Дифференцированное обучение на уроке Arduino: 3 уровня, 1 урок

Дифференцированное обучение на уроке Arduino не означает, что нужно планировать три отдельных урока: весь класс собирает один и тот же проект, но каждый проект делится на три уровня. На базовом уровне проект запускают и меняют одно значение, на среднем уровне добавляют проекту новое поведение, на продвинутом уровне меняют структуру программы. С какого уровня начинает каждый ученик, выясняется за 10 минут входной диагностики на первом уроке, и группы тоже не постоянные: они меняются вместе с этапом урока. Так ученик без всякого опыта с кодом уходит с урока с работающим светофором, ученик с опытом сборки роботов в это время переписывает тот же светофор без delay(), и при этом оба могут обсуждать одну и ту же схему.

В этой статье разобраны все части шаблона: три вопроса и мини-задание для входной диагностики, таблица, которая переводит баллы в уровень, готовые базовые, средние и продвинутые задания для четырёх бесплатных проектов BlueGrays, когда работает каждая из четырёх стратегий группировки, меню дополнительных заданий для быстрых учеников, список опор для тех, кому нужна поддержка, подход к оцениванию, при котором каждого оценивают от его собственного уровня, и поминутный план урока на 40 минут. Все примеры исходят из одного допущения: класс из 24 учеников, 12 наборов Arduino Uno, работа в парах и урок на 40 минут. Организацию класса (ящики с наборами, очередь за помощью, уборка) мы разобрали в статье об уроке Arduino в большом классе, а порядок тем по неделям — в 8-недельном плане занятий по робототехнике и программированию; здесь речь только о том, как открыть один и тот же урок для разных уровней.

Что такое дифференциация на уроке Arduino, а что ею не является

Дифференциация означает, что все приходят к одной цели разными путями и на разную глубину. На уроке Arduino цель обычно — понятие: цифровой выход, тайминг, условия, аналоговый вход. Если цель урока со светофором — мысль о том, что «порядок и длительность команд определяют поведение программы», ученик базового уровня усваивает её, меняя одно значение delay(), а ученик продвинутого уровня — перестраивая тайминг на millis(). Идея усвоена в обоих случаях: в одном поверхностно, в другом глубоко. Дифференцировать можно три вещи: само задание (что делается), поддержку (сколько помощи) и продукт (как ученик показывает результат обучения). Шаблон из этой статьи использует все три сразу.

Дифференциация — это не: давать быстрому ученику больше той же работы (зажечь десять светодиодов вместо пяти — это не глубина, а то же задание, только дольше), отправлять медленного ученика на более простой проект (тогда класс не может обсуждать одно и то же) или на весь год вешать на учеников ярлыки «слабая группа» и «сильная группа». С Arduino такой ярлык ещё и обманчив, ведь навык растёт по трём отдельным линиям: сборка схем, чтение кода и отладка. Ученик с опытом сборки роботов может собирать схему с закрытыми глазами, но ни разу не читать код; а ученик, для которого схемы в новинку, но в школе были уроки Python, может понять блок if раньше всех. Поэтому уровни присваиваются заданиям, а не ученикам, и подняться на уровень выше ученик может на любом уроке.

Входная диагностика на 10 минут на первом уроке

Входная диагностика нужна не для оценок, а для распределения заданий на первой неделе; скажи об этом ученикам сразу. Она проходит индивидуально и на бумаге, чтобы ученики, работающие в парах, не оказывались в тени друг друга. Всего она занимает 10 минут, а проверка 24 листов после урока — примерно 10 минут твоего времени. Каждый пункт оценивается в 0, 1 или 2 балла, всего максимум 8.

1. Вопрос на понятие (2 мин): «Зачем ставить резистор, когда подключаешь светодиод к Arduino?» Ответ «он ограничивает ток» — 2 балла, половинчатый ответ вроде «чтобы светодиод не сгорел» — 1, пустое место — 0.
2. Вопрос на чтение кода (2 мин): напиши на доске четыре строки: digitalWrite(2, HIGH); delay(1000); digitalWrite(2, LOW); delay(1000); Вопрос: «Что делает этот код? Что изменится, если вместо delay(1000) написать delay(200)?» Верное объяснение обеих частей — 2 балла, только одной — 1.
3. Вопрос об опыте (1 мин): «Что тебе уже доводилось собирать?» Ничего — 0; блочный код или пошаговый проект из набора — 1; проект, где код писался или менялся самостоятельно, — 2.
4. Мини-задание (4 мин): раздай распечатку схемы со светодиодом, в которой две ошибки: светодиод перевёрнут и нет резистора. Ученик обводит ошибки и пишет, как их исправить. Обе найдены — 2 балла, одна — 1.
5. Сбор (1 мин): собери листы. До следующего урока никому не называй баллы; уровни на первом уроке тихо раздаются с помощью карточек заданий.

Бумажную диагностику можно подкрепить двумя инструментами BlueGrays. Первый — Тест на уровень в разделе Вопросы дня: этот тест из 15 вопросов относит ученика к одному из шести уровней (A1 Первый огонёк, A2 Сборщик схем, B1 Исследователь датчиков, B2 Создатель проектов, C1 Конструктор систем, C2 Гуру мастерской). Грубо можно считать A1–A2 базовым уровнем, B1–B2 средним, C1–C2 продвинутым. Второй — третий вопрос Подбора проекта, Какой у тебя опыт?: три его варианта (Это будет мой первый проект, Уже есть пара проектов, Опыт есть, давай посложнее) почти один в один совпадают с тремя уровнями и показывают, как ученик оценивает себя. Оба можно задать на дом перед первым уроком; расхождение между их результатом и баллами на бумаге подскажет, за кем стоит понаблюдать внимательнее. Вопросы теста на уровень и систему уровней мы подробно разобрали в статье о вопросах дня.

Один проект, три уровня: шаблон на четырёх бесплатных проектах

Правило шаблона простое. На базовом уровне проект запускают, меняют одно значение и смотрят на результат; чаще всего это задание Твоя очередь на вкладке Разбор кода проекта. На среднем уровне проекту добавляют новое поведение: кнопку, светодиод, условие или вывод в монитор порта. На продвинутом уровне меняют структуру программы: millis() вместо delay(), массив и цикл вместо повторяющихся строк, удержание состояния между двумя порогами. Четыре проекта ниже в BlueGrays полностью бесплатны вместе со схемой, кодом, блоками и разбором кода; Premium не нужен ни одному ученику в классе.

Используй таблицу как карточки уровней: распечатай три карточки для каждого проекта на листах A5 и выдай каждой паре карточку её уровня, а две другие оставь в центре стола. Пара, которая закончила базовую карточку, может свободно взять среднюю; пара, которой тяжело с продвинутой, так же свободно может вернуться к средней, и это не считается провалом. Подробности схемы и кода для задания с кнопкой для пешеходов на среднем уровне — в статье о светофоре на Arduino, а неблокирующий тайминг, на котором держится продвинутый уровень, — в статье о millis() и delay(). Все уровни построены на одной базовой схеме, поэтому класс обсуждает один чертёж, и ученик продвинутого уровня может сказать однокласснику с базового: «Смотри, у меня нет той строки delay(), которая менялась у тебя».

Стратегии группировки: какую и когда?

В классе с разным уровнем подготовки одного способа группировки на весь урок мало. При гибкой группировке группы меняются вместе с этапом урока: когда вводится новое понятие, смешанные группы объясняют друг другу, во время заданий по уровням пары близкого уровня двигаются в своём темпе, а в конце по классу ходят эксперты. Таблица ниже показывает, где каждая из четырёх стратегий работает, а где даёт обратный эффект.

