搭建 CNC 数控绘图机

课前准备
- 通读教师教学材料。
- 可根据教学需要使用 EV3 Lab 软件或 EV3 机器人编程 App 应用程序中的入门教学材料来设计课程。这将有助于学生熟悉乐高教育^® MINDSTORMS^® 头脑风暴 EV3 机器人套装。

参与（30 分钟）
- 结合下文发起一次讨论部分的提示，组织学生围绕本项目展开讨论。
- 解释项目。
- 将整个班级按两人一组方式进行分组。
- 为学生预留头脑风暴的时间。

探究（30 分钟）
- 让学生创建多个原型。
- 鼓励学生探索搭建和编程。
- 让每组学生搭建并测试两种方案。
- 为他们提供一张大的坐标纸和彩色铅笔或马克笔。

解释（60 分钟）
- 要求学生测试自己的方案，并选出最优的一个。
- 确保学生能够创建自己的测试表。
- 为每个团队留些时间来完成项目，并收集他们的工作记录材料。

拓展（60 分钟）
- 给学生一些时间，让他们完成自己的最终报告。
- 组织一次分享会，让每个团队展示他们的成果。

评估
- 为每位学生的课堂表现提供反馈。
- 可借助所提供的评价量表来简化此环节。

计算机数控 (CNC) 机器能够借助预编程指令，沿一个或多个轴高精度控制刀具。此类设备通常用于计算机集成制造，将计算机上的数字设计转化为实体产品。

引入头脑风暴环节。

要求学生思考下列问题：

• 什么是 CNC 数控机器，它用在哪里？
• 安装铅笔或马克笔的最佳方式是什么？
• 哪种电动机制能够使铅笔或马克笔在二维空间中移动？
• 哪些设计功能能够确保设备的运动准确且可重复？

鼓励学生记录最初想法，并解释第一个原型选用此方案的原因。要求学生描述：如何在整个项目进行过程中评估自己的想法。通过这种方式，他们在审核和修改过程中将会拥有评估自身方案的具体信息，并可籍此来决定方案是否有效。

语言艺术拓展

为了引入语言艺术能力培养环节，让学生：

选项 1

• 通过书面方式、草图和/或照片等方式，对设计过程进行总结，并制作一份最终报告。
• 制作一段演示设计过程的视频，从最初想法开始，到项目完成结束。
• 制作一份跟他们程序相关的演示文稿。
• 制作一份演示文稿，将他们的项目与类似系统的实际应用联系起来，并描述可以根据他们的创造而进行的新发明。

选项 2
在本节课中，学生将创建一台 CNC 数控绘图机。CNC 数控机器使用人工生成的计算机辅助设计 (CAD) 模型生产部件、产品和原型。这些 CAD 模型均由通过计算机存储在本地网络或云中的数据展现。

• 讨论并记录将 CAD 绘图存储在单台计算机、本地网络和云中的优缺点。
• 请注意，学校和教育软件供应商必须保护学生的数据（包括他们的数字 CAD 绘图），并提供说明性文字，概述数据隐私及其与学生作业在线存储的关系
• 比较在线存储 CAD 绘图的工程公司和在线存储学生 CAD 绘图的学校的数据安全问题

数学拓展

在本节课中，学生将创建一台绘图机器。但是，如果他们的目标是创建一台能够绘制特定几何形状的机器，该怎么办？如果他们希望自己的机器在绘制特定形状方面越来越出色，该怎么办？实现这个目的的一种方法是使用一种被称为“机器学习”的人工智能。为了使用机器学习，必须向系统提供样本数据，以“教授”它什么是形状，以及如何确定自身是否精确绘制了特定形状。

为了提高数学技能，并将这些技能应用于机器学习，即使用样本数据，应要求学生：

• 写出三种基本几何图形的定义（如圆、正方形、等边三角形），并确定如果想帮助绘图机器人绘制每种图形，他们如何更改这些定义
• 写出特定几何图形的定义，使其能够帮助绘图机器人以特定尺寸绘制该图形
• 查看他们刚写出的图形定义，并创建样本数据表，以向机器人教授绘制选定图形所需的动作

为进一步将数学概念和技能与本主题联系起来，请提出下列问题：

• 什么是人工智能？它与一系列给定的指令有何不同？数学模型在区分人工智能和简单的指令列表方面有什么作用？
• 对机器人设计进行哪些更改，可使其观察周围环境并学习如何绘制所看到的图形？

搭建创意
允许学生搭建下面链接中的示例。鼓励他们探索这些系统的工作原理，并进行头脑风暴，讨论如何通过这些系统获得“设计任务”的解决方案。

• 颜色传感器 1
• 抓取器
• 陀螺仪传感器
• 笔架
• 跷跷板
• 触动传感器
• 转盘

测试要诀
鼓励学生设计自己的测试装置和流程，从而选择最佳方案。下列提示可以帮助学生建立他们的测试体系：

• 在坐标纸上标记设备的位置，以确保在每次测试运行时都可以将其放置在相同的位置。
• 使用网格线标示出 1 厘米 x 1 厘米的方格，以帮助记录每次试运行的结果。
• 创建测试表以记录观察结果。
• 通过对比预期结果和实际结果来评估设备的精度。
• 至少重复测试三次。

示例方案
以下是符合“设计任务”标准的示例方案：

EV3 MicroPython 示例程序

#!/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)

喜欢这节课的学生可能会对以下相关行业产生兴趣：

• 制造与工程（机械技术）
• 传媒艺术（数字媒体）

教师观察清单
可根据教学需要设定等级，例如：
1.部分完成
2.全部完成
3.超额完成

请使用下列成功完成任务的标准来评估学生的进度：

• 学生能够根据优先标准和权衡多种因素来评估竞争性设计方案。
• 学生能够自主开发出可行且富有创意的方案。
• 学生能够清楚表达他们的想法。

自我评估
当学生收集到所需的性能数据后，给他们一些时间反思自己的方案。通过提出如下问题来帮助他们：

• 你们的方案是否符合“设计任务”的标准？
• 你们的设备能够移动的更精确些吗？
• 其他人解决这个问题时采用了哪些方法？

要求学生进行头脑风暴，并记录两种能够改进他们方案的方法。

同伴反馈
推动学生进行同伴审核，由每个小组负责评价自己及其他小组的项目。此审核过程能够培养学生提供建设性反馈的能力，提升他们的分析能力和使用客观数据支持论点的能力。