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 “Акустический марафон”» (турнир базового уровня сложности)
Занятие предполагает 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.
3.1. Содержание занятия
С точки зрения предметных результатов занятия учащиеся познакомятся с понятием сигнала, модуляции и ее видов, познакомятся с навыками анализа сигналов и первыми азами декодирования зашифрованных сообщений через работу с сигналами, передаваемыми с помощью технической системы. При этом большую роль в этом виде сигнала при расшифровывание будет играть не только визуальная обработка информации на графиках, но органолептическая. Ученики обнаружат 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 с разной модуляцией, и приводить в соответствие данные на экране и звук при передаче того или иного сигнала).
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. Цель занятия научиться расшифровывать данные визуально анализируя графики и слышать разные виды модуляции на слух. Во время выполнения задания соревнований - учащиеся в игровой форме осваивают работу с графиками, анализом данных, выделение закономерностей, определяют способ кодирования - строят гипотезы решения задачи и проверяют их. В этом варианте турнира появляется сложность от того, что объем зашифрованных посылок большой и требует тактики работы и оптимизации пути решения.
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, аудио, 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.
Ученикам выдаются архивы с закодированными посылками. У каждой команды свой порядковый номер, по которому выдается архив с закодированными посылками (сообщениями) и уникальный ключ для отправки ответов через Telegram-бота.
Все материалы, необходимые для проведения занятия располагаются по ссылке Соревнование Акустический марафон - Google Drive
Материалы к занятию:
- Презентация «Соревнование Акустический марафон.pptx»
- (материалы для преподавателя) Инструкция по подключению бота для «Акустического марафона» (ТЮК-А Инструкция по подключению бота.pdf), архив с телеграмм-ботом (tjc-telebot.zip)
- (материалы для печати) Описание соревнования «Акустический марафон».
- (материалы для печати) Базовые ключи команд.
- (материалы для печати) Номера команд.
- (материалы для учеников (цифровые материалы)) Архивы с закодированными посылками.
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.
- Соревнование «Акустический марафон», побеждает тот, кто набрал больше баллов - расшифровал больше посылок и типов модуляции.
- После соревнования, очень важно педагогу провести рефлексию.
3.3. Ключевые задачи, решаемые в рамках занятия
До проведения соревнования педагогу необходимо установить на своем компьютере Telegram-бота – он обеспечит прием решений от ребят. Соответственно, также необходимо подготовить к передаче ключи доступа для каждой команды (например, распечатать на бумаге и нарезать).
В этой задаче ученики передают заранее закодированные сообщения со скрытым содержимым, 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.
У педагога имеется 20 архивов, каждый содержит по 1000 файлов. Случайным образом педагогу необходимо выбрать 5 архивов и раздать каждой команде по одному вместе с соответствующим ключом доступа для бота. В каждом архиве:
- Сообщения перемешаны, во всех наборах они идут в разном порядке.
- Файлы сообщений предварительно зашифрованы, поэтому отличаются, одинаковых файлов нет (при этом общие наборы сообщений одинаковы).
Ответы для каждого сообщения в каждом наборе размещены в CSV-таблице (answers.csv), приложенной к Telegram-боту. Бот непосредственно использует эту таблицу для проверки решений. При необходимости к этой таблице можно обратиться вручную.
Число попыток, по каждому сообщению, ограничено пятью. Для того, чтобы уменьшить вероятность возникновения разногласий внутри команд, следует в каждой команде выбрать или назначить капитана, который будет отправлять все решения. Но при этом допустимо отправлять попытки одновременно нескольким участникам.
Задание на турнир
У каждой команды свой порядковый номер, по которому выдается архив с закодированными посылками (сообщениями) и уникальный ключ для отправки ответов через Telegram-бота.
В архиве 1000 посылок. Каждая посылка содержит сообщение, закодированное одним из способов, приведённых далее («Описание кодов»). Определите способ кодирования (модуляции) и расшифруйте сообщение.
На каждую посылку даётся по 5 попыток. За правильно определённый способ кодирования вы получаете 1 балл, за правильно декодированное сообщение — ещё 2 балла (итого 3 за полный ответ). Задача - набрать как можно больше баллов за отведённое время.
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.
- По полученным с микрофонов графикам определите используемый способ кодирования и декодируйте (расшифруйте) сообщение.
- По мере декодирования сообщений загружайте результаты в бот-диспетчер, ссылку на который вы получили от преподавателя.
Пример сообщения приведён после описания кодов. Примеры ответов бота: «
Попытка отклонена: Ожидается код из единиц и нулей.»
Если попытка отклонена, она не идёт в зачёт. Чаще всего это сообщение будет ответом на неправильную форму записи и будет содержать указание на ошибку.
« 
Попытка засчитана полностью и приносит вам 3 балла.»
« Попытка засчитана частично и приносит вам 1 балл. Осталось 3 попытки.»
« 
Попытка не засчитана. Осталось 2 попытки.»
« 
Попытка засчитана, но новых баллов не принесла. И больше попыток на эту посылку прислать нельзя.»
Описание кодов
Здесь описано то, как формируется сигнал (данные загружаемые в плату) с точки зрения передающей стороны!
Посылка (сообщение) длиной 125 мс состоит из 8 фрагментов одинаковой длины (примерно по 15,6 мс каждый). Каждому фрагменту соответствует один бит сообщения. Значение этого бита кодируется сигналом внутри фрагмента.
Код A. Амплитудно-импульсная модуляция
Посылка разбита на 8 фрагментов, если значение бита равно 0, то в соответствующем фрагменте ничего не передается, если равно 1, то в самом начале фрагмента передается короткий громкий щелчок в 1 период с частотой 2,9 кГц.
Код B . Фазо-импульсная модуляция
Посылка состоит из 8 фрагментов, внутри каждого фрагмента содержится импульс частотой 2,9 кГц и длительностью в один период. Если значение бита равно 0, то импульс расположен в самом начале фрагмента, если равно 1, то по центру фрагмента.
Код C. Широтно-импульсная модуляция
Посылка состоит из 8 фрагментов. В каждом фрагменте находится импульс частотой 1,5 кГц. Начало импульса всегда находится в начале фрагмента. Если значения бита равно 0, то импульс короткий и имеет длительность 4 миллисекунды, если 1, то импульс широкий и имеет длину примерно 10,7 миллисекунд.
Код D. Частотная модуляция
Посылка разбита на 8 фрагментов, внутри фрагмента содержится импульс длиной 3,33 миллисекунды, расположенный слева. Если значение бита равно 1, то частота импульса 1,5 кГц, если значение 0, то частота 3 кГц.
Пример ответа Telegram-боту:
«12 a 01010101» (номер посылки, вид кода и расшифрованное сообщение).
3.4 Вопросы на рефлексию
Педагогу необходимо разобрать с учащимися как можно было решить эффективнее задачу и в чем было само задание (об этом на рисунках ниже подробно) .
Педагогу хорошо обсудить с учащимися способ, которым они обрабатывали данные - работали через программу с численными данными, визуально делили на 8 частей (прикладывая листочек разлинованный к монитору, деля график на изображении на части в любом редакторе изображений).
