Digitální technologie v didaktice přírodních věd

Digitální technologie jsou nedílnou součástí našeho života a jejich mohutný rozvoj v posledních desetiletí nás silně ovlivňuje jak po stránce sociální, tak i po stránce profesní. Přestože vliv moderních technologií na mnoho oborů lidské činnosti je značný, tak školství dosud jejich vlivu do značné míry odolává. Často se pak stává, že žáci doma běžně využívají technologie, se kterými se ve škole již nesetkávají (Brdička, 2013; 2011a). Přitom právě školství a vzdělávání by mělo připravovat mladé lidi na jejich budoucí život ve světě, ve kterém se digitální technologie výrazně uplatňují ve stále více oblastech pracovního trhu (OECD, 2015). Strategie digitálního vzdělávání do roku 2020 zmiňuje potřebu výrazné proměny školství s tím, jak dochází k rozvoji digitálních technologií. Z tohoto hlediska je prioritou a zároveň velkou výzvou současných oborových didaktik cílené a promyšlené začleňování digitálních technologií do výuky (Papáček et al., 2015).

Podle Wallace (2002) je pro implementaci digitálních technologií do výuky zcela zásadní role učitele, který rozhoduje o vhodných výukových metodách. V tomto ohledu je důležité se zaměřit zejména na to, jak by měla samotná výuka vypadat, což se odvíjí zejména od předem vytyčených vzdělávacích cílů. Na základě těchto cílů pak učitelé volí vhodné výukové metody a implementují technologie do výuky (Neumajer et al., 2010). „Tradiční“ role učitele jako poskytovatele faktů se však s rozvojem digitálních technologií výrazně změnila (Neumajer, 2007). Učitel již není tím, kdo je hlavním nositelem informací, ale spíše tím, kdo v souladu s konstruktivistickým přístupem pomáhá konstruovat poznatky žáků na základě informací získaných z různých zdrojů.

Dalším úskalí integrace technologií do vzdělávání představuje skutečnost, že samotní učitelé patří většinou mezi tzv. digitální imigranty, jejichž jazyk se mnohdy výrazně liší od jazyka jejich žáků, kteří představují tzv. digitální domorodce (Prensky, 2001). Mnozí učitelé tedy mají na rozdíl od svých žáků problém efektivním způsobem využívat digitální technologie, což společně s často konzervativním charakterem školního prostředí komplikuje možnou transformaci školství, která by vedla k žádoucí modifikaci výukových metod a cílů (Brdička, 2012).

Právě učitelé přírodovědných předmětů jsou často inovátory v oblasti využívání digitálních technologií v badatelsky orientované výuce (Wallace, 2002; Dani & Koenig, 2008). K úspěšnému digitálnímu vzdělávání v přírodních vědách nestačí pouhé zprostředkování přístupu žáků k moderním digitálním technologiím. Pro úspěšnou implementaci technologií do výukového procesu je zásadní, aby se výuka nepodřizovala samotným technologiím, ale naopak cíleně technologie využívala k rozvoji žákova učení (Ješková & Kimáková, 2011; Higgins et al. 2012; Odcházelová, 2014). Nejde tedy pouze o pouhé využívání digitálních technologií například formou přípravy a prezentování učebních materiálů v digitální podobě, ale hlavně o využívání digitálních technologií s předem stanoveným cílem vedoucím ke zkvalitnění vlastní výuky (Rehmat & Bailey, 2014). Z tohoto hlediska je důležité využívat vhodných výukových metod, které v kombinaci s digitálním vzděláváním usnadní porozumění mnohdy složitým přírodovědným konceptům (Alliance for Excellent Education, 2012). Uplatňování technologií ve výuce není samotným cílem výuky, ale pouze jedním z v současnosti velmi důležitých prostředků umožňujících zkvalitnění vzdělávacích procesů (Ješková a Kimáková, 2011).

