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 «Турнир юных киберфизиков. Соревнование “Аэропорты”» (турнир начального уровня сложности)
Занятие предполагает знакомство учащихся с понятиями физики и информатики через практическую деятельность – учащимся необходимо научиться анализировать сигналы, полученные и переданные с помощью технической системы, для решения практической задачи.
3.1 Содержание занятия
С точки зрения предметных результатов занятия, учащиеся познакомятся с понятием сигнала и модуляции, познакомятся с навыками анализа сигналов и первыми азами декодирования зашифрованных сообщений через работу с сигналами, передаваемыми с помощью технической системы.
Сама система представлена на рисунке:
Система представляет собой: приемник и передатчик, образующие акустический канал связи. По правилам турнира расстояние между приемником и передатчиком зафиксировано - это ограничения для равенства условий во время соревнований.
Учащиеся во время занятия работают с декодированием зашифрованных посылок, при этом им переданы для примера открытые посылки - где известно, что закодировано. Цель занятия научиться расшифровывать данные визуально анализируя графики. Во время выполнения задания соревнований - учащиеся в игровой форме осваивают работу с графиками, анализом данных, выделение закономерностей, определяют способ кодирования - строят гипотезу решения задачи и проверяют ее.
Передавая через канал связи данные открытых зашифрованных посылок учащиеся видят на экране и переданные и полученные данные в виде графиков в интерфейсе установки и слышат на слух (через динамик), что позволяет включать разные способы восприятия и различения сигналов. Расшифровывая зашифрованные закрытые посылки, графики подаваемых сигналов не видны, учащиеся работают только с полученными. Полученные графики уже являются не такими идеальными и учащиеся видят влияние среды на передаваемый сигнал в канале связи. Постепенно у них формируются представления о реальном канале связи и в последующих занятиях они смогут построить модель канала связи.
С точки зрения метапредметных результатов, учащиеся начнут осваивать способы проведения исследований, работе с разными типами информации - графической, числовой, текстовой. 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 виде командного турнира. Учащиеся разбиваются в команды по 2-3 человека за одной установкой, с подключенным к ней ноутбуком.
Педагог ведет занятие, в виде турнира: для учащихся формулируется задача на соревнование, которую они решают самостоятельно быстрее других команд.
Ребята работают с заданиями и ведомостями для ответов, выданными в виде раздаточных материалов. Также ученикам выдаются архивы с закодированными посылками.
Все материалы, необходимые для проведения занятия располагаются по ссылке Соревнование Аэропорты - Google Drive
Материалы к занятию:
- Презентация «Соревнование Аэропорты.pptx»
- (сайт/материалы для печати) Описание соревнования «Аэропорты»
- (материалы для печати) Ведомость приёма соревнования «Аэропорты» (для каждой команды).
- (материалы для печати) Номера команд (при необходимости)
- (материалы для учеников (цифровые материалы)) Архивы с закодированными посылками, включая примеры
- (материалы для преподавателя) Таблица правильных ответов к соревнованию.
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.
- Вводное соревнование «Аэропорты», побеждает тот, кто быстрее расшифровал все аэропорты.
- После соревнования, очень важно педагогу провести рефлексию.
3.3. Ключевые задачи, решаемые в рамках занятия
В этой задаче ученики передают заранее закодированные сообщения, результат передачи которых самостоятельно декодируют. Самым доступным и достаточно удобным вариантом будет просмотр графика в интерфейсе программы или загрузка переданного сообщения в Excel или Calc, и декодирование его визуально.
Формат CSV представляет собой таблицу, поддерживаемую редакторами Microsoft Excel, LibreOffice Calc и Google Таблицы. В последних двух редакторах файл открывается как есть. В Excel могут возникнуть трудности при открытии файла напрямую. В таком случае педагог может помочь посоветовав обратится к следующей инструкции:
https://support.ecwid.com/hc/ru/articles/207100869-Как-открыть-и-сохранить-CSV-файл-в-Excel
У педагога имеется 20 архивов, каждый содержит 10 папок, в которых находятся по 3 файла (итого 30 файлов). Случайным образом педагогу необходимо выбрать 5 архивов и раздать каждой команде по одному. В каждом архиве:
- Сообщения перемешаны, во всех наборах они идут в разном порядке.
