Методические материалы к общеразвивающей общеобразовательной программе дополнительного образования «Робототехника» «Механическая передача» (мастер-класс)

Автор: Фурса Наталья Григорьевна

Организация: МУ ДО ДДТ «Левша»

Населенный пункт: ЯНАО, п. Харп

Краткая характеристика.

Современный человек должен ориентироваться в окружающем мире как сознательный субъект, адекватно воспринимающий появление нового, умеющий ориентироваться в окружающем, постоянно изменяющемся мире, готовый непрерывно учиться. Понимание феномена технологии, знание законов техники, позволит обучающемуся соответствовать запросам времени и найти своё место в современной жизни. Робототехника является одним из важнейших направлений научно- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.

Учебно-методические материалы разработаны для обучающихся детских объединений по робототехнике и предназначены для формирования практических умений и навыков использования базового набора LEGO MINDSTORMS Education NXT.

Данный методический материал, основан на опыте работы с детьми в детском объединении по начально-техническому моделированию.

Мастер-класс «Механическая передача» – состоит в изложении общих первоначальных основ робототехники и нацелен на рассмотрение механической передачи, как механизма для передачи и преобразования механической энергии. Данный мастер-класс позволяет разобраться, как работают шестеренки и почему они разные, для чего вообще они нужны и открывает для обучающихся много других технических секретов. В мастер-классе даны основы расчета передаточного числа. Показаны способы построения редуктора с понижающей передачей и мультипликатора с повышающей передачей. Мастер-класс «Механическая передача» представляет собой справочное руководство для тех, кто хочет научиться проектировать и конструировать роботов способных реализовать конкретные задачи на соревнованиях по робототехнике. Итогом мастер-класса, является соревнование «Чей волчок продержится дольше».

Результаты и показатели, на которые повлияло внедрение.

Образовательная робототехника представляет собой комплекс методических и технологических решений, направленных на оптимизацию учебного и воспитательного процесса.

Внедрение мастер-класса в образовательное пространство дополнительного образования по программе «Робототехника» повлекло за собой:

  • Повышение качества образования и заинтересованности предметом у обучающихся
  • Повышение словарного запаса и навыков общения
  • Применение игровых технологий в обучении
  • Экспериментальное исследование
  • Новые формы работы с одаренными детьми
  • Эффективная форма работы проблемными детьми
  • Развитие творческого потенциала обучающихся
  • Создание условий, которые позволяют реализовать способности и интересы обучающихся
  • Популяризация профессии инженер

Актуальность.

Мастер-класс совмещает два вектора действия: образовательный вектор и технологический вектор.

В России, в настоящее время, идёт становление новой системы образования, ориентированной на вхождение в мировое образовательное пространство. Происходят существенные изменения в педагогической теории и практике учебно-воспитательного процесса. Содержание образования обогащается новыми процессуальными умениями, развитием способностей оперировать информацией, творчески решать педагогические проблемы. Анализ ситуации показывает, что сложившаяся в течение десятилетий система образования пока не в состоянии полностью удовлетворить запросы общества и возрастающие потребности людей. Возникает необходимость обозначить основное требование современного педагогического процесса: повышение качества обучения и изучения учебных предметов.

Расчет передаточного отношения совпадает по времени с тем периодом, когда обучающиеся изучают обыкновенные дроби. И совпадение двух тем предметов, мотивирует их на более тщательное изучение и того и другого. Данный мастер-класс поможет обучающимся сориентироваться и в дальнейшей своей работе приобрести ощущение свободы действий, чувство удовлетворённости от реализации собственных идей. Что, в свою очередь, является определяющим критерием формирования мотивации к учению, благотворно влияет на весь воспитательно-образовательный процесс.

Рано или поздно технология «Робототехника» уступит место более инновационной технологии. Поэтому важно внедрять в образовательный процесс не конкретную технологию (в данном случае «робототехнику»), а пропедевтику инженерного образования, для которого технологии — средства и инструменты.

Нормативно-правовая база опыта.

  • Федеральные законы «Об образовании», «Об информации, информационных технологиях и о защите информации».
  • Концепция модернизации Российского образования на период до 2010 г.
  • Национальный проект «Информатизация системы образования».
  • Стандарты по информатике и ИКТ основного общего и среднего (полного) образования профильного уровня.
  • Примерные программы по информатике и ИКТ основного общего и среднего (полного) об образовании базового и профильного уровня.
  • Программы для общеобразовательных учреждений. Технология.5-11 класс.
  • Примерные требования к программам дополнительного образования детей Министерства образования РФ №06-1844 от 11.12.2006г..
  • Устав учреждения

Описание практики.

