Eine CNC-Zeichenmaschine entwickeln

Vorbereiten
- Lesen Sie diese Unterrichtsmaterialien durch.
- Falls Sie es für nötig erachten, planen Sie eine Unterrichtsstunde ein, in der Sie zur Einführung die Erste-Schritte-Materialien in der EV3 Desktop-Software oder der EV3 Programmier-App bearbeiten. Dies wird Ihren Schülerinnen und Schülern dabei helfen, sich mit LEGO^® MINDSTORMS^® Education EV3 vertraut zu machen.

Einführen (30 Min.)
- Nutzen Sie die unten stehenden Diskussionsideen, um ein Gespräch über den Inhalt dieses Projekts anzuregen.
- Erklären Sie das Projekt.
- Teilen Sie die Klasse in Zweierteams auf.
- Geben Sie den Schülerinnen und Schülern Zeit, um Ideen zusammenzutragen.

Erkunden (30 Min.)
- Lassen Sie die Teams mehrere Prototypen entwickeln.
- Regen Sie sie dazu an, sowohl beim Bauen als auch beim Programmieren zu experimentieren.
- Lassen Sie die Teams zwei Lösungen bauen und testen.
- Geben Sie ihnen ein großes Blatt Millimeterpapier sowie Bunt- oder Filzstifte.

Erklären (60 Min.)
- Lassen Sie jedes Team seine Lösungen ausprobieren und anschließend die beste auswählen.
- Achten Sie darauf, dass sie in der Lage sind, eigene Tabellen für die Tests zu erstellen.
- Lassen Sie den Teams etwas Zeit, um ihre Projekte abzuschließen und Materialien zum Dokumentieren ihrer Arbeit zusammenzustellen.

Vertiefen (60 Min.)
- Geben Sie den Teams Zeit, um ihren Abschlussbericht zu erstellen.
- Lassen Sie die Teams einzeln ihre Ergebnisse vorstellen.

Beurteilen
- Geben Sie allen Schülerinnen und Schülern einzeln Rückmeldung zu ihrer jeweiligen Leistung.
- Zur Unterstützung können Sie hierfür die Bewertungsraster nutzen.

CNC-Maschinen sind Werkzeugmaschinen mit einer computergestützten numerischen Steuerung. Die Abkürzung CNC kommt aus dem Englischen und steht für „Computerized Numerical Control“. Diese Maschinen nutzen vorab programmierte Anweisungen, um ein Werkzeug mit höchster Genauigkeit entlang einer oder mehrerer Achsen zu bewegen. Sie kommen häufig in computerintegrierten Fertigungsprozessen zum Einsatz. Hier übertragen sie digitale Konstruktionen von einem Computer auf ein echtes Werkstück.

Regen Sie die Schülerinnen und Schüler dazu an, ihre Ideen auszutauschen.

Bitten Sie sie, über folgende Fragen nachzudenken:

• Was ist eine CNC-Maschine und wo wird sie verwendet?
• Wie könnte man einen Stift am besten daran befestigen?
• Welche Art von motorisiertem Mechanismus kann den Stift in zwei Dimensionen bewegen?
• Welche Konstruktionsmerkmale werden sicherstellen, dass die Bewegungen der Maschine präzise und wiederholbar ausgeführt werden?

Ermutigen Sie die Teams dazu, ihre ersten Ideen zu dokumentieren und zu begründen, warum sie diese oder jene Lösung für den ersten Prototyp ausgewählt haben. Fragen Sie, wie man die ausgewählten Ideen im weiteren Verlauf des Projekts beurteilen könnte. Wenn die Teams später ihre Arbeit überprüfen und überarbeiten, haben sie so bereits genaue Anhaltspunkte, die sie zum Beurteilen ihrer Lösung heranziehen können. Darauf aufbauend können sie entscheiden, ob die Lösung ihren Zweck erfüllt oder nicht.

