПОДГОТОВКУ ПЕДАГОГОВ ПО ПРОФИЛЮ «ИНФОРМАТИКА И ТЕХНОЛОГИИ»

Григорьев Сергей Георгиевич, доктор тех. наук, профессор, член-корреспондент РАО, директор Института математики, информатики и естественных наук Московского городского педагогического университета; e-mail: grigorsg@mail.ru

Курносенко Михаил Валерьевич, старший преподаватель кафедры информатики и прикладной математики Института математики, информатики и естественных наук Московского городского педагогического университета; e-mail:  kurnosenkomv@mail.ru

В данной статье описаны подходы к формированию учебного плана и содержания рабочих программ дисциплин с элементами STEM-образования при подготовке бакалавров по специальности «Педагогическое образование» профиля «Информатика и технология».

В 2018 году в своем послании Федеральному Собранию президент Российской Федерации В.В. Путин указал: «В кратчайшие сроки нам необходимо создать передовую законодательную базу, снять все барьеры для разработки и широкого применения робототехники, искусственного интеллекта, беспилотного транспорта, электронной торговли, технологий обработки больших данных. Причём такая нормативная база должна постоянно обновляться, строиться на гибком подходе к каждой сфере и технологии» [1].

В ближайшем будущем в мире и, естественно, в России, будет резко не хватать: IT-специалистов, программистов, инженеров, специалистов высокотехнологичных производств. Образование в области STEM является основой подготовки сотрудников в области высоких технологий. Поэтому многие страны, такие как Австралия, Китай, Великобритания, Израиль, Корея, Сингапур, США проводят государственные программы в области STEM-образования [5].

STEM – образование – это общемировой тренд в образовании, возникший относительно недавно.

Наука, технология, инженерия и математика (STEM), ранее — математика, инженерия, технология и наука (METS) — это термин, используемый для объединения этих академических дисциплин. Этот термин обычно используется при рассмотрении образовательной политики и выбора учебных программ в образовательных учреждениях для повышения конкурентоспособности в области развития науки и техники.

STEM – акроним, использующийся для описания научно-технических областей в образовании   и   производстве,   S(science)   –   естественные   науки,   Т(technology)   –  технологии, Е(engineering) – инжиниринг, М(mathematics) – математика. Насколько в США считают важным данное направление говорит тот факт, что Национальный научный фонд (NSF), который является правительственным агентством США , которое поддерживает фундаментальные исследования и образование во всех немедицинских областях науки и техники, с годовым бюджетом в размере около 7,0 млрд. долл. США (финансовый год 2012 года),  финансирует около 24% всех фундаментальных исследований, проводимых в федеральном масштабе колледжами и университетами Соединенных Штатов. В некоторых областях, таких как математика, информатика, экономика и социальные науки, NSF является основным источником федеральной поддержки.

Традиционная школьная программа предлагает ученикам S-T-E-M подход, в рамках которого ученики приобретают базовые знания по отдельным предметам, не видя взаимосвязи между этими предметами. Доминирующей формой преподавания является лекционное с акцентом на грамотность учеников. Такой подход в преподавании привел к понижению интереса к STEM профессиям и нехватке компетентной рабочей силы в этих профессиях. В результате назрела необходимость STEM реформы. Целью STEM реформы в области естественных наук, математики, инжиниринга и технологий является создание STEM компетентной рабочей силы и повышения естественнонаучной грамотности выпускников школ. Необходим новый интеграционный подход к обучению, нацеленный на более глубокое понимание естественных наук и математики на основе идей о взаимосвязи между естественными науками, математикой, инжинирингом и технологиями.

