Методические рекомендации по организации технологии STEAM в дополнительном образовании: интеграция естественно-научной, технической и художественной направленностей

Методические рекомендации составлены с целью разъяснения педагогическим работникам особенностей организации Steam-подхода в дополнительном образовании. Особое внимание уделяется приемам интеграции естественнонаучной, технической и художественной направленностей, предлагаются варианты использования дистанционных форм обучения с использованием современных информационных цифровых ресурсов. 

Подробно описаны методы проблемного обучения, метод проектного обучения, а также технологии 3D-моделирования и техники PaperCraft. 

Данные рекомендации разработаны на базе практического опыта реализации Steam – подхода в дополнительном образовании педагогами МБОУ ДО СЮТ Устиновского района, МБОУ СОШ №42 и МБОУ СОШ №40 г. Ижевска.

Настоящие рекомендации могут быть использованы педагогами дополнительного образования, учителями художественной, естественнонаучной и технической направленностей, методистами.

А.Ф. Зайнуллина,
заместитель директора по УВР
МБОУ ДО СЮТ Устиновского района г. Ижевска;
О.В. Плотникова,
учитель ИЗО
МБОУ СОШ №40;
А.Р. Емельянова,
учитель технологии
МБОУ СОШ №42,
г. Ижевск

STEAM-образование – это интегративная педагогическая технология, направленная на формирование ключевых компетенций XXI века, в основе которой лежат проблемный, проектный, научно-исследовательский и практикоориентированный методы, способы и приемы обучения, направленные на формирование у обучающихся единой картины мира с целью их подготовки к решению текущих и потенциальных проблем различного масштаба и характера посредством адаптации в динамично меняющихся условиях.

Видный общественный деятель, бывший министр образования США Ричард Райли (R.W. Riley) (род. 1933), пожалуй, очень четко отразил суть STEAM-образования: «Сегодня мы готовим учеников к профессиям, которые пока не существуют, и к использованию технологий, которые еще не изобретены, чтобы решить проблемы, которые мы пока даже не считаем проблемами».

STEAM-образование предполагает интеграцию основного и дополнительного образования, т.е. переход на трансдисциплинарный уровень.  

Значимость внедрения STEAM-образования обоснована следующими документами:

• Федеральный закон от 29.12.2012 № 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации»;
• Указ Президента РФ от 1 декабря 2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»;
• Распоряжение Правительства РФ от 31 марта 2022 г. N 678-р «Об утверждении Концепции развития дополнительного образования детей до 2030 г. и плана мероприятий по ее реализации»;

Многочисленные научные проекты и программы, реализуемые в России, такие как национальный проект «Образование», в рамках которого реализуются федеральные проекты «Цифровая образовательная среда» и «Современная школа», «Форсайт образования 2035», «Глобальное будущее образования» направлены на развитие многопрофильного специалиста будущего с универсальными умениями и цифровой грамотностью.

Методические рекомендации составлены с целью разъяснения педагогическим работникам особенностей интеграции художественной, технической и естественно-научной направленностей в STEAM-образовании. 

Ожидаемый результат от использования данных методических рекомендаций:

– овладение опытом организации предлагаемой методикой может стать основой для проведения занятий и мероприятий в рамках STEAM;

– реализация практико-ориентированного обучения;

– развитие у обучающихся коммуникативных навыков и умений работать в команде, обмениваясь результатами;

– повышение мотивации обучающихся в проектной и исследовательской деятельности.

В основе STEAM-образования – проблемные, проектные, научно-исследовательские и практико-ориентированные методы, способы и приёмы обучения.

Отличие STEAM-подхода от традиционных образовательных моделей состоит в фокусировке на повседневной жизни, реальных задачах, решение которых требует комплексного научного и инженерного мышления. Решение глобальных проблем современности, выявление локальных и региональных проблем и разработка рекомендаций по их решению выступают ключевыми при разработке STEAM-занятий. [1, 25]

STEAM-компетентность как интегративное качество современного педагога и обучающегося XXI века

Вопрос о том, какие же компетенции следует развивать у обучающихся XXI века, остается открытым как в целом, так и в контексте STEAM-образования. 

