Концепция Smart City

В последние годы существенно возросло внимание к проблеме непрерывного инженерно-технического и естественно-научного обучения. Заказ общества и экономики цифрового мира на грамотность и приоритетные зоны развития школьников обусловлен интенсивным развитием робототехники, биотехнологий, нанотехнологий и других современных технологий, которые постепенно входят в нашу повседневную жизнь.

Листайте вправо, чтобы увидеть больше изображений

Сегодня обучение школьника проходит в условиях:
– новых стандартов начального и основного общего образования;
– новых видов образовательных результатов (функциональная естественно-научная грамотность, технологическая грамотность);
– повышенного внимания к международным сравнительным исследованиям в области естественно-научной подготовки школьников (международные программы образовательных достижений учащихся PISA, TIMMS);
– новых практик интеграции естественно-научных знаний и технологий (STEM-подход, конвергентный подход, всемирная инициатива CDIO).

Все это определяет направления профориентации и профессионального самоопределения обучающихся, их переход к профессиональному образованию и овладению профессиональными компетенциями и технологиями будущего.

Современная модель образования – это гибкое персонализированное обучение на протяжении всей жизни. Такая модель требует новых методов организации образовательного процесса с целью формирования навыков будущего у обучающихся.

Экосистемный подход Smart City в образовании позволяет обучающимся решать реальные (прикладные) проблемы, применяя арсенал имеющихся технологий, интегрируя их в содержание собственного образования и меняя личное отношение к пространству умной жизни.

Концепция Smart City включает в себя следующие модули:
«Умная (Smart) среда»;
«Умная (Smart) жизнь»;
«Умные (Smart) коммуникации»;
«Умные (Smart) образовательные решения».

На протяжении 2020‑2021 учебного года исследовательской группой Московского городского педагогического университета и школой №1502 была разработана экспериментальная модель непрерывности инженерно-технического и естественно-научного обучения.

При ее разработке мы использовали ориентиры на ресурсные возможности человека в создании умной среды, обеспечивающей высокий уровень качества жизни.

При разработке содержания модулей для нас важным было выделить сквозные темы (области знаний), которые охватывают все аспекты модели. Сквозные темы показывают взаимопроникновение и развитие компетенций с нарастающим эффектом. В качестве рабочего понятия для усиления эффекта непрерывности нами было выделено понятие «мегатема».

В экспериментальной модели мы отрабатывали каждую мегатему в рамках каждого из четырех модулей концепции.

Умная жизнь

Умная жизнь отражает экосистемность таких сфер жизни, как «природа – экология – естествознание», «безопасность в реальной жизни – цифровая безопасность – кибербезопасность».

В данный модуль вошли следующие мегатемы: «Здоровье», «Безопасность», «Космос», «Мир природы», «Экология», «Мир естествознания», «Искусство». В соответствии с данными мегатемами для каждого возрастного этапа педагогами создаются программы, отражающие содержание умной жизни.

Так, на этапе дошкольного возраста по мегатеме «Безопасность» стоит задача в доступной форме формировать у детей осознанное и ответственное отношение к выполнению правил безопасного поведения в быту, социуме и на природе, вооружить знаниями, умениями и навыками, необходимыми для действий в экстремальных ситуациях.

С этой целью в ходе работы с дошкольниками воспитатели ставят перед ними проблемно-поисковые вопросы, которые заставляют задуматься о том, зачем соблюдать безопасность и как она влияет на нашу жизнь. Как сделать так, чтобы жизнь ребят в детском саду и в городе стала безопасной, а следовательно, какие умные правила и умная техника нам помогают?

Приведем пример: педагогами проведена Steam-игра «В гости к йохосветофору», целью которой являлось развитие умений вступать в коммуникацию со сверстниками, решение образовательной задачи по ПДД, а также формирование умений самостоятельно выбирать алгоритм деятельности в соответствии с проблемной ситуацией и создавать техническое решение, интегрируя различные технологии. В качестве Smart-технологии были выбраны технология «Йохокуб» и конструктор «Знаток».
Дошкольники исследовали принцип сборки простых моделей по схеме и самостоятельному замыслу, принцип работы светофора.
Изучая технику безопасности при работе с электричеством и с помощью электронного конструктора «Знаток», узнали принцип деятельности простой электрической цепи. У дошкольников формируются первичные инженерно-конструкторские и проектно-технологические компетенции, создающие базу для последующего развития ключевых навыков.

Одновременно с этим, используя технологию «Проблемные ситуации», ребята познают правила дорожного движения и учатся принимать правильные решения. В ходе деятельности дети формулируют правила умной безопасной среды на дороге, в инженерно-техническом и естественно-научном образовании.

Данная тема продолжается и в начальной школе. В младшем школьном возрасте дети реализуют проект «Безопасная дорога в школу». Ребята исследуют опасные места по дороге в школу и домой. С помощью ресурса мультстудии создают обучающий ролик «Будь осторожен по дороге в школу» и совместно с семиклассниками – приложение, которое позволяет фиксировать количество допущенных по дороге домой нарушений ПДД. Мегатема «Безопасность» имеет продолжение в 5‑9‑х и 10‑11‑х классах в темах «Цифровая безопасность» и «Кибербезопасность».

