Как стать технологическим кружком Национальной киберфизической платформы? ЧАСТЬ 1

Библиотека Инструкции
1

Кружок Национальной киберфизической платформы

Методическое пособие — оригинал статьи

Аннотация

В методическом пособии представлено описание основных принципов и подходов к организации в кружках условий для вовлечения подростков в перспективные направления технологического развития. Представлена концепция Национальной киберфизической платформы (НКФП) и модель кружка НКФП как пространства совместной учебной и производственной деятельности детей и взрослых.
Методическое пособие предназначено для руководителей, наставников и педагогов технологических кружков, а также для широкого круга заинтересованных читателей.

Авторы-составители:

  • Андрей Андрюшков
    Научный руководитель Инфраструктурного центра Кружкового движения НТИ, старший научный сотрудник лаборатории «Молодежная политика» НИУ ВШЭ, кандидат политических наук.

  • Алексей Федосеев
    Президент Ассоциации участников технологических кружков, лидер проекта Национальной киберфизической платформы «Берлога» и основатель Олимпиады Национальной технологической инициативы.

  • Михаил Просекин
    Руководитель профилей Национальной технологической инициативы «Интеллектуальные энергетические системы» и «Технологии беспроводной связи», основатель и директор компании «Инситилаб», кандидат физико-математических наук.

  • Анастасия Старостинская
    Вице-президент Ассоциации участников технологических кружков, руководитель Инфраструктурного центра Кружкового движения НТИ.


Введение
Раздел 1. Образ современного технологического кружка
Раздел 1.1. Кружок как увлекательное приключение для подростка
Раздел 1.2. В чем социальные функции современного технологического кружка?

Читайте в Части 2:

  • Раздел 1.3. Как технологический кружок может развиваться?

Раздел 2. Как кружок может участвовать в развитии Национальной киберфизической платформы

  • Раздел 2.1. О Национальной киберфизической платформе
  • Раздел 2.2. Дорожная карта кружка Национальной киберфизической платформы

Введение

Люди всегда искали пути для наиболее эффективной организации своего труда, необходимого для воспроизводства и развития человечества. Для этого создавались сложные физические устройства и социо-технические системы, повышающие результативность труда и расширяющие возможности человека. Так появились колесо, мельница, паровоз, железные дороги, тракторы, электрооборудование, спутниковая связь. С развитием технологий автоматизации и цифровизации возможности создания управляемых социальных и технических систем резко увеличились: вычислительные мощности и скорость современных компьютеров и приборов существенно превосходят человеческие, а физическое перемещение объектов и людей с помощью технических конструкций является важнейшей составляющей всей человеческой цивилизации.

Ключевым вопросом для человека как создателя и как пользователя таких социо-технических систем является вопрос управления ими. В конце XIX века начала свое развитие кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе. Одним из принципов кибернетики является исследование иерархии принятия решений. По аналогии с биологической системой, например, человеческим организмом, где часть процессов регулируется локально, без непосредственного контроля головного мозга, в других системах возможна автоматизация процессов управления, позволяющая освободить основные центры принятия решений для стратегического планирования и наиболее комплексных процессов.
В идеях кибернетиков воплотилась мечта человечества о светлом будущем, техноутопии, в которой «вкалывают роботы», а человек может заниматься свободным творческим трудом, сложными исследованиями и принимать управленческие решения. Однако сегодня мы можем видеть и оборотную сторону цифровизации: становятся очевидны риски такого делегирования цифровым системам изначально человеческих функций — человек теряет способность осознавать и управлять своим развитием, а на фоне увлечения виртуальными мирами слабеет наша связь с физической реальностью. Активное использование цифровых систем сегодня требует новой культуры мышления и деятельности, которая позволила бы человеку осознавать связь цифровых технологий и физической реальности и управлять ими в целях развития всего человечества.

