Примерные кейсы открытых проектных заданий (инженерных задач) и критерии их оценивания.




 

Всероссийский образовательный центр «Сириус» привлекает к участию в своих образовательных программах как школьников, обладающих высокими познаниями по предметам школьной программы; школьников, показавших высокие достижения в спорте и в художественном творчестве, — так и школьников с высокими способностями к техническому творчеству, инженерной, изобретательской деятельности.

Для выявления таких школьников по месту обучения, продуктивно организовывать решение инженерно-творческих заданий открытого типа, требующих от ученика разработать и представить решение для специально описанной проблемной ситуации, связанной или с научно-техническими изысканиями, или с решением конкретной задачи в области хозяйства и инфраструктуры.

Чтобы выявить и отобрать одарённых школьников, обладающих высокими способностями к инженерно-технической деятельности, в Ханты-Мансийском автономном округе (Югре), был составлен примерный сборник открытых инженерных задач. Основные виды инженерных образовательных задач открытого типа

1. Инженерно-теоретические парадоксальные задачи

Задачи этого типа предполагают порождение детьми базовой идеи будущего изобретения, или даже просто выявление ими объективной возможности будущего изобретения, незаметной с точки зрения житейского опыта и расхожих взглядов на технику.

Именно задачи этого типа в наибольшей степени опираются на противоречие, заложенное в их формулировке и содержании. Это связано с принципиальной необходимостью вывести школьников за пределы привычного ограниченного круга представлений, показать им, что, во-первых, мир устроен сложнее, чем они думают; во-вторых, знания о мире не исчерпываются содержанием ни одного, даже самого хорошего учебника; в-третьих, возможность или невозможность какого-либо устройства является относительной характеристикой, поскольку, комбинация знаний о законах природы или углубление этих знаний позволяют сделать возможным то, что на предыдущем шаге считалось принципиально невозможным.

Открытые задачи этого вида в основном строятся по следующей схеме: «Придумать (описать) объект с заданными свойствами А, Б, В, и т.д., в котором заведомо реализуются функции либо существуют явления типа анти-А, анти-Б, анти-В, и т.д.». Подобная конструкция задания сама по себе интригует или «берёт на слабо», побуждает к поиску, внушает представление о том, что наши знания о мире и его свойствах могут быть не полны и что при определённых условиях невозможное может оказаться возможным.

Изначально в задачах такого типа в качестве объекта, который предлагается придумать и описать, использовался «мир» как целостная природно-человеческая, «естественная» система и пространство для жизнедеятельности. Однако в рамках отбора инженерно-одарённых детей объектом стоит делать какое-либо не существующее, но очень нужное техническое устройство или технологическую систему.

 

Пример:

Придумать механическое транспортное средство, работающее «на подножном корму», то есть способное использовать разные ресурсы внешней среды в качестве источника энергии.

В чём противоречие:

Способность питаться подножным кормом — традиционная характеристика живого «тягла» (например, лошадей, мулов, верблюдов).

Механическое транспортное средство либо использует запас энергии, который необходимо возить с собой и регулярно пополнять, либо существенно зависит от обстоятельств среды (как парусник или автомобиль на солнечных батареях).

Возможные ходы на решение:

— Использование биореактора или иного устройства, перерабатывающего любую органику в топливо.

— Использование устройств, позволяющих без внешнего вмешательства находить и захватывать ресурсы (включая элементы искусственного интеллекта).

Способности, которые могут быть проявлены:

— Системное мышление, в том числе способность соотносить принципиальные схемы органических и механических систем.

— Понимание процессов, связанных с получением энергии на основе превращений вещества (как в желудке животного, так и в моторе автомобиля).

— Понимание главной полезной функции устройства внутри объемлющей системы (источника движущей силы в общей схеме транспортного средства).

 

2. Инженерно-практические проблемные задачи

Задачи данного типа предполагают разработку школьниками конкретного устройства, необходимого в той производственной или инфраструктурной ситуации, которая описывается в условиях. В идеальном варианте, школьники должны создать действующую модель этого устройства — материальную либо цифровую, позволяющую понять, как устройство будет работать при различных условиях и задачах. Но поскольку это требует дополнительного тренерско-педагогического сопровождения и достаточно сложного оборудования, достаточным будет являться подробное описание работы устройства, математические расчёты его работы, основные чертежи, дающие базовое представление о конструктивной схеме.

