اصنع آلة رسم باستخدام الحاسوب (CNC)

الإعداد
- اقرأ مادة المعلم هذه جيدًا.
- عند الضرورة، خطط لدرس مستعينًا بمواد "الشروع في العمل" الموجودة في برنامج مختبر EV3 أو تطبيق برمجة EV3. وسيساعد ذلك على إلمام طلابك بمجموعة LEGO^® MINDSTORMS^® Education EV3.

المشاركة (30 دقيقة)
- استعن بالأفكار الموجودة في قسم إثارة مناقشة أدناه لإشراك طلابك في مناقشة بشأن هذا الدرس.
- اشرح المشروع.
- قسّم الفصل إلى فرق من طالبين.
- امنح الطلاب وقتًا لطرح الأفكار وتبادلها.

الاستكشاف (30 دقيقة)
- اطلب من الطلاب إنشاء عدد من النماذج الأولية.
- شجعهم علي استكشاف كل من البناء والبرمجة.
- اطلب من كل فريق بناء حلين واختبارهما.
- زودهم بورقه رسم بياني كبيرة وأقلام رصاص ملونة أو أقلام علام ملونه.

الشرح (60 دقيقة)
- اطلب من الطلاب اختبار حلولهم واختيار الأفضل من بينها.
- تأكد من أنهم يستطيعون إنشاء جداول الاختبار خاصتهم.
- اترك بعض الوقت حتى ينتهي كل فريق من مشروعه ويجمع الأصول لتوثيق عمله.

التوضيح (60 دقيقة)
- اترك لطلابك بعض الوقت لعمل تقاريرهم النهائية.
- يسِّر جلسة مشاركة حيث يعرض كل فريق نتائجه.

التقييم
- قدم الملاحظات عن أداء كل طالب.
- يمكنك الاستعانة بنماذج التقييم المتوفرة لتبسيط العملية.

تستخدم آلات التحكم العددي بواسطة الحاسوب (CNC) التعليمات المبرمجة مسبقًا للتحكم في أداة علي طول محور واحد أو أكثر بدقة عالية. ويشيع استخدامها في التصنيع المتكامل حاسوبيًا لتحويل التصميم الرقمي علي جهاز الحاسوب إلى جسم مادي.

شجع إجراء عملية عصف ذهني فعالة.

اطلب من طلابك التفكير في هذه الأسئلة:

• ما هي آلة CNC وأين تُستخدم؟
• ما أفضل طريقه لتثبيت قلم رصاص أو قلم علام؟
• أي نوع من الآليات الميكانيكية يمكنه تحريك قلم رصاص أو قلم علام في بُعدين؟
• ما ميزات التصميم التي ستضمن ان حركات الآلة دقيقه وقابله للتكرار؟

شجع الطلاب علي توثيق أفكارهم الأولية وشرح سبب اختيارهم الحل الذي سيستخدمونه للنموذج الأولي خاصتهم. اطلب منهم أن يصفوا كيف سيقيّمون أفكارهم خلال المشروع. وبهذه الطريقة، عندما يبلغ الطلاب مرحلتي المراجعة والتنقيح، سيكون لديهم معلومات محددة يمكنهم استخدامها لتقييم حلهم وتحديد ما إذا كان فعالاً أم لا.

ملحق فنون اللغة

لإدماج تنمية مهارات فنون اللغة، اطلب من طلابك:

الخيار 1

• استخدام عملهم الكتابي و/أو الرسومات و/أو الصور لتلخيص عملية التصميم الخاصة بهم وإنشاء تقرير نهائي.
• إنشاء فيديو يوضح عملية التصميم الخاصة بهم بدءًا من أفكارهم الأولية وانتهاءً بمشروعهم المكتمل.
• إنشاء عرض تقديمي بشأن برنامجهم.
• إنشاء عرض تقديمي يربط مشروعهم بتطبيقات واقعية لأنظمة مماثلة ويصف الاختراعات الجديدة التي يمكن ابتكارها بناءً على ما قاموا بإنشائه.

الخيار 2
في هذا الدرس، أنشأ طلابك آلة رسم يُديرها الكمبيوتر. تستخدم الآلات المدارة بالكمبيوتر نماذجَ تصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) يتم إنشاؤها بواسطة شخص لإنتاج قطع الغيار والمنتجات والنماذج الأولية. ويتم تمثيل نماذج CAD هذه بالبيانات المخزنة بواسطة أجهزة الكمبيوتر على الشبكات المحلية أو على مساحة التخزين السحابي.

• عقد المناقشة والكتابة حول مزايا وعيوب تخزين رسومات CAD على كمبيوتر واحد مقابل شبكة محلية مقابل التخزين السحابي
• مع الأخذ في الاعتبار أن المدارس ومقدمي البرامج التعليمية يتحملون التزامًا بحماية بيانات الطلاب بما فيها رسومات CAD الرقمية، فإن كتابة مقال معلوماتي يعرف خصوصية البيانات وأوجه ارتباطها بتخزين واجبات الطلاب عبر الإنترنت
• مقارنة ومقابلة مخاوف أمن المعلومات لشركة هندسية تخزن رسومات CAD على شبكة الإنترنت، ومدرسة تخزن رسومات CAD الخاصة بالطلاب على شبكة الإنترنت

ملحق الرياضيات

في هذا الدرس، أنشأ طلابك آلة رسم. ولكن ماذا لو كان هدفهم هو إنشاء آلة يمكنها رسم أشكال هندسية محددة؟ وماذا لو أرادوا أن تتحسن آلتهم في رسم أشكال محددة؟ إحدى الطرق للقيام بذلك هي استخدام نوع من الذكاء الاصطناعي يسمى التعلم الآلي. ومن أجل استخدام التعلم الآلي، يجب إعطاء النظام بيانات تدريبية "لتعليمه" ماهية الأشكال وكيفية تحديد ما إذا كان قد أنتج شكلًا محددًا بدقة.

من أجل دمج تنمية مهارات الرياضيات، وممارسة تطبيق هذه المهارات على موضوع التعلم الآلي، وتحديدا استخدام بيانات التدريب، اطلب من طلابك:

• كتابة تعريفات لثلاثة أشكال هندسية أساسية (على سبيل المثال، الدائرة والمربع والمثلث المتساوي الأضلاع)، وتحديد كيفية تغيير هذه التعريفات إذا كانت ستساعد روبوت الرسم على إنتاج كل شكل
• كتابة تعريف لشكل هندسي محدد بطريقة من شأنها أن تساعد روبوت الرسم على إنتاج هذا الشكل في حجم معين
• إلقاء نظرة على التعريفات التي كتبوها للتو، وإنشاء جدول بيانات تدريبي من شأنه أن يعلم الروبوتات الخاصة بهم الحركات اللازمة لتوليد الأشكال التي اختاروها

لمزيد من ربط المفاهيم والمهارات الرياضية بهذا الموضوع، اطرح هذه الأسئلة:

• ما الذكاء الاصطناعي؟ كيف يختلف عن مجموعة من الأوامر الموصوفة؟ ما الدور الذي تلعبه النماذج الرياضية في التمييز بين الذكاء الاصطناعي وقائمة بسيطة من الأوامر؟
• ماذا ستفعل لتغيير تصميم الروبوت الخاص بك حتى يتمكن من مراقبة محيطه وتعلم كيفية رسم الأشكال التي يراها؟

أفكار البناء
امنح طلابك فرصة لبناء بعض النماذج من الروابط أدناه. شجّعهم على استكشاف كيفية عمل هذه الأنظمة وطرح الأفكار حول كيفية استلهام حل لملخص تصميم منها.

• مستشعر الألوان 1
• أداة الإمساك
• مستشعر الدوران
• حامل القلم
• الأرجوحة
• مستشعر اللمس
• السطح الدوّار

نصائح الاختبار
شجع طلابك على تصميم إعداد وإجراءات الاختبار الخاصة بهم لتحديد أفضل الحلول. يمكن أن تساعد هذه النصائح طلابك أثناء إعداد الاختبار الخاص بهم:

• حدد موضع الآلة على ورقة الرسم البياني للمساعدة في ضمان وضعها في الموضع نفسه في كل تجربة اختبار.
• استخدم خطوط الشبكة لتحديد مربعات 1 سم × 1 سم للمساعدة في تسجيل نتائج كل تجربة اختبار.
• أنشئ جداول اختبار لتسجيل ملاحظاتك.
• قيِّم دقه الآلة الخاصة بك عن طريق مقارنه النتائج المتوقعة مع النتائج الفعلية.
• كرر الاختبار ثلاث مرات على الأقل.

مثال لحل
فيما يلي مثال لحل يلبي معايير ملخص التصميم:

نموذج برنامج EV3 MicroPython

#!/usr/bin/env pybricks-micropython

from pybricks import ev3brick as brick
from pybricks.ev3devices import (Motor, TouchSensor, ColorSensor,
                                 GyroSensor)
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, Color, ImageFile
from pybricks.tools import wait

# Configure the turntable motor, which rotates the arm.  It has a
# 20-tooth, a 12-tooth, and a 28-tooth gear connected to it.
turntable_motor = Motor(Port.B, Direction.CLOCKWISE, [20, 12, 28])

# Configure the seesaw motor with default settings.  This motor raises
# and lowers the Pen Holder.
seesaw_motor = Motor(Port.C)

# Set up the Gyro Sensor.  It is used to measure the angle of the arm.
# Keep the Gyro Sensor and EV3 steady when connecting the cable and
# during start-up of the EV3.
gyro_sensor = GyroSensor(Port.S2)

# Set up the Color Sensor.  It is used to detect whether there is white
# paper under the drawing machine.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when it is pressed,
# telling it to start drawing the pattern.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

def pen_holder_raise():
    # This function raises the Pen Holder.
    seesaw_motor.run_target(50, 25, Stop.HOLD)
    wait(1000)

def pen_holder_lower():
    # This function lowers the Pen Holder.
    seesaw_motor.run_target(50, 0, Stop.HOLD)
    wait(1000)

def pen_holder_turn_to(target_angle):
    # This function turns the arm to the specified target angle.
    