На Всемирном экономическом форуме в докладе «Новый взгляд на образование» была предложена модель, центральную часть которой занимают компетенции «4К»: креативность, критическое мышление, коммуникация и кооперация (взаимодействие и сотрудничество).

В качестве основных элементов критического мышления можно выделить несколько умений:

1. Анализ. Умение находить связи между утверждениями, вопросами, аргументами. 

2. Оценка. Умение оценивать надежность утверждений, убедительность доводов. 

3. Объяснение (аргументация). Умение объяснять ход своих мыслей/метод, защищать свои выводы. 

4. Выведение гипотез (планирование решений). Умение формулировать гипотезы и самим делать выводы, обнаруживать нехватку информации. 

5. Саморегуляция (контроль). Рефлексия, самопроверка и коррекция.

В структуру креативности, представленную в этой модели, российскими разработчиками внесены небольшие изменения, чтобы наилучшим образом подходить для оценки действий ученика в ходе работы над заданием. 

1. Любознательность (активный интерес к заданию): интерес к окружающему миру (ситуации задания) и желание узнать больше об окружающем мире (о различных аспектах ситуации задания; проговаривание ассоциации); самостоятельный поиск ответов на собственные вопросы. Активный поиск новой информации (в том числе в неожиданных источниках). 

2. Создание идей (воображение). Продуцирование собственных идей. Здесь выделяются два аспекта: оригинальность предложенных идей; гибкость или подвижность, способность продуцировать большое количество идей. 

3. Развитие предложенных идей: оценка предложенных идей с разных позиций и поиск их сильных и слабых сторон с целью улучшения идеи или отказа от нее; умение быстро перестраивать свою деятельность в изменившихся условиях и с появлением новой информации об объекте исследования.

Коммуникация проявляется в умении обучающегося задавать вопросы преподавателю, одногруппникам и отвечать на их вопросы понятным для них образом, в случае необходимости обращаться за разъяснением того, что оказывается непонятным в сообщениях или рассуждениях, и, в свою очередь, умении разъяснить свои идеи и предложения. 

Структура этой компетенции представлена так:

1. Готовность к коммуникации: отсутствие страха при вступлении в коммуникацию, инициирование коммуникации, готовность ответить на чужой вопрос, готовность задать вопрос. 

2. Адаптация к цели и контексту коммуникации и к партнеру: в различных ситуациях общения умение выбрать разные вербальные и невербальные средства коммуникации, ориентируясь на эмоциональный статус партнера. 

3. Убеждающая коммуникация: использование вербальных (словарного запаса и знания правил языка) и невербальных средств (жесты, мимика, интонация) для достижения цели коммуникации.

Кооперация описывается как умение и готовность обращаться за помощью; выслушивать чужое мнение и соглашаться с другими предложениями, даже в ущерб собственным; в ходе работы команды над заданием встраивать свою индивидуальную часть работы в общую работу группы, а также определять свой вклад и оценивать коллективный результат как свой собственный. [6,35]

Структура навыка представлена так: 

1. Принятие общих целей: умение разделять цели команды и ставить их выше собственных целей, работать в команде, встраивать результат своей работы в коллективное решение, управлять своими эмоциями в командной работе. 

2. Социальное взаимодействие: участие в обсуждении, умение договариваться, взаимодействовать уважительно, выслушивать и принимать чужие мнения, координация своих действий с действиями других членов команды; готовность помочь им; готовность взять на себя ответственность за общий результат. 

3. Выполнение взятых на себя обязательств: готовность занять такую позицию и принять такую роль, которая эффективна для работы в команде; ответственное выполнение своей части работы, достижение качественного результата. 

4. Самостоятельность и инициативность: способность работать самостоятельно и проявлять инициативу в рамках поставленной задачи; умение вовлекать всех членов команды в решение задачи, оказывать им психологическую поддержку, мотивировать.