Поскольку, здесь предметом деятельности школьников являются не порождение идеи и не предпроектные изыскания, а разработка конкретного устройства, заведомо выполняющего строго определённый набор полезных функций, на заданном уровне качества, то противоречие, вокруг которого строятся задания, не должно носить, в отличие от предыдущего случая, абсолютный характер. Достаточно будет обозначить школьникам:

— либо острую потребность в той или иной разработке, при её отсутствии в полноценном виде;

— либо необходимость снять некое техническое ограничение, кажущееся неизбежным следствием какого-либо закона природы;

— либо критическую необходимость снизить издержки при реализации какой-либо технологии.

Такие задачи обычно строятся по следующим моделям:

— разработать устройство, которое решало бы задачу Х лучше (быстрее, дешевле, качественнее), чем это делают существующие устройства и технологические комплексы;

— разработать устройство, позволяющее решать задачу Y, которая ранее считалась нерешаемой;

— оптимизировать устройство Z по параметрам, приведённым в условиях задачи;

— оптимизировать устройство A для работы в условиях, в которых это устройство ранее не могло работать.

Пример:

Придумать принцип работы вычислительной системы, основанной не на электричестве, а, например, на воздухе или воде.

В чём противоречие:

Существующие решения, лежащие «в недрах» вычислительных систем, основаны на том, что логические элементы используют электрический ток для выполнения операций, совокупность которых определяет возможности устройства.

В действительности же структура логического элемента не зависит от того, какая физическая сила заставляет его работать, например, переключаться или выдавать выходной сигнал на основе входных.

Возможные ходы на решение:

— При анализе работы любого логического элемента можно заметить, что для его работы необходим ток, движение некоторой субстанции, неважно, электрическое, механическое или какое-либо другое (если это можно вообразить). Следовательно, ту же роль, которую играет электрический ток в современной технике, может выполнять ток воды или газа, например. Примечание: на первых советских автоматически управляемых ракетах использовались именно «воздушные процессоры»: ламповая электроника того времени не выдерживала вибраций и перегрузок, а поток воздуха в полёте ракеты заведомо гарантирован.

— Любая сколь угодно сложная вычислительная система представляет собой совокупность определённым образом соединённых между собой логических элементов, выходные сигналы одних из которых являются входными для других.

Способности, которые могут быть проявлены:

— Способность интересоваться глубинными основами и базовой структурой процесса. Школьник, для которого процессор или даже цифровое устройство в целом — «магическая коробочка», скорее всего, пройдёт мимо этой задачи.

— Способность к системной композиции, сборке системы со сложными функциями на основе простых элементов.

— Способность рассмотрения технических систем в их генезисе, как результат серии последовательных инженерных решений.

 

3. Инженерно-социальные разработнические задачи

Задачи данного типа по своему построению и логике похожи на инженерно-практические проблемные. Детям предлагается разработать решение «под ключ», потенциально готовое к внедрению, при этом, позволяющее снять проблемную ситуацию и добиться необходимого результата в таких условиях, в которых раньше этот результат считался недостижимым. Но, в отличие от предыдущего, требуется разработать не устройство или технологию, а управленческий проект по внедрению устройства и технологии, или, в некоторых случаях, по организации работы инженерного коллектива над такой разработкой, которая обычно производится единолично. Соответственно, результатом должно стать описание необходимой последовательности действий, в результате которых изобретение будет внедрено и начнёт приносить пользу, или инженерный коллектив сможет быстро и качественно решить поставленную задачу, даже в недостаточно благоприятных условиях. Описание последовательности действий необходимо дополнить обоснованием, доказывающим, почему именно предлагаемые действия в предложенной последовательности приведут к успеху.

Инженерно-социальные разработнические задачи похожи на кейсы, широко используемые в бизнес-тренингах и школах управления:

— описывается проблемная управленческая ситуация, с чётким обозначением того, в чём состоит рассогласование между существующим положением дел и нужным положением дел;

— обозначается цель: как должна измениться ситуация, к какому состоянию прийти;

— описываются все условия, значимые для изменения ситуации: как благоприятные, так и неблагоприятные;

— далее нужно придумать последовательность управленческих действий, которые действительно можно проделать в описанных условиях, и которые не потребуют привлечения дополнительных — не предусмотренных условиями — ресурсов.