Механизм реализации мастер-класса «Механическая передача»

Мастер-класс реализуется на основе рабочей программы «Робототехника» и построен на принципах сохранения и развития индивидуальной самобытности обучающихся, сотрудничества детей и педагога во всех видах совместной деятельности.

Заявленный возраст обучающихся 11-13 лет.

Реализация образовательного модуля мастер-класса обеспечивает воздействие на обучающихся, за счет вовлечения их в игровой формат обучения.

Основные содержательные блоки: теоретический и практический. Каждый блок раскрывает отдельный аспект технической деятельности: первоначальные понятия о механической передаче, редукторе, мультипликаторе, конструирование, игровая деятельность.

Мастер-класс реализуется через работу методического объединения педагогов дополнительного образования МУ ДО ДДТ «Левша» и систему методической работы, через работу творческих групп педагогов и обучающихся, непрерывное образование и самообразование педагогов дополнительного образования, взаимодействие всех участников образовательного процесса:

  1. Разработка концепции реализации мастер-класса и модели образовательного процесса.
  2. Изучение и анализ существующего методического материала по направлению «Робототехника».
  3. Методическое, материально-техническое обеспечение и кадровое обеспечение.
  4. Организация сотрудничества с социальными партнерами, в рамках сетевого взаимодействия.
  5. Проведение информационной и рекламной кампании.
  6. Реализация образовательного блока мастер-класса.
  7. Апробация и корректировка образовательного блока мастер-класса.
  8. Реализация скорректированного образовательного блока мастер-класса «Механическая передача».
  9. Анализ эффективности реализации мастер-класса.

Сроки реализации мастер-класса 2016 - 2020 годы.

Технология.

  1. Подготовительный этап.

Цель: Совершенствование образовательной среды, направленной на развитие творческих способностей и научно-технического потенциала обучающихся средствами образовательной робототехники

Роботы очаровательны. Идея неживой материи, которая самостоятельно выполняет сложные задания, просто поразительна! С тех пор как роботы стали такими технологически сложными и современными, можно было бы подумать, что для их конструирования и программирования необходимы большие знания и навыки. Однако серия кибернетических конструкторов Lego Mindstorms делает робототехнику легкой и увлекательной как для взрослых, так и для детей.

  • Демонстрация готовых роботов.
  • Вопрос участникам: чему они хотят научиться?
  1. Основная часть.
  • Участники запоминают, повторяют, выполняют практические задания под руководством педагога.
  • Содержание содержательных блоков: теоретического и практического

Важнейшей частью почти каждого робота является механическая передача. Передача бывает, необходима для того, чтобы передать крутящий момент с вала двигателя на колеса или другие движущиеся части робота.

Мы с Вами познакомимся с механической передачей и построим простейший редуктор, который обеспечит нам понижение скорости вращения и увеличения сил. Для этого используем 15-ти модульные балки, чтобы построить козлы. На них будет размещена наша механическая передача. Балки скрепляем двойными соединительными штифтами и устанавливаем на ножки из изогнутых балок, чтобы приподнять всю конструкцию. Изогнутые балки крепим на 2 штифта.

Ведущая ось это ось, которая получает вращение либо от двигателя, либо от руки человека. На ней установим шестеренку, она будет 8- ми зубчатая и рукоятку. С обратной стороны закрепим втулкой и поставим специальный фиксатор, который покажет нам сколько оборотов мы сделали.

Следующая ось называется ведомой. На ведомой оси разместим 24-х зубчатая шестеренку и закрепим фиксатором. С другой стороны, специальным фиксатором.

Делаем эксперимент: крутим за рукоятку. Мы использовали 8- ми и 24-ти зубчатые шестеренки. Для того, чтобы ведомая ось сделала полный оборот, ведущая должна сделать 3 таких оборота (слайд 1).

Это легко рассчитывается по формуле: Передаточное отношение, рассчитывается как отношения диаметра ведомой шестерни к диаметру ведущей шестеренки. Но нам трудно рассчитывать диаметр, поэтому проще рассчитать количество зубчиков. Легко доказать пропорциональную зависимость между двумя этими величинами (слайд 2)

Таким образом, разделив 24: 8, мы получим отношение 3:1. Если мы изучаем это в 5 классе, то это период когда дети начинают изучать обыкновенные дроби. Поэтому можно было говорить 3 целых или 3 первых, но поскольку мы говорим о передаточном отношении, то сохраняем термин 3Х1. Так же если мы постоем отношение в обратную сторону, то получим 1Х3.

