Базовый набор MINDSTORMS EV3

Чертёжная машина с ЧПУ

Разработайте, соберите и запрограммируйте устройство, которое могло бы рисовать различные узоры, точно выполнять задачу, а также повторять её выполнение.

Более 120 мин.
Средний уровень
Классы 9–11
2_Make_a_CNC_Drawing_Machine

План урока

Подготовка
— Ознакомьтесь с материалами для учителя.
— Если необходимо, разработайте план урока, используя материалы для начала работы из ПО «Лаборатория EV3» или Приложения для программирования EV3. Это поможет познакомить учащихся с конструкторами LEGO® MINDSTORMS® Education EV3.

Обсуждение (30 мин.)
— Используйте идеи, приведённые в разделе "Начало обсуждения", чтобы вовлечь учащихся в дискуссию по теме проекта.
— Объясните, в чём заключается цель данного проекта.
— Разделите класс на пары.
— Дайте учащимся немного времени, чтобы придумать несколько идей.

Объяснение (30 мин.)
— Дайте учащимся задание придумать несколько прототипов.
— Предложите им найти новые конструкторские и программные решения.
— Попросите каждую пару учащихся собрать и испытать два решения.
— Раздайте учащимся большие листы клетчатой бумаги, цветные карандаши или маркеры.

Объяснение (60 мин.)
— Попросите учащихся протестировать свои решения и выбрать лучшее из них.
— Убедитесь, что они могут подготовить свои таблицы результатов испытаний.
— Дайте каждой команде немного времени, чтобы завершить свой проект; затем соберите материалы, в которых они зафиксировали результаты своей работы.

Дополнение (60 мин.)
— Дайте учащимся немного времени, чтобы подготовить итоговые отчёты.
— Проведите обсуждение, в ходе которого каждая группа расскажет о результатах своей работы.

Оценка
— Дайте оценку работе каждого учащегося.
— Для упрощения этой задачи вы можете использовать раздел оценки.

Начало обсуждения

Оборудование с ЧПУ (числовое программное управление) использует заранее запрограммированные инструкции для высокоточного управления инструментом и его перемещения по одной оси или нескольким. Оно обычно используется в автоматизированных производствах и помогает превращать прототипы, разработанные на компьютере, в реальные предметы.

Engage-CNC-Machine-Cover

Поощряйте активное обсуждение идей.

Предложите учащимся ответить на следующие вопросы.

  • Что из себя представляет оборудование с ЧПУ и где оно используется?
  • Какой из способов крепления карандаша или маркера самый удобный и надёжный?
  • Какой приводной механизм позволяет перемещать карандаш или маркер вдоль двух осей координат?
  • Какая конструкция обеспечивает точность и повторяемость движений механизма?

Попросите учащихся задокументировать свои первоначальные идеи и объяснить, почему они выбрали то или иное решение для создания своего первого прототипа. Попросите их описать, каким образом они будут оценивать свои идеи в процессе выполнения данного проекта. В процессе рассмотрения и повторения учащиеся получат определённую информацию, которую смогут использовать для оценки эффективности своих решений.

Дополнительно

Развитие языковых навыков

Для развития языковых навыков попросите учащихся:

Вариант 1

  • использовать свои записи, наброски и/или фотографии, чтобы подвести итоги этапа разработки и подготовить итоговый отчёт;
  • снять видео, в котором рассказывалось бы о процессе разработки их решения, начиная с первоначальных идей и заканчивая финальным этапом реализации проекта;
  • подготовить презентацию, рассказывающую об их программе;
  • подготовить презентацию, рассказывающую об их решении и аналогичных системах, используемых в реальной жизни, а также описывающую новые изобретения, которые можно создать на основе их решения.

Вариант 2
На этом уроке учащиеся собрали чертёжную машину с ЧПУ. Чертёжные машины с ЧПУ используют созданные человеком модели систем автоматизированного проектирования (САПР) для производства деталей, изделий и прототипов. Модели САПР представляют собой данные, хранящиеся в локальных сетях или облачных хранилищах.

  • Обсудите и запишите преимущества и недостатки хранения чертежей САПР на отдельном компьютере, в локальной сети или в облачном хранилище.
  • Принимая во внимание тот факт, что поставщики программного обеспечения для школ и образовательных организаций должны обеспечить защиту данных учащихся, в том числе чертежей САПР, напишите информационное эссе о конфиденциальности данных и её важности для онлайн-хранилищ работ учащихся.
  • Сравните проблемы безопасности данных, с которыми сталкивается какая-либо компания-проектировщик, хранящая чертежи САПР онлайн, и школа, также хранящая созданные учащимися чертежи САПР онлайн.

Развитие математических навыков

На этом уроке учащиеся собрали чертёжную машину. А что, если их задача заключалась в том, чтобы создать машину, которая могла бы рисовать определённые геометрические фигуры? Что, если им было необходимо постоянно улучшать качество чертежей геометрических фигур, созданных машиной? Один из способов решения этой задачи — применение одного из видов искусственного интеллекта, называемого машинным обучением. Для использования машинного обучения системе необходимо предоставить обучающую выборку, чтобы «научить» её чертить геометрические фигуры, а также судить об аккуратности и правильности чертежей.