В нашем случае, проблемный характер ситуации связан, прежде всего, с разрывом между объективной необходимостью внедрения некоего устройства или технологии — и возможностями этого внедрения. Недостаток возможностей может быть связан как с нехваткой финансовых средств и низкой квалификацией персонала, так и с общественным мнением, возможными социальными рисками, которые создаст новая технология.

В целом, задания этого вида строятся по следующей схеме: «Имеется устройство/технологическая система А, которая, будучи внедрена в ситуации В, приведёт к положительным изменениям В+. Однако, внедрение устройства/технологической системы А с большой вероятностью повлечёт за собой побочные негативные последствия А-. Кроме того, характеристики ситуации В включают в себя негативные факторы В-, которые либо делают внедрение нововведений А рискованным, либо сводят на нет позитивные результаты этого внедрения. Опишите систему действий, которая минимизирует негативные последствия А- и негативные параметры ситуации В-, позволит внедрить разработки и получить от этого запланированные положительные результаты».

 

 

Пример:

Разработать программу одомашнивания и массового хозяйственного внедрения таких диких животных, как: лось, бурый медведь, антилопа гну, жираф, пингвин, гиппопотам, глухарь, какое-либо китообразное, морской котик, гиена.

Предлагается выбрать какое-либо одно животное, но не возбраняется сделать разработки и по большему количеству; при этом, стоит сразу указать школьникам, что на оценку их работ будет в любом влиять качество каждой из них в отдельности, а за энтузиазм будет дано лишь незначительное поощрение. Педагоги могут, по своему усмотрению, добавить в этот список дополнительные виды дикой фауны; рекомендуется, однако, отбирать те виды, которые, во-первых, ещё точно не разводятся на фермах в массовом порядке, как, например, африканские страусы или благородные олени; во-вторых, про которых хотя бы у самих педагогов есть гипотеза о возможной обеспечиваемой ими хозяйственной пользе; в-третьих, не являются предками существующих домашних животных, как волк, кабан, безоаровый козёл, лошадь Пржевальского, гуанако, и др.

Противоречие

По большому счёту, школьникам его ещё нужно найти, рассуждая по следующей логике: «Все перечисленные животные заведомо воспринимаются нами, как дикие, преимущественно, как объект охоты, а то и вовсе как бесполезное для человека существо. Следовательно, либо у них были качества, полезные для человека, которые было бы важно обеспечивать не только за счёт охоты, но что-то помешало их одомашниванию; либо эти качества не очевидны и нуждаются в проявлении и усилении». Школьники сами выделяют сущностное противоречие, которое и создаёт противоречие формально-управленческое, общее для всех задач этого вида: «Некие ресурсы, скрытые и явные, имеются, но по каким-то причинам совсем не используются».

Возможная логика рассуждения

1. Определить главные ресурсные качества выбранного животного, которые заведомо превосходят аналогичные качества у уже имеющихся домашних животных, или не имеют аналогов. В том числе, определить скрытые или недостаточно развитые качества, которые могут быть проявлены или усилены за счёт селекции или определённого способа хозяйственного использования. Важно исходить из полного спектра способов использования животных в хозяйстве (пищевые продукты, материалы для жизнеобеспечения, тягловая сила, уникальная помощь), а также пробовать найти какие-либо дополнительные, ранее не существовавшие способы использования.

2. Определить причины, по которым данное животное не стало домашним (в том числе, проанализировать попытки его одомашнивания, если таковые были, как, например, в случае лосей, глухарей, зебр и, не поверите, гиен!). Оценить весомость этих причин, их структурное происхождение; исходя из этого — наметить, как минимизировать их значимость.

3. Определить план работ по одомашниванию.

4. Определить план работ по хозяйственному внедрению, соотносящийся по структуре и базовым процессам с планом по одомашниванию.

5. Определить, необходима ли работа с общественным мнением для успешного внедрения нового вида домашних животных, и если необходима — выявить основные элементы общественного мнения, противостоящие такому внедрению, выделить способы эффективного воздействия на них, сконструировать последовательность применения данных способов.

