Začínáme se STEM sadami a stavebnicemi

Tajemná zkratka STEM se v souvislosti s výukou vyskytuje stále častěji. Dokonce jste možná viděli její variantu STEAM (ta je nejčastější), či STREAM. Ve všech případech jde o nový vzdělávací koncept, který spojuje hned několik oborů a předmětů do konzistentního celku. Co se ve zkratce skrývá konkrétně? Jsou v ní ukryty přírodní vědy (Science), technologie (Technology), technika (Engineering) a matematika (Mathematics). Varianta STEAM obsahuje navíc umělecký aspekt (Art). Jak si to představit? S žáky se můžeme věnovat např. problematice krystalizace, což má jasný vědecký základ, ale když použijeme výsledek, vypěstované krystaly, k tvorbě náušnic nebo náhrdelníku, přichází na řadu umělecké vyjádření žáků. Zastánci rozšíření zkratky o písmenko R na STREAM zdůrazňují, že nezbytnou součástí vzdělání je také gramotnost, která je chápána jako základ pro kritické myšlení a kreativitu. Písmeno R (Reading = čtení) zde potom zastupuje čtení a psaní.

Vzdělávací koncept STEM integruje vědu, technologie, techniku (včetně konstruování) a matematiku do jednoho celku. Ten více odpovídá nejen současnému přístupu k výzkumu a vývoji, ale také reflektuje požadavky na znalosti a dovednosti na trhu práce v souvislosti s tzv. Průmyslem 4.0 – robotizace a digitalizace (či dokonce Průmyslem 5.0). Pro náš český vzdělávací systém představuje STEM poměrně zásadní změnu v nahlížení na jednotlivé předměty jako je fyzika, přírodopis, chemie, matematika, informační a komunikační technologie, pracovní činnosti – změna pojetí vzdělávání v těchto předmětech je skutečně zásadní a vyžaduje jiné uspořádání výuky, které nebude stavět mezi obory „hranice“ předmětů, ale naopak bude předměty propojovat do nového STEM celku.

1. Co jsou to STEM sady?

Protože jde koncept STEM napříč obory a předměty, jsou STEM sady a stavebnice velmi různorodé. Pokusíme se je rozdělit hned do několika skupin.
Aby nedošlo k mýlce, následující přehled si neklade za cíl přinést výčet všech dostupných STEAM sad. Nejedná se ani o doporučení, jaké sady si pořizovat. Tento přehled pouze „třídí“ různé typy a druhy STEAM pomůcek a tím umožňuje lepší orientaci v jejich současné široké nabídce. 

1.1 Sady STEM robotů

Mezi nejoblíbenější STEM pomůcky poslední doby patří sady robotů. Dobrý vzdělávací robot má potenciál rozvíjet žáka hned v několika oblastech. Žák se učí analyzovat situaci, definovat problém, navrhnout jeho řešení a nakonec řešení pomocí robota provést. Žák přitom rozvíjí své algoritmické myšlení pomocí „kódování“ (programování), tedy vytváří „kód“ (program), podle kterého se robot následně chová. Nejčastěji žák programuje reálného robota tak, že se robot určitým způsobem pohybuje, provádí různé úkony, svítí, bliká, vydává zvuky apod.

1.2 Robotické konstrukční STEM sady

Robotické konstrukční sady rozšiřují využití robotů (viz Sady STEM robotů) ve výuce směrem k technickým konstrukčním dovednostem. Žáci zde nejen programují, ale také sestavují z jednoduchých stavebních prvků složitější konstrukce. Navržení a postavení určité funkční konstrukce (autíčka, robota, jeřábu, …) přitom typicky předchází vlastnímu programování. Konstrukční část často vyžaduje znalost a aplikaci určitých fyzikálních principů (těžiště a stabilita, tuhost, pevnost, …). Nedílnou součástí těchto stavebnic je programovatelná řídicí jednotka, různá čidla a motory.

1.3 Konstrukční STEM sady

Konstrukční sady STEM nejčastěji propojují konstrukční činnost s fyzikálními koncepty a principy. Stavba určité konstrukce tak žákům přináší objevování zákonitostí souvisejících např. s rovnováhou a působící silou (princip páky, rameno jeřábu, mechanické váhy, …), se stabilitou, tuhostí a pevností konstrukce (stavba různých typů mostů), rychlostí a silou pohybu (velikost kol, různé typy převodů, kladkostroje, …). Nedílnou součástí takovýchto sad jsou také materiály vysvětlující konstrukční a fyzikální koncepty, které sada rozvíjí. K dispozici by měla být jak varianta materiálů „pro žáka“, tak metodický materiál pro učitele.

1.4 Programovací sady STEM

Poslední dobou jsou velmi oblíbené také STEM programovací sady. Tyto sady nejčastěji nějakým způsobem propojují svět programování s reálným světem. Programování a jeho výsledek se tedy neodehrávají pouze na obrazovce počítače. Dobrým příkladem je zde populární micro:bit, programovatelná „destička“, která sama o sobě není použitelná jako robot, ale umožňuje žákům naprogramovat „destičku“ např. jako hlasovací zařízení, dálkově ovládaný displej, kalkulačku nebo herní ovladač.

Jiný přístup přináší např. desková hra Scottie Go!, která část programování přenáší do podoby deskové hry. Úkoly a problémy předkládané v aplikaci na tabletu řeší žák skládáním papírových „kartiček“ v reálném světě jako deskovou hru. Programování probíhá sekvenčním skládáním jednotlivých kartiček s příkazy, které pak pomocí tabletu vyfotíme, a takto vzniklý program následně provede odpovídající akci v aplikaci na tabletu.

1.5 STEM počítače pro děti

Na trhu je celá řada počítačů určených tzv. „pro děti“. Relativně málo je ovšem počítačů zaměřených vysloveně na vzdělávání v duchu STEM. Takový počítač/tablet je totiž nejčastěji určitou stavebnicí, kterou zvládnou sestavit sami žáci. Na úvod si žáci svůj počítač „složí“ a seznámí se tak nejen s jeho základními součástmi, ale také s principy jeho fungování. Po spuštění počítače je žákům k dispozici většinou hned několik vzdělávacích modulů zaměřených na kódování (programování), elektroniku, ale třeba také na hudbu, hry, přírodní vědy a další. Učitel je přímo od výrobce podporován celou řadou výukových metodických materiálů a materiálů pro žáky.

1.6 STEM sady s elektrickými obvody

Tyto sady jsou nejčastěji určeny k seznamování žáků s problematikou elektrotechniky a elektroniky na úrovni „zapojování“ elektrických obvodů. Žáci objevují, jak jednotlivé součástky fungují, k čemu vlastně slouží, z čeho jsou vyrobeny a jak se správně zapojují do elektrického obvodu. Sady zpravidla obsahují také různé zdroje světla (LED, žárovka, …), bzučáky, čidla (fotorezistor, …) a motory. V pokročilejších sadách často najdeme i programovatelný mikrokontrolér (např. Arduino), čímž se z takovéto sady stává současně programovací STEM sada (viz Programovací sady STEM).

1.7 Vědecké STEM soupravy a sady

Tato kategorie je velice široká. Můžeme do ní zařadit pomůcky od mikroskopické sady pro pozorování mikrosvěta přes sadu s palivovými články ke studiu zdrojů energie, sadu ke studiu stavby lidského těla, sadu ke studiu zrychleného pohybu, sadu ke studiu DNA, sadu k „pěstování“ krystalů a mnohé další. Společným jmenovatelem těchto souprav jsou materiály (návody, úkoly, problémové úlohy, …), které žáka zasvětí do určité problematiky a provedou ho odpovídajícím světem pozorování a experimentů. Žák tak postupně odkrývá něco nového, často překvapivého a velmi zajímavého. Některé sady určené pro školní prostředí pak obsahují i metodické materiály pro učitele.

Jako speciální kategorie vědecké STEM soupravy může být chápán také školní měřicí systém (link Školní měřicí systémy). Řadu vědeckých experimentů a měření nabízí také čidla z robotických konstrukčních STEM sad (viz Robotické konstrukční STEM sady) a konstrukční STEM sady (viz Konstrukční STEM sady).

2. K čemu jsou STEM sady ve výuce?

STEM sady a stavebnice pomáhají prakticky rozvíjet žáky napříč obory a předměty. V řádně sestavené STEM sadě je vždy zohledněno několik pohledů na studovanou problematiku, čímž na povrch nenásilně vyplouvají mezioborové a mezipředmětové vztahy. Vraťme se k příkladu „pěstování krystalů“, který jsme zmiňovali v úvodu. I když se může zdát, že jde o typicky chemickou úlohu, není to tak úplně pravda. V rámci této úlohy můžeme narazit na zákonitosti fyzikální (teplota tání, teplota varu, barevnost látek, …), chemické (rozpustnost látek, koncentrace, barevnost látek, oddělování látek ze směsi, …), biologické (výskyt a funkce krystalů v těle rostlin a živočichů), geologické (nerosty a horniny), geografické (výskyt nerostů a hornin v našem okolí), výtvarné (výroba šperku) a další. To vše může při výuce velice úzce souviset se zdánlivě omezeným tématem „pěstování krystalů“. Záleží tedy na tom, jaké úlohy a úkoly sada sama o sobě žákům předkládá, jakým způsobem ji učitel ve výuce využije, čím na problematiku naváže a jak bude „téma“, s využitím sady, dále samostatně rozvíjet a rozšiřovat.

2.1 Úskalí pro školu

Jak jsme si ukázali, problematika STEM sad a stavebnic je velice pestrá. Většina STEM sad a stavebnic je označena věkovým rozpětím, toto rozpětí je dobré respektovat. Úskalí zavádění těchto pomůcek do školní výuky je silně vázáno na konkrétní skupinu STEM pomůcek (viz zjednodušené rozdělení výše). Je třeba počítat s tím, že náklady na pořízení těchto pomůcek jsou poměrně vysoké a v některých případech je nutné určité části pravidelně doplňovat a obnovovat (např. chemikálie u vědeckých souprav). Především v případě různých malých konstrukčních prvků může celkem snadno dojít k jejich ztrátě nebo poškození. Zjistěte si, zda vám dodavatel bude schopen dodat ztracené nebo poškozené díly a jaké jsou jejich ceny. Je vhodné zkonzultovat vaše představy a požadavky nejen s prodejci sad a stavebnic, ale také se školami, které již tyto pomůcky delší dobu používají.

Velkou výhodou jsou výukové materiály (ideálně české), které může učitel ve své výuce přímo použít. Sem patří např. různé metodické příručky, návody, pracovní listy, videolekce apod. Někdy jsou materiály dostupné i v editovatelné podobě, takže si je učitel může podle svých potřeb upravovat. Dostupnost výukových materiálů tak může být dalším kritériem pro výběr určité stavebnice či sady.

Nesmíme zapomenout na potřebu kvalitního proškolení učitelů a jejich náležitou motivaci k používání STEM sad a stavebnic ve výuce. Některé sady jsou natolik jednoduché, že si vystačíme s prostudováním obsažených materiálů, jindy je vhodné absolvovat školení. Například u robotické konstrukční STEM sady, kde je problematika hodně komplexní, se určitě vyplatí učitele na školení vyslat (ideálně na školení akreditované v rámci systému MŠMT DVPP).

2.2 Úskalí pro učitele

Na začátku je dobré seznámit se s přehledem a dostupností pomůcek, které by byly potenciálně použitelné při výuce vašich oborů/předmětů. K tomu vám může dobře posloužit i web e-Mole.cz. Je vhodné zkonzultovat vaše představy a požadavky nejen s prodejci sad a stavebnic, ale také s učiteli, kteří již tyto pomůcky delší dobu používají.

Při jednání s dodavatelem je dobré požadovat přehled a ukázky didaktických materiálů, které jsou k dispozici. Dostupné metodické příručky, návody, pracovní listy, videolekce, … vám mohou práci s určitou sadou/stavebnicí výrazným způsobem usnadnit a pomoci s efektivitou. Všímejte si také, zda jsou v rámci materiálů skutečně úlohy, které využívají STEM přístup a propojují různé obory mezi sebou.

V případě, že máte pocit, že je sada či stavebnice náročnější na zvládnutí, nezapomeňte na své vlastní „proškolení“. Pokud začínáte např. s robotickými konstrukčními stavebnicemi, počítejte s tím, že školení v podobě několika ukázek práce se systémem asi nebude stačit. Požadujte raději řádné školení s délkou alespoň osmi hodin (ideálně akreditované v rámci systému MŠMT DVPP). Nezapomínejte na to, že techničtěji zaměřené sady vyžadují nejdříve zvládnutí technické stránky a následně pak také stránky didaktické, tedy to, jak sadu „uchopit“ při výuce určité problematiky. Když jsem schopen pracovat s konstrukční robotickou stavebnicí jako žák, neznamená to, že ji zákonitě musím dobře používat ve výuce jako učitel. Také v této oblasti bývají nabízena různá školení.

3. Závěr

Výše uvedené rozdělení STEM setů a stavebnic samozřejmě poněkud pokulhává. STEM je totiž STEM a jak jsme si řekli v úvodu, je typické, že se zde vždy kombinuje několik oborů a přístupů. Právě proto je možné zařadit některé sady hned do několika našich kategorií. To ale vůbec nevadí, ba naopak, je to dobře. Je to hezká ukázka toho, jak se STEM přístup ve výuce vlastně projevuje. Pokud vám tento článek pomohl vhlédnout do problematiky STEM výukových pomůcek a přinutil vás k zamyšlení, co byste ve výuce chtěli či mohli využít, splnil náš zjednodušený přehled STEM sad a stavebnic svůj hlavní účel.