O książce¶
Współczesne formy wykorzystania w pracy nauczyciela przedmiotów matematyczno-przyrodniczych elementów technologii informacyjnej i komunikacyjnej nie stanowi tylko prawnego obowiązku, ale przede wszystkim ma za zadanie urozmaicać lekcję i stanowić w jej odbiorze użyteczne narzędzie oraz element korygujący odbiór toku logicznego zajęć. Nowoczesny nauczyciel nie może wyobrażać sobie pracy, bez użycia współczesnych, co warte podkreślenia, aktualnie kształconym pokoleniom, technik informatycznych. Na bieżąco musi doskonalić swoje umiejętności obsługi programów komputerowych i języków programowania. Choć wiele realizowanych tematów będzie mu znanych, ponieważ w trakcie studiów magisterskich lub doktoranckich realizuje się zajęcia z języków programowania użytkowanych w chemii i fizyce, to jednak nabycie nowych umiejętności aplikacji komend językowych do rozwiązywania problemów natury rachunkowej, niedostępnych uczniom realizujących polską podstawę programową matematyki, nawet w zakresie rozszerzonym pozostaje wciąż w jego gestii. W codziennej, szkolnej pracy, nauczyciel wykorzystuje technologię komputerową głównie do tworzenia różnorodnych testów użytkowych, diagnoz, narzędzi badawczych i ankiet. Dzięki specjalistycznemu oprogramowaniu komercyjnemu, tworzy zaproszenia, plakaty, informatory szkolne oraz kreuje scenariusze lekcji lub apeli. Dzięki technologii komputerowej dokumentacja działań nauczyciela prowadzona jest przejrzyście, estetycznie i czytelnie. Własny warsztat pracy jest uporządkowany i na bieżąco udoskonalany, również dzięki zastosowaniu aplikacji i programów dziennika elektronicznego lub oprogramowania do tworzenia świadectw szkolnych. Wszystkie te programy i aplikacje charakteryzuje stosunkowo intuicyjna i oparta o proste relacje metoda ich konstrukcji, a co za tym brak możliwości zmian i wykonywania w nich innych niż umożliwione przez producenta operacji. Zarówno z punktu widzenia nauczyciela, jak i ucznia, będącego podmiotem procesu nauczania nie bez znaczenia pozostaje możliwość rozwiązywania problemów określonych w podstawie programowej oraz wykraczających poza jej ramy, w oparciu o szerokie spektrum metod znajdujących zastosowanie zarówno z punktu widzenia uczącego, jak i nauczanego. Nauczyciel podejmujący analizę zagadnień obecne oraz powstającej na skutek planowanej reformy systemu oświaty podstawy programowej przedmiotów takich jak fizyka i chemia napotyka na wiele treści, których zrozumienie wymaga zastosowania złożonego rachunku z elementami analizy matematycznej. Do popularnych dziś metod kształcenia należy podawanie bez udowadniania zależności opisujących dane zjawisko lub przedstawianie wykresów omawianych zależności bez prezentacji równań opisujących przestawiane krzywe. Dla ucznia oczekującego pełnego wyjaśnienia danego zjawiska i jego interpretacji, stanowi to jedno z ważniejszych utrudnień w przyswojeniu i w powiązaniu rozważań teoretycznych z interpretacją matematyczną. Większość zastosowań technologii informacyjnej w dydaktyce sprowadza się do pobierania danych lub ich wprowadzania i zautomatyzowanej obróbki, co stanowi skuteczne więzy dla rozwoju percepcji współczesnego ucznia. Środowisko języka programowania Python i Sage jest uwolnieniem podmiotu nauczania od narzuconych mu więzów, zaś umiejętności programowania nabywane przez ucznia w trakcie procesu nauczania skutecznie rozwijają jego zdolności konkludowania i ewaluowania w trakcie powyższego procesu. Zastosowanie proponowanego środowiska programowania pozwala sprowadzać złożone zależności i równania z poziomu wiedzy akademickiej, do poziomu niewiele wykraczającego ponad obowiązujące podstawy programowe nauczania przedmiotów ścisłych i jest w pełni aprobowane i zalecane jako narzędzie pracy, zarówno przez Ministerstwo Edukacji Narodowej, jak i Ministerstwo Cyfryzacji.
