XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИНТЕРАКТИВНОЕ ОБУЧЕНИЕ ХИМИИ: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАТ-БОТА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ВОВЛЕЧЕННОСТИ И УСПЕВАЕМОСТИ УЧЕНИКОВ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Богданова С.М. 1Богданов А.М. 2Выборный А.А. 2

---

1Гимназия Тюменского Государственного университета

2МАОУ СОШ № 92 города Тюмени

Щетникова Г.Г. 1

---

1Гимназия Тюменского Государственного университета

Работа в формате PDF

389.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире, насыщенном информацией и технологиями, традиционные методы обучения всё чаще оказываются недостаточно эффективными для вовлечения школьников в учебный процесс. Уроки, основанные на лекциях и однообразных заданиях, не всегда способны заинтересовать учащихся и способствовать глубокому усвоению материала. В результате многие ученики теряют мотивацию и не достигают желаемых результатов.

В рамках данного проекта мы проанализируем существующие проблемы традиционного обучения, рассмотрим решения, применяемые в других странах, и предложим свой вариант: использование чат-бота для повышения вовлеченности в изучение химии.

Цель проекта – доказательство того, что чат-бот является эффективным и актуальным инструментом в обучении химической науке.

Задачи проекта:

1. Анализ проблемы зависимости учеников от мобильных устройств и влияние этого фактора на учебный процесс.

2. Исследование причин низкой успеваемости и отсутствия мотивации к глубокому усвоению сложных школьных предметов.

3. Решение проблем.

4. Исследование решений для уменьшения зависимости от гаджетов и улучшения образовательного процесса в развитых странах.

5. Анализ причин и последствий недостаточного объема практического обучения химии в общеобразовательных школах и гимназиях Российской Федерации, а также его влияние на подготовку учащихся.

6. Предложение собственного решения: создание химического чат-бота, который будет способствовать интерактивному обучению и повышению интереса к предмету.

Объект исследования – компьютерные технологии в образовательной сфере, предмет – виртуальные лаборатории посредством чат-ботов.

Основными методами исследования являются анализ и программирование.

Актуальность проекта обусловлена возрастающим интересом к внедрению современных технологий в образовательный процесс, которые способны существенно повысить качество и скорость обучения, особенно в сложных предметах.

В современной научной литературе всё чаще поднимается тема активного включения компьютерных технологий в образовательный процесс, поскольку цифровизация общества оказывает значительное влияние на молодёжь на всех уровнях её становления и развития, что в конечном итоге требует модернизации существующей системы образования. В данной исследовательской работе данная аксиома будет рассмотрена и принята как искомая точка.

1. Актуальные проблемы традиционных образовательных технологий

Современное образование сталкивается с рядом серьезных проблем, требующих внимания. Одной из ключевых является зависимость учеников от мобильных устройств. Смартфоны стали неотъемлемой частью жизни молодежи, что усугубляет эту проблему [9]. Влияние зависимости от мобильных устройств на учебный процесс проявляется в следующем:

1. Распространенность: высокий уровень использования мобильных устройств среди школьников для общения, игр и социальных сетей.

2. Снижение концентрации: частое отвлечение на гаджеты во время уроков приводит к ухудшению внимания и усвоения материала.

3. Низкая успеваемость: зависимость от мобильных устройств может способствовать снижению оценок и мотивации к учебе.

4. Проблемы с коммуникацией: уменьшение личного общения между учениками и учителями из-за предпочтения виртуального взаимодействия.

5. Снижение критического мышления: избыточное использование технологий может привести к поверхностному восприятию информации и снижению аналитических навыков.

6. Физическое здоровье: долгое время, проведенное за экранами, может негативно сказаться на зрении, осанке и общем физическом состоянии учащихся.

Низкая успеваемость и отсутствие глубокого усвоения сложных предметов могут быть обусловлены несколькими факторами [7]:

1. Недостаточное материально-техническое обеспечение: отсутствие необходимого оборудования, учебных материалов и ресурсов для практических занятий.

