Реализация STEM-подхода во внеурочной деятельности
по биологии в общеобразовательной школе

Саакян Елена Алексеевна,
учитель биологии ГБОУ школа 320
Приморского района Санкт-Петербурга

Мир нуждается в квалифицированных специалистах, способных оптимизировать экономические процессы.  Перед человечеством стоят глобальные вызовы, которые затрагивают проблемы окружающей среды, здравоохранения, разумного потребления ресурсов. Требуются биотехнологи, геологи, генетики, специалисты в области медицины[3].  Запросы современного рынка труда ставят перед системой образования новые задачи. Одной из таких задач является персонализация образования. Большинство ведущих мировых университетов и средних школ  персонализируют образовательные программы — обучающиеся  обязательно посещают только несколько основных предметов, а остальные выбирают сами. С одной стороны, такой подход раскрывает потенциал каждого обучающегося, с другой — помогает подстроиться под запросы потенциальных работодателей.

Современный мир нуждается в ученых, способных работать в сфере науки и новейших технологий. Школьная программа, построенная только на изучении инфрмации и общеучебных знаниях, умениях и навыках не закрывает потребностей сегодняшнего ученика. Физика, биология, химия и математика, не пересекаясь друг с другом оставляют в голове обучающегося только разрозненную информацию. Поэтому в практике преподавания становятся популярными STEM- подходы, позволяющие создавать стойкие логичные связи между дисциплинами. А проведение различных экспериментов в школьных лабораториях и в домашних условиях позволяют заложить обучающимся основы инжиниринга и инновационных технологий. Биология — это наука, изучающая темы, содержащиеся также в программах по химии, физике, географии, математике. Поэтому первостепенным и необходимым является применение методики STEM на уроках биологии и во внеурочной деятельности [1]. Рабочие программы   внеурочной деятельности по биологии «Экспериментальная биология»  для 7-9 класса направлены на углубление и расширение биологических знаний учащихся и формирование навыков исследования, сохранения своего здоровья и бережного отношения к окружающей среде. Ценностное отношение и интерес к содержанию и процессу учебной деятельности формируется путем постоянного обращения к реалиям жизни, к окружающей действительности. На занятиях внеурочной деятельности  по биологии рассматриваются явления и организмы, с которыми школьники часто сталкиваются в повседневной жизни, не зная причин и механизмов их возникновения. Это формирует новый взгляд на уже знакомые вещи. Изучение данного курса построено на экспериментальных занятиях, которые помогают глубже понять основы биологии, изучаемые на теоретических уроках инвариантного курса. А также задания для учащихся имеют практический и прикладной характер.  Так, например, в 7 классе изучается раздел «Многообразие, структура и функции живых организмов», на котором предусмотрено моделирование организмов и систем органов, с целью детального познания их строения и функционирования. Раздел «Валеология и формирование навыков саморегуляции» позволяет учащимся глубже понять особенности человеческого мозга и научиться управлять своим интеллектуальным познанием, построить программу своего саморазвития и самосовершенствования. В разделе «Биологические знания в ландшафтном дизайне» учащимся предлагается работа над проектами, позволяющими создать ландшафтный дизайн пришкольного участка, школьных помещений и применить свои знания на практике, участвуя в школьной программе «Цветущий школьный двор». Лучшие проекты участвуют в городских, областных, региональных соревнованиях проектов. Примерами успешных проектов стали проекты «Экологичная учительская комната» и «Малые архитектурные формы – изюминка школьного двора», в которых учащиеся смогли применить свои познания биологии, дизайна, математики и экологии. Рабочая программа 8 класса построена на экспериментах. Раздел «Биологические эксперименты с микроскопом» позволяет развивать один из важнейших специальных навыков в биологии – работа с микроскопом. В разделах «Биохимические и цитологические эксперименты», «Изучение эукариотических и прокариотических клеток» учащимся предоставлена возможность углубленного изучения микромиров. Это позволяет заложить основы для дальнейшей работы с нанотехнологиями в будущей профессии. В ходе изучения вариативного курса дети ориентируются на собственный интеллект и находчивость, чтобы решать конкретные задачи.  Рабочая программа 9 класса направлена на формирование исследовательских навыков. Предусмотрено изучение таких разделов «Я- исследователь», «Питание и здоровье», «Образ жизни - важнейший фактор здоровья человека», «Практическая генетика», «Практическая экология». Обучение строится на выполнении мини-проектов. Перед учащимися ставится определенная прикладная задача, для которой нужно воплотить в жизнь определенный проект. Так, например, для экспериментов с растениями учениками 9 класса была собрана фитолампа, которая была оснащена таймером включения и выключения. Таймер был создан на основе набора для робототехники в «Ардуино». Таким образом, учащиеся смогли применить на практике знания биологии, физики и робототехники. Изучение раздела, посвященного питанию и здоровью позволило учащимся разработать меню для школьников с учётом их физической и умственной нагрузки. Для работы над проектом учащиеся используют дополнительные знания по физике и математике.  В процессе изучения вариативных курсов учащиеся решают актуальные задачи, решение которых может принести пользу здесь и сейчас: улучшение экологического состояния пришкольного участка, укрепление собственного здоровья и другие. Так как в школе имеется современный кабинет биологии, оборудованный лабораторией, то имеется возможность теоретические суждения демонстрировать в процессе опытов и экспериментов.

Пример лабораторной работы на уроках вариативного курса биологии для 8 класса.