Для развития математических навыков и их практического применения в процессе изучения методов машинного обучения и, в частности, использования обучающих выборок попросите учащихся:

  • написать определения трёх основных геометрических фигур (например, круга, квадрата и равностороннего треугольника) и определить, каким образом следует изменить эти определения, если их предполагается использовать для обучения роботизированных чертёжных машин;
  • написать такое определение какой-либо геометрической фигуры, используя которое роботизированная чертёжная машина могла бы создать чертёж этой фигуры в заданном масштабе;
  • посмотреть на предложенные учащимися определения и подготовить таблицу обучающих выборок, которые они будут использовать для обучения роботов движениям, необходимым для вычерчивания выбранных фигур.

Для того чтобы укрепить взаимосвязь между математическими концепциями и изучаемой темой, задайте следующие вопросы.

  • Что такое искусственный интеллект? Чем он отличается от набора заданных команд? Каким образом понятие математических моделей помогает выявить различия между искусственным интеллектом и простым набором команд?
  • Каким образом вы изменили бы конструкцию робота, чтобы научить его воспринимать окружающие предметы и создавать чертежи увиденных им фигур?

Советы по сборке

Идеи для вдохновения
Дайте учащимся возможность собрать несколько моделей, инструкции для которых можно найти по следующим ссылкам. Предложите им изучить работу этих систем и на их основе подготовить Техническое задание.

Советы по тестированию
Предложите учащимся сконструировать собственную испытательную установку и разработать порядок испытаний, который позволил бы выбрать наилучшее решение. Следующие советы помогут учащимся провести испытания.

  • Отметьте положение карандаша/маркера, установленного в механизме, на клетчатой бумаге. Это позволит возвращать его в то же положение каждый раз при проведении нового испытания.
  • Используйте квадраты 1 x 1 см на клетчатой бумаге, чтобы записывать результаты каждого испытания.
  • Подготовьте таблицы результатов испытаний, чтобы записывать в них результаты своих наблюдений.
  • Оцените точность работы своего механизма, сравнив ожидаемые и фактические результаты.
  • Проведите испытания по меньшей мере три раза.

Пример решения
Далее приведён пример решения, соответствующего критериям Технического задания.

Pen-arm-cover
pen-arm-thumbnail

Советы по программированию

Пример программы, созданной в 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)

Перспективы профессионального развития

Учащиеся, которым было интересно данное задание, могут попробовать себя в следующих сферах деятельности:

  • производство и инженерное дело (машиностроение);
  • СМИ и средства коммуникации (цифровые СМИ).

Возможности для оценки

Журнал педагога
Разработайте критерии оценки, максимально соответствующие вашим задачам, например следующие.

 1. Задание выполнено не полностью.
 2. Задание выполнено полностью.
 3. Результаты превзошли ожидания.

Используйте следующие критерии для оценки успеваемости учащихся.

  • Учащиеся могут оценить различные варианты решений на основе выбранных критериев и компромиссов между ними.
  • Учащиеся самостоятельно разрабатывают работающие и креативные решения.
  • Учащиеся могут понятно рассказать о своих идеях.

Самостоятельная оценка
Когда учащиеся получат первые сведения об эффективности моделей, дайте им время, чтобы оценить свои решения. Вы можете задать следующие вопросы.

  • Ваше решение соответствует критериям технического задания?
  • Можно ли сделать движения вашей чертёжной машины более точными?
  • Какие способы решения этой задачи нашли другие команды?

Попросите учащихся придумать и задокументировать два варианта усовершенствования их решений.

Оценка одноклассников
Организуйте процесс оценки решения одноклассниками, в ходе которого каждая группа должна оценить свой собственный проект и проекты других групп. Это поможет развивать навыки высказывания конструктивного мнения, а также совершенствовать навыки анализа и умение использовать объективные данные для аргументации своей позиции.

В помощь преподавателю

Учащиеся смогут:
использовать процесс разработки для решения задач из реальной жизни.

Базовый набор LEGO® MINDSTORMS® Education EV3

Большой лист клетчатой бумаги (миллиметровой или с заранее размеченной клеткой).
Цветные карандаши или маркеры.

Математика: алгебра и начала математического анализа, геометрия:
• сформированность умений моделировать реальные ситуации, исследовать
построенные модели, интерпретировать полученный результат
• владение навыками использования готовых компьютерных программ при
решении задач

Информатика:
• владение навыками алгоритмического мышления и понимание необходимости формального описания алгоритмов
• владение умением понимать программы, знанием основных конструкций программирования; умением анализировать алгоритмы

Метапредметные результаты:
• умение продуктивно общаться и взаимодействовать в процессе совместной деятельности, учитывать позиции других участников деятельности, эффективно разрешать конфликты
• умение ясно, логично и точно излагать свою точку зрения, использовать адекватные языковые средства

Учебные материалы

Загрузите и просмотрите рабочий лист или разошлите его в формате HTML-страницы или PDF.