Парное программирование очень подходит урокам Arduino, потому что у работы две «руки»: пока один ученик занимается схемой и Arduino IDE, у другого на телефоне открыты схема и код проекта. Штурман подсказывает: «длинная ножка красного светодиода идёт в ряд D2» или «посмотри на delay в конце loop», а водитель выполняет. Смена ролей каждые 10 минут не даёт ученику базового уровня в смешанной паре закончить урок, ни разу не прикоснувшись к клавиатуре. Составь группы после первой входной диагностики, но обновляй их каждые 2–3 урока в зависимости от того, карточки какого цвета берут ученики; пара, перешедшая на карточку выше, может начать следующий урок с новым напарником.

Меню дополнительных заданий для быстрых учеников

Сказать ученику, у которого всё готово раньше других, «помоги однокласснику» легко, но само по себе это не дополнительное задание: на этом уроке ему тоже стоит узнать что-то новое. Меню дополнительных заданий означает, что ученик знает, что делать, как только работа закончена, и ему не нужно идти к тебе. Напиши меню в углу доски или на обороте карточки продвинутого уровня.

• «Твоя очередь», но без подсказок: реши задание Твоя очередь в конце вкладки Разбор кода каждого проекта, не нажимая кнопки Подсказка и Показать решение, а потом сравни своё решение с решением в приложении. После этого придумай для одноклассников новое задание на том же проекте. Как устроены задания, мы рассказали в статье о разборе кода.
• Карточки справочника по коду: в Справочнике по коду карточки вроде millis(), массивов и tone() — фундамент для заданий продвинутого уровня. Каждая карточка заканчивается мини-тестом и разделом Посмотреть в проектах, так что ученик видит команду в других проектах, упорядоченных от простых к сложным. Как устроен справочник, рассказано в статье о справочнике команд Arduino.
• Переход к проектам Premium: когда бесплатные проекты пройдены, следующий шаг — проекты Premium с датчиками, дисплеями и моторами. Ученику для этого не нужны ни своя карта, ни подписка; достаточно одного из кодов педагога, о которых рассказано ниже.
• Собственный проект: предложи придумать проект, который объединяет два бесплатных: например, Светофор плюс Ночник на LDR дают светофор, который ночью мигает жёлтым. Сначала ученик пишет на бумаге цель, список деталей, таблицу пинов и план проверки, а потом собирает. Готовый проект ученик может опубликовать с фото и кодом как тему Руководство через Учёба › Форум › Новая публикация; тема становится публичной, а не закрытой записью класса.
• Роль наставника: место за столом экспертов — это работа, а не награда: наставник только задаёт вопросы и объясняет, но не трогает провода. Если один урок посвящён наставничеству, а следующий — собственному продвинутому заданию, быстрый ученик растёт и через объяснение, и через практику.
• Цель — новый уровень: в разделе Вопросы дня, когда шкала уровня ученика доходит до 100% и на этом уровне набрано достаточно ответов, открывается экзамен на переход; 9 верных ответов из 10 переводят на уровень выше. Цель «подняться на один уровень», поставленная в начале четверти, — это дополнительное задание, которое продолжается и за пределами урока.

Чтобы открыть проекты Premium нескольким быстрым ученикам, не обязательно покупать коды на весь класс. На экране Пакеты для педагогов в профиле есть пакеты на 5, 10 или 50 кодов, на месяц или на год. Оплата разовая и автоматически не продлевается; ученик вводит код на экране Активировать код и получает Premium без привязки карты к аккаунту Apple или Google. Неиспользованные коды не сгорают, а на экране Мои коды видно, кто каким кодом воспользовался. У каждого кода из годового пакета 6 передач, у каждого кода из месячного — 1: если в течение четверти код нужнее другому ученику, использованный код можно отменить и создать новый на оставшийся срок. В пакете на 10 кодов цена на одного ученика примерно на 20% ниже, чем в пакете на 5; актуальная цена для твоей страны видна на том же экране. Заранее предупреди учеников об одном: когда ученик активирует код, его имя, имя пользователя, email и фото профиля становятся видны педагогу, выдавшему код. Пакеты мы подробно разобрали в статье о кодах Premium оптом для класса.

