Любченко О. А., кандидат педагогических наук, ГАОУ ВО МГПУ
E-mail: LubchenkoOA@mgpu.ru
Маринюк А.А., кандидат исторических наук, доцент, ГАОУ ВО МГПУ
E-mail: MarinyukAA@mgpu.ru
Серебренникова Ю. А., кандидат педагогических наук, доцент, ГАОУ ВО МГПУ
E-mail: SerebrennikobaYUA@mgpu.ru
В статье раскрываются особенности организации пропедевтического цикла практических занятий c детьми младшего школьного возраста по кинематике вращательного движения средствами набора Lego Technics и его аналогов в рамках раннего ознакомления детей с инженерными и робототехническими средствами.
Перед современными педагогами стоит важная задача подготовить обучающихся к жизни в инновационном обществе, постоянно развивающимся мире, дать необходимые компетенции для гармоничного освоения профессий будущего. По статистике, опубликованной на сайте НИИ ВШ не менее 70% профессий будущего основаны на инженерных знаниях и компетенциях, в связи с чем ознакомление с физическими принципами механики детей младшего школьного возраста позитивно влияет на формирование познавательной активности, дает минимальные базовые знания для развития инженерных компетенций и формирования необходимых для этого знаний. Формирование знаний и общих о кинематике вращательного движения в начальной школе находится в слепой зоне и ему уделяется мало внимания. Так, например, в курсе робототехники, основанном на наборах Lego Technics и его аналогов большое внимание уделяется знаниям о построении рамы механизма, размещении, на нем инженерных элементов набора, таких как двигатель и движитель. Чаще всего размещение происходит в их прямом соединении, когда на валу двигателя находится движитель, так называемое- мотор-колесо. И в момент, когда движителю не хватает крутящего момента (мощности) двигателя для нормальной работы, педагог рекомендует взять и использовать более мощный двигатель из набора. Это приводит к тому, что для конструкции механизма с мощным электродвигателем набора требуется более емкий и мощный блок элементов питания, а это существенно утяжеляет конструкцию и не решает поставленной задачи, так как КПД механизма уменьшается. Именно в такие моменты педагогу целесообразно рассказать обучающимся основы кинематики вращательного движения, и показать способы передачи вращения от двигателя к движителю которые помогут увеличить крутящий момент (мощность) двигателя преобразуя скорость в крутящий момент. После чего педагог может предложить заменить схему мотор-колесо на один из видов трансмиссии (механической передачи вращательного движения). Так же целесообразно объяснить обучающимся что вращение и крутящий момент можно передать от двигателя к одному и даже нескольким движителям используя одинаковую скорость вращения движителя или разную их скорость вращения, реализованную через дифференциал.
Простая механическая передача вращательного движения преобразующая скорость в крутящий момент осуществляется через редуктор. На базе набора Lego Technics и его аналогов можно создавать редукторы, основанные на вращении шестерней, ременные редукторы, основанные на вращении шкивов, а, так же, червячный редуктор, использующий шестерни с червячной передачей. Так же опционально можно создать механизм, основанный на реечном редукторе для передачи возвратно-поступательного движения [1].
Рассмотрим пример кинематики вращательного движения на шестеренчатом прямозубом редукторе, поскольку детали для него есть во всех базовых наборах Lego Technics, даже в самых усеченных. Демонстрацию редукции следует начинать с системы шестерней, для чего понадобится рама, собранная из реек, называемых в наборе – бим. Бим, представленный в наборе, представляет собой рейку, имеющую ряд отверстий, таких, как — круглые отверстия, для организации вращения валов внутри них, посредством сухого трения, и крестовидных отверстий для закрепленных валов. Крепление бимов рамы, для придания ей конструктивной жесткости, осуществляется посредством элементов, которые в наборе называются – пин. Помимо этого, закрепленные валы можно использовать в раме вместо пинов организуя поперечные элементы рамы, поскольку валы в рассматриваемых наборах имеют крестовидное сечение. Организовывать передаточное вращение шестерней в редукторе рекомендуется на валах (в наