Система «Интернет вещей». Практическая работа «Создание системы умного освещения»
Цели и задачи
- Цель по SMART: за 45 минут в парах спроектировать и протестировать модель системы умного освещения, включающую датчик освещённости, управляющее устройство и исполнительный механизм, а также объяснить алгоритм её работы.
- Сформировать представление о системе «Интернет вещей» как совокупности устройств, датчиков, каналов передачи данных и программного управления.
- Научить составлять алгоритм автоматического включения и выключения освещения по заданному порогу освещённости и реализовывать его в учебной цифровой среде.
- Развивать навыки парной работы, отладки программы, анализа ошибок и представления результата по заданным критериям.
- Показать связь информатики с физикой, технологией и безопасностью жизнедеятельности, снизить тревожность перед практическими заданиями ОГЭ через работу по понятному алгоритму.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознавать практическую ценность автоматизации освещения для комфорта, энергосбережения и безопасности.
- Проявлять ответственность при работе с электронными устройствами и цифровыми ресурсами.
- Развивать готовность к профессиональному самоопределению в области программирования, электроники и инженерных технологий.
- Принимать ошибку как естественную часть отладки и сохранять рабочую мотивацию при затруднении.
Метапредметные
- Уметь преобразовывать условие практической задачи в модель «входные данные — обработка — результат».
- Планировать работу по этапам, распределять роли в паре и контролировать достижение результата.
- Анализировать показания датчика, находить логические ошибки в алгоритме и аргументировать выбранное решение.
- Использовать цифровые инструменты для создания, тестирования и демонстрации модели.
Предметные
- Знать назначение датчика освещённости, контроллера, исполнительного устройства и канала обмена данными.
- Уметь описывать работу системы умного освещения с помощью блок-схемы или словесного алгоритма.
- Уметь создавать условный алгоритм: если освещённость ниже порога, включить свет, иначе выключить.
- Уметь тестировать модель при разных значениях освещённости и исправлять обнаруженные ошибки.
- Владеть навыком краткого объяснения результата практической работы в формате, близком к заданиям ОГЭ.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный вклад в результат пары и оценивают полезность созданной системы.
- Осознают значение точности, цифровой безопасности и соблюдения правил работы с оборудованием.
- Формируют устойчивое отношение к отладке как к способу улучшения программного продукта.
Регулятивные УУД
- Принимают учебную задачу и формулируют критерии готовности модели.
- Планируют последовательность действий: подключение модели, настройка порога, программирование, тестирование.
- Сверяют результат с эталоном, фиксируют ошибку и выбирают способ коррекции.
- Оценивают собственную и парную работу по предложенной рубрике.
Познавательные УУД
- Выделяют входные данные, условие и выходной результат системы.
- Сравнивают работу модели при значениях освещённости выше и ниже порога.
- Строят простую информационную модель системы «датчик — контроллер — исполнительное устройство».
- Используют таблицу наблюдений и логические выражения для анализа поведения программы.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли программиста и тестировщика, затем меняются ролями.
- Формулируют уточняющие вопросы и объясняют партнёру назначение команд.
- Согласуют единый вариант алгоритма и аргументируют решения при защите результата.
- Предоставляют партнёру корректную обратную связь по принципу «две сильные стороны и совет».
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить компьютеры или ноутбуки по одному на пару, проверить запуск среды моделирования микроконтроллера и наличие сохранения проекта.
- Подготовить виртуальную или учебную модель: датчик освещённости, контроллер, светодиод или лампу, источник питания и соединительные элементы.
- Распечатать инструкционные карточки трёх уровней — по одной на пару, а также лист наблюдений — по одному на каждого ученика.
- Вывести на доску схему «датчик → обработка → исполнительное устройство» и условие: «если освещённость ниже порога, включить свет, иначе выключить».
- Подготовить карточку с типичной ошибкой: перепутано условие, отсутствует ветвление или порог не задан.
- Разместить на экране критерии оценивания: работающая модель, корректный алгоритм, тестирование двух режимов, объяснение результата.