    # Run the turntable motor until the arm reaches the target angle.
    if target_angle > gyro_sensor.angle():
        # If the target angle is greater than the current Gyro Sensor
        # angle, run clockwise at a positive speed.
        turntable_motor.run(70)
        while gyro_sensor.angle() < target_angle:
            pass
    elif target_angle < gyro_sensor.angle():
        # If the target angle is less than the current Gyro Sensor
        # angle, run counterclockwise at a negative speed.
        turntable_motor.run(-70)
        while gyro_sensor.angle() > target_angle:
            pass
    # Stop the motor when the target angle is reached.
    turntable_motor.stop(Stop.BRAKE)


# Initialize the seesaw.  This raises the Pen Holder.
pen_holder_raise()


# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it waits until the Color Sensor detects white paper or a blue
# mark on the paper.
# Second, it waits for the Touch Sensor to be pressed before starting
# to draw the pattern.
# Finally, it draws the pattern and returns to the starting position.
#
# Then the process starts over, so it can draw the pattern again.
while True:
    # Set the Brick Status Light to red, and display "thumbs down" to
    # indicate that the machine is not ready.
    brick.light(Color.RED)
    brick.display.image(ImageFile.THUMBS_DOWN)

    # Wait until the Color Sensor detects blue or white paper.  When it
    # does, set the Brick Status Light to green and display "thumbs up."
    while color_sensor.color() not in (Color.BLUE, Color.WHITE):
        wait(10)
    brick.light(Color.GREEN)
    brick.display.image(ImageFile.THUMBS_UP)

    # Wait until the Touch Sensor is pressed to reset the Gyro Sensor
    # angle and start drawing the pattern.
    while not touch_sensor.pressed():
        wait(10)

    # Draw the pattern.
    gyro_sensor.reset_angle(0)
    pen_holder_turn_to(15)
    pen_holder_lower()
    pen_holder_turn_to(30)
    pen_holder_raise()
    pen_holder_turn_to(45)
    pen_holder_lower()
    pen_holder_turn_to(60)

    # Raise the Pen Holder and return to the starting position.
    pen_holder_raise()
    pen_holder_turn_to(0)

قد يرغب الطلاب الذين استمتعوا بهذا الدرس في استكشاف هذه المسارات المهنية:

• التصنيع والهندسة (تكنولوجيا الآلات)
• فنون التواصل والإعلام (الإعلام الرقمي)

القائمة المرجعية لملاحظات المعلم
أنشيء مقياسًا يناسب احتياجاتك، على سبيل المثال:

1. منجز بصورة جزئية
2. منجز بالكامل
3. منجز بصورة تتجاوز الهدف المحدد

استعن بمعايير النجاح التالية لتقييم مدى تقدم طلابك:

• يستطيع الطلاب تقييم حلول التصميم المتنافسة بناءً على المعايير ذات الأولوية واعتبارات المقايضة.
• يستطيع الطلاب العمل بشكلٍ مستقل لتطوير حل إبداعي وعملي.
• يستطيع الطلاب توصيل أفكارهم بوضوح.

التقييم الذاتي
عقب قيام طلابك بجمع بعض بيانات الأداء، امنحهم الوقت للتفكير في حلولهم. ساعدهم من خلال طرح الأسئلة، مثل:

• هل الحل الخاص بك يلبي معايير ملخص التصميم ؟
• هل يمكن جعل حركة(حركات) الآلة أكثر دقة؟
• اذكر بعضًا من الطرق التي انتهجها الطلاب الآخرون في حل المشكلة؟

اطلب من طلابك التفكير في طريقتين لتحسين حلولهم وتوثيقهما.

ملاحظات النظراء
شجع الطلاب على إجراء عملية مراجعة النظراء بحيث تتولى كل مجموعة مهمة تقييم مشروعاتها ومشروعات المجموعات الأخرى. ويمكن لعملية المراجعة هذه مساعدة الطلاب في تنمية مهارات إبداء الملاحظات البنَّاءة وكذلك صقل مهارات التحليل والقدرة على استخدام البيانات الموضوعية لإقامة الحجة.