Уважаемые преподаватели русского языка, физики, математики и информатики Сенегала!

Приглашаем вас и ваших учеников на Неделю математики, физики и информатики. Она пройдет 20 – 25 ноября в четырех лицеях трех городов Сенегала.

Задача программы – заинтересовать школьников в предметах, которые являются основными для получения образования и профессий важных для развития науки и технологий в Сенегале.

Занятия будут проходить на русском языке. Вместе с вами мы надеемся подготовить их так, чтобы школьники освоили базовую научную терминологию по дисциплинам на русском языке.

Мы надеемся, что они смогут продолжить образование в нашем университете ЛЭТИ, одном из ведущих технических вузов России.

Программа построена на педагогических принципах Константина Ушинского, реформатора российского образования XIX века:

  • Обучение должно быть наглядным, содействовать развитию умственных способностей ученика и желанию учиться.
  • Занятия должны строиться от простого и знакомого к более сложному и инновационному.
  • Теория должна сочетаться с практикой, умственная работа – с физической активностью.

Мы сделали научно-популярный раздел «Студентам», где вы и школьники можете познакомиться с темами занятий.

В разделе «Преподавателям» мы выкладываем планы занятий, тематику лекций, задания и упражнения. Занятия и сопутствующие материалы мы надеемся обсудить с вами на методических семинарах. Только с вашей помощью мы сможем сделать занятия интересными и полезными для подростков!

По каждому предмету вы сможете связаться с преподавателем, дать рекомендации и обсудить занятие в вашей школе.

Просим вас зарегистрироваться. Вы получите приглашения на методические семинары и программу Недели. Первое онлайн знакомство состоится 19 октября в 13:00 по сенегальскому времени.

До скорой встречи!

Виртуальные миры

Кукаев Александр Сергеевич

askukaev@etu.ru

Баранов Павел Сергеевич

psbaranov@etu.ru

Нейросети и искусственный интеллект являются, с одной стороны, наиболее современными технологиями, которые во многом определят облик будущего. С другой стороны, обладают высокой наглядностью и привлекательностью для школьников благодаря ярким и запоминающимся образам, и удивляющим возможностям. Поэтому занятие включает интерактивные элементы, построенные на демонстрации возможностей нейросетей. Интерактивность достигается за счет использования игры-квиза, основанного на изображениях, построенных нейросетью по текстовому запросу.

Вторая часть занятия посвящена более детальному погружению в основы информационных технологий – двоичное представление данных. Для большего интереса учеников эти знания подаются в контексте шифрования данных и цифровой безопасности. Это очень актуальная тема сегодня. Здесь также полезно применение интерактивной составляющей. В предложенной реализации ученикам будет предложено произвести самостоятельно дешифровку небольших посланий.

Занятие «Современные цифровые технологии и инструменты».

Занятие делится на две части по 45 минут.

Технологии виртуальной и дополненной реальности представляют собой современные инновации, которые формируют будущее. Они также привлекательны для школьников благодаря ярким образам и удивительным возможностям. Поэтому важно включить интерактивные элементы в уроки, которые демонстрируют использование этих технологий.

На первой части занятия интерактивность достигается через использование смартфонов с предустановленными приложениями для дополненной и виртуальной реальности учащимися. С их помощью они могут визуализировать объекты культуры в интерьере, создавать 3D модели и проводить измерения, а также использовать эти технологии в различных увлекательных заданиях.

Вторая часть занятия посвящена новым технологиям компьютерного зрения, которые будут использоваться для дополненной и виртуальной реальности в будущем. Новые сенсоры и датчики позволяют увидеть за пределами возможностей человека. Увеличение типов и количества данных от сенсоров позволят применять технологии дополненной и виртуальной реальности в новых областях - медицине, сельском хозяйстве, промышленности, анализе качества продуктов.