XXI век «задает» тон, как и любая эпоха в формировании компетенций не только у подрастающего поколения, но и у специалистов из различных сфер деятельности, педагоги не исключение. Современные педагогические исследования сфокусированы не только на изучении влияния трансформации образования подрастающего поколения, но также акцентируют внимание на подготовке педагогов, обладающих компетенциями, соответствующими уровню развития общества. Обучающиеся XXI века нуждаются в педагогах, которые могли бы подготовить их к успешному будущему. 

STEAM-компетентность представляет собой интегративное качество будущего педагога, которое развивается на основе академической грамотности в рамках образовательного стандарта высшего образования с акцентом на изучении педагогических технологий, на частных методиках преподавания естественнонаучных предметов, методике проектного обучения, информационных технологиях в образовании и на стремлении к самообразованию.

Таким образом, структура STEAM-компетентности будущего учителя включает в себя следующие компоненты.

Структура STEAM-компетентности будущего учителя 

В основе STEAM-образования лежит процесс решения проблем различного масштаба. Можно смело утверждать, что основной компетенцией педагога в контексте STEAM-образования служит владение методами проблемного обучения, что включает проектирование образовательного контента в логике STEAM: отбор и композиция учебного материала, планирование. [5,54]

Метод проблемного обучения

Суть проблемного обучения заключается в построении проблемной ситуации (задачи) и обучение умению находить оптимальное решение для выхода из этой ситуации. При этом дети активно включаются в ход занятия. Они уже не получают готовое знание, а должны, опираясь на свой опыт и умения, найти способ разрешения новой проблемы. Еще один важный момент: проблемная ситуация заставляет детей осознавать недостаточность своих знаний, побуждает к поиску новых знаний и умений. А поиск — одно из главнейших условий развития творческого мышления. Кроме того, такое построение занятия работает на мотивацию к обучению.

Все проблемные ситуации можно разделить на 2 группы:

1. Проблемная ситуация, возникшая «с удивлением».
2. Проблемная ситуация, возникшая «с затруднением».

1. Проблемная ситуация возникает при преднамеренном столкновении педагогом жизненных представлений детей (или достигнутого им уровня знаний) с научными фактами, для объяснения которых у них не хватает знаний и опыта.

Преднамеренно столкнуть жизненные представления детей (или достигнутый ими уровень знаний) с научным фактом можно с помощью:

– опыта,

– рассказа об опыте,

– различных наглядных средств, ТСО,

–  практических заданий, в которых дети допускают ошибки или невыполнимых заданий

Пример 1. Научный факт «Все планеты вращаются вокруг Солнца».

После полученного представления о Солнечной системе у детей может возникнуть вопрос: «Если планеты вращаются вокруг Солнца, почему они не сталкиваются?»

(Решение: моделирование Солнечной системы, опытническая деятельность).

Пример 2. «Порядок выполнения действий в числовых выражениях».

Учитель делает на доске запись 2 + 5 х 3 = 17 и 2 + 5 х 3 = 21. Учитель: Вижу, вы удивлены (реакция удивления). Почему?

Ученики: Примеры одинаковые, а ответы разные! Учитель:Значит, над каким вопросом подумаем?

Ученики: Почему же в одинаковых примерах получились разные ответы?

Для достижения максимальной эффективности учебного процесса постановка проблемных задач должна осуществляться с учетом основных логических и дидактических правил. [4, 42]

Во-первых, проблемные ситуации обязательно должны содержать посильное познавательное затруднение. Решение задачи, не содержащей познавательного затруднения, способствует только репродуктивному мышлению и не позволяет достигать целей, которые ставит перед собой проблемное обучение. С другой стороны, проблемная ситуация, имеющая чрезмерную для учеников сложность, не имеет существенных положительных последствий для их развития, в перспективе снижает их самостоятельность и приводит к демотивации обучающихся. 

Во-вторых, хотя проблемная ситуация и имеет абстрактную ценность – для развития творческих способностей обучающихся, но наилучшим вариантом является совмещение с материальным развитием: усвоением новых знаний, умений, навыков. С одной стороны, это служит непосредственно образовательным целям, а с другой стороны,  благоприятствует мотивации обучающихся, которые осознают, что их усилия в итоге получили определенное выражение, более осязаемое, нежели повышение творческого потенциала.

