Development of students’ intellectual qualities based on the formation of a digital ecosystem of STEM education in the conditions of industry 4.0

Введение / Introduction

Современный мир получил название VUCA-мира, в котором нестабильность («текучая современность»), неопределенность, сложность, неоднозначность становятся нормой жизни [1]. Пандемия COVID-19 внесла свои коррективы воздействия на образовательный процесс, побудила к поиску новых решений для его организации, подбору онлайн-программ на основе применения современных цифровых инструментов для обучения и формирования необходимых компетенций, которые не только помогли бы достичь образовательных целей, но и повысили бы эффективность образовательной деятельности [2]. Сегодня в государственных программах развития российской системы образования отмечается важность предоставления обучающимся основательного образования в области науки, технологий, инженерии и математики (STEM) [3], где ведущей тенденцией современного образования признана ориентация на личностное развитие человека [4].

В Концепции национальной образовательной политики Российской Федерации и Законе об образовании [5–7] выделены ключевые компетенции, среди которых особое значение имеет развитие интеллектуальных качеств, связанных со STEM‑образованием: математической грамотности, компетентностей в области естественных наук и технологий, информационно-цифровой компетентности, умения учиться в течение жизни и предприимчивости.

Кроме того, в Концепции развития естественно-математического образования (STEM-образования) в России [8, 9] указано, что с целью активного привлечения соискателей образования к исследовательско-экспериментальной, конструкторской деятельности необходимо внедрять новые методы и формы организации образовательного процесса. Так, в частности, стратегическое направление в области цифровой трансформации образования, относящейся к сфере деятельности Министерства просвещения Российской Федерации, до 2030 года [10] определяет видение по качественному, инклюзивному и доступному цифровому образованию в стране. Новый план действий имеет два стратегических приоритета:

1.   Помощь в развитии высокоэффективной цифровой образовательной экосистемы.

2.  Повышение цифровых навыков и компетентностей в области цифровой трансформации.

Первый приоритет предусматривает помощь в развитии высокоэффективной цифровой образовательной экосистемы, в которую входят:

-     инфраструктура, сети и цифровое оборудование;

-     эффективное планирование и развитие цифрового потенциала, включая современные организационные возможности;

-     педагогические работники, которые имеют высокий уровень цифровых компетенций;

-     качественный учебный контент, удобные для пользования инструменты и безопасные цифровые платформы.

Таким образом, отметим, что квалифицированные, конкурентоспособные на российском рынке специалисты в области STEM-компетенций необходимы, чтобы удовлетворять современные требования цифрового общества и цифровой экономики, такие как обеспечение инновационной инженерии, программное обеспечение, качественное развитие электронных технологий. Кроме того, ожидается, что все граждане, в том числе профессионалы не только STEM-отраслей, должны иметь навыки и компетенции, необходимые для решения проблем, постоянно возникающих в современном высокотехнологичном информационном обществе [11]. Несмотря на наличие образовательных моделей [12] STEM-образование, которое предусматривает осознание основ науки, техники, технологий, инженерии и математики и ознакомление с базовыми фундаментальными понятиями по каждой дисциплине, должно быть образовательным приоритетом для всех обучающихся и выступать как многоаспектный, многоуровневый, непрерывный и цикличный процесс [13].

В Федеральном государственном образовательном стандарте общего и высшего образования, утвержденном Приказом Министерства образования и науки РФ от 17 мая 2012 года № 413, отмечается, что требования к обязательным результатам обучения определены на основе компетентностного подхода [14]. Одними из ключевых компетенций, определенных в стандарте, являются компетенции «в области естественных наук, техники и технологий», предусматривающие способность и готовность применять соответствующий комплекс научных знаний и методологий для объяснения сложившейся ситуации; формулирование доказательных выводов на основе полученной информации; понимание изменений, обусловленных человеческой деятельностью; ответственность за последствия такой деятельности. Это именно те компетенции, формирование которых предусматривает STEM-образование.

