«ИНТЕГРАЦИЯ ПРЕДМЕТОВ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ЦИКЛА В IT-СПЕЦИАЛЬНОСТИ СПО»

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ГОРОДА МОСКВЫ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение города Москвы

«Московский государственный колледж электромеханики и информационных технологий»

Творческий проект

«Интеграция предметов естественно-научного цикла в IT-специальности СПО»

Москва

2025

Введение

Вопросы, касающиеся совершенствования методов обучения всегда являются приоритетным направлением системы образования. Особенно данная проблема актуальна в наш век информационных технологий, которые являются обязательными в любом образовательном процессе. Все уровни образования имеют свои особенности обучения, но на каждом уровне важно создать условия для интересного увлекательного и познавательного получения знаний учащимися.

Опыт работы преподавателем показывает, что студенты, не специализирующиеся на естественно-научном направлении, неохотно подходят к изучению предметов данного цикла в колледжах и часто задаются вопросом «зачем нам это нужно знать?». Ответить на этот вопрос помогут чётно подобранные материалы, которые сопоставляются с получаемой студентами специальностью напрямую или косвенно. Данные материалы и методы обучения, которые будут понятны, заинтересуют и замотивируют обучающихся, повысят качество обучения. Возможно, данная информация станет ключевым моментом при выборе дальнейшего обучения, то есть также несет профориентационную направленность.

Создание библиотеки заданий дисциплин естественно-научного цикла при обучении студентов IT-специальностей побудил вопрос о практическом применении образовательной информации данных предметов и интересном, познавательном подходе к обучению будущих специалистов.

Объект исследования – материалы и методы естественно-научных дисциплин в образовательном процессе при подготовке студентов IT-специальностей на базе 9 класса в учреждениях СПО.

Цель: создать подборку материалов и способов для преподавания дисциплин естественно-научного цикла при подготовке студентов IT-специальностей, которые непосредственно отражают значимость данных предметов в образовательном процессе СПО.

Задачи:

1. Создать подборку материалов и методов по дисциплине Химия для обучения студентовIT-специальностей, отражающих практическую значимость данной информации согласно рабочей программе ФГОС СОО и ФГОС СПО;

2. Создать подборку материалов и методов по дисциплине Биология для обучения студентов IT-специальностей, отражающих практическую значимость данной информации согласно рабочей программе ФГОС СОО и ФГОС СПО;

3. Создать подборку материалов и методов по дисциплине География для обучения студентов IT-специальностей, отражающих практическую значимость данной информации согласно рабочей программе ФГОС СОО и ФГОС СПО;

Данные материалы и методы предназначены для изучения некоторых дисциплин естественно-научного цикла студентамиIT-специальностей учреждений СПО на базе 9 класса:

- на очных и дистанционных занятиях,

- для закрепления изученного материала дома,

- для самостоятельного изучения для тех студентов, которые находятся на индивидуальном графике обучения.

Интеграция дисциплины «Химия» в процесс обучения студентов IT-специальностей СПО

Химия – это наука, которая сопутствует нам, где бы мы не находились: дома, на работе, на природе или в городе. Трудно переоценить ее вклад в нашу жизнь, необходимость понимания и знания основных понятий и законов химии.

При изучении отдельных тем курса «Химии» в СПО можно включаться задания, напрямую или косвенно связанные с IT-специальностями.

Для начала необходимо обсудить как может быть связана IT-специальность с химией.

Химия и программирование:

Применение инструментов программирования может использоваться для наглядного отображения химических процессов, например при химическом моделировании и алгоритмизации химических процессов.

Можно сказать, что вся вычислительная химия и приборный анализ завязаны на программировании. Пакеты по квантовой химии или молекулярной динамике и прочие пишут программисты.

Для алгоритмизации химического процесса могут использоваться различные инструменты программирования: пакет программ Ghemical, химическая экспертная система JOELib, а также Viewmol, Авогадро, ChemicalFormulasxls, MATHCAD и др.

Выбор конкретного инструмента программирования зависит от индивидуальных потребностей и целей проекта.

Например, техасские исследователи создали язык программирования для химиков. Он позволяет описывать химические формулы языком, понятным человеку, легко вносить изменения и проверять их [4].

Также существует отдельная сравнительно молодая область химии - компьютерная химия. Возникла она на стыке химии и компьютерных технологий, основана на применении теории графов к химическим задачам фундаментального и прикладного характера [2].

С вышеизложенной информации можно начать курс «Органической Химии» для студентов-программистов. Это поможет замотивировать их на дальнейший процесс обучения.

Закрепить и поставить соответствующие задачи поможет выполнение кейсового задания, используя принцип проблемного обучения:

Нефтедобывающая промышленность включает в себя нефтехимию — область, которая изучает научные основы получения полезных химических продуктов из нефти и природного газа.  