И в-третьих, проблемная ситуация должна вызывать интерес обучающихся своей необычностью, неожиданностью, нестандартностью. Такие положительные эмоции, как удивление, интерес, служат благоприятным подспорьем для обучения. Одним из самых доступных и действенных методов достижения этого эффекта служит максимальное акцентирование противоречий: как действительных, так и кажущихся или даже специально организованных преподавателем с целью большей эффектности проблемной ситуации. 

Всегда ли обучающийся сам выходит из создавшегося познавательного затруднения? Как показывает практика, из проблемной ситуации может быть 4 выхода: 

– Учитель сам ставит и решает проблему.

– Учитель сам ставит и решает проблему, привлекая обучающихся к формулировке проблемы, выдвижению предположений, доказательству гипотезы и проверке решения.

– Обучающиеся самостоятельно ставят и решают проблему, но с участием и (частичной или полной) помощью учителя.

– Обучающиеся самостоятельно ставят проблему и решают ее без помощи учителя (но, как правило, под его руководством). 

Итак, основная цель создания проблемных ситуаций заключается в осознании и разрешении этих ситуаций в ходе совместной деятельности обучающихся и учителя при оптимальной самостоятельности учеников и под общим направляющим руководством учителя, а также в овладении обучающимися в процессе такой деятельности знаниями и общими принципами решения проблемных задач.

Метод проектов как основа STEAM-образования

Проект – это форма организации совместной деятельности педагога и обучающихся, совокупность приемов и действий в их определенной последовательности, направленной на достижение поставленной цели – решение конкретной проблемы, значимой для обучающихся и оформленной в виде некоего конечного продукта.

Проектная деятельность – способ достижения цели через детальную разработку проблемы, которая должна завершиться вполне определенным практическим результатом.

С чего же начинается любой проект – с обозначения проблемы.

Проблема – сложный вопрос, задача, требующие разрешения, исследования.

Можно выделить два типа проблем.

Проблема совершенствования – проблема возникает, когда что-то уже существующее не соответствует предъявляемым к нему требованиям.

Проблема производства нового – когда кто-то хочет создать то, чего ранее не было.

Профессионалы утверждают, что хорошо поставить проблему – значит, наполовину решить ее. [3, 110]

Старейшим методом поиска решений является метод проб и ошибок, он же метод перебора. Принцип этого метода можно описать, как бессистемное последовательное выдвижение и рассмотрение всевозможных вариантов решения поставленной проблемы. Важнейший недостаток метода – его низкая эффективность.

Проблема, с которой сталкиваются многие из нас при решении той или иной задачи, состоит в инерции мышления – в стремлении применить к новой задаче стереотипы, традиции, обусловленные опытом или историей.

Поэтому важным фактором является развитие нестандартного мышления – способности смотреть на вещи разными способами, понимая, что любой из них является одним из множества возможных и что необходим уход от установленного шаблона для переключения на лучший.

Нами отмечены следующие методики, позволяющие развивать у обучающихся креативность, оригинальность, творческий подход – инверсия, метод фокальных объектов, синектика.

Спроектировав решение, мы переходим к формулированию цели и обозначению образа продукта нашего проекта.

Цель – это образ желаемого результата, в котором, результат определен конкретно, т.е. задан так, что всегда можно сравнить фактически полученный результат с желаемым.

Требования к формулировке цели – 

1) соответствует определенной актуальной потребности; 

2) цель определена так, что всегда можно ее сопоставить с достигнутым результатом и благодаря этому  цель контролируема; 

3) она определяет сроки и место получения желаемого результата, т.е. отвечает на вопросы, где и когда будет получен желаемый результат; 

4) цель реалистична, т.е. содержит обоснование возможности своего достижения к установленному сроку. [2, 20]

Представление практического опыта. 3D моделирование

Сегодня 3D-моделирование широко используется в сфере маркетинга, дизайна и медицины, не говоря уже о промышленности. 3D-моделирование позволяет создать прототип будущего сооружения, коммерческого продукта в объемном формате. Важную роль 3D-моделирование играет при презентации проекта и демонстрации какого-либо продукта. Именно поэтому одними из самых нужных компетенций являются развитие у детей навыков программирования и 3D-моделирования, что позволяет освоить инновационные способы трехмерного проектирования, где дети могут познакомиться с технологией  Papercraft.  Также можно освоить навык создания визуализации 3D-моделей с использованием программного обеспечения разных графических редакторов TinkerCad, КОМПОС 3D, Blender, Autodesk AutoCAD и др. 