На XXV Петербургском экономическом форуме в 2022году одна из центральных тем была посвящена кардинальному изменению рынка труда и рискам, которые несет миру четвертая промышленная революция. В частности, в докладе модератора программы «Как обеспечить экономику квалифицированными кадрами?» Софья Малявина отметила, что в ближайшем будущем произойдет трансформация качества жизни, общения, деятельности и взаимодействия членов общества [15]. Так, в начале 2020-х годов произойдет кардинальное изменение: более половины навыков, которыми обладают современные работники, исчезнут, исчезнут даже некоторые профессии, а привычными станут те, которых еще не существует. Быстрые процессы технологических преобразований не только требуют изменений в сферах производства, управления, уровня подготовки выпускников [16], но и выдвигают новые требования к системе образования. В паспорте стратегии «Цифровая трансформация образования» [17] отмечается, что для того, чтобы удовлетворить научно-технические вызовы, разработали стратегию, основанную на следующих приоритетах:

-     содействие развитию знаний, инноваций, образования и цифрового общества;

-     устойчивый рост (развитие цифровых сервисов, модернизация инфраструктура, управление данными) и другое.

Учитывая вышесказанное, целесообразно более глубоко рассмотреть вопрос формирования и развития цифровой образовательной экосистемы STEM-образования в контексте расширения интеллектуальных навыков.

Обзор литературы / Literature review

Обзор научно-педагогической и методической литературы позволил нам выделить [18] ряд основных положений по теме исследования.

STEM-образование можно рассматривать как перспективный подход, предусматривающий использование интегрированной учебной программы, которая предоставляет возможности для более соответствующего, менее фрагментированного и более стимулирующего опыта для обучающихся. STEM-образование часто называют метадисциплиной, т. е. это «создание дисциплины на основе интеграции других дисциплинарных знаний в новое “целое”». По мнению зарубежных авторов Лам Тхи Бич Ле, Тоан Тай Трана, Нгок Хай Трана [19], STEM расшифровывается как наука, технология, инженерия и математика. Оно играет фундаментальную роль в развитии технологий, медицины, устойчивого развития, сельского хозяйства, национальной безопасности, экономики и общества, а также в поиске ответов на многие жизненные вопросы – так в своих исследованиях пишет С. У. Эгариевве [20].

С точки зрения оригинальной образовательной политики STEM – это образовательный подход, который предусматривает сочетание различных наук, технологий, инженерного творчества и математического мышления. Важным понятием, связанным с STEM-образованием, по мнению зарубежного автора С. У. Эгариевве, является междисциплинарность. Междисциплинарность в образовании рассматривают как педагогическую инновацию [21]. На наш взгляд, данный фактор STEM-образования очень важен с точки зрения формирования интеллектуальных компетенций, поскольку реализуется интегрированность научного, практического и трансдисциплинарного знания.

В научном исследовании Г. К. Ахметова и А. Ж. Мурзалинова [22] отмечают, что именно синтез наук­и (Science), технологий (Technology), инжиниринга (Ingineering) и математик­и (Mathematics), реализуемый через робототехни­ку, ­конструирование, моделирование и 3D-прое­тирование, призван готовить высокок­валифицированную рабочую силу, а так­же специалистов в STEM-профессиях. С этим нельзя не согласиться, так как при протекающем процессе цифровизации внедряются самые разнообразные технологии, новые способы автоматизации, требующие цифровых навыков от специалиста. Поэтому применение и развитие навыков в области STEM приобретает важную задачу с учетом компонентов новой индустриальной революции.

Современному обществу нужны компетентные специалисты. В новой реальности надо быть способным использовать в своей деятельности знания и навыки не одного, а сразу нескольких направлений научной мысли, подчеркивает в своем исследовании Н. О. Касымова [23]. Мы разделяем данною точку зрения, поскольку развитие общества без высококвалифицированных специалистов невозможно.