Теперь попробуем увеличить количество зубчиков на ведомой оси, заменим 24- зубчатую шестерню на 40-ка зубчатую. Проверим количество оборотов. Для одного оборота ведомой оси понадобится 5 оборотов ведущей (слайд 3).

Отношение рассчитывается: Z2 - количество зубчиков ведомой шестерни, делим на Z1 количество зубчиков на ведущей шестерни.

Сорок к 8 получаем 5х1. Это одноступенчатая передача и теперь мы можем провести, так называемый "смертельный поединок" между двумя участниками процесса. Один держит за рукоятку ведущей оси и вращает, второй держит за фиксатор ведомой оси и пытается удержать. Скорее всего, это не получится, потому что сила возрастает во столько раз, во сколько падает скорость. Таким образом, механическая передача позволяет нам изменить сразу две величины: понизить скорость и увеличить силу. Если мы поменяем местами шестерни, получим прямо пропорциональный эффект.

На ведомую ось установим малую шестеренку, на ведущую большую. Один оборот ведущей оси приводит к пяти оборотам ведомой. И если мы проведем еще один "смертельный" поединок, то увидим, что побеждает ведомая ось, потому что на ней мы повысили скорость, но понизили силу (слайд 4).

Это была одноступенчатая передача. Мы можем попробовать использовать большее количество шестеренок. Но тут нас ожидают интересные эффекты. Во-первых, если поставим подряд несколько шестеренок, то и скорость и сила могут оставаться прежними. Например: устанавливаем на ведущей оси 24 зубчатую шестеренку, а на финальной ведомой тоже 24 зубчатую шестеренку, а между ними 8 зубчатую.

Если мы начнем вращать такую передачу, то увидим, что и скорость и направление сохраняются. Промежуточная шестерня вращается в другую сторону, но с другой скоростью (слайд 5).

Промежуточная шестеренка не влияет на результат передаточного отношения и называется паразитной.

Для того, что бы выстраивать шестеренки более эффективно, необходимо построить многоступенчатую передачу.

Давайте это сделаем. Возвращаем исходную конструкцию. Ведущая 8-ми зубчатая, а на ведомой шестеренке, вместо втулки установим 8-ми зубчатую шестеренку и стыкуем с еще одну 24-х зубчатую шестеренку. Закрепляем втулкой. Мы получили, что для одного оборота ведомой оси необходимо выполнить 9 оборотов ведущей (слайд 6).

Как это рассчитывается: перемножается каждая пара отношений в отношении количества зубчиков на шестеренку. Получается 9Х1.

Если обучающиеся еще не проходили обыкновенное дроби, возможно, им будет трудно найти их произведение. Но мы используем всего несколько видов дробей и достаточно их будет выучить. Таким образом, это будет пропедевтикой курса обыкновенной математики или хорошим закреплением ее (слайд 7).

И так мы получили 2-х ступенчатую передачу.

Заменяем 24-зубую шестеренку на 40-зубую. Получаем новые отношения 40Х8 и 24Х8. В 15 раз замедляется ведомая ось.

Следующая передача 3-х ступенчатая. Вернемся к конструкции 2-х ступенчатой передачи с соотношением 9Х1. Нам придется сдвинуть на самый край ведущую ось. Для того, что бы конструкция поместилась вся. Первые две ступени почти совпадают, но затем на второй ступени между балками, мы можем добавить третью 8-ми зубчатую шестеренку и состыковать с ней 24-х зубчатую шестеренку внутри. Самый надежный способ крепления. Теперь для одного оборота ведомой оси необходимо выполнить 27 оборотов ведущей (слайд 8).

Мы получили передаточное отношение 27х1, которое рассчитывается из трех пар передаточных отношений на каждую ступень. Используя эти принципы, можно предложить детям построить редуктор с максимальным передаточным отношением из всех шестеренок набора (слайд 9).

И так мы рассматриваем механическую передачу, как механизм для передачи и преобразования механической энергии. Мы освоили редуктор с понижающей передачей, теперь построим мультипликатор с повышающей передачей.

Редуктор от мультипликатора отличаются величиной передаточного отношения.

Если оно больше 1, то мы называем механизм редуктор. Если меньше 1 – мультипликатор (слайд 10).