Качества школьников, выявляемые в ходе решения такой задачи

— способность выделить в той системе, с которой работают школьники, основные ресурсные моменты, а также методы их максимального усиления и пути использования;

— способность выделить основные объективные свойства системы, способствующие или препятствующие использованию её ресурсов (в нашем случае — особенности поведения того или иного вида диких животных, а также объективное отношение людей к этим животным); способность к разработке решений, которые бы максимально усиливали благоприятствующие свойства и минимизировали неблагоприятные, не приводя при этом к разрушению системы;

— способность моделировать сложные цепочки социально-экономических связей, учитывающие возможность не только вывода на рынок новых продуктов, но и формирование спроса на них за счёт работы с общественным мнением;

— способность анализировать сложные социально-экономические и природные системы, выстраивать эффективные естественно-искусственные решения для конкретных задач, управлять разными типами инженерно-хозяйственных целостностей, в том числе, сочетающих в себе механические и живые системы.

Кейсы открытых проектных заданий (инженерных задач) на очном этапе Конкурса будут предложены по следующим направлениям:

- освоение Арктики и мирового океана;

- персонализированная и прогностическая медицина;

- современная энергетика;

- умный город и безопасность;

- большие данные, машинное обучение и финансовые технологии;

- космические технологии;

- агропромышленные и биотехнологий;

- беспилотный транспорт и логистические системы.

Примерные кейсы по направлениям:

Кейс 1.

В Мировом океане образуются огромные острова из мусора, большей частью пластиковые отходы.

Это несёт серьёзную угрозу для судоходства, экологии.

Разработать устройства по сбору и первичной утилизации подобного мусора.

Требования: автономность энергетическая, транспортная, производственная.

Кейс 2.

Необходимо создать аппарат для проведения археологических подводных раскопок.

Требования: глубина погружения – до 200 метров, возможность отсасывания илистых отложений, перемещение донных элементов размером до 1 м., обеспечение приспособлениями подъёма находок без всплытия аппарата, управление через видеоканал.

Кейс 3.

Единственный материал, которого в Арктике в избытке (пока) – это ЛЁД. Известно, что некоторые северные народы строили своё жильё из этого материала. Придумайте устройство, которое возводит постройки для полярников из Льда.

Требования: размеры постройки 5 на 6 метров и высотой 2 метра, работает на атомной энергии, самоходная.

Кейс 4

По статистическим данным Минздрава России, каждый год от инсульта страдает около полумиллиона человек. Из них полностью восстанавливаются только 13-15%, остальная часть пациентов либо умирает, либо становятся инвалидами.

Большое значение для таких больных после лечения имеют реабилитационные мероприятия.

Необходимо разработать проект индивидуального устройства с комплектом компьютерных программ для реабилитации больных с поражением двигательной способности рук.

Требования: упражнения охватывают кисти рук, локоть и плечевой сустав.

 

 

Кейс 5

С каждым годом людей, страдающих Сахарным диабетом становится всё больше. Количество человек, страдающих от диабета в России, составляет почти 11 миллионов. При этой болезни очень важна ранняя диагностика, которая заключается в измерении содержания сахара в крови. Необходимо создать аппарат, который может массово делать подобное исследование без прокалывания пальца.

Требования: Продолжительность получения результата – не более 1 мин., пропускная способность – 1000 человек в день, обслуживается один раз в месяц.

Кейс 6

Создать алгоритм измерения угла обзора человека на основе технологий виртуальной реальности и спроектировать вспомогательное оборудование.

Требования: Подключение через стандартные порты компьютера, конфигурация компьютера: процессор - AMD Athlon X4 860K, видеокарта - AMD Radeon RX 480.

Кейс 7

Развитие Блок-чейн технологий кардинальным образом может поменять подходы в управлении организациями и даже отраслями. ДАО – одно из направлений, которое сейчас начинают обсуждать.

Сконструируйте вариант устройства системы Дополнительного образования, функционирующей на данной технологии.

Требование: нет.

Кейс 9

Придумайте алгоритм и напишите программу по переводу с языка глухонемых на русский (и обратно)/ Перевод русский -> ГН с текста и со звука, а ГН -> русский с видео.

