Направление программы НКФП:
Программирование киберфизических систем
Выберите модуль для адаптации:
Программирование киберфизических систем. Пример сценария 2.
В программу какого школьного предмета будет включен адаптированный модуль:
Информатика
В какую тему, между какими темами школьного предмета предлагается включать модуль:
Тема №1 (8 ч) Вводное занятие. Введение в курс «Robotech». Введение в киберфизику на примере мира «Берлоги». Основные вопросы: Понятие «робот», «робототехника», «киберфизическая система». Техника безопасности. Обучающиеся должны знать: Применение роботов в различных сферах жизни человека, значение робототехники. Принципы и практики, которые позволяют продуктивно работать в команде. Структура киберфизической системы, особенности киберфизических систем. Киберфизика как направление инженерной деятельности. Обучающиеся должны уметь: Применять исследовательские приемы и навыки. Тематика практических работ: Решение ситуаций. Практика выделения и описания киберфизических систем в современном технологически-оснащенном мире и на примерах из фантастического мира «Берлоги». Тема №4 (42 ч) Программирование в Arduino IDE Основные вопросы: Знакомство со средой программирования Arduino IDE, языком машин состояний (состояние, событие, объектное представление объекта управление – модули и команды). Блок-схемы. Особенности графического языка блок-схем. Типы данных, переменные. Математические операции. Массивы. Сравнения, условия и выбор. Циклы. Строки массивов символов. Функции. Обучающиеся должны знать: Синтаксис и структура кода, графические элементы визуальных языков программирования. Обучающиеся должны уметь: Сопоставлять графические языки блок-схем и машин состояний в контексте решения практической задачи, составлять элементарную программу. Тематика практических работ: Написание программ в среде программирования Arduino, составление программы, представив ее в двух разных формах – как диаграмму машины состояний и как блок-схему. Программирование и тестирование роботов для решения различных задач.
Планируемое время на прохождение модуля:
1 модуль (8 ч.), 4 модуль (42 ч.)
Какой элемент (какая единица) киберфизического содержания предложенного модуля будет рассматриваться в адаптированном модуле:
Адаптированный Модуль №1 (8 часов): Введение в киберфизику на примере мира «Берлоги» Представления и понятия: «киберфизическая система», «робот», «робототехника», «цифровой двойник». Практические действия: определение, моделирование и описание киберфизических систем (КФС) в окружающем мире и в мире «Берлоги». Адаптированный Модуль №4 (42 часа): Среда визуального программирования. Представления и понятия: язык машин состояний (состояние, событие, объектное представление объекта управление – модули и команды). Блок-схемы. Особенности графического языка блок-схем. Практические действия: программирование, сопоставление графических языков блок-схем и машин состояний в контексте решения практической задачи.
Как этот элемент (эта единица) киберфизического содержания связана с содержанием (с темой) школьного предмета:
- Связь с содержанием дополнительной образовательной программы “Robotech” Развитие системного мышления: киберфизическая система как объект информационной модели, включающей обработку данных, сенсоры, управление. Формирование навыков анализа, синтеза и описания систем с помощью логических и структурных моделей (анализ робота как КФС позволяет рассматривать его не только как техническое устройство, но и как часть сложной информационно-физической системы.). Моделирование КФС в цифровом пространстве (например, схемы, алгоритмы, описание процессов) связано с разделами информатики: информационное моделирование, структуры данных, алгоритмизация. Поведение КФС требует формального описания — алгоритмы, машинные состояния, логика взаимодействия. Это напрямую связано с изучением языков программирования, визуальных сред, логических структур. Подготовка к модулю 4, где реализуется программное поведение КФС через блок-схемы и языки машин состояний.
Как этот элемент киберфизического содержания связана с содержанием школьного предмета:
Логика сочетания (связи) содержания адаптируемого модуля и планируемой единицы предметного содержания, обеспечивающая целостное освоение как киберфизического, так и предметного содержания:
Логика освоения От теории к практике (модульная вертикаль): Модуль 1 формирует базовые представления о киберфизических системах (КФС): что это, где встречаются, как описываются. Это создает когнитивную основу, на которую накладывается предметное содержание. Модуль 4 предлагает практические инструменты (языки программирования, блок-схемы, машины состояний), т.е. происходит переход от понятий к реальному управлению объектами. От предмета к реальности (предметная горизонталь): Информатика обеспечивает понятийный и инструментальный аппарат для описания и моделирования систем: алгоритмы, логика, данные. Робототехника придает киберфизическим моделям физическую реализацию: робот — как типичная КФС. Программирование позволяет формализовать поведение КФС, создавая цифрового двойника, способного взаимодействовать с реальной или виртуальной средой. Результат: Целостное освоение Обучающиеся понимают принципы работы киберфизических систем и их роль в цифровом мире. Осваивают инструменты цифрового и визуального программирования для управления системами. Развивают навыки инженерного и алгоритмического мышления, применяя знания из разных предметов для решения практических задач (например, в игровой среде «Берлоги»).
Учебный материал, используемый в адаптированном модуле – не используемый в исходном модуле (учебные тексты, формулировки заданий/задач, презентации, демонстрации и др.):
Национальная киберфизическая платформа «Берлога» — Программирование в Берлоге Основы событийного программирования и программирования расширенных иерархических машин состояний (ПРИМС)
Задайте возможные уровни освоения содержания (минимальный и максимальный):
Минимальный уровень освоения (базовый) Цель: Сформировать общее представление о киберфизических системах и их связи с цифровыми технологиями. Знания: Распознаёт киберфизические системы в окружающем мире, термины: «робот», «датчик», «состояние», «событие», «цифровой двойник», простые блок-схемы и назначение машин состояний. Умения: может описать поведение простой КФС в виде блок-схемы, выполняет базовые операции в среде визуального программирования, сопоставляет элементы КФС с объектами окружающей среды или среды «Берлоги». Начальные навыки моделирования. Максимальный уровень освоения (продвинутый) Цель: Освоить принципы анализа, проектирования и программной реализации киберфизических систем на междисциплинарном уровне. Понимает структуру и архитектуру КФС, включая сенсоры, управляющие модули, цифровые двойники, отличает типы событий, состояний, переходов, логику машин состояний, обратную связь. Умения: моделирует КФС, включая алгоритмическое и визуальное описание логики поведения. Реализует собственные алгоритмы управления объектами в среде программирования. Анализирует и оптимизирует поведение системы по заданным условиям. Системное и инженерное мышление. Умение проектировать и предсказывать поведение сложных киберфизических объектов.
Другое, отражающее специфику адаптированного модуля:
Уровни освоения содержания адаптированных модулей (специфика киберфизики) Базовый уровень Роль обучающегося: исследователь и наблюдатель Характер освоения: ознакомительный, через примеры и демонстрации (узнаёт и называет простые киберфизические системы (КФС) в окружающей среде и в виртуальной среде «Берлога», может описать работу КФС с помощью блок-схемы с 2–3 элементами, использует шаблонные элементы в визуальной среде (готовые модули и команды), следует поэтапной инструкции для создания простой модели поведения (например, «если нажата кнопка — двигайся»). Продвинутый уровень (создатель и аналитик КФС) Роль обучающегося: разработчик и управленец киберфизических решений Характер освоения: творческий и аналитический, с элементами проектирования (анализирует и объясняет структуру КФС (сенсоры, исполнительные модули, логика управления), конструирует модели КФС в среде «Берлога», программирует поведение виртуальных объектов, адаптируя их под условия среды, оценивает корректность и оптимальность работы смоделированной системы (например, анализирует поведение робота в ответ на сигналы среды).
Обоснуйте эффективность выбранного учебного материала и учебных действий освоения нового содержания разработанного модуля без значимого ущерба для содержания исходного модуля:
Эффективность выбранного учебный материала обеспечивают содержательную преемственность с исходным модулем, повышают мотивацию за счёт практичности и наглядности, развивают универсальные и предметные компетенции, сохраняют полноту ключевых понятий и действий, при этом адаптированы под реальные возможности обучающихся.
Как, какими методами организуется понимание и освоение содержания адаптированного модуля:
Понимание и освоение содержания адаптированных киберфизических модулей организуется через: Наглядность и аналогии – сложные понятия объясняются через знакомые образы (например, сложные понятия (например, машина состояний) объясняются через наглядные метафоры — светофор, двери с датчиком). Метод “от наблюдения к действию” – обучающиеся сначала наблюдают поведение систем, затем описывают, анализируют и моделируют его. Метод проблемного диалога. Педагог предлагает ситуацию: «Что произойдет, если робот не получит сигнал от датчика?», формируется осознанная необходимость понятий (состояние, событие, логика управления). Визуальное программирование – блок-схемы и графический язык машин состояний упрощают вход в программирование. Игровое и проектное обучение – используется среда видеоигры «Берлога» для вовлечения и практики. Пошаговое освоение – от простых заданий к самостоятельному проектированию и программированию. Метапредметный подход – сочетание информатики, робототехники и киберфизики в одном учебном действии.
Как обеспечивается повышение осознанности и самостоятельности в учебной деятельности:
Работа с маршрутными картами, алгоритмами Задания структурированы в виде шагов (наблюдение → описание → схема → программа). Обучающийся отслеживает свой прогресс, что способствует осознанному управлению своей деятельностью. Рефлексия и самооценка. В конце каждого задания — вопросы: «Что получилось? Что можно улучшить? Что было непонятно?». Формируются навыки самоконтроля и анализа собственной работы. Индивидуальные и творческие задания Возможность выбора объекта моделирования или способа реализации (например, вариант схемы или способ программирования). Мини-проекты и исследовательские задачи. Обучающиеся разрабатывают собственные КФС, подбирают элементы, планируют действия. Поддержка педагога как наставника Педагог не даёт готовых ответов, а направляет вопросами: «Как ты думаешь, что произойдёт?». Обучающийся учится самостоятельно искать решение и аргументировать его.
Как в ходе модуля организовано коммуникативное взаимодействие между педагогом и учащимися, между учащимися:
Взаимодействие “педагог — обучающиеся” Проблемный диалог и вопросы-навигаторы. Педагог не даёт готовых решений, а направляет обучающегося через уточняющие и наводящие вопросы. Обратная связь в процессе. Педагог постоянно отслеживает ход выполнения заданий, помогает корректировать действия, поддерживает в затруднении. Взаимодействие “обучающиеся — обучающиеся” Парная и групповая работа. Совместное моделирование КФС, обсуждение вариантов схем, распределение ролей (программист, аналитик, презентатор). Обсуждение решений и защита проектов, презентация результатов. Взаимная проверка и оценка. Обучающиеся сравнивают решения друг друга, находят ошибки, предлагают улучшения.
Формы организации учебной деятельности и/или проектной деятельности:
Фронтальная работа – ввод понятий, разбор примеров, обсуждение с группой. Парная/групповая работа – совместное моделирование, программирование, решение задач. Индивидуальная работа – выполнение заданий по маршруту, создание схем и алгоритмов. Мини-проекты – разработка собственной киберфизической системы (КФС) с защитой. Учебная игра – моделирование ситуаций в среде (например, «Берлога») с распределением ролей. Исследовательская работа – анализ поведения КФС, выявление причин и зависимостей. Защита решений – презентация своей схемы или проекта с аргументацией.
Обоснуйте эффективность выбранных методов и методик проведения занятий:
Эффективность выбранных методов обеспечивает не только формальное усвоение понятий, но и осмысленное применение знаний в реальных и виртуальных контекстах.
Подготовительные задания/задачи:
Сценарий: «Маршрут беспилотника: найти путь и не попасть в аварию» Подготовительные задания: Познакомиться с понятием киберфизической системы и составом беспилотного автомобиля: – сенсоры (лидар, камеры, ИК-датчики), – исполнительные механизмы (двигатель, тормоз, руль), – алгоритмы управления и планирования маршрута, – связь с цифровой картой. Изучить основные понятия машин состояний и блок-схем движения: – «движение вперёд», – «остановка при препятствии», – «смена полосы» - распознавание знаков дорожного движения и т.д. Протестировать простую модель движения робота по прямой с остановкой при препятствии.
Ключевая задача учебной ситуации, в какой форме предлагается:
Запрограммировать поведение беспилотного автомобиля, чтобы он проехал по заданному маршруту, избегая столкновений и соблюдая логические правила движения. Форма задания: работа в среде моделирования Arduino, Python Тестирование симуляции на карте с несколькими перекрёстками и препятствиями.
Какие действия по решению задачи могут привести к ошибкам/неверным решениям, иными словами: к сбою в решении (не менее двух):
Возможные ошибки / сбои в решении: Автомобиль не останавливается перед препятствием (или делает это слишком поздно) – ошибка в считывании данных датчика расстояния или в условии остановки. Неправильное считывание знаков дорожного движения – ошибка в логике программного кода.
Как проводится работа с неверными действиями/неверными гипотезами и т.д. школьников, которые привели к ошибкам, к сбою в деятельности:
Совместный просмотр симуляции движения: Обучающиеся наблюдают поведение автомобиля, фиксируют, где возник сбой, обсуждают, какие условия или блоки были использованы неправильно. Формулирование гипотез и обсуждение: – Почему машина не остановилась? – Работает ли датчик корректно? – Какая часть алгоритма отвечает за распознавание знака? Исправление с комментированием: Педагог предлагает ввести промежуточные проверки, уточнить условия срабатывания, использовать логические И/ИЛИ для уточнения алгоритма.
Как на основе работы по преодолению сбоя в деятельности вводятся новые знания/способы действия/приёмы работы/…; дальнейшее развитие ситуации:
На основе разбора ошибок учащиеся осваивают комбинирование условий и логические переходы между состояниями. Дальнейшее развитие ситуации: Добавление светофоров, пешеходных переходов, «умных» объектов на дороге; Программирование реакции на неожиданные события (внезапный пешеход, препятствие); Введение обратной связи – например, возврат на маршрут после объезда.
Как завершается учебная ситуация:
Рефлексия (укажите предмет рефлексии: этапы проделанной работы, способ преодоления сбоя, полученное новое знание, выработанный способ решения, другое.
Обоснуйте ваш выбор в предыдущем пункте:
Рефлексия завершает учебную ситуацию не формально, а как важный этап осознания нового знания, закрепления опыта работы с киберфизической системой и подготовки к более сложным задачам.
Вероятно, мы не спросили о том, что вы считаете важным в отношении адаптированного модуля. Напишите в свободной форме:
В адаптированном модуле особенно важно, что он делает сложные технические и абстрактные понятия — такие как киберфизические системы, алгоритмическое управление, цифровые двойники — понятными, наглядными и практически значимыми для школьников. Через игровые ситуации (игра «Берлога»), моделирование и визуальное программирование обучающиеся не просто усваивают теорию, но видят, как она работает в реальных или приближенных к реальности системах. Это усиливает мотивацию, помогает формировать причинно-следственные связи и развивает самостоятельность мышления. Также важно, что модуль даёт возможность каждому продвигаться от простого к сложному через пробы, ошибки и анализ решений. В итоге адаптированный модуль становится не просто частью учебного плана, а живым инструментом для формирования цифровой грамотности, инженерного мышления и готовности к технологиям будущего.