Мультипликаторы, повышая скорость вращения, понижают силу. Для того, чтобы сделать мультипликатор вспомним замечательную игрушку волчок. Наша задача, что бы волчок крутился как можно дольше. Построим его с помощью оси и колеса. Мы можем запустить его руками, но он продержится не очень долго. Закрепим сверху 8-ми зубчатую шестеренку. Построим механизм, который с помощью этой 8-ми зубчатой шестеренки поможет его запустить. В основе возьмем 15 модульную балку, 8 модульную ось и 24 зубчатую шестеренку. Надеваем шестеренку на ось, закрепляем в 3-м отверстии втулкой, так что бы вращалась свободно. Вставляем в крайнее отверстие полмодуля оси и стыкуем две шестеренки, мы получаем мультипликатор. Отношение 8Х24 или 1Х3.

Скорость уже значительно выше и запускать чуть труднее, но все равно удобно. Попробуем увеличить отношение и построить мультипликатор 1х5

Мы получаем это отношение из 8-ми зубчатой ведомой шестеренки и 40 зубчатой ведущей.

Следующее передаточное отношение 1х9 требует двух ступенчатой передачи. Используем для этого 5 модульную ось, которую поставим в ту же позицию, где стояла изначально. Но закрепим уже не втулкой, а 8 зубчатой шестеренкой, что бы свободно вращалась без трения. И теперь 8-ми модульная ось закрепляется рядом. Получим передачу 8Х24 и 8Х24, итого: 1Х9 (слайд 11).

В этом механизме уже трудно запускать рукой и в принципе мы могли бы уже применить рычаг для стартового разгона. Особенно если мы поставим сейчас вместо 24 зубчатой шестеренки, 40 зубчатую шестеренку. Получаем 1х15. Он ускоряет волчок в 15 раз. Запускаем, скорость все выше (слайд 12).

Строим конструкцию 1Х45. Для этого мы берем еще одну 8 модульную ось. Ставим на нее 24 зубчатую шестеренку и закрепляем втулкой. Вторым этажом ставим 8 зубчатую шестеренку. С ней мы будем стыковать 40 зубчатую шестеренку. Но для этого, что бы их состыковать, потребуется добавить втулку, которая переведет шестеренку на так называемый второй этаж. И снизу закрепляем втулкой. Механизм получился ходкий. Три ступени 1Х3, 1Х3, 1Х5, итого 1Х45 (слайд 13).

Может появиться очень неприятный звук. Проскакивает шестеренка. Если в роботе появляется такой звук - это значит, что его нужно срочно перестраивать.

Мультипликатор очень мощный, требует большого усилия. Поэтому чтобы оси не отгибались, необходима стяжка. Для этого с другой стороны шестеренки нужно поставить, точно такую 15-ти модульную балку. Но не достаточно просто воткнуть сюда, необходимо закрепить на свободном пространстве. Снимаем 40 зубчатую шестеренку вмести с осью, и готовим крепление под стяжку. Ставим 15 модульную балку на два трехмодульных штифта под стяжку, так сто бы ведущая ось прошла сразу через 2 балки, что даст нам дополнительную направляющую. Закрепили втулкой. Теперь, вспомогательная 11 модульная балка и еще 2 штифта ставится стяжка напротив изначально несущей балки. Если мы не будем зажимать втулки шестеренки, получим очень ходкий мультипликатор, отношение 1Х45 (слайд 13).

  1. Игровая деятельность.

Соревнование "Чей волчок продержится дольше".

  1. Заключительная часть.

Диалог, самооценка, самоанализ:

  • подведение итогов, где каждый говорит, что нового он узнал, где может применить полученные знания.
  • обмен мнениями и обсуждение работ, их оценка
  • завершение мастер-класса.

Ресурсное обеспечение мастер-класса:

  1. Базовые наборы LEGO MINDSTORMS Education NXT
  2. Интерактивная доска

Основные риски мастер-класса и пути их минимизации

№ п/п

Основные риски

Пути их минимизации

1

Недостаточный уровень готовности педагогических кадров.

Обучение педагогических кадров на тематических курсах повышения квалификации.

2

Количество необходимого оборудования и разнообразие его видов недостаточно для реализации проекта в полном объеме

Приобретение требуемого оборудования

 

Мастер класс был показан в рамках конференции педагогов дополнительного образования МО Приуральский район 16 декабря 2016 года на базе МУ ДО ДДТ «Левша» п.Харп.


Приложения:
  1. file0.docx.. 32,3 КБ
  2. file1.pptx.zip.. 821,4 КБ
Опубликовано: 13.02.2021