Требования: в режиме реального времени.

Кейс 9

Смысловой анализ интернет данных по трём критериям: «позитив», «негатив», «нейтральный». Для исследования настроений в обществе. Задаётся объект, мерприятие и относительно его ведётся подсчёт позитивных, негативных и нейтральных высказываний на основе анализа текстов.

Требования: Смена объекта, задание графика обследования, представление в графическом и табличном виде, сохранение результатов.

Кейс 10

В наших поселенияхсуществуетпроблема, связанная с централизованным снабжением электроэнергией. Сети имеют значительный износ. В некоторых мелких поселениях отсутствует подводка сетей из-за труднодоступности. Необходимо спроектировать автономную систему энергоснабжения на альтернативных принципах для частного дома.

Требования: Экологичность, мощность около 20 Квт, Средняя полоса

 

 

Кейс 11.

Необходимо разработать программно-аппаратный комплекс «Умный светофор» для регулировки движения на перекрёстке.

Требования: должен учитывать заполненность перекрёстка транспортными средствами (ТС), скорость передвижения ТС, наличие пешеходов на проезжей части(запоздавших), геометрию перекрёстка, отслеживание спецтранспорта.

Кейс 12.

В разных городах мира по разному добиваются соблюдения правил перехода пешеходами улиц. Предложите свой новый вариант, как это сделать. Как добиться соблюдения этих правил?

Требования: пригодность для всех категорий граждан, безопасность. Отсутствие в интернете.

Кейс 13.

Трудности с транспортом в больших городах не новость. Сейчас ведутся разработки летательных аппаратов, которые увеличат размерность пространства передвижения. Но будет ли он более безопасен? Как управлять потоками таких транспортных средств и такой плотности? Создайте алгоритм диспетчеризации в городе такого транспорта и принципы размещения специализированных площадок.

Требования: автоматический режим, площадь города вытянута 10 км на 50 км. вдоль реки.

Кейс 14

В таблице содержатся данные о продаже прохладительных напитков в течение нескольких летних месяцев. Расшифровка столбцов:

 

Date: календарная дата

Location: место продажи (пляж или парк)

Lemon_sales: число продаж напитка Lemon

Orange_sales: число продаж напитка Orange

Sales: суммарное число продаж всех напитков

Temperature: температура воздуха

Leaflets: количество распространенных рекламных буклетов

Price: цена

Revenue: выручка

 

1. Создайте линейный график Date и Revenue. Добавьте к графику линию тренда, чтобы посмотреть, есть ли тенденция к изменению выручки.

2. Создайте график типа scatter-plot c Leaflets на оси X, и Sales на оси Y, чтобы определить, есть ли какие-то признаки корреляции между рекламой и продажами. Примените анализ корреляции, чтобы увидеть, есть ли связь между температурой, к-вом буклетов, ценой – и объемом продаж; что из перечисленного сильнее, а что слабее связано с продажами?

3. Проведите тесты, чтобы определить, есть ли статистически значимая разница между объемами продаж разных напитков.

4. Выполните регрессионный анализ, с параметрами: Sales - Y, Temperature, Leaflets, Price – X. Какие из этих переменных лучше предсказывают продажи?

5. Используя коэффициенты уравнения регрессии, вычислите значение Y при следующих значениях переменных:

Temperature: 80

Leaflets: 110

Price: 0.35

Рассчитайте предсказание объема продаж для этого сценария, если число распространяемых буклетов увеличить до 120.

