Номинации «Турнира новаторов» 2026

Номинация 1
«От моделирования в игры к моделированию в реальности»

Моделирование в этой схеме присутствует трижды — в двух специальных учебных ситуациях и в ходе специальной рефлексии проделанной работы

Рисунок 3. Схема учебной ситуации

Перед прочтением данного материала рекомендуем ознакомиться с текстом «Моделирование в инженерии и образовании».

Первая номинация конкурса связана с воссозданием серии учебных ситуаций, которую можно представить в виде следующей схемы (см. рисунок 3), описывающей роль моделирования базового процесса.

выделение характеристик моделируемого базового процесса;

перенос этих характеристик на объект-заместитель;

анализ действий с объектом-заместителем с целью получения выводов о работе исходного объекта

Благодаря такому переносу деятельности моделирования из игровой ситуации в реальную (или наоборот), учащиеся смогут не только получить опыт моделирования, но и в ходе последующей рефлексии и сопоставления смогут сделать выводы об освоенных ими способах моделирования, их ограничениях.

Чтобы перенести полученный учащимися опыт на будущие ситуации, педагогу необходимо будет на третьем этапе организовать специальную рефлексию, направленную на выделение модели, общей для обоих случаев. Для этого необходимо задать учащимся вопросы, направленные на восстановление хода их работы, способов употребления моделей, обнаруженные значимые характеристики, их совпадения и различия и т. д.

Таким образом, сценарий занятий, реализующих предложенную схему, должен не только уделять внимание явной работе учащихся с моделью в каждой из двух ситуаций, но и обеспечивать специальное сопоставление или перенос модели базового процесса из одной ситуации в другую. По этой причине рекомендуется проектировать такой сценарий из трех явно разделяемых частей.

Учащимся предстоит пройти через два разных употребления модели базового процесса — в рамках игры или учебного симулятора и в реальной инженерной практике: создание какого-то образца, прототипа или устройства в реальном мире. Оба занятия должны быть объединены общим содержанием: учащимся предстоит поработать с одной и той же деятельностью моделирования:

Отдельное внимание, особенно в ходе завершающей дискуссии, следует обратить на различение модели и того, что моделируется

Зачастую модель уже является частью формулировки задачи, используемого симулятора, языка или технологии. Например, библиотека для программирования робота уже содержит в логике вызовов и переменных какую-то модель системы. Для того, чтобы учащиеся начали работу непосредственно с моделью, педагогу нужно проделать специальную работу. Например, направить внимание учащихся на моделируемый процесс и его значимые характеристики — их придется задавать явным образом в виде схем или специальных записей, обсуждать в группах или в рамках общей дискуссии. Это потребует и от педагога, и от учащихся готовности работать в формате открытой дискуссии с фиксацией получаемых результатов на доске или флипчарте, а не только конструировать или программировать, что часто мы можем наблюдать в кружке или на инженерном соревновании.

Номинация 2
«Цифровое управление процессами и системами в реальном мире»

Подготовка будущих инженеров должна включать способность создавать и использовать такие интеллектуальные системы с программным управлением

Прямой ход

Рисунок 4. Схема управления системой, реализующей базовый процесс

Рисунок 5. Реализация прямого хода при создании системы управления

Перед прочтением данного материала рекомендуем ознакомиться с текстом «Моделирование в инженерии и образовании».

Любое современное комплексное инженерное устройство или система, будь то умная колонка, робот, дрон или система для домашней сити-фермы связаны с управлением. Инженерная система, которая реализует какой-то базовый процесс, например, движение или мониторинг, должна каким-то образом управляться, чтобы достигнуть цели. Для этого инженеры создают и «прошивают» в устройства специальные программы управления, которые должны опираться на показания датчиков или «приборов», принимать решения в зависимости от возникающих ситуаций, в том числе и без участия человека.

Для управления каким-то объектом, процессом или даже деятельностью в реальном мире используется какая-то система управления. Эта система управления создана с учетом определенной модели базового процесса, которым нужно управлять. К примеру, подводным роботом управляет цифровой контроллер, для работы которого создаётся программа в соответствии с определенными модельными представлениями о реальности (показание ультразвукового датчика, акселерометра и т. п.) — очевидно, что это очень избранных набор значимых характеристик системы и окружающего мира (сравнительно со множеством возможных вариантов), но эта позволяет осуществлять движение и выполнять практические задачи. Программа динамически управляет процессом (анализирует ситуацию, воздействует на мир с учетом обратной связи), что позволяет добиться автономного управления и достижения цели.

При выполнении такой инженерной разработки важно опираться на системное мышление, анализ и моделирование, написание программ в опоре на понимание процессов управления. Достигнуть этого нельзя, если учащиеся будут решать исключительно частные задачи, даже если они носят практический, а не учебный характер. Поэтому участникам конкурса в данной номинации предлагается пройти полный цикл управления интеллектуальной системой – в ходе реализации заданного базового процесса.

На рисунке 4 в обобщенном виде представлена типичная схема цифрового управления объектом или процессом в физическом мире:

В данной номинации конкурса необходимо разработать серию учебных ситуаций, в которых учащиеся пройдут полный цикл киберфизического управления и самостоятельно создадут или модифицируют систему управления и напишут ее программу в соответствии с выбранной моделью реальности.

Примером реализации такой схемы может быть инженерное соревнование, в рамках которого участникам необходимо запрограммировать основанную на контроллере Arduino систему по управлению ориентацией телескопа с целью выбора определенных точек на небесной сфере.

Для этого рекомендуется опереться на одну из двух следующих схем — прямого или обратного движения по циклу киберфизического управления.

Прямой ход предполагает сперва рассмотреть базовый процесс — что и чем должно управлять, — а затем принятие решения о том, как будет устроена система управления, какая понадобится программа для ее работы. В ходе такой разработки учащимся придется в явном виде смоделировать базовый процесс, происходящий в реальности, — то есть выделить и представить в виде схемы или другого объекта-заместителя значимые для нашей ситуации управления характеристики системы и окружающей ее среды. Такое модельное представление станет основой для будущей программы — определит объекты, функции, переменные и другие параметры алгоритма управления.

Обратный ход

Рисунок 6. Реализация обратного хода при создании системы управления

Примером такой учебной ситуации может быть более сложное инженерное соревнование: определить причину неправильного движения робота, запрограммированного на использование глобальной системы позиционирования, в ситуации внешних помех/отключения такой системы. Другой пример учебной задачи — определить причину сбоя системы полива, которая кроется в неверно откалиброванном датчике влажности.

Альтернативным способом будет движение обратным ходом, которое соответствует деятельности обратного инжиниринга (reverse engineering). В этом случае учащимся предстоит работать с уже готовой системой, которая неидеально решает поставленную задачу. Для этого придется определить ситуации сбоя, выяснить, какие решения в программе управления приводят к таким плачевным ситуациям, а зачем восстановить те модели реальности, которые были заложены в исходную программу. Благодаря такой работе учащиеся смогут обнаружить, что причиной сбоя является не банальная ошибка в программе, но неправильная модель, заложенная в основание системы. Тем самым они смогут принципиально исправить ее.

Реализация того или иного сценария потребует не только самой комплексной инженерной разработки, но и анализа ситуации управления базовым процессом, составление моделей, их совместное обсуждение и критика. В связи с этим педагогу потребуется помочь учащимся в использовании схем и других форм фиксации промежуточных выводов, обнаруженных ошибок, моделей и других смыслов, возникающих в ходе командной работы. Отдельное внимание педагога нужно будет направить на рефлексию предложенной схемы: анализ пройденного пути, использованных способов работы и возможности переноса их на другие учебные ситуации и реальную разработку в будущем.