Crea una macchina da disegno CNC

Preparazione
- Leggi il materiale per l'insegnante.
- Se lo ritieni necessario, pianifica una lezione utilizzando il materiale introduttivo presente nel software EV3 Lab o nell'app EV3 Programming per aiutare gli studenti a familiarizzare con LEGO^® MINDSTORMS^® Education EV3.

Coinvolgimento (30 min.)
- Utilizza le idee suggerite nella sezione Avvia una discussione riportata di seguito per coinvolgere gli studenti in una discussione incentrata sul progetto.
- Spiega il progetto.
- Dividi la tua classe in team composti da due studenti.
- Concedi agli studenti il tempo necessario per scambiarsi le idee.

Esplorazione (30 min.)
- Chiedi agli studenti di creare vari prototipi.
- Incoraggiali a esplorare sia la costruzione che la programmazione.
- Chiedi ad ogni coppia di studenti di costruire e testare due soluzioni.
- Consegna loro un foglio grande di carta millimetrata e matite o pennarelli colorati.

Spiegazione (60 min.)
- Invita gli studenti a testare le proprie soluzioni e a scegliere la migliore.
- Accertati che siano in grado di creare le proprie tabelle di test.
- Concedi ad ogni team il tempo necessario per completare il proprio progetto e raccogliere risorse per documentare il lavoro svolto.

Elaborazione (60 min.)
- Concedi agli studenti il tempo necessario per elaborare i report finali.
- Avvia una sessione di condivisione in cui ogni team presenta i risultati ottenuti.

Valutazione
- Fornisci un riscontro su ciò che ogni studente ha realizzato.
- Per semplificare la procedura, puoi utilizzare le sezioni di valutazione fornite.

Le macchine a controllo numerico computerizzato (CNC) si basano su istruzioni pre-programmate per gestire uno strumento che si sposta lungo uno o più assi garantendo un'elevata precisione. Sono comunemente utilizzate nella produzione integrata computerizzata per trasformare in un oggetto fisico un progetto digitale elaborato su un computer.

Incoraggia un processo di brainstorming attivo.

Chiedi agli studenti di riflettere su queste domande:

• Che cos'è una macchina CNC e dove viene utilizzata?
• Qual è il modo migliore per fissare una matita o un pennarello?
• Quale tipo di meccanismo motorizzato è in grado di muovere la matita o il pennarello in due dimensioni?
• Quali funzionalità di progettazione possono garantire che i movimenti della macchina siano accurati e ripetibili?

Incoraggia gli studenti a documentare le loro idee iniziali e a spiegare perché hanno scelto la soluzione che utilizzeranno per creare il loro primo prototipo. Invitali a descrivere la modalità di valutazione delle loro idee durante tutto il progetto. In questo modo, quando gli studenti eseguiranno la verifica e la revisione, disporranno di informazioni specifiche da utilizzare per valutare la soluzione e decidere se è stata o meno efficace.

Miglioramento delle capacità linguistiche

Per promuovere lo sviluppo delle capacità linguistiche, invita gli studenti a:

Opzione 1

• Utilizzare testi scritti, disegni e/o foto per riepilogare il processo di progettazione e creare un report finale.
• Creare un video che illustri il processo di progettazione dalle idee iniziali al progetto completato.
• Creare una presentazione incentrata sul programma.
• Creare una presentazione che colleghi il loro progetto ad applicazioni reali basate su sistemi simili e descriva le nuove invenzioni che potrebbero nascere da ciò che hanno creato.

Opzione 2
In questa lezione gli studenti hanno creato anche una macchina da disegno CNC. Le macchine CNC utilizzano modelli di progettazione assistita da computer (CAD) creati da una persona per produrre parti, prodotti e prototipi. Questi modelli CAD sono rappresentati da dati archiviati da computer su reti locali o nel cloud.

• Discutere e scrivere i vantaggi e gli svantaggi derivanti dall'archiviazione di disegni CAD su un singolo computer rispetto a una rete locale e al cloud
• Tenere presente che le scuole e i fornitori di software didattico devono proteggere i dati degli studenti, compresi i disegni CAD digitali, scrivere un saggio informativo che delinea la privacy dei dati e come si relaziona con l'archiviazione online degli incarichi degli studenti
• Paragonare e confrontare e i problemi di sicurezza dei dati tra una società di ingegneria e una scuola che archiviano i disegni CAD online

Miglioramento delle capacità matematiche

In questa lezione, gli studenti hanno creato una macchina da disegno. Ma se il loro obiettivo fosse quello di creare una macchina in grado di disegnare forme geometriche specifiche? E se volessero che la loro macchina migliorasse sempre di più nel disegnare forme specifiche? Un modo per farlo sarebbe quello di utilizzare un tipo di intelligenza artificiale denominata Machine Learning. Per utilizzare il Machine Learning (apprendimento automatico), il sistema deve ricevere dati di addestramento per "insegnare" alla macchina le forme interessate e come determinare se ha prodotto con precisione una forma specifica.

