Перспективи розвитку хімічної освіти в умовах сучасних викликів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ ХІМІЧНОЇ ОСВІТИ В УМОВАХ СУЧАСНИХ ВИКЛИКІВ

Пантелеймонова Тетяна Генадіївна

заступник директора Центру розвитку кар'єри

м. Харків

Анотація

У статті зазначено, що хімічна освіта сприяє не лише формуванню системи знань, умінь та навичок особистості, необхідних для успішного вирішення вузькоспеціалізованих завдань в професійному секторі, але й розкриттю її потенціалу, розвитку цілого комплексу соціальнозначущих компетенцій, інтелектуальних здібностей, а саме: формування основ наукового світогляду, розвиток навичок критичного мислення, розвиток креативності, формування ґрунтовної системи фундаментальних знань про принципи, теорії та закони хімії.

Висвітлені основні актуальні напрямки розвитку хімічної освіти: розширення змісту освіти проблематикою екологічної хімії, використання засобів програмного забезпечення, хмарних програм, систем керування аналітичними даним, розширення арсеналу практичних способів та засобів навчання цифровим інструментарієм.

Представлено переваги використання означених засобів для розвитку пізнавальної сфери здобувачів, активності й самостійності в навчанні. А саме: сприяє розвитку критичного мислення; формуванню навичок вирішення нестандартних проблем, розв'язання нетипових завдань практичноорієнтованого характеру, вмінь мислити креативно. Також організація суб'єкт-суб'єктного характеру взаємодії між усіма учасниками освітнього процесу забезпечує свідоме ставлення здобувачів до опанування необхідного навчального матеріалу, успішне формування відповідальної позиції здобувача до своєї навчальної діяльності, її результатам. Перетворення навчального процесу на цікавий, захоплюючий пізнавальний процес, проєктування його у формат цікавої діяльності сприяє доступності опанування складних тем, концепцій, теорій, матеріал стає зрозумілим для сприйняття й осмислення, підвищуються показники успішності в оволодінні змістом освіти. Показано, що найбільш ефективно використовувати засоби ІКТ, цифрові застосунки та платформи у процесі навчання хімії для демонстрації здобувачам зв'язку змісту певної теми, курсу, навчальної проблеми із практикою, реаліями соціального життя, власним досвідом, розкриття міжпредметних зв'язків у ракурсі практичного використання.

Ключові слова: хімія, хімічна освіта, підготовка майбутніх хіміків, проблеми хімічної освіти, перспективи розвитку хімічної освіти

Annotation

Panteleimonova Tetiana Gennadiyevna Deputy Director of the Center for Career Development, V.N.Karazin Kharkiv National University, Kharkiv,

PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF CHEMICAL EDUCATION IN THE CONDITIONS OF MODERN CHALLENGES

The article states that chemical education contributes not only to the formation of a system of knowledge, abilities and personal skills necessary for successfully solving highly specialized tasks in the professional sector, but also to the disclosure of its potential, the development of a whole complex of socially significant competences, intellectual abilities, namely: the formation of the foundations of scientific worldview, development of critical thinking skills, development of creativity, formation of a thorough system of fundamental knowledge about the principles, theories and laws of chemistry.

The main modern directions of the development of chemical education are highlighted: expanding the content of education with environmental chemistry issues, using software tools, cloud programs, analytical data management systems, supplementing the arsenal of practical methods and teaching tools with digital tools.

The advantages of using the specified means for the development of the cognitive sphere of students, activity and independence in learning are presented. Namely: development of critical thinking; formation of skills for solving nonstandard problems, solving non-typical tasks of a practically-oriented nature, the ability to think creatively. Also, the organization of the subject-subject nature of the interaction between all participants of the educational process ensures the conscious attitude of the students to mastering the necessary educational material, the successful formation of a responsible position of the student to his educational activity.