Глобальная цифровизация связана с еще одним фактором — производителями цифровых продуктов обычно являются крупные корпорации, задающие свои правила игры, направленные на получение и наращивание прибыли. Это ставит пользователей в заведомо зависимое положение, создает ситуацию «цифрового рабства», необходимости подчиняться решениям корпораций после приобретения устройства, и хотя сами устройства формально принадлежат пользователям, их работу и порождаемые в процессе данные пользователь контролировать не может. Это относится далеко не только к смартфонам, но и к системам «умного дома» или беспилотного автомобиля. Представьте, что может случиться, если они перестанут слушаться своего «хозяина»? Ситуация «цифрового рабства» обостряется тем, что в ней оказываются не только отдельные люди, но также и целые государства. В таких условиях особенно остро встает задача формирования национального технологического и консциентального суверенитета России. Проект Национальной киберфизической платформы (далее — НКФП) является одним из решений этой задачи и направлен на создание в России условий для развития собственных киберфизических технологий и систем.

Мы определяем киберфизическую систему как систему, способную решать сложные задачи управления в физической реальности. Это система с высоким уровнем автоматизации процессов, основанная на программно-электронном управлении и обладающая также высоким потенциалом модернизации и адаптации к разным условиям. Адаптивность может осуществляться как в силу заложенных в систему решений, с участием или без участия человека, так и через изменение самой системы при модификации каких-то ее элементов. Такая система может при минимальной доработке продолжать решать поставленные задачи в новых, изменившихся условиях или даже подстраиваться под изменение целей. Например, система умного дома как киберфизическая система в течение всего времени эксплуатации может перепроектироваться, дополняться в зависимости от потребностей и решений человека, включать изменение режимов и настроек, которые не были заложены на этапе начального проектирования. Таким образом, киберфизическая система всегда предполагает участие человека, который не только создает эту систему, но и осуществляет ее перепроектирование и настройку под различные задачи и ситуации.

Историческими аналогами киберфизических систем можно считать и ранние инженерные решения, например, систему акведуков в Древнем Риме, в которой связность всей системы была важнее, чем работа отдельных устройств забора воды, колодцев и фонтанов. Эта система значительно перепроектировалась во время эксплуатации. Другим примером системы, созданной в соответствии с киберфизическими принципами, является энергосистема Российской Федерации, до этого Советского Союза. Эта система многократно перепроектировалась, сохраняя свои базовые принципы. Менялись элементы, но целеполагание оставалось прежним: такая система обладает способностью адаптации к изменяющимся условиям в присутствии человека, но также адаптируется и при отсутствии человеческого фактора. Аналогичные принципы, уже полностью в опоре на программно-электронные компоненты, реализовывались и при создании глобальной сети Интернет.
Яркий пример современных киберфизических систем — системы управления космическими аппаратами и предотвращения столкновений, в том числе, набирающие популярность системы спутникового интернета. В таких системах ежегодно экспоненциально возрастает количество маневров на орбите в целях уклонения от столкновений друг с другом и другими космическими аппаратами. Это системы с огромной сложностью моделей и очень высокими требованиями к надежности.
Однако киберфизические системы могут быть спроектированы и для более простых задач, например, для автоматизации класса в школе или создания «умной теплицы» на даче.

Киберфизические принципы проявляются там, где связность важнее отдельных элементов: не отдельные мельницы, а набор ветряных колес и насосов вместе с каналами; не управляемые людьми паровозы, а электрифицированные железные дороги; не одиночный спутник, а множество спутников, роевые системы. Автономность отдельных элементов киберфизических систем повышается — они становятся все более интеллектуальными. Такие системы могут в течение многих лет перерабатываться и дополняться, именно за такими системами будущее, и это определяет вызовы для современных подходов к проектированию инженерных систем и для системы образования в этой сфере.

Наличие киберфизических систем в управлении, то есть возможность их перепроектировать и адаптировать под меняющиеся цели, обеспечивает технологическую суверенность любого государства в мире. А наличие системы образования, способной готовить специалистов для разработки и управления такими системами, обеспечивает кадровую суверенность. В современном мире ключевым профессионалом, создающим общественное богатство страны и обеспечивающим ее безопасность и независимость, является не отдельный ученый или инженер, но команды разработчиков киберфизических систем, в которых должны быть как ученые, так и инженеры (в том числе ИТ-специалисты). Более того, учитывая характер и перспективы разработок киберфизических систем в сфере организации общественной и даже культурной жизни, в таких командах критически важны представители других профессий, в том числе дизайнеры, психологи, социологи и даже философы. А способность работать в команде над созданием киберфизических систем должна стать в ближайшем будущем наиболее значимой в профессиональном развитии.