STEM-образование позволяет обучать студентов всех уровней способностей. Студенты разного уровня способностей могут совместно работать в коллективах над поиском решений проблем, записью данных, написанием отчетов, выступлением с презентациями и другими проектами. Конечный результат – студенты, которые понимают, как сотрудничать с другими, процветают в среде, ориентированной на команду [24].

Обучение лишь в форме передачи информации утратило смысл, как пишут в своих научных трудах Т. Ю. Гаврилова, О. Г. Игнатова [25]. В современном мире приобретает актуальность STEM-технологии образования, которое заключается в переосмыслении образования и в пересмотре целей обучения и воспитания, норм, форм и методов. Процесс обучения не должен только базироваться на запоминании, его необходимо переориентировать на развитие способности у обучающихся думать, анализировать, аргументировать и принимать верные решения.

Безусловно, STEM-образование имеет свои принципы. К ним, по мнению И. В. Дикой, А. А. Дикого, В. С. Набоки, относятся:

-     принцип обязательной результативности деятельности – на занятиях в условиях STEM-образования обязательным условием является создание прототипов реальных продуктов;

-     принцип сотрудничества – на занятиях организуется совместная деятельность как педагога с учащимися, так и учащихся друг с другом на основе межсубъектных связей и диалогового взаимодействия;

-     принцип творчества и успеха – занятия, организованные либо в индивидуальной, либо в коллективной форме, позволяют раскрыть творческий потенциал учащихся;

-     принцип индивидуальности – на занятиях педагог способствует созданию условий для индивидуального развития каждого учащегося [26].

Считаем необходимым для эффективной реализации STEM-образования дополнить перечень данных принципов еще принципом проектного формата обучения – т. е. получения знаний через прикладные задачи. Вместо абстрактных, оторванных от реальности заданий из учебной и научно-методической литературы обучающиеся создают собственные проекты, работа над которыми требует определенных знаний и навыков и не подразумевает единственно верного решения. Данный формат обучения способствует формированию умений решать нестандартные задачи в быстро изменяющихся условиях внешней обстановки.

В своих исследованиях Т. Ю. Кротенко отмечает, что STEM-обучение имеет колоссальные преимущества: оно совмещает в себе проектный и мультидисциплинарный способы обучения, то есть мы имеем дело с искомой интегрированной формой; оно дает возможность применять полученные знания в реальной деятельности при создании конкретного, востребованного в жизни продукта; позволяет развивать критическое и, что крайне важно, самостоятельное мышление, которое трудно формируется при использовании теоретического подхода [27]. Можно сделать вывод, что создается платформа для быстрого технологического подъема, что очень важно для устойчивого развития экономики страны.

Таким образом, STEM-обучение является одним из перспективных направлений образования XXI века. Именно поэтому уже сегодня нужно обучать лучших представителей приближающегося будущего, деятельность которых будет связана с технологией и высокотехнологичным производством на стыке с естественными науками. В связи с этим авторами разработан проект по внедрению цифровой экосистемы STEM‑образования.

Методологическая база исследования / Methodological base of the research

Теоретической и методической базой изучения явлений и процессов выступили системный теоретический анализ и синтез нормативно-правовой, научно-методической и педагогической литературы. Эмпирические методы, использованные в исследовании, представлены анкетированием и методом экспертных оценок.

Исследование было проведено на базе Самарского государственного социально-педагогического университета и Самарского социально-педагогического колледжа в несколько этапов: подготовка плана исследования, проведение опроса, обработка и анализ полученных результатов, формирование результатов. К участию в исследовании были привлечены 105 респондентов-педагогов.

На основе анализа были выявлены наиболее функциональные информационные ресурсы, необходимые для формирования результатов исследования. Анкетирование респондентов позволило заинтересовать педагогов в использовании STEM‑подхода и убедить в важности, необходимости инновационных методов и технологий.