Studie OECD (2015), která porovnává množství počítačů na školách a jejich využívání žáky s výsledky mezinárodního šetření PISA uvádí, že u zemí, které výrazně investovaly do informačních a komunikačních technologií ve vzdělávání, není patrné zlepšení výsledků žáků v oblasti matematické, čtenářské a přírodovědné gramotnosti. Na základě této studie vzniká požadavek na hledání více efektivních cest k integraci technologií do učení a vzdělávání. Podle Neumajera (2014) jsou digitální technologie v současném českém školství poměrně dobře dostupné, což ostatně potvrzuje i výše uvedená zpráva OECD (2015). Na druhou stranu však často platí, že učitelé nejsou dostatečně připraveni na jejich využívání, což souvisí s nedostatkem metodické podpory, která by učitelům pomohla v efektivní implementaci technologií do výuky (Neumajer, 2014).

Přitom potenciál digitálních technologií pro přírodovědnou výuku, ve které se počítá s motivováním a aktivním zapojením žáků, je obrovský. Jedná se zejména o takovou výuku, v rámci které žáci aktivně vyhledávají nové informace, vzájemně je sdílí, provádějí měření a vyhodnocování získaných dat, ověřují hypotézy a prezentují zjištěné výsledky (Alliance for Excellent Education, 2012; Bolstad & Butting, 2013; Odcházelová, 2014). Podle Ješkové a Kimákové (2011) spočívá hlavní přínos cíleného využívání digitálních technologií ve výuce zejména v podpoře:

• vzdělávacího prostředí, které umožňuje žákům aktivně vědecky bádat;
• kritického myšlení a samostatného učení se bez neustálé supervize ze strany učitele;
• spolupráce žáků při diskutování a analyzování výsledků výzkumů.

Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání – RVP ZV (2013) a Rámcový vzdělávací program pro gymnázia – RVP G (2007) explicitně neuvádí v obecných cílech přírodovědného vzdělávání či konkrétních očekávaných výstupech jednotlivých vzdělávacích oborů přírodních věd potřebu využívat digitální technologie do výuky. Přitom v cílovém zaměření vzdělávací oblasti se uvádí, že „vzdělávací obory, jimiž jsou Fyzika, Chemie, Přírodopis a Zeměpis, svým činnostním a badatelským charakterem výuky umožňují žákům hlouběji porozumět zákonitostem přírodních procesů“ (RVP ZV, 2013). Z tohoto hlediska se jeví jako žádoucí ve výuce přírodních věd smysluplně a promyšleně uplatňovat digitální technologie. Boyce at al. (2014) se ve své studii zabývá problematikou klesajícího zájmu žáků o přírodní vědy. Možnosti zlepšení této situace spatřuje zejména v promyšleném využívání digitálních technologií ve výuce, což je podloženo výsledky výzkumu, které dokládají, že smysluplné využívání digitálních technologií má pozitivní dopad na zájem žáků o přírodu a její zkoumání. Pozitivní vliv digitálních technologií na učení a vzdělávání zmiňuje též publikace vydaná Aliancí pro excelenci ve vzdělávání (Allience for Excellence in Education). Z hlediska badatelsky zaměřené přírodovědné výuky nacházejí digitální technologie uplatnění zejména při:

• tvorbě simulací představující virtuální prostředí, které napodobuje přírodní jevy, systémy a procesy, jež žáci z určitého důvodu nemohou studovat v reálných přírodních podmínkách;
• využívání měřicích zařízení v podobě různých sond a odpovídajících softwarů, které slouží ke sběru dat, jejich třídění a analýze;
• práci s virtuální vzdělávací komunitou, která představuje prostředí, v němž si žáci rozšiřují dosavadní znalosti daného problému s porozuměním, získávají zpětnou vazbu a vzájemně spolupracují při sdílení vlastních poznatků a zkušeností (Dani & Koenig, 2008).

V následujícím textu jsou uvedeny 3 možné příklady praktického uplatňování digitálních technologií, které je založeno na virtuálních vzdělávacích komunitách a využívání digitálního měřícího zařízení v terénní výuce.

Práce s virtuální vzdělávací komunitou

Virtuální vzdělávací komunita představuje prostředí, v němž skupina žáků mezi sebou vzájemně komunikuje prostřednictvím digitálních technologií, a přitom si rozšiřují dosavadní znalosti daného problému s porozuměním, získávají zpětnou vazbu a vzájemně spolupracují při sdílení vlastních poznatků a zkušeností (Dani & Koenig, 2008). V této oblasti zastává významnou roli například portál Coursera nabízející masivní otevřené on-line kurzy široké veřejnosti. Druhým zmíněným prostředím je portál BioLib, což je digitální encyklopedie rozvíjející se na základě příspěvků jejích uživatelů.