Niniejsza metodologia jest wynikiem działań, związanych z projektem “icse4school - Zintegrowane nauczanie z perspektywą obliczeniową” realizowanego w latach 2014-2017. realizowany jest w ramach Programu Erasmus+, akcja 2 Partnerstwa strategiczne. Projekt zrealizowano w międzynarodowej współpracy międzysektorowej, obejmującej instytucje szkolnictwa wyższego (Uniwersytet Śląski w Katowicach, Uniwersytet w Augsburgu, Simula School of Research and Innovation), szkoły ponadgimnazjalne ((2 AZSO w Chorzowie oraz 117 ZS - XXXIII LO w Warszawie) oraz organizację pozarządową (Fundacja na rzecz rozwoju Śląskiego Międzyuczelnianego Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych). Celem głównym było opracowanie w ponadnarodowym konsorcjum metodyki zintegrowanego z informatyką nauczania matematyki i fizyki w szkołach ponadgimnazjalnych na podstawie realizacji pilotażowego programu zajęć w wybranych szkołach.
Wypracowane w projekcie icse4school rezultaty pracy intelektualnej stanowią pomoc w realizacji podstawy programowej narodowej jak i przypisanej dla uczestników Programu Dyplomowego Matury Międzynarodowej. Jakościowo, stanowią rozszerzenie bazowej wiedzy ucznia, dostosowując zdolności rachunkowe uczestnika do wymaganego podczas udziału w konkursach i olimpiadach wykraczających poza obie podstawy programowe. Nakierowują uczestnika na innowacyjne metody rozwiązywania klasycznych problemów i zagadnień naukowych z dziedziny matematyki, informatyki i fizyki. W przypadku uczniów realizujących zajęcia w szkolnych laboratoriach badawczych z dziedziny fizyki lub chemii stanowią ułatwienie podczas procesu opracowywania danych laboratoryjnych, zgromadzonych podczas zajęć. Obrazują mniej rozpowszechnione metody takie jak metody numeryczne czy rozwiązywanie skomplikowanych równań różniczkowych, które nie są objęta obiema podstawami programowymi. Innowacyjność projektu polega na wskazaniu zastosowania powyższych metod do rozwiązywania klasycznych problemów nie wyłączając z nich zadań egzaminacyjnych. Istotą rezultatów intelektualnych winien być wzrost poziomu wynikowego egzaminów realizowanych przez uczestników oraz większa pula osiąganych tytułów finalistów i laureatów konkursów przedmiotowych z zakresu nauk przyrodniczych i ścisłych, wśród czynnych odbiorców projektu.
Przedmiotem projektu była nauka programowania w języku Python z użyciem środowiska Sage oraz wykorzystanie tej umiejętności do rozwiązywania problemów, dotyczących przedmiotów: matematyka, fizyka, informatyka. Projekt adresowany był do uczniów szkół ponadgimnazjalnych. Potrzeba realizacji projektu ICSE4school wynikała z rosnącego zainteresowania zagadnieniem programowania oraz zebranej wiedzy pokazującej brak informacji na temat jednego z najczęściej na świecie używanych języków programowania Python. Ponadto obserwacje nauczycieli - zarówno akademickich, jak i prowadzących klasy o rozszerzonym programie nauczania matematyki, informatyki i fizyki w szkołach ponadgimnazjalnych wskazywały na bezradność uczniów i studentów w stosowaniu technologii informacyjnej i metod numerycznych w trakcie rozwiązywania problemów z pogranicza zagadnień naukowych.
Chcąc wykorzystać nasze materiały oraz nie mając podstawowych umiejętności w zakresie obsługi języka Python, proponujemy zacząć od zapoznania się tym językiem oraz ze środowiskiem SageMath dostępnym pod adresem SageMath.org. W środowisku Sage uczeń ma szansę, prócz programowania, wykonywania ćwiczeń na przykładowych materiałach tam zamieszczonych z możliwością modyfikowania tekstów źródłowych.