На рис.1 представлены проблемы STEM-образования, требующие решения

Рисунок 1. Проблемы STEM-образования

Необходимо особо отметить сложность и многогранность STEM- образования, в результате чего для решения вопросов, связанных с отсутствием STEM-грамотности, необходима разработка самых разнообразных программ по виду, направлению и уровню сложности, а также с учетом наличной материальной базы. Можно выделить следующие основные подходы к их разработке:

1. Расширить учебный опыт в отдельных STEM-предметах, используя проблемно-ориентированную учебную деятельность, в ходе которой аналитические концепции применяются к реальным мировым проблемам, с целью лучшего понимания сложных концепций обучающимися.
2. Интегрировать знания STEM-предметов, чтобы создать более глубокое понимание их содержания, что в итоге приведет к расширению возможностей обучающихся в будущем выбрать техническое или научное направление карьеры.
3. Некоторые считают, что в STEM-образовании должен преобладать многопрофильный подход, который использует интегративность в обучении STEM-дисциплин, как это делается в реальных производственных условиях. Тем самым обучающийся сможет применять свои знания для решения плохо структурированных технологических проблем, развивать технические способности и более интенсивно овладевать навыками высокоорганизованного мышления. Само обучение предполагается строить на базе проблемно-ориентированной учебной деятельности (на основе метода проектов и технического проектирования), которая объединяет научные принципы, технологию, проектирование и математику в одну школьную STEM-программу. Эта программа может преподаваться в качестве нового отдельного школьного предмета или использоваться для оказания помощи уже существующим STEM-предметам для достижения наиболее значимых результатов.
4. Внедрение инноваций в методику обучения каждому из отдельных STEM-предметов и как интегративный подход к обучению, где основные понятия науки, технологии, инженерии и математики перенесены в одну учебную программу, названую STEM.

Такой широкий спектр подходов обусловлен сложностью исследуемого явления. При всем многообразии существующих подходов практически все исследователи сходятся во мнении, что STEM-образование – это современный образовательный феномен, означающий повышение качества понимания обучающимися дисциплин, относящихся к науке, технологии, инженерии и математике, цель которой – подготовка обучающихся к более эффективному применению полученных знаний для решения профессиональных задач и проблем (в том числе через улучшение навыков высокоорганизованного мышления) и развитие компетенции в STEM (результат чего можно назвать STEM- грамотностью).

К примеру, стандарты среднего естественно-научного образования США определили восемь основных научных и инженерных навыков и компетенций:

1. Задание вопросов (науки) и постановка задач (инжиниринг).
2. Создание и использование моделей.
3. Планирование и проведение исследований.
4. Анализ и интерпретация данных.
5. Развитие и использование типов мышления, необходимых для проведения математических операций и вычислений.
6. Умение давать объяснения (науки) и находить проектировочные решения (инжиниринг).
7. Умение аргументировать на основе имеющихся фактов.
8. Получение, оценка и правильная передача информации.

Эти же стандарты также определили семь обобщающих (сквозных) понятий.

1. Закономерности.
2. Причинно-следственная связь.
3. Масштаб, пропорциональность и порядок величин.
4. Системы и модели систем.
5. Энергия и материя: потоки, циклы и законы сохранения.
6. Структура и функция.
7. Стабильность и изменение.

Традиционно естественные науки в школьной программе США делятся на четыре области: 1) physical sciences (PS) – физико-химические науки, 2) life sciences (LS) – биологические науки, 3) earth and space sciences (ESS) – геологические и астрономические науки, и 4) engineering, technology and applications of sciences (ETS) – инжиниринг, технологии и прикладные науки. Стандарты определили основные предметные знания в этих четырех областях. В каждой области выделены основные понятия (см. табл. 1), которые разбиты на отдельные стандарты для каждого возраста.

Таблица 1. Основные предметные понятия

Физико-химические науки • PS 1: Материя и ее взаимодействия • PS 2: Движение и статика: силы и взаимодействия. • PS 3: Энергия • PS 4: Волны и их применение в технологиях для передачи информации	Биологические науки • LS 1: От молекул до организмов: струк- тура и процессы • LS 2: Экосистемы: взаимодействия, энергия и динамика • LS 3: Наследственность: наследование и изменчивость признаков • LS 4: Биологическая эволюция: единст- во и разнообразие
Геологические и астрономические науки • ESS 1: Роль Земли во вселенной • ESS 2: Системы Земли • ESS 3: Земля и человеческая дея- тельность	Инжиниринг, технологии и прикладные науки • ETS 1: Инженерное проектирование (дизайн) • ETS 2: Связи между инженерией, тех- нологиями, естественными науками и обществом

