УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ АДМНИСТРАЦИИ ГОРОДАК КОГАЛЫМА

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 10» ГОРОДА КОГАЛЫМА

Дополнительная адаптированная общеобразовательная общеразвивающая программа

техническая направленность

базовый уровень

«ЮНЫЕ КИБЕРФИЗИКИ»

(1 год обучения)

Возраст учащихся: 10-12 лет

Срок реализации: Сентябрь 2025 года – май 2026 года

Автор-составитель:

Абдразакова Алиса Камсулловна,

педагог дополнительного образования

г. Когалым - 2025

Оглавление

1. Комплекс основных характеристик дополнительной общеобразовательной программы «Юные киберфизики».        3

2. Цель и задачи программы        5

3. Категория учащихся        6

4. Срок реализации программы        6

5. Формы организации образовательной деятельности и режим занятий        6

6. Планируемые результаты освоения программы        6

7. Комплекс организационно-педагогических условий реализации программы «Юные киберфизики»        8

7.1. Календарный учебный график.        8

7.1.1. Содержание учебного (тематического) плана        8

7.1.2. Учебный (тематический) план        9

8. Организационно-педагогические условия реализации программы        13

8.1. Материально-технические условия реализации программы        13

8.2. Учебно-методическое обеспечение Программы        14

1. Комплекс основных характеристик дополнительной общеобразовательной программы «Юные киберфизики». 

1.1. Пояснительная записка 

Программа представляет собой дополнительную общеобразовательную общеразвивающую программу технической направленности.

Программа является введением для учащихся в киберфизику и современную инженерию. Киберфизика — это новая область знаний и практики, направленная на создание и изучение новых подходов к управлению (с применением цифровых моделей и вычислительных систем) техническими объектами и системами. Киберфизическая система - система, способная решать сложные задачи управления в физической реальности. Это система с высоким уровнем автоматизации процессов, основанная на программно-электронном управлении и обладающая также высоким потенциалом модернизации и адаптации к разным условиям.

Киберфизические решения, беспилотная техника, автоматизированные производства, современная коммуникация, авиация и транспорт – все эти направления нуждаются в каналах связи. Как в любой технологии для достижения технологического суверенитета необходимо освоить разработку, производство и эксплуатацию – элементной базы, приборов целиком, их взаимодействия и программного обеспечения. В качестве базовой задачи в технологиях связи встает освоения принципов формирования сигнала, создания каналов связи, стойкости каналов к помехам и взлому, кибербезопасность, эффективность передачи данных.

Киберфизика – сложное многостороннее направление, включающее в себя науку и инженерию, в том числе и социальную, и требующая особого подхода к образованию. Интеллектуальные игра (математические, нарративные, логистические, абстрактные, исторические) позволяют в намного более простых системах, чем в киберфизике поработать над востребованными в киберфизике способностями, обнаружить и улучшать необходимые в будущем навыки. Первые шаги в тему киберфизики не могут обойтись без математики, исследования систем и взаимодействия с другими.  Элементы теории графов, теории вероятностей, теория игр в курсе призваны показать математическую гармонию и обширность практических приложений графов, алгоритмов, систем. Ученики смогут изучая теорию, играя и анализируя различные игры применять теорию игр, графов и вероятностей на практике. Они научатся выстраивать личные и командные стратегии, познакомятся с тактикой и стратегией, будут исследовать различные модели в рамках предложенных игр (простых и сложных). Нарративы о будущем в играх о практиках будущего и играх мира Берлоги помогут познакомиться с актуальными технологическими вызовами, научиться предвидеть последствия реализации технологий, изучать сценарное видение и формировать субъектную позицию относительно развития уклада жизни и образов будущего человечества.

Так же программа посвящена введению в работу с сигналами, принципам кодирования, написанию программ, работающих с шифрованием и защитой от шумов, а также введению в управление техническими системами в парадигме расширенных иерархических машин состояний (ПРИМС) с использованием графической среды программирования Кибериада IDE.

Программа интегрирована с различными проектами в области технологического образования: Национальной киберфизической платформой (НКФП), Национальной технологической олимпиадой (НТО). Программа является вводной для дальнейшей подготовки по инженерным профилям НТО, в том числе «Технологии беспроводной связи» (ТБС) и «Интеллектуальные энергетические системы» (ИЭС).

Программа ориентирована на развитие способностей справляться с олимпиадными задачами, работать в команде, решать задачи, возникающие в ходе анализа тактики и стратегии в настольных играх различного типа. Именно это способствует развитию навыков применения математических методов к решению прикладных задач, умению анализировать игровые ситуации системно и работать в команде.

В участниках кружка стимулируется желание расти в выбранной технологической сфере, чтобы соревноваться с лучшими командами со всей России, проходит рефлексия участия на различных этапах инженерных соревнований.

1.2. Программа разработана в соответствии со следующими нормативно-правовыми актами:

• Федеральный закон Российской Федерации от 29.12.2012 № 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации»;
• Указ Президента Российской Федерации от 09.05.2017 № 203 «О Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017 – 2030 годы»;
• Указ Президента Российской Федерации от 07.05.2024 № 309 «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года и на перспективу до 2036 года»;
• Указ Президента Российской Федерации от 2 июля 2021 г. № 400 «О стратегии национальной безопасности Российской Федерации»;
• Указ Президента Российской Федерации от 28.02.2024 № 145 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»;
• Указ Президента Российской Федерации от 07.05.2024 № 309 «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года» и на перспективу до 2036 года;
• Концепция развития системы дополнительного образования детей Ханты-Мансийского автономного округа – Югры до 2030 г., утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 31.03.2022 № 678-р;
• Постановление Правительства Российской Федерации от 18.04.2016
  № 317 «О реализации Национальной технологической инициативы»;
• Приказ Министерства просвещения Российской Федерации от 27.07.2022
  № 629 «Порядок организации и осуществления образовательной деятельности по дополнительным общеобразовательным программам»
• Приказ Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Министерства просвещения Российской Федерации от 30.07.2020 № 845/369 «Об утверждении Порядка зачета организацией, осуществляющей образовательную деятельность, результатов освоения обучающимися учебных предметов, курсов, дисциплин (модулей), практики, дополнительных образовательных программ в других организациях, осуществляющих образовательную деятельность»;
• Приказ Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Министерства просвещения Российской Федерации от 05.08.2020 № 882/391 «Об организации и осуществлении образовательной деятельности при сетевой форме реализации образовательных программ»

2. Цель и задачи программы

Цель – развитие интеллектуальных и когнитивных способностей, в том числе, внимательности, памяти, концентрации, умений анализировать данные и обнаруживать закономерности, а также развитие личных коммуникативных навыков и совместной работы в команде, введение в современную инженерию, повышение мотивации и уровня предметных знаний, подготовка к НТО, а также профориентация и профнавигация с обнаружением региональных вузов.

Задачи программы

Задачи, направленные на обучение:

• вводить школьников в киберфизику, развивать интерес к современному инженерному образованию;
• повышать уровень предметных знаний (в области математики, информатики и физики);
• формировать навыки работы с реальными физическими системами, за время программы знакомясь с разными приборами и программными средами;
• формировать базовую техническую и инженерную грамотность.
• готовить к НТО и формировать знания и умения необходимые для участия в НТО;
• вовлекать в онлайн- и очные мероприятия в рамках НКФП. 

Задачи, направленные на воспитание:

• создать ценность работы в команде и формировать ответственность перед командой;
• формировать ценность инженерной деятельности и инженерного образования;  
• пробуждать интерес к изучению современных технологий;
• пробуждать сознательное отношение к получению предметных знаний,
• побуждать мотивацию подготовки и профессиональной ориентации школьников для возможного продолжения учебы в вузах и последующей работы на предприятиях по специальностям в области современной инженерии.
• ценность участия в различных инженерных соревнованиях (в том числе НТО) и различных мероприятиях (в том числе в рамках НКФП).

Задачи, направленные на развитие личности:

• развивать инженерное мышление;
• развивать самостоятельный поиск и верификацию информации;
• формировать навыки работы в команде;
• дать возможность развивать и проявлять свои способности в олимпиадном движении;
• почувствовать себя в роли инженера, конструктора, разработчика ПО, и в ходе деятельности профессионально самоопределиться.

2.1. Описание умений

Развитие познавательных умений:

• работы с разными программными средами и разными физическими системами;
• исследования физических систем и управления ими;
• работать с программной реализацией алгоритмов решения математических задач; 

• к моделированию;
• работать с данными, вероятностными моделями, математическими функциями;

Развитие регулятивных умений:

• самостоятельно и дисциплинированно работать;
• анализировать результаты своей работы;
• проверять гипотезы;
• декомпозировать задачи;
• участвовать в инженерных соревнованиях.

Развитие коммуникативных умений, навыков:

• умения работать в команде;
• умения рационально распределять роли в ходе решения задач и закреплять зоны ответственности;

3. Категория учащихся

Адресатом программы являются обучающиеся общеобразовательных учреждений в возрасте 10 -1 2 лет.

4. Срок реализации программы

Продолжительность программы: 72 часа

5. Формы организации образовательной деятельности и режим занятий

5.1. Формы организации образовательной деятельности:

Занятия могут проводиться в разновозрастных группах, численный состав группы – до 15 человек.

5.2. Режим занятий

Занятия проводятся 1 раз в неделю по 2 часа.

6. Планируемые результаты освоения программы

Знакомство с киберфизикой и современной инженерией. Развитие навыков решения инженерных задач, умение работать в команде. Опыт работы с разными программными средами и разными физическими системами (исследование и управление ими). Деятельностная профориентация учащихся, формирование базовой технической и инженерной грамотности.

6.1. Результаты обучения

По окончании программы, учащиеся будут:

знать понятия: киберфизика, физическая система, сигнал, цифровая и аналоговая передача сигнала, кодирование и декодирование, программирование расширенных иерахрических машин состояний (ПРИМС), методы борьбы с шумами.

уметь работать в различных программных средах с разными физическими системами; исследовать различные физические системы и управлять ими; работать с программной реализацией алгоритмов решения математических задач; работать с анализом информации разных типов: графической, текстовой; работать с данными.

6.2. Результаты воспитывающей деятельности

понимать ценность работы в команде, важность ответственного отношения к работе в команде, ценность инженерной деятельности, инженерного образования, ценность изучения современных технологий; сознательное отношение к получению предметных знаний, ценность и возможность продолжения учебы в вузах и последующей работы на предприятиях по специальностям в области современной инженерии, ценность участия в различных инженерных соревнованиях (в том числе НТО) и различных мероприятиях (в том числе в рамках НКФП)

уметь работать в команде, рационально распределять роли в ходе решения задач и закреплять зоны ответственности, участвовать в различных инженерных соревнованиях (в том числе НТО).

6.3. Результаты развивающей деятельности

По окончании программы у учащиеся будут сформированы ключевые компетенции:

Познавательные:

• умение работы с разными программными средами и разными физическими системами;
• умение исследования физических систем и управления ими;
• умение работать с программной реализацией алгоритмов решения математических задач; 

• умение к моделированию;
• умение работать с данными.

Регулятивные:

• умение самостоятельно и дисциплинированно работать;
• умение анализировать результаты своей работы;
• умение проверять гипотезы;
• умение декомпозировать задачи;
• умение участвовать в инженерных соревнованиях.

Коммуникативные:

• умение работать в команде;
• умение рационально распределять роли в ходе решения задач и закреплять зоны ответственности.

.

7. Комплекс организационно-педагогических условий реализации программы «Юные киберфизики»

7.1. Календарный учебный график.

Программа состоит из трех модулей и реализуется в периоды: с 1 января 2025 по 26 мая 2026.

Содержание Программы соотносится с целью и планируемыми результатами ее освоения. 

7.1.1. Содержание учебного (тематического) плана

7.1.2. Учебный (тематический) план

8. Организационно-педагогические условия реализации программы

8.1. Материально-технические условия реализации программы 

Материально-техническое обеспечение программы:

• Помещение.
• Проектор.
• Ноутбук с доступом в интернет и необходимым программным обеспечением (по количеству обучающихся и для преподавателя).
• Интерактивная панель.
• Офисный принтер (струйный или лазерный).
• Расходные материалы (пленка для офисного принтера, маркеры, изолента).