Transforming the educational process into an interesting, exciting cognitive process, designing it in the format of an interesting activity improves the accessibility of mastering complex topics, concepts, theories, the material becomes clear for perception and comprehension, and the success rates in mastering the content. It is shown that the most effective use of ICT tools, digital applications and platforms in the process of teaching chemistry to demonstrate to students the connection between the content of a certain topic, course, educational problem with practice, the realities of social life, own experience, and the disclosure of interdisciplinary connections from the perspective of practical use.

Keywords: chemistry, chemical education, training of future chemists, problems of chemical education, prospects for the development of chemical education

Постановка проблеми

Хімічна освіта відіграє ключову роль у загальному розвитку суспільства, стан хімічної науки виступає певним маркером успішного функціонування численних галузей промисловості, економічної спроможності країни, підвищує її конкурентоспроможність на світовому ринку Дослідження в хімічній галузі у змозі модернізувати різні сектори, від охорони здоров'я до сільського господарства, обумовлюють прискорення прогресивні змін на державному рівні, підвисять якість суспільного життя. Міжнародним проєктом IUPAC (2019) було визначено десять найновіших технологій саме в хімічній галузі, які мають найвищий потенціал для покращення якості життя, сприяють економічному зростанню. і просувати суспільство до більш сталого майбутнього [3].

Серед актуальних завдань сучасної хімічної науки, на думку дослідників, пріоритетне місце займають такі:

• цифровізація хімії (штучний інтелект, машинне навчання, віртуальна реальність, квантові комп'ютери, робототехніка)

• передова хімічна переробка пластмас

• живлення планети (добрива, виробництво аміаку, вплив на навколишнє середовище тощо)

• нові види палива (майбутнє енергетики та навколишнього середовища)

• нові методи відкриття ліків (програмований хімічний синтез, просторова геноміка)

• розробка екологічно чистих технологій і сприяння розв'язання проблем забруднення навколишнього середовища, управління відходами, зміни клімату та пом'якшення екологічних небезпек [3].

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Питання вдосконалення, модернізації хімічної освіти, підвищення якості підготовки майбутніх хіміків були предметом спеціальної уваги багатьох дослідників. Проблема формування професійної компетентності майбутніх хіміків зазнала значної розробки в працях О. Євдоченко, Т. Реви, О. Туриці. У науковому доробку Т. Куратової, І. Курмакової, С. Грузнової, П. Самойленко висвітлені особливості використання дидактчних засобів в процесі підготовки магістрів хімії. Проте, проблема перспектив розвитку хімічної освіти була досліджена недостатньо.

Мета статті - висвітлення перспективних напрямів розвитку хімічної освіти в сучасних умовах.

Виклад основного матеріалу

хімічний освіта компетентність підготовка

Предметом спеціальної уваги світової наукової спільноти є питання модернізації хімічної освіти у відповідності до актуальних потреб розвитку технічно-промислової сфери, інформаційно-комунікативних технологій, здатної здійснювати підготовку високоосвічених, конкурентоспроможних професіоналів, які будуть успішно працювати в умовах глобалізаційного світу. Розширюючи наукові знання та дослідницькі можливості, вирішуючи екологічні проблеми та задовольняючи промислові потреби, хімічна освіта виступає рушійною силою прогресу.

На думку вчених хімічна освіта сприяє не лише формуванню системи знань, умінь та навичок особистості, необхідних для успішного вирішення вузькоспеціалізованих завдань в професійному секторі, але й розкриттю її потенціалу, розвитку цілого комплексу соціальнозначущих компетенцій, інтелектуальних здібностей, а саме:

• формування основ наукового світогляду, уявлень про наукові принципи та концепції, усвідомлення й розуміння наукової картини світу;

• розвиток навичок критичного мислення;

• розвиток креативності, розкриття здібностей, необхідних для вирішення принципово нових, складних проблем, вмінь розробляти та реалізовувати інноваційні проєкти та генерувати нестандартні рішення;

• залучення до науково-дослідної роботи з розробки нових матеріалів, технологій, які приносять користь суспільству в цілому;

• формування ґрунтовної системи фундаментальних знань про принципи, теорії та закони хімії [3; 6; 8].