Химический состав нефти представляет собой сложную смесь углеводородов. В основном она состоит из водорода (от 11% до 14,5%) и углерода (от 79% до 87%). Также в нефти присутствуют кислород, азот и сера, их доля может составлять от 0,5% до 8%. В состав нефти также входят такие металлы, как кальций, магний, железо, кремний, натрий, никель, алюминий и другие. 

Химическая промышленность использует простейшие углеводороды в качестве сырья для реакций, которые изменяют формулу соединений. В результате получаются пластмассы, резины, ткани, удобрения, красители, полиэтилен и полипропилен, а также множество средств бытовой химии [7].

Представьте, что вы являетесь сотрудником-программистом в нефтедобывающей компании. Вам необходимо в команде с химиками выбрать программные инструменты, которые позволят показать процесс химизации нефтепродуктов на производстве. Подумайте и выберите из списка соответствующие программные инструменты:

1. инструмент для компьютерного моделирования химико-технологических процессов;

2. набор программ для компьютерного моделирования физических процессов;

3)программный пакет проектирования химико-технологических производств, контроля производительности оборудования;

4)программный инструмент по системе моделирования для выполнения проверочных и проектных расчётов химического производства;

5) программный продукт для имитационного выполнения лабораторных работ;

6) цифровые платформы для записи экспериментов и исследовательских заметок;

7) программы для обработки и интерпретации данных секвенирования; 

8) программные системы управления крупными массивами геномных данных. 

Ответы выделены курсивом.

Программисты, знающие толк в создании и подборке программных продуктов, могут найти себя на предприятиях газо- и нефтедобывающей промышленности.

Металлы и неметаллы

Компьютер — основной инструмент IT-специалистов. С его помощью они обрабатывают данные, передают их, анализируют и хранят, разрабатывают различные программы и приложения.

При изучении темы «Металлы и неметаллы» целесообразно включить задание «Химический состав компьютера».

Задание:

1. Распределите металлы/сплавы, соединения металлов, используемые в устройстве компьютера по его составным частям.

2. Опишите, какую основную функцию выполняют данные металлы/сплавы.

Для выполнения данного задания можно использовать приведенную ниже схему.

Для проверки данного задания можно использовать следующую схему:

[3].

Дополнить информацию можно рассказом о сплавах, применяющихся при создании вычислительной техники.

В устройстве компьютера используются различные сплавы, например:

1. Магниевый сплав AZ91 — пригоден для литья под высоким давлением, обладает низкой плотностью и высокой прочностью. Из него удобно отливать детали сложной формы.

1. Алюминиевый сплав AL6061 — непригоден для литья, но может быть обработан штамповкой или фрезерованием.

Металлы, входящие в состав сплавов:

Cu: дорожки печатных плат, приводы жёстких дисков и цепи электропитания.

Si: подложки микросхем.

Sn: в качестве припоя.

Ni: в качестве слоя для коррозийной стойкости и предотвращения появления электромагнитных полей; при изготовлении многослойных конденсаторов.

Платиноиды и сплавы магния и хрома: улучшают способность дисков к считыванию в трудных условиях (высокие температуры, влажность или вибрация).

Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Чтобы было не только познавательно изучать ту или иную тему, но и интересно, одним из способов обучения для студентовIT-специальностей могут стать игровые методики, основанные на компьютерных игровых платформах. При введении такого метода студенты не только усвоят материал по химии, но и смогут практиковать свои навыки программирования и получат опыт создания геймифицированного контента.

Например, при повторении Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева можно создать синтез известной компьютерной игры, в данном случае «Марио», где предлагается собрать только те элементы, которые являются металлами, или усложнить задачу: собрать элементы, у которых молекулярная масса больше атома хлора. Вариации заданий практически бесконечны.

В качестве домашнего задания или творческого проекта задать студентам придумать свой вариант этапа изучения химии в синтезе с какой-либо игрой. Это может быть план или непосредственное использование программных продуктов для достижения поставленной цели.

Интеграция дисциплины «Биология» в процесс обучения студентов IT-специальностей СПО

Биологические знания входят в различные сферы нашей жизни, включая медицину, пищевую промышленность, сельское хозяйство, экологию и, конечно, активно взаимодействуют с IT-сферой. Они помогают нам понять основы жизни, функционирование организмов, влияние окружающей среды на здоровье человека, а также способы улучшения качества жизни.

Программирование в биологии

Биоинформатика — это один из методов проведения фундаментальных биологических исследований с использованием программных продуктов, одно из направлений компьютерных наук. Например, с помощью алгоритмов можно определить, каким образом взаимодействуют злокачественные клетки рака с соседними клетками, или понять эволюцию группы организмов. Выбор методов и подходов зависит от поставленной цели. Задача биоинформатика — получить данные, изучить их и понять, какую информацию и с помощью каких алгоритмов можно из этих данных извлечь. Чтобы работать в этом направлении, нужно очень хорошо разбираться в какой-то конкретной области биологии и непосредственно владеть основами программирования.