- Файлы сообщений предварительно зашифрованы, поэтому отличаются, одинаковых файлов нет совсем (при этом наборы сообщений одинаковы).
У педагога есть таблица (ТЮК Акустика-1. Ответы.xls) с правильными ответами для каждого сообщения в каждом наборе.
Число попыток для каждой команды можно ограничить пятью. Для того, чтобы уменьшить вероятность возникновения разногласий внутри команд, следует в каждой команде выбрать или назначить капитана, и все попытки принимать только от него .
Попытки следует принимать только письменно (используя ведомость), чтобы нивелировать вероятность того, что команды подслушают друг друга. Время попытки по ведомости — это время подачи командой заявки на сдачу.
Во время проведения акустических экспериментов оборудование может «слышать» посторонние шумы (разговоры, работу других установок, звонки телефонов, эхо и прочее), это приводит к искажению получаемого учениками сигнала. Это важная часть методики - оставить влияния реальной среды. Педагогу необходимо обратить на эту особенность внимание учеников, предложить им согласовывать свои передачи удобным для них способом.
Задание на турнир
Всего в мире существует более 50 тысяч аэропортов, и вам необходимо разгадать зашифрованные 10 из них. У вас есть 5 попыток на разгадку каждого аэропорта. Как вы понимаете, метод перебора не самый эффективный, и мы рекомендуем вам пользоваться декодированием (расшифровыванием).
Вам даны 10 папок, в каждой из которых 3 файла. Каждый файл содержит сообщение, представляющее собой одну букву латинского алфавита в импульсном коде, то есть 3 таких буквы дают вам код аэропорта. Например, TJM — Тюмень, DME — Домодедово и так далее. Нумерация файлов соответствует порядку букв в коде.
При этом файлы зашифрованы, то есть без передачи по акустическому каналу увидеть и изучить сообщение нельзя. Буква кодируется пятью битами. Каждые пять бит составляют код буквы в латинском алфавите (см. таблицу).
Нуль кодируется тишиной (постоянный «нулевой» уровень), единица — единичным импульсом в виде одного периода синусоиды частотой 3,2 кГц (15 значений), между каждой парой импульсов соблюдается фиксированный интервал в 25 мс.
Для испытаний вам даны три тестовых сообщения: «R», «U» и «W». Запустите их и посмотрите на сигнал — это ваша первая подсказка о том, как решить задачу.
Алгоритм работы:
- Установите микрофоны на расстоянии одного метра от излучателя.
- Выставьте оптимальную конфигурацию джамперов на усилителях микрофонов.
- Загрузите файл с сообщением в программу-терминал.
- Выполните передачу.
- Рассмотрите полученные графики в программе, при необходимости скачайте данные сигналов с микрофонов («Сохранить CSV») и откройте их в любой программе для обработки данных, например, Excel или Calc, и постройте график там.
- Декодируйте (расшифруйте) сообщение по полученным с микрофонов графикам.
- Передайте результаты декодирования всех сообщений организатору, заполнив ведомость приёма решений. Попытка должна сдаваться письменно. Время попытки — это время подачи заявки на сдачу. Если попытка была верной, то время фиксируется как время зачтённой попытки.
3.4 Вопросы на рефлексию
Педагогу необходимо разобрать с учащимися как можно было решить эффективнее задачу и в чем было само задание.
У учеников были пробные открытые посылки, которые они могли использовать для тренировки и изучения способа кодирования сообщений. Каждая буква была представлена пятью битами, обозначающими номер буквы в латинском алфавите. Педагогу хорошо обсудить с учащимися способ, которым они обрабатывали данные - работали через программу с численными данными, визуально делили на 5 частей (прикладывая листочек разлинованный к монитору, деля график на изображении на части в любом редакторе изображений).