Результаты исследования / Research results

Несмотря на потенциальные преимущества и усиленное внимание к интегрированному STEM-образованию, при внедрении этой учебной стратегии мы сталкиваемся с проблемами. Прежде всего, внедрение интегрированного STEM-подхода в образовательную систему, которая имеет устоявшуюся, основанную на дисциплинах структуру, требует глубокой перестройки учебной программы и модулей. Более того, интегрированное STEM-образование часто требует дополнительных дидактических материалов, таких как цифровые образовательные ресурсы. Следовательно, создание среды, поддерживающей интегрированный STEM-подход к преподаванию и обучению, приобретает особую значимость. Это требует создания экосистемы интегрированных структурных модулей для обеспечения образовательных потребностей участников учебного процесса при внедрении STEM (рис. 1).

Рис. 1. Интегрированная образовательная модель экосистемы STEM-образования,

разработанная авторами на основе исследований

Одним из подходов к внедрению интегрированного STEM-образования является развитие научного образования в рамках инновационного контура. Экосистему обучения, на наш взгляд, следует сосредоточить на внедрении инноваций с помощью технологий. Экосистемы STEM-образования обеспечивают архитектуру межсекторного обучения, предлагая всем обучающимся доступ к учебным средам, чтобы они могли развивать интеллектуальные навыки и участвовать в научных исследованиях, технологиях, технике и математике. Мощные образовательные экосистемы STEM подразумевают динамичное сотрудничество между учебными заведениями, научным центрами, бизнесом и обществом [28].

В цифровой век экосистемы STEM могут быть физическими или виртуальными (цифровыми) [29]. Цифровая экосистема STEM-образования предполагает широкое использование цифровых технологий для обеспечения образовательной деятельности ее участников и развитие соответствующих сетевых сообществ для эффективной коммуникации в виртуальном пространстве.

Экосистема STEM-образования включает участников образовательного процесса и инфраструктуры, которую можно отнести к необходимым условиям ее развития при цифровой трансформации образования. Образовательная экосистема реагирует как единое целое, когда изменяется любой из ее компонентов. Мы согласны с мнением многих исследователей [30, 31], что необходимо понимать образовательную экосистему как систему, которая не контролируется одной составляющей, а представляет собой серию сложных взаимосвязей между многими заинтересованными составляющими.

Рассмотрим некоторые составляющие экосистемы STEM-образования в соответствии с анализом полученных результатов исследования. Составляющие, относящиеся к образовательному сектору в экосистеме STEM-образования, имеют целью предоставление педагогами теоретических знаний в области STEM, разработку образовательных программ и ресурсов, подбор форм и методов для реализации подходов STEM-образования, предоставление возможности участия в STEM-проектах всем потенциальным участникам экосистемы, которые помогают обучающимся анализировать и решать реальные проблемы на уровне учебного заведения, района, города и т. д.

Инновационный сектор экосистемы STEM-образования предполагает развитие научного образования, расширение научно-исследовательской деятельности, применение кейс-технологий и ситуационного анализа при решении различных задач.

Создание сообществ как среды для обмена практиками и коммуникации является естественным процессом для совершенствования функционирования экосистемы. Не исключение и STEM-сообщества. В основу их деятельности положен анализ и построение учебных программ, координация инструкций, содействие профессиональному развитию педагогов и участие в различных решениях, имеющих фундаментальное значение для развития образовательной экосистемы STEM.

Бизнес-сообщество в экосистеме STEM-образования тоже играет важную роль: бизнесмены делятся собственным опытом, формулируют проблемы из реальной жизни, предоставляют благотворительную поддержку, доступ к техническим средствам, которых не хватает во время обучения, участвуют в оценке и сопровождении инновационных проектов и стартапов. Бизнес-сообщество может привлекать соискателей образования к реальным процессам производства, использованию цифровых инструментов для организации проектной деятельности и тому подобное. В частности, в России организуют различные мероприятия для поддержки инновационных идей. Так, ежегодно, с 2015 года, происходит фестиваль молодежного предпринимательства, который объединяет более 3000 предпринимателей и профильных специалистов для обмена идеями, партнерства и улучшения бизнес-климата, где желающие могут поделиться собственными стратегиями. К таким сообществам активно приобщаются обучающиеся.

