Роль биологии в инженерном образовании

Свердловская область входит в число десяти ключевых регионов с высокой промышленной активностью, на которые приходится 45% всей промышленной продукции в России.

Подготовка инженерных кадров, соответствующих современным и будущим потребностям местных предприятий, является государственной приоритетной задачей. В «Стратегии социального и экономического развития Свердловской области на 2016–2030 годы» обозначены основные проблемы развития инженерного образования, например, недостаточный престиж инженерной профессии, нехватка молодых специалистов, отсутствие специальной переподготовки для педагогов, работающих с талантливыми детьми и т.д.

Первоначальные конструкторско - технологические знания формируются еще на этапе общего образования. Поэтому интерес к инженерной деятельности должен проявляться уже со школьной парты. Для этого в образовательных учреждениях должны создаваться условия для развития инженерного образования. Вот некоторые из них: углубленное изучение отдельных предметов, формирование исследовательской компетенции, развитие интеллектуальных и коммуникативных компетенций, сотрудничество с ВУЗами и предприятиями.

Традиционно предметами, которые формируют инженерное мышление, считают математику, физику, информатику и технологию. К сожалению, биологию редко рассматривают как предмет инженерной направленности. В лучшем случае ее роль в инженерном образовании определяют только в том, чтобы понимать и минимизировать риски любого вида инженерной деятельности человека для природы в целом. Но именно живая природа, которая является объектом изучения биологии, дала человечеству огромное количество идей для создания инженерных конструкций. Например, гидролокаторы (киты, дельфины), портативный фонарь (светлячки), застежки «молния» и «липучки» (перья птиц), буровая установка (дождевой червь) и т.д.

Биология, как наука о жизни и живых организмах, играет важную роль в инженерном образовании, особенно в контексте развитых технологий, основанных на биологических принципах. В последние десятилетия наблюдается активное слияние инженерных и биологических дисциплин, что ведет к созданию новых областей знаний, таких как биомиметика, бионика, биотехнология, генная и клеточная инженерии и синтетическая биология.

Биология предоставляет основы понимания живых систем, что важно для разработки технологий, способствующих устойчивому развитию. Например, в области биомиметики инженеры изучают, как природа решает определенные задачи, такие как прочность материалов или эффективность энергопотребления, и применяют эти принципы в своих проектах. Создание роботов, которые имитируют движения животных, или разработка новых технологических конструкций, существующих уже в природе — это лишь некоторые примеры такого подхода.

Биоинженерия и биомедицинская инженерия активно используют знания из биологии для решения медицинских и социально значимых задач. Инженеры, обладающие знаниями в области биологии, могут разрабатывать более эффективные медицинские устройства, биосенсоры и системы для доставки лекарств. Такие технологии способствуют улучшению здоровья и качества жизни людей.

Кроме того, изучение биологии в инженерном образовании способствует формированию системного мышления. Понимание взаимосвязей в экосистемах и их влияния на технологии помогает инженерам разрабатывать решения, которые учитывают экологические и социальные аспекты, что особенно актуально в условиях глобальных изменений климата.

Наконец, биология также открывает новые горизонты для междисциплинарных исследований. Совместная работа инженеров и биологов может привести к инновационным решениям, которые невозможно было бы создать, работая в рамках одной дисциплины. Например, проекты по созданию устойчивых экосистем, использования вторичных ресурсов и разработки биоразлагаемых материалов требуют активного взаимодействия специалистов из различных областей.

Таким образом, биология занимает значимое место в инженерном образовании, обогащая его новыми идеями и возможностями. Интеграция биологических знаний в инженерные практики способствует созданию технологий, которые отвечают вызовам современности и направлены на устойчивое будущее.

Федеральный государственный образовательный стандарт третьего поколения (ФГОС-3) кардинально меняет подход к образованию, ставя во главу угла развитие личности ребенка. Отход от традиционного зазубривания фактов и смещение фокуса на системно-деятельностный подход предполагает формирование не только предметных знаний и навыков, но и важнейших метапредметных компетенций, которые позволяют применить полученные знания в реальной жизни. Образовательный процесс задуман как интенсивный тренинг, направленный на подготовку к решению практических задач, актуальных для современного мира. Ключевой целью ФГОС -3 является достижение выпускниками основного общего образования высокого уровня функциональной грамотности. Особое внимание уделяется естественнонаучной грамотности. Естественнонаучная грамотность включает в себя три ключевые компетенции, которые на современном этапе могут трактоваться в качестве инженерной компетенции:

1. Научно объяснять явления. Это способность понимать причины и следствия естественных процессов, использовать научные теории и модели для объяснения наблюдаемых явлений.
2. Понимать основные особенности естественнонаучного исследования. Это предполагает знакомство с методами научного исследования, способность анализировать научную информацию, критически оценивать доказательства и различать научные и ненаучные утверждения.
3. Интерпретировать данные и использовать научные доказательства для получения выводов. Эта компетенция связана с умением анализировать экспериментальные данные, строить графики, таблицы и диаграммы, делать обоснованные вывод на основе полученных результатов. Важным является умение различать корреляцию и причинно-следственные связи.

Формировать инженерную компетенцию можно как на урочных занятиях, так и во внеурочное время. Главная цель нашего образовательного учреждения МАОУ «СОШ № 22» г. Верхняя Пышма как сделать этот процесс продуктивным, а самое главное интересным. В течение многолетнего опыта работы и наблюдения за обучающимися в урочное и внеурочное время сложился определенный механизм формирования инженерной грамотности у обучающихся, в том числе и по предмету биология.

На этапе создания условий для оптимального развития обучающихся урочная работа строится таким образом, чтобы ребёнок мог проявить свои возможности в самых разных сферах деятельности, и она направлена на развитие творческих и познавательных способностей обучающихся.

Предпочтительны следующие методы работы:

• исследовательский;
• частично-поисковый;
• проблемный; 
• проективный.

Эти методы обучения обеспечивает высокую познавательную мотивацию обучающихся и требует постоянного творчества учителя.

В основе работы лежит принцип индивидуализации и в тоже время коллективной партикуляризации. Так как содержание учебной программы по предмету биология предусматривает длительное изучение наиболее важных проблем, идей и тем, которые интегрируют знания инженерного мышления. Для обучающихся также предлагаются предметно-ориентированные занятия «Свободный класс» во внеурочное время. Данные занятия проводятся как в режиме онлайн, так и в очной форме. На данных занятиях обучающиеся имеют возможность подготовиться к олимпиадам, биологическому турниру или провести исследовательские работы. Эти занятия направлены на развитие продуктивного мышления, а также навыков его практического применения, что позволяет обучающимся переосмысливать имеющиеся знания и генерировать новые.

В результате обучающиеся умеют изучать и анализировать научные тексты, статьи, публикации. Чтение специализированных текстов позволяет ознакомиться с современными исследованиями, методами и результатами экспериментов. Анализ таких текстов способствует развитию критического мышления, умения выделять ключевые идеи, аргументы и выводы, а также оценивать достоверность и значимость информации.

Учащиеся умеют решать задачи, ориентированные на применение знаний в реальных ситуациях. Эти задания обычно содержат описание жизненных сценариев, для понимания которых необходимы научные знания и владение терминологией естественных наук.

Они также владеют навыками использования информационных технологий. Современные технологии, такие как доступ к обширным научным ресурсам, специализированные программы и базы данных, позволяют проводить анализ данных, моделирование и визуализацию результатов исследований.

Участвуя в научных дискуссиях, учащиеся развивают навыки аргументации, выражения собственной точки зрения, критики и обсуждения идей и результатов исследований. Это также способствует формированию умения работать в команде, анализировать научные вопросы, что является важным аспектом инженерной деятельности.

Многонаправленность работы отражается и в результатах обучающихся в олимпиадах, конкурсах, турнирах, научно-практических конференциях.

Результаты обучающихся в конкурсах по защите проектов биологической направленности различного уровня с 2022 по 2025 учебные годы

Результаты участия обучающихся по биологии во Всероссийской олимпиаде школьников за период с 2022 по 2025 учебные годы

Турнир юного биолога

Предлагаемая структура образовательного процесса по биологии существенно усиливает компоненты инженерной подготовки:

1. Ключевым аспектом данного подхода является фокусировка на стимулировании увлеченности учеников, направленной на новаторство и созидание. Речь идет не только о стремлении к переменам, но и о желании разрабатывать что-то принципиально новое, находить решения для трудных задач, применяя нетрадиционные подходы. Инженерное дело подразумевает непрерывный поиск улучшений, модернизацию существующих технологий и разработку инновационных продуктов. Следовательно, личная заинтересованность в творчестве и инновациях – это определяющий фактор для успешной карьеры в инженерии.
2. В образовательном процессе подчеркивается необходимость развития навыков аналитического мышления, творческого подхода, инициативности и активности. Инженер должен обладать способностью анализировать данные, обнаруживать нестыковки, генерировать оригинальные идеи, не бояться экспериментов и самостоятельно принимать решения.
3. Данная схема позволяет эффективно интегрировать информационно-обучающие, проектные и исследовательские формы работы, что способствует приобретению необходимого опыта и навыков для решения комплексных инженерных задач.

В заключение, рассматриваемая методика преподавания биологии создает надежную основу для формирования инженерных навыков у будущих выпускников.