Per incorporare lo sviluppo delle competenze matematiche ed esercitarsi con l'applicazione delle stesse all'argomento del Machine Learning, in particolare l'uso dei dati di addestramento, invitare gli studenti a:

• Scrivere le definizioni di tre forme geometriche di base (ad esempio, cerchio, quadrato, triangolo equilatero) e identificare come queste definizioni devono cambiare se vanno ad aiutare un robot da disegno a produrre ogni forma
• Scrivere la definizione di una forma geometrica specifica in modo da aiutare il robot di disegno a produrla in una particolare dimensione
• Guardare le definizioni che hanno appena scritto e creare una tabella di dati di addestramento che insegnerà ai loro robot i movimenti necessari per generare le forme scelte

Per collegare ulteriormente concetti matematici e competenze a questo argomento, poni le seguenti domande:

• Che cos'è l'intelligenza artificiale? In che cosa si distingue rispetto a set di comandi predefinito? Che ruolo hanno i modelli matematici nella distinzione tra intelligenza artificiale e un semplice elenco di comandi?
• Che cosa faresti per cambiare ila progettazione del tuo robot in modo che possa osservare l'ambiente circostante e imparare a disegnare le forme che vede?

Idee per la costruzione
Offri agli studenti l'opportunità di costruire alcuni esempi consultando i link forniti di seguito. Incoraggiali a scoprire come funzionano questi sistemi e a riflettere su come potrebbero ispirare una soluzione per la descrizione del progetto.

• Sensore di colore 1
• Benna
• Sensore giroscopico
• Supporto della penna
• Movimento alternato
• Sensore di contatto
• Piattaforma girevole

Suggerimenti per i test
Incoraggia gli studenti a progettare la propria configurazione e procedura di test per selezionare la soluzione migliore. Questi suggerimenti possono aiutare gli studenti a configurare il proprio test:

• Segna la posizione della macchina sulla carta millimetrata per avere la certezza che occupi sempre la stessa posizione ad ogni esecuzione dei test.
• Utilizza le linee della griglia per delimitare quadrati da 1 cm di lato e semplificare la registrazione dei risultati ad ogni esecuzione dei test.
• Crea tabelle di test per prendere nota delle osservazioni.
• Valuta la precisione della macchina confrontando i risultati previsti con quelli effettivi.
• Ripeti il test almeno tre volte.

Soluzione di esempio
Ecco una soluzione di esempio che soddisfa i criteri della descrizione del progetto:

Programma di esempio di 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)

Gli studenti che hanno apprezzato questa lezione potrebbero essere interessati ai seguenti percorsi di studio:

• Produzione e ingegneria (tecnologia delle macchine)
• Media e comunicazioni (media digitali)

Checklist di osservazione per l’insegnante
Crea una scala adeguata alle tue esigenze, ad esempio:

1. Obiettivo parzialmente raggiunto
2. Obiettivo completamente raggiunto
3. Obiettivo superato

Per valutare i progressi compiuti dagli studenti, utilizza i seguenti criteri:

• Gli studenti riescono a valutare le soluzioni progettuali realizzate dai compagni in base a criteri di priorità e a considerazioni di reciprocità.
• Gli studenti riescono a sviluppare autonomamente una soluzione funzionante e creativa.
• Gli studenti comunicano chiaramente le proprie idee.

Autovalutazione
Concedi agli studenti il tempo necessario per raccogliere alcuni dati su ciò che hanno realizzato e per riflettere sulle loro soluzioni. Per aiutarli, potresti porre domande quali:

• Questa soluzione soddisfa i criteri indicati nella descrizione del progetto?
• È possibile rendere più accurati i movimenti della macchina?
• Quali sono le possibili risoluzioni del problema applicate da altri?

Chiedi agli studenti di impegnarsi in una sessione di brainstorming e di documentare due possibili miglioramenti delle loro soluzioni.

Riscontro dei compagni
Proponi una verifica tra pari, in modo che ciascun gruppo sia responsabile della valutazione dei propri progetti e di quelli degli altri. Questo processo di revisione può stimolare gli studenti a sviluppare e affinare le capacità di critica costruttiva e analisi e di utilizzo di dati obiettivi a supporto di un'argomentazione.