Erweiterung: sprachliche Ausdrucksfähigkeit

Um die sprachliche Ausdrucksfähigkeit zu fördern, können Sie die Schülerinnen und Schüler Folgendes tun lassen:

Option 1

• Mithilfe von schriftlichen Aufzeichnungen und/oder Fotos den Konstruktionsprozess zusammenfassen und einen Abschlussbericht erstellen
• Ein Video erstellen, das den Konstruktionsprozess zeigt – von den ersten Ideen bis zum fertigen Projekt
• Eine Präsentation über ihr Programm erarbeiten
• Eine Präsentation erarbeiten, in der sie eine Verbindung zwischen ihrem Projekt und Anwendungen ähnlicher Systeme aus dem Alltag herstellen sowie neue Erfindungen beschreiben, die man auf Grundlage ihrer Arbeit entwickeln könnte

Option 2
Für diese Aufgabe haben die Teams eine CNC-Zeichenmaschine gebaut. CNC-Maschinen produzieren Teile, Produkte und Prototypen mithilfe von CAD-Modellen (CAD: computer-aided design, zu deutsch: computergestütztes Konstruieren), die von einer Person erstellt wurden. Diese CAD-Modelle werden mithilfe von Daten dargestellt, die auf Computern, in lokalen Netzwerken oder in der Cloud gespeichert werden.

• Die Vor- und Nachteile diskutieren, die sich durch das Speichern von CAD-Modellen auf einem einzelnen Computer, in einem lokalen Netzwerk und in der Cloud ergeben
• Vor dem Hintergrund, dass Schulen und Anbieter von Schulsoftware Schülerdaten (z. B. digitale CAD-Modelle) schützen müssen, einen informativen Aufsatz über Datenschutz schreiben und darauf eingehen, was das für die Online-Speicherung von Schülerarbeiten bedeutet
• Vergleichen, welche Datenschutzaspekte für ein Maschinenbauunternehmen relevant sind, das CAD-Modelle online speichert, und welche für eine Schule von Bedeutung sind, die CAD-Modelle von Schülerinnen und Schülern speichern

Erweiterung: Mathematik

Für diese Aufgabe haben die Teams eine Zeichenmaschine gebaut. Aber was wäre, wenn sie eine Maschine entwickeln sollten, die bestimmte geometrische Formen zeichnen kann? Was wäre, wenn die Maschine lernen sollte, bestimmte Formen immer besser zu zeichnen? Eine Möglichkeit, das zu erreichen, ist die Verwendung einer künstlichen Intelligenz, die auch als maschinelles Lernen bezeichnet wird. Um das maschinelle Lernen anwenden zu können, muss man dem System Trainingsdaten geben, damit es lernen kann, was Formen sind. Auf diese Weise lernt das System auch, zu bestimmen, ob es eine bestimmte Form präzise gezeichnet hat.

Um mathematische Fähigkeiten zu fördern und sie im Kontext des maschinellen Lernens anzuwenden – insbesondere in Bezug auf die Verwendung von Trainingsdaten – können Sie die Schülerinnen und Schüler Folgendes tun lassen:

• Die Definitionen von drei einfachen geometrischen Formen (z. B. Kreis, Viereck, gleichseitiges Dreieck) aufschreiben und bestimmen, wie man diese Definitionen anpassen muss, sodass eine Zeichenmaschinen damit die jeweilige Form zeichnen kann
• Die Definition einer bestimmten geometrischen Form so formulieren, dass eine Zeichenmaschine damit die Form in einer bestimmten Größe zeichnen kann
• Mithilfe der Definitionen eine Tabelle mit Trainingsdaten erstellen, mit denen die Zeichenmaschinen die Bewegungen lernen können, die zum Zeichnen der ausgewählten Formen nötig sind

Um weitere mathematische Konzepte und Fähigkeiten mit diesem Thema zu verknüpfen, können Sie folgende Fragen stellen:

• Was ist künstliche Intelligenz? Wie unterscheidet sie sich von einer Reihe festgelegter Befehle? Welche Rolle spielen mathematische Modelle beim Unterscheiden zwischen künstlicher Intelligenz und einer einfachen Liste von Befehlen?
• Wie würdet ihr die Konstruktion eures Modells verändern, damit es seine Umgebung wahrnehmen und dadurch lernen kann, die Formen zu zeichnen, die es sieht?

Anregungen zum Bauen
Geben Sie den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, verschiedene Beispiele (siehe Links unten) zu bauen. Regen Sie sie dazu an, selbst zu erforschen, wie diese Systeme funktionieren. Anschließend sollen sie Ideen dazu sammeln, wie man diese Systeme zum Lösen der Konstruktionsaufgabe nutzen könnte.

• Farbsensor 1
• Greifer
• Gyrosensor
• Stifthalter
• Wippe
• Berührungssensor
• Drehscheibe

Tipps zum Testen der Lösung
Ermutigen Sie die Teams dazu, ein eigenes Testverfahren zu entwerfen, um die beste Lösung zu bestimmen. Diese Tipps können ihnen dabei helfen:

• Position der Maschine auf dem Millimeterpapier markieren, damit sie bei jedem Testlauf an derselben Stelle steht
• Mithilfe der Raster 1 x 1 cm große Quadrate festlegen, mit denen die Ergebnisse jedes Testlaufs aufgezeichnet werden können
• Testtabellen zum Aufzeichnen der Beobachtungen vorbereiten
• Präzision der Maschine auswerten, indem man die erwarteten Ergebnisse mit den tatsächlichen Ergebnissen vergleicht
• Test mindestens dreimal wiederholen

Beispiellösung
Hier ist eine Beispiellösung, die alle Kriterien der Konstruktionsaufgabe erfüllt:

Beispielprogramm mit 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)

Schülerinnen und Schüler, die sich für diese Aufgabe begeistern, könnten sich auch für folgende Berufszweige interessieren:

• Fertigungstechnik und Maschinenbau (Maschinenbau)
• Medien- und Kommunikationswissenschaft (digitale Medien)

Checkliste für Beobachtungen
Erstellen Sie eine geeignete Bewertungsskala, wie zum Beispiel:

1. Erwartungen zum Teil erfüllt
2. Erwartungen vollständig erfüllt
3. Erwartungen übertroffen

Nutzen Sie die folgenden Kriterien, um den Lernfortschritt der Schülerinnen und Schüler zu beurteilen:

• Sie können konkurrierende Lösungen auf Grundlage von priorisierten Kriterien beurteilen. Dabei denken sie auch über Kompromisse nach, die sie eingehen müssen.
• Sie können selbstständig eine kreative Lösung finden und entwickeln.
• Sie können ihre Ideen klar und deutlich kommunizieren.

Selbsteinschätzung
Wenn die Teams einige Leistungsdaten zusammengetragen haben, geben Sie ihnen Zeit, um über ihre Lösungen nachzudenken. Geben Sie Impulse durch Fragen wie:

• Erfüllt die Lösung die Kriterien aus der Konstruktionsaufgabe?
• Könnte man die Bewegung(en) der Maschine noch präziser gestalten?
• Wie haben andere Teams die Aufgabe gelöst?

Bitten Sie die Teams, Ideen dazu zu sammeln, wie sie ihre Lösungen verbessern könnten. Anschließend sollen sie zwei Verbesserungsmöglichkeiten dokumentieren.

Gegenseitiges Feedback
Regen Sie eine Art „Peer-Review“ an, bei der jedes Team das eigene Projekt und die Projekte der anderen Teams beurteilen soll. Dieser Beurteilungsprozess hilft den Schülerinnen und Schülern dabei, ihre Fähigkeit zu konstruktiver Kritik zu entwickeln. Außerdem lernen sie dabei, auf Grundlage objektiver Daten zu argumentieren und zu urteilen.