Coursera.org

Coursera je projekt probíhající od roku 2012, který zprostředkovává on-line kurzy na základě spolupráce s univerzitami z celého světa (Němec, 2013). Jedná se prakticky o stále poměrně nový druh vzdělávacích aktivit, které v sobě kombinují vlastnosti tradičního eLearningu, online konferencí či tvorby komunit. Tyto kurzy jsou založeny především na principu sdílení a volnosti. Hlavním cílem je propojit vzdělávací prostředí všech účastníků kurzu a jejich prostřednictvím šířit podnětné myšlenky, což vede k podpoře zájmu o poznání. Zdaleka se tedy nejedná o pouhý přenos znalostí dané problematiky z lektorů na účastníky kurzu (Brdička, 2011b). Velkým přínosem portálu spočívá v otevřenosti a dobré dostupnosti vysoké úrovně poznání, jež je zprostředkováno pedagogy z nejprestižnějších univerzit světa (Ružbacká, 2012).

Na portálu Coursera je možné vybírat z velkého počtu kurzů, jejichž nabídka se průběžně aktualizuje. Kurzy se tematicky vztahují k matematice, přírodním vědám, IT, technice, obchodu, jazykům a dalším humanitně zaměřeným oborům. Komplexní popis k organizaci a průběhu kurzů uvádí Němec (2013) v článku s názvem Vyzkoušejte MOOC na vlastní kůži, který je zveřejněn na Metodickém portálu RVP.

Z hlediska přírodovědného vzdělávání lze přínos portálu Coursera spatřovat zejména ve výborné dostupnosti dalšího odborného i pedagogického vzdělávání učitelů přírodních věd, nicméně kurzů se mohou zúčastnit i žáci se specifickým zájmem o konkrétní přírodovědnou problematiku. Přitom lze vybírat z poměrně pestré nabídky biologicky, chemicky, fyzikálně, geograficky a geologicky zaměřených kurzů. V době, kdy byl psán tento článek, bylo v nabídce přibližně 50 kurzů s biologickou a chemickou tematikou. Velká část těchto kurzů se poměrně úzce specializuje, přičemž z biologie převažují témata zaměřená na tzv. bílou biologii (zejména mikrobiologii, molekulární biologii a genetiku). V nabídce jsou však i kurzy zaměřené na etologii, ekologii, evoluci života, aktuální bakteriální a virová onemocnění či udržitelný rozvoj. Kromě odborně zaměřených kurzů portál nabízí i kurzy zaměřené na další rozvoj učitelů v oblasti metodologie výuky a tzv. měkkých dovedností, které jsou důležitou součástí pedagogické způsobilosti učitele. Jako příklad lze uvést kurzy zaměřené na badatelskou výuku v přírodních vědách, ICT v rámci primárního vzdělávání či vytváření pozitivního prostředí školní třídy.

Úspěšné absolvování kurzu zpravidla vyžaduje několikatýdenní pravidelnou práci, která spočívá ve sledování přednášek, plnění dílčích úkolů, vyplňování průběžných testů, přispívání do diskusního fóra a práci na závěrečném projektu, který bývá často podroben hodnocení ze strany dalších účastníků kurzu (tzv. vrstevnické hodnocení). Kurzy bývají vedeny odborníky na probíranou problematiku z různých světově známých univerzit, kteří umí dané téma podat nejen srozumitelně, ale též zábavně. Otevřené on-line kurzy tedy představují velký potenciál pro další vzdělávání, které je velmi dobře dostupné.

BioLib

BioLib  je digitální mezinárodní encyklopedie rostlin, hub a živočichů, která kromě taxonomického systému organismů nabízí také bohatou galerii fotografií, databázi odkazů, biotopů a chráněných území, diskusní fórum a další funkce tematicky související s biologií.  Na vytváření obsahu databáze se podílejí nejen odborníci z řad biologů, ale i široká veřejnost se zájmem o biologii. Encyklopedie spolupracuje s Agenturou ochrany přírody a krajiny a Národním muzeem na mapování savců, obojživelníků, ryb a bezobratlých živočichů.