Специализированное оборудование:

• Комплект для проведения турнира юных киберфизиков «Акустика»        (ТЮК «Акустика») – 6 штук
• Учебно-игровой набор «Кибермишка» - 15 штук        
• Настольная игра. Город отражений. Каналы и мосты Санкт-Петербурга        3 штуки
• Настольная игра. Аномалии острова Черепахи        3 штуки
• Настольная игра. Алькерк и Сражающееся змеи с 1 набором фишек красно-зеленых        3 штуки
• Настольная игра. Хнефатафл и Перали Котума с фишками        3 штуки
• Настольная игра. Суракарта и Мельница без диагоналей с 1 набором фишек серо-фиолетовых        3 штуки
• Настольная игра. Агон и Шашки света с фишками        3 штуки
• Настольная игра. Даблот и Тонкин с фишками        3 штуки
• Настольная игра. Фанарона и Сиджа 7*7 с 2 наборами фишек красно-желтых        3 штуки
• Настольная игра. Го, Гомоку, Реверси и Суперкрестики-нолики с фишками        3 штуки
• Настольная игра. Азимов+        2 штуки
• Настольная игра. Город практик будущего        3 штуки
• Настольная игра. Полигоны практик будущего        3 штуки
• Настольная игра. Орбитальная Берлога        3 штуки
• Настольная игра. Прогрессор. Морские перевозки        3 штуки
• Настольная игра.  Хроматические сочетания        6 штук
• Настольная игра.  Не один в Берлоге.        2 штуки

Информационное обеспечение программы:

• Методическое пособие для педагога;
• Разработки занятий;
• Интернет источники;
• В основу методических материалов для самостоятельного изучения отраслей положен образовательный модульный видео-курс, который включают видео-лекции на темы, необходимые к освоению на профиле “Технологии беспроводной связи”: https://onti.polyus-nt.ru/course/view.php?id=19 
• В основу методических рекомендаций положен образовательный модульный видео-курс, который включают видео-лекции на темы, необходимые к освоению на профиле “Интеллектуальные энергетические системы”: https://onti.polyus-nt.ru/course/view.php?id=18 
• В основу методических материалов для практических семинаров положен видео-курс https://onti.polyus-nt.ru/course/view.php?id=4  по разбору задач прошлых лет, сгруппированный по темам необходимых к освоению на профиле “Интеллектуальные энергетические системы”.
• В основу методических материалов для практических семинаров положен видео-курс https://onti.polyus-nt.ru/course/view.php?id=3   по разбору задач прошлых лет, сгруппированный по темам необходимых к освоению на профиле “Технологии беспроводной связи”

8.2. Учебно-методическое обеспечение Программы

Список литературы для преподавателя:

1. Кодирование данных.

1. Статья “Помехоустойчивое кодирование с иcпользованием различных кодов”.
2. Статья “Коды Рида-Соломона. Часть 1 — теория простым языком”.
3. Статья “Коды Рида-Соломона. Часть 2 — арифметика полей Галуа”.
4. Видео “Коды Хэмминга — Григорий Кабатянский”.

2. Математические методы обработки данных.

1. Линейная аппроксимация — при обработке экспериментальных данных часто возникает необходимость аппроксимировать их линейной функцией.
2. Аппроксимация функции.

3. Форматы данных и сжатие данных.

1. Статья “Методы сжатия данных”.
2. Статья “Обзор методов сжатия данных”.

4. Автокорреляционная функция.

1. Статья “Нежное введение в автокорреляцию и частичную автокорреляцию”.
2. Видео “Основы ЦОС: Корреляционная функция”.

5. Необходимые основы программирования на Python.

1. “Программирование на Python” — достаточная база, особое внимание урокам 3.8 и 3.9.
2. “Программирование на Python для решения олимпиадных задач” — наиболее сбалансирован по глубине, особое внимание третьему модулю.
3. “Python: основы и применение” — затрагивает некоторые глубокие особенности языка, но нет уроков по библиотекам обработки данных.

6. Основы программирования на С.

1. Пособие Б.В. Керниган, Д.М. Ричи.“Язык СИ”.
2. Курс “Программирование на языке С++ для решения олимпиадных задач”.

7. Основы программирования на Java.

1. Урок J-15. Форматирование чисел и текста в Java. 

8. Курс “Основы машинного обучения”.

1. Книга “Код: тайный язык информатики” Чарльза Петцольда.
2. Диксит Авинаш К., Нейлбафф Барри Дж. Теория игр. Искусство стратегического мышления в бизнесе и жизни. — Изд.: Манн, Иванов и Фербер, 2017.
3. Хёйзинг И. Человек играющий. —  Изд-во «Азбука», 2010
4. Виленкин Н.Я., Шибасов Л.П., Шибасова З.Ф. За страницами учебника математики. 10–11 класс — Изд.: М.: Просвещение: АО "Учеб. лит", 1996.
5. Петкевич Л.В. Настольные игры — Изд-во «Литература», 1998.
6. Белл Р. Энциклопедия настольных игр мира — Изд-во «Центрполиграф», 200.
7. Классификация настольных игр [Электронный ресурс]/URL: https://boardgamer.ru/p-bg-category
8. Parlett D. The Oxford History of Board Games. / Parlett D. Изд-во «Oxford University Press», 1999

Литература, рекомендованная для учащегося:

1. Гарднер М. Математические головоломки и развлечения / пер. с англ. Ю. А. Данилова ; под ред. Я. А. Смородинского. — 2-е изд., испр. и доп. — Изд.: Мир, 1999
2. Оливер Рейдер. Семь главных игр в истории человечества. Шашки, шахматы, го, нарды, скрабл, покер, бридж — Изд.: Альбина Пресс.
3. А. И. Китайгородского «Занимательная теория вероятности» — Изд.:  Риполл Классик, 2022.  
4. Виленкин Н.Я., Виленкин А.Н., Виленкин П.А. Комбинаторика. —  Изд.: МЦНМО, 2019.
5. Виленкин Н.Я., Шибасов Л.П., Шибасова З.Ф. За страницами учебника математики. 10–11 класс — Изд.: М.: Просвещение: АО "Учеб. лит", 1996.
6. Белл Р. Энциклопедия настольных игр мира — Изд-во «Центрполиграф», 2001.
7. Классификация настольных игр [Электронный ресурс] — URL: https://boardgamer.ru/p-bg-category.

