Во все времена среди людей пользовались особым уважением и вниманием те, кто с интересом относился к окружающему миру и пытался постичь его тайны, подчинить силы природы, раскрыть самые необычные тайны и явления. В древние века труды мыслителей записывали их ученики и последователи, что давало возможность поколениям будущих учёных познакомиться с мнением наиболее известных философов, математиков и естествоиспытателей. Но такой путь познания мира и развития наук был очень медленным и односторонним [1, 2]. После мрачного периода средневековья, когда научные исследования и люди, желающие познать мир, подвергались жестоким гонениям со стороны инквизиции и церкви, наступил период Возрождения и расцвета научной мысли. Окружающий мир стали исследовать и постигать с помощью таких методов как опыт и наблюдение [7]. Но и в этом случае значимые и принятые широким научным сообществом труды учёных содержали больше описаний и предположений, не имея чёткой доказательной базы для выводов и решений. В XVI-XVIII веках учёные стали использовать и совершенствовать математические расчёты получаемых данных. Это изменило науку, сделало возможным получение одних и тех же результатов при правильной постановке опытов другими исследователями [11]. В XIX и особенно в ХХ веке для получения данных стали использовать приборы и аппараты. Возросла точность получаемых данных при измерении физических величин или при выполнении химических опытов. Это потребовало более активного внедрения математических методов обработки данных [4, 6, 11]. В ХХ веке сложно было представить научную работу без применения методов описательной и аналитической статистики. Внедрение данных методов обработки результатов исследований сочеталось с бурным развитием и технологий постановки опытов и исследований окружающей среды. По мере накопления знаний совершенствовались подходы к получению информации, внедрялись новые методы изучения окружающего мира и его явлений. Особенно быстро развивались физика, химия, биологические науки и медицина [8, 10, 11].
С началом космической эры и использования энергии атома необходимость точных расчётов возросла в сотни и тысячи раз. И в ХХ веке на помощь учёным пришла цифровая техника и технологии. Первые компьютеры были достаточно примитивны по современным меркам, но они позволили увеличить объём обрабатываемой информации, повысили её точность и облегчили труд учёных [2]. За последние 50 лет компьютерные технологии стремительно развиваются. В наши дни невозможно представить себе ни одного учёного, который бы не использовал информационные ресурсы сети Интернет, не применял бы современные средства и программы для создания и обработки данных [7]. В начале XXI века учёные не только сохраняют и анализируют научные данные, но и активно применяют методы робототехники, автоматизированных систем слежения и получения данных, как на Земле, так и в Космосе. Сегодня создаются специальные программы, способные моделировать развитие того или иного процесса или явления, используя опытные данные. Широко известны программы моделирования изменений климата, распространения инфекционных заболеваний и прогнозирования экономического развития корпораций, стран и рынка ценных бумаг [2, 8].
Для того, чтобы будущее поколение учёных смогло адаптироваться к современным технологиям получения и обработки научных данных, уже со школьной скамьи нужно шире внедрять и учиться использовать современные цифровые технологии и осваивать работу в поисковых и информационных системах [3, 5, 9]. Возможности использования данных технологий при выполнении научных работ школьников является актуальной задачей для преподавателей и для начинающих исследователей.
Цель исследования — определить минимальный спектр и задачи современных цифровых технологий, используемых при выполнении научной работы учащегося в старших классах общеобразовательной школы.
Задачи исследования:
- Изучить возможности современных цифровых технологий сохранения, анализа и презентации данных научных исследований.
- Определить минимальный спектр современных цифровых технологий, необходимый для выполнения научной работы учащегося средней школы.
- Определить точку приложения и возможности цифровых технологий, используемых в научных исследованиях школьников.
- Оценить практическую значимость использования современных цифровых информационных технологий при выполнении научных работ учащихся средней школы
Материалы и методы исследования. Для решения поставленных задач был проведён анализ используемых цифровых технологий, необходимый для выполнения научной работы учащегося по биологии, посвящённой вопросам экологии и использования городских лекарственных растений. В ходе выполнения данной работы были выделены следующие этапы:
1) поиск справочной информации о лекарственных растениях и особенностях экологии современного города;
2) поиск лекарственных растений и формирование банка фотоматериалов с использованием цифровой фотокамеры;
3) исследование степени загрязнения листьев растений пылью и присутствие микроорганизмов;
4) создание базы данных и статистический анализ результатов проведённого исследования;
5) написание и оформление научной работы, содержащей результаты исследований;
6) подготовка к публичному представлению материалов в виде публикации и доклада.
При анализе используемых цифровых технологий определяли основные цели для применения той или иной компьютерной программы, цифровой техники или информационной базы и оценивали возможности школьников старших классов для освоения и практического применения базовых основ той или иной технологии.
Результаты исследования. При знакомстве с современными цифровыми технологиями, используемыми в научных исследованиях, их спектр оказался очень широким и предполагал применение, наряду с самими простыми и широко распространёнными компьютерными программами Microsoft Office, использующиеся с операционной системой Windows, применение в научных целях профессиональных программ для получения исследовательских данных (программируемые микроконтроллеры и устройства с их использованием), а также программ для обработки графических материалов (CorelDraw, PhotoShop, Architect Delux), математической и статистической обработки данных (MatCat, Statistica 6,0) и современных программ для создания баз данных и их обработки (Visual Studio, Delphy, Access и т. д.) [7, 8, 9] Большинство из перечисленных компьютерных технологий и ресурсов остаются сложными для применения в школьных научных исследованиях, так как требуют достаточно глубоких знаний и умений использования информационных технологий [10]. На этапе получения первичных навыков выполнения научных исследований, применение сложных программ для анализа полученных данных чаще всего делает невозможным получение информации в короткие сроки, в течение учебного года, и снижает интерес к выполнению научного исследования у самого учащегося.
По этой причине при выполнении научной работы учащегося по вопросам биологии и экологии лекарственных растений мы остановились на самых широко доступных и легко используемых компьютерных программах, которые, тем не менее, значительно облегчали обработку данных и позволяли получить первичное впечатление и необходимые базовые навыки по проведению научного исследования.
При проведении различных этапов научной исследовательской работы учащегося старших классов использовали персональный компьютер с пакетом программ операционной системы Windows. Для выполнения исследовательской работы по биологии оказались необходимыми следующие информационные технологии.
На этапе поиска справочной информации о лекарственных растениях и особенностях экологии современного города возникла необходимость изучения не только печатных вариантов литературы и статей по теме работы, но также поиск информации в виде электронных вариантов книг, справочников и статей с использованием ресурсов сети Интернет. Для получения первичной информации на тему избранного исследования достаточно широко использовали информационные справочные ресурсы поисковой системы Google, Yandex и электронной энциклопедии Wikipedia, и информационной базы «Консультант студента» (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид страницы информационной базы «Консультант студента»
При написании работы наряду с печатными материалами использовали цифровые варианты статей из отечественных и иностранных журналов, справочников и имеющихся баз фотоматериалов для идентификации растений (рис. 2, 3, 4).
Рис. 2. Внешний вид страницы Интернет со статьёй из электронного отечественного журнала
Рис. 3. Внешний вид страницы Интернет со статьёй из электронного иностранного журнала, посвящённой лекарственным свойствам ромашки
Рис. 4. Внешний вид страницы Интернет с информацией из электронного справочника лекарственных растений
При создании банка собственных цифровых фотографий растений, найденных в городе, использовали цифровую фотокамеру Canon и полученные фотоматериалы обрабатывали с использованием компьютерной программы Paint, а затем сохраняли в виде рисунков в документах, созданных программой Microsoft Office Word (рис. 5).
Рис. 5. Внешний вид страницы научной работы, созданной в программе Microsoft Office Word
При исследовании степени загрязнения листьев растений пылью и биологическими объектами с помощью светового микроскопа «ЛОМО», получаемую информацию регистрировали с помощью цифровой видеокамеры Levenhuk C130 NG. Обработка полученных видеоматериалов потребовала применения программы Tour view (рис. 6).
Рис. 6. Внешний вид цифровой видеокамеры Levenhuk и персонального компьютера в стадии получения и обработки микроскопического видеоматериала
В последующем все рисунки, сохранённые в цифровом формате JPEG, подвергали обработке с использованием компьютерной программы Paint, и также сохраняли в виде рисунков в документах, созданных программой Microsoft Office Word. Для анализа полученных при исследовании данных первоначально была создана база данных с использованием программы Microsoft Office Ехсel (рис. 7).
Рис. 7. Внешний вид страницы электронной базы данных, созданной с использованием программы Microsoft Office Ехсel
Эта программа позволила собрать все результаты в один документ и облегчила статистический анализ полученных результатов исследования (рис. 8, 9).
Рис. 8. Внешний вид страницы Microsoft Office Ехсel с базой данных и активным окном для определения статистического критерия Т-теста
Рис. 9. Внешний вид страницы Microsoft Office Ехсel с базой данных и активным окном для определения статистического критерия хи-квадрат
В данном случае использовали возможности программы Microsoft Office Ехсel в рамках описательной (количество исследований, средние показатели по группам, стандартное отклонение, максимально и минимальное значение и т. д.), а также методы сравнительной статистики с расчётом таких критериев, как т-тест (аналог критерия Стъюдента) и хи-квадрат с определением уровня значимости различий показателей в сравниваемых группах. Применение автоматизированного подсчёта множества критериев и величин с помощью данной компьютерной программы позволило ускорить и упростить анализ данных исследований. Кроме того, наличие удобной цифровой формы сохранения данных исследований позволяет использовать при необходимости расширения базы данных в рамках дальнейших многоэтапных исследований. При необходимости дополнения имеющихся данных новыми результатами цифровая технология позволяет продолжить формирование базы данных и её модификацию под конкретные задачи без потери качества и объёмов ранее имеющейся и сохранённой информации. Такой способ хранения данных позволяет легко контролировать правильность полученных результатов со стороны научного руководителя и осуществлять контроль за ходом и качеством выполнения работы.
На этапе написания и оформления научной работы, содержащей конкретные полученные результаты исследований, использовали создание текстовых документов с применением программного обеспечения Microsoft Office Word. Создание текстового документа в цифровом формате с помощью печатного редактора сохраняло хорошую разборчивость написанного текста, в отличие от варианта создания аналогового типа документа, при котором немаловажную роль играет разборчивость почерка создателя и корректора. Кроме того, цифровой вариант текстового документа позволял облегчить передачу информации для проверки научному руководителю и её возврат создателю с помощью пересылки частей работы по электронной почте или путём копирования с электронных носителей. При этом цифровой вариант не требовал неоднократной распечатки работы и позволял выполнить её однократно после завершения работы и коррекции текста.
На завершающем этапе научной работы учащегося выполняли подготовку материалов исследования к публичному представлению. В этом случае программное обеспечение Microsoft Office Word использовали для создания печатной работы или макета статьи для публикации в журнале. Кроме того, для публичного представления и защиты результатов исследования использовали создание презентации с ресурсы и возможности компьютерной программы Microsoft Office Power Point (рис. 9).
Рис. 10. Внешний вид страницы Microsoft Office PowerPoint в ходе создания презентации, основанной на результатах проведённого исследования
Работа с данным программным обеспечением позволяла не только достойно представить результаты полученных исследований, но и раскрывала возможности и способности школьника для творчества, графической обработки и создания изображений, схем, диаграмм, а также давала первичные и расширяла приобретённые ранее навыки по анимации текста или рисунков с целью улучшения качества презентации.
Анализируя результаты проведённого исследования напрашивается вывод, что навыки, полученные учащимся старших классов средней школы в ходе проведения, написания и оформления результатов научного исследования учащихся, позволяют их более широко использовать при обучении по основным школьным предметам. Умение работать с графическими и текстовыми материалами, а также с поисковыми информационными системами и цифровыми данными облегчают поиск информации по интересующей теме и сокращают время работы над созданием рефератов, презентаций и докладов по темам школьных занятий. Умение пользоваться автоматизированными системами математической и статистической обработки данных позволяет легче усваивать школьный материал и использовать данные технологии при подготовке к практическим занятиям, а также при выполнении расчётов и оформлении результатов проведённых опытов и лабораторных работ.
Хорошая адаптация школьников, получение базовых навыков грамотного использования компьютерных технологий и знание возможностей того или иного программного обеспечения является хорошей подготовкой для получения качественного высшего образования и в последующем помогает и обеспечивает профессиональный рост.
Заключение. Современные цифровые технологии и информационные системы отличаются широким спектром возможностей, который может быть с успехом использован не только профессионалами, но и учащимися школ для обучения и для освоения базовых навыков выполнения научных работ. Среди множества существующих вариантов программного обеспечения персональных компьютеров для выполнения научной работы учащегося старших классов школы необходимы хорошие навыки работы с такими пакетами программ операционной системы Windows как Microsoft Office Word, Microsoft Office Ехсel, Microsoft Office PowerPoint, Paint, а также умение работать с ресурсами сети Интернет, информационных баз «Консультант студента» и поисковыми системами Google, Yandex и другими.
Поисковые системы и ресурсы Интернет позволяют собрать первичную информацию по направлению научной работы, определить её актуальные вопросы и задачи. Применение возможностей Microsoft Office Ехсel позволяет сформировать электронную базу результатов исследования и произвести их первичный статистический анализ. Программы Microsoft Office Word и Paint учащиеся используют при создании текстовых документов с графическими вставками в ходе оформления результатов исследования и подготовки к их публикации. Для публичного представления научной работы в виде доклада необходимо использовать ресурсы Microsoft Office PowerPoint со встроенными возможностями анимации текста и рисунков.
Применение в ходе научных исследований учащихся более сложных и профессиональных программ по созданию, анализу и представлению результатов исследований можно использовать в тех случаях, когда базовые и расширенные возможности широкодоступных компьютерных программ не удовлетворяют решению поставленных научных целей и задач.
Ранее знакомство с современными цифровыми технологиями поиска, сохранения, обработки, анализа и представления информации и результатов собственных научных исследований расширяет кругозор школьника, легче адаптирует его в условия современной цифровой информационной среды и делает его более активным участником современной жизни.
Литература:
- Апатова Н. В. Информационные технологии в школьном образовании.- М.: изд-во РАО., 1994.- 228 с.
- Громов Г. Р. Очерки информационной технологии.- М., 1993–149 с.
- Информатизация общего среднего образования: Научно-методическое пособие / Под ред. Д. Ш. Матроса.- М.: Педагогическое общество России, 2004.- 384 с
- Гомулина Н. Н. Применение новых информационных и телекоммуникационных технологий в школьном образовании. Автореф дисс. канд. пед наук. — М., 2003–16 с.
- Селевко А. Г. Современные информационно-технические средства в школе. — М.: Народное образование, 2005–35 с.
- Райнев В. А., Трайнев И. В. «Информационные коммуникационные педагогические технологии». — М., 2012. — 184 с.
- Глизбург В. И. Применение информационных технологий в процессе преподавания дифференциальной геометрии. Вестник российского университета дружбы народов. Издательство: Российский университет дружбы народов — 2012. — № 4 (5) — С. 23–28.
- Григорьев С. Г., Гриншкун В. В. Образовательные электронные издания и ресурсы: Учебно-методическое пособие. — М.: МГПУ, 2006–168 с.
- Захарова И. Г. Информационные технологии в образовании / И. Г. Захарова. — М.: Академия, 2007. — 192 с.
- Ходакова Н. П. Роль информационных технологий в организации предметно-пространственной среды образовательного учреждения. Психолого-педагогический журнал Гаудеамус. 2013. № 2 (22). С. 36–38
- Материалы с сайта eurokid.com.ua. «ИКТ в образовательном процессе»