С помощью программ TinkerCad, КОМПАС 3D, Blender 3D, Autodesk AutoCAD реализуются межпредметные связи и интеграции STEAM-блоков, которые встречаются на уроках технологии и ИЗО в разделах по дизайну интерьера и реализуются через следующие проекты: «Кухня моей мечты», «Моя детская», «Интерьер, который мы создаем», «Территория приусадебного участка» и пр.

Продукт, созданный в этих программах, можно реализовать через 3D-принтер и через бумажные модели Papercraft. 

Принцип работы 3D-принтера состоит в том, что он создаёт трёхмерную модель по одному слою за раз, многократно печатая в одной и той же области. Устройство 3D-принтера позволяет ему работать в автоматическом режиме и создавать модель в течение нескольких часов, превращая чертёж в огромное количество двумерных слоёв в поперечном сечении. Вместо чернил принтер использует расплавленный пластик.

PAPERCRAFT

Papercraft или объемное моделирование можно применять не только в дополнительном образовании, но на уроках технологии и изобразительного искусства. Например, на уроке ИЗО, по программе 7 класса на протяжении учебного года дети знакомятся с дизайном и архитектурой в жизни человека, создают архитектурные и ландшафтные объемно-пространственные макеты. А в конце учебного года подводя итоги, объединившись в микро-группы, работают над созданием группового проекта «Ты-архитектор». Выполняют групповой макет части города со многими объектами, где применяем технологию Papercraft. В 6 классе по теме «Объемные изображения в скульптуре», создавая животных в объеме, также можно выполнить в технике Papercraft. В начальной школе, выполняя более простые по сложности модели Papercraft, также используем технику на уроках ИЗО. Например, во 2 классе по теме «Постройка и фантазия» конструируем из бумаги макеты фантастических зданий. В 4 классе, знакомясь с древними соборами и городами Русской земли, коллективно моделируем древнерусский город из бумаги, применяя Papercraft. По новым стандартам третьего поколения в предметной области «Технология» присутствует модуль «Бумага и ее свойства». 

Papercraft ( paper – бумага, craft – ремесло) – это объемные модели, заготовками для которых, служат особые выкройки, вырезаемые из картона или бумаги.

Papercraft  сравнительно недавно обрел популярность, но оригинальность и доступность данного направления привлекают к нему все больше внимания. Papercraft появился в Японии, но быстро распространился по всей Европе.

Бумажное моделирование — создание и изготовление бумажных образов (моделей) геометрических тел, рукотворных и нерукотворных предметов, живых (или воображаемых, сказочных) существ из бумаги и/или картона. Весьма широко распространено как вид деятельного отдыха, занятий по увлечениям, трудового воспитания и обучения.

Удачная модель с одной стороны достаточно проста для изготовления и повторения, с другой — хорошо узнаваема, напоминает исходный предмет (существо или наиболее яркие и узнаваемые их черты), который моделируют, достаточно удобна и долговечна в использовании и т. п.

На ряд моделей (особенно предметов техники) часто дополнительно накладывается требование сохранения пропорций моделируемого предмета, соответствие раскраски исходному образцу и т. п.

Большинство увлекающихся моделированием людей начинают свои занятия с изготовления моделей по готовым выкройкам или даже из наборов готовых деталей. Это даёт возможность постепенно познакомиться с наиболее распространёнными и отработанными приёмами и решениями моделирования, освоить их и на основе этого, при наличии желания и способностей, пробовать уже создавать разновидности известных, а затем и полностью собственные модели.