Opracowane w projekcie scenariusze lekcji z wykorzystaniem języka Python rekomendujemy do stosowania w różnoraki sposób, w zależności od potrzeb i możliwości uczniów oraz nauczycieli. Tak więc mogą one być wykorzystywane bezpośrednio podczas zajęć lekcyjnych lub zajęć dodatkowych w formie warsztatów, pod warunkiem odpowiedniej liczby godzin dydaktycznych do dyspozycji nauczyciela. Materiały lub ich fragmenty mogą być także wykorzystane w ramach pracy domowej przy zastosowaniu nowatorskiej metody „odwróconego nauczania” („odwróconej klasy”, „flipped teaching”) polegającej na tym, że uczniowie w ramach zadania domowego, analizując wskazany materiał, zgłębiają podstawową wiedzę na temat nowego zagadnienia, a czas lekcyjny przeznacza się na utrwalanie oraz pogłębianie zdobytej wiedzy i umiejętności (w przeciwieństwie do klasycznych metod, według których podczas lekcji wprowadza się podstawową wiedzę, a utrwalanie i dostateczne pogłębianie materiału uczeń wykonuje samodzielnie w domu). Wreszcie materiały nasze mogą mieć zastosowanie do zgłębiania i poszerzania wiedzy oraz umiejętności przez uczniów i studentów o specjalnych potrzebach edukacyjnych (uczniów i studentów uzdolnionych, posiadających potrzebę samorozwoju lub mających potrzebę zastosowania metod numerycznych podczas rozwiązywania problemów z użyciem ogólnodostępnego narzędzia), także przez uczniów realizujących obowiązek nauki poza szkołą do samodzielnej nauki, jak również przez wszystkich zainteresowanych powtórzeniem, utrwaleniem i poszerzeniem wiedzy.
Scenariusze z projektu iCSE4school mogą być także wykorzystywane w pracy z uczniami o mniejszym potencjale w zakresie przedmiotów ścisłych poprzez zaprezentowanie przez nauczyciela fragmentów naszych materiałów, jak również w postaci pracy warsztatowej, podczas których uczniowie samodzielnie modyfikują fragmenty tekstów źródłowych, obserwując efekty tych zmian i formułując stosowne wnioski. Taki sposób wykorzystania materiałów daje nie tylko możliwość rozwoju nauczyciela i młodzieży, ale także efektywnego wykorzystania scenariuszy zajęć z wykorzystaniem języka Python w pracy z uczniami młodszymi na wcześniejszych etapach edukacyjnych.
Materiały z projektu iCSE4 mogą być wykorzystywane w formie e-learningu1, blended-learningu2, jak i m-learningu3, z wykorzystaniem komputerów lub innych urządzeń (np. smartfonów, tabletów); przy dostępie do internetu lub off-line.
Obserwacja działań uczniów polegających na tworzeniu prostych programów z użyciem języka Python w celu rozwiązania danego problemu, podczas realizacji projektu, potwierdziła duże możliwości indywidualizacji ich pracy. Indywidualnie dobierany poziom wymagań, dostosowane do indywidualnych potrzeb tempo pracy oraz indywidualna pomoc nauczyciela wpływają korzystnie na rozwój każdego z uczniów. Ważnym czynnikiem mobilizującym uczniów do działań i nauki jest także obserwowane ostatnio zapotrzebowanie na naukę programowania (kodowania) oraz świadomość znacznego braku ludzi potrafiących programować na rynku pracy. Zachęcając do wykorzystania opracowanych w projekcie ICSE4 materiałów dydaktycznych, zapraszamy do zgłaszania uwag.
W projekcie oraz tworzeniu niniejszej metodologii wzięli udział przedstawiciele następujących instytucji:
Nauczyciele: Jolanta Drogoń, Łukasz Głaz, Krzysztof Jarczewski, Mirosław Malinowski, Justyna Matejczyk, Adam Ogaza, Krzysztof Oleś, Katarzyna Sikora, Hanna Stachera, Mariola Strojny,
Jonas van den Brink, Vigdis Holta, Marie Roald, Freyja Jørgensen, z Simula School of Research and Innovation, Oslo
Manuel Milling, Severin Wünsch i profesor Gert Ingold z Uniwersytetu w Augsburgu
Marcin Kostur, Uniwersytet Śląski
Magdalena Hampel, Joanna Klekowska i Marta Margiel z Fundacji EduRes
Autorzy!