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №10» города Когалыма

(МАОУ СОШ № 10»)

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ОБЩЕРАЗВИВАЮЩАЯ ПРОГРАММА

«Беспилотные авиационные системы»

направленность: техническая

Уровень: стартовый

Возраст обучающихся: 11 - 12лет

Срок реализации: 1 год

Составитель:

Абдразакова Алиса Камсулловна, учитель информатики

г. Когалым, 2024 год

Пояснительная записка

Дополнительная общеразвивающая образовательная программа «Летающая робототехника» направлена на: развитие творческих способностей и интереса к научной, и инженерной деятельности учащихся лежащих в области конструирования беспилотных летательных аппаратов, осваивающих общеобразовательные программы основного общего и среднего образования; распространение и популяризацию научных знаний в области конструирования, компьютерного зрения и автономной навигации беспилотных летательных аппаратов; создание условий для интеллектуального развития и поддержки учащихся, оказания содействия молодежи в профессиональной ориентации и осознанном выборе образовательной траектории.

Дополнительная общеразвивающая образовательная программа «Летающая робототехника» отнесена к программам технической направленности, является авторской разработкой и направлена на ознакомление и погружение в профиль «Летающая робототехника» НТО.

Нормативно-правовая основа разработки дополнительной общеобразовательной общеразвивающей программы

• Федеральный закон Российской Федерации от 29.12.2012г. №273-ФЗ «Об образовании Российской Федерации».
• Концепция развития дополнительного образования детей до 2030 года (распоряжение Правительства РФ от 31 марта 2022 г. № 678-р).
• Порядок организации и осуществления образовательной деятельности по дополнительным общеобразовательным программам» (приказ Министерства просвещения Российской Федерации от 27.07.2022 № 629).
• Методические рекомендации по проектированию дополнительных общеразвивающих программ (включая разноуровневые программы) (письмо министерства образования и науки РФ от 18.11.2015 года № 09-3242).
• Санитарно-эпидемиологические требования к организациям воспитания и обучения, отдыха и оздоровления детей и молодежи СП 2.4. 3648-20 (постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28.09.2020 г. № 28).
• Рекомендации Министерства просвещения России по реализации внеурочной деятельности, программ воспитания и социализации и дополнительных общеобразовательных программ с применением дистанционных образовательных технологий (письмо Минпросвещения России от 7 мая 2020г. №ВБ-976/04).
• Устав МАОУ СОШ № 10.

Краткая характеристика предмета

Беспилотные летающие аппараты (БПЛА) — это бурно развивающийся сегмент мирового рынка в высокотехнологичных отраслях. Сегодня промышленные и сервисные БПЛА находят применение в различных областях — доставка грузов, видеосъёмка, обеспечение безопасности, промышленность, мониторинг Земли и других планет. В последние годы технологии БПЛА быстро развиваются, а степень автономности становится все выше. Расширение сфер применения квадрокоптеров (термин, аналогичный БПЛА) требует подготовки квалифицированных кадров для создания систем автоматического управления, а также проектирования и разработки конструкций БПЛА. Правильная эксплуатация квадрокоптера возможна только при наличии знаний и умений, которые позволят эксплуатировать, конструировать и обслуживать БПЛА. Сегодня, можно сказать активно формируется новое направление – практически интегрированное в образование, науку, педагогику и инженерное дело.

Дополнительная общеразвивающая образовательная программа «Летающая робототехника» — это междисциплинарный курс, включающий в себя науку, технологию, инженерное дело, математику и программирование, включающие востребованные на сегодняшний день технологии, а также способствует развитию коммуникативных способностей учащихся, развивает навыки взаимодействия, самостоятельности при принятии решений, раскрывая их инженерный и творческий потенциал.

Курс направлен на формирование как теоретических, так и практических основ авиастроения, подробный разбор конструкции мультироторного БПЛА, самостоятельное проектирование и изготовление узлов квадрокоптера. Учащиеся познакомятся с практикой и теорией программирования автономных миссий БПЛА. В рамках курса будут рассмотрены типы задач по программированию автономного полета квадрокоптера, разобраны решения практических задач. Рассмотренные в курсе темы помогут учащимся решать задачи, понимать иллюстрации, использовать специализированное оборудование, применять необходимые программы для решения задач с применением конструктора программируемого квадрокоптера COEX “Клевер 4”, понимать требования и критерии к задачам. Программа предусматривает выполнение учениками ряда практических работ, помогающих освоить основы сборки, настройки, пилотирования и программирования квадрокоптера.

При этом, освоение и применение современных сквозных технологий в процессе работы над актуальными задачами связанными с конструированием и применением летающих роботов не требует углубленных знаний классических предметов, но дает стимул к их изучению через практическое применение ранее полученных теоретических основ.

Учащиеся лучше понимают и усваивают необходимый материал, когда они создают или изобретают что-то самостоятельно, а наличие большого количества инженерных соревнований и олимпиад как школьного, так и студенческого уровней, позволяет выстроить индивидуальную траекторию дальнейшего развития обучающихся.

Направленность образовательной программы

Направленность программы — научно-техническая. Программа направлена на привлечение учащихся к электронике, конструированию и программированию летающих робототехнических систем/беспилотников, проектной работе в команде, самостоятельный выбор необходимых для работы компетенций, а также решение актуальных практических

задач. Всё это становится ценным опытом для дальнейшего профессионального ориентирования и почвой для раскрытия потенциала и собственного развития. Программа способствует приобретению навыков анализа, проектирования, программирования и конструирования, что является необходимым условием для инженерного образования.

Новизна, актуальность и педагогическая целесообразность

В 1912 году компанией Sperry Corporation был представлен первый гироскопический автопилот. Технология обеспечивала автоматическое удержание курса полёта и стабилизацию крена. В 1930-х годах автопилоты уже устанавливались на гражданские самолеты, а в 1947 году самолёт C-54 ВВС США совершил трансатлантический перелет полностью под управлением автопилота, включая взлет и посадку, а сегодня беспилотные технологии глубоко проникают в нашу повседневную жизнь. Ещё недавно мало кто представлял, что мы увидим рои беспилотных летательных аппаратов в небе.