Учащимся будет продемонстрирован пример специальной системы компьютерного зрения, которая может видеть не только в видимом диапазоне, но и там где человек ничего не видит – в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазоне. Ученики будут пытаться угадать как обычные объекты (фрукты, бумага, ткани и проч.) выглядят в невидимой для человека части спектра.

План занятия «Технологии виртуальной и дополненной реальности. Современные цифровые технологии и инструменты».

Занятие делится на две части по 45 минут.

1. Нейросети в современном мире

Лекция

Нейросеть — математическая модель, работающая по принципам нервной системы живых организмов. Ее основное назначение — решать интеллектуальные задачи. То есть те, в которых нет изначально заданного алгоритма действий и спрогнозированного результата.

Главной особенностью нейросетей является способность к обучению. Они могут обучаться как под управлением человека, так и самостоятельно, применяя полученный ранее опыт.

На сегодняшний день существует большое количество нейросетей, решающих самые разные задачи:

  • нейросеть Midjourney генерирует изображения на основе текстовых запросов;
  • DeOldify раскрашивает старые черно-белые фотографии;
  • Remove.bg удаляет фон с любых картинок;
  • Looka создает логотипы;
  • ChatGPT развернуто отвечает на вопросы собеседника;
  • InPainting ретуширует фотографии;
  • Jasper пишет тексты для рекламы и блогов;
  • WhatDog распознает породы собак;
  • CaptionBot придумывает подписи к изображениям.

Набирающая популярность технология DeepFake также работает на основе нейросети. С помощью нее можно заменить одно лицо другим на видео — получается очень реалистично.

Нейросети стремительно развиваются. У многих людей такое бурное развитие вызывает закономерные опасения.

Практические занятия

Практическая часть – игра-квиз на основе изображений, сгенерированных нейросетью (20 минут)

Участники с помощью своих смартфонов посредством QR-кода зарегистрироваться на сайте, который будет принимать ответы участников. Вопросы на экране будут представлять собой набор из четырех картинок, сгенерированных нейросетью. Запрос для генерации будет состоять из имени известной личности или названия и определенных условий ее визуализации. Примеры: «Федор Достоевский, если бы он родился в Сенегале», «Садио Мане в стиле живописи эпохи Возрождения». При этом для всех четырех картинок в рамках одного вопроса условия визуализации совпадают, а персонаж меняется. Участники должны отгадать, на какой из картинок изображен указанный в вопросе персонаж. Также возможны вопросы обратного характера - по изображению отгадать, какой из четырех вариантов текстового запроса использовался для ее генерации. Система на сайте подсчитает количество правильных ответов у участников и определит победителей.

Примеры заданий.

Фиксация результата

Учащиеся узнают, что такое нейросеть и как устроены современные нейросети. Также о том, что ждет нейросети в будущем и какие риски несут нейросети. На примерах ChatGPT, Midjorney и др. они применят возможности нейросетей.

2. Технологии шифрования данных

Лекция

Лекционная часть (25 минут)

Шифрование — то есть сокрытие информации — появилось еще в древние времена. Когда возникли государства, армии, войны, разведка, возникла необходимость тайно передавать важные сведения, и если они попадут в руки врагу, он ничего бы не понял. Одним из древнейших способов был Шифр Цезаря - это сдвиговый шифр, в котором каждая буква алфавита заменяется буквой на некотором расстоянии от этой буквы.

Работа шифра Цезаря.

Недостатком такого шифра является уязвимость для атаки грубой силы (brute-force attack), потому что он зависит от одного ключа с 25 возможными значениями, если открытый текст написан на английском языке. Следовательно, пробовав каждый вариант и проверяя, какой из них приводит к содержательному слову, можно узнать ключ. Как только ключ найден, полный текст шифрования может быть дешифрован точно.

Цифровые данные, какими бы они ни являлись – видео, изображения, программные файлы, могут быть представлен в виде текста. А раз мы можем представить любой файл в виде текста, то и зашифровать мы его можем все теми же методами, известными с давних времен – сдвигом и подстановкой.