- Подготовить таймер, проектор, интерактивную доску и резервный скриншот рабочей модели на случай технического сбоя.
- Проверить соблюдение правил безопасной работы с компьютером и отсутствие подключения к реальным электрическим сетям.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и постановка практической задачи (3 мин)
Цель этапа: организовать безопасную работу в парах и связать практическую задачу с реальной жизненной ситуацией.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс: "Сегодня вы будете не просто писать программу, а выступите в роли разработчиков системы умного освещения. Проверьте, что на столе есть тетрадь, ручка и лист наблюдений, а на экране открыта только учебная среда. Работать будем парами и только с виртуальной или низковольтной моделью." | Проверяют оборудование, открывают среду моделирования, садятся парами. |
2 мин | Учитель показывает изображение комнаты с автоматическим светом и спрашивает: "Как система понимает, что человеку нужно включить освещение? Что является входным сигналом, а что — результатом? Сегодня ваша задача — создать такую модель, проверить её в двух режимах и объяснить алгоритм." | Формулируют ответы: «датчик измеряет освещённость», «контроллер принимает решение», «лампа включается или выключается»; записывают тему. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы определили практическую проблему и роли основных устройств. Теперь восстановим знания, без которых модель нельзя собрать корректно."
Этап 2. Актуализация знаний и инструктаж по безопасности (5 мин)
Цель этапа: актуализировать понятия «датчик», «алгоритм», «условие» и предупредить технические ошибки.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит приём «Тонкие и толстые вопросы»: "Что измеряет датчик? Что такое условие? Почему одной команды включить лампу недостаточно? Представьте, что освещённость сначала уменьшилась, а затем увеличилась: какие два разных результата должна выдать система?" | Отвечают: «датчик измеряет параметр среды», «условие проверяет признак», «нужны включение и выключение»; записывают по два режима работы. |
2 мин | Учитель выводит схему: «датчик освещённости — контроллер — светодиод». "Покажите, где появляются данные, где выполняется обработка и где наблюдается результат. Не путайте измеряемую величину с командой устройству." | Указывают элементы схемы, называют входные данные и выходной результат. |
1 мин | Учитель напоминает: "Не подключайте реальные источники высокого напряжения, не меняйте настройки компьютера и сразу сообщайте о зависании программы. В паре один ученик программирует, второй тестирует и записывает значения; через несколько минут вы поменяетесь." | Повторяют правила, распределяют роли программиста и тестировщика. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили устройство системы и правила безопасной работы. Теперь сформулируем точный алгоритм, который затем реализуем в цифровой модели."
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Этап 3. Проектирование алгоритма в парах (6 мин)
Цель этапа: спроектировать условный алгоритм и определить критерии успешной работы модели.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт карточки с ситуацией: "Датчик выдаёт значение освещённости от 0 до 100. Порог установлен на уровне 40. Если значение меньше 40, свет должен включаться; если значение равно 40 или больше, свет должен выключаться. Составьте словесный алгоритм и таблицу из двух тестов." | В парах записывают: «получить значение; сравнить его с 40; если меньше 40 — включить свет; иначе — выключить»; выбирают тестовые значения 20 и 70. |
2 мин | Учитель задаёт вопросы: "Что произойдёт при значении 15? А при значении 60? Какой знак сравнения нужен? Почему важно описать ветвь иначе?" | Отвечают: «при 15 свет включится», «при 60 выключится», «нужно сравнить с порогом»; исправляют неточные формулировки. |
1 мин | Учитель показывает критерии: "Модель считается готовой, если есть датчик, условие с порогом, два результата и проверка обоих режимов. Эти критерии помогут вам и при заданиях ОГЭ на анализ алгоритма." | Переписывают критерии в лист наблюдений и готовят план действий. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Алгоритм уже описан словами и проверен на примерах. Теперь перенесём его в цифровую модель и посмотрим, совпадёт ли поведение устройства с нашим прогнозом."
Этап 4. Создание модели умного освещения с использованием ИКТ (12 мин)
Цель этапа: реализовать алгоритм в учебной среде и получить работающую модель системы «Интернет вещей».