Многие отрасли уже с трудом представляют себе работу без применения дронов. Это и крупное сельское хозяйство, где дроны следят за состоянием полей, пастбищ практически без участия человека; и энергетическая отрасль, где дроны выполняют мониторинг объектов инфраструктуры, в том числе, протяжённостью в сотни километров. В шахтах специальные дроны следят за состоянием вентиляции и сводов, в городе сотни дронов организуют для нас захватывающие шоу, а на Марсе беспилотный летательный аппарат исследует поверхность Красной планеты и ищет возможные цели для марсохода. Для человечества началась эра искусственного интеллекта, семейства технологий, несущих потенциал революционного технологического прорыва и требующей адекватной реакции как в сфере науки, так и в сфере образования.

Авторитетными группами международных экспертов область взаимосвязанных роботизированных систем признана приоритетной, несущей потенциал революционного технологического прорыва и требующей адекватной реакции как в сфере науки, так и в сфере образования.

В связи с активным внедрением новых технологий в жизнь общества постоянно увеличивается потребность в высококвалифицированных специалистах. Для реализации фундаментальных и прикладных научно-исследовательских разработок в области робототехники ряд передовых ВУЗов открыл специальности, а также лаборатории, но большее количество абитуриентов не предполагает о наличии данных направлений, ввиду отсутствия ранней профориентации, что говорит о необходимости создания подобных образовательных программ.

Представленная программа предназначена для подготовки школьников, выбравших популярное сегодня направление – БПЛА, которые смогут поступать в высшие учебные заведения на специальности связанные с разработкой, эксплуатацией, управлением и программированием БПЛА или иных робототехнических платформ, а затем продуктивно работать в качестве инженеров, операторов БПЛА, программистов, геодезистов, разработчиков, научных сотрудников и т.д.

В процессе освоения программы развиваются теоретические и практические навыки, а также основы программирования. Образовательная программа предполагает решение обучающимися разноплановых задач, градирующихся по уровню сложности, что позволит ученикам на практике ознакомиться с физическими основами и возможностями беспилотных летательных аппаратов. Изучение беспилотных летательных аппаратов и решение кейсов в команде, самостоятельный выбор необходимых для работы компетенций, а также решение реальных практических задач, позволяет объединить вышеперечисленные пункты в одном курсе, что в свою очередь позволяет, стимулируя техническое творчество, интегрировать преподавание дисциплин физико-математического профиля и естественнонаучных дисциплин с развитием инженерного мышления. Всё это становится ценным опытом для дальнейшего профессионального ориентирования и почвой для раскрытия потенциала и собственного развития. Программа способствует приобретению навыков анализа, проектирования, программирования и конструирования, что является необходимым условием для инженерного образования.

Цель образовательной программы

Целью подготовки слушателей по Программе является:

• совершенствование компетенций, необходимых для решения задач в областях разработки новых методов управления, обработки информации и поиска новых конструктивных решений беспилотных летающих аппаратов широкого назначения, их подсистем и отдельных модулей, проведения исследований в сферах робототехники, теории управления и методов искусственного интеллекта.
• привлечение учащихся к работе в области инженерной и изобретательской деятельности.
• создание условий для мотивации и повышения интереса учащихся к беспилотным летающим аппаратам и робототехнике, содействие им в профессиональном самоопределении.
• развитие творческого и научно-технического потенциала учащихся через образовательную, проектную и соревновательную траектории выстроенные данной программой в единую систему.

Задачи образовательной программы

Образовательные:

• Формирование творческого отношения к выполняемой работе;
• Формирование навыков и подходов к решению реальных практических задач.
• Ознакомление учащихся с историей, основными принципами работы и устройством БПЛА.
• Реализация межпредметных связей с математикой, информатикой и физикой.
• Освоение базовых компетенций в областях конструирования, электромонтажа, пайки.
• Освоить навык визуального управления БПЛА, и с видом от первого лица (режим FPV).
• Освоение навыков анализа, проектирования, программирования и конструирования.
• Решение учащимися ряда задач по программированию БПЛА на базе компьютерного зрения.
• Подготовка учащихся к участию в Олимпиадах НТИ.
• Использование современных разработок по беспилотным летающим аппаратам и компьютерному зрению, организация на их основе активной внеурочной деятельности учащихся.
• Развитие умения излагать мысли в последовательности, отстаивать свою точку зрения анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений.

Развивающие:

• Формирование у учащихся стремления к получению качественного законченного результата;
• Умение работать в команде, распределять обязанности и делегировать задачи.
• Развитие у учащихся мотивациии и интереса к исследовательской, научно-технической и инженерной сферам;
• Развитие у школьников инженерного мышления и навыков программирования.
• Развитие таких важных личностных компетенций как: память, внимание, способность логически мыслить и анализировать, концентрировать внимание на главном при работе над проектами.
• Формирование основ технической культуры и грамотности при работе в рамках специализированных лабораторий.
• Развитие принципов и идей, которые будут полезны учащимся в настоящем и пригодятся впоследствии при его профессиональном развитии в инновационно- техническом мире.
• Формирование способности решать проблемы и актуальные задачи в заданные сроки при разработке инженерно-технических устройств.
• Организация и участие в олимпиадах, конкурсах и соревнованиях связанных с беспилотными летающими аппаратами для закрепления изучаемого материала, мотивации к дальнейшему развитию, формированию критического и аналитического мышления
• Формирование навыков проектного мышления.

Воспитательные:

• Воспитание настойчивости, собранности, организованности, аккуратности.
• Формирование мотивации к саморазвитию.
• Формирование творческой инициативы и самостоятельности при выполнении проекта.
• Повышение        мотивации        учащихся        к        самообразованию,        созданию        собственных самоуправляемых автономных программных и робототехнических систем.