Умная среда

Умная среда отражает инфраструктуру нашей жизни – от игрового пространства детства до умного производства и цифровых двойников. Особенностью Smart-среды является возможность решать жизненные задачи мобильно и с большей эффективностью. Создание умных сред в умном городе позволяет обеспечить качество жизни.

В нашей концепции содержание умной среды представлено связанными между собой мегатемами. В дошкольном возрасте это «Умный детский сад», «Умные игрушки», «Я в городе», «Мои умные вещи», «Умный транспорт», «Умные правила дорожного движения». В младшем школьном возрасте: «Умная кухня», «Мир роботов», «Умная техника в школе и дома», «Умная техника, помогающая городу».

В дошкольном и младшем школьном возрасте ребята создают прототипы технических решений в ходе проектной и исследовательской деятельности. Дети исследуют закономерности явлений, соотносят их с базовыми решениями с помощью цифровых, робототехнических сред и сред программирования. Это позволяет восполнить недостающий элемент в Smart-среде собственными находками.

В период 5‑9‑х классов реализация технических решений в модуле «Smart-среда» происходит через темы «Умное производство», «Умные профессии», «Умные инфраструктуры (музей)», «Транспортные системы в умном городе». Так, в 5‑6‑х классах учащиеся приобретают базовые навыки трехмерного моделирования с возможностью вывода на печать простейших эскизов и чертежей проекта.

Учащиеся знакомятся с доступными материалами: фанера, древесина, пластик, пластилин, глина, картон, бумага, с их свойствами и возможностью обработки с помощью ручного и электрифицированного инструмента. У школьников развиваются технологические и инженерные компетенции путем реализации полного цикла производства типового изделия – от идеи и разработки трехмерной цифровой модели до реализации готового продукта.

В 10‑11‑х классах в рамках деятельности многофункциональных инженерных лабораторий создаются проекты, позволяющие интегрировать технологии умного города, создавать прототипы цифровых двойников и изучать влияние искусственного интеллекта на умные среды в городском пространстве.

Умные образовательные решения

Умные образовательные решения представлены совокупностью технологий, применяемых в процессе инженерно-технического и естественно-научного образования.

Умные технологии позволяют автоматизировать различные процессы в контексте решения образовательных задач в школе. С помощью цифровых лабораторий дошкольники исследуют физические явления, скрытые от внешнего восприятия. У детей происходят формирование естественно-научной картины мира, развитие навыков экспериментирования, возрастает интерес к естественно-научным дисциплинам.

Работа в мультстудиях позволяет формировать творческое мышление, подкрепляя его навыками видеомонтажа и создания мультимедийного цифрового продукта. «Мультипликационная лаборатория» – это многофункциональный конструктор, который позволяет реализовывать широкий спектр возможностей по созданию различных композиционных пространств.

К Steam-технологиям, применяемым на уровне дошкольного и начального общего образования, мы также отнесли картонный конструктор «Йохокуб» и программно-игровой комплекс LigroGame.

Картонный конструктор «Йохокуб» способствует развитию умений проектировать умные игрушки на основе технических алгоритмов конструирования. Данный конструктор легко интегрируется с другими техническими решениями, например с электронным конструктором «Знаток», «Сиреневой мультстудией», деревянным конструктором «Геккон» и другими. Благодаря инженерному ресурсу конструктора у ребят формируются алгоритмические навыки, навыки комбинаторики, которые позволяют на следующих ступенях образования осваивать языки программирования.

Программно-игровой комплекс LigroGame реализует в элементарном виде технологии современного инженерного проектирования. Данное решение имеет цель в процессе познавательной и конструктивно-моделирующей деятельности сформировать у детей элементарные навыки моделирования 2D- и 3D-объектов в электронной среде LigroGame, где полученные компьютерные модели могут быть реализованы посредством 3D-печати или в формате 3D-объектов AR/VR.

В процессе реализации мегатем из модулей «Smart-жизнь» и «Smart-среда» у ребят происходит формирование системных представлений об объектах живой и неживой природы, формируются навыки компьютерного моделирования объектов с опорой на морфологическую матрицу проекта.

Технологии программирования и применение робототехнических лабораторий на разных уровнях образования позволяют стимулировать главное качество в развитии инженерного мышления – изобретательность. Данные технологии в разработанной экспериментальной модели являются сквозными и применяются при реализации разных мегатем.

К примеру, система «умный офис» – это совокупность всех возможных средств автоматизации и управления, которые могут работать в сочетании с различным оборудованием в офисных помещениях или на производственных объектах. В промышленности автоматизация используется одновременно с робототехникой и аддитивными системами, а также при применении специального программного обеспечения, лазеров и всевозможных мультифункциональных машин, управляемых зачастую искусственным интеллектом. Внедрение в инженерно-техническое и естественно-научное образование в школе данных технологий визуализации, нейротехнологий позволяет максимально увеличить инженерно-технические компетенции школьников.

