ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МОДУЛЬ «МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ» В ПРОГРАММЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МОДУЛЬ «МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ» В ПРОГРАММЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Аннотация
Обсуждается опыт разработки и внедрения модуля «Моделирование биологических систем» в практику дополнительного образования в рамках деятельности ТО «Биоквантум» Института развития образования Оренбургской области. Анализируются особенности модуля, которые позволяют модифицировать его для объединений других направлений подготовки. Обсуждается значение моделирование, как совокупности аналитико-синтетических процессов, в современной науке и системе образования. Приводится общий алгоритм реализации модуля и тематический план модуля, в котором отражены темы и формы занятий, включающие преимущественно активные и интерактивные формы. Отмечается значение этапов валидации моделей и прототипирования для достижения образовательных целей. Приводятся конкретные продуктовые результаты (модели), созданные обучающимися в результате освоения модуля.
1. Введение
В дополнительном образовании принята классификация образовательных программ в соответствии с их направленностью: естественно-научные, технические, художественно-эстетические и другие. Выбор обучающимся программы той или иной направленности определяет его образовательную траекторию в рамках дополнительного образования, ориентированную на развитие определенных знаний, умений и навыков. Разностороннее развитие ребенка обеспечивается возможностью свободного выбора путей развития, которые необходимы для формирования у него мотиваций к будущей профессиональной деятельности.
Выбор обучающимся направления обучения в организациях дополнительного образования основана на сочетании многих факторов, к числу которых можно отнести интерес к объекту деятельности, к самой деятельности; в ряде случаев — соотнесение направленности программы с выбором будущей профессии . Любая из программ включает в себя как формирование «мягких» компетенций, так и формирование ряда профессиональных (предпрофессиональных) навыков. Соответственно, если компетенции, касающиеся навыков коммуникации, командной работы, умения планировать свою деятельность и достигать результата, в большинстве программ совпадают, то в плане так называемых «hard» компетенций программы, безусловно, отличаются. При этом обучающийся, выбравший ту или иную программу, остается недостаточно информирован о содержании и формах деятельности в рамках других программ.
Ученик, безусловно, имеет возможность переходить от освоения одной программы к другой, из одного кружка в другой, но при этом не всегда создается ситуация понимания межпредметных связей между программами разной направленности, в то время как большинство прорывных открытий последнего времени основаны именно на междисциплинарных исследованиях, где заимствуются методы исследований, подходы к анализу и реализации проектов .
Таким образом, одна из задач дополнительного образования — профессиональное самоопределение — реализуется не в полной мере, так как обучающийся не может освоить все потенциально интересные для него программы и не получает представления о специфике других программ, которые, возможно, могли бы повлиять на его выбор.
Для решения этой проблемы был разработан и внедрен модуль «Моделирование биологических систем» в рамках дополнительной образовательной программы «Биоквантум», реализуемой в Детском технопарке «Кванториум» (Институт развития образования Оренбургской области, г. Оренбург).
В данном случае, образовательным модулем является структурный элемент программы, направленный на формирование одной или группы компетенций обучающихся; набор умений, знаний, отношений и опыта, описанных в форме целей-результатов, которые должен достигнуть обучающийся по завершению освоения модуля .
Структурно модуль включает теоретические и практические занятия, направленные на развитие понимания сути и взаимосвязей биологических объектов и явлений через создание моделей разного уровня сложности и структурности.
Разработанный модуль имеет ряд значимых характеристик:
- модуль в определенной мере универсален — он может быть включен в разные образовательные программы дополнительного образования (помимо естественно-научных, также в технические, художественно-эстетические);
- модуль может быть адаптирован для обучающихся разного возраста;
- модуль может реализовываться как преподавателем дисциплин естественно-научного цикла (учитель биологии, географии, химии, физики), так преподавателями труда (технологии), изобразительного искусства (оптимально — во взаимодействии с учителем-предметником).
Смысловая основа разработанного модуля — процесс моделирования, как особой формы научного анализа, при которой происходит построение и изучение модели существующих объектов и явлений , .
Моделирование как метод исследования получает все более широкое распространение в биологи и в экологии , , . Во многом это определяется возможностью существенно повысить объективность выводов о структуре и свойствах сложных объектов . В общем смысле модель есть абстрактное описание того или иного явления реального мира. Так, на экосистемном уровне основу моделей составляет количественное описание связей между видами и сообществами с факторами среды .