Условия реализации образовательной программы

• Категория обучающихся (слушателей): уровень образования – учащиеся 6 - х классов образовательной организации.
• В период временных ограничений, связанных с эпидемиологической или климатической ситуацией, в течение которой федеральными и/или региональными и/или местными правовыми актами устанавливается запрет и/или ограничение на реализацию дополнительных общеобразовательных программ в очной форме, реализация программы осуществляется с применением дистанционных образовательных технологий.
• Сроки реализации программы: программа рассчитана на 1 год обучения, может быть изменена в соответствии с материально-техническим обеспечением организации (кружка), в котором планируется ее реализация.

Режим занятий: Занятия по 2 академических часа, от 1 до 2 раз в неделю.

Принципы обучения:

• Научность. Обучающиеся в рамках образовательной программы получают достоверный материал, проверенный на практике и актуальный новейшим научно- техническим достижениям.
• Доступность. Данный принцип предполагает соответствие сложности учебного материала степени общего развития учеников, что преследует цель наиболее качественного усвоения знаний и навыков учащимися.
• Связь теории с практикой. Принцип предусматривает практическое применение теоретических знаний, полученных обучающимися.
• Воспитательный характер обучения. В ходе процесса обучения, помимо освоения знаний и приобретения навыков, ученик также развивает свои интеллектуальные и моральные качества.
• Сознательность и активность обучения. В ходе учебного процесса обучающийся должен действовать обоснованно, сознательно. Процесс обучения предполагает инициативность и самостоятельность учащихся, развитие критического мышления.
• Наглядность. Использование определенных образцов технических изделий и видеоматериалов образовательного характера в ходе преподавания техники сборки.
• Систематичность и последовательность. Логически последовательная реализация учебного материала в виде упорядоченной системы, преследующая цель наиболее качественного его усвоения.
• Прочность закрепления знаний, умений и навыков. Качественное обучение предполагает уверенное освоение обучающимися знаний умений и навыков, следовательно, для достижения результата, необходимо закреплять приобретенные знания, умения и навыки регулярным повторением.

Планируемые результаты освоения программы

Для развития творческих способностей обучающихся необходимо создать ситуацию заинтересованности. Здесь решающее значение имеет не только содержание знаний, но и тип деятельности, в которой они приобретались. Поэтому акцент ставится на разнообразие форм и типов активности обучающихся, в которых приобретаются знания и создаются авторские продукты.

Формы организации деятельности учащихся на занятии используемые при реализации программы образовательных технологий:

• Индивидуально-групповая работа. Позволяет ученикам апробировать различные командные роли, развить чувство ответственности за выполнение своей части задачи.
• Работа по подгруппам (по звеньям). Позволяет ученикам проводить соревнования и исследования параллельно, сравнивая и анализируя используемые методы и полученные результаты.
• Самостоятельная аналитическая и практическая работа. Занятия представляют работу по проектированию и конструированию беспилотного летательного аппарата и руководство технологическим процессом. В ходе практических занятий ученики приобретают умения и навыки работы в условиях технической лаборатории и на практике применяют теоретические знания по дисциплинам физико- математического и естественнонаучного профиля.
• Мастер-классы от представителей отрасли и экскурсии. Данная форма занятий позволит ученикам сформировать наиболее полное представление о состоянии отрасли и перспективах ее дальнейшего развития.
• Лекции. С целью повышения качества усвоения материала предполагается внести в лекционные занятия элементы игровой активности. Таким образом, за счет смены видов деятельности, возрастет качество восприятия материала.
• Соревнования. Помимо соревнований, предусмотренных учебной программой, обучающиеся имеют возможность принимать участие в сторонних соревнованиях различного уровня, а также огрганизовавыть соревнования внутри группы, между группами, открытые соревнования. Таким образом, в процессе организации участники получают дополнительные навыки составления регламентов заданий, что позволяет рассмотреть соревновательный и олимпиадные процесс с противоположной для участников точки зрения. Данная форма занятий включает обязательный инструктаж учеников по правилам техники безопасности при эксплуатации БПЛА.

Методологический базис среды развития технологических компетенций формируется на основе научных концепций, результатах исследований, передовых отечественных и международных практиках. Для чего учащимся необходимо проверять полученные знания и навыки на открытых конференциях, конкурсах, хакатонах и иных состязаниях.

В течение курса предполагаются регулярные зачеты, на которых решение поставленной заранее известной задачи принимается в свободной форме (не обязательно предложенной преподавателем). При этом тематические состязания также являются методом проверки, и успешное участие в них освобождает от соответствующего зачета.

Результатом использования данных подходов и обеспечение разноуровневости программы предполагается приобретение обучающимися таких компетенций 21 века, как:

• генерация инженерных идей;
• продуктовое, изобретательское мышление;
• навыки проектного управления;
• владение технологией постановки задач,
• навыки гибкого и аккуратного выполнения операций;
• умение работать в команде, самомотивация и продуктивная коммуникация;
• способность формулировать, представлять и решать проблемы;
• логическое мышление, рефлексия, объяснения и аргументация.

 Предметные результаты обучения:

• знать простейшие основы электромеханики;
• знать определения понятий: датчик, интерфейс, алгоритм и т.п., а также специализированную терминологию;
• знать основные компоненты и устройство БПЛА мультироторного типа;
• знать технологическую последовательность сборки моделей;
• знать технику безопасности при пайке, запуске и эксплуатации БПЛА;
• знать принципы управления БПЛА;
• знать принцип работы элементов управления;
• знать компьютерную среду, включающую в себя ОС, языки программирования; виды подвижных и неподвижных соединений;
• знать способы навигации БПЛА;
• знать области применения БПЛА различных типов, а также их возможные ограничения;
• уметь применять полученные знания для ремонта и диагностики БПЛА;
• применять свои знания в 3D моделирование узлов БПЛА;
• читать и оформлять технологическую документацию;
• летать по трассе с видом от первого лица;
• программировать БПЛА для автономного полета;
• осуществлять навигацию квадрокоптера, и распознавание цветных маркеров используя системы технического зрение;
• владеть научной терминологией, ключевыми понятиями, методами и приемами конструирования, моделирования, программирования в области аэродинамики;
• владеть программами: Компас 3D, Qgroundcontrol, Gazebo;
• владеть информацией с GitBook и уметь ее применять.