Освоение языков программирования (JavaScript, Java, Python, C++) позволяет создавать IT-решения под умную среду города. Smart-системы позволяют школьникам автоматизировать инфраструктурные решения и создавать единую систему обмена данными между различными объектами в режиме реального времени.

Виртуальная и дополненная реальность качественно меняет процесс приобретения знаний – от стандартного теоретического изучения к проживанию явления, глубинному пониманию абстрактных процессов и объектов, воспроизведению ситуационного сюжета.

Умные коммуникации

Умные коммуникации направлены на развитие коммуникативных компетенций обучающихся и представлены компонентами «Язык общения», «Командная работа», «Овладение языком программирования», «Визуальные коммуникации».

«Язык общения» – это коммуникативная система, характеризующаяся умением эмоционально регулировать процесс взаимодействия и обладать совокупностью интерактивных средств при совместном решении образовательных задач.

Сквозной формой организации деятельности обучающихся является командная работа. Работа в команде – это согласованная, осознанная деятельность участников сплоченной группы, направленная на достижение общей цели. Лидерство и работа с людьми являются одними из навыков будущего.

К умным коммуникациям мы отнесли и язык программирования. Процесс развития технологий привел к тому, что помимо реального языка общения между людьми появился язык программирования, который приравнивается к навыку чтения.

В дошкольном возрасте началом освоения программирования является алгоритмическое мышление, позволяющее усвоить системы взаимосвязи объектов между собой. Данные системы помогают ребенку выстроить композиции, декомпозиции, учиться составлять коды, что является базой для овладения уже в начальной школе программами Scratch, ЛогоМиры, а далее и более сложными языками программирования.

Визуальные коммуникации являются в нашей модели средством развития визуального мышления. Визуализировать – это значит уметь работать со смыслами, доносить до слушателя информацию в сжатом, графическом, виде, используя инструменты цифрового творчества и проектирования. Овладение данной компетенцией является залогом успеха в любой деятельности.

Для 7‑9‑х классов и старшей школы набор программ и методических разработок зависит от выбранного вектора развития, реализуемых профилей, а потому уникален для каждой образовательной организации. Для этих ступеней нами предложены общие системные решения.

Разработанные нами концепция и базовая модель Smart City в непрерывном инженерно-техническом и естественно-научном образовании позволяют обеспечить непрерывность развития комплекса необходимых компетенций у обучающихся.

Вся система умного образования в первую очередь ориентируется на развитие у обучающихся способностей, обеспечивающих им личностный рост и навыки выстраивания стратегии развития в будущем. С одной стороны, все элементы в разной степени отражают процесс развития компетенций обучающихся, формирующих у них целостное отношение к миру и понимание взаимообусловленности элементов данного мира. С другой стороны, данная модель показывает новый подход к образовательным технологиям, которые интегративно связаны с жизнью в умном городе и развитием высокотехнологичных средств, обеспечивающих качество жизни в нем.

На основании экспериментальной модели авторским коллективом была разработана концепция преемственности инженерно-технического и естественно-научного образования, включающая модель организации работы общеобразовательной школы по созданию системы технических и естественно-научных знаний на каждом уровне образования.

Для каждого уровня образования создана матрица компетенций, формируемых в непрерывном инженерно-техническом и естественно-научном образовании.

Разработанный инструментарий непрерывного инженерно-технического и естественно-научного образования был успешно апробирован в рамках «Летней инженерной школы» – программы дополнительного образования, которая уже несколько лет успешно реализуется в июне школой №1502. Данный инструментарий включает в себя банк программ внеурочной деятельности, программ дополнительного образования инженерно-технической направленности для дошкольников и обучающихся 1‑7‑х классов и методических разработок, перечень оборудования и материалов, необходимых образовательной организации для эффективной работы по формированию у учащихся компетенций инженерно-технической и естественно-научной направленности.

В течение прошедшего учебного года для обсуждения положений разработанной концепции преемственности инженерно-технического и естественно-научного обучения была организована сессия коллективных онлайн-обсуждений, в которой приняли участие более 1700 человек.

Школа №1502 – активный участник проекта «Школа старшеклассников», широко транслирующий опыт не только работы профильных инженерных классов, но и организации предпрофильной подготовки на уровне основного общего образования.
Надеемся, что представленный опыт будет востребован в педагогической среде, поскольку способствует обеспечению модернизации содержания и внедрению современных образовательных технологий на всех уровнях образования, повышению профессиональных компетенций и творческого потенциала педагогического состава школы, а главное – росту мотивации обучающихся и, как следствие, результативности обучения.

Светлана ЛИТВИНОВА, директор Зеленоградского отделения-института делового администрирования МГПУ, кандидат педагогических наук, доцент;

Галина БЕЗРУКОВА, старший методист школы №1502 «Энергия», кандидат педагогических наук;

Денис БРИТОВ, заместитель директора школы №1502 «Энергия»;

Светлана КОЗЛОВА, старший методист школы №1502 «Энергия»;

Мария ПЕТРОВА, методист школы №1502 «Энергия», кандидат педагогических наук;

Владимир ЧУДОВ, директор школы №1502 «Энергия», кандидат технических наук, доктор педагогических наук