Ученики, которым нужна поддержка: облегчаем нагрузку, а не цель

Для ученика, которому нужна поддержка, задача не в том, чтобы дать проект попроще, а в том, чтобы убрать с пути лишнюю нагрузку, пока он идёт к той же идее в том же проекте. Если ученик, для которого схемы в новинку, на первом же уроке пытается разобраться и во внутренних соединениях макетной платы, и в том, какой стороной ставить светодиод, и в выборе порта в Arduino IDE, и в коде, к концу урока не усвоено ничего из этого. Опоры (scaffolding) означают, что часть этой нагрузки ты временно берёшь на себя; по мере продвижения ученика опоры убираются одна за другой.

• Готовая схема: дай паре базового уровня уже собранную схему или половину схемы, где готова только часть на макетной плате. Так первые 15 минут не уходят на провода, и энергия ученика идёт на вопрос «какая строка что меняет?». На втором уроке половина схемы собирается своими руками, на третьем — вся.
• «Показать блоками» и «Разбор блоков»: переключатель Показать блоками на странице проекта показывает ту же программу в виде блоков; пока он включён, вкладка Разбор кода превращается в Разбор блоков и объясняет программу блок за блоком, шаг за шагом. Блоки нужны для чтения, а в плату по-прежнему загружается настоящий код проекта, но ученику, который читает блок «если value < 50», легко найти в коде строку if (value < 50).
• Карточки шагов: раздели схему и задание на 5–6 карточек, по одному шагу на карточку: «Вставь длинную ножку красного светодиода в ряд D2», «Поставь резистор 330 Ω между короткой ножкой светодиода и рядом GND». Когда шаг выполнен, ученик переворачивает карточку. Карточки делают прогресс видимым и сокращают число вопросов «а что теперь делать?».
• Режим «Собираем вместе»: режим Собираем вместе в приложении делит проект на четыре шага: Подготовь детали, Собери схему, Загрузи код, Запусти и проверь. В этом режиме экран не гаснет, и можно продолжить с того шага, где была остановка. Для пары базового уровня, у которой телефон лежит на столе, это работает как готовая колода карточек шагов. Подробности о режиме — в статье о первом проекте на Arduino.
• Короткие цели: раздели 40 минут на три маленькие цели и напиши их на доске: «1. Светодиоды загораются по очереди», «2. Длительность жёлтого изменена», «3. Изменение объяснено одним предложением». Отмечая каждую цель, ученик к концу урока видит, чего удалось добиться.
• Раздел «Если не получается»: в разделе Если не получается на вкладке Разбор кода перечислены частые симптомы и способы их устранить. Научить учеников базового уровня сначала смотреть туда, потом спрашивать одноклассника и только потом идти к тебе — первый шаг к самостоятельному решению проблем.

Удачный урок для пары базового уровня выглядит так: в проекте Ночник на LDR схема уже собрана, ученики читают блоки и своими словами говорят «если значение меньше 50, светодиод включается», ставят порог 300 и загружают код, закрывают LDR руками и видят, что светодиод теперь загорается раньше, а на вопрос на выходе пишут: «чем выше порог, тем меньше темноты нужно, чтобы включился светодиод». Кода здесь меньше, чем в задании с гистерезисом на продвинутом уровне, но идея та же: программа сравнивает измерение с числом и принимает решение. На следующем уроке с LDR та же пара может посмотреть значение в мониторе порта и выбрать порог самостоятельно, а это уже переход на средний уровень своими силами.

Честное оценивание: каждого оценивают от его собственного уровня

На дифференцированном уроке оценивать всех по одним и тем же критериям несправедливо вдвойне: ученик базового уровня получает низкую оценку, потому что до millis() у него дело не доходит, а продвинутый — высшую, не встретив ни одного настоящего вызова. Решение — разделить оценку на две части. Первая часть — критерии процесса, одинаковые на всех уровнях: предсказать и проверить, объяснить сделанное, найти ошибку. Вторая часть — достигнута ли цель собственного уровня и какой путь пройден с первой входной диагностики. Таблица ниже показывает, как один и тот же критерий выглядит на ступени «цель достигнута» на каждом уровне. Подробные критерии, форма сдачи и портфолио — в статье Критерии оценивания урока Arduino.

Пример расчёта оценки: из 100 баллов отдай 40 критериям процесса, одинаковым на всех уровнях (предсказание, объяснение, отладка), 40 — цели собственного уровня ученика и 20 — прогрессу. Балл за прогресс смотрит на то, был ли за четверть переход на уровень выше и насколько подтянулась слабая линия из входной диагностики (схемы, чтение кода или отладка). Допустим, ученик с 2 баллами на входной диагностике к середине четверти начинает брать карточки среднего уровня: за прогресс ему ставится полный балл. Ученик с 8 баллами, который всю четверть выполняет задания продвинутого уровня без настоящего вызова, получает баллы за прогресс, только если пробует что-то новое, например наставничество или собственный проект. Сделай общей планкой, что к концу четверти базовый уровень любого проекта каждый выполняет самостоятельно; тогда уровень не становится ни потолком, ни полом оценки.

Дифференцированный урок на 40 минут: «Светофор»

План ниже построен на проекте Светофор и рассчитан на первый урок после входной диагностики. Допустим, по итогам диагностики 5 пар из 12 получили базовую карточку, 4 — среднюю и 3 — продвинутую. Во время чтения проекта две пары сидят за одним столом в смешанной рассадке (одна пара базового уровня и одна среднего или продвинутого); на сборку и задания по уровням каждая пара возвращается к своему набору. Начало и конец урока у всех общие, а середина делится на три уровня.

Каждый вопрос на выходе требует ответа в одно предложение и определяет распределение уровней на следующий урок. Базовый: «Если заменить строку delay(2000) на delay(5000), какой свет будет гореть и сколько секунд?» Средний: «Что сделает твоя программа, если нажать кнопку прямо во время жёлтого, и почему?» Продвинутый: «Почему в версии с delay() нажатие кнопки иногда не срабатывает?» Если ученик базового уровня отвечает верно, на следующем уроке ему предлагают попробовать среднюю карточку; если ответ на продвинутом уровне расплывчатый, ученик остаётся на продвинутой карточке ещё на один урок.

• Листы входной диагностики проверены, стартовый уровень каждого ученика записан.
• Три карточки уровней для проекта распечатаны, копий хватает на центр каждого стола.
• Для базового уровня готовы собранные схемы или половины схем и карточки шагов.
• Дополнительные материалы для среднего и продвинутого уровней (кнопка, светодиод, 330 Ω, пассивный зуммер) разложены по парам.
• Записаны пары для смешанных столов на этапе чтения; для стола экспертов выбраны 2–3 продвинутых ученика.
• Меню дополнительных заданий написано в углу доски, короткие цели — на доске.
• Вопросы на выходе для трёх уровней готовы на отдельных листочках; по этим листочкам обновится распределение уровней на следующий урок.

Класс с разным уровнем подготовки при хорошей организации — не проблема, а ресурс: продвинутый ученик углубляет знания, объясняя, а ученик базового уровня остаётся частью класса, обсуждая тот же проект. Планируя следующий урок, можно начать с одного из четырёх проектов из таблицы: у всех них в приложении BlueGrays бесплатно открыты схема, код, блоки и разбор кода, а карточки уровней можно составлять прямо по их заданиям «Твоя очередь».