Технология на обучението по физика и астрономия с елементи на бионика в професионални гимназии по дизайн

Статията анализира въвеждането на фундаменталната физика в обучението по дизайн, като педагогически метод, който внася интердисциплинарност в часовете по физика и астрономия в 8. клас. Предложената в статията технология е тясно свързана с професионалното развитие на учениците от паралелки по дизайн, има иновативен характер, обхваща всички урочни единици, заложени в общообразователната програма. Представя работен шаблон към всяка методическа единица, както за ученика, така и за учителя. В статията са представени междупредметните връзки на ниво афективност, рефлексивност, когнитивност, практичност и творчество.  Разгледани са различни иновативни технологии и възможностите, които предлагат те, като са адаптирани към използването на съвременните учебни помагала. Използването на предложената технология в обучението по физика и астрономия с елементи на бионика ще послужи като плодороден материал за мобилизиране на вниманието на учениците, за превръщане на абстрактните формулировки в нещо конкретно и близко, засягащо не само интелектуалната, но и емоционалната сфера.

Бързото нарастване на ролята на науката в съвременния свят изисква от бъдещия специалист в областта на дизайна да притежава значително ниво на теоретични знания и практически умения за провеждане на научни изследвания и ефективната им организация. Вземането на адекватни решения става възможно само чрез използването на големи количества натрупани знания, които могат да бъдат включени в процеса на провеждане и реализиране на дизайнерската идея. За бъдещия специалист способността да организира изследователска дейност и ефективно да използва вече известни научни разработки става все по-важна. В конкурентната среда се печели от онези, които могат да превърнат идеите си в реалност, които умеят да произвеждат и използват знания.

Задачата на съвременното образование не е просто предаването на знания или превръщането на знанието в инструмент за творческо развитие на света, а на настоящия етап от развитието на обществото, изисква запазване и развитие на личните качества на ученика. На преден план излизат развитието на неговия творчески потенциал и интелигентност, жизнено-ценностни ориентации.

Остава открит въпросът как целенасочено да се развива интелектът на ученика, неговото творческо мислене, да се формира научен мироглед и активна житейска позиция с помощта на специални педагогически средства. Това е проблем номер едно на съвременните иновативни търсения. Обновяващото се училище се нуждаеше от методи на преподаване, които:

• Да формират активна, самостоятелна и инициативна позиция на учениците в обучението;
• Да развият преди всичко общообразователни умения и способности: изследователска, рефлексивна, самооценъчна;
• Да формират не просто умения, а компетенции, т.е. умения, пряко свързани с опита от прилагането им в практически дейности;
• Да бъдат приоритетни за развитие на познавателния интерес на учениците;
• Да прилагат принципа за свързване на ученето с живота.

 

Водещото място сред подобни методи, намиращи се в арсенала на световната и родната педагогическа практика днес, принадлежи на метода на проекта. Свободата, която дава този метод формира и собствените виждания на учителя при прилагането му. Предвид и това, че характерна особеност на съвременната наука е интензивното взаимно проникване на идеи и теоретични подходи, присъщи на различните дисциплини, то погледът, който предлагам е интегриран подход в обучението по физика и астрономия в VIII клас на професионални гимназии по дизайн. Тази интеграция важи особено за физиката, химията, биологията и математиката. Методите на физичното изследване се използват широко при изследването на живата природа и дизайна.

Съвременният човек, обградил се с много сложни машини, живеещ в свят на високи скорости, трябва да отдаде „поклон“ на природата. Защо? Защото и сега човекът забелязва много предимства в творенията на природата. Наистина, живата природа има най-сложните материали, устройства, технологични процеси в сравнение с всички известни до момента творения на човека. Анализирайки и сравнявайки физичните процеси, свързани с природните явления, обърнах внимание на такава наука като биониката.

Биониката започва от биологичния „прототип“, разработва такива модели, които имат конкретно практическо приложение (т.е. използването само на най-добрите постижения на живата природа в технологиите). Биониката е една от синтетичните дисциплини, която съчетава почти всичко, което е включено в понятието „Естествена наука“ днес. Биониката е наука, граничеща между биология и технология, решаваща инженерни проблеми и задачи въз основа на моделиране на структурата и живота на организмите. Биониката е тясно свързана с биологията, физиката, химията, кибернетиката и инженерните науки – електроника, навигация, комуникации, морско дело и др. Тази връзка е в основата на съдържанието на моя педагогически опит „Технология на обучението по физика и астрономия с елементи на бионика в паралелки по дизайн“.

Друга важна особеност на биониката е тясната ѝ връзка с биофизиката, която изучава възможността за използване на биологичните закони в технологиите за подобряване на качеството и разширяване на функциите на системи, машини, устройства. Инженерните проблеми започват да се решават въз основа на анализ на структурата и жизнената дейност на организмите.

Разработвайки технологията, си поставих следните цели:

• Запознаване на учениците с основните тенденции в развитието на съвременната наука в областта на биониката;
• Създаване на обща картина на света в съзнанието на учениците с неговото единство и разнообразие от свойства на неживата и живата природа;
• Създаване на условия за по-добро усвояване на курса по физика и астрономия чрез включване на биофизичен и бионичен материал;

 

Способността за организиране на проектни дейности на учениците е показател за високата квалификация на учителя, способността му да използва развиващите се технологии на обучение. Важна роля играе прилагането на творчески методи, сред които е и евристиката, която помага да се разбере науката и която изгражда продуктивното творческо мислене. Развитието на творческото въображение, намирането на нетривиални начини за решаване на творчески дизайнерски проблеми, преодоляване на психологическата инерция, е възможно чрез прилагането на бионичен метод на проекта.

Бионичният метод се състои в анализ на конкретни обекти на биониката. Например, механиката на крилата на насекоми може да предостави свежи идеи за проектиране на обекти с клапи, наслояване или трансформиращи части. Сиянието на някои насекоми подтиква към идеята за разработване на обувки и облекло с вградени светещи в тъмното елементи (спортно облекло: якета, маратонки). Бионичният подход в дизайна  позволява да се получат необикновени решения за структурни единици, нови повърхностни свойства и текстури.

Технологията на обучение по физика и астрономия в VIII клас с елементи на бионика включва метода на проектното обучение, който е свързан с разделяне на учебното съдържание по физика и астрономия в VIII клас на девет модула, логически свързани помежду си съгласно учебната програма и в същото време се състои от четири блока, които съдържат основни бионични демонстрации, практическа работа, творческа задача свързана с изготвянето на модели, устройства, нагледни пособия, които се събират в интерактивни тетрадки – албуми. Това дава възможност да се изучи както целия курс по физика и астрономия в VIII клас, така и на отделни блокове по месеци да се предостави възможност учениците да представят готов продукт от проектната си дейност –  изследователско портфолио. В блок „Механика и бионика“ са включени три модула – „Кинематика и бионика“, „Динамика и бионика“, „Статика и бионика“. В блок „Хидростатика и бионика“ избраните модули са – „Налягане и бионика“, „Налягане на течности и газове в бионични системи“, „Архимедовата сила и биониката“. В следващия блок „Работа и енергия на бионичните системи“ се залага на бионичните методи за пестене на енергия, енергетичният подход за решаване на бионични изследователски задачи. „Термодинамика и бионика“ е блок, който включва „Топлинни явления и бионика“, „Изопроцеси и бионика“, „Топлинни машини в живата природа“. Използват се технологиите за представяне на проблеми с елементи на разширено обучение, действен подход, базиран на практическия опит на учениците. Работата по проектите е групова от трима ученици и протича по предварително зададен работен лист. По време на работа по проектите учениците и учителят имат следните дейности, представени в таблица 1.

№	Етапи на работа	Задачи	Съдържание	Дейности на ученика	Дейности на учителя
1	„Потапяне в проекта“	Подготовка	1. Определяне на тема и цели на проекта. 2.  Оценка на интелектуалните и материалните възможности.	Обсъждат проекта с учителя и при необходимост получават информация, определят целите на проекта.	Запознава учениците със идеята на проектния подход и мотивира поставянето на цели.
2	Организационни дейности	Планиране	1. Разпределяне на ролите в рамките на проекта. 2. Избор на източници на информация 2. Избор на начин за събиране и анализиране на информация. 3. Избор на начин за представяне на резултати.	Начертават план за действие, формират задачи.	Разпределя ролите в рамките на проекта на случаен принцип. Предлага идеи, изказва предположения.
3	Осъществяване на дейността	Изследване	1. Събиране на информация, решаване на възникващите проблеми. Основни методи на работа: подбор на материали, наблюдение и експерименти. 2.  Анализ на информацията и формиране на изводи.	Изпълняват изследването, решават възникващите проблеми, анализират информацията.	Наблюдава, съветва, косвено ръководи дейността.
4.	Презентация на проекта	Представяне и защита на проектната работа.		Участват в представянето, самооценяват се и оценяват останалите от групата.	Оценява усилията на учениците, качеството на работата и на използваните източници, както и качеството на презентацията на проекта.

Таблица 1.  Дейности на учениците и учителя по време на проектната работа

Всяка група работи по определения модул, като учениците в групата се подбират от учителя по критерии успех и личностни качества. Всеки модул е един вид „парче“ от пъзел, като в края на учебната година се сглобява крайният продукт и се оформя в предложената технология като изследователско портфолио – „Биомеханичен паспорт на котка“. Например, ученици които работят по модул „Налягане и бионика“ получават работен лист със зададени в него инструкции за работа. (Приложение 1).

След приключване на определен модул се провеждат  семинари (в уроците за обобщение на знанията и уменията), в които групите демонстрират и защитават изследователската си дейност.

Много важна е практическата част на технологията, която осигурява запознаване на учениците с експерименталния метод за изучаване на природата. Практическата работа, която заема една трета от цялото време на обучение, се извършва под формата на малки независими наблюдения, експерименти, проучвания, които развиват способността за изграждане на изследователски план, описват механизма на явление въз основа на неговия работен модел, провеждат експеримент, наблюдения, представят резултатите от работата под формата на работен шаблон, в който присъстват графики, таблици, диаграми.

Смятам, че преди да потопим учениците в дизайн, създаден от инструментите за компютърно проектиране, първо е важно да познават процеса на инженерно и дизайнерско проектиране. Наличието на практически познания за процеса на инженерно проектиране ще позволи на ученици да скицират, чертаят и обмислят. Тази дейност ще  даде поглед върху това, което инженерите и дизайнерите в реалния свят правят, преди дори да поставят писалка върху хартия. Каква е ролята на физиката в рамкирането на дизайнерската работа? Противно на това, което може да се очаква, физикът не е там, за да запълни празнините в знанията по физика. Въвеждането на физика в обучението по дизайн чрез бионика не е основно заради „съдържанието“, нито е изцяло заради физиката. Например, ако някои ученици са по-знаещи по физика в края на обучението, отколкото в началото, то целта на технологията не е да ги отклони от дизайна в посока физика, в движение от „некомпетентност“ към „компетентност“, а напротив. В тази технология интердисциплинарността на дизайна не разчита на илюзията за универсално познание в рамките на един човек или дори на група, нито цели да се добави изцяло нова терминология. Интердисциплинарността не е „инструментална“ в смисъл, че физиката като наука ще се нуждае от дизайн, за да постигне някои от целите си, или дизайнът ще използва физиката, за да преследва своите задачи.

Фокусът на предложената технология е интелектуален и познавателен. Следователно тя решава основната задача за подобряване на способността за използване на съвременни инструменти и практическо прилагане на резултатите от решаването на проблема, както и за запознаване с методите на работа в началния етап на изследователската дейност. Към всяка урочна единица в рамките на учебния час се прилагат елементи на бионика, заключени под формата на предварително подготвен от учителя работен шаблон, в който е зададен модел на работата, етапи и последователност от действия, методи и форми на конструиране, обобщения и изводи. Темата на урока се представя съгласно тематичния годишен план и съдържа изследователска или изобретателска задача с елементи на бионика. Елементът на бионка е конструиран по следния начин и обособен в работен шаблон:

 

ЖИВ АНАЛОГ

Да се опише „жив патент“ на природата. Да се покаже снимка, демонстрация, видео.

 

Пример на модели, направени от ученици

Показване на снимки на готови модели изработени вече от ученици (при наличност).

 

Как да го направим?

Майсторим конструкция;

Материали;

Продукт;

Аналози в природата.

 

ИЗОБРЕТАТЕЛСКА ЗАДАЧА:

В света около нас има много „патенти на природата“, просто трябва да разгледате живите организми. Може ли човек, гледайки тези природни структури и устройства, да заимства  идеи за създаване на технически, инженерни, архитектурни, дизайнерски структури?

ТЕОРЕТИЧНА ИНФОРМАЦИЯ

Теоретично описание на природно явление.

ОПИТИ. ЕКСПЕРИМЕНТИ.

Провеждане и изясняване на експерименти и опити свързани с темата по физика и работа на модела.

ОТГОВОР НА ИЗСЛЕДОВАТЕЛСКАТА ИЛИ ИЗОБРЕТАТЕЛСКАТА ЗАДАЧА

Посочват се примери за структури, конструкции, технологии и др. създадени според „патента на природата“; примери за инженерни проблеми, решени чрез бионичния метод, вглеждайки се в „тайните на природата“.

 

Разработен е работен шаблон -„Алгоритъм за ученици“ (Приложение 2), който е еднотипен (в един и същ формат). В хода на урока на учениците се въвеждат бионични елементи по зададения шаблон. Към всеки урок има и работен шаблон „Методически насоки за учителя“. (Приложение 3)

Друг вариант на работа, който може да се предложи, е демонстрация на готов технологичен модел и да се даде информация за неговия „жив аналог“. Например, задачата „Тайната на кълвача“. При изучаване на темите от „Динамика и бионика“ (тегло, безтегловност, претоварвания), запознавам учениците с ускоренията, които човек среща в различни житейски ситуации. Технологичният модел е скрит в кутия и се обяснява, че това, което е в кутията е резултат от наблюдения и изследвания на движението на главата на кълвача. Какво има в черната кутия? (Отваря се кутия, шлем на астронавт). Обяснява се, че когато кълвач търси насекоми или подготвя хралупа за гнездо, клюнът му може да издълбае дървото със скорост 7 m/s при удар. Пълният цикъл на удар с клюн продължава само 0,001 s или по-малко, а претоварването в края на всеки удар достига 1000*g. Мозъкът на птицата обаче никога не се наранява! Оказва се, че тайната се крие в това, че главата на кълвача се движи само напред-назад в една равнина, без никакви странични измествания. В тази връзка физиците и дизайнерите на подобна защита, дават идеята да подобрят защитните шлемове на астронавтите, като ги проектират по такъв начин, че да ограничават страничните движения, което се постига чрез специални скоби за врата.

Използването на предложената технология в обучението по физика и астрономия с елементи на бионика ще послужи като плодороден материал за мобилизиране на вниманието на учениците, за превръщане на абстрактните формулировки в нещо конкретно и близко, засягащо не само интелектуалната, но и емоционалната сфера.

ПРИЛОЖЕНИЯ