Сейчас мы остро нуждаемся в создании системы образования, которая будет способна подготовить не только отдельного специалиста, но и команды, сформировав при этом у всех участников способность к целостному видению технологий как элементов сложных киберфизических систем. В этом методическом пособии речь пойдет о небольшом, но значимом элементе этой системы — кружках Национальной киберфизической платформы (далее — кружки НКФП). Деятельность Кружкового движения с момента появления была направлена на поддержку кружков не только в контексте образования, но и с целью развития наук и технологий. Кружок как команда энтузиастов науки и технологии является важнейшим показателем интеллектуальной жизни общества, поскольку проявляет способность общества к самоорганизации по отношению к передовым задачам развития.

За последние 20-30 лет мы привыкли к тому, что кружки — это что-то несерьезное, детский творческий досуг, который даже в детстве не должен превалировать над настоящим серьезным образованием. Однако такое представление не отражает действительность: именно в кружке, в совместной творческой деятельности, в работе над решением увлекательных задач — инженерных, художественных, исследовательских — происходит формирование устойчивого интереса к той или иной сфере общественно-полезного труда. Именно в кружке подросток получает настоящий опыт совместного дела и опыт самоорганизации.

Это касается не только детских и подростковых кружков (кружки образуются и на базе вузов, и в научных кругах). Совсем не случайно, что когда появляются новые направления научно-технического или гуманитарного развития, мы встречаем и кружки, в которых люди разных поколений пробуют разобраться и проявляют свои способности к созданию нового. Почвоведческие, автомобильные, воздухоплавательные кружки конца XIX — начала XX века; планерные, радиоэлектронные, сельскохозяйственные кружки 20-30-х гг. XX века; группы исследователей информационных технологий 60-70-х гг. XX века — это лишь наиболее яркие примеры того, как в ответ на вызовы научно-технологического развития в обществе происходила самоорганизация в форме кружков. Пробуя новые подходы и направления работы, кружки становились средой для развития будущих лидеров этого направления. Так, например, все генеральные конструкторы авиационной отрасли СССР 30-40-х гг. начинали свой путь именно в кружках (планерных и авиамодельных). Кружки держатся на общем увлечении их участников и обладают высокой степенью свободы в выборе пути самообразования и деятельности, притягивают к себе наиболее талантливых и амбициозных людей, создавая для них условия, в которых образование и творчество не разделены.
Поэтому кружки — это наиболее подходящая форма для начала работы, для создания базовых условий вовлечения молодежи в проблемы развития киберфизических систем. При этом совсем не стоит бояться, что понятие «киберфизика» будет звучать пугающе для школьников и родителей. Вспомните, как 35 лет назад также непонятной была робототехника, а 25 лет назад — программирование. Но и робототехника и программирование — это только фрагменты того дела, которым должны заняться кружки НКФП.

В данном пособии мы будем говорить о базовых принципах технологических кружков, описывающих условия совместной деятельности детей и взрослых и форматы участия кружков в Национальной киберфизической платформе. В меньшей степени мы затронем собственно содержание программ таких кружков. Конкретные программы, рекомендуемые для реализации кружков НКФП, будут изданы отдельно. Данное пособие адресуется руководителям кружков научно-технической направленности, работающим с детьми и подростками 10-17 лет на базе организаций общего и дополнительного образования.

Раздел 1. Образ современного технологического кружка

Раздел 1.1. Кружок как увлекательное приключение для подростка

«За кружок дети голосуют ногами»: кружок не может быть обязательной формой занятости подростков, поэтому участие в кружке всегда осуществляется ими осознанно и добровольно. Это накладывает на руководителя кружка требование работать с осознанным выбором подростков и находить соответствующие форматы работы. В этом разделе, опираясь на многолетний опыт проектов Кружкового движения, мы расскажем, какие именно форматы совместной деятельности и организации занятий являются наиболее привлекательными для подростков.

Прежде всего, кружок должен стать для подростков пространством, в котором они могут почувствовать себя взрослыми: способными создавать продукты, имеющие значение не только для них лично, но и для других людей, занимающимися темами, которые позволяют развивать современные технологии, участвующими в планировании работы всего кружка и несущими равную ответственность с другими участниками за результаты, и самостоятельно ставящими перед собой задачи в обучении и участии в тех или иных образовательных мероприятиях.