Практические занятия

Практическая часть – опыт дешифровки сообщений (20 минут)

Участникам раздаются вспомогательные материалы для дешифровки и листочки с зашифрованными сообщениями. Задача участников произвести дешифровку и записать полученное сообщение. Первые трое успешно справившихся признаются победителями.

Фиксация результата

Учащиеся узнают о том, как представляются данные в цифровом мире и как можно эти данные зашифровать. А также о том, какие технологии шифрования являются самыми современными и какие средства используют взломщики шифров.

1. Технологии виртуальной и дополненной реальности» - 45 мин

Лекция

Теоретическая – научпоп часть (25 минут)

Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR) - это технологии, которые позволяют людям взаимодействовать с виртуальными объектами и информацией в реальном мире. VR создает окружение, которое полностью отделяет пользователя от реального мира и погружает его в виртуальное.

Для этого используются специальные очки или шлемы VR, которые закрывают поле зрения пользователя и показывают ему трехмерное изображение.

Внутри очков или шлема находятся датчики, которые отслеживают движения головы пользователя и позволяют ему взаимодействовать с виртуальным миром, вращая голову и смотря в разные стороны.

Контроллеры VR позволяют пользователю управлять виртуальными объектами, например, перемещать руки или стрелять в играх.

Звук в VR тоже важен: наушники обеспечивают пространственный звук, который делает виртуальное окружение еще более реалистичным.

Дополненная реальность (AR):

  • AR добавляет виртуальные объекты и информацию в реальное окружение пользователя.
  • Для работы AR используются устройства, такие как смартфоны, планшеты или специальные AR-очки.
  • Камера на устройстве AR снимает видео или фотографии реального мира, а затем компьютерный софт добавляет к этим изображениям виртуальные объекты.
  • Пользователь видит реальный мир через экран устройства, но с виртуальными элементами, которые могут взаимодействовать с окружением.
  • AR может использоваться в разных сферах, от игр и образования до медицины и производства.

Важно помнить, что VR и AR - это не только для развлечения. Они также могут применяться в учебных целях, чтобы обогатить обучение и позволить учащимся погружаться в интересные образовательные сценарии.

Практические занятия

Практическая часть – демонстрациях доступных уже сейчас современных технологий VR | AR (20 минут)

Учащимся будет предоставлена возможность индивидуально получить опыт взаимодействия с AR технологией через несколько практических заданий.

1. Оживающие фотографии. (AR studio). AR studio – программа для создания приложений AR. (5 минут)

Преподавателем заранее создан проект, которые включают в себя возможность проигрывать видео при наведении на камеры смартфона фотографию.

Каждому учащемуся выдается распечатка с двумя фотографиями, которые демонстрируют красивые кадры России. Для «оживления» фотографии учащийся должен навести камеру смартфона на QR – код, который находится рядом с каждой фотографией. После чего она «оживает» и начинается проигрываться видео.

2. Интерактивное обучение. (AR studio). AR studio – программа для создания приложений AR. (5 минут)

Преподавателем заранее создан проект, который включает в себя возможность интерактивного раскрытия информации при взаимодействии с виртуальным объектом.

Каждому учащемуся выдается распечатка с фотографией современного смартфона. Задача ученика найти, где находится датчик Lidar – который отвечает за построения 3D карты глубины в реальном мире.

3. Создание виртуальной модели реального объекта. (Scaniverse)
(15 минут)

Каждому учащемуся (или на группу) выдается предмет сложной формы – чашка, фрукт, скомканный лист бумаги.

С помощью приложения ученики должны произвести сканирование предмета и получить высоко детализированную 3D модель. После сканирования ученики должны произвести измерения по 3D модели максимальных размеров объекта в вертикальной и горизонтальной плоскости, а также сравнить полученные измерения с реальными размерами предмета.