Отметим, что проведенный в ходе исследования опрос респондентов указывает на потребности и готовность педагогов к внедрению STEM, уровень которых зависит от образовательной политики по внедрению интегрированного обучения. 66% всех опрошенных указали, что STEM-уроки в их учебных заведениях возможны в условиях оснащения соответствующим обеспечением. 28,9% определяют, что внедрение STEM возможно на уроках как обязательная составляющая учебного плана, 5,1% считают, что внедрение STEM возможно только в научных учебных центрах (рис. 2).

Рис. 2. Результаты опроса о возможности внедрения STEM на уроках

Важнейшими причинами, которые тормозят внедрение STEM в образовательных учреждениях, по мнению экспертов, является: оснащение специализированных STEM-лабораторий – 44%; подготовка педагогов по вопросам методики внедрения STEM – 39%; подготовка преподавателей по использованию цифровых ресурсов и инструментов для STEM и необходимость целенаправленного формирования профессиональной компетенции [32] – 17% (рис. 3).

Рис. 3. Результат опроса о причинах, которые тормозят внедрение STEM-образования

Как было отмечено выше, одним из важных шагов для успешного внедрения STEM-образования является развитие научного образования, которое опирается на умение и навыки учащихся проводить научные исследования. Это подтверждает и результат опроса о важности инновационных методов и педагогических технологий, которые целесообразно использовать при внедрении STEM-образования. Респонденты определяли для каждого из методов важность по шкале от 1 до 5, где 1 – совсем неважно, 5 – очень важно. В частности, для исследовательско-познавательного обучения и метода проектов этот коэффициент важности является самым высоким (рис. 4).

Исследовательско-познавательное обучение требует проведения научного исследования, что предполагает развитие важных навыков, которые делятся на две группы: навыки организации научных процессов и технологические навыки.

Навыки организации научных процессов (science process skills) способствуют формированию способности анализировать материалы и явления, свойства которых необходимо исследовать. Их сформированность может привести к пониманию новых научных идей и концепций, которые необходимы для изучения и исследования мира [33].

Рис. 4. Результаты опроса о важности инновационных методов и педагогических технологий
в STEM-образовании

Технологические навыки в контексте STEM-подхода касаются использования оборудования для проведения исследований по отношению к уровню сформированности digital‑навыков [34].

Согласно материалам научной литературы [35, 36] можно выделить навыки организации научных процессов, которые сгруппированы по двум типам: базовые и интегрированные (см. табл. 1). Базовые (более простые) обеспечивают основу для усвоения интегрированных (более сложных) навыков.

Не менее важным методом в STEM-образовании был определен метод проектов, который ориентирован на самостоятельную деятельность обучающихся – индивидуальную, парную, групповую. Обучающиеся выполняют в течение определенного отрезка времени задания, которые способствуют восприятию и пониманию учебной информации, поддержанию внимания и мотивации обучающихся [37].

Признаками проектной деятельности являются:

-     наличие значимой для обучающихся реальной проблемы, касающейся либо их потребностей, либо потребностей их семей или общества;

-           самостоятельная исследовательская деятельность обучающихся, которая завершается решением указанной проблемы посредством создания реального продукта, результата;

-     решение проблемы предполагает интегрирование знаний из разных предметных областей;

-     в создании продукта исследования должны участвовать все обучающиеся, при этом должна преобладать совместная деятельность и эффективная коммуникация;

-     использование совокупности исследовательских, проблемных методов.