Есть биоинформатики, которые создают алгоритмы и разрабатывают пакеты программ для анализа данных. Здесь также важно хорошо понимать фундаментальную математику и алгоритмы.

Для успешной карьеры в данном направлении не обязательно глубоко разбираться в каком-то конкретном домене биологии, достаточно быть компетентным в своей области и IT-направлении [8].

Сити – фермерство как вид деятельности включает в себя элементы конструирования и агротехнологии. Сити – фермер – это специалист по обустройству и обслуживанию агропромышленных хозяйств, которые будут выращивать продукты питания на крышах и стенах небоскребов крупных городов. Включает в себя знание нескольких специализаций: биология (знание основ и условий выращивания определенных культурных растений для получения большого урожая), химия (приготовление питательных растворов), программирование (программирование режимов полива, поддержание определенной влажности, температуры, освещенности), электромонтаж (сбор конструкции сити-фермы), экономика (себестоимость и окупаемость сити-фермы) [6].

Виды сити-ферм:

1. Гидропонные фермы. В таких фермах растения выращивают на минеральном растворе.

1. Аквапонные фермы. Это «смесь» гидропоники и аквакультуры. Вода, используемая в системах аквапоники, содержит рыбные отходы.

1. Фермы контейнерного типа. Транспортные контейнеры, внутри которых устанавливаются датчики мониторинга воздуха и воды, светодиодное освещение, гидропонные или капельно-оросительные системы полива.

1. Блоки доращивания. Витрины для выращивания зелени на последней стадии созревания.

1. Теплицы на крышах. Они популярны в крупных мегаполисах[6].

Агроинформатика, или агрокибернетика, интегрирует достижения научно-технического прогресса и сельского хозяйства. Другими словами, она специализируется на автоматизации аграрных работ, разработке современного оборудования, технологических систем и программного обеспечения [1]. 

Бионика – это прикладная наука, объединяющая в себе биологию и технику.

Например, бионические протезы относятся к косметически-функциональному типу. Восстановление функции конечности достигается с помощью эффекта мышечной реиннервации.

Также ученые разработали бионический глаз. При потере зрения, вживляется протез сетчатки или нервостимулятор, саму сетчатку или стимулятор с неповрежденными нейронами дополняют искусственно созданными фоторецепторами.

В качестве домашнего задания или творческого проекта, можно выдать следующие задания:

1. Подобрать программные продукты, которые позволят создать абстрактную форму на основе форм живой природы.

2. Провести анализ конструктивных систем живых организмов (на ваш выбор), которые можно применить как аналоги для создания объектов, которые нас окружают.

Если есть возможность продолжительного изучения курса Бионики, можно предложить обучающимся исследовательский кейс.

Цель для обучающегося: разработать бионическую модель (прототип). 

В течение нескольких занятий студенты изучают основные аспекты бионики или они даны им в информационном блоке. Изучение концентрируется на техническом задании: смоделировать бионический объект, который можно применить в повседневной жизни, и описать работу над его созданием.

Работа в группах: 

1 группа - разработка бионической модели с уклоном на техническую составляющую; 

2 группа - разработка бионической модели с уклоном на дизайн.

Практиковать навыки программирования у студентовIT-специальностей возможно при изучении блока Эволюционной биологии. Создание проекта «Моделирование эволюции популяций» подразумевает работу в компьютерном классе.

Цель для обучающихся: Разработать компьютерную модель, которая симулирует процесс эволюции популяции организмов в различных условиях окружающей среды.

Данная работа будет складываться из выполнения следующих задач:

1. Теоретическая подготовка:

- Студенты вспоминают основы эволюционной биологии.

- Знакомятся с методами моделирования динамических систем.

2. Планирование и дизайн:

   - Определение структуры программы.

   - Разработка алгоритмов для моделирования генетики, естественного отбора и мутаций.

3. Реализация:

   - Написание кода.

   - Тестирование и отладка программы.

4. Анализ результатов:

   - Визуализация данных с помощью графиков и диаграмм.

   - Анализ влияния различных факторов на эволюцию популяции.

5. Документирование и презентация:

   - Подготовка отчета с описанием проекта, исходного кода и полученных результатов.

   - Презентация проекта перед аудиторией.

Интеграция дисциплины «География» в процесс обучения студентов IT-специальностей СПО

При изучении темы «Политическая география. Классификация и типология стран мира» целесообразно включить информацию о мировых IT-центрах. Это можно сделать с применением интерактивного глобуса или интерактивной карты.

Задание:

1. Назовите страну каждого города и покажите её на интерактивном глобусе (используйте приложение «Мирвокругнас» от Unity).

2. Какую информацию о стране дает интерактивный глобус?