Далее — кружок должен стать пространством, в котором живут и работают увлеченные взрослые и дети. Это достигается за счет актуальности и нефиктивности тематики кружка и той деятельности, которую кружок ведет. Обратите внимание: в этом пособии речь идет о деятельности, которую ведет кружок, команда, сообщество кружка, а не о том, что именно делает руководитель кружка, чему он учит и т.д. Безусловно, в кружке кто-то учится, а кто-то учит, и роль взрослого — руководителя — отличается от роли участника кружка, однако кружок начинается не с разделения на учителя и ученика, а с интересной, увлекательной и перспективной для современного состояния науки и технологии темы, которой увлекаются и взрослые и юные участники кружка. И они — вместе! — изучают технологии, пробуют свои силы в инженерных соревнованиях, хакатонах, придумывают интересные темы для исследований и проектов. Создать такую среду совместной деятельности – непросто, однако именно в этом и заключается искусство и роль руководителя современного технологического кружка.

Тематически область деятельности кружка НКФП распространяется на все сферы деятельности, в которой требуется разработка автоматизированной системы, обладающей определенным набором социально-значимых функций. Поэтому и кружки программирования, в которых участники осваивают инструменты программирования на определенном языке и получают опыт создание программных продуктов, и кружки робототехники, занимающиеся чаще всего сборкой и программированием макетов роботов ограниченной функциональности с помощью конструкторов, могут стать кружками НКФП при соблюдении ряда ключевых условий, представленных в методическом пособии.

Также можно ориентироваться на список возможных тем проектов и исследований, которыми могут заниматься кружки НКФП для вовлечения подростков в передовые актуальные темы развития киберфизических систем:

  • «квартирные» и загородные системы умного сельского хозяйства: датчики влажности и освещения, автоматические системы полива и другие технические системы, сопровождающие правильный рост сельскохозяйственных культур;
  • объекты science art, включающие системы из нескольких устройств и оперирующие звуковыми и световыми эффектами, например, создание простейшего цифрового вычислителя на основе звуковой передачи информации;
  • управление инфраструктурой «умного дома»: потребления электроэнергии, воды, оптимизации расходования трафика и времени использования интернета — последняя задача особенно понятна современным школьникам, живущим в условиях искусственных ограничений доступа в интернет;
  • многопользовательские игры в физической реальности и фиджитал-состязания с автоматическими посредниками, например, лазертаг-бои, прохождения лабиринтов и других интерактивных приключений с использованием множества программируемых устройств как в руках у игроков, так и действующих самостоятельно;
  • распределенные системы мониторинга среды, оценки экологической обстановки с использованием множества умных датчиков;
  • специфические для киберфизического подхода учебные задачи, такие как перекрестки с множеством светофоров для управления движением автомобилей, автоматически балансирующие платформы, эксперименты на оценку проводимости материалов и пр. — требующие одновременно построения физической модели, создания инженерного решения и программирование системы управления с обратной связью.

Обратите внимание, что даже такие интересные темы, перспективность которых может «зажечь» подростков, могут стать скучными в работе кружка, если они будут даны исключительно как информационные лекции. Очевидно, что формат работы в данных темах не менее важен, чем сама тема.

Мы предлагаем следующий набор форматов работы кружка, наиболее подходящий для среднего и старшего подросткового возраста:

  • Проектное обучение:

каждый раздел темы предполагает выполнение небольших «проектов», то есть практического задания, которое позволяет достичь наглядности в изучении темы, и в то же время дать возможность кружковцам почувствовать практическую значимость этого раздела. Мы берем здесь слово «проект» в кавычки потому, что правильнее это называть именно практическим заданием, пусть даже его результат можно увидеть в виде законченного макета или собранного из конструктора «робота». Ценность такой работы — исключительно образовательная и нужна она именно для того, чтобы изучение знаниевых основ темы связывалось у кружковца с расширением его возможностей в практической сфере. Обратите внимание: большинство так называемых робототехнических проектов, в которых подростки конструируют устройство, выполняющее очень ограниченные функции, причем исключительно в искусственных учебных условиях (езда по линии, перемещение условное груза и т.п.), могут быть названы проектами только в этом, учебном смысле. Они, безусловно, мотивируют и увлекают кружковцев (особенно младшего подросткового возраста), но не формируют культуру собственно проектирования и конструирования. Ярким примером таких «проектов» становятся набирающие популярность «мейкерские» поделки и сделанные руками школьников мини-продукты (DIY-продукты), обогащающие среду кружка – умные светильники, волшебные палочки, машины голдберга, электронные шарманки и пр.