Каждый стандарт определяет, что ученик должен уметь делать, а не информацию о том, как преподавать предмет. Каждый стандарт может включать больше одной предметной идеи. Некоторые предметные идеи разбиты на несколько частей, чтобы была возможность акцентироваться на умениях и навыках. Намеренное акцентирование каждого стандарта на оценке уровня подготовки учащихся. Каждый стандарт подробно описывает требования к демонстрации знаний учеником с пояснениями для учителя и условиями оценки уровня подготовки   учеников. Дополнительно каждый стандарт включает научные и инженерные навыки, обобщающие понятия и основные предметные знания. В каждом стандарте также описывается связь между основными идеями в пределах данного предмета для данного уровня учеников и  дается объяснение, где и как данная предметная идея развивается от начальных до старших классов [4].

Учитывая необходимость организовать подготовку педагогов по профилю «Информатика и технологии» в МГПУ, возникла идея наложить шаблон STEM-образования на учебный план этого профиля и проанализировать с одной стороны – количество предметов, которые можно отнести к той или иной компоненте STEM-образования, с другой – количество академических часов, отведенных на эту группу компонентов.

Данный подход страдает определенным субъективизмом, но позволяет в определенной степени оценить, насколько подготовка по данному профилю соответствует STEM-образованию.

Кроме того, в структуре учебного плана существует перечень дисциплин, которые нельзя менять, так как они  зафиксированы в стандарте.

Таблица, о которой идет речь – приведена  в Приложении 1. В ней отражен шаблон не STEM, а STEAM (присутствует компонента ART), о которой речь – в отдельной статье.

Приложение 1

Из таблицы (Приложение 1) видно, что компоненты STEM  имеют следующие суммарные значения часов:

Since — 1872

Technology — 2628

Engineering — 1908

Art — 864

Mathematics – 1004

Пока не сформированы критерии оценки данных показателей, можно субъективно оценить эти цифры. Арт – составляющая вполне достаточная, хотя и может быть немного увеличена за счет дизайна и, возможно, добавления такой творческой компоненты как ТРИЗ (Теория решения изобретательских задач). Учитывая достаточно большие численные показатели часов, отведенные на Науки и Технологии, можно забрать у них часов на математику или инженерию, а также провести ревизию дисциплин как таковых – от чего то отказаться, а что то пересмотреть на уровне содержания рабочей программы.

Следующим этапом может быть анализ корреляции   тем в различных дисциплинах на уровне содержательной части  рабочих программ. Например, при изучении среды программирования Scratch возникает цепочка, предусматривающая определенную последовательность в подаче и отработке материала, а именно:

1. Изучение среды программирования в «чистом виде», реализуя практикум программирования созданием детских игровых программ.
2. Применение данной среды в работе с цифровой лабораторией ТЕТРА (http://amperka.ru) – управление  электронными объектами и реализуя элементы «Умного дома».
3. Программирование роботов РОББО на базе контроллера ScratchDuino.
4. Программирование роботов VEX в виртуальных мирах с помощью редактора с графическим (Scratch-подобным) интерфейсом.
5. Переход к программированию уже в текстовом редакторе на языке С++.

Как видно из этой цепочки, такой подход предполагает не только принцип «от простого к сложному», но и поможет «оживить», сделать интересными  некоторые достаточно непростые моменты изучения программирования, а  применение роботов позволит включить элементы наглядности в этот процесс. Также это позволит реализовать деятельностный подход перехода от простого изложения фактического материала к реализации теоретических знаний на практике.

Такой же подход предполагается применить и другим корреляционным связям внутри данной образовательной матрицы на уровне тем содержания рабочих программ дисциплин.

Фактически учебный план –  это 2-ой уровень образовательной матрицы (ОМ), где элементами матрицы являются дисциплины учебного плана. Затем переход как в гиперссылке и  темы рабочих программ –1 уровень.

Содержание рабочих программ с ключевыми словами (терминами) – 0 уровень

Таким образом – дальнейшее направление исследований – анализ вышеуказанной образовательной матрицы и оценка количественных показателей эффективности  учебного плана  методами интеллектуальной обработки текстов (text mining)  с последующей формулировкой общих подходов к анализу учебных планов и рабочих программ.

Литература

1. Послание президента Федеральному Собранию [Электронный ресурс]. – 2018. Режим доступа: http://kremlin.ru/events/president/news/56957 (дата обращения: 10.03.2018).
2. Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) Education: A Prime [Электронный ресурс] //CRS Report for Congress – 2012. Режим доступа: https://fas.org/sgp/crs/misc/Rpdf (дата обращения: 10.03.2018)
3. И. Е. Люблинская. STEM  в школе и новые стандарты  среднего  естественно-научного образования  в США / Люблинская И.Е. // Проблемы преподавания естествознания в России и за рубежом  — М.: ЛЕНАНД, 2014. — №44. С. 6-23.
4. Next Generation Science Standards, [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.nextgenscience.org/next-generation-sciencestandards. –  Заглавие с экрана –  (дата обращения: 15.06.2018).
5. Carnevale A. P., Smith N., Melton M. STEM. Executive summary.­ – [Электронный ресурс]. 2014. Режим доступа: https://cew.georgetown.edu/wp-content/uploads/2014/11/stem-execsum.pdf свободный (дата обращения: 15.06.2018).
6. Репин А.О. Актуальность STEM-образования в России как приоритетного направления государственной политики [Электронный ресурс] // КиберЛенинка -научная электронная библиотека №1(1)-2017 Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/aktualnost-stem-obrazovaniya-v-rossii-kak-prioritetnogo-napravleniya-gosudarstvennoy-politiki (дата обращения:11.03.2018)
7. Установочный вебинар сетевого взаимодействия Курск-Москва 22 ноября 2017 года [Электронный ресурс]-2018.Режим доступа: http://stem-park.ru/news/want_to_be_fluent (дата обращения: 10.03.2018).
8. Курский государственный университет. Факультет физики, математики и информатики. [Электронный ресурс]-2018.Режим доступа: http://kursksu.ru/faculties/deanery/FMI (дата обращения: 10.03.2018).
9. Вебинар сетевого взаимодействия Курск-Москва 18 января 2018 года «Робототехнический комплекс РОБОТРЕК. Возможности и перспективы» [Электронный ресурс]-2018.Режим доступа: http://stem-park.ru/news/ochieriednoi_viebinar_sietievogho_vzaimodieistviia_moskva_kursk (дата обращения: 10.03.2018).
10. Вебинар сетевого взаимодействия Курск-Москва 28 февраля 2018 года: «Использование робототехнического комплекса VEX в подготовке преподавателей технических дисциплин».[Электронный ресурс]-2018.Режим доступа http://stem-park.ru/news/viebinar_sietievogho_vzaimodieistviia_kursk_moskva_28_fievralia_2018_ghoda_ispol_zovaniie_robototiekhnichieskogho_komplieksa_vex_v_podghotovkie_priepodavatieliei_tiekhnichieskikh_distsiplin_ (дата обращения: 10.03.2018).
11. Виртуальные миры VEX Robotics [Электронный ресурс]-2018. Режим доступа: http://vex.examen-technolab.ru/vexiq/virtualnye_miry (дата обращения: 10.03.2018).

S. G. Grigoriev, M. V. Kurnosenko,

Moscow City University

» INTRODUCTION OF STEM-EDUCATION ELEMENTS TO PREPARATION OF TEACHERS BY PROFILE «INFORMATICS AND TECHNOLOGY» «

This article describes approaches to the formation of the curriculum and the content of the curricula of disciplines with elements of STEM-education in the preparation of bachelors in the specialty «Pedagogical Education» of the «Informatics and Technology» profile.

Key words: STEM, STEAM, STEM — park, educational robotics, mechatronics, constructor, engineering and technical competencies, robots, vocational education, additional education.