Faça uma Máquina de Desenho CNC

Preparar
- Leia o material do professor.
- Se você sentir que é necessário, planeje uma aula usando o material do guia de introdução no software EV3 ou aplicativo de programação EV3. Isso ajudará seus alunos a se familiarizarem com o LEGO^® MINDSTORMS^® Education EV3.

Envolver (30 min.)
- Use as ideias da seção Iniciar uma Discussão abaixo para envolver seus alunos em uma discussão relacionada a esta aula.
- Explique o projeto.
- Divida sua turma em equipes de 2 alunos.
- Permita que seus alunos tenham um tempo para terem ideias.

Explorar (30 min.)
- Faça com que seus alunos criem múltiplos protótipos.
- Incentive-os a explorarem a montagem e a programação.
- Faça com que cada dupla de alunos monte e teste 2 soluções.
- Forneça a eles uma folha grande de papel milimetrado e lápis coloridos ou canetinhas

Explicar (60 min.)
- Peça que seus alunos testem suas soluções e escolham a melhor.
- Certifique-se de que eles conseguem criar suas próprias tabelas de teste.
- Permita que cada equipe tenha tempo para finalizar seu projeto e coletar dados para documentar seus trabalhos.

Elaborar (60 Min.)
- Dê a seus alunos algum tempo para produzirem seus relatórios finais.
- Facilite uma sessão de compartilhamento em que cada equipe apresente seu resultado.

Avaliar
- Dê feedback sobre o desempenho de cada aluno.
- Você pode utilizar as rubricas de avaliação fornecidas para simplificar o processo.

Máquinas de comando numérico computadorizado (CNC) usam instruções pré-programadas para controlar uma ferramenta em um ou mais eixos com alta precisão. Elas são normalmente usadas em manufatura integrada por computador para transformar um projeto digital de um computador em um objeto físico.

Incentive um processo de geração de ideias ativo.

Peça que seus alunos reflitam sobre essas questões:

• O que é uma máquina CNC e onde é usada?
• Qual a melhor maneira de anexar um lápis ou uma canetinha?
• Que tipos de mecanismos motorizados podem mover o lápis ou a canetinha em duas dimensões?
• Quais recursos do projeto irão garantir que os movimentos da máquina sejam precisos e repetíveis?

Incentive os alunos a documentarem suas ideias iniciais e explicarem porque eles escolheram a solução que irão usar em seus primeiros protótipos. Peça a eles que descrevam como eles irão avaliar suas ideias durante o projeto. Dessa forma, quando eles estiverem analisando e revisando, eles terão informações específicas que poderão usar para avaliar sua solução e decidir se foi eficaz ou não.

Extensão de Linguagem e Literatura

Para incorporar habilidades de desenvolvimento de linguagem, faça com que seus alunos:

Opção 1

• Usem o trabalho escrito, rascunhos e/ou fotos deles para resumirem o processo de projeto e criarem um relatório final.
• Criem um vídeo demonstrando seu processo de projeto começando com suas ideias iniciais e finalizando com seus projetos concluídos.
• Criem uma apresentação sobre o programa deles.
• Criem uma apresentação que conecte o projeto deles com aplicações de sistemas similares do mundo real e descrevam novas invenções que possam ser feitas com base no que eles criaram.

Opção 2
Além disso, nessa aula, seus alunos criaram uma máquina de desenho CNC. As máquinas CNC utilizam modelos de design assistido por computador (CAD) criados por uma pessoa para produzir peças e protótipos. Esses modelos CAD são representados por dados armazenados em computadores em redes locais ou na nuvem.

• Discuta e escreva sobre as vantagens e desvantagens de armazenar desenhos CAD em um único computador vs. numa rede local vs. na nuvem
• Tendo em mente que escolas e provedores de softwares educacionais devem proteger os dados dos alunos, incluindo seus desenhos CAD digitais, escreva uma redação informativa ressaltando a privacidade de dados e como ela se relaciona com o armazenamento on-line de tarefas dos alunos
• Compare e contraste as preocupações de segurança de dados de uma empresa de engenharia que armazena desenhos CAD on-line, e uma escola que armazena desenhos CAD dos alunos on-line

Extensão de Matemática

Nessa aula, seus alunos criaram uma máquina de desenho. Mas, e se o objetivo deler tivesse sido criar uma máquina que pudesse desenhar figuras geométricas específicas? E se eles quisessem que a sua máquina ficasse cada vez melhor em desenhar figuras específicas? Uma forma de fazer isso seria usando um tipo de inteligência artificial chamada machine learning. Para usar o machine learning, o sistema deve receber dados de treinamento para "ensinar" o que são figuras e a forma de determinar se uma figura específica foi produzida com precisão.