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель демонстрирует на экране последовательность: "Добавьте датчик освещённости, контроллер и светодиод. Соедините выход датчика с входом контроллера, а управляющий выход — со светодиодом. Назовите элементы понятно, чтобы через минуту можно было объяснить схему партнёру." | Создают модель, размещают датчик, контроллер и светодиод, соединяют элементы, проверяют названия. |
5 мин | Учитель проговаривает: "Теперь задайте порог 40. В блоке условия укажите: если значение датчика меньше 40, установить состояние светодиода «включён». В ветви иначе установите состояние «выключен». Сохраните проект под именем пары." | Настраивают порог, создают ветвление, задают два состояния светодиода и сохраняют проект. |
4 мин | Учитель организует взаимопомощь: "Если модель не запускается, сначала проверьте соединения, затем имена переменных, затем знак сравнения. Не исправляйте работу партнёра молча: объясните, какую ошибку нашли и почему она влияет на результат." | Запускают модель, находят и исправляют ошибки, объясняют партнёру последовательность команд. |
Запись в тетрадях
- Система умного освещения: датчик освещённости → контроллер → исполнительное устройство.
- Алгоритм: получить значение; если освещённость меньше порога — включить свет; иначе — выключить.
- Пороговое значение — величина, с которой сравниваются показания датчика.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Основная модель создана. Но программа считается надёжной только после проверки разных входных данных, поэтому следующий этап посвятим тестированию и исправлению ошибок."
Этап 5. Тестирование и межпредметный анализ результата (7 мин)
Цель этапа: проверить модель при разных значениях и связать работу датчика с физическим смыслом освещённости и энергосбережением.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель предлагает заполнить таблицу: "Проверьте значения 20, 40 и 70. Для каждого запишите показание, результат сравнения и состояние света. Особое внимание уделите граничному значению 40: именно на границах часто обнаруживается ошибка в условии." | Тестировщик меняет значения датчика, программист наблюдает результат; пара записывает три строки таблицы. |
2 мин | Учитель задаёт межпредметный вопрос: "Почему при недостатке естественного света лампа включается? Как это связано с энергосбережением? Что изменится, если порог сделать слишком высоким?" | Объясняют: «система компенсирует недостаток света»; формулируют, что слишком высокий порог увеличит расход энергии. |
2 мин | Учитель организует приём «Две звезды и пожелание»: "Назовите партнёру два удачных решения и один совет по улучшению модели. Совет должен быть конкретным: например, проверить граничное значение или сделать имя переменной понятнее." | Обмениваются обратной связью, фиксируют одно исправление или улучшение. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы убедились, что корректная программа должна работать не только на одном примере. Теперь каждый индивидуально проверит понимание алгоритма в коротком задании, похожем на формат ОГЭ."
Этап 6. Индивидуальная проверка и самооценка (7 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание устройства системы и алгоритма независимо от результата пары.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель раздаёт карточку: "Рассмотрите алгоритм: если освещённость меньше 30, включить свет, иначе выключить. Укажите результат для значений 10, 30 и 50. Затем назовите одну возможную ошибку в системе и способ её исправления." | Индивидуально заполняют три результата: 10 — включить, 30 — выключить, 50 — выключить; записывают ошибку и способ коррекции. |
2 мин | Учитель выводит эталон: "Сверьте ответы. Ошибка при значении 30 возникает, если ученик заменил условие «меньше» на «меньше или равно». Важно читать условие буквально и проверять границу." | Проверяют работу, отмечают верные ответы, исправляют ошибки. |
1 мин | Учитель предлагает самооценку: "Поставьте знак напротив утверждения: я могу объяснить назначение датчика; я могу записать условие; я могу протестировать граничное значение. Красный цвет означает вопрос, а не неудачу — вопрос поможет нам выбрать повторение." | Заполняют самооценку, отмечают затруднение и формулируют вопрос при необходимости. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Индивидуальная проверка показала, умеете ли вы читать условный алгоритм без подсказки пары. Осталось подвести итог работы, оценить продукт и определить, что закрепить дома."