Obdobně jako Wikipedie, tak i BioLib funguje na základě dobrovolných přispěvatelů a správců, kteří ověřují veškeré vkládané informace. Uživatelé mohou do encyklopedie přidávat fotografie (včetně fotografií neurčených druhů), mohou navrhovat změny v původním určení, doplňovat názvy dosud nepojmenovaných druhů a jejich popisy. Digitální encyklopedie BioLib může představovat nástroj obohacující vlastní výuku biologie, zejména pak v rámci biologického kroužku. V průběhu terénní vycházky mohou žáci určovat a dokumentovat rozmanité organismy. Pořízené fotografie rostlin, hub a živočichů následně upravovat v grafickém programu, doplňovat je o popis jejich vzhledu, ekologie, rozšíření apod. Žáci si poté mohou v rámci školní výuky jednotlivé druhy blíže představit krátkou prezentací a prostřednictvím na BioLibu registrovaného zástupce fotografie organismů i s jejich popisky do encyklopedie vložit, a tím přispět k dalšímu rozšíření informací v encyklopedii uvedených.

Využívání digitálních měřících zařízení a aplikací

Digitální měřicí zařízení v podobě různých sond a odpovídajících softwarů sloužící ke sběru dat, jejich třídění a analýze. Využitím těchto zařízení a aplikací výrazně podporuje badatelsky orientovaný přístup v přírodovědné výuce, ve které žáci samostatně shromažďují a vyhodnocují data prováděného přírodovědného výzkumu.

Elektronický geologický kompas

Geologický kompas je nástroj, kterým se dají získávat informace o orientaci geologických struktur v krajině. Jeho prostřednictvím je možné měřit sklon a orientaci horninových vrstev. Ačkoliv se jedná o nástroj určený především pro práci geologa v terénu, jeho využití je možné i v rámci terénní výuky zejména žáků gymnázií. Klasický geologický kompas bývá finančně poměrně nákladný, nicméně v současné době je možné využívat kompas digitální, který zle instalovat do chytrého telefonu či tabletu. Na internetu je k dispozici hned několik těchto e-kompasů, nicméně pro tento článek jsem zvolil aplikaci s názvem eGEO Compass, která je určena operačnímu systému Android a její základní verze je ke stažení zdarma na Google play. Tento kompas umožňuje nejen zjišťovat sklon a orientaci vrstev hornin, ale též je s ním možné na základě GPS polohy zanášet souřadnice výskytu měřeného geologického útvaru do mapového zobrazení Google Maps.

Při otevření aplikace eGEO Compass se nejprve automaticky ověří dostupnost internetového připojení a GPS. Aplikace však funguje i bez internetového připojení, jen se k měřenému místu nezobrazí zeměpisná délka a šířka. Posléze je potřeba zadat název projektu, do kterého se budou jednotlivá měření ukládat.

Po zadání jména projektu je aplikace připravena k měření orientace strukturních geologických prvků v krajině. Samotné použití aplikace je podstatně jednodušší než použití „klasického“ geologického kompasu, protože nemusíme zařízení složitě polohovat a natáčet. Telefon stačí položit jeho zadní stranou na cílový povrch (vrstevní plochu) a stisknout tlačítko pro ukládání naměřených dat. Jakkoliv je telefon při měření orientován, aplikace automaticky vypočítá správné hodnoty pro daný povrch. Magnetické čidlo telefonu pracuje správně pouze v otevřeném venkovním prostředí, kde nejsou přítomné žádné kovové předměty či zdroje elektromagnetického vlnění. V případě magnetických hornin tedy nelze kompas využít.

Potenciál digitálních technologií v didaktice přírodních věd je značný, nicméně pouze tehdy, pokud se využívají ve výuce promyšleně a smysluplně v souladu se stanovenými vzdělávacími cíli. Smyslem výuky by přitom nemělo být samotné využití digitálních technologií ve výuce, ale spíše jejich smysluplné zapojení do výuky s cílem podpořit zvídavost, motivaci a spolupráci účastníků vzdělávání. V tomto ohledu text zmiňuje konkrétní příklady možného využití digitálních technologií v oblasti přírodovědné výuky a poukazuje na oblasti, ve kterých se současné technologie ve vzdělávání výrazně uplatňují.