Фиксация результата

Школьники узнают в чем отличие VR vs AR. Как работает VR | AR. Из каких основных компонентов состоят системы. Как работают различные сенсоры для построения изображений в различных спектральных диапазонах и как измеряется расстояние до объектов реального мира.

2. Технологии компьютерного зрения, которые изменят мир – 45 мин

Лекция

Теоретическая - научпоп часть (25 минут)

Одним из прорывных технологий для VR | AR являются Мультиспектральные и Гиперспектральные технологии.

Мультиспектральные — это способ смотреть на вещи, используя разные «цвета» света, не только видимые для нашего глаза, как красный, зеленый и синий. Это позволяет видеть больше деталей и понимать, что происходит с предметами, растениями или даже землей.

Гиперспектральные технологии — это еще более мощный способ смотреть на мир. Они позволяют видеть еще больше "цветов" света, более точно и подробно, чем мультиспектральные.

Как можно использовать эти технологии:

  • Сельское хозяйство: Мультиспектральные и гиперспектральные технологии могут помочь фермерам ухаживать за растениями и землей, чтобы получить лучший урожай.
  • Экология: они используются для изучения окружающей природы, чтобы понимать, какие места здоровы для животных и растений.
  • Археология: помогают археологам находить древние предметы и следы древних цивилизаций.
  • Пожары и бедствия: помогают в мониторинге лесных пожаров и других бедствий.
  • Космос: их используют, чтобы исследовать другие планеты, такие как Марс.
  • Медицина: исследуют заболевания и состояние тела.

Практические занятия

Практическая часть – демонстрациях мультиспектральных камер (10 минут)

Я использую систему компьютерного зрения, состоящую из камеры и специальной подсветки разных диапазонах. Камера, подключена к ноутбуку, а изображение с нее транслируется на большой экран. Камера имеет чувствительность в диапазоне не только видимом, но и в диапазонах, где человек не видит – ближний инфракрасный и ближний ультрафиолетовый диапазон.

Учитель показывает предмет в видимом свете и спрашивает у учеников что произойдет при визуализации в ИК или УФ диапазоне.

Пример 1.

Пример 2.

Фиксация результата

Школьники узнают о работе технологий компьютерного зрения и областях их применения, а также применяют их на практике.

Увлекательный мир математики

Занятия по математике знакомят школьников с возможностями топологии. Топология - раздел математики на пересечении таких школьных дисциплин, как алгебра, геометрия, информатика.

Топологический подход позволяет превратить формулы и вычисления в образы и фигуры. Топология выгодно отличается наглядностью, простотой в объяснении и отсутствием необходимости в громоздких алгебраических формулах.

На занятиях школьники будут знакомятся со свойствами некоторых топологических объектов, используя их модели.

Занятия по топологии – это получение навыков математического моделирования. В ходе практических занятий ребята развивают свое пространственное воображение, мелкую моторику и осваивают научную лексику.

Наши занятия делают акцент на разделы математики, которые не входят в основную школьную программу, но дополняют ее, открывая новые возможности применения знаний по математическим дисциплинам.

Для реализации нашей идеи были выбраны темы пространственных геометрических фигур, основанных на математических формулах – графы, лента Мебиуса, а также изгибаемые многоугольники (флексагоны) и многогранники (флексоры)». Сегодня именно эти топологические фигуры и системы лежат в основе инноваций и передовых инженерных решений.

Занятия по теме «Увлекательный мир математики»

Два занятия по математике посвящены теме топологии, топологических задач и фигур. Каждый урок состоит из теоретической и практической частей. Общая продолжительность занятий составляет 4 академических часа.

Занятие 1. Основы топологии. Поверхности. Графы

Лекция

Теоретическая часть занятия – обзорная популярная лекция (15-20 минут).

