Базовый набор MINDSTORMS EV3

Производственный конвейер

Разработайте, соберите и запрограммируйте роботизированную систему, использующую по меньшей мере один мотор и один датчик для перемещения шарика по траектории, включающей в себя поворот на 90 градусов.

Более 120 мин.
Средний уровень
Классы 9–11
4_Make_a_Factory_Conveyor

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.

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

Производственные конвейеры используются для транспортировки самых разных материалов: от сырья до готовой и упакованной продукции. Ленточный конвейер является самым известным видом производственного конвейера, однако существует много других видов конвейеров, разработанных для эффективного перемещения самых разных материалов.

Engage-Factory-Conveyor-Cover

Поощряйте активное обсуждение идей.

Предложите учащимся ответить на следующие вопросы.

  • Что такое производственный конвейер и где он используется?
  • Какой вид приводного механизма можно использовать для перемещения шарика?
  • Каким образом роботизированная система может перемещать шарик, сохраняя над ним контроль?
  • Для чего нужен датчик? Каким образом можно определить, насколько хорошо работает ваша роботизированная система?

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 робота, перемещающего шарик по заданной траектории. Он имитирует системы, используемые на современном производстве.

  • Подумайте, насколько важна интернет-безопасность и безопасность внутренних данных для современных производств. Напишите описательное эссе о современном производстве и использовании облачных данных.
  • Опишите использование конвейерных систем в пунктах обработки и исполнения заказов онлайн-магазинов.
  • Обсудите преимущества и недостатки хранения цифровых данных заказов в облачных хранилищах.

Развитие математических навыков

На этом уроке учащиеся собрали робота, перемещающего шарик по заданной траектории. Он имитирует системы, используемые на современном производстве. Многие современные производственные предприятия используют средства автоматизации для производства товаров и контроля качества. Для анализа данных о производительности и разработки новых методик улучшения общей производительности и эффективности предприятий может быть использован один из видов искусственного интеллекта, называемый машинным обучением. Инженеры-технологи собирают всевозможные данные о производительности и эффективности систем. Алгоритмы машинного обучения используются для анализа таких данных и определения мер по улучшению производительности и эффективности.

Для развития математических навыков и изучения тем, связанных с производством, таких как контроль качества и машинное обучение, попросите учащихся:

  • добавить в созданные ими системы необходимое оборудование и программное обеспечение для измерения производительности и подумать, каким образом можно представить данные о производительности, используя количественные показатели;

  • поскольку для контроля качества и анализа производительности различные машины и системы с искусственным интеллектом предварительно определяют их допустимый уровень, разработать количественные показатели такого допустимого уровня качества или производительности для созданных ими систем;

  • поскольку машинное обучение является инструментом, использующимся для анализа больших объемов данных и выявления сложных взаимосвязей между техническими характеристиками оборудования (например, методами производства) и его производительностью, перечислить как можно больше переменных, использующихся их системами и влияющих на производительность и эффективность.

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.

  • Подготовьте таблицы результатов испытаний, чтобы записывать в них результаты своих наблюдений.
  • Оцените точность работы своей роботизированной системы, сравнив ожидаемые и фактические результаты.
  • Проведите испытания по меньшей мере три раза.

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

Ball-Conveyor-cover
ball-conveyor-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
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, SoundFile
from pybricks.tools import wait
from random import randint

# Configure the belt motor, which drives the conveyor belt.  Set the
# motor direction to counterclockwise, so that positive speed values
# make the conveyor move upward.
belt_motor = Motor(Port.A, Direction.COUNTERCLOCKWISE)

# Configure the "catch" motor with default settings.  This motor moves
# the ball to either cup.
catch_motor = Motor(Port.D)

# Set up the Color Sensor.  It is used in Reflected Light Intensity
# Mode to detect when the ball is placed at the bottom of the conveyor
# belt.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when the ball reaches
# the catch at the end of the ramp.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

# Initialize the conveyor belt.  This is done by slowly running the
# motor backward until it stalls.  This means that it cannot move any
# further.  Then it resets the angle to "0."  This means that when it
# rotates backward to "0" later on, it returns to this starting
# position.
belt_motor.run_until_stalled(-300, Stop.BRAKE, 30)
belt_motor.reset_angle(0)

# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it waits until the ball is placed on the conveyor belt.
# Second, the ball is moved upward until it reaches the ramp where it
# rolls down to the catch.
# Finally, the ball is moved to the left or the right cup, or an error
# sound is made, chosen at random.
#
# Then the process starts over.  The ball can be placed at the
# beginning of the conveyor belt again.
while True:

    # Wait until the ball is placed in front of the Color Sensor.
    while color_sensor.reflection() < 5:
        wait(10)
    wait(500)

    # Move the ball up on the conveyor belt.
    belt_motor.run_target(250, 450, Stop.COAST, False)

    # Wait until the ball hits the Touch Sensor at the catch at the end
    # of the ramp.
    while not touch_sensor.pressed():
        wait(10)

    # Generate a random integer between "-1" and "1" to determine what
    # to do with the ball.
    catch_command = randint(-1, 1)

    # If it generates a "1," change the light to green and move the
    # ball to the right cup.
    if catch_command == 1:
        brick.light(Color.GREEN)
        catch_motor.run_target(400, -20)
        wait(1000)
        catch_motor.run_target(400, 0, Stop.HOLD)
    # If it generates a "0," change the light to orange and move the
    # ball to the left cup.
    elif catch_command == 0:
        brick.light(Color.ORANGE)
        catch_motor.run_target(400, 20)
        wait(1000)
        catch_motor.run_target(400, 0, Stop.HOLD)
    # Otherwise, change the light to red and play an error sound.
    else:
        brick.light(Color.RED)
        brick.sound.file(SoundFile.RATCHET)
        wait(1000)

    # Return the conveyor belt to its starting position.
    belt_motor.run_target(250, 0)

Перспективы профессионального развития

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

  • производство и инженерное дело (машиностроение);
  • наука, технологии, инженерное дело и математика (инженерное дело и технологии).

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 роботизированной системы 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.

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.