Моделирование, как продуктовый процесс, представляет собой уровень конструирования модели объекта изучения, согласно таксономии учебных целей Герлаха – Салливана .
Одна из характерных черт моделирования — формализация данных, которая позволяет оперировать некоторым комплексом знаний об объекте, необходимых в данной модели, абстрагируясь от всех его многочисленных свойств и параметров. Однако из-за высокой сложности организации биологические объекты (в том числе и экосистемы), достаточно трудно поддаются формализации. Поэтому важнейшей задачей в изучении биологических объектов является построение их информационных моделей. Данные, переведенные в цифровую форму, приобретают новое качество, однако применение информационных технологий для обработки и интерпретации данных различных биологических наблюдений и экспериментов должно основываться на использовании различных моделей (феноменологических, информационных, математических и др.). Обычно выделяют следующие типы моделей , :
1. Материальные модели.
2. Нематериальные модели, представляющие собой информацию.
3. Физические модели, воспроизводящие моделируемое свойство объекта.
4. Аналоговые модели, воспроизводящие поведение, изменение объекта.
5. Интуитивные модели, отражающие восприятие объекта автором.
6. Информационные модели — это описание объекта или его отдельных свойств.
В представляемом модуле могут использоваться все типы моделей в соответствии со спецификой рассматриваемых биологических объектов и готовностью обучающихся к формализации и анализу данных.
Важным отличием разработанного модуля является наличие блока прототипирования, т.е. превращения абстрактной идеи в конкретное визуальное представление. Прототипы помогают проверить функциональность и удобство использования продукта до его фактической реализации. Значительное распространение в современном образовании аддитивных и подобных технологий связано с потребностью современного уровня науки и производства в специалистах такого профиля. С точки зрения педагогики прототипирование позволяет достичь ряда значимых результатов, таких как воспитание ценностей научного познания; развитие пространственного мышления и творческих способностей; развитие проектных и исследовательских умений и навыков; стимулирование познавательной активности и интереса к изучаемым предметам; освоение основ аддитивных технологий, формирование соответствующих базовых навыков прототипирования; профориентация учащихся .
2. Методы и принципы исследования
Представляемый модуль является частью ДООП «Биоквантум», реализуемой в Детском технопарке «Кванториум» Института развития образования Оренбургской области. Общей целью программы является формирование у обучающихся естественнонаучной картины мира посредством включения в активную проектно-исследовательскую деятельность путем решения ряда задач, таких как формирование ответственного и бережного отношения к окружающей среде; развитие познавательного интереса к биологии, творческого подхода к решению поставленных задач и умения работать в команде, формирование системы биологических знаний как компонента целостности научной картины мира, навыков обращения со сложным оборудованием и умений проведения исследований и адекватной оценки полученных результатов и др.
Соответственно, в результате освоения программы обучающийся должен владеть понятийным аппаратом современной биологии и экологии и навыками системного мышления; знаниями и умениями применения методов получения биологических данных и их анализа; навыками постановки и проведения биологических экспериментов; навыками совместной (командной) работы на основе развития коммуникативных компетенций. Использование модельного подхода позволяет повысить эффективность формирования необходимых навыков и умений , , .
Обобщенный алгоритм реализации модельного подхода в рамках модуля выглядит следующим образом:
- поиск / выявление объекта / проблемы;
- изучение объекта / явления, его качественных и количественных характеристик, а также структурно-функциональных связей;
- моделирование характеристик / связей (создание нематериальных моделей);
- выбор способа материального / аналогового моделирования;
- выбор оборудования и способов реализации модели;
- прототипирование.
Разработанный модуль впервые внедрен в практику в 2023–2024 учебном году для обучающихся ТО «Биоквантум» 2–3 года обучения (12–15 лет) и был апробирован в общей сложности на 24 учащихся.
3. Основные результаты
Ниже представлен тематический план модуля (табл.1), включающий в себя 14 занятий, продолжительностью 1,5 часа.
Таблица 1 - Тематический план модуля
№ п/п | Тема занятия | Форма занятия | Планируемый результат |
1 | «Что в природе интересно» Поиск / выявление объекта/ явления / проблематизация | Дискуссия, генерация идей (мозговой штурм) | Определение объекта / явления для моделирования. Навыки генерации идей, коммуникативные практики |
2 | «Изучи объект» Изучение объекта / явления, его качественных и количественных характеристик, а также структурно-функциональных связей | Дата-скаутинг, круглый стол | Определение значимых (моделируемых) свойств модели Навыки сбора, анализа, представления информации |
3 | «Моделирование. Типы моделей» Знакомство с типами моделей и принципами моделирования; анализ существующих моделей в биологии | Лекция с элементами дискуссии | Выбор типа модели Навыки анализа информации о модели, коммуникативный практикум |
4-5 | «Визуализация моделей» Моделирование характеристик / связей (создание нематериальных моделей) | Практикум по визуализации информации | Визуализация модели Освоение программ визуализации |
6-7 | «Создание виртуальной модели» | Практикум по созданию виртуальных моделей | Создание эскизов моделей Освоение программ 2D и 3D графики |
8 | «Валидация модели» | Представление и защита моделей (деловая игра) | Оценка валидности моделей Навыки презентации и защиты разработок |
9 | «От идеи к результату» выбор способа материального / аналогового моделирования | Лекция с элементами дискуссии | Определение способа моделирования. Навыки генерации идей, коммуникативный практикум |
10 | «Технологии нам в помощь» выбор оборудования, материалов и способов реализации модели | Лекция с элементами дискуссии | Оценка и выбор оборудования, материалов. Коммуникативный практикум |
11-12 | «Прототип» | Практическое занятие | Прототип модели Навыки работы с лазерным гравером, 3D принтером, компьютерной техникой |
13-14 | «Лучшая модель» Подготовка и презентация результатов модуля (объект или презентация) | Защита проектов | Презентация модели. Навыки презентации результатов работ |
Как видно из тематического планирования, модуль включает разные формы активного и интерактивного обучения, такие как мозговой штурм, деловая игра, дискуссия, проектный метод, защита проектов. Разнообразие активных форм позволяет достичь максимального эффекта в поддержании устойчивого интереса обучающихся к проводимым занятиям и достижения результатов модуля — реализации и защиты проекта.
Важной частью процесса моделирования является валидация моделей, т.е. оценка ее эффективности с точки зрения уровня соответствия модели реальным объектам и явлениям исходя из анализа спектра свойств , в частности: качественная и количественная адекватность модели по отношению к тем или иным аспектам объекта-оригинала; простота и оптимальность модели; адаптивность модели, т.е. возможность менять характеристики в заданных диапазонах для достижения целей моделирования; надежность, устойчивость, чувствительность, управляемость, наблюдаемость моделей.
Валидация является важным частью процесса моделирования. В ходе работа над моделью она проводится неоднократно: при оценке эскиза (изображения) объекта моделирования для оценки его функциональности и внешних характеристик (дизайна); при сборке отладке прототипа.
Часть занятий посвящено освоению конкретных навыков и умений, связанных с получением прототипа: 2D и 3D моделирование, работа на специальном оборудовании (3D принтер, Лазерный гравер). Разумеется, освоение аддитивных технологий за столь краткий срок мало вероятно; главная цель модуля в этом направлении — знакомство обучающихся с соответствующей техникой, ее устройством и возможностями.
Примеры выполненных проектов (моделей) приведены на фото (рис.1–4).
Рисунок 1 - Проект размещения зеленых насаждений в городе Оренбурге и на прилегающих территориях
Рисунок 2 - Образовательная игра «Экопирамида» для изучения трофической структуры экосистем
Рисунок 3 - Проект «Знакомые насекомые» (комплект моделей насекомых, смоделированных обучающимися)
Рисунок 4 - Обучающий стенд «Дерево эволюции»
Рисунок 5 - Электрическая викторина «Следопыт» для изучения следов животных
4. Заключение
Разработанный модуль вполне органично входит в структуру Дополнительной образовательной программы «Биоквантум», существенно расширяя кругозор обучающихся и давая им возможность получить новые знания и умения, которые могут сыграть важную роль в выборе ими будущей профессии.
Поводя итог образовательной ценности данного модуля, можно сделать вывод, что такой подход к изучению естественных наук, совмещенный с моделированием, интересен обучающимся; дает возможность для реализации их творческого потенциала и развивает у них конкретные практические навыки моделирования и прототипирования.