2. Ограничения по технике безопасности [4]: запрет на проведение определенных экспериментов, что снижает практическую составляющую обучения.

3. Недостаточное количество учебных часов: ограниченное время на изучение предмета не позволяет углубиться в материал, нехватка времени для выполнения практических заданий и проектов[3, 5].

4. Высокая наполняемость классов: сложности в индивидуальном подходе к каждому ученику по причине нехватки времени.

5. Неэффективные методы преподавания: применение устаревших или неэффективных методов обучения, недостаток интерактивных и практических занятий [10].

6. Мотивация и интерес учеников: низкий уровень мотивации у учеников к изучению сложных предметов, отсутствие связи между учебным материалом и реальной жизнью.

Вывод: для повышения успеваемости важно создать поддерживающую среду и внедрять разнообразные инновационные подходы, методы обучения и технологии, которые помогут вернуть интерес к учебному процессу. Это, в свою очередь, повысит интерес к сложным предметам и улучшит усвоение знаний учениками.

2. Мировая практика борьбы с цифровой зависимостью учащихся

В разных странах мира принимаются различные меры для борьбы с зависимостью от гаджетов. В европейских странах и США, например, введены запреты на использование смартфонов на уроках, что помогает снизить отвлекаемость учеников. Также проводятся просветительные акции о вреде гаджетомании, направленные на повышение осведомленности о последствиях чрезмерного использования технологий. Важным аспектом является оказание психологической помощи подросткам, что позволяет им справляться с зависимостями. Кроме того, организуются активные мероприятия и спортивные программы, которые отвлекают молодежь от экранов и способствуют здоровому образу жизни.

В Китае действуют более строгие меры: несовершеннолетним разрешено играть в видеоигры только в выходные и не более трех часов в неделю. Школы также обучают детей здоровому использованию технологий через специальные образовательные программы. Дополнительно введен родительский контроль, который включает полное ограничение доступа к интернету в ночное время с 22:00 до 6:00.

Северная Корея применяет жесткие меры, такие как строгий контроль доступа к информации и цензура, включая запрет на доступ к иностранным ресурсам. Идеологическое воспитание и формирование патриотизма также играют важную роль в этой стране. В рамках борьбы с зависимостями поощряется участие в спортивных мероприятиях и физическом труде, а в школах проводятся программы, направленные на развитие навыков критического мышления и общения.

В европейских странах и США проблема низкой успеваемости и отсутствия мотивации к усвоению сложных предметов решается различными способами:

1. Индивидуализированное обучение: школы внедряют адаптивные учебные программы, которые учитывают уровень знаний и интересы каждого ученика.

2. Технологии в обучении: использование образовательных технологий, таких как онлайн-курсы и интерактивные платформы, помогает сделать обучение более увлекательным и доступным.

3. Проектная деятельность: учебные проекты, которые связывают теорию с практикой, способствуют повышению интереса к предмету.

4. Социально-эмоциональное обучение (SEL): программы SEL помогают учащимся развивать навыки управления эмоциями и межличностными отношениями, что может повысить их мотивацию и успеваемость.

В Китае проблемы низкой успеваемости и отсутствия мотивации к усвоению сложных предметов решаются через несколько подходов:

1. Система репетиторства: в Китае широко распространены частные уроки и репетиторы, которые помогают ученикам углубить знания по сложным предметам.

2. Интенсивные курсы: школы часто предлагают дополнительные занятия и интенсивные курсы для подготовки к экзаменам, особенно к важным экзаменам, таким как Гаокао (национальный экзамен для поступления в университеты).

3. Технологические ресурсы: использование онлайн-платформ и образовательных приложений позволяет ученикам учиться в удобном для них темпе и получать доступ к дополнительным материалам.

4. Фокус на дисциплине и трудолюбии: в китайской культуре большое внимание уделяется усердной работе и дисциплине, учителя и родители часто подчеркивают важность усилий и настойчивости.