Она посвящена основам топологии и включает следующие вопросы:

  • Историческая справка, предпосылки появления топологии и её развитие.
  • Основная идея непрерывности. Гомеоморфизм – деформация, позволяющая преобразовать произвольный многоугольник в круг и обратно. Топологическая идентичность некоторых геометрических тел и предметов: бублик (тор), гайка, макаронина, кружка с ручкой.
  • Поверхности. Лента Мёбиуса как простейший объект с одной поверхностью, её свойства и практическое применение. Бутылка Клейна как трёхмерный аналог ленты Мёбиуса.
  • Применение топологических понятий и методов в математике, других областях науки и в технике.

Практические занятия

Практическая часть занятия (20 – 25 минут) посвящена интерактивной демонстрации свойств ленты Мёбиуса и флексагонов. В ходе занятия могут ставиться следующие задания по выбору учителя:

  • получить ленту Мёбиуса склейкой из бумажной полосы;
  • убедиться в том, что лента Мёбиуса имеет только одну поверхность, проведя замкнутую линию вдоль неё;
  • разрезав ленту Мёбиуса повдоль, получить два бумажных кольца;
  • получить флексагон с выбранным количеством граней склейкой из бумажной полосы и проверить его свойства.

Фиксация результата

Учащиеся самостоятельно (индивидуально или в малых группах) повторяют эксперименты, продемонстрированные учителем, при помощи бумажных моделей топологических объектов.

Занятие 2. Задачи с графами.

Лекция

Теоретическая часть занятия (10 – 15 минут) - обзорная популярная лекция, посвященная основам теории графов как раздела топологии и затрагивающую следующие вопросы.

  • Историческая справка, предпосылки появления теории графов и основные вехи в её развитии.
  • Основные термины: типы графов, пути и связность, деревья.
  • Задача о кенигсбергских мостах. Построение фигур одним росчерком пера.
  • Раскраска графов. Теорема о четырех красках и ее упрощение для пяти красок.
  • Применение элементов теории графов в различных областях науки и техники.

Практические занятия

Практическая часть занятия (20 – 25 минут) посвящена интерактивной демонстрации решения задач, связанных с графами. В ходе занятия могут ставиться следующие задания по выбору учителя:

  • проверить возможность построения фигуры одним росчерком пера по признакам, которые задаёт теория графов, и убедиться в правильности результата путём построения;
  • решить задачу о раскраске поверхности минимальным количеством цветов;
  • игра «четыре краски» на чистом листе бумаги или на заранее листе, разделённом на области случайным образом.

Фиксация результата

Учащиеся могут самостоятельно конструировать и строить топологические фигуры.

Занятие 3.Флексагоны. Математический калейдоскоп

Вводная часть

Примеры флексагонов в окружающем нас мире (10 минут).<>

Лекция

Основные определения. Флексагоны и флексоры как средство математического моделирования и создания проектов (20 минут).

Практические занятия

Создание собственного проекта, в основе которого будет флексагон. Обучающиеся работают индивидуально или в группах, создают свой объект (30 – 40 минут).

Примечание:

В конце занятия для закрепления знаний можно поиграть в сканворд или выполнить тест.

Фиксация результата

В конце занятия выбирается лучшая поделка, в основе которой будет флексагон или флексор. Обучающиеся могут ее продемонстрировать.

Оборудование и материалы.

Основная часть задач в ходе практической части занятия решается при помощи бумажных моделей. В связи с этим для проведения занятий требуются следующее оборудование и материалы:

  • плотная белая бумага;
  • ножницы;
  • канцелярский клей;
  • цветные карандаши или фломастеры;
  • предварительно распечатанные материалы для решения задач: фигуры для построения, развёртки топологических объектов, случайные разделения бумажного листа на области.

Кроме того, для проведения лекций требуются компьютер с установленным офисным ПО, проектор и белый экран для демонстрации слайдов.

Результат программы

Учащиеся познакомятся различными топологическими объектами, их применением в современных инженерных решениях. Узнают что такое флексагон и флексор, а также применят эти знания для решения практических задач и построения трехмерных проектов.

Физические силы и технологии будущего: электричество и магнетизм, термодинамика и механика.

Современные инженерные компетенции не основываются только на одной науке или одном научном разделе. Как, правило, любые разработки лежат на стыке наук и требуют различных подходов от специалистов разнообразного профиля. При этом важно, чтобы у профильных специалистов было понимание того, в каком направлении работают их коллеги по проекту. Таким образом становится очень важным всестороннее развитие.

Сегодня школьники имеют доступ к огромному количеству информации, которую можно получить из лежащего в кармане смартфона. В результате, их становится сложно заинтересовать обучением в классическом понимании: учебники и тетради. Такие разделы физики, как электричество и магнетизм, и термодинамика — это не только формулы и задачи. Это увлекательные эксперименты и выводы из них. Даже классическая механика – не только движение абстрактных объектов, это основа всей космической отрасли.

На занятиях школьники познакомятся с такими явлениями как электрические и магнитные поля, узнают, откуда они берутся, как ими управлять и как их использовать в современной технике.

Рассматривая разделы термодинамики и механики, ученики познакомятся с историей применения этих разделов физики и увидят, насколько сильно менялось их применение. От охлаждающих сосудов до криокамер с эстремально низкими температурами. От китайских волчков до искусственных спутников Земли.

Занятия для школьников построены следующим образом:

Занятие 1. Электричество и магнетизм

Вводная часть

Значимость электричества современном мире.

Лекция

Определение электрического и магнитного полей как реальных физических объектов и применение их в различных областях техники. Явление магнетизма. Отличие постоянных магнитов от электромагнитов.

Практические занятия

  1. Учащиеся делятся на небольшие группы. Каждой группе выдаются наборы для изготовления электромагнита. Далее, вслед за преподавателем, каждая группа собирает электромагнит из предоставленных деталей. Результатом опыта станет эффект примагничивания канцелярских скрепок к изначально немагнитным объектам (гвоздю, ложке, вилке).
  2. (Опционально, при наличии времени) Каждой группе выдаются наборы для изготовления компаса. Вслед за преподавателем, каждая группа собирает компас из предоставленных деталей. Далее, направление “стрелок” собранных компасов сравнивается с направлением стрелки компаса, купленного в магазине. Направления должны совпадать.

Фиксация результата

Примагничивание канцелярских предметов к электромагниту. Совпадение стрелок изготовленных компасов с магазинным компасом.

Занятие 2. Механическое движение

Вводная часть

Использование гироскопов в науке и технике. Роль России в мировом развитии гироскопии.

Лекция

Момент импульса и закон его сохранения. Как работает волчок (юла). Отличие обычного волчка от “китайского” (юлы Томсона). Юла Максвелла. Как работают гироскопы. Как устроены гиродины.

Практические занятия

В ходе практики будет продемонстрирована работа различных типов волчков. Далее, в ходе демонстрации гироскопического эффекта будет использован трехосный гироскоп. Учащимся будет предложено изменить положение корпуса гироскопа в пространстве, при этом гироскоп будет пытаться сохранить свое положение.

Занятие 3. Термодинамика в природе и технике

Вводная часть

Как человечество использовало термодинамику тысячи лет назад и сейчас?

Лекция

Фазовые переходы 1 и 2 рода. Понятие “теплота”. Испарение жидкости и передача энергии. Сосуды из пористой глины - древние холодильники.

Практические занятия

Вначале занятия наливаем воду из одной емкости в кувшин из пористой глины и в стакан. Далее следует лекционная часть. В конце урока измеряем температуру воды в стакане и в кувшине при помощи термометров. Температура воды в кувшине должна быть холоднее, чем в стакане.

Результат программы

Учащиеся узнают о физических явлениях и свойствах, лежащих в основе электротехнических приборов и работают с этими явлениями при создании приборов.