«Формирование инженерного мышления на уроках математики и физики и во внеурочное время»

МОАУ «Средняя общеобразовательная школа №86» г. Оренбург

«Формирование инженерного мышления на уроках математики и физики и во внеурочное время»

Введение

     В условиях современного общества, характеризующегося стремительным развитием науки и технологий, формирование инженерного мышления у школьников становится одной из ключевых задач образовательного процесса. Инженерное мышление включает в себя способности к анализу, проектированию и реализации решений для практических задач, что является необходимым для успешной профессиональной деятельности в будущем. В соответствии с Федеральными государственными образовательными стандартами (ФГОС) для среднего и общего образования, образовательные учреждения обязаны обеспечивать не только глубокие знания в области науки, но и формирование у учащихся универсальных учебных действий, включая критическое мышление, креативность и способность к самостоятельному решению проблем.

   Современное российское образование требует от учащихся умения применять полученные знания на практике. В этом контексте особое внимание следует уделить формированию инженерного мышления на уроках физики, где учащиеся могут непосредственно взаимодействовать с физическими законами и принципами. Уроки физики  и математики предоставляют уникальную возможность для развития навыков критического мышления, креативности и способности к командной работе, что является основой для подготовки будущих инженеров и специалистов в различных областях. ФГОС подчеркивает важность интеграции теоретических знаний и практических умений, что позволяет учащимся не только усваивать материал, но и применять его в реальных ситуациях.

   Актуальность темы заключается в необходимости подготовки учащихся к вызовам современного мира, где инженерные и технические навыки становятся все более востребованными. Формирование инженерного мышления в школьном возрасте способствует развитию умений, необходимых для успешной адаптации в быстро меняющемся технологическом окружении. В условиях глобализации и цифровизации экономики, умение работать с новыми технологиями и находить инновационные решения становится критически важным.

   Цели и задачи заключаются в создании системы мероприятий, направленных на развитие инженерного мышления у школьников через интеграцию теоретических знаний и практических навыков в процессе обучения физике.

   Основные задачи включают:

-разработку методических рекомендаций для учителей физики и математики;

-создание программ внеурочной деятельности, направленных на развитие инженерного мышления;

-внедрение проектной деятельности и практических заданий в учебный процесс.

   Ожидаемые результаты включают:

-повышение уровня интереса учащихся к физике и инженерным дисциплинам;

-развитие навыков критического мышления, креативности и командной работы;

-формирование у школьников способности к решению практических задач и проектированию, что будет способствовать их успешной профессиональной деятельности в будущем.

Таким образом, данная система работы направлена на создание условий для эффективного формирования инженерного мышления у школьников через интеграцию теоретических знаний и практических навыков в процессе обучения физике, математике на уроках и во внеурочной деятельности. Это позволит не только повысить качество образования, но и подготовить учащихся к успешной карьере в условиях современного технологического прогресса.

    Глава 1. Теоретические основы формирования инженерного мышления у школьников

   1.1. Понятие «инженерное мышление» и необходимость формирования инженерного мышления у школьников на современном этапе развития российского образования

   Инженерное мышление — это комплекс навыков и умений, позволяющих эффективно решать практические задачи, используя научные знания и технологии. Оно включает в себя критическое мышление, креативность, умение работать в команде и применять теоретические знания на практике. Формирование инженерного мышления у школьников на современном этапе является необходимым, поскольку:

-Востребованность профессий. В условиях стремительного развития технологий и науки инженерные профессии становятся все более актуальными. Умение мыслить, как инженер открывает перед учащимися широкие возможности для карьерного роста.

-Комплексный подход к обучению. Современное образование требует от учащихся не только теоретических знаний, но и практических навыков, что делает инженерное мышление важным элементом образовательного процесса.

-Развитие личностных качеств. Инженерное мышление способствует развитию таких качеств, как настойчивость, ответственность и умение работать в команде.

   Формирование инженерного мышления на уроках физики и во внеурочное время на занятиях «Кванториума», включая технические направленности, такие как «3D моделирование», «Робототехника» играют ключевую роль в подготовке учащихся к будущей профессиональной деятельности. Эти занятия позволяют школьникам не только углубить свои знания в области физики, математики и информатики, но и развить практические навыки, необходимые для решения реальных задач.

1.2 Развитее и преемственность инженерного образования на ступенях общего развития

   Школьное инженерное образование – это не увеличение числа часов для углублённого изучения предметов. Это расширение практического содержания программ для развития навыков инженерной деятельности, отвечающих потребностям будущих работодателей.

Таблица 1. Инженерное образование в школе

1.3. Организация проектной деятельности как средство развития инженерного мышления обучающихся

   Проектная деятельность представляет собой один из самых эффективных способов формирования инженерного мышления у школьников. Она включает в себя несколько ключевых моментов

   Первый момент — выявление проблемы. Учащиеся учатся находить реальные задачи и формулировать вопросы, которые требуют решения. Это может касаться как улучшения существующих технологий, так и разработки новых решений для актуальных вызовов. На уроках физики и в кружках технической направленности ребята могут работать над проектами, связанными с физическими явлениями и инженерными задачами.

   Следующий шаг — исследование и анализ. На этом этапе обучающиеся занимаются сбором информации и ее анализом, включающий изучение литературы, проведение опросов и анализ существующих решений и технологий. Школьники учатся работать с различными источниками, что развивает их аналитические способности и умение делать обоснованные выводы.

   Далее идет разработка решений. Обучающиеся создают проекты, разрабатывают прототипы и модели, что способствует развитию креативности и практических навыков. На занятиях «Кванториума» ребята могут использовать современные технологии для реализации своих идей, включая 3D-печать, программирование и различные инженерные инструменты. Указанные ресурсы позволяют им не только генерировать идеи, но и воплощать их в жизнь.

   Завершающий этап — представление результатов. Ученики учатся демонстрировать свои проекты. Презентация может включать создание визуальных материалов, таких как слайды, постеры или видеоролики, а также устное выступление перед аудиторией. Участие в этом этапе помогает обучающимся научиться аргументировать свои идеи и получать обратную связь, являющуюся важным аспектом их личностного и профессионального роста.

   Проектная деятельность помогает не только применять теоретические знания на практике, но и развивает способность работать в команде, являясь важным аспектом инженерного мышления. Успешное завершение проектов способствует повышению мотивации и интереса к учебе, поскольку это особенно значимо в контексте уроков физики и внеурочной деятельности.

1.4. Физический эксперимент и экспериментальные задачи как средство развития инженерного мышления школьников

   Физический эксперимент и решение экспериментальных задач играют основных ролей в формировании инженерного мышления. Эти практические занятия предоставляют обучающимся уникальную возможность

   Первое — проверка теоретических знаний. Практическое применение законов физики и инженерных принципов позволяет увидеть, как теория реализуется в реальной жизни, что способствует более глубокому пониманию материала. На уроках физики эксперименты охватывают различные области, такие как механика, термодинамика, электричество, оптика и т.д., делая обучение более интерактивным и увлекательным.

   Следующий аспект - развитие навыков наблюдения и анализа. Учащиеся учатся внимательно следить за явлениями, делать выводы и формулировать гипотезы. Этот процесс включает умение задавать правильные вопросы и искать на них ответы, являющиеся основой научного подхода.

   Третий момент связан с работой с оборудованием. Использование лабораторного оборудования и цифровых технологий помогает развивать практические навыки и уверенность в обращении с техническими средствами.

   Четвертое направление касается решения реальных задач. Экспериментальные задачи часто связаны с актуальными проблемами, что делает обучение более значимым. Данные задачи могут включать вопросы, связанные с экологией, энергосбережением и строительством, где физика и инженерия играют важную роль. Работая над такими задачами, учащиеся развивают технические навыки и социальную ответственность.

   Таким образом, физический эксперимент и экспериментальные задачи способствуют углублению знаний по физике и развитию инженерного мышления, являясь важными для будущей профессиональной деятельности учеников. Ребята, активно участвующие в экспериментальной деятельности, становятся более уверенными в своих способностях и готовыми к решению сложных задач в будущем.

1.5. Технологические классы

   Главное отличие технологических классов от обычных заключается в технологии и содержании образовательного процесса. Он реализуется через сетевое взаимодействие, направленное на сотрудничество с вузами и предприятиями, в основе которого лежат такие формы работы, как исследования и проектная деятельность. Система специализированных классов не только способствует решению проблемы недостатка специалистов технического направления, но и усиливает общее образование за счет применения новых методик и современного оборудования.

   Современные требования к инженерному образованию предполагают подготовку профессионалов, способных проектировать, производить и применять комплексные инженерные объекты, готовых к творческой работе в команде. Более того, у инженера должны быть компетенции, позволяющие управлять всеми этими процессами. Школа может и должна подготовить обучающихся к этому, став первой ступенью в освоении современных инженерных специальностей.

   Основная цель образовательной деятельности технологического класса заключается в создании условий для мотивации детей к получению инженерного образования в будущем. Реализация данной цели достигается через решение следующих задач:

- создание условий для развития физически здоровой, духовно, нравственно и интеллектуально развитой творческой личности с высоким гражданским самосознанием и созидательным потенциалом, готовностью к обучению на протяжении всей жизни;

- достижение высокого уровня учебной мотивации в изучении предметов физико-математического цикла, информационных технологий, конструирования и проектирования с выходом на научно-исследовательскую и научно-практическую составляющую;

- формирование устойчивого интереса к практико-ориентированным курсам, прикладным, изобретательским и творческим работам;

- развитие у школьников навыков практического решения актуальных инженерно-технических задач и работы с техникой в условиях высокотехнологичного мегаполиса;

- формирование ключевых компетенций, необходимых для дальнейшего образования;

- обеспечение высокого качества образовательной подготовки учащихся для продолжения обучения в профессиональных высших учебных заведениях, осуществляющих подготовку специалистов инженерных профессий;

- расширение материально-технической базы;

- внедрение в воспитательную внеурочную работу мероприятий инженерно-технологической направленности;

- в рамках дополнительного образования создание групп, обучающихся по интересам в контексте инженерно-технологического профиля.

   Формирование инженерного класса или группы целесообразно начинать уже с 6-7 классов. Это связано с необходимостью высокого уровня подготовки к инженерным конкурсам и олимпиадам, а также конкурсному поступлению в специализированный технологический 10 класс. Учащиеся смогут реально оценить свои силы и разумно подойти к выбору будущей профессии. 10-11 классы представляют собой профильный уровень школьного инженерного образования, где обязательным элементом учебных планов является выполнение индивидуальных инженерных учебных проектов.

   Учебный план для специализированного инженерного класса обеспечивает реализацию Федерального компонента государственного образовательного стандарта (ФГОС), а также включает часы внеурочной деятельности, позволяющие углубить знания по предметам профильного направления и сформировать базовые компетенции, необходимые для успешной профессиональной деятельности в будущем.

 Глава 2. Методы формирования инженерного мышления школьников на уроках и во внеурочной деятельности по физике

   2.1. Метод проектов как средство развития инженерного мышления обучающихся при обучении физике

   Метод проектов является одним из наиболее эффективных способов формирования инженерного мышления у школьников. Он позволяет учащимся не только применять теоретические знания на практике, но и развивать навыки критического мышления, креативности и командной работы. Проектная деятельность способствует более глубокому пониманию предмета и формирует у учащихся уверенность в своих силах. Метод проектов позволяет на практике с помощью имеющихся знаний получить реальный результат. Рассмотрим примеры проектов, которые помогут формировать компоненты инженерного мышления обучающихся: технический (умения работать с оборудованием, собирать экспериментальные установки), исследовательский (анализировать и исследовать теоретический материал и результаты опытов), конструктивный (умение строить план решения, выбирать способы и методы разрешения проблемы), экономический (поиск способов более широкого применения продукта, более экономичного производства).

Например, проект «Зеленая энергетика» имеет целью создание вертикального ветроколеса, а также проведение исследования в области ветряной энергетики. Этапы работы включают изучение принципов работы вертикальных ветроколес, анализ физических законов, связанных с преобразованием энергии ветра, разработку чертежей и выбор материалов для постройки модели, сборку и тестирование модели, а также анализ результатов и обсуждение возможных улучшений конструкции. В результате учащиеся учатся работать в команде, анализировать эффективность своих конструкций и вносить изменения для улучшения результатов.

   Другим примером является проект «Солнечные печи», целью которого является разработка и создание солнечной печи для приготовления пищи. Этапы работы включают изучение принципов работы солнечных печей и физических основ, связанных с преобразованием солнечной энергии, выбор материалов (например, фольга, картон, стекло) и проектирование печи, постройку печи и тестирование ее эффективности в различных условиях, а также презентацию результатов и обсуждение, какие конструкции были наиболее эффективными и почему. В результате обучающиеся развивают навыки проектирования, работы с материалами и анализа результатов.

2.2. Использование экспериментальных задач по физике с целью формирования инженерного мышления школьников

     Экспериментальные задачи позволяют учащимся применять теоретические знания на практике, развивая их инженерное мышление Решая экспериментальные задачи, обучающиеся могут убедиться на конкретных примерах, что их знания вполне применимы к решению практических вопросов, и что с помощью их школьных знаний можно предвидеть физические явления, связывая полученную на уроках теорию с практическими действиями. Таким образом, их книжные знания приобретают реальный смысл. Эти задачи могут быть связаны с реальными проблемами и ситуациями, что делает обучение более актуальным и интересным.

   Например, задача «Измерение ускорения свободного падения» имеет целью определить ускорение свободного падения с помощью простого эксперимента. Учащиеся выбирают различные предметы (например, мяч, книгу) и измеряют высоту, с которой они будут падать. С помощью секундомера фиксируют время падения каждого предмета. Используя формулу g= ​, где h — высота, t — время, они рассчитывают ускорение свободного падения. Затем сравнивают полученные результаты с теоретическим значением (приблизительно 9.81 м/с²) и анализируют возможные источники ошибок. Таким образом, обучающиеся учатся проводить эксперименты, анализировать данные и делать выводы, что укрепляет их понимание законов физики.

Другой пример — задача «Определение коэффициента трения», цель которой — исследовать, как различные поверхности влияют на коэффициент трения. Учащиеся выбирают различные материалы (дерево, металл, резина) и проводят эксперимент, используя наклонную плоскость. Они измеряют угол наклона, при котором предмет начинает скользить, и рассчитывают коэффициент трения с помощью формулы μ=tg(α), где α — угол наклона. Это позволяет обучающимся осознать, как текстура и материал поверхности влияют на трение, что помогает им применять эти знания в реальных ситуациях.

   Еще одна задача — «Изучение законов сохранения энергии», где учащиеся создают модель системы, в которой происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую. Например, они могут использовать катапульту для запуска небольшого объекта и измерять высоту, на которую он поднимается, и расстояние, на которое он летит. В результате анализа различных параметров (угол запуска, масса объекта) обучающиеся лучше понимают законы сохранения энергии.

   Еще одна задача — определение давления, которое оказывает тело на пол или кровать. Для решения необходимо определить площадь давящей поверхности (стопы или тела в лежачем положении) приближенно, умножив длину на ширину, а также определить силу, действующую на тело (для этого нужно знать массу). Затем сила делится на площадь по формуле давления. Ученики могут также рассмотреть способы уменьшения или увеличения давления на пол. В ходе решения они понимают, как можно уменьшить или увеличить давление, что имеет практическое значение в повседневной жизни.

   Наконец, задача по определению высоты потолка в классе, дереве, столбе, водонапорной башне или здании с помощью зеркала. Для этого потребуется зеркало и лист бумаги в клеточку. Решение заключается в использовании закона преломления света. Учащиеся располагают зеркало на полу на некотором расстоянии от стены и определяют высоту потолка, наблюдая за отражением. В этой задаче применяются оптические законы для решения практических задач, что развивает их навыки в области физики.

   Данные примеры демонстрируют, как экспериментальные задачи помогают не только углубить свои знания по физике, но и развить навыки, необходимые для решения реальных проблем.

2.3. Оценивание уровня развития инженерного мышления обучающихся

   Уровень развития инженерного мышления у школьников является важным аспектом образовательного процесса. Это позволяет учителям выявлять сильные и слабые стороны учащихся, а также корректировать методы обучения. Инженерная деятельность имеет свои особенности и отличается от других видов деятельности. Например, она отличается от технической, так как последняя больше основывается на опыте и практических навыках, в то время как инженерная деятельность опирается на научные знания. Также инженерная деятельность отличается от научной по своей цели: наука стремится расширить познания, тогда как инженерная деятельность направлена на создание реальных приборов и процессов, полезных людям. Ученый изучает существующее, а инженер создает новое. Главное отличие между ними заключается в том, над чем они работают, и в конечном результате их труда.

   Инженерная деятельность, по своей роли в общественном производстве, является производительным трудом, который непосредственно участвует в создании национального дохода. Основная цель инженерной деятельности — повышение эффективности и продуктивности различных видов деятельности, включая научную, инженерную, сельскохозяйственную, индустриальную, медицинскую и политическую, через технологизацию на более высоком уровне.

   При использовании экспериментальных задач и метода проектов на уроках важно учитывать несколько факторов. К ним относится тщательный подбор необходимого оборудования, избегание незнакомых для обучающихся установок, создание проблемных ситуаций, связь задач с реальной жизнью, учет индивидуальных особенностей учащихся, направленность задач на освоение новых действий и вовлечение всех обучающихся в решение задач для эффективного развития инженерного мышления.

   В заключение, экспериментальные задачи играют ключевую роль в формировании инженерного мышления у школьников. Они позволяют учащимся применять теоретические знания на практике, развивать критическое мышление, аналитические способности и навыки решения реальных проблем. Через практические эксперименты, обучающиеся могут увидеть, как физические законы действуют в реальной жизни, что делает обучение более актуальным и увлекательным.

   Интеграция экспериментальных задач в учебный процесс углубляет понимание физических законов и формирует у школьников навыки, необходимые для успешной инженерной деятельности. Это не только способствует развитию инженерного мышления, но и помогает формировать уверенность в своих силах и является важным аспектом их будущей профессиональной жизни.

Глава 3. Практика в действии и роль учителя физики в формировании инженерного мышления

3.1. Профориентационная работа

   В рамках проориентационной работы в школе реализуются проекты «Билет в будущее», «Профессионалитет», «Урок цифры», «Код будущего», позволяющие учащимся получить практические навыки и определить интересные направления для дальнейшего обучения. В рамках этих проектов организуются мастер-классы, где учащиеся могут попробовать себя в различных областях, таких как программирование, робототехника и проектирование. Такой подход позволяет им не только получить практические навыки, но и определить наиболее интересные направления.

   Обучающиеся участвуют в научно-технических конкурсах и проектах развивающие их навыки и уверенность в себе. Например, участие в школьной научно-практической конференции    дает возможность работать над реальными проектами, требующими применения знаний по предметам естественно-научного цикла.

   3.2. Работа школьного научного общества

Ежегодно в школе проходят предметные недели по физике, химии, информатике, русского языка, литературы, истории и математике. Одним из важных событий в жизни нашей школы является проведение ежегодной школьной конференции среди 5-11 классов и учащихся начальной школы - конференция «Первые шаги в науке». На этих конференциях демонстрируются достижения учащихся и их проекты, создается платформа для обмена идеями и опытом. Участие в школьных конференциях показывает, как научная деятельность может быть интегрирована в образовательный процесс, способствуя развитию критического мышления и исследовательских навыков у детей.

Заключение

Формирование инженерного мышления у школьников представляет собой важную задачу, требующую комплексного подхода и применения разнообразных методов и технологий. Внедрение проектной деятельности, физического эксперимента и профориентационных мероприятий в образовательный процесс способствует не только развитию инженерного мышления, но и повышению интереса учащихся к науке и технике. В соответствии с Федеральными государственными образовательными стандартами (ФГОС) для среднего и общего образования, важно обеспечить сочетание практических и теоретических знаний, что является основой для успешного формирования компетенций, необходимых в современном мире.

   Экспериментальные задачи играют ключевую роль в этом процессе, позволяя учащимся применять теоретические знания на практике. Активное вовлечение учащихся в различные виды деятельности, включая профориентационную работу и реализацию проектов, создает уникальную образовательную среду, способствующую развитию практических навыков.

   Для учителей физики важно внедрять в учебный процесс больше практических экспериментов, чтобы учащиеся могли видеть применение физических законов в реальной жизни.

Сочетание экспериментальных задач и проектной деятельности в учебный процесс не только углубляет понимание физических законов, но и формирует уверенность учащихся в своих знаниях и умениях. Эти аспекты являются основой для их будущей профессиональной деятельности и подготовки к вызовам современного мира. Важно, чтобы образовательные учреждения продолжали развивать и адаптировать свои программы в соответствии с требованиями ФГОС, обеспечивая тем самым высокое качество образования и готовя квалифицированных специалистов, способных успешно адаптироваться к быстро меняющемуся миру технологий и науки.

   Создание инженерного класса в образовательном учреждении способствует подготовке квалифицированных специалистов и формирует активных и ответственных граждан, готовых вносить значимый вклад в развитие науки и технологий. Внедрение методических рекомендаций по развитию инженерного мышления в образовательный процесс, включая физику, информатику и химию, станет основой для формирования нового поколения инноваторов и лидеров, способных решать сложные задачи современности. Рабочие программы, разработанные и внедренные в этом направлении, обеспечивают системный подход к обучению и помогают учащимся достигать высоких результатов в изучении инженерных дисциплин, что, в свою очередь, способствует созданию более устойчивого и инновационного общества.

   В заключение, важно отметить, что успешное формирование инженерного мышления требует постоянного обновления образовательных практик и активного вовлечения всех участников образовательного процесса. Учителя, учащиеся, родители и представители бизнеса должны работать в тесном сотрудничестве, чтобы создать условия для развития творческого потенциала и инженерных навыков у молодежи. Только совместными усилиями можно достичь значительных результатов в подготовке будущих специалистов, способных не только адаптироваться к изменениям, но и активно участвовать в их создании, внося свой вклад в устойчивое развитие общества и экономики.

Скачано с www.znanio.ru