Метапредметные результаты обучения:

• уметь определять последовательность выполнения действий, составлять инструкции (алгоритмы) в несколько действий;
• формировать универсальные учебные действия (познавательные, регулятивные, коммуникационные), обобщенные способы информационной деятельности при использовании информационных технологий, в том числе при программировании БПЛА для автономного полета;
• развить познавательные интересы, интеллектуальные и творческие способности путем освоения и использования методов и приемов конструирования, моделирования, программирования в области аэродинамики;
• приобрести опыт программирования БПЛА для автономного полета в индивидуальной, групповой и коллективной учебно-познавательной деятельности.

Личностные результаты обучения:

• личностное и предпрофессиональное самоопределение через познавательную мотивацию к получению профессий, связанных с программированием БПЛА для автономного полета;
• построение дальнейшей индивидуальной образовательной траектории через получение представления о перспективных направлениях развития методов и приемов моделирования, программирования в области аэродинамики;
• овладение навыками постановки задачи для другого члена команды исходя из специфических знаний по своей специализации;
• осознание стратегической важности для государства, общества и для своего будущего развития БПЛА.

Воспитательный результат занятий можно считать достигнутым, если учащиеся проявляют стремление к самостоятельной работе, усовершенствованию известных моделей и алгоритмов, созданию собственных творческих проектов. Участие в научных конференциях для школьников, выставках, открытых чемпионатов связанных с научно-техническим направлением и беспилотными летающими аппаратами, а также свободное творчество во многом демонстрируют и закрепляют полученные знания стимулируя участника к дальнейшему развитию своих знаний и навыков.

Кадровое обеспечение реализации программы

Программу реализует педагогический работник (педагог дополнительного образования, учитель), имеющий среднее профессиональное или высшее образование (в том числе по направлению, соответствующему направлению данной дополнительной общеразвивающей программы) и отвечающий квалификационным требованиям, указанным в квалификационных справочниках и (или) профессиональным стандартам

К реализации программы возможно привлечение лиц, получающих высшее или среднее профессиональное образование в рамках укрупненных групп направлений подготовки высшего образования и специальностей среднего профессионального образования "Образование и педагогические науки" в случае рекомендации аттестационной комиссии и соблюдения требований, предусмотренных квалификационными справочниками.

2. Учебно - тематический        план        дополнительной        общеразвивающей образовательной программы

Модуль 1.

Образовательный процесс предусматривает развитие природных задатков учеников, реализацию их интересов и способностей. Каждое занятие направлено на обеспечение развития личности обучающегося, следовательно, планирование и проведение занятий проводится в соответствии с личностно-ориентированной технологией и системно- деятельным методом обучения.

Данная образовательная программа предполагает вариативный подход, предусматривающий творческую инициативу со стороны учеников и преподавателя в том, что относится к порядку освоения раздела, использования дополнительных материалов, методики проведения занятий.

Реализуя представленную образовательную программу, преподаватель располагает возможностью, в зависимости от особенностей группы обучающихся, изменять в большую либо меньшую сторону уровень сложности учебного материала.

Рекомендуемый дополнительный образовательный блок.

Содержание разделов и тем

Модуль 1. Сборка и настройка

Тема 1.1. Введение. Знакомство с лабораторией. Знакомство с деятельностью лаборатории / направления, презентация образовательной программы. Знакомство с оборудованием.

Тема 1.2. Разновидности БПЛА. История развития летательных аппаратов. Применение БПЛА. Виды БПЛА. Знакомство с историей создания БПЛА. Преимущества и минусы использования, законодательные ограничения, перспективы развития БПЛА мультироторного типа.

Тема 1.3. ТБ при пайке и работе с Li-Po аккумуляторами. ТБ при сборке и настройке коптеров, при подготовке к вылету. Ознакомление с правилами техники безопасности при конструировании и эксплуатации квадрокоптеров и последствиями несоблюдения (используя иллюстративный материал).

Тема 1.4. Принципы проектирования и строения мультикоптеров. Знакомство слушателей с историей создания и развития мультироторных систем, формирование представления о функциях и возможностях современных мультироторных систем, наглядная демонстрация видов и конфигураций квадрокоптеров. Основы конструирования мультироторных систем.

Тема 1.5. Основы электричества. Теория пайки. Природа и физические характеристики электродвижущей силы. Формирование у слушателей представления о тепловом действии электрического тока и его причинах. Принципы строения электрических цепей. Теория пайки, представление инструментов и методики пайки.

Тема 1.6. Пайка узлов квадрокоптера. Практическая работа: подготовка платы распределения питания (PDB); пайка регуляторов и ВЕС.

Тема 1.7. Сборка рамы квадрокоптера. Практическая работа: сборка основы для рамы; установка моторов; сборка рамы; монтаж платы распределения питания (PDB).

Тема 1.8. Финальная сборка квадрокоптера. Практическая работа: перевод пульта в режим PWM; сопряжение приемника и пульта управления; проверка направления вращения моторов; перевод пульта в режим PPM; установка пластины для полетного контроллера; установка полетного контроллера.

Тема 1.9. Настройка квадрокоптера. Практическая работа: настройка полетного контроллера и калибровка датчиков.

Тема 1.10. Аэродинамика полета. Пропеллеры. Основные принципы аэродинамики винтов. Представление главных характеристик винта, и их влияния на полетные качества квадрокоптера. Технические таблицы по подбору винтов и моторов.

Тема 1.11. Учебные полеты. Принципы управления квадрокоптером. Особенности работы полетного контроллера и ПИД регулятора. Представление о принципах расчетов ПИД- регуляторов. Теория ручного визуального пилотирования. Техника безопасности. Процедуры проверки готовности: пилотирование БПЛА визуально, выполнение простейших полетных процедур. Посадка.

Модуль 2. Диагностика и ремонт коптера.

Тема 2.1. Поиск неисправностей. Техника безопасности. Практическая работа: Определение дефектов, неисправностей и способов их устранения по цифровой или физической модели коптера

Тема 2.2. Устранение неисправностей. Заполнение дефектной ведомости. Практическая работа: описание дефектов и неисправностей и способов их устранения в дефектной ведомости. Оценка применения профессиональной терминологии. Устранение неисправностей.

Модуль 3. Полеты в FPV режиме.

Тема 3.1. Устройство видеопередатчика, видео приемника и камеры для FPV. Пайка навесных элементов. Практическая работа: подготовка и установка камеры и передатчика; настройка и подключение FPV-очков.

Тема 3.2. Предполетная подготовка. Полеты на дроне в режиме FPV.

Модуль 4. Программирование.

Тема 4.1. Язык программирования Python. Знакомство с Python, историческая справка, особенности языка основные типы данных, операции с ними. Запуск программ. Получение результатов. Математические выражения. Знакомство, общее представление об условных операторах и логических выражениях. Разбор базовых принципов работы с операторами и циклами. Практическая работа: обработка, создание и вывод вложенных массивов; ввод, обработка массивов.

Тема 4.2. Введение в ROS (Robot Operating System). Знакомство с операционной системой ROS: понятие пакета, иерархия папок в файловой системе, компиляция; создание простых нод писателя и читателя; Обмен сообщениями.

Модуль 1. Программирование квадрокоптера

Тема 1.1. Настройка параметров коптера. Запись образа ОС. Работа с командной строкой Raspberry и ssh клиентом.

Тема 1.2. Работа со светодиодной лентой. Установка, настройка, программирование.

Тема 1.3. Работа с лазерным дальномером. Настройка, способы использования лазерных дальномеров, получение данных.

Тема 1.4. Способы навигации. Системы координат.

Тема 1.5. Навигация по полю меток.

Тема 1.6. Работа в симуляционной среде Gazebo. Знакомство с симуляционной средой Gazebo. Отработка навыков написания программного кода для автономного полета квадрокоптера.

Тема 1.7. Перемещение в заданные координаты. Пролет по заданной траектории с выводом текущих координат.

Тема 1.8. Полет по трассе на дроне и использование функций. Визуализация полетных миссий с помощью RVIZ.

Модуль 2. Программирование и распознавание.

Тема 2.1. Компьютерное зрение. OpenCV. Знакомство с библиотекой компьютерного зрения с открытым исходным кодом (OpenCV). Компьютерное зрение. Знакомство с цветовыми моделями и схемами. Операции с цветом в OpenCV и Python. Простейшие программы для распознавания объектов через камеру ноутбука.

Тема 2.2. Перемещение в заданные координаты. Распознавание цветных маркеров, вывод данных в терминал. Подготовка программного кода для автономной миссии с распознаванием цветных маркеров, выводом данных в терминал. Тестирование программ на физическом полигоне.

Тема 2.3. Перемещение в заданные координаты. Распознавание QR-кода, вывод данных в терминал. Подготовка программного кода для автономной миссии с детектированием QR- кодов и цветных маркеров различной формы, знакомство с библиотекой pyZBar. Тестирование программ на физическом полигоне.

Модуль 3. Захват и перенос груза.

Тема 3.1. Настройка и калибровка захвата. Захват груза и сброс.. Практическая работа: сборка и настройка электромагнитного захвата / сборка и настройка механического захвата. Практическая работа: отработка навыков пилотирования: захват, перенос и сброс груза.

3. Сведения о условиях для реализации учебного процесса

Практические занятия должны проводиться в специализированной аудитории, оснащенной современными персональными компьютерами и программным обеспечением в соответствии с тематикой изучаемого материала. Число рабочих мест в аудитории должно обеспечивать индивидуальную работа обучающегося (или из расчета 1 персональный компьютер/ноутбук на слушателя курса) на отдельном персональном компьютере. Аудитория также должна быть оснащенной современным ПК с подключенным к нему проектором, для обеспечения трансляции видеотерминала на настенный экран, или аналогичным по функциональному назначению оборудованием.

Материальное обеспечение программы включает в себя:

1. Персональные компьютеры с установленным необходимым ПО.
2. Учебные наборы квадрокоптера СОЕХ Клевер 4 WorldSkills Russia с дополнительными ремкомплектами.
3. Кабинет информатики, помещение кружка робототехники или авиакружка, демонстрационная или образовательная лаборатория. Данные помещения должны быть оборудованы необходимыми инструментами и материалами, а также обеспечить рабочие места для пайки оборудованные согласно технике безопасности.
4. Преподавательский состав для работы с данным оборудованием должен иметь необходимую квалификацию, навыки и проводить работу с соблюдением требований техники безопасности.
5. Полетный куб с защитной сеткой (минимальный размер 3x3x3 м).

Словарь терминов (глоссарий)

Список литературы:

6. Учебно - методические материалы // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/metod.html (дата обращения: 15.07.2021).
7. Контрольные материалы // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/tests.html (дата обращения: 15.07.2021).
8. Теория и видеоуроки // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/lessons.html (дата обращения: 15.07.2021).
9. Проектная деятельность // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/projects.html (дата обращения: 16.11.2020).
10. Организация соревнований // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/events.html (дата обращения: 15.07.2021).
11. Гурьянов А. Е. Моделирование управления квадрокоптером. Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. Журн. 2014. No8 Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/723331.html (Дата обращения 15.07.2021)

1. Ефимов. Е. Программируем квадрокоптер на Arduino: Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/227425/ (Дата обращения 15.07.2021)
2. Институт транспорта и связи. Основы аэродинамики и динамики полета. Рига, 2010.                Режим        доступа: http://www.reaa.ru/yabbfilesB/Attachments/Osnovy_ajerodtnamiki_Riga.pdf  (Дата  обращения 20.10.15) Понфиленок О.В., Шлыков А.И., Коригодский А.А. «Клевер. Конструирование и программирование квадрокоптеров». Москва, 2016.
3. Канатников А.Н., Крищенко А.П., Ткачев С.Б. Допустимые пространственные траектории беспилотного летательного аппарата в вертикальной плоскости. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. No3. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/367724.html (дата обращения 17.04.2014).
4. Валерий Яценков: Электроника. Твой первый квадрокоптер. Теория и практика;. http://www.ozon.ru/context/detail/id/135412298/
5. Л. Шапиро, Дж. Стокман Компьютерное зрение / Бином. Лаборатория знаний, 2006, 752с, ISBN 5-94774-384-1, ISBN 0-13-030796-3