Как задачная форма обучения помогает школьникам пройти путь «успех – сбой – преодоление» и выйти на новые инженерные концепции
В предыдущем номере мы начали рассматривать вопрос об общих для инженеров различных сфер деятельности структурных элементах их мышления и деятельности. Продолжаем тему с Аллой Устиловской, руководителем методической службы Ассоциации кружков, кандидатом психологических наук Инженерная деятельность – это творческая деятельность, опирающаяся на смелую инженерную мысль, позволяющая превращать идеи в реальность и тем самым создавать то, чего нет. Это требует от инженера постоянного профессионального совершенствования – повышения свей компетентности в планировании, проектировании, создании производств и многом другом. Профессиональная культура инженера включает и социальную компетентность, предполагающую ответственность перед обществом за последствия принимаемых решений на всех уровнях инженерной деятельности – от проектирования до практического осуществления. Сложные инновационные технологии предъявляют к инженерам новые требования; одно из них — работа в полипрофессиональных командах, что предполагает высокий уровень профессилнальной коммуникации и взаимопонимания инженеров различных специальностей.
В рассмотренном примере сделан акцент на необходимости обеспечить для будущих инженеров опыт преодоления возможных затруднений в учебной работе – получения ошибочного результата или невозможности продвигаться в решении задачи. В качестве инструмента обеспечения такого опыта предлагается задачная форма организации обучения (ЗФО). Рассмотрим сценарий следующей за описанной в предыдущем номере учебной ситуации при реализации ДООП «Программирование киберфизических систем: от игр к реальным окружениям» (разработчик программы и рассматриваемой учебной ситуации – А.И. Федосеев). Учебная ситуация организуется проходом по тому же циклу ЗФО, что и предыдущая – «успех – сбой – преодоление сбоя» (см. второй номер журнала). Ключевая задача в этом случае более сложная, что существенным образом влияет на характер сценария. Акцент в описании сделан на развитии содержательной линии.
А. Подготовка
А-1. Вспоминаем ход решения основной задачи предыдущего занятия в ходе беседы, логика которой задаётся вопросами:
1. Какую задачу решали в прошлый раз?
Программировали переключение зелёного и красного цветов светофора так, чтобы между ними была пауза.
2. Как поняли, что первый вариант программы не обеспечил правильной работы светофора?
Апробировали на полигоне игры и увидели, что светофор работает неправильно.
3. В чём была ошибка?
Красный загорелся один раз, а потом всё время зелёный. Причина такой работы: из состояния «Ничего» получилось два возможных перехода по одному и тому же событию, и не ясно, как программе правильно выбрать нужный переход.
4. За счёт чего получилось исправить ошибку?
Решили задачу с дополнительным условием: при переходе из состояния "Ничего" нельзя по таймеру вернуться обратно.
5. В чём суть решения, позволившего светофору работать правильно?
Удвоили состояние «Ничего», в котором светофор выключен — для перехода от красного к зелёному и от зелёного к красному.
А-2. Проверим, действительно ли дети поняли суть решения. Для этого рассмотрим два вопроса:
1. Что нужно изменить на диаграмме программы при увеличении интервала между цветами до 3 секунд? Желаемый ответ: зайти в каждое из сотояний «Ничего» и изменить параметр таймера.
2. Как изменится диаграмма, если светофор имеет три цвета, зажигающиеся по очереди: красный-жёлтый-зелёный? Желаемый ответ: добавятся 2 состояния: «Желтый» и «Ничего 3» и два перехода.
Вводим дополнительную информацию: в Мадриде на одной из самых оживленных площадей Пласа-де-Кастилья в конце 2024 года установили светофоры с четырьмя цветами. Четвёртый — белый цвет светофора включается в тех случаях, когда на дороге больше беспилотных автомобилей, чем обычных; то есть он или горит или не горит, не зависимо от трёх основных цветов. И если включён, то горит одновременно с одним из них. Как вы думаете, сколько состояний у такого светофора? Этот вопрос для желающих подумать дома.
Б. Постановка основной задачи
Обращаем внимание школьников, что логика увеличения числа состояний и переходов усложняет программу и процедуру конструирования диаграммы для неё. Решение задачи «в лоб» предыдущим способом потребует большого числа состояний и переходов. Предлагаем найти более удобное — общее решение для различных переключений светофора.