Date Location Lemon_ sales Orange_ sales Sales Leaflets Temperature Price Revenue  
07.01.2016 Park           0,25    
07.02.2016 Park           0,25 41,25  
07.03.2016 Park           0,25 46,75  
07.04.2016 Beach           0,25 58,25  
07.05.2016 Beach           0,25 69,25  
07.06.2016 Beach           0,25    
07.07.2016 Beach           0,25    
07.08.2016 Beach           0,25 52,25  
07.09.2016 Beach           0,25 57,25  
07.10.2016 Beach           0,25 59,5  
07.11.2016 Beach           0,25 70,5  
07.12.2016 Beach           0,25 56,25  
07/13/2016 Beach           0,25    
07/14/2016 Beach           0,25 51,75  
07/15/2016 Beach           0,5    
07/16/2016 Beach           0,5 65,5  
07/17/2016 Beach           0,5 95,5  
07/18/2016 Park           0,5 111,5  
07/19/2016 Park           0,5 103,5  
07/20/2016 Park           0,5 56,5  
07/21/2016 Park           0,5 66,5  
07/22/2016 Park           0,5 93,5  
07/23/2016 Park           0,5    
07/24/2016 Park           0,5 101,5  
07/25/2016 Park           0,5 134,5  
07/26/2016 Park           0,35 106,75  
07/27/2016 Park           0,35 60,2  
07/28/2016 Park           0,35 55,65            
07/29/2016 Park           0,35 58,1            
07/30/2016 Beach           0,35 50,75            
07/31/2016 Beach           0,35 43,05            
                             
                             

 

  Sales Temperature Leaflets  
Sales        
Temperature 0,46661642      
Leaflets 0,8467853 0,29083482    
         
         

Критерии оценивания.

Задача открытого типа не может оцениваться непосредственно по соответствию правильному решению или алгоритму получения правильного решения, как в большинстве стандартных задач по точным, естественным и инженерным дисциплинам.

Среди параметров оценки можно выделить условия, выполнение которых необходимо. Невыполнение этих условий означает, что задача заведомо не решена, либо произошла подмена задачи. Как правило, подмена задачи — упрощение условия (или опускание части условия), приводящее к потере исходного противоречия.

Что точно должно быть:

— Серия тезисов, описывающих решение или последовательность шагов, неизбежно приводящих к решению (в случае инженерной разработки или управленческого решения, которые не могут быть реализованы непосредственно силами школьников).

— Логически выстроенная аргументация, показывающая, каким образом предложенные тезисы решают поставленную задачу.

— Список основных понятий, используемых при решении задачи, с отсылками к общепризнанным определениям (энциклопедиям, учебникам, справочникам) либо с пояснением собственного понимания этих понятий.

Чего точно не должно быть:

— Аргументации по типу «Deus ex machina» («Бог из машины»), апелляции к некоторой силе, внешней по отношению к условиям задачи. Типичные варианты такой аргументации у современных школьников, как правило, строятся по принципу: «Когда-нибудь учёные придумают…».

— Апелляции к изобретениям, описанным в фантастической литературе и кинематографе, без объяснения того, за счёт чего они могут быть реализованы на уровне современной науки и техники. Типичные примеры для современных подростков — робот, фактически являющийся сверхчеловеком («Терминатор»), полностью виртуальная среда («Матрица»), нуль-транспортировка.

— «Нулевых» решений, отменяющих само существование задачи. Например, решения в сфере транспорта не нужны, если никто никуда не перемещается. Решения в сфере медицины не нужны, если люди каким-то чудесным образом не болеют или стали киборгами, которым нужен ремонт, а не лечение. Инфраструктура северных городов не нуждается в совершенствовании, если север осваивается вахтовым методом, а стационарные поселения сворачиваются. И так далее.

Выполнение этих условий может быть оценено из общих логических соображений и не требует экспертного уровня владения предметным материалом. Хотя общее знакомство того, кто оценивает выполнение заданий, с материалом — на уровне основных понятий и существующего уровня достижений, представленных на тематических информационных порталах, желательно.

Отметим ещё, как при оценке могут быть использованы наводящие соображения, представленные в комментариях к задачам. Как уже указано, для школьника они могут являться источником продуктивных аналогий и приёмов рассуждения. Педагог так же может быть использовать их как образец схем и приёмов рассуждения при работе с данным предметным материалом, что позволит более точно оценить логику решения.

Самостоятельная разработка инженерных задач открытого типа требует:

— Общего знакомства с конкретным типом задач, существующими разработками, приоритетными направлениями развития соответствующей сферы, актуальными проблемами, обсуждаемыми в профессиональном сообществе.

— Общего понимания структуры открытой задачи, знакомства, как минимум, с одной из образовательных технологий, основанных на работе с открытыми задачами. Желателен также опыт личного участия разработчика в реализации одной из таких технологий.

 

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-05-16 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: