Когда Arduino интереснее Minecraft: как работают классы микроэлектроники

Что делать, если ребенок проявляет интерес к технике в раннем возрасте? Например, под влиянием родственников. Конечно, есть кружки, профильные летние лагеря и домашние занятия. Внутри семьи можно показать, чем занимаются взрослые: научить паять и познакомить детей с инженерным направлением. А вот раскрыть многообразие специальностей и уйти на серьезную глубину без лабораторного оборудования уже трудно. Построить на этом фундаменте системное образование с 5 по 11 классы — вообще задачка со звездочкой.

Сам разрыв в подготовке возникает чуть позже. При поступлении в вуз можно часто слышать: «Забудьте всё, чему вас учили в школе». Приходится выбрасывать школьные знания и переучиваться. При этом вузы также не всегда успевают адаптировать программу под требования рынка. Сейчас высшее образование лишь косвенно определяет, чем нужно будет заниматься дальше. В лучшем случае студент понимает это во время практики или стажировки.

Чтобы сократить разрыв, бизнес всё чаще создает свои кафедры, открывает больше стажировок, стараясь раньше включать студентов в реальные процессы и постепенно отлаживать передачу эстафеты.

Для среднего образования вопрос непрерывности инженерного трека остаётся открытым.

Несколько лет назад я проводила эфир с инженером и преподавателем Юрием Панчулом, посвященный подготовке разработчиков чипов в «Школе синтеза цифровых схем». Тогда меня зацепила его мысль: «Честно говоря, проектировщик чипов виден уже в возрасте 16 лет». Здесь для меня сошлись сразу несколько смыслов.

Во-первых, личный опыт. Когда моему сыну было семь, мы столкнулись с ситуацией, что инженерные кружки начинают набор с 12 лет, а их программа рассчитана на два-три года. Поступив в том же году в ДНТТМ, я поняла, что ребенок уже знаком со многими темами. Как выяснилось позже, другие родители также сталкивались с проблемой слишком короткого образовательного трека. Нас объединял вопрос: «Что делать, если нужно углубление, а идти некуда?».

Чем больше дети узнают, тем быстрее упираются в потолок, и возрастает риск потерять их как начинающих специалистов. До вуза еще далеко, а навыки нужно развивать и постоянно оттачивать, чтобы среднее образование было трамплином к высшему.

В этой точке разрыв эстафеты между школой и вузом чувствуется больше всего. Например, школьная информатика не предусматривает изучение машинного обучения, низкоуровневых языков программирования и ряда других технологий, которые важны для инженерных специальностей.

Во-вторых, опыт кружка ДНТТМ показал, что ученики средней школы могут справляться со сложными вузовскими темами, когда у них есть мотивация. Чтобы выйти на этот уровень в среднем образовании, нужно сбалансировать весь процесс обучения.

1. Отбирать учеников не только по знаниям, но и по способности сосредоточиться, чтобы эффективно работать в группах.
2. Привлечь вузовских преподавателей, которым откликнется идея заниматься с детьми «взрослыми» темами, чтобы построить мостик между школой и профессиональным образованием.
3. Обеспечить доступ к новому оборудованию в таком объеме, чтобы каждый мог сделать корпусирование и плату прямо в классе.
4. Составлять расписание так, чтобы курсы микроэлектроники не конфликтовали со школьной программой и подготовкой к ЕГЭ.
5. Не упрощать учебу до игры и сохранять достаточную сложность содержания, чтобы постепенно приближаться к университетскому и профессиональному уровню.

Забегая вперед, отмечу, что теперь наши преподаватели говорят о том, что их ученики показывают результаты на уровне студентов. Причина кроется в самом подходе к образованию. В том, что классы микроэлектроники позволяют провести больше экспериментов, попробовать больше сценариев и набить шишки в комфортных условиях. Дети сами приходят к пониманию, какие навыки нужно развивать, чтобы создавать рабочие решения.

Мы стараемся внимательно следить за тем, что нравится ученикам, а переключение между проектами поддерживает мотивацию на высоком уровне и помогает открывать новые знания от урока к уроку. Например, если у нас появится сразу несколько учеников, которые захотят заниматься Python углубленно, мы организуем курс, как сейчас это происходит в направлении работы с данными.

В-третьих, я много раз слышала от инженеров, что для занятий низкоуровневым программированием нужно просто родиться со способностями. У меня была гипотеза про характерный набор качеств, которые определяют склонность к подобным занятиям. Например, дети с подходящим складом ума не бросают логические цепочки, не завершив их. Если сегодня что-то не получается, на следующий день они опять возвращаются к задаче.

Детям, как и взрослым, важно получать честную обратную связь по своим удачным и неудачным решениям. Это дает не только понимание, какие вещи еще нужно подтянуть, но и снижает плотность «тумана» вокруг, избавляет от страха ошибиться. Если ребенок готов признаваться, что он опасается, будто не хватит времени, знаний или практики, на самом деле, он уже победил эти страхи.

Для нас методология начинается не в первый учебный день, а в точке отбора ребят в классы. Нам важно определить, действительно ли импульс для занятий микроэлектроникой исходит от ребенка, а не от родителей. Можно долго говорить про обучение из-под палки, но это плохо работает на длинных дистанциях. Мы всегда видим, когда дети приходят «отбывать» смену, потому что так нужно, и когда они по-настоящему увлечены процессом.

Важно понять, как ученик относится к личному творчеству, сможет ли он работать в группе. Где для него начинаются и заканчиваются игры. Поэтому кроме экзаменов по математике и на пространственное мышление, мы смотрим на то, как ребенок ведет себя со взрослыми и другими детьми.

Поступление начинается с пятидневного лагеря, чтобы новые ученики познакомились с нашими правилами, техникой и другими ребятами, которые уже давно учатся в классах микроэлектроники и могут дать им реалистичное представление о том, как устроены занятия. Мы стараемся подключать лучших учеников к адаптации, даем им менторские функции, чтобы другие дети тянулись за сверстниками. Замечу, что мы используем эту практику не только во время лагеря, но и в ежедневной учебе.

За пять дней новички создают микропроекты в режиме конструктора: когда большая часть материала и инструментов уже доступны, но нужно построить работу в группе и правильно скомпоновать элементы. Даже если ребята не проходят отбор, мы стараемся давать развернутую обратную связь, чтобы дети не теряли веру в свои силы и продолжали заниматься техническими науками. В попытке погрузить учеников в более сложные темы и построить плотную связь с вузом, важно самим не отбить мотивацию и не стать узким местом в инженерном треке.

Когда мы только открывали набор в пятый класс, у нас не было детально расписанной программы на каждый год. Мы видели только начало пути, предполагали реперные точки и понимали, что результатом каждого года обязательно должна быть проектная работа ребенка. Именно через проекты проще всего собирать навыки в единую инженерную задачу.

Теперь, благодаря сотрудничеству с вузами и компаниями, мы проводим ежегодные встречи, чтобы актуализировать программу для младших и верифицировать ее для самых старших, согласно опыту прошедшего учебного года. Так мы решаем проблему недостаточного погружения в средней школе, с которой я и другие родители сталкивались в кружках.

Если в пятом классе мы активно используем геймификацию, чтобы поддерживать необходимый уровень вовлечения, то к седьмому в этом отпадает необходимость. Наш основной принцип работы — декомпозиция. Так ученики понимают, что большие задачи можно разбирать на мелкие составляющие и пошагово собирать цельную картину.

Например, в этом году в формате летней смены ученики будут проектировать роботов, которые умеют распознавать кубики по цвету и маршрутизировать их доставку. Чтобы реализовать проект, нужно создать корпус, напечатать платы, обучить модель различать цвета. Каждый этап подготовки предполагает использование новых инструментов от простого к сложному, а также воспитывает навык командной работы.

В школьной песочнице проще переключаться, чем когда студент становится связан с конкретной кафедрой. Замечу, что в пятом классе мы не ждем, что ученик за год подготовит и реализует проект на С++. Мы ждем только защиту презентации проекта, чтобы он сам понял, какие навыки и инструменты придется освоить для реализации. Защита первого реализованного проекта проходит уже в шестом классе.

Принято считать, что детей проще увлечь вещами, которые можно потрогать. Что начальное образование можно построить исключительно на эмпирическом познании. Но мы считаем, что так теряется база, поэтому стараемся идти последовательно, чередуя теорию и практику.

Мы стремились создать условия, которые будут максимально близки к реальным лабораториям. Поэтому поставили и настроили оборудование прямо в школе, чтобы не отрываться от образовательного процесса, когда приходит время закрепить материал на практике. Так мы протягиваем коммуникации между школой, вузом и производством.

Наш парк оборудования:

• линия производства печатных плат: фрезерные станки для изоляции дорожек, обрезки и сверления отверстий;
• несколько принтеров PICASO 3D для моделирования и корпусирования;
• три лазерных станка различной мощности для фотолитографии и тримминга резисторов;
• три компьютерных класса для работы с 3D-моделями, большими данными и обучения ML-моделей.

На старте проекта казалось, что найти единомышленников среди преподавателей будет труднее, чем оборудование. На практике всё получилось наоборот: многие эксперты хотели работать с детьми, но не находили для этого подходящей среды.

Поэтому главная задача была не столько собрать команду, сколько договориться о подходе к обучению. Для нас было важно, чтобы преподаватели разделяли идею системной подготовки, а не фокусировались только на олимпиадах. Подготовка к олимпиадам — это отдельный вид спорта, который требует много времени и часто уводит в сторону от основной учебной программы.

Ключевой момент, в котором мы сходимся с преподавательским составом — внимание к построению фундамента и глубина постановки задач. Например, в разговоре с преподавателем МАИ Дмитрием Сурковым, я сказала: «Давайте не просто учить компонентной базе, а делать курс, который позволит детям сформулировать для себя базовые идеи микроэлектроники». Только тогда ему стало по-настоящему интересно, и мы получили ценного преподавателя электроники.

Об успехе того или иного подхода к школьному образованию может говорить количество выпускников, поступивших в престижные вузы или количество выигранных олимпиад. При этом для классов микроэлектроники олимпиады по математике и физике не профильный формат, хотя готовить таких ребят мы можем существующим составом педагогов.

В олимпиадах по математике мало заданий на дискретное пространственное мышление, а это ключевой для наших учеников навык. Если говорить про олимпиады по физике, то они часто фокусируются на теории и уходят далеко от практики. То есть олимпиадные задания редко можно переложить на реальные задачи, но хорошие примеры здесь тоже есть. Например, олимпиады от физического факультета МГУ. Углубленная, но школьная физика. Нам не нужен дополнительный уровень олимпиадных абстракций, поскольку в отрасли востребованы другие подходы, инструменты и практики, и учить стоит взаимодействию с ними.

Для мотивации малышей нам больше подходят соревнования по робототехнике, например, Робостеп. Такие конкурсы требуют комплексного подхода, объединяющего предметы, которые мы углубленно изучаем в школе: математику, физику, программирование и умение работать с оборудованием. Задания фокусируются не на олимпиадных стандартах, а требуют создания своих роботов. В параллели 5−6 классов в этом году двое наших учеников стали победителями, трое призерами МОШ по робототехнике.

У нас также в этом году два призера и победителя МОШ по физике и математике, несколько выходов на региональный этап ВСОШ. Двое учеников стали победителями муниципального этапа ВСОШ сразу в пяти предметах. Еще один ученик восьмого класса стал участником заключительного этапа всероссийской олимпиады Максвелла.

Несколько наших учеников из восьмого класса в первый раз участвовали в Робофесте, еще одной олимпиаде, объединяющей хорошие инженерные проекты и глубокое знание физики. У нас уже есть победа и призовое место. В 11 классе победа в состязании такого уровня обеспечивает проход без вступительных испытаний или 100 баллов к ЕГЭ/ДВИ по физике во всех топовых технических вузах.

Если говорить про общие результаты, то в этом году ученики классов микроэлектроники 49 раз получали статус призера или победителя проектных конференций и конкурсов. Учитывая, что проект существует четыре года — это заметный результат.

С одной стороны, сейчас мы не можем до конца оценить вклад классов микроэлектроники в поступление, поскольку первые выпускники появятся только через два года. Это все еще эксперимент, который мы продолжаем наблюдать. Возможно, мы увидим влияние классов даже позже, во время стажировок.

С другой стороны, классы делают уникальную попытку, если не построить систему раннего профориентирования, то показать детям, как вообще можно развиваться в инженерном деле в русле такой многоаспектной дисциплины как микроэлектроника. Привлечение вузовских преподавателей помогает с навигацией и дает возможность попробовать разные области знаний, от биочипов до спутниковых двигателей, от физики плазмы до создания математических моделей.

Так классы стараются убрать разрывы на протяжении всего инженерного трека и валидировать запросы учеников относительно рынка: «Кем я могу стать, если нравится информационная безопасность и Python? Что если я люблю паять и математику?». Наша ключевая задача — слушать и учитывать импульсы учеников, чтобы обеспечивать условия для занятий действительно интересными проектами.