Інтелектуальні конкурси зі STEМ – дисциплін як спосіб залучення учнів до дослідницької діяльності

Олександр Павлюченко
Херсонський державний університет, м. Херсон, Україна

У додатку до листа МОІППО № 869-16/02 від 05.10.2015 щодо впровадження STEM-освіти в загальноосвітніх навчальних закладах Миколаївської області зазначається, що стрімкий розвиток ІТ-галузі, робототехніки, нанотехнологій виявив потребу у висококваліфікованих фахівцях, а значить актуалізував гостру освітню потребу в якісному навчанні сьогоднішніх учнів технічним дисциплінам – математиці, фізики, інженерії, програмуванню.

Науково-орієнтована освіта школярів – це організація та підтримка цілеспрямованої пізнавальної діяльності учнів ЗНЗ щодо формування у них умінь та навичок здійснення наукових досліджень. Одним із напрямів інноваційного розвитку природничо-математичної освіти є система навчання STEM , завдяки якій в учнів розвиваються дослідницькі вміння, технічна грамотність, творче і критичне мислення, риси винахідника.

В Україні сформувалася власна система роботи з інтелектуально обдарованою молоддю: інтелектуальні конкурси, олімпіади; мережа спеціалізованих ліцеїв, випускники яких демонструють високі результати, у тому числі й зі STEM - дисциплін; система позашкільної освіти. Це той трикутник, на базі якого, за думкою вітчизняних вчених, потрібно вибудовувати систему STEM – освіти, впроваджувати принципи наукового й інженерного методів в освіту школярів. Проте слабка матеріальна база шкіл утруднює цей процес.

Одним із шляхів реалізації принципів STEM – навчання у ЗНЗ може стати поєднання шкільної і університетської експериментальних баз та кадрового потенціалу. У межах цієї ідеї кафедрою фізики та методики її навчання Херсонського державного університету у 2014 році було започатковано проведення конкурсу для учнів старшої школи «Перші кроки в нано-світ». До цілей і основних завдань конкурсу включено:
- формування інтересу до вивчення фізики і популяризація її в загальноосвітніх навчальних закладах міста Херсона і області;
- сприяння реалізації компетентнісного, особистісно-зорієнтованого і діяльнісного підходів у шкільній фізичній освіті;
- підтримка ініціативи учнів самостійно займатися науково-дослідною роботою;
- сприяння формуванню в учнів старшої школи наукового стилю мислення, критичності й творчості у розв’язанні життєвих і наукових проблем;
- удосконалення роботи з шкільною молоддю через залучення учнів до застосування сучасних технологій у дослідженні природних явищ за такими напрямами як науково-технічний та дослідницько-експериментальний;
- налагодження більш тісних та продуктивних зв’язків між загальноосвітніми навчальними закладами і кафедрою фізики та методики її навчання ХДУ для розв’язання профорієнтаційних проблем.

Участь у конкурсі передбачає:

відвідування "Відкритої лабораторії з нанотехнологій" (створеної на кафедрі), знайомство з її обладнанням: тунельним мікроскопом, приладом електрохімічного загострення зондів, інтерферометром Майкельсона, металографічним мікроскопом МИМ-8;
виготовлення власного зразка надгострого вольфрамового зонду і дослідження його форми оптичним мікроскопом (фотографування);
сканування на тунельному мікроскопі запропонованого лабораторією  тестового зразка (за допомогою витравленого зонду для перевірки його якості);

самостійне розробляння методики і виготовлення зразка, який містить утворення з розміром нанометрового діапазону (наприклад: вуглецеві частинки на металі);

дослідження власного зразка металографічним мікроскопом МИМ-8, для подальшого порівняння з результатами, здобутими на тунельному мікроскопі;

сканування на тунельному мікроскопі власного зразка (за допомогою витравленого зонду). Примітка: результати сканування зберігаються у форматі *.ВМР і видаються команді для подальшої обробки (при собі мати FLASH-пам’ять);

первинну перевірку сканованих зображень і консультацію викладача кафедри по роботі з програмою Gwyddion;

обробку отриманих даних зі сканування за допомогою програмного забезпечення (виконується самостійно в домашніх умовах).

До завдань, які мають виконати учасники команд до звітного етапу конкурсу, включено: виготовлення зонду електрохімічним травленням (з матеріалів лабораторії); сканування поверхні тестового зразка, запропонованого лабораторією; здійснення металографічного і тунельного дослідження поверхні об’єкту або зразка виготовленого самими учасниками; підготовка звітної документації у електронному вигляді.
Після проведення захисту і презентації отриманих результатів сканування журі підбиває підсумки і визначає переможців у номінаціях:
найкращий зонд; найкращий вуглецевий зразок; найкращий напівпровідниковий зразок; найкращий металевий зразок.

Як засвідчив досвід проведення конкурсу «Перші кроки в нано-світ»:

а) під час виконання запропонованих завдань вчителі і учні працюють разом, опановують нові технології отримання й обробки даних фізичного експерименту, вивчають наукову літературу, обговорюють її;
б) учні набувають досвіду з проектування, підготовки й проведення фізичного експерименту; навчаються застосовувати комп’ютер як засіб фізичного дослідження нанооб’єктів і обробки отриманих результатів;
г) робота з нанооб’єктами викликає захоплення, подив і позитивні емоції в учнів і вчителів.