Задача. Измените программу для светофора из ранее решённой задачи, который переключается между красным и зеленым сигналом с интервалом 2 секунды, и после пяти переключений выключался. Начните с выполнения наброска программы на бумаге.
После нескольких минут продумывания школьниками возможного подхода к решению, выясняем есть ли какие-то версии изменения и рассматриваем каждую версию, отмечаем достоинства и недостатки. Если верных версий не будет, что вполне вероятно, предлагаем школьникам обсудить в мини-группах и ответить на три вопроса. С них начинается этап преодоления сбоя.
В. Преодоление сбоя
1. Чем новая задача отличается от предыдущей, решённой на прошлом занятии? 2. Как эти отличия влияют на программу? 3. Какие состояния и модули дронов нужно использовать для внесения изменений в программу?
В ходе дальнейшего общего обсуждения важно подвести школьников к пониманию следующего:
- В предыдущей задаче светофор может работать без остановки; а в этой задаче он должен выключиться. Значит, в программе должно быть особое состояние выхода - «конец».
- Светофор выключается после пяти переключений. Значит, условием выключения светофора, перехода в состояние «конец» является событие «произошло пятое переключение». Значит, нужно считать переключения.
Предлагаем школьникам обсудить в мини-группах и сделать набросок программы на бумаге, после чего обсуждаем все версии.
Одной из возможных версий может быть частное решение: Из состояния «Ничего» при переходе от красного к зелёному сигналу сделать переход к состоянию «Конец» после трёх переключений.
Эта версия создаёт удобный момент поговорить о частном и общем решениях. Последнее будет верным при любом данном в условии числе переключений. Задаём вопрос:
Как нужно изменить программу, если светофор должен выключиться после 2025 переключений? После 6 переключений?
Желаемые ответы. 1. Формула для подсчёта числа переключений. 2. Переход к состоянию «Конец» нужно сделать от состояния «Ничего» при смене сигнала с зелёного на красный; так будет при заданном чётном числе переходов.
После обсуждения, предлагаем школьникам сравнить программу любого из дронов с ранее сделанной программой для светофора и найти принципиальные отличия. Верное выполнение этого задания — важное отличие программ — поможет справиться с решением задачи.
Желаемый ответ. В программе дронов есть вложенные состояния.
Даём время на изменение программы с использованием вложенных состояний. Если школьникам не удаётся справиться с заданием, демонстрируем им верный вариант в виде схемы на бумаге и просим реализовать её на полигоне и апробировать. Хорошо бы сделать.
Г. Выделение и фиксация нового средства составления программ
В этой задаче преодоление сбоя связано с введением концепции иерархии. Иерархия состояний (их вложенность) позволяет выделять более общий контекст исполнения и связанную с ним общую логику работы системы. В этой диаграмме видно, что четыре предыдущих состояния сохранились, но были помещены внутрь новых родительских состояний, в которые перешла часть общей логики. Это позволяет легко обеспечить выход из программы при достижении нужного значения счетчика.
В двух статьях мы рассмотрели сценарии ситуаций в ЗФО; преодоление сбоя в каждом из них произошло благодаря введению новой концепции, за которой лежат обобщенные способы программирования – контекста исполнения для состояний в программе и иерархии состояний с общими контекстами исполнения.
Методический комментарий. Под сценарием мы понимаем только такое описание планируемого или проведённого занятия, которое содержит вариативность разворачивания учебной ситуации, исходя из реальных возможностей школьников. То есть рассматриваются возможные сбои в учебной деятельности — ошибочные действия, неверные решения или вообще невозможность приступить к решению задачи. И для каждого возможного сбоя в сценарии рассмотриваются дальнейшие действия педагога. Наибольшие сложности при подготовке к занятию связаны с организацией преодоления сбоя. И здесь возможны два подхода. Первый: после фиксации сбоя и его причин педагогом сам вводит новый способ, позволяющий преодолеть сбой. Второй предполагает организацию условий, в которых школьники сами выходят на новый способ; для его реализации необходимо выстроить систему вопросов и задач, позволяющую, используя прежние знания и опыт, провести школьников по пути порождения нового способа. Какой подход в организации преодоления сбоя выбрать зависит от сложности материала, от опыта школьников в преодолении сложностей и от возможностей педагога.