1. Составьте рейтинг данных городов в зависимости от развития уровня их технологического развития. Предположите, какие сферы наиболее развиты в техническом оснащении [10].

Одно из направлений IT-специальностей является «Обеспечение информационной безопасности».Для данных специалистов в рамках рассмотрения структуры занятости населения по предмету «География» стоит упомянуть «Информационная безопасность здравоохранения».

Цифровизация в сфере здравоохранения повышает эффективность оказания медицинских услуг. Электронный документооборот в медучреждениях облегчает ведение учета, выводит качество обработки и хранения данных на новый уровень, повышает эффективность контроля за оказанными медицинскими услугами, распределением финансовых ресурсов и т. д. Но такая цифровизация имеет и обратную сторону — повышаются риски нарушения информационной безопасности, когда информация из электронных баз данных больниц и клиник используют в корыстных целях. В сфере здравоохранения эти риски особенно велики.

Например, хакеры могут продавать украденные данные на черном рынке или использовать их в мошеннических целях, а также шантажировать организации, допустившие утечку данных. Поэтому уровень информационной безопасности в каждом медицинском учреждении просто обязан быть самым высоким, защита данных — надежной, а подход к работе с данными, их хранению и обработке должен быть проработанным до самых мелочей [5].

Задание:

1) Опишите основные методы защиты информации в сфере здравоохранения.

2) Нарисуйте схему (модель) осуществления внутренней информационной безопасности поликлиники.

Заключение

Быстро меняющаяся технологическая среда триггер для всестороннего развитияIT-специалистов. Естественные науки не только предоставляют фундаментальные знания, но и помогают развивать критическое мышление, аналитические способности и умение решать проблемы. Интеграция нанных наук в профессиональные модули способствует формированию междисциплинарного подхода к обучению, который позволяет студентам видеть связи между различными областями знаний и применять полученные знания на практике. 

Описанные мной варианты интеграции предметов общеобразовательного цикла вIT-специальности апробированы. Такая практика повышает вовлечённость и мотивацию обучающихся, позволяет более эффективно усваивать материал. Также это важный аспект подготовки высококвалифицированных специалистов.

Используемая литература и электронные источники

1. Агроинформатик/агрокибернетик [Электронный ресурс] // Навигатор школьника. Социальный проект. https://akvobr.ru/new/edu/profession/agroinformatik_agrokibernetik_676 (дата обращения: 8.08.2024)

2. Базлов Д.А. Компьютерная химия: методические указания / сост. Д. А. Базлов, В. Ю. Орлов, А. Д. Котов, А. В. Цивов; Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова. — Ярославль : ЯрГУ, 2013. — 76 с.

3. Бородин П. Инфографика. Химический состав компьютера [Электронный ресурс] //vk-публикация, 2019. https://vk.com/wall-29350355_1468 (дата обращения: 15.11.2024).

4. Вашкевич А. Техасские ученые создали язык программирования для биохимических реакций [Электронный ресурс] // ИНФОСТАРТ Журнал, 2018. https://infostart.ru/journal/news/tekhnologii/tekhasskie-uchenye-sozdali-yazyk-programmirovaniya-dlya-biokhimicheskikh-reaktsiy_920882/ (дата обращения: 17.02.2025).

5. Власова В.Н. ЦИФРОВИЗАЦИЯ РОССИЙСКОЙ СИСТЕМЫ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И РИСКИ/ В.Н. Власова - Журнал МЕДИЦИНСКАЯ ЭТИКА, 2021

6. Кто сегодня в России развивает городские фермы будущего [Электронный ресурс] // Информбюро Национальная технологическая перспектива, 2019. –https://ntinews.ru/news/khronika-rynkov-nti/foodnet/kto-segodnya-v-rossii-razvivaet-gorodskie-fermy-budushchego-.html (дата обращения: 8.08.2024)

7. Магеррамов А.М., Ахмедова Р.А., Ахмедова Н.Ф. Нефтехимия и нефтепереработка. Учебник для высших учебных заведений. Баку: Издательство «Бакы Университети», 2009, 660 с.

8. Сергеева Д. Что такое биоинформатика и как она помогает лечить генетические болезни [Электронный ресурс] // РБК Тренды, 2022. https://trends.rbc.ru/trends/education/61b6fe9b9a794725c68e12ac (дата обращения: 5.10.2025).

9. Погорелова В.А., Сазонова Е.И. Методические рекомендации по созданию гидропонных установок (в рамках программы базового уровня «Сити-фермер»)/ В.А. Погорелова, Е.И. Сазонова – Краснодар: ГБУ ДО КК ЭБЦ, 2019. - 52 с. – 50 экз.

10. Топ-10 мировых IT-центров. Электронный ресурс] // Вести. Экономика. https://smotrim.ru/article/1697760 (дата обращения: 8.10.2024)