Para incorporar o desenvolvimento de habilidades matemáticas e praticar a aplicação dessas habilidades ao tema de machine learning, especificamente o uso de dados de treinamento, faça com que seus alunos:

• Escrevam as definições de três figuras geométricas básicas (p. ex., círculo, quadrado, triângulo equilátero), e identifiquem como essas definições devem ser alteradas se forem ajudar um robô de desenho a produzir cada figura
• Escrevam a definição de uma figura geométrica específica de uma forma que ajude o robô de desenho a produzir essa figura em um determinado tamanho
• Vejam as definições que acabaram de escrever e criem uma tabela de dados de treinamento que ensinará aos seus robôs os movimentos necessários para gerar as figuras escolhidas

Para conectar ainda mais os conceitos matemáticos e habilidades a esse tema, faça as seguintes perguntas:

• O que é inteligência artificial? Como ela difere de um conjunto de comandos prescritos? Que papel os modelos matemáticos têm na distinção entre inteligência artificial e uma simples lista de comandos?
• O que poderia ser feito para mudar o design do seu robô, de modo que ele pudesse observar seu entorno e aprender a desenhar as formas que vê?

Dicas para Montagem:
Dê aos seus alunos uma oportunidade para montarem alguns exemplos dos links abaixo. Incentive-os a explorarem como esses sistemas funcionam e a darem ideias de como esses sistemas poderiam inspirar uma solução para o resumo do projeto.

• Sensor de Cor 1
• Garra
• Sensor Giroscópio
• Suporte de Caneta
• Gangorra
• Sensor de Toque
• Plataforma Giratória

Dicas de Teste
Incentive seus alunos a projetarem suas próprias configurações e procedimentos de testes para selecionarem a melhor solução. Essas dicas podem ajudar seus alunos na configuração de seus testes:

• Marque a posição da máquina no papel milimetrado para ajudar a garantir que você o coloque na mesma posição para a execução de cada teste.
• Use linhas-guia para identificar quadrados de 1 cm x 1 cm para ajudar a registrar o resultado da execução de cada teste.
• Crie tabelas de teste para registrar suas observações.
• Avalie a precisão de sua máquina comparando os resultados esperados com os reais.
• Repita o teste pelo menos três vezes.

Exemplo de Solução
Veja um exemplo de solução que atende os critérios do resumo do projeto:

Exemplo de Programa do MicroPython EV3

#!/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)

Os alunos que gostaram dessa aula podem ter interesse em explorar essas carreiras:

• Engenharia e Manufatura(Tecnologia de Máquinas)
• Mídia e Artes de Comunicação (Mídia Digital)

Lista de Observações do Professor
Crie uma escala que corresponda com suas necessidades, por exemplo:

1. Concluído parcialmente
2. Concluído completamente
3. Além do esperado

Use os seguintes critérios de sucesso para avaliar o progresso dos seus alunos:

• Os alunos conseguem avaliar soluções distintas de projeto baseado em critérios de prioridade e prós/contras.
• Os alunos são autônomos ao desenvolverem uma solução funcional e criativa.
• Os alunos conseguem comunicar com clareza suas ideias.

Autoavaliação
Uma vez que seus alunos tenham coletado alguns dados de desempenho, dê a eles tempo para refletirem nas soluções. Ajude-os fazendo perguntas como:

• Sua solução está obedecendo os critérios do Resumo do Projeto?
• Os movimentos da sua máquina podem ser mais precisos?
• Quais foram as formas com as quais os outros solucionaram esse problema?

Peça que seus alunos tenham ideias e documentem duas maneiras através das quais eles poderiam melhorar suas soluções.

Feedback por Pares
Incentive um processo de “Feedback por Pares” no qual cada grupo seja responsável por avaliar seu próprio projeto e os dos outros. Esse processo de revisão pode ajudar os alunos a desenvolverem habilidades em dar feedback construtivo, assim como aprimorar suas habilidades de análise e a habilidade de usar dados objetivos para dar suporte a um argumento.