Тема «Коацерваты»

Цель исследования: приготовление и изучение коацерватов, как прототипов первой жизни на Земле

Задачи исследования:

1)              Создать искусственный коацерват с помощью желатина, гуммиарабика и соляной ксилоты

2)              Определить рН коацервата

3)              Изучить коацерват под микроскопом

Гипотеза: в искусственных условиях можно создать коацерваты

Оборудование и материалы: 1% раствор желатина, гуммиарабика, дистиллированная вода, слабый раствор соляной кислоты, индикаторные полоски, пробирки, пробка, стеклянная палочка, предметные стекла с маркировкой № 1 и 2, покровные стекла, микроскоп, пластиковые пипетки, реакционный планшет, краситель метиленовый синий

Информация: Учёные считают, что жизнь зародилась из простых молекул в результате абиогенеза, когда эти простые молекулы объединились в сложные, которые вскоре смогли самовоспроизводиться. Мы не знаем точно, как это произошло. Даже если учёные воссоздадут жизнь в лабораторных условиях, большинство из них сможет утверждать, что их метод – это способ, благодаря которому могла зародиться жизнь на Земле, а не точно зародилась.

Коацерваты – это неживые структуры, скорее, подобие жизни, так как они формируют некое подобие мембран клеток, поглощая вещества из окружающей среды, они способны к росту и воспроизведению.  Первым ученым, который изучал коацерваты был русский ученый Алекандр Опарин. В нашей лабораторной работе мы создадим и изучим коацерват, используя желатин, как источник белка и гуммиарабик (аравийскую камедь) как источник углеводов.

Ход работы:

1.               Налейте 5 мл раствора желатина комнатной температуры в тестовую пробирку и добавьте 3 мл раствора гуммиарабика. Закройте пробирку пробкой и несколько раз встряхните, чтобы смешать содержимое. Не трясите пробирку сильно и не взбалтывайте ее слишком усердно.

2.               Изучите содержимое пробирки при сильном освещении. Оцените внешний вид содержимого, обращая внимание на прозрачность. Запишите результат наблюдения в отчет в графе «Испытание № 1».

3.               Стеклянной палочкой капните небольшое количество на индикаторную бумагу для определения рН. Запишите результаты в отчет в графу «Испытание № 1».

4.               На предметное стекло с маркировкой № 1 капните одну каплю жидкости, накройте покровным стеклом и изучите при малом и большом увеличении.

5.               Пластиковой пипеткой наберите 0,25 мл раствора и вылейте в лунку реакционного планшета. Посмотрите образовались ли в растворе коацерваты. (Если не удалось обнаружить коацерваты, не отчаивайтесь. Их формирование  сильно зависит от уровня рН и далее мы попробуем его отрегулировать с помощью соляной кислоты)

6.               Для Испытания № 2 капните 3 капли  слабого растора соляной кислоты в тестовую пробирку. Закройте пробкойи переверните несколько раз, чтобы смешать содержимое. Повторите шаги № 2-5. 

7.               Повторяйте шаг 6 до тех пор, пока значение рН не станет равным 3 и ниже. Каждый раз добавляйте 0,25 мл образца в следующую лунку планшета.

8.               Капните каплю образца на предметное стекло и туда же капните каплю метиленового синего красителя и накройте образец покровным стеклом. Запишите все наблюдения в отчет.

Отчет:

Выводы: По каким происходящим видимым изменениям можно судить об образовании коацерватов? Основываясь на ваших собственных наблюдениях перпаратов коацерватов под микроскопом, запишите, каков оптимальный уровень рН для образования коацерватов?          Какую вы обнаружили взаимосвязь между прозрачностью жидкости и количеством коацерватов?  В чем схожесть коацерватов с клетками? Если создать жизнь в лабораторных условиях, то можно ли утверждать, что именно так она возникла на Земле? Где в жизни можно применять коацерваты и знания об их создании?

Таким образом, STEM-подход помогает учащимся развивать такие качества, которые помогут в построении будущей успешной карьеры: ученики с интересом познают новое, развивается аналитическое  мышление, способность анализировать процессы и угадывать исход эксперимента, ставить гипотезы и проверять их, дети учатся работать не только индивидуально, но и в командах. Работая с современными технологиями и новыми фактами, обучающиеся привыкают идти в ногу со временем и постоянно совершенствовать свои навыки познания. STEM- подход благоприятно влияет на самооценку детей, так как будучи успешными в новых технологиях, испытывая радость познания и наблюдая на практике интеграцию школьных предметов, ученики испытывают чувство безопасности, комфорта и рациональности процесса обучения.

Список литературы:

1.               Кошкодан Д.П., Мошану-Шупак Л.В. Образовательная методика STEM в исследовательской работе на уроках биологии. [Электронный ресурс] URL: https://www.elibrary.ru/   (Дата обращения 31.08.2023)

2.               Томпсон Р.Б., Томпсон Б.Ф. Биологические эксперименты. Иллюстрированная энциклопедия. Издательство «ДМК». Москва, 2019

3.               Три STEAM-проекта, которые можно реализовать в школе [Электронный ресурс] URL: https://osvitoria.media/ru/experience/try-steam-proekta-kotorye-mozhno-realyzovat-v-shkole//  (Дата обращения 31.08.2023)

4.               Что такое STEM образование? [Электронный ресурс] URL: https://umnazia.ru/blog/all-articles/ (Дата обращения 16.09.2023)