Таблица 1 

Базовые навыки организации научных процессов

Описанные подходы при внедрении экосистемы STEM-образования предусматривают использование цифровых сред и инструментов. Для достижения высоких результатов деятельности [38] важно правильно подобрать цифровые инструменты для поддержки образовательной экосистемы, позволяющие сделать процесс обучения STEM максимально мотивированным и эффективным, в то время как невнимание к ним приводит к однообразию, незаинтересованности и трате лишних ресурсов (сил, энергии и времени) всех участников образовательного процесса. К цифровым инструментам и сервисам образовательной экосистемы STEM, которые помогают педагогу достигать образовательных целей в условиях внедрения смешанного и дистанционного обучения, относятся (см. табл. 2) следующие.

Результаты проведенного опроса свидетельствуют, что наибольшую заинтересованность при проведении STEM-уроков педагоги проявляют к использованию виртуальных лабораторий, 3D-принтеров, робототехнических наборов и средств для моделирования объектов и процессов. Видим, что современный педагог должен ориентироваться на многие составляющие [39]. В то же время респонденты указали на нехватку соответствующих средств обучения для внедрения STEM-образования (см. рис. 5).

Таблица 2 

Цифровые инструменты для поддержки образовательной экосистемы STEM

Рис. 5. Результат опроса относительно необходимости и нехватки средств обучения
при внедрении STEM-образования

Это, в свою очередь, объясняет высокую заинтересованность педагогов в совершенствовании своих компетенций по использованию цифровых инструментов, относящихся к следующим группам: виртуальные лаборатории, инструменты для программирования, удаленные лаборатории, учебные игровые среды (см. рис. 6).

Рис. 6. Результаты опроса относительно заинтересованности педагогов в ознакомлении
с группами цифровых инструментов

Виртуальные лаборатории, к которым педагоги проявили наибольший интерес, это современные инструменты для проведения учебного эксперимента, что является важной составляющей научного образования в контексте современных требований [40]. Преимуществами виртуальных лабораторий, использующих технологию онлайн-моделирования явлений и процессов, являются:

-     их доступность для всех участников образовательного процесса в любое время;

-     эффективное наглядное представление процессов и явлений;

-     возможность организации смешанного обучения: в виртуальных лабораториях обучающиеся имеют возможность применять то, что изучали теоретически, экспериментировать и практиковать столько раз, сколько захотят;

-     возможность объяснять сложные понятия и процессы через эксперимент.

Заинтересованность в инструментах программирования объясняется тем, что данная технология позволяет создавать любые трехмерные модели, с помощью которых можно наглядно исследовать объекты, изучаемые по учебной программе. Цифровые инструменты в образовании позволяют получать наглядные модели, реальные прототипы для исследования, ускорять и удешевлять производство различных видов физических объектов.

Заключение / Conclusion

Анализ рынка труда и имеющихся источников демонстрирует необходимость использования современных цифровых инструментов, подбора и создания онлайн‑среды, которая поможет сформировать необходимые интеллектуальные компетенции не только для достижения образовательных целей, но и для повышения эффективности обучения в целом.

В современных условиях для обеспечения нового государственного стандарта образования России, успешного внедрения технологий интегрированного обучения важным является развитие экосистемы STEM-образования, в котором каждый ее участник имеет свои задачи для достижения основных образовательных целей, связанных с развитием научного образования и формированием соответствующих интеллектуальных качеств, необходимых современному информационному обществу.

Проблемы реального мира не фрагментированы в отдельных дисциплинах, которым обучают в образовательных учреждениях, и для их решения людям нужны навыки, охватывающие эти дисциплины в комплексе. По этой причине была разработана комплексная модель экосистемы STEM-образования с использованием цифровых образовательных систем, формирующая и синтезирующая знания из различных областей. В современном высокотехнологичном мире требуются всесторонние навыки, поскольку новые научные открытия делаются на стыке наук: на стыке науки и искусства, науки и математики и естествознания, разных направлений естественных наук и инженерии.