Киберфизическое приборостроение. Пример сценария 1

Polina · 26.Май.2025 07:33:02

Образовательная программа «Киберфизическое приборостроение»

Модуль «Введение в Турниры юных киберфизиков “Акустика”»

Вводный модуль предполагает знакомство школьников с новым способом обучения через освоение работы с технической системой для решения инженерных задач. Модуль направлен на понимание основных подходов, которые будут применяться при прохождении программы “Введение в киберфизическое приборостроение”: решение инженерных задач, соревнования в форме турниров юных киберфизиков, постановка учащимися перед собой вопросов для изучения в области физики, математики, информатики. Данный модуль открывает занятия в рамках большой образовательной программы, но может быть проведен отдельно в рамках мероприятий (например, отдельного турнира юных киберфизиков в рамках фестиваля или недели физики/информатики/НТО/технологий).

Задачи модуля:

Получить первый опыт работы с технической системой, на примере ТЮК “Акустика”.
Познакомиться с тем, что такое акустический сигнал.
Научиться формировать и анализировать сигналы.
Посоревноваться в декодировании сообщений.

1. Аудитория, на которую рассчитан модуль

Модуль разработан для школьников 8-11 класса общеобразовательной школы. Учащиеся могут не обладать опытом программирования. В рамках модуля предполагается работа с Комплектами для проведения турниров юных киберфизиков “Акустика” на компьютере, поэтому учащимся понадобятся базовые навыки работы за компьютером.

2. Программа модуля

Программа модуля представлена в следующей таблице:

№	Тема занятия	Кол-во часов	Образовательный результат
1	Подготовительное занятие	1	Знакомство с установкой ТЮК “Акустика”: сборка установки, изучение интерфейса, передача тестовых сигналов. Знакомство с понятием сигнала на примере акустического сигнала. Столкновение с технической системой на примере комплекта ТЮК “Акустика”. Получение первых сигналов при помощи технической системы. Работа с анализом сигналов. Формирования опыта различения сигналов и базового инженерного исследования.
2	Турнир юных киберфизиков. Соревнование “Аэропорты”	2	Знакомство с соревновательным форматом. Знакомство с понятиями из физики (сигнала и амплитудно-импульсной модуляции) в процессе решения практической задачи - декодирования зашифрованных сообщений через работу с сигналами передаваемыми с помощью технической системы.
2*	Турнир юных киберфизиков. Соревнование “Акустический марафон”	3	Знакомство с соревновательным форматом, в основу которого заложено столкновение с востребованностью физического знания при решении инженерных задач. Передача сигнала на расстоянии с помощью технической системы, используя различные способы модуляции сигнала (амплитудной, частотной, фазовой). Знакомство с понятиями из физики (сигнала и амплитудно-импульсной, широтно-импульсной, фазово-импульсной, частотной модуляции) в процессе решения практической задачи - декодирования зашифрованных сообщений через работу с сигналами передаваемыми с помощью технической системы.

Соревнование “Аэропорты” является турниром начального уровня сложности, соревнование “Акустический марафон” является более сложной вариацией того же турнира (базовый уровень сложности).

3. Сценарий занятия «Подготовительное занятие»

Занятие предполагает знакомство учащихся с понятиями физики и информатики через работу с оборудованием – учащимся необходимо научиться анализировать сигналы, полученные и переданные с помощью технической системы. Педагог сопровождает работу учащихся и помогаем им обнаружить новые для себя различения и способы работы - в частности, с возможностью не только работать с данными с помощью компьютерной обработки, но и с органолептической поддержкой от взаимодействия с реальной установкой (слышать на звук отличие в различных сигналах, и приводить в соответствие данные на экране и звук при передаче того или иного сигнала)

3.1 Содержание занятия

С точки зрения предметных результатов занятия, учащиеся познакомятся с понятием сигнала, познакомятся с навыками формирования и анализа сигналов, с органолептической опорой на техническую систему.

Сама система и схема подключения представлена на рисунке:

Система представляет собой: приемник и передатчик, образующие акустический канал связи. Передавая через канал данные, учащиеся их видят на экране в виде графиков в интерфейсе установки (примеры представлены на рисунке ниже) и слышат на слух (через динамик), что позволяет включать разные способы восприятия и различения сигналов.

В рамках занятия учащиеся сопоставят:

Цифровые данные, которые подают на передатчик установки (данные в передаваемом на установку файле и они же выведены на графике в интерфейсе - на рисунке ниже).
Аналоговый сигнал, издаваемый передатчиком (на слух).
Цифровые данные, полученные с приемников микрофонов (данные в принятом файле и они же выведены на графиках в интерфейсе- на рисунке ниже).

Таким образом, ребята фактически работают с тем, как устроен переход сигнала из цифрового в аналоговый и обратно. Пример полной схемы представлен на рисунке. Схему данную ребята научаться составлять сами на следующих занятиях программы.

С точки зрения метапредметных результатов, учащиеся начнут осваивать способы проведения исследований - в данном занятие уделено внимание анализу проводимых измерений с опорой на органолептику. Также учащиеся освоят способ содержательной коммуникации – представление версий и отношение к другим версиям учащихся - это станет возможно благодаря общему обсуждению по итогам занятия.

3.2. Формат проведения занятия

Занятие проводится в командах по 2-3 человека за одной установкой, с подключенным к ней ноутбуком.

Учащимся предстоит работать попеременно в трех режимах:

работа с установкой;
внутреннее обсуждение, фиксация результатов на бумаге в виде выводов;
общее обсуждение – высказывание версий, работа с пониманием версий других команд.

Педагогу необходимо контролировать режим, в т.ч. переход от работы с установкой к обсуждению смыслов.

Педагог ведет занятие, не в трансляционной, а в задачной логике: для учащихся формулируется задача на исследование, которую они решают самостоятельно. Это предполагает удержания разного темпа движения команд в решении задачи. Педагог может сопровождать процесс решения, по отдельности помогая учащимся выдвинуть версию действия и реализовать его, но не подменяя при этом ход решения учащегося собственным. По итогам занятия выносятся на общее обсуждение выводы по итогам анализа работы с установкой учащихся.

Ребята работают с заданиями выданными в виде раздаточных материалов. В качестве вспомогательных материалов выданы инструкции по сборке установки и по интерфейсу ПО . Педагог может помогать учащимся разобраться со сложными моментами в интерфейсе. Также дополнительно приложена карточка по работе с табличным редактором (необходима в случае если у учащихся возникают трудности).

Все материалы, необходимые для проведения занятия располагаются по ссылке Подготовительное занятие - Google Drive

Материалы к занятию:

Презентация «Подготовительное занятие.pptx» — опорная презентация для занятия, фактически просто навигатор по последовательности проведения занятия.

(сайт/материалы для печати) «Быстрый старт»
(сайт) Инструкция ПО
(сайт) Инструкция по применению
(сайт/материалы для печати) «ТЮК-А. Подготовительное занятие»

Материалы, требуемые для занятия ребятам, можно предложить скачать, пройдя по ссылкам на сайте, а можно распечатать заранее. В целом, хорошо приучить ребят самим искать себе материалы. Сайт: https://tjc.polyus-nt.ru/

Последовательность проведения занятия

Разбивка участников на команды. Участников необходимо разделить на команды по 2–3 человека.

Рекомендуется открыть сайт (https://tjc.polyus-nt.ru/), где обучающиеся будут смотреть описания задач, также документацию.
Проведение «Быстрого старта», где участники собирают установку, подключают её к ноутбуку и отправляют свой первый сигнал.
Затем выполнение заданий подготовительного занятия, изучая и анализируя графики, полученные в каждом задании.
Если после останется время – педагогу желательно по возможности дать ученикам поиграть и придумывать свои сигналы, которые они хотят передать и посмотреть как они передаются. Хорошо поощрять эксперименты ребят в пробах подачи различных сигналов.

3.3. Ключевые задачи, решаемые в рамках занятия

Задания

Быстрый старт

Задание — издать звук платой при помощи кнопки «Встроенный тест» в ПО. По сути, участники выполняют «Быстрый старт», правильно подсоединяя микрофоны и излучатель к плате, а плату — к ноутбуку, и после запускают на ноутбуке ПО и выполняют передачу.

Критерием успешности выполнения задачи будет правильно подключенная система и принятый сигнал (три графика в ПО).

Задание 1. Писк из файла

Плата умеет издавать звуки, записанные в файл в специальном (и очень простом) формате. В папке «examples», лежащей рядом с ПО в дистрибутиве, положили несколько разных файлов с разными звуками. Ученикам нужно в программе нажать кнопку «Выбрать файл», выбрать нужный тестовый файл в диалоговом окне операционной системы, а затем нажать на кнопку «Отправить данные».

Поощряется, если ученики откроют файл в «Блокноте» и посмотрят, как он устроен изнутри, или даже попробуют его изменить. Педагогу необходимо подводить учеников к этому.

Следующие файлы содержат различные формы сигнала:

test1.txt - синусоида с постоянной частотой и постоянной амплитудой;
test2.txt - синусоида с постоянной частотой и чередующейся амплитудой;
test3.txt - синусоида с постоянной частотой и амплитудой (пронзительно громкий сигнал);
test4.txt - постоянная по времени координата (тишина);
test5.txt - меандр (прямоугольная волна);
test6.txt - синусоида с постоянной амплитудой с чередующейся частотой;
test7.txt - синусоида с максимальной и минимальной амплитудой.

На этом этапе нужно следить за тем, как ученики передают звуки в плату, помогать им в процессе и обращать внимание на разницу между звуками (слышимую и отображаемую на графиках).

Можно подходить хлопать и шуметь, и обращать их внимание на графики при этом. Особенно интересно, если создавать рядом периодический шум - например, размеренно стучать ручкой.

Кроме этого, ученики экспериментируют с изменением параметров каскадов усиления микрофонов, замыкая джамперами разъёмы «Цепь обратной связи» и выполняя передачу (желательно одного и того же звука). Пусть попробуют 3-5 вариантов расположения: одинаковых и разных для микрофона А и Б. Подробнее о плате на сайте (https://tjc.polyus-nt.ru/) в разделе «Инструкция по применению».

Пусть ученики письменно кратко опишут себе в тетрадках, что услышали, какие получились или как изменились графики.

Обратить их внимание, когда они слышат изменения, а когда они их только видят на графиках – поговорить, что многое из связи для нас невидимо, но оно существует.

Задание 2. Последний писк

В этом задании ученики сами сформируют файл для воспроизведения платой. Для этого понадобится табличный редактор (Excel или Calc). В таблице нужно сформировать столбец из 6000 значений по следующему правилу:

Значения растут от 0 до 4000 с шагом 100, затем уменьшаются до нуля с тем же шагом, и так до 6000 строк. Если построить график по этим значениям, то будет видна «пила». Такой сигнал так и называется — пилообразный .

В этой задаче ученики могут столкнуться с проблемой трудоёмкости формирования набора данных, если они не имеют хороших навыков работы с табличными редакторами. В этом случае следует подсказать им какой-нибудь удобный способ. Если кто-то из учеников любит и умеет программировать, то он может попробовать сгенерировать данные программой. Это весьма интересно само по себе.

Вариант решения (в случае если возникнут проблемы пользованием таблицами, можно подсказать ребятам шаги)

В табличном редакторе создайте 2 значения 0 и 100, выделите их вместе, наведите на правый нижний угол выделения (синяя точка на скрине), курсор превратится в плюсик, нажмите и потяните вниз до 41 строки, как на картинках ниже.

Теперь нужно создать значения в обратном порядке от 4000 до 0. Для этого в 42 строке пишем значение 3900, выделяем 41 и 42 строчки и растягиваем как и в прошлый раз до 81 строки. Образец на картинке ниже.

Мы выполнили основную часть задания, теперь осталось повторить полученный диапазон до строки номер 6000.

Самый простой и быстрый способ — это скопировать весь диапазон и вставить его далее, затем снова скопировать полученный удвоенный диапазон и снова вставить ниже, таким образом размер вставки будет расти в геометрической прогрессии:

Выделить первое значение 0 в строке 1.
Нажать комбинацию на клавиатуре (Ctrl+Shift+↓) — выделится весь диапазон значений от 1 до 81 строки. Альтернативный способ выделения нужного диапазона: в поле названия (или имя) ячейки указать диапазон A1:A81 и нажать Enter.
С помощью сочетания Ctrl+C скопируйте выделенное.
Нажмите на значение 0 в 81 строке и нажмите сочетание клавиш Ctrl+V, у нас заполниться ряд до 161 строки (ячейка A161).
Перейдите в первую строку с помощью комбинации клавиш Ctrl + ↑ и повторяйте алгоритм копирования по прогрессии до тех пор, пока не дойдет до 10241 строки (так как предыдущее значение 5121 меньше 6000).
В поле имя (или названия) ячейки в левом верхнем углу, около строки ввода формулы, введите значение «А6001» и нажмите Enter, вы окажетесь в ячейке A6001, удалите все лишние значения, начиная с данной строки.

Теперь осталось скопировать полученные шесть тысяч значений из таблицы и вставить в текстовый файл (блокнот например), сохранить в формате .txt.

Программа принимает число значений кратное шести тысячам, поэтому если у вас будет большее их количество (например 10241), то программа просто заполнит недостающие значения нулями (например до двенадцати тысяч для 10241 значения). Негативных последствий для работы оборудования и программы на больших диапазонах нет, но время обработки данных может сильно увеличиться при малой производительности компьютера.

После того, как получится извлечь звук, рекомендуется поменять шаг изменения, формирующий пилу, и исследовать, как это отразится на излучаемом звуке.

Задание 3. Писк киберфизика*

Задача сложнее в выполнении, поэтому давать ли её ученикам педагог решает на свое усмотрение с учетом оставшегося времени занятия.

Вместо пилообразного сигнала можно подать меандр: чередующиеся области максимальных и минимальных значений (0 и 4095), например, группами по 20 штук. В этом случае динамик будет совершать колебания только при смене значений сигналов, и будет делать с наибольшей возможной энергией — а значит, потенциально на максимальной громкости.

Максимальной громкости, конечно, сразу не получится: для этого нужно, чтобы мембрана совершала свободные колебания, поддерживаемые усилителем, тогда как он будет поддерживать постоянный уровень напряжения и тем самым колебаниям мешать. Но если подобрать частоту смены значений так, чтобы она совпадала с резонансной частотой динамика все получится.

Наиболее громкий звук ожидается при периоде в 18 (длины полупериодов — по 9), но до этого ребята должны дойти сами или методом перебора, или почитав инструкцию по применению, поняв характеристики динамика и связав смену значений с его резонансной частотой.

3.4 Вопросы на рефлексию

После того, как все ученики выполнят подготовительное занятие педагогу необходимо провести с ними разбор того, что они изучали. Педагогу необходимо обратить внимание ребят, что на занятии они работали с реальной технической системой – смотрели как устроен канал связи и работали с разными сигналами.

Важно проанализировать с ними, что они видели на графиках - что при подаче того или иного сигнала мы ожидаем увидеть на сигналах с микрофонов и почему видим не совсем то, что ожидаем, в чем причины этого - что вызвано помехами, а что обусловлено устройством системы. Педагогу необходимо поразмышлять с учениками об этом, накидать список вопросов, которые возникают при анализе графиков, но не стараться отвечать на них - поиск ответов на эти вопросы - и есть цель обучения по программе.

Возможный список вопросов:

понять как сигналы формировать;
какие из сигналов будут нести информацию, какие нет;
изучить физику сигнала;
понять какими уравнениями можно задавать форму сигнала;
научиться разбираться с технической системой и ее управлением;
формировать не просто передачу сигнала, а чтобы он был устойчивым к помехам;
научиться строить модели передачи сигнала и видеть их ограничения;
научиться программно защищать информацию, передаваемую с помощью сигнала.