Боротьба зі зміною клімату та деградацією навколишнього середовища є одними з найактуальніших проблем ХХІ століття: нафтохімія, виробництво пластмас і пестицидів, вуглецевий слід від процесів хімічного синтезу, шкідливі викиди промисловості. Отже, одним із актуальних напрямів хімічної освіти є екологічна хімія, яка спрямована на формування нового мислення дослідника, усвідомленого бережливого ставлення до навколишнього середовища. Для подолання екологічних криз, таких як «біле забруднення», «ефект посилення хімічних речовин, вимагає від хіміків відповідальної поведінки в прийнятті професійних рішень. Основна мета екологічної хімічної освіти полягає в тому, щоб розвивати та вдосконалювати екологічну наукову грамотність, відповідні навички у здобувачів [6; 7; 8].

Таким чином, виходячи із пріоритетів захисту та запобігання забрудненню навколишнього середовища, під час викладання дисциплін хімічної спрямованості важливо виховувати екологічну обізнаність і свідомість, позитивне ставлення до екологічних проблем і мотивацію до зміни поведінки в цьому напрямку. Викладання та вивчення екологічної хімії може повною мірою використовувати прикладні моделі навчання, які пов'язують обставини реального світу з широкими проблемами людини щодо екологічних, економічних і соціальних систем. Основне завдання полягає в тому, щоб навчити студентів, як приймати в майбутній професійній діяльності вірні рішення залежно від багатовимірних показників хімічної науки та врахування соціальних факторів, пов'язаних із екологічними характеристиками [6].

Для підготовки майбутніх хіміків, здатних працювати в сучасних лабораторіях, оснащених автоматичними засобами, програмним забезпеченням, на перший план виходять питання формування в здобувачів стійких навичок використовувати системи керування аналітичними даними..

На думку Джессі Гарріса для успішної професійної діяльності у фармацевтичних і хімічних дослідницьких лабораторіях промислового рівня, студенти повинні навчитися керувати аналітичними даними за межами електронних таблиць Excel і документів Word. Під час навчання здобувачі мають опановувати хімічне програмне забезпечення, хмарні програми та системи керування аналітичними даними, які є зручними у використанні та підвищують продуктивність роботи [5].

Особливе місце в хімічній науково-дослідній сфері стали займати проблеми використання штучного інтелекту, які успішно застосовуються для аналізу хімічних даних, моделювання хімічних процесів і розробки нових молекул і матеріалів. Слід зазначити, що використання штучного інтелекту допомагає легко отримати необхідну інформацію, результати аналізу із величезних масивів даних, які було б важко або неможливо здійснити вручну.

Також широко використовується машинне навчання, яке за допомогою штучного інтелекту створює певні моделі, генерує систему даних для подальшої класифікації, інтерпретації результатів, їх прогнозування. Машинне навчання в змозі розробити моделі для вивчення властивостей молекул або матеріалів на основі їх хімічної структури. Наприклад, моделі машинного навчання можна використовувати для прогнозування токсичності нових ліків або міцності нових матеріалів.

Цікавим напрямом використання штучного інтелекту є обробка складних даних, аналіз великих наборів даних хімічних структур і прогнозування їхніх властивостей. Наприклад, моделі такого навчання можуть передбачати точки плавлення нових сполук або розчинність нових матеріалів.

Незважаючи на значний потенціал використання засобів штучного інтелекту в хімічній науці, дослідники звертають увагу на серйозні проблеми, які потребують першочергового вирішення:

1. Достовірність отриманих даних. Моделі штучного інтелекту опрацьовують ті дані, які отримують й навчаються саме на них. Тому зберігається висока вірогідність використання неперевіреної, суб'єктивної інформації. Алгоритми штучного інтелекту можуть підтримувати упередження, якщо дані, на яких вони навчаються, не є різноманітними та репрезентативними.

2. Складність інтерпретації складних моделей.

