اصنع آلة فرز

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.
- قم بتزويد الطلاب بأكواب أو غيرها من الحاويات لاحتواء الأجسام التي يتم فرزها

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.

يمكن لآلات الفرز فرز الأجسام حسب الخصائص، مثل الحجم أو الوزن أو الجودة أو اللون. وهي تستخدم مجموعه متنوعة من المستشعرات لقياس هذه الخصائص، ومن ثم فرز كل جسم ضمن الفئة الصحيحة.

شجع إجراء عملية عصف ذهني فعالة.

اطلب من طلابك التفكير في هذه الأسئلة:

• ما الألوان التي ستقوم بفرزها؟
• ما حجم المكونات الذي ستقوم بفرزها؟
• ما نوع الآلية الميكانيكية التي يمكنها تحريك هذه المكوِّنات؟
• كيف يمكن للآلة استشعار الأماكن المختلفة؟
• 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

الخيار 1
لإدماج تنمية مهارات فنون اللغة، اطلب من طلابك:

• 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 فرز. وتستخدم صناعتي الأغذية والزراعة آلات الفرز لإدارة عمليات الإنتاج والتوزيع على نطاق واسع.
لإدماج تنمية مهارات فنون اللغة، اطلب من طلابك:

• وصف حجم صناعاتهم الغذائية أو الزراعية المحلية والإقليمية
• اختيار منتج غذائي أو زراعي على نطاق محدد يتراوح بين عمل تجاري صغير/مزرعة والإنتاج على مستوى وطني أو عالمي، وبحث قضايا الأمن السيبراني المتعلقة بالصناعات الغذائية والزراعية (على سبيل المثال، كيفية ضمان إنتاج منتجات غذائية آمنة وموثوق بها)

ملحق الرياضيات

في هذا الدرس، قام طلابك ببناء آلة فرز روبوتية تقوم بفرز الأجسام استنادًا إلى اللون. التعلم الآلي تقنية يستطيع المهندسون استخدامها لبناء آلات تستطيع فرز الأجسام وفقًا لفروقات قد تكون أكثر تعقيدًا من اللون. ولتحقيق ذلك، يستخدم المطورون عملية تعلم آلي تسمى التصنيف.
لدمج تنمية مهارات الرياضيات واستكشاف عملية التعلّم الآلي المسماة "التصنيف"، اطلب من طلابك:

• جمع نوع من الأجسام القابلة للفرز (على سبيل المثال، صخور أو بعض أنواع الفاكهة أو الأساور) ثم ملء جدول بيانات يسرد الاختلافات النوعية والكمية التي يمكن ملاحظتها بين الأجسام
• تحديد الاختلافات الملحوظة التي قد تؤدي إلى نشوء معيار فرز "مرغوب" مقابل "غير مرغوب" (على سبيل المثال، الوزن واللون والحجم والعيوب) لأي فئة واحدة من الأجسام
• اقتراح وربما بناء تصميم فرز جديد وخوارزمية برمجة للروبوتات الخاصة بهم من شأنها أن تمكنهم من الفرز وفق خصائص إضافية مثل الحجم أو الوزن

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.

• الأنبوب
• مستشعر الألوان 1
• مستشعر الألوان 2
• المربعات الملوَّنة
• مستشعر الدوران
• مستشعر اللمس
• المسارات
• 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:

• ضع علامة علي المكان لتحديد أين يُفترض بالآلة وضع الأجسام.
• استخدم الأكواب أو غيرها من الحاويات لاحتواء الأجسام المفروزة
• 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
from pybricks.parameters import (Port, Button, Color, ImageFile,
                                 SoundFile)
from pybricks.tools import wait

# The Color Squares are red, green, blue, or yellow.
POSSIBLE_COLORS = (Color.RED, Color.GREEN, Color.BLUE, Color.YELLOW)

# Configure the belt motor with default settings.  This motor drives
# the conveyor belt.
belt_motor = Motor(Port.D)

# Configure the feed motor with default settings.  This motor ejects
# the Color Squares.
feed_motor = Motor(Port.A)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when the belt motor
# has moved the sorter module all the way to the left.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S1)

# Set up the Color Sensor.  It is used to detect the color of the Color
# Squares.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it moves the 2 motors to their correct starting positions.
# Second, it waits for you to scan and insert up to 8 Color Squares.
# Finally, it sorts them by color and ejects them in their correct
# positions.
#
# Then the process starts over, so you can scan and insert the next set
# of Color Squares.
while True:
    # Initialize the feed motor.  This is done by running the motor
    # forward until it stalls.  This means that it cannot move any
    # further.  From this end point, the motor rotates backward by 180
    # degrees.  This is the starting position.
    feed_motor.run_until_stalled(120)
    feed_motor.run_angle(450, -180)

    # Initialize the conveyor belt motor.  This is done by first
    # running the belt motor backward until the Touch Sensor is
    # pressed.  Then the motor stops and the angle is reset to "0."  
    # This means that when it rotates backward to "0" later on, it
    # returns to this starting position.
    belt_motor.run(-500)
    while not touch_sensor.pressed():
        pass
    belt_motor.stop()
    wait(1000)
    belt_motor.reset_angle(0)

    # Clear all the contents from the Display.
    brick.display.clear()

    # Scanning a Color Square stores the color in a list.  The list is
    # empty to start.  It will grow as colors are added to it.
    color_list = []

    # This loop scans the colors of the objects.  It repeats until 8
    # objects are scanned and placed in the chute.  This is done by
    # repeating the loop while the length of the list is less than 8.
    while len(color_list) < 8:
        # Display an arrow that points to the Color Sensor.
        brick.display.image(ImageFile.RIGHT)

        # Display how many Color Squares have been scanned so far.
        brick.display.text(len(color_list))

        # Wait until the Center Button is pressed or a Color Square is
        # scanned.
        while True:
            # Store "True" if the Center Button is pressed or "False"
            # if not.
            pressed = Button.CENTER in brick.buttons()
            # Store the color measured by the Color Sensor.
            color = color_sensor.color()
            # If the Center Button is pressed or one of the possible
            # colors is detected, break out of the loop.
            if pressed or color in POSSIBLE_COLORS:
                break

        if pressed:
            # If the button was pressed, end the loop early.  It will
            # no longer wait for any Color Squares to be scanned and
            # added to the chute.
            break
        else:
            # Otherwise, a color was scanned, so it is added (appended)
            # to the list.
            brick.sound.beep(1000, 100, 100)
            color_list.append(color)

            # It should not register the same color again if it is
            # still looking at the same Color Square.  So, before
            # continuing, wait until the sensor no longer sees the
            # Color Square.
            while color_sensor.color() in POSSIBLE_COLORS:
                pass
            brick.sound.beep(2000, 100, 100)

            # Display an arrow pointing down and wait 2 seconds to
            # allow some time to slide the Color Square into the
            # motorized chute.
            brick.display.image(ImageFile.BACKWARD)
            wait(2000)

    # Play a sound and display an image to indicate that scanning is
    # complete.
    brick.sound.file(SoundFile.READY)
    brick.display.image(ImageFile.EV3)

    # Now sort the bricks using the list of colors that have been
    # stored.  Do this by looping over each color in the list.
    for color in color_list:

        # Wait for 1 second between each sorting action.
        wait(1000)

        # Run the conveyor belt motor to the position that corresponds
        # to the stored color.
        if color == Color.BLUE:
            brick.sound.file(SoundFile.BLUE)
            belt_motor.run_target(500, 10)
        elif color == Color.GREEN:
            brick.sound.file(SoundFile.GREEN)
            belt_motor.run_target(500, 132)
        elif color == Color.YELLOW:
            brick.sound.file(SoundFile.YELLOW)
            belt_motor.run_target(500, 360)
        elif color == Color.RED:
            brick.sound.file(SoundFile.RED)
            belt_motor.run_target(500, 530)

        # Now that the conveyor belt is in the correct position, eject
        # the colored object.
        feed_motor.run_angle(1500, 90)
        feed_motor.run_angle(1500, -90)

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

• الزراعة والبستنة (الميكنة والتكنولوجيا الزراعية)
• التصنيع والهندسة (تكنولوجيا الآلات)

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.