  • Участие в инженерных соревнованиях:

выбор наиболее подходящих по тематике кружка соревнований для подростков и организация в кружке команды для участия в них. Инженерные соревнования и в сфере образования, и в профессиональной сфере являются очень важным форматом привлечения молодежи в инженерную сферу. Несмотря на многообразие таких соревнований, их объединяет то, что они создают условия, максимально приближенные к реальным, для решения командой комплексной инженерной задачи: за жестко определенный срок команда должна достичь практического результата, соответствующего требованиям регламента соревнований. Такие инженерные соревнования, как Формула Студент или чемпионат по кибербезопасности CTF, становятся для молодежных команд энтузиастов реальным полигоном проверки своих знаний и в то же время выступают образцом для их деятельности, определяя перспективные направления и требования для работы в них. Школьные инженерные соревнования выполняют ту же функцию. Важно зафиксировать, что кроме личной пользы для кружковцев (получение призов или льгот для поступления в вуз) такие соревнования могут стать важной частью организации работы кружка, формируя опыт командной работы и понимание того, какие передовые задачи по тематике кружка сегодня задают требования к тем, кто готовится стать инженером.

  • Проектно-конструкторская деятельность:

организация работы команды над разработкой и реализацией проектно-конструкторского решения. Проектно-конструкторская деятельность — основной формат работы инженерной компании, создание в кружке условий для такой работы определяет степень «серьезности» кружка. В советский период технический кружок обязательно содержал в себе элементы настоящего производственного объединения, выполняя по своему профилю многие работы, имевшие общественную ценность. Кружки радиоэлектроники чинили электротехническое оборудование, например, светооборудование актовых залов, а кружки столярного мастерства создавали мебель для школы. Именно такие проекты, как сейчас говорится, «полного жизненного цикла» — от анализа ситуации до создания готового для использования продукта — и являются предметом настоящей проектной деятельности в кружках. Примеры тем таких проектов мы указали выше. Важно отметить, что переход от «учебных» проектов к настоящим инженерным проектам является основным для того, чтобы сохранить интерес и внимание старшеклассников.

  • Исследовательская деятельность:

организация на базе кружка комплексных исследований, предполагающих получение новых знаний, необходимых как для самообразования кружковцев, так и для разработки новых решений в рамках проектной деятельности. Для кружков НКФП исследование чаще всего является частью проектной деятельности, то есть это специальные инженерные исследования, позволяющие точнее понять проблему, на решение которой направлен проект, или построить физико-математическую модель этого решения и т.д. Киберфизика как достаточно новая сфера комплексного знания критически нуждается не только в инженерном, но и научном труде, в связи с особенностью киберфизических систем обнаруживать новые горизонты для исследования особенностей их функционирования и воспроизводства. А для некоторых кружковцев не столько инженерная деятельность, сколько именно научное исследование может стать основой для их дальнейшей профессионализации. И это очень хорошо. Вспомните, что из Воздухоплавательного кружка Н.Е. Жуковского вышли не только гениальные авиаконструкторы — А.Н. Туполев, П.О. Сухой и другие, но и выдающиеся ученые, развивавшие передовые направления аэродинамики, механики и материаловедения — И.И. Сидорин, В.П. Ветчинкин и другие. То, что среда кружка может соединять проектно-конструкторскую и исследовательскую деятельность, является лучшим показателем его способности быть настоящим началом профессионального пути в сфере киберфизических систем.

Раздел 1.2. В чем социальные функции современного технологического кружка?

Для того, чтобы развивающая среда кружка способствовала формированию устойчивого интереса у подростков и стала основой для его профессионального пути, кружок должен иметь ценность не только как творческий досуг и углубленное изучение каких-то дополнительных к основному образованию тем. Конечно же, школьный кружок вряд ли когда-нибудь станет технологической компанией или даже детским производственным предприятием по образцу знаменитой детской трудовой коммуны, которую создавал А.С. Макаренко. Однако все же кружок должен быть чем-то большим, чем учебным предметом, для того, чтобы обеспечить развитие профессионального самосознания кружковцев. Поэтому нам сейчас важно зафиксировать те социальные функции, которые кружок НКФП точно должен на себя взять, формируя условия для их реализации.

