Освіта, орієнтована на майбутнє

Учителька зі Львова Оксана ПАСІЧНИК нещодавно побувала на міжнародній програмі для викладачів природничих предметів у CERN – Європейській організації з ядерних досліджень.

З пані Оксаною ми знайомі з минулого року – наприкінці 2018-го вчителька інформатики львівського ліцею «Сихівський» поділилася з «ОУ» міркуваннями про те, як показати школярам «захопливу інформатику», дати їм можливість опанувати уміння ХХІ століття та зрозуміти світ, яким керують технології. Відтоді ми захоплено спостерігаємо за роботою Оксани Володимирівни, котра цьогоріч увійшла до числа чотирьох із половиною десятків педагогів з усього світу, яким пощастило впродовж майже двох тижнів навчалися й обмінювалися досвідом у легендарному дослідницькому центрі, найбільшій у світі лабораторії фізики високих енергій. Після повернення з ЦЕРНу Оксана Пасічник поділилася досвідом участі у програмі з нашими читачами.

З 7 по 20 липня 2019 року в Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) відбувалася Міжнародна програма для вчителів природничих предметів International High School Teacher Programme, у якій мені пощастило взяти участь. Це одна зі щорічних програм, які ЦЕРН організовує для популяризації сучасної науки і скорочення шляху від останніх наукових досліджень до шкільних класів. Тут збираються групи приблизно із 40 вчителів з різних країн, для яких проводять лекції та майстер-класи, організовують візити в різноманітні лабораторії ЦЕРНу. А підсумком міжнародної педагогічної співтворчості є серія презентацій за тематикою програми. Цього року до International High School Teacher Programme долучилися 45 учасників із 33 країн світу: від Філіппін до Бразилії, від Естонії до Південно-Африканської Республіки, від Кувейту до Ірландії, від Швеції до Австралії – це була справді міжнародна і міжкультурна група педагогів, об’єднана спільним прагненням покращити освіту для своїх учнів.

НОВІ ГОРИЗОНТИ
Дізнавшись про цю програму в грудні, я вирішила заповнити анкету – чесно кажучи, не дуже вірила в те, що вдасться пройти відбір. На той момент я ще не дуже добре уявляла собі масштаби й актуальність інформатичних задач у ЦЕРНі. Проте мені було цікаво дізнатися про найновіші досягнення у сфері елементарних частинок, ознайомитися з організацією програми підвищення кваліфікації, а найцінніше – поспілкуватися з колегами з інших країн. Це завжди відкриває нові горизонти, дає змогу вийти за рамки звичних уявлень про програми, стандарти, підручники, методи роботи і багато інших аспектів викладання. Коли я отримала підтвердження своєї участі, довелося активно пригадувати все, що колись вивчала про атомну фізику й електродинаміку: звісно, на своїх уроках із цими темами я не працюю. Спершу я переживала, чи зможу включитися в роботу на належному рівні, чи розумітиму лекції, чи справлятимусь із завданнями на практичних сесіях, – але насправді майже все виявилося досяжним і цікавим. А коли під час розбору питань одного із занять мені вдалося буквально «на серветці» пояснити колегам з Канади, Австралії, Італії, Індії та В’єтнаму принцип роботи методу Монте-Карло (загальна назва групи числових методів, заснованих на отриманні великої кількості реалізацій випадкового процесу, імовірнісні характеристики якого збігаються з аналогічними величинами задачі, яку належить розв’язати. – Ред.) – переконалася, що в цій спільноті я можу не лише отримувати інформацію, а й поділитися своїми знаннями з іншими.

Матеріал, який нам представляли, був різним за рівнем складності, способом подачі й можливістю застосування у шкільному навчанні. Але кожен і кожна з дослідників, котрі погодилися провести з нами кілька годин свого часу, робили все можливе, щоб ми отримали зрозумілі та вичерпні відповіді на свої запитання. Аби ми не боялися здаватися недостатньо обізнаними, керівник програми Джеф Вінер із першого дня запровадив принцип питань правої та лівої руки. Питання правої руки стосувалося суті заняття й означало, що є потреба з’ясувати щось додатково чи глибше. Питання лівої руки починалося з фрази «А якщо мої учні запитають про …той чи інший процес, як би ви радили їм це пояснити?». По суті, це маскування власного питання, коли не потрібно зізнаватися, що сам не до кінця щось розумієш. Незважаючи на жартівливість такого звертання, це справді знімало невпевненість і допомагало отримати роз’яснення навіть тих речей, які всім іншим здавалися очевидними.
Надзвичайно сподобалися аналогії, якими користувалися наші наставники – і які легко можна перенести на уроки, бо це буде цілком зрозумілим і для учнів. Іноді потрібно зробити лише один додатковий крок у наявній лабораторній роботі, аби продемонструвати зв’язок між теорією з підручника і найсучаснішими науковими дослідженнями.

Тут, мабуть, варто зазначити, що ми часто критикуємо застарілі програми чи стандарти, але динаміку того, що відбувається в ЦЕРНі, не може наздогнати жодне оновлення державних програм. Скажімо, бозон Хіггса було експериментально підтверджено 2012 року – а остання версія нашого Державного стандарту базової і повної середньої освіти датується 2011 роком, і тільки зараз іде робота з оновлення стандартів. Для мене як учасниці робочої групи з розробки нових державних стандартів освіти «Нова українська школа» це означає підтвердження попереднього припущення про те, що освітні документи потрібно писати так, аби вони не обмежували в тому, який матеріал вміщувати у підручниках і викладати на уроках… Водночас участь у цій програмі дала змогу кристалізувати для себе важливість деяких умінь, про які йдеться у нових стандартах освіти: допитливість, креативність, уміння співпрацювати, ставити запитання, шукати закономірності, створювати та вдосконалювати моделі. Ці вміння є наскрізними для найрізноманітніших галузей діяльності.

НАВІЩО ЦЕ ПОТРІБНО?
Розуміючи, що наукову інформацію потрібно поширювати так, аби вона була доступною для сприйняття учнями, та супроводжувати її методиками викладання, у ЦЕРНі створили спеціальний освітній підрозділ, котрий опікується як виставками з популяризації науки, так і програмами візитів для вчителів, школярів та студентів. S’Cool LAB готує та викладає у вільний доступ на сайті scool.web.cern.ch матеріали, які можуть допомогти вчителям в умовах обмежених бюджетів привносити елементи фізики частинок у свої заняття. Це, наприклад, рекомендації щодо створення дифузійної камери для спостереження треків заряджених частинок, моделі, розроблені для друку на 3Dпринтері, настільні ігри та напівжартівливі інтернет-тести «Якою елементарною частинкою ви є?». Ці активності побудовані таким чином, аби спочатку зацікавлювати учня, спонукати до запитань – і лише тоді подавати докладнішу інформацію та формули. Такий методичний підхід мені особисто дуже імпонує, бо дає змогу отримати відповідь на запитання «Навіщо це потрібно?» і, відштовхуючись від нього, організовувати заняття у класі.

Власне, це одне з питань, які мені доводилося чути щодо ЦЕРНівських досліджень у принципі, – мовляв, навіщо взагалі цим займатися, витрачати шалені кошти на задоволення допитливості кількох сотень учених, коли є нагальніші проблеми і потреби? Та й узагалі, чого занурюватися так глибоко? Чи не краще займатися прикладними розробками? Тим більше, що невідомо, чи будуть знайдені якісь відповіді: може, ми вже досягнули межі, й усе, що можна було відкрити, – відкрили?.. Один із результатів участі в подібній програмі – це абсолютна переконаність у тому, що це потрібно, причому значно ширшому колу людей, ніж науковці-претенденти на Нобелівську премію. Справа в тому, що фундаментальні дослідження дають значно більше результатів, аніж чергова складна формула. Наприклад, для власних потреб у ЦЕРНі була створена комп’ютерна мережа, що стала основою для виникнення інтернету. Кілька інженерів потребували швидких маніпуляцій, тож спроектували і створили перший тачскрін, «нащадків» якого ми щодня зустрічаємо у цілком звичних смартфонах.

Але ще важливішим є медичне застосування результатів досліджень – приміром, протонної терапії, що застосовується для більш точного опромінення пухлин і дає змогу мінімізувати вплив на сусідні здорові клітини. По суті, процес створення та прискорення пучків протонів такий самий, як у Великому адронному колайдері (ВАК), але для терапії потрібно значно менше енергії, тож компактні прискорювачі елементарних частинок цілком можливо розташовувати в медичних центрах – їх по всьому світу вже більш як сто. Не можна сказати, що саме це є основною метою функціонування ЦЕРНу, але навіть побічні його результати рятують життя й, цілком можливо, допоможуть зробити прорив і в інших сферах. Адже навіть переваги доступної електроенергії людство оцінило далеко не відразу, і якби на винахідництво дивилися лише з прикладної точки зору, то Едісон винайшов би вдосконалену свічку, а не лампочку. Проте він намагався знайти вирішення значно більшої проблеми – хотів, аби люди змогли бачити у темряві. Тож попри те, що ми, можливо, не спостерігаємо безпосередньої вигоди від фундаментальних досліджень, вони ведуть до прогресу, що визначає якість життя.

Стосовно ж того, що все вже відкрито: історія довела поспішність таких тез. Бо насправді (і я не уявляла цього раніше) нинішня Стандартна модель, що описує взаємодії елементарних частинок, стосується лише п’яти відсотків Всесвіту. І хоча поки експерименти у Великому адронному колайдері підтверджують коректність Стандартної моделі, учені знають, що вона неповна, бо не враховує існування темної матерії та темної енергії – і це не казкові поняття, а цілком наукові. Крім того, ми досі не можемо зрозуміти та обґрунтувати, чому матерія переважає над антиматерією, адже, за теорією, їх мала би бути однакова кількість – і це повинно було б спричинити їхнє взаємознищення, а цього не трапилося. Таких загадок іще багато, і саме цими питаннями вчені намагаються «заразити» наступні покоління дослідників. Якраз для цього і запрошують учителів, котрі є ключовою ланкою передачі цього ентузіазму своїм учням.

ДО ЧОГО ТУТ ПРОГРАМУВАННЯ
Може здатися, що вся ця інформація актуальна лише для вчителів фізики, але це зовсім не так. Мені, учительці інформатики, було цікаво дізнатися про технології обробки даних у ЦЕРНі. У нас були окремі заняття з огляду комп’ютерної інфраструктури, упродовж екскурсій розповідали про методи збереження величезних обсягів даних, які генерує під час своєї роботи ВАК, а на майстеркласі ми навіть спробували написати програми для аналізу цих даних. Адже в колайдері відбуваються зіткнення пучків протонів, кожен з яких містить близько мільйона частинок. У місцях експерименту траєкторії цих пучків перетинаються 40 мільйонів разів на секунду. В моменти перетину відбувається зіткнення приблизно 20 протонів, решта пучка продовжує подорож до наступного детектора. Надзвичайно складна система датчиків фіксує масу, енергію та траєкторію всіх частинок, що утворюються в результаті цих зіткнень. Здебільшого це не цікаві для фізики події, але їх відбувається величезна кількість, і з мільйона подій цінною для експерименту буває одна.

Дані цієї події фіксуються, зберігаються і передаються на подальший аналіз. Працює складна система апаратних та програмних тригерів, які ухвалюють рішення, наскільки цікавою для науки є та чи інша подія, і чи слід зберігати дані про неї. Навіть за достатньо жорсткого фільтру щосекунди зберігається кілька сотень подій, кожна з яких супроводжується мегабайтом даних. Якби всі ці дані зберігали на компакт-дисках, то щороку виростала б 15кілометрова вежа з дисків. На щастя, існують інші засоби (зокрема, магнітна плівка, а також мережеві технології та GRID – мережа для розподілених обчислень, у якій групи комп’ютерів працюють разом для вирішення задач), що забезпечують збереження даних у таких обсягах. Лише за листопад 2018 року було збережено майже 16 петабайт (одиниця вимірювання кількості інформації, становить 1015 байт) даних, а протягом 2023 року, за прогнозом, буде згенеровано 400 петабайт наукових даних. Тому актуальною є проблема якісної їх обробки: зрозуміло, що робити це вручну немає жодного сенсу.

Власне, кожен із дослідників розповідав про те, що у своїй роботі доводиться мати справу не стільки з фізичним експериментом, бо там працює автоматика, скільки з обробкою даних, зокрема за допомогою програмування. Це той навик, який багато разів згадували в контексті того, чим варто озброїти нинішніх учнів, щоб підготувати їх до участі у наукових дослідженнях. Більше того, ЦЕРН викладає у відкритий доступ усі отримані дані, й кожен, хто володіє навичками програмування, може долучитися до їх обробки й аналізу.

ЖЕНЕВА – Г’ЮСТОН
Ще одним аспектом, який вражає, є рівень співпраці, що практикується в ЦЕРНі. Кожен детектор – це колаборація вчених із десятків країн, кожне відкриття має сотні співавторів, які в той чи інший момент працювали над певною ідеєю. Це підтверджує важливість розвитку не лише наукових знань і дослідницького світогляду, а й так званих м’яких навичок, без яких у сучасному світі науки просто неможливо досягнути результатів. Масштаби співпраці можна оцінити за тим, що один із візитів за нашою програмою був… у центр керування НАСА. Ні, телепортаційного тунелю між Женевою і Г’юстоном поки що не збудовано. Проте одним із проектів співпраці ЦЕРНу є детектор, розміщений на Міжнародній космічній станції. Він, по суті, виконує ті ж операції, що й підземні детектори ВАКу, – але у відкритому космосі, вловлюючи промені та частинки, не спотворені земною атмосферою. Вчені сподіваються, що отримані дані допоможуть просунутися вперед у розумінні Всесвіту, антиматерії та темної матерії.

Наведу ще один приклад співпраці, продемонстрований програмою: серію майстер-класів для нас провели представники канадського інституту теоретичної фізики «Периметр». Спільним завданням освітнього центру ЦЕРН і цього інституту є просвітницька діяльність і підтримка вчителів – надання новітніх методик, цікавих матеріалів та поширення результатів останніх досліджень у захопливій та доступній для учнів формі. На заняттях і майстер-класах такого рівня зазвичай цікавим є не лише власне матеріал, а й методи роботи, які використовують тренери. Наприклад, мені сподобалося використання невеликих білих дощечок, придатних для письма маркерами, що стираються. На таких дощечках було запропоновано писати розв’язок задачі у групах. Нібито простий прийом дає змогу стимулювати спільну роботу (бо кожен може зробити запис у цьому загальному просторі), заохочує пояснювати й обговорювати написане з іншими учасниками групи, а також не боятися зробити помилку, бо її легко виправити.

Таким чином, навчальним є майже весь досвід, який ми отримали впродовж двох тижнів програми, від лекцій до спільного відпочинку. Адже одне із завдань, які ставить перед собою програма для вчителів, – це стимулювання обміну досвідом та співпраці, поєднання занять із соціальними взаємодіями та можливістю неформального спілкування. Надзвичайно цінними є обговорення, які відбуваються в кожен вільний від лекцій момент – за обідом, грою в боулінг, під час караоке чи квесту Женевою. Такі активності, спеціально внесені у програму, допомагають проговорити безліч речей, про які завчасно й подумати було складно. Наприклад, мені було дуже цікаво поспілкуватися з учительками фізики з Кувейту, Єгипту та Пакистану – бо я стереотипно вважала, що дівчаткам шлях до фізичної освіти у цих країнах не надто відкритий. Учитель зі США розповів про свій курс обчислювальної фізики, на якому він разом з учнями програмує симуляції фізичних процесів. Хтось ділився досвідом роботи у міжнародних школах, хтось – у віддалених районах, у когось підручники перенасичені формулами, а десь – ілюстраціями без належної бази. У таких обговореннях починаєш бачити, з одного боку, кардинально різні умови роботи, а з іншого – спільне бажання робити освіту своїх учнів не лише сучасною, а й орієнтованою на майбутнє.