Для изготовления моделей из типовых наборов необходимо освоить основы чтения чертежа. Сборка модели требует и тренирует определённую целеустремлённость, усидчивость, внимательность. При этом естественное чередование согласованных движений рук и ума предупреждает местные перенапряжения и связанные с ним потерю интереса к учёбе и т. п. (что характерно для «обычной» исключительно теоретической учёбы).

Многие в будущем известные конструкторы и инженеры начинали своё знакомство с наукой и техникой с кружков моделирования. Среди них — академики А.С. Яковлев, С П. Королёв и другие. В автомобильной и авиационной инженерии распространена практика, когда сперва создают модели будущей техники и уже затем изготавливают полноразмерный предмет.

Используется бумага самых разных видов: от папиросной бумаги, до плотного ватмана (с односторонней или с двухсторонней окраской, однотонной или более сложной). Многие модели поставляются в виде готовых наборов с напечатанными выкройками (деталями), которые остаётся только вырезать и склеить. Но можно также собрать модель самостоятельно.

Из бумаги можно сделать модель едва ли не любого предмета или существа, но чаще всего создаются модели:

• зданий и других архитектурных сооружений (например, мостов);
• кораблей, самолётов, вертолётов, и другой военной и гражданской техники;
• геометрических тел (преимущественно симметричных: Платоновы и Архимедовы тела, Звёздчатые многогранники);
• несколько реже делаются бумажные образы (модели) людей, животных, растений, насекомых, кукол, роботов, сказочных персонажей и т. п.

Бумажные модели бывают плоские (контурные) и объёмные.

Контурная модель представляет собой вид моделируемого объекта сбоку, снабжённый подставкой для придания модели устойчивости. Это технологически самая простая разновидность моделей.

Объемная модель представляет собой трехмерную копию объекта. Плоскую бумажную выкройку сгибают по прямым линиям, а также в конусы и цилиндры. 

Заключение

STEAM-обучение — это инновационная методика, которая позволяет выйти на новый уровень совершенствования навыков у наших детей. С ее помощью мы сможем сформировать прогрессивную кадровую базу, которая позволит нам стать экономически независимой и конкурентноспособной страной.

Преимущества STEAM-образования:

– Интегрированное обучение по темам, а не по предметам.

– Применение научно-технических знаний в реальной жизни.

– Развитие навыков критического мышления и разрешения проблем.

– Формирование уверенности в своих силах.

– Активная коммуникация и командная работа.

– Развитие интереса к техническим дисциплинам.

– Креативные и инновационные подходы к проектам.

– Развитие мотивации к техническому творчеству через детские виды деятельности с учётом возрастных и индивидуальных особенностей каждого ребёнка.

– Ранняя профессиональная ориентация.

– Подготовка детей к технологическим инновациям жизни.

Список литературы

1. Аршанский Е. Я. STEAM-образование: от модели к практической реализации / Е. Я. Аршанский, Н. С. Сологуб // Адукацыя і выхаванне. – 2020. – № 9. – С. 22–30
2. Лазарев В.С. Проектная деятельность в школе : учеб. пособие для учащихся 7-11 кл. / В.С. Лазарев. – Сургут, РИО СурГПУ, 2014. – 135 с.
3. Организация проектной деятельности: учебное пособие / Е. В. Михалкина, А. Ю. Никитаева, Н. А. Косолапова ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2016. – 146 с.
4. Создание проблемных ситуаций в начальной школе: Учебно-методическое пособие / сост. Н. П. Клещеногова. – Кемерово: МБОУ ДПО «НМЦ», 2013. – 68 с.
5. «STEAM-компетентность как интегративное качество современного педагога», Е.Я.Аршанский, Н.С. Сологуб, 2022 г., Журнал – Веснік Віцебскага дзяржаўнага ўніверсітэта, 2022/4/13, 54-65 с. 
6. Учебно-методический комплекс по дополнительной профессиональной программе повышения квалификации «Методические основы STEAM образования», сост. кандидат педагогических наук, доцент Водолад С.Н., кандидат педагогических наук, доцент Гостева И.Н., кандидат педагогических наук, доцент Прокопова Н.С., старший преподаватель Ващекина Н.В.; Курск. гос. ун-т. – Курск, 2019. – 46 с.