5. Проектное обучение: в некоторых школах внедряются методы проектного обучения, что помогает ученикам видеть практическое применение знаний и развивает интерес к предмету.

В Северной Корее проблемы низкой успеваемости и отсутствия мотивации к усвоению сложных предметов решаются через несколько специфических подходов, учитывающих уникальные условия и идеологию страны:

1. Идеологическое воспитание: образование в Северной Корее тесно связано с идеологией чучхе (самостоятельности). Учащиеся обучаются не только академическим предметам, но и основам идеологии, что формирует у них чувство патриотизма и преданности государству.

2. Строгая дисциплина: в школах применяются строгие меры дисциплины, учителя контролируют успеваемость учеников и могут применять различные методы воздействия для повышения мотивации, включая публичные похвалы или, наоборот, критику.

3. Централизованное образование: образовательная система полностью контролируется государством, что позволяет внедрять единые стандарты и программы обучения, обеспечивающие однородный уровень знаний среди учащихся.

4. Профессиональная ориентация: в старших классах учащимся могут предлагаться курсы профессиональной подготовки, что помогает им увидеть практическое применение знаний и повысить интерес к учебе.

5. Ограниченный доступ к информации: в Северной Корее контроль за информацией также влияет на образовательный процесс. Ученики получают информацию, соответствующую государственной идеологии, что может ограничивать их кругозор, но также способствует формированию единого мировосприятия.

3. Химическое образование в условиях развивающейся цифровой среды

В нашей стране, помимо проблем с зависимостью подростков от гаджетов, низкой успеваемости и отсутствия мотивации к углубленному изучению сложных предметов, наблюдается значительная нехватка специалистов с техническим образованием. Эта ситуация представляет собой серьезную проблему для многих отраслей экономики. Технические специальности становятся всё более востребованными в условиях стремительного развития технологий и цифровизации. Однако недостаток квалифицированных кадров приводит к замедлению инновационных процессов и снижению конкурентоспособности отечественных компаний.

Химия, как фундаментальная естественная наука, играет ключевую роль в технологическом прогрессе и обеспечении устойчивого развития общества. Она не только способствует созданию новых материалов и технологий, но и решает актуальные экологические проблемы. Однако, несмотря на ее важность, мы наблюдаем снижение мотивации и интереса учащихся к изучению химии. Ограничения на практические занятия ведут к низкой эффективности усвоения материала, что, в свою очередь, отражается на результатах экзаменов.

Сокращение числа выпускников, сдающих ЕГЭ по химии и выбирающих химические специальности, приводит к дефициту кадров для химической отрасли. Это создает замкнутый круг: отсутствие практического опыта у студентов снижает их конкурентоспособность на рынке труда, что еще больше отталкивает будущие поколения от выбора профессий в области химии [2].

Практическое обучение является неотъемлемым компонентом эффективного освоения дисциплин естественно-научного цикла. Оно позволяет учащимся не только закрепить теоретические знания, но и развить исследовательские навыки, критическое мышление и способность к решению реальных задач. В условиях ограничений необходимо искать пути для обновления образовательных программ и создания безопасных условий для проведения экспериментов.

4. Виртуальные лаборатории и чат-бот как эффективный инструмент изучения химической науки

Традиционные методы обучения часто не справляются с современными вызовами, и внедрение современных методик становится актуальной задачей. Одним из способов решения проблемы недостатка лабораторного оборудования являются виртуальные лаборатории, которые предоставляют школьникам возможность проводить эксперименты в цифровой среде [8, 11]. Эти платформы не только делают обучение более доступным, но и позволяют учащимся безопасно и эффективно исследовать научные концепции. В сочетании с чат-ботами, которые упрощают навигацию и поиск информации, виртуальные лаборатории становятся мощным инструментом в образовательном процессе [6].

Преимущества виртуальных лабораторий:

• Доступность: учебные эксперименты доступны в любое время и место.

• Безопасность: исключение рисков при проведении экспериментов.