3. Етичні та суспільні наслідки. Важливо переконатися, що штучний інтелект в хімії використовується етично та відповідально, зосереджуючись на покращенні здоров'я та добробуту людини [1; 2].

Як показало вивчення науково-педагогічної літератури, досвіду педагогів-практиків, значний потенціал для вирішення актуальних завдань якісної підготовки майбутніх хіміків в системі вищої освіти мають засоби ІКТ, цифрові платформи та застосунки. Використання означених засобів навчання має певні переваги для розвитку пізнавальної сфери здобувачів, активності й самостійності в навчання, оскільки сприяє:

• розвитку критичного мислення здобувачів;

• формуванню навичок вирішення нестандартних проблем, нетипових завдань практично-орієнтованого характеру;

• організації субєкт-субєктного характеру взаємодії між усіма учасниками освітнього процесу;

• свідомому ставленню здобувачів до вивчення, опанування необхідним навчальним матеріалом, змістом освіти;

• формуванню відповідальної позиції здобувача до своєї навчальної діяльності, її результатам;

• перетворенню навчального процесу на цікавий, захоплюючий пізнавальний процес;

• доступності опанування складних тем, концепцій, теорій - оскільки навчання проєктується у формат цікавої діяльності, підсилюється наочністю, прикладами, матеріал стає зрозумілим для сприйняття й осмислення;

• підвищенню успішності в оволодінні змістом освіти

Також слід зазначити, що цифрові засоби й інструменти навчання є доступними й зручними для використання, характеризуються високою популярністю в світі. Як відомо, близько 4,95 мільярдів людей сьогодні мають доступ до мережі Інтернет і є його постійними користувачами. Цілком зрозуміло, що ці дані будуть якісно змінюватися та зростати [8].

На думку дослідників, педагогів практики найбільш корисно й ефективно використовувати засоби ІКТ, цифрові застосунки та платформи у процесі навчання хімії в закладах вищої освіти для демонстрації здобувачам зв'язку змісту певної теми, курсу, навчальної проблеми із практикою, реаліями соціального життя, власним досвідом здобувачів. Складні наукові положення та теоретичні концепції набувають статусу важливої для практики й життя інформації. Також дуже ефективним є можливість розривати міжпредметні зв'язки у ракурсі практичного використання (наприклад, зв'язок органічної хімії та біології, медицини, фармакології й їх вплив на якість життя суспільства, людей).

Наприклад, викладачами кафедри хімії та біохімії Каліфорнійського університету (США) було розроблено спеціальну онлайн-платформу для вивчення інтегрованого курсу хімії та медицини, демонстрації зав'язків між ними та втіленням в цінні та корисні досягнення цивілізації, практики повсякденного життя. Платформа BACON (Biology And Chemistry Online Notes, https://learnbacon.com) містить комплекс дидактичного інструментарію, який працює в режимі онлайн-навчання.

Тематичний зміст навчальної дисципліни представленої на платформі BACON об'єднує шістнадцять модулів, які містять матеріал із органічної хімії («Стереохімія», «Перициклічні реакції», «Полімери» тощо). Проте, зміст кожного модуля містить обов'язкові приклади використання означеної проблематики в практиці, повсякденному житті. Також кожна тема розкривається в контексті досягнень медичної науки і практики. Зміст кожного модуля містить тематику сучасних наукових досліджень і відкриттів. Наприклад здобувачам запропоновано для ознайомлення технологію редагування генів CRISPR, яку було представлено на номінацію Нобелівської премії з хімії у 2020 році [8].

Як зазначають автори розробленої платформи BACON, до неї зверталися й користувалися біля 228 000 осіб із 169 країн світу. Для організації та реалізації процесу навчання платформу використовували 165 університетів світу, які навіть включили її до своїх навчальних програм [4].

Особливої популярності серед освітян й здобувачів набуває використання ігрових технологій навчання, що обумовило розвиток окремого напряму - цифрові інструменти у вигляді ігор, які створюють унікальне умови для інтерактивного навчання в ігровій формі, дозволяють виконувати завдання в індивідуальному темпі, перетворюють процес пізнання на захоплюючий процес.. застосунки. Так розроблений додаток для смартфонів Backside Attack дозволяє здобувачам краще усвідомити суть процесів певних хімічних реакцій. Дана тематика була обрана спеціально, оскільки вона містить змістовні й складні викладки, які доволі важко засвоюються здобувачами, проте, представлені в усіх навчальних програмах дисциплін органічної хімії. В ігровій формі користувачі опановують такі поняття і явища, як нуклеофільність, електрофільність, розглядають як впливають стерики й розчинники на результати конкретних хімічних реакцій. Розробники Backside Attack створили цікавий інтерфейс для користувачів, які можуть зв свого смартфона «запустити» нуклеофіл до розчину, який містить електрофіл й простежити за реакцією. Наприкінці здобувачеві необхідно вирішити задачу на основі вивченого матеріалу [4].

Значні можливості для підвищення ефективності навчання хімії мають інструменти і застосунки, які дозволяють візуалізувати певні хімічні структури. Одним із важливих якостей майбутнього хіміка є вміння усвідомити й зрозуміти хімічну структуру у двох вимірах і перенести це розуміння у три виміри. Це вимагає врахування й розуміння таких процесів, як відштовхування електронних пар валентної оболонки, хіральність, стереохімія. Незважаючи на те, що ці концепції становлять важливу основу хімічної освіти, вони викликають певні труднощі у здобувачів. Для кращого розуміння означених процесів необхідна якісна наочність, візуалізація конкретних хімічних процесів. Поширеними засобами наочності в даному напрямку традиційно виступали набори фізичних моделей. Проте, вони не досконалі, не дуже зручні у використанні, досить коштовні й не всі заклади вищої освіти забезпечені ними в повному обсязі. Доволі ефективно нівелюють означені проблем цифрові застосунки, які візуалізують будь який процес, реакцію у трьох вимірах, демонструють їх у динаміці. Такі інструменти дають змогу здобувачам не тільки краще зрозуміти тривимірні структури, але й інші теми й концепції хімічної науки, які пов'язані із даною проблемою. Отже, досягнення сучасних цифрових технологій надають нові можливості для кращого розуміння суті хімічних процесів, з'ясування складної систем взаємовпливів окремих речовин на характер й результат хімічної реакції [4; 9; 10].

Технології віртуальної реальності і доповненої реальності дозволяють створювати трьох мірну картинку протікання певних хімічних процесів, пропонують можливості розкривати абстрактні поняття, які дуже важко пояснити й продемонструвати традиційними способами, у доступному вигляді [9; 10].

Висновки

Отже, інтенсивний розвиток промисловості, науково-технічної сфери, динамічний поступ процесів інформатизації та цифровізації актуалізували нові завдання для хімічної науки, як базової галузі для комплексних перетворень й оновлення багатьох напрямів виробництва, інноваційних зрушень в медицині, фармацевтиці тощо. Першочерговими визначаються завдання адаптації інституту вищої хімічної освіти до нових запитів, пріоритетними напрямами його розвитку в сучасних умовах є: розширення змісту освіти проблематикою екологічної хімії, використання засобів програмного забезпечення, хмарних програм, систем керування аналітичними даним, розширення арсеналу практичних способів та засобів навчання цифровим інструментарієм.

Література

1. American Chemical Society. Artificial Intelligence in Chemistry: The Landscape of Drug Discovery. 2018. Retrieved from https://www.cas.org/sites/default/files/documents/aichemistry-landscape.pdf

2. Baum Z. J., Yu X., Ayala P. Y, Zhao Y., Watkins, S. P., & Zhou Q. A Survey of Artificial Intelligence in Chemistry. Journal of Chemical Information and Modeling, 2021. № 61(7). Р. 3197-3212. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.1c00619

3. Crispin Baidoo. The Crucial Role of Chemistry Education in National Development. 2023. https://www.linkedin.com/pulse/crucial-role-chemistry-education-national-developmentcrispin-baidoo/

4. Ippoliti F.M., Chari J.V., Garg N.K. Advancing global chemical education through interactive teaching tools. Chem Sci. 2022 May 11;13(20):5790-5796. doi: 10.1039/d2sc01881k.

5. Jesse Harris. Building the Future of Chemistry Education: How Universities Support Better Science. https://www.acdlabs.com/blog/building-future-of-chemistry-education/

6. Marcelino L., Sjostrom J., Marques C.A. Socio-problematization of green chemistry: enriching systems thinking and social sustainability by education. Sustainability, 2019. № 11 (24). Р. 71-23.

7. Nations. Transforming our World: The 2030 Agenda for Sustainable Development: Sustainable Development Knowledge Platform. Available online: https://sdgs.un.org/2030agenda

8. United Nations Conference on Environment & Development. Agenda 21. Rio de Janerio, Brazil, 3 to 14 June 1992. pdf 1993. https://sustainabledevelopment.un.org/content/ documents/Agenda21.pdf

9. Єфімов Д. В. Використання доповненої реальності (AR) в освіті. Herald of Zaporizhzhia National University.2021. No 1(37). С. 219-225. DOI: https://doi.org/10.26661/ 2522-4360-2021-1234

10. Паршукова Л., Паршуков С. Доповнена реальність як спосіб урізноманітнення освітнього процесу. Veda a perspektivy.2023. No 1(20). DOI: https://doi.org/10.52058/26951592-2023 -1(20)-74-83

References

1. American Chemical Society. Artificial Intelligence in Chemistry: The Landscape of Drug Discovery. (2018). Retrieved from https://www.cas.org/sites/default/files/documents/aichemistry-landscape.pdf [in USA].

2. Baum, Z. J., Yu, X., Ayala, P. Y., Zhao Y, Watkins, S. P., & Zhou, Q. A (2021). Survey of Artificial Intelligence in Chemistry. Journal of Chemical Information and Modeling, № 61(7). Р. 3197-3212. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.1c00619 [in USA].

3. Crispin Baidoo. (2023). The Crucial Role of Chemistry Education in National Development. 2023. https://www.linkedin.com/pulse/crucial-role-chemistry-education-nationaldevelopment-crispin-baidoo/ [in USA].

4. Ippoliti, F.M., Chari, J.V., Garg, N.K. (2022). Advancing global chemical education through interactive teaching tools. Chem Sci. 2022 May 11;13(20):5790-5796. doi: 10.1039/ d2sc01881k. [in USA].

5. Jesse Harris. (2023). Building the Future of Chemistry Education: How Universities Support Better Science. https://www.acdlabs.com/blog/building-future-of-chemistry-education/ [in USA].

6. Marcelino, L., Sjostrom, J., Marques, C.A. (2019). Socio-problematization of green chemistry: enriching systems thinking and social sustainability by education. Sustainability. № 11 (24). Р. 71-23 [in USA].

7. Nations. Transforming our World: The 2030 Agenda for Sustainable Development: Sustainable Development Knowledge Platform. (2015). https://sdgs.un.org/2030agenda [in USA].

8. United Nations Conference on Environment & Development. Agenda 21. (1992). Rio de Janerio, Brazil, 3 to 14 June 1992. pdf 1993. https://sustainabledevelopment.un.org/content/ documents/Agenda21.pdf [in USA].

9. Yefimov, D. V. (2021). Vykorystannia dopovnenoi realnosti (AR) v osviti [Use of augmented reality (AR) in education].Herald of Zaporizhzhia National University, 1(37), 219-225. https://doi.org/10.26661/2522-4360-2021-1-2-34 [in Ukrainia].

10. Parshukova, L., & Parshukov, S. (2023). Dopovnena realnist yak sposib uriznomanitnennia osvitnoho protsesu [Augmented reality as a way to diversify the educational process]. Veda a perspektivy, 1(20). https://doi.org/10.52058/2695-1592-2023-1(20)-74-83 [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru