Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,279

Введение

Современная образовательная парадигма демонстрирует устойчивую тенденцию к переходу от пассивной трансляции знаний к активному формированию у обучающихся комплекса когнитивных и практико-ориентированных компетенций, обеспечивающих их будущую профессиональную конкурентоспособность. Исследователи обоснованно утверждают, что процесс усвоения знаний неразрывно связан с развитием интеллектуальных умений и способности к автономной познавательной деятельности, что составляет фундамент подготовки высококвалифицированного специалиста [1, с. 46].

В контексте преподавания дисциплин естественно-научного цикла и, в частности, физиологии человека экспериментальный метод обучения представляет собой эффективный инструмент достижения этих целей. Его систематическое применение позволяет не только оптимизировать усвоение сложного программного материала, но и обеспечить глубокое понимание фундаментальных принципов измерения и оценки физиологически значимых параметров.

Общемировой тренд на цифровизацию образовательного пространства общеевропейской и российской общеобразовательной системы [2], российской средней школы [3], системы профессионального роста педагогов [4] актуализирует необходимость поиска и внедрения адекватных технологических решений. В рамках данного исследования в качестве репрезентативного кейса рассматривается учебно-исследовательская лаборатория биосигналов и нейротехнологий, представляющая собой интегрированный комплекс аппаратных и программных средств для организации многоплановой экспериментальной работы [5, с. 108]. Дидактический потенциал данного оборудования подтверждается его полифункциональностью: программное обеспечение лаборатории обладает расширенным функционалом для эффективного использования цифровых сенсоров в проектной и исследовательской деятельности, а комплекс датчиков позволяет реализовать разноформатные учебные активности – от демонстрационных экспериментов до полноценных лабораторных практикумов.

Методическая целесообразность применения цифровых лабораторий в образовательном процессе подтверждается комплексом педагогических и дидактических преимуществ. Как отмечают М.Н. Мирнова, В.П. Разаханова, С.Г. Луганова [6, с. 89], данные технологии представляют собой не просто инструмент визуализации, а становятся ключевым элементом новой образовательной среды, способствующей формированию целостного исследовательского мышления. М.Н. Мирнова и В.П. Разаханова отмечают особенно значимое использование в контексте преподавания физиологии человека, где понимание динамических физиологических процессов требует высокого уровня абстрактного мышления [7, с. 11; 8. с. 10].

В соответствии с требованиями профессиональных стандартов и ФГОС использование цифровых лабораторий непосредственно способствует формированию цифровых компетенций у будущих работников. Исследования И.В. Красиной [9, с. 109] и О.В. Хахиной [10] подтверждают необходимость модернизации образовательных стандартов, направленной на повышение качества и конкурентоспособности образования. Цифровые лаборатории обеспечивают развитие способности к проектированию и реализации учебных ситуаций, основанных на применении современного оборудования, Ряд исследований соответствуют современным тенденциям в образовании, таким как исследовательский интерес к цифровой трансформации образования в России. Они рассматривают этот процесс с разных сторон: от внедрения конкретных технологий до анализа восприятия реформ учителями и родителями. Эти исследования в совокупности создают комплексную картину: технологические инновации [11; 14] неразрывно связаны с социальным и человеческим измерением [12] и ведут к глубоким системным изменениям [13; 14] в современном образовании.

Особую значимость приобретает организация продуктивной учебно-исследовательской деятельности через интеграцию цифровых ресурсов в образовательный процесс. Это позволяет преодолеть формальный подход к освоению цифровых технологий и обеспечить их содержательное внедрение в контексте предметной области «Нормальная физиология». Как отмечает О.В. Алексеева с соавт., использование IT-технологий положительно влияет на усвоение сложного материала, повышает наглядность и интерес к предмету, а также способствует развитию профессиональных компетенций будущих медиков [15].

Важным методическим аспектом является реализация подхода, при котором знания по физиологии применяются для решения практических, профессионально ориентированных задач. По аналогии с исследованиями Д.С. Ямщиковой [16] в области биологического образования, использование цифровых лабораторий в преподавании физиологии позволяет преодолеть разрыв между теорией и реальной клинической практикой. Такие занятия не только проверяют знания, но и активно развивают умение студентов критически мыслить, анализировать физиологические данные и использовать научные понятия в профессиональных ситуациях.

Таким образом, научно обоснованное внедрение цифровых лабораторий в курс физиологии человека должно основываться на комплексном подходе, сочетающем технологические инновации с развитием соответствующей методической базы и персонализацией обучения. Такой подход обеспечивает не только освоение конкретных практических навыков работы с измерительным оборудованием, но и формирование системного клинического мышления, необходимого будущим медицинским специалистам.

Ключевым дидактическим преимуществом учебно-исследовательской лаборатории выступает ее потенциал в формировании у студентов системного понимания структуры и принципов научного познания. Лаборатория представляет собой технологическую экосистему, обеспечивающую прохождение всех этапов исследовательского цикла – от выдвижения гипотезы до интерпретации результатов и формулирования выводов. Техническая реализация данного подхода обеспечивается автоматизированной регистрацией параметров и их динамики с последующей мультиформатной визуализацией данных (графической, цифровой) и возможностью экспорта в специализированные программы для статистической обработки (например, Excel).

Это создает условия не только для проведения экспериментальной процедуры, но и для организации рефлексивной деятельности обучающихся через многократное воспроизведение результатов, их критическую оценку и формализацию в виде научного отчета.

Таким образом, использование лаборатории позволяет моделировать целостный цикл научного исследования, что способствует формированию у студентов: методологической культуры исследования; навыков работы с эмпирическими данными; критического мышления; способности к научной коммуникации.

Данный подход полностью соответствует компетентностной парадигме современного образования и требованиям ФГОС ВО к подготовке педагогических кадров, способных к организации исследовательской деятельности обучающихся. Таким образом, использование учебно-исследовательской лаборатории биосигналов и нейротехнологий представляется научно обоснованным и методически перспективным направлением для модернизации практической подготовки студентов в рамках курса «Физиология человека».

Цель исследования – разработка и экспериментальная проверка методики формирования исследовательской компетенции у обучающихся в рамках дисциплины «Физиология человека», основанной на использовании ресурсов цифровой лаборатории и направленной на развитие навыков самостоятельной экспериментальной работы и креативного мышления.

Материалы и методы исследования

Исследование выполнено в формате сравнительного поперечного среза (cross-sectional study) с участием двух контрастных групп. В исследовании приняли участие студенты-первокурсники ДГПУ. Выборка была сформирована в две группы: основную группу составили студенты факультета физической культуры и безопасности жизнедеятельности (ФФКиБЖ), регулярно занимающиеся спортом. Контрольную группу образовали студенты факультета биологии, географии и химии (ФБГиХ) с низким уровнем физической активности. Все участники были предварительно проинформированы о целях и процедуре исследования и предоставили информированное согласие.

Аппаратура и программное обеспечение. Для регистрации данных использовался аппаратно-программный комплекс цифровой лаборатории «Releon». В его состав входили ноутбук со специализированным ПО «Releon Lite», датчик частоты сердечных сокращений (ЧСС), электронный сфигмоманометр для измерения артериального давления, сенсор оценки физической подготовки и фонендоскоп для аускультативной верификации показателей.

Методика проведения измерений. Экспериментальная процедура включала последовательную оценку показателей в состоянии покоя и после дозированной нагрузки. Сначала у каждого испытуемого регистрировались исходные показатели ЧСС и АД. Далее оценка физической работоспособности проводилась с помощью степ-теста. Использовался стандартный протокол с восхождением на ступень заданной высоты в определенном темпе в течение 3 мин. На основе данных ЧСС, зафиксированных в периоды восстановления, рассчитывался индекс Гарвардского степ-теста (ИГСТ). В рамках темы «Изучение влияния физических нагрузок на артериальное давление» выполнялась функциональная проба с нагрузкой (20 приседаний за 30 с). Артериальное давление и ЧСС измерялись немедленно после нагрузки и в последующие минуты восстановления для оценки скорости нормализации показателей.

Методы анализа данных. Применен комплекс взаимодополняющих методов: теоретический анализ научно-методической литературы и педагогическое наблюдение. Полученные эмпирические данные подвергнуты статистической обработке с использованием методов математической статистики. Для оценки достоверности различий между группами применялся t-критерий Стьюдента, различия считались статистически значимыми при p < 0,05. Проведение исследований подобного типа в образовательном процессе создает дидактические условия для повышения качества освоения учебного материала. Данный подход способствует формированию у студентов устойчивого познавательного интереса к изучению физиологии и развивает компетенции в области научно-исследовательской деятельности.

Результаты исследования и их обсуждение

На первом этапе работы были сформированы две репрезентативные группы испытуемых – контрольная и экспериментальная, а также разработан методический аппарат исследования. Второй этап включал организацию и проведение экспериментальной работы, в которой приняли участие студенты первого курса ФФКиБЖ и ФБГиХ ДГПУ им. Р. Гамзатова в возрасте 17–18 лет. Выборку составили по 20 юношей от каждого факультета, что позволило обеспечить сравнительный анализ полученных данных. Все участники были отнесены к основной медицинской группе, имели сходные социальные условия и образ жизни. Ключевое различие между ними заключалось в уровне физической активности и объеме спортивных занятий.

В опытную группу вошли юноши ФФКиБЖ, которые ранее не занимались спортом профессионально, но активно тренировались как на обязательных, так и на дополнительных занятиях. В их учебном процессе значительная роль отводится дисциплинам физической направленности.

В контрольную группу были включены студенты первого курса ФБГиХ, учебный план которых предусматривает 4 ч в неделю занятий физической культурой. В ходе экспериментального исследования в рамках учебного курса «Физиология человека» были реализованы две лабораторные работы: «Определение физической работоспособности методом степ-теста» и «Анализ реакции сердечно-сосудистой системы на дозированную физическую нагрузку». Для проведения измерений использовался комплекс аппаратуры цифровой лаборатории Releon, включающий ноутбук с программным обеспечением Releon Lite, специализированные датчики для оценки физической подготовленности, прибор для регистрации частоты сердечных сокращений, автоматический тонометр и фонендоскоп [12, с. 22].

Сбор экспериментального материала осуществлялся в ходе двух исследовательских циклов: первый длился с сентября по декабрь 2023 г., второй – с марта по апрель 2024 г. Работа проводилась на базе кафедры анатомии, физиологии и медицины в составе факультета биологии, географии и химии.

Для количественной оценки физической работоспособности участников был использован тест PWC 170 (Physical Working Capacity). Данная методика позволяет определить мощность физической нагрузки, соответствующую достижению сердечного ритма на уровне 170 сокращений в минуту, что является стандартным показателем для оценки аэробной производительности организма.

Методика проведения степ-теста включала восхождение испытуемых на гимнастическую скамью высотой 50 см с заданной частотой 30 циклов в минуту. Тестовый ритм поддерживался с помощью метронома, установленного на частоту 120 ударов в минуту. В восстановительном периоде проводился мониторинг сердечного ритма с использованием цифровых датчиков – показания фиксировались в первые 30 с на 2, 3 и 4-й минутах восстановления. Параметры тестовой нагрузки (высота ступеньки и продолжительность тестирования) адаптировались с учетом индивидуальных антропометрических и возрастно-половых характеристик участников исследования.

Особенностью методики являлось применение технологии фотоплетизмографии для самостоятельного измерения пульса обучающимися. Фиксация датчика на указательном пальце и последующая регистрация показателей осуществлялась самими студентами. Анализ полученных данных проводился с использованием функции «Обзор», что позволяло фиксировать и интерпретировать результаты эксперимента. Обучающиеся определяли временные интервалы между кардиоциклами и рассчитывали частоту пульса в состоянии покоя, используя инструментальные маркеры программного обеспечения.

Таблица 1

Показатели гемодинамики в покое у юношей ФФКиБЖ и ФБГиХ (M ± m)

Примечание: данные представлены в формате M ± m, где M – среднее арифметическое, m – стандартная ошибка среднего.

Следующий этап включал измерение артериального давления с использованием устройства для его регистрации, фонендоскопа и ноутбука. Испытуемый садился, на его предплечье фиксировалась манжета, к которой присоединялись нагнетатель и штуцер. Затем проводилась регистрация артериального давления. Воздух нагнетался в манжету, фонендоскоп прикладывался к руке в области локтевого сгиба, клапан приоткрывался, и производилось наблюдение за сигналами на экране. Полученные показатели отражены в табл. 1. В ходе экспериментальной работы был проведен сравнительный анализ параметров гемодинамики в состоянии покоя у студентов двух факультетов, результаты которого представлены в табл. 1.

Согласно полученным данным, у студентов факультета физической культуры отмечаются более выраженные показатели систолического объема крови и сниженная частота сердечных сокращений, что свидетельствует о лучшем функциональном состоянии кардиореспираторной системы. Методика проведения нагрузочного тестирования предусматривала следующий алгоритм: после регистрации исходных параметров испытуемые отсоединяли фото-плетизмографический датчик и выполняли дозированное восхождение на степ-платформу. После выполнения физической нагрузки производилось повторное подключение сенсора с последующей регистрацией кардиоритма. Анализ временных интервалов между последовательными сердечными сокращениями позволил рассчитать частоту пульса в восстановительном периоде, что являлось ключевым параметром для оценки адаптационного потенциала сердечно-сосудистой системы.

Сравнительный анализ морфофункциональных показателей юношей из двух групп – ФФКиБЖ и ФБГиХ – показал, что у первокурсников ФФКиБЖ эти показатели были более выражены. Проведенный анализ гемодинамических параметров показал, что минимальные показатели систолического артериального давления в состоянии покоя были зафиксированы у студентов первого курса ФБГиХ (124,8 ± 1,1 мм рт. ст.).

Сопоставительный анализ полученных результатов с литературными данными, где нормативный показатель ЧСС для студентов с высокой двигательной активностью составляет 72 уд/мин, демонстрирует соответствие параметров обучающихся ФФКиБЖ референсным значениям. В то же время у студентов ФБГиХ были отмечены статистически значимо повышенные показатели частоты сердечных сокращений (табл. 2).

Представленные в табл. 2 значения отражают реакцию кардиореспираторной системы на стандартизированную физическую нагрузку. Данные получены в ходе экспериментальных исследований и обработаны методом вариационной статистики.

Анализ постнагрузочных показателей выявил существенные межгрупповые различия в адаптационных реакциях сердечно-сосудистой системы. У представителей факультета физической культуры зафиксированы более выраженные значения систолического и пульсового давления, сочетающиеся с большими показателями ударного объема крови при меньшей частоте сердечных сокращений.

Таблица 2

Динамика гемодинамических параметров у студентов различных факультетов после выполнения дозированной физической нагрузки (M ± m)

Полученные данные свидетельствуют о более экономичной работе миокарда и лучших функциональных резервах кардиореспираторной системы у студентов, систематически занимающихся физической культурой.

Анализ показателей гемодинамики выявил нормативные значения систолического объема крови у юношей ФФКиБЖ первого курса (60–80 мл). Сочетание повышенного систолического объема с относительной брадикардией свидетельствует о развитии механизма экономизации работы миокарда, что характеризует высокий уровень функционального резерва сердечно-сосудистой системы.

Рост ударного объема крови в условиях физической нагрузки является физиологическим следствием увеличения потребностей метаболизма в кислороде. Данная реакция соответствует фундаментальному принципу сердечной деятельности, известному как механизм Франка – Старлинга, согласно которому усилие сокращения миокарда пропорционально степени растяжения его волокон.

Сравнительная оценка гемодинамического ответа на стандартизированную нагрузку выявила межфакультетские различия в реактивности кардиоваскулярной системы. Сравнительный анализ гемодинамического ответа на стандартную нагрузку выявил межгрупповые различия. У студентов физического факультета отмечен более выраженный рост систолического артериального давления, достигший показателей 164,5±1,7 мм рт. ст., тогда как у представителей биологического факультета значение составило 159,2±1,8 мм рт. ст. при идентичных условиях тестирования.

Полученные данные интерпретируются как проявление различий в адаптационных резервах кардиоваскулярной системы. Выявленные особенности гемодинамического ответа отражают различную степень тренированности и специфику нейровегетативного контроля сердечно-сосудистой деятельности у обследованных контингентов. Более выраженный прирост систолического давления у студентов-спортсменов может рассматриваться как критерий оптимальной мобилизации функциональных резервов в условиях физической нагрузки, сформированной в процессе систематических тренировок.

Сравнение показателей пульсового давления студентов разных факультетов после физической нагрузки показало, что у студентов ФФКиБЖ давление было выше и достигало 77,3 ± 1,9 мм рт. ст. Наименьшие значения были зафиксированы у студентов ФБГиХ – 73,1 ± 2,0 мм рт. ст.

Наименьшее значение частоты сердечных сокращений (ЧСС) после физической нагрузки наблюдалось у юношей ФФКиБЖ (153,0±1,3 уд/мин). Обучающиеся первого курса ФБГиХ после выполнения того же задания имели показатели 157,9±1,2 уд/мин.

Спустя 3 мин после нагрузки у студентов обеих групп были повторно измерены показатели гемодинамики. Они оказались близкими, однако у студентов ФФКиБЖ динамика восстановления была более выраженной, что, вероятно, свидетельствует об их более быстром восстановлении.

Проведение подобных экспериментальных исследований представляется дидактически целесообразным и методологически обоснованным в контексте реализации требований федеральных государственных образовательных стандартов по направлению подготовки 44.03.05 «Педагогическое образование» (с двумя профилями подготовки) [14; 15]. Согласно данным документам, образовательный процесс должен быть ориентирован на формирование у будущих педагогов не только предметных знаний, но и универсальных компетенций, включающих способность к проведению экспериментальной работы и проектной деятельности.

Интеграция экспериментальных исследований в образовательный процесс создает условия для реализации системно-деятельностного подхода, что соответствует требованиям ФГОС. Организация самостоятельной экспериментальной работы в курсе «Физиология человека» представляет собой эффективный дидактический инструмент, обеспечивающий двойной образовательный результат: усвоение программного материала и одновременное формирование исследовательских компетенций, составляющих основу профессиональной подготовки современного учителя биологии.

Особую значимость данный подход приобретает в контексте подготовки педагогов для работы в условиях цифровой трансформации образования. Формирование умений работать с современным лабораторным оборудованием и цифровыми средствами обработки данных напрямую соотносится с требованиями ФГОС к созданию информационно-образовательной среды и развитию цифровых компетенций педагога [15]. Это обеспечивает не только рост мотивации к изучению дисциплины, но и создает фундамент для будущей профессиональной деятельности выпускников, способных организовывать исследовательскую работу обучающихся в школе.

Анализ современных образовательных процессов позволяет констатировать, что учебные нагрузки выступают значительным фактором, формирующим высокий уровень психоэмоционального и интеллектуального напряжения у обучающихся. Данный феномен непосредственно связан с наблюдаемой интенсификацией учебного процесса и повышением требований как к объему усваиваемой информации, так и к качеству ее освоения. Однако нарушение оптимального режима физической активности может негативно отразиться на функционировании организма студента. Это может привести к снижению адаптационных резервов и расстройству механизмов регуляции автономных функций. У студентов это проявляется в виде снижения работоспособности и повышенной утомляемости.

Заключение

Проведенный анализ позволяет научно обосновать целесообразность и дидактическую эффективность интеграции цифровых лабораторий в учебный процесс по физиологии человека. Данный подход является не технологической инновацией самой по себе, а ключевым элементом формирования новой образовательной среды, соответствующей требованиям ФГОС и профессиональных стандартов.

Эмпирически подтверждено, что использование цифрового инструментария способствует интенсификации учебного процесса, что выражается в повышении качества усвоения сложных физиологических концепций и росте познавательной мотивации студентов. Создание модернизированных учебно-исследовательских лабораторий обеспечивает инфраструктурную основу для реализации практико-ориентированного подхода, позволяя не только демонстрировать физиологические процессы, но и организовывать полноценную исследовательскую деятельность с применением цифровых датчиков для сбора объективных данных.

Важнейшим результатом внедрения данной методики является формирование у обучающихся комплекса исследовательских компетенций. В процессе выполнения лабораторных практикумов студенты овладевают навыками сбора эмпирических данных, их статистической обработки, критического анализа и систематизации, что способствует развитию практических умений и формированию основ научного мышления.

Наличие широкого спектра цифровых датчиков создает условия для перехода от репродуктивных лабораторных работ к содержательной исследовательской деятельности, где студенты получают возможность формулировать научные гипотезы и проводить их эмпирическую апробацию. Такой подход не только обеспечивает углубленное освоение теоретического содержания курса, но и формирует методологический фундамент для дальнейшего профессионального становления и научно-исследовательской работы в медицинской практике.

Таким образом, научно обоснованное внедрение цифровых лабораторий в образовательный процесс по физиологии человека представляет собой стратегическое направление модернизации педагогического образования, обеспечивающее формирование исследовательского мышления и исследовательских компетенций, необходимых современному педагогу.