Лабораторные работы по физике как способ достижения метапредметных результатов



Введение

Один из часто задаваемых вопросов в области науки и инженерного образования, почему студенты технических специальностей не могут связывать полученные теоретические знания в реальном мире во время лабораторных экспериментов. По результатам Международного исследования PISA-2012 в Казахстане, показали, что внешняя мотивация в первую очередь связана с желанием учащихся получать хорошие оценки и признание со стороны учителей и родителей (ОЭСР, 2013, PISA 2012 результаты). Исследование Андерсена и Нильсена (2013) показало, что внешняя мотивация может быть важным элементом в мотивации студентов за хорошую учебу, но внутренняя мотивация является более личным и удовлетворительный вид мотивации (Niemiec и Ryan 2009).

Методы STEM и практико-ориентированного обучения через лабораторный эксперимент показывает учащимся применение научных и технологических знаний в реальной жизни через практические занятия в классе (Pedaste и соавт., 2015). Таким образом, студенты обсуждают вопрос исследования в лаборатории и непосредственно понимают процесс (НГСС США, 2013). Обладание вышеперечисленными навыками является ведущим фактором для будущего роста занятости в Европейском Союзе (Национальный отчет МОК Финляндии).

Brophy, Klein, Portsmore и Rogers (2007) отмечают, что эффективность преподавания и обучения заключается в том, чтобы оказать помощь учителям, чтобы они освоили необходимые практические навыки и возможности для вовлечения учащихся в STEM обучение в классе. По результатам PISA-2012, в Казахстане, 31 % 15-летних участников исследования обучались в школах, где ощущается нехватка квалифицированных учителей по естественным наукам.

В современной школе перед каждым учителем стоит цель по развитию исследовательских навыков учащихся. Это является вызовом времени для воспитания и развития будущих Лидеров глобального общества.

Цель работы: измерение мотивации учащихся и совершенствование исследовательских навыков в формулировке исследовательского вопроса во время лабораторной работы на уроках физики.

Вопрос исследования:

Как изменяется мотивация учащихся к изучению науки с помощью практического обучения во время лабораторных работ?

Учащиеся 11 классов перечисленных школ филиалов АОО «Назарбаев Интеллектуальные школы»: n = 59, в возрасте от 16 до 18 лет (рис.1).

Рис. 1. Фокус-группа учеников 11 классов

Исследование направлено на поддержку учащихся 11 классов, которые испытывают сложности во время лабораторных работ по физике. Поэтому над этим вопросом фокус-группа учителей с нескольких филиалов АОО «Назарбаев Интеллектуальные школы» начала заниматься с 2017–2018 по 2019–2020 учебные годы. Количество лабораторных работ — 9.

Методология

№	Данные	Сбор данных	Анализ
1	Интервью (Google опросник)	Состоящий из комбинации закрытых и открытых вопросов, на которые ответили анонимно учащиеся в возрасте от 16 до 18 лет	Статистический
2	Лабораторная работа	Листы работ учащихся в течение всего исследования	Вспомогательные критерии оценки Cuccio-Schirripa и Steiner для анализа каждого этапа лабораторной работы детей

В ходе исследования были использованы теоретические (анализ психолого-педагогической, методической и учебной литературы, рабочих программ; обобщение и систематизация материала; сравнение и анализ результатов исследования) и эмпирические (изучение педагогического опыта по проблеме исследования, наблюдение, анкетирование, педагогический эксперимент, методы статистической и компьютерной обработки результатов) методы исследования.

При выборе учащимися в будущем технических специальностей, они испытывают сложности в постановке вопроса исследования во время лабораторных работ, что негативно сказывается на выборе методов исследования, анализе и расчётах.

Письменные ответы от учащихся в форме лабораторного урока с использованием вспомогательных критериев Cuccio-Schirripa и Steiner позволили классифицировать данную работу: (I) отвечая на вопрос, требует эмпирических исследований и сбора данных; (II) фигурируют конкретные измеримые зависимые переменные, которая определяется независимой величиной, и отношения между ними; и (III) ответ на этот вопрос неизвестен ученику (рисунок 2).

Рис. 2. Фрагмент лабораторной работы учащегося

Рис.3. Анализ опроса учащихся

По результатам интервью, когда учащиеся отвечали на вопрос о своих сильных сторонах, можно отметить, что у них развиты математические навыки, логическое мышление, способность к самообучению, концентрации, мотивации к обучению, все они могут работать в коллаборативной среде. Хочу отметить, что все учащиеся этих школ обладают данными навыками и имеют высокую мотивацию к обучению.

Около 29% учащихся отметили, что они не имеют никаких трудностей и не нуждаются в помощи во время лабораторной работы. Двое учащихся сомневается. Примерно 70% отметили, что трудности связаны с:

– подготовкой данных для анализа;

– отсутствием четких инструкций для проведения лабораторных работ;

– небольшим количеством лабораторных работ в учебном году;

– отсутствием концентрации на лабораторных работах и как следствие – допущенные при расчетах ошибки.

В конце интервью был вопрос о том, как с их точки зрения можно улучшить эти моменты и на что следует обратить внимание. Почти 100% студентов отметили, что необходимо следовать инструкциям во время лабораторных работ; необходимы хорошие и понятные инструкции; быть внимательным при расчетах и изучить достаточно теории перед выполнением лабораторных работ.

Для поддержки учащихся был разработан шаблон для лабораторных работ (рисунок 3), позволяющий оказать поддержку учащимся во время выполнения работы, направляет на ряд конкретных мер и задач, стоящими перед учениками.

Рис. 4. Шаблон для лабораторных работ

Ключевой проблемой в решении задач повышения эффективности и качества учебного процесса является активизация познавательной деятельности учащихся. Знания, полученные в готовом виде, как правило, вызывают затруднения учащихся в их применении к объяснению наблюдаемых явлений и решению конкретных проблем. Каждый урок с помощью лабораторных экспериментов, наглядных демонстраций способствует четкому пониманию науки и ученики могут видеть применение этой теории.

На рисунке 5 таблица ориентированного обучения (Pedaste и соавт., 2015) данного метода, которые помогли учащимся в формулировке их вопросов исследования, гипотезы во время лабораторной работы.

Рис. 5. Таблица ориентированного обучения (Pedaste и соавт., 2015)

Заключение

Все представленные источники в данном исследовании являются надежными — это официальные документы, такие как, национальные отчеты МОН РК, МОК Финляндии, статьи ученых, практикующих преподавателей с ученой степенью из научных, академических журналов с высоким импакт-фактором. Следует отметить, что охваченный литература была опубликована в период с начала 2002 года.

По результатам обзора литературы, можно отметить, что авторы Brophy, Klein, Portsmore и Rogers, 2007 отмечают, что эффективной помощью в решении сложностей во время практических работ является повышение уровня самого учителя, хотя согласно Pedaste и соавт., 2015 можно изучить методы STEM и практико-ориентированного обучения. Поэтому авторы выбрали данный метод для своего исследования и на основе него показывают опыт использования разработанного шаблона для поддержки учащихся во время лабораторной работы.

Таковы этапы ориентированного обучения эффективной интеграции науки, технологии, инженерии, искусства и математики в подготовке научных кадров. Лабораторные работы позволяют ученикам “мыслить как ученые” и участвовать в образовательном процессе. Анализ представленных работ свидетельствуют о том, что аналитическая структура отражает существенные аспекты мотивации и взаимодействия в классе.

В процессе исследования учителя выявляют некоторые положительные аспекты: подбор эффективных инструментов для исследования; сбор, анализ и обработку данных при работе с учащимися и учителями; некоторые аспекты этических проблем в проекте; финскую систему образования.

Самым полезным стало ведение рефлексивного дневника. Благодаря ему было удобнее и эффективнее анализировать и критически оценивать свое исследование, также это стало доказательством о проделанном исследовании.

Литература:

1. Andersen, H. M., & Nielsen, B. L. (2013). Video-Based Analyses of Motivation and Interaction in Science Classrooms. International Journal of Science Education. Vol. 35, No. 6, 906–928.
2. Avery, Z. K., Reeve E. M. (2013). Developing Effective STEM Professional Development Programs. Journal of Technology Education, vol. 25 No. 1, 55–69.
3. Bielik T. &Yarden A. (2016). Promoting the asking of research questions in a high-school biotechnology inquiry-oriented program. International Journal of STEM Education.
4. Bøe, M. V. &Henriksen, E. K. (2013). Love it or leave it. Norwegian students’ motivations and expectations for post-compulsory physics. Science Education, 97(4), 550–573.
5. Bøe, M. V., Henriksen, E. K., Lyons, T., & Schreiner, C. (2011). Participation in science and technology: Young people’s achievement-related choices in late-modern societies. Studies in Science Education, 47(1), 37–71.
6. Brophy, S., Klein, S., Portsmore, M., & Rogers, C. (2008). Advancing engineering education in p-12 classrooms. Journal of Engineering Education, 97(3), 369–387.
7. Havlíček K. (2015). Experiments in Physics Education: What do Students Remember?WDS’15 Proceedings of Contributed Papers — Physics, Prague, Matfyzpress, 144–148.
8. Kelley, T., & Pieper, J. (2009). PLTW and epics-high: curriculum comparisons to support of problem solving in the context of engineering design. West Lafayette, IN: Purdue University Hall of Technology.
9. NGSS Lead States. 2013. Next Generation Science Standards: For States, By States. Science and Engineering Practices. Washington, DC: The National Academies Press.
10. Niemiec, C.P.,& Ryan, R.M. (2009). Autonomy, competence, and relatedness in the classroom. Applying self-determination theory to educational practice. Theory and Research in Education, 7(2), 133–144.
11. Pedaste, M., Maeots, M., Siiman, Leo & Ton de Jong. (2015). Phases of inquiry-based learning: Definitions and the inquiry cycle. Educational Research Review, 14, 47–61.
12. PISA-2012 Assessment and Analytical Framework. Mathematics, reading, science, problem solving and financial literacy), PISA, OESD Publishing, 2013.
13. PISA-2012 Results: What students know and can do. Students performance in mathematics, reading and science (Volume 1), PISA, OESD Publishing, 2013.