Во-первых, образовательная функция: в кружке участники повышают свой уровень знаний и компетенций в выбранной технологической сфере. Освоение инструментов, знакомство с оборудованием, изучение научных основ — это то, что позволяет кружку быть компетентным, то, что позволяет ему реализовывать другие функции. Это самая знакомая кружкам дополнительного образования функция, и без сомнения можно сказать, что на данный момент в России есть много прекрасных примеров того, насколько увлекательным может стать обучение в техническом кружке*. Реализация кружком образовательной функции осуществляется не только в ходе выполнения образовательной программы, но и за счет того, что, в отличие от школы, кружок может гибко реагировать на новую ситуацию и образовательные запросы участников кружка, вносить изменения в программу и использовать возможности внешних образовательных ресурсов или партнеров. В практике правильно организованного кружка учатся не только юные кружковцы, но также наставники и руководители. Это особенно верно в случае с кружками НКФП, в которых киберфизику предстоит осваивать одновременно и детям, и взрослым. Также стоит организовать регулярную практику вовлечения кружковцев 2-3 года обучения в обучение новых участников кружка, привлечение к работе с кружковцами выпускников кружка, обучающихся в организациях высшего образования.

*Для знакомства с лучшими практиками организации кружков мы рекомендуем сборники Конкурса кружков 2020-23 гг.

Во-вторых, профориентационная функция: кружок помогает участникам определить свой профессиональный путь, сформулировать цели на развитие и социализацию в мире современных технологий. Современные кружки для старших подростков – это один из наиболее правильных и эффективных форматов профориентационной работы, поскольку в нем подростки не только включаются в проживание профессиональных ситуаций и решение задач, но и знакомятся с профессиональным сообществом, носителями современной культуры научной, инженерной и предпринимательской деятельности.

Для кружков НКФП предоставляется дополнительный профориентационный инструмент — мобильная игра «Берлога». Играя в вымышленный мир, подросток знакомится с разными образцами социально-значимой деятельности, которые названы в игре традициями. Эти игровые традиции напрямую связаны с теми профессиональными сферами инженерной и научной деятельности, которыми подростки могут заниматься в кружках, участвуя, например, в Национальной технологической олимпиаде (НТО).

В-третьих, производственная функция: кружок помогает своему окружению (школе, где он располагается, близлежащей территории, партнерским организациям и т.д.), создавая полезные вещи или оказывая услуги благодаря имеющимся у него компетенциям и ресурсам. В советское время можно было узнать, что в школе действует хороший радиотехнический кружок, по качеству оборудования для проведения мероприятий, например, дискотек. В пособиях для руководителей кружков того времени — столярных, радио- и электротехнических, авиамодельных — часто можно встретить рекомендации по тому, какие полезные продукты могут создавать участники кружков: от скамеек до учебного оборудования для уроков физики. Сегодня это могут быть как сувенирная продукция, произведенная с помощью лазерного станка, так и более комплексные продукты: автоматизация полива ботанического сада или пришкольного хозяйства, создание школьного сайта, объектов техноарта и т.д.

В-четвертых, просветительская функция: кружок берет на себя функцию проведения просветительских мероприятиях в целях популяризации среди молодежи и местного населения науки и технологий. Кружок как агент такой просветительской деятельности — это достаточно понятная и доступная для любого кружка деятельность, которая в то же время приучает участников выступать самостоятельными организаторами значимых мероприятий и формирует ответственность и субъектность юных участников. В рамках Национальной киберфизической платформы кружки являются точкой входа для участников из игры, которые могут получить игровые баллы и достижения за счет участия в онлайн и офлайн-мероприятиях на площадках кружков. Поэтому очень важно проведение игровых мероприятий и мастер-классов для участников с «нулевым порогом входа». В рамках проекта специально разрабатываются малые дискуссионные игры на 5-15 человек и большие фестивальные игры, позволяющие соприкоснуться с современными технологиями и образами будущего, формирующие интерес к последующему обучению в кружке.