Этап 7. Рефлексия, представление результата и домашнее задание (5 мин)
Цель этапа: осмыслить результат практической работы, зафиксировать достижения и определить дальнейшее закрепление.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает краткую защиту: "Две пары покажут модель или скриншот и за 30 секунд объяснят: какой датчик используется, какой порог задан и что происходит в двух режимах. Остальные сравнивают выступление с критериями." | Пары демонстрируют модель, формулируют объяснение; остальные отмечают наличие датчика, условия, двух результатов и тестирования. |
2 мин | Учитель проводит рефлексию «Светофор»: "Зелёная карточка — могу создать такую модель самостоятельно; жёлтая — понимаю алгоритм, но нужна тренировка; красная — осталось непонятно, как работает условие. Добавьте одно предложение: «Сегодня я научился…»" | Поднимают карточку, завершают предложение, называют конкретное умение или затруднение. |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание: "Выберите уровень из таблицы. Обязательный уровень выполняют все, повышающий и дополнительный — по желанию. Перед уходом ответьте на контрольный вопрос: почему при значении, равном порогу, свет в нашей модели выключается?" | Записывают домашнее задание, отвечают: «потому что условие требует значения меньше порога, а равное значение попадает в ветвь иначе». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы прошли полный цикл создания цифрового устройства: спроектировали систему, написали условный алгоритм, протестировали границу и исправили ошибки. Такой порядок действий пригодится и в программировании, и при выполнении практико-ориентированных заданий ОГЭ."
Критерии оценивания практической работы
- «5» — создана работающая модель с датчиком, контроллером и исполнительным устройством; корректно задан порог, проверены не менее трёх значений, включая граничное, заполнен лист наблюдений и дано ясное объяснение алгоритма.
- «4» — модель работает в двух основных режимах, но допущена одна неточность в оформлении, объяснении или фиксации тестов; после подсказки ошибка исправлена.
- «3» — создана частично работающая модель или правильно описан алгоритм, но отсутствует полноценное тестирование и объяснение граничного значения; ученик выполняет коррекцию по образцу.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о взаимодействии датчика, контроллера и лампы? | Выявление осознания структуры системы «Интернет вещей». |
Какое значение освещённости было самым важным при тестировании и почему? | Проверка понимания граничного значения и условного оператора. |
Какую ошибку вы нашли или могли бы найти в своей модели? | Выявление навыка диагностики и коррекции алгоритма. |
Что вы уже можете сделать самостоятельно, а что требует тренировки? | Субъективная оценка освоения темы и планирование дальнейшей поддержки. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы создали модель системы умного освещения и увидели, как данные датчика превращаются в управляющее решение. Самая частая ошибка — невнимательно прочитать условие и неправильно обработать граничное значение. Вы уже умеете не только написать алгоритм, но и проверить его на разных данных. На следующем уроке мы усложним систему: добавим несколько условий или рассмотрим взаимодействие устройств в сети."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить словесный алгоритм умного освещения с порогом 50 и заполнить таблицу результатов для значений 10, 50 и 80. | Закрепляет чтение условия и обработку граничного значения; при проверке смотреть на правильность двух ветвей. |
Средний (повышающий) | Создать или описать улучшенную модель, в которой при низкой освещённости свет включается, а при высокой — выключается; привести не менее четырёх тестовых значений и объяснить результат каждого. | Развивает применение алгоритма и навык системного тестирования; проверять соответствие результатов условию. |
Продвинутый (дополнительный) | Предложить проект системы с двумя датчиками: освещённости и движения. Описать, при каком сочетании условий включается свет, представить блок-схему и указать возможную ошибку. | Развивает анализ и создание многокритериального алгоритма; оценивать полноту условий, логичность схемы и безопасность решения. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Какой элемент системы получает данные?», «Где принимается решение?», «Что произойдёт при значении, равном порогу?», «Почему программу нужно проверять не менее чем на двух разных входных данных?»