• Интерактивность: увлекательные задания и визуализация процессов.

• Индивидуализация: адаптация под уровень и темп каждого ученика.

• Сокращение расходов: уменьшение затрат на организацию практических занятий за счет снижения необходимости в оборудовании и расходных материалах.

Роль чат-бота:

1. П оддержка учеников: быстрые ответы бота на вопросы и доступ к видеодемонстрациям.

2. Вовлеченность: геймификация и регулярная обратная связь от учителя.

3. Автоматизация: упрощение рутинных задач для преподавателей.

4. Интерактивная навигация: быстрый и удобный поиск нужной информации.

Мы предлагаем перспективное решение: внедрение чат-бота, который будет оснащен видео химических реакций для использования в учебном процессе.

Принципы работы чат-бота [1]:

1. Видео-каталог химических реакций: чат-бот содержит обширную базу данных видеодемонстраций химических экспериментов, организованных по разделам школьной программы [1]. Это позволит учащимся легко находить необходимые материалы.

2. И нтерактивная навигация: Ученики могут легко находить нужные видео, используя поисковые запросы по названиям реакций, химическим веществам или темам [1]. Это делает процесс обучения более доступным и удобным.

3. И нтерактивный диалог: Чат-бот поддерживает диалог с пользователем, отвечая на вопросы и предоставляя дополнительную информацию по ходу просмотра видео [1]. Это создает возможность для более глубокого понимания материала.

4. Обратная связь: Чат-бот предоставляет возможность ученикам оставлять свои комментарии и задавать дополнительные вопросы преподавателю [1]. Это способствует активному вовлечению студентов в учебный процесс и позволяет учителям лучше понимать потребности своих учеников.

Важно отметить, что вся информация, предоставляемая чат-ботом, достоверна и проверена специалистами в сфере образования, в отличие от данных, получаемых из свободных интернет-ресурсов.

5. Конкурентный анализ Химического чат-бота

В ходе конкурентного анализа мы выяснили, что наш Химический чат-бот предоставляет пользователям всю необходимую информацию полностью бесплатно и без назойливой рекламы, что отличает нас от конкурентов. Например, на сайте «Acetyl» и в приложении «Химия Про» отсутствуют видео химических реакций, в то время как приложение «UnrealChemist» не предлагает описания реакций и не поддерживает русский язык. Кроме того, все упомянутые источники имеют платные ограничения, что делает наш продукт более доступным и удобным для пользователей

Оценка школьниками возможностей практического применения чат-бота в обучении химии показывает высокий потенциал этого инструмента для улучшения образовательного процесса. Применение чат-бота для повышения успеваемости по химии имеет реальные перспективы. Отзывы учащихся:

Плюсы:

1. Доступность: большинство учеников обладают смартфонами, что делает чат-бота легко доступным инструментом.

2. Интерес: игровой формат взаимодействия привлечёт внимание учащихся и повысит их мотивацию к обучению.

3. Персонализация: каждый ученик сможет учиться в удобном для себя темпе и режиме, что способствует более эффективному усвоению материала.

Минусы:

1. Необходимость адаптации: потребуется доработка интерфейса и содержания чат-бота для оптимального использования в учебном процессе.

2. Технические сложности: некоторые пользователи могут столкнуться с проблемами при использовании технологии.

Использование чат-бота в обучении химии представляется целесообразным и выгодным. Потенциальные преимущества значительно превышают возможные недостатки, что делает эту идею достойной реализации и дальнейшего развития.

Заключение

Наш проект по созданию чат-бота для обучения химии является актуальным и необходимым шагом в направлении модернизации образовательного процесса. Он не только отвечает современным требованиям к обучению, но и открывает новые горизонты для взаимодействия между учениками и материалом, что в конечном итоге способствует более глубокому пониманию предмета и повышению интереса к науке.

Применение разработанного чат-бота с видеодемонстрацией химических реакций позволяет компенсировать дефицит лабораторных работ, повысить мотивацию учащихся школ и гимназий РФ, обеспечить безопасный интерактивный и доступный формат обучения, а также сократить расходы на организацию практических занятий. Как следствие – будет повышаться качество химического образования, а также расширяться формирование кадрового потенциала для химической отрасли.

Таким образом, чат-бот является эффективным и актуальным инструментом в обучении химической науке. Поэтому считаем, что цель данного исследования достигнута, а гипотеза о высокой эффективности Химического чат-бота доказана.

Исследовательская работа будет продолжена в срезе расширения функционала предложенного механизма изучения химической науки, обновления и доработки интерфейса и расширения видео материалов базы данных чат-бота, а также налаживание и оптимизация системы контроля за достоверностью предоставляемой ботом информации за счёт привлечения экспертов-химиков.

Таким образом, предложенный механизм изучения сложных естественно-научных дисциплин в перспективе может быть применён для изучения других областей науки (физики, оптики и др.), что также может стать продолжением данной исследовательской работы.

Список литературы:

1. Богданова С.М, Богданов А.М. Химическая онлайн-лаборатория / Богданова С.М, Богданов А.М., Щетникова Г.Г. // Журнал Ямальский вестник. – 2025. № 2 (38). С. 21-24.

2. Ермаханов М.Н. Химический эксперимент и его роль в методике обучения химии / М.Н. Ермаханов, Л.А. Журхабаева, Г.М. Адырбекова, Г.Т. Асылбекова, У.О. Сабденова, Э.Т. Куандыкова // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – №1 (часть 3). – С.398-399.

3. Ибрагимова З.М., Ткаченко А.Л., Джамалдинова М.А. Использование чат-ботов в образовательном процессе // Педагогический журнал. – 2022. – Т. 12. № 6А. Ч. II. – С.741-746.

4. Изучение процессов горения твёрдых веществ и материалов: новые подходы в методике преподавания / А.Р. Манаева, Н.М. Твёрдынин, Л.Р. Шарифуллина, А.Ф. Гордова // Технологии техносферной безопасности. – 2024. – №2. – С.188-198.

5. Кузнецов В.В. Перспективы развития и использования чат-ботов в образовании / В.В. Кузнецов // Успехи современной науки. – 2016. – Т.8. – № 12. – С.16-19.

6. Потапов Д.А. Обзор современных технологий создания чат-ботов / Д.А. Потапов // Бизнес и информационные технологии. – 2017. – №4. – С.5-8.

7. Степанов А.Б. Особенности учебной мотивации учащихся старших классов в условиях углубленного изучения отдельных предметов / Степанов А.Б.// Ребенок и мир: Открытые возможности: материалы конференции. – Самара: Московский городской педагогический университет Самарский филиал. – 2018. – С.55-57.

8. Компьютерное моделирование различных вариантов нагружения фонтанной арматуры АФК 3-65-14 : Св-во о гос. рег. программы для ЭВМ / Сызранцева К.В., Мурашов С.С., Плаксин А.А., Садыков Р.И., Титов М.Ю.; правообладатель ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет». – № 2023663932; заявл. 07.06.2023 ; опубл. 28.06.2023, Бюл. №7. – 1 с.

9. Томилов Я.Д. Негативное влияние мобильных устройств на процесс обучения / Томилов Я.Д, Блощук А.А. // Цифровая трансформация социальных и экономических систем: материалы международной научно-практической конференции. – Москва: Московский университет им. С.Ю. Витте, 2022. – С. 821-826.

10. Фирсова Е.А. Перспективы использования чат-ботов в высшем образовании /Е.А. Фирсова // Информатизация науки и образования, 2018. – №3(35). – С. 157-166.

11. Шерстнёв, П.А. Использование VR-технологий в обучении химии как способ повышения эффективности образовательного процесса / П.А. Шерстнев, Д.С. Сергеев, Р.Р. Каримов // Информационные технологии. Проблемы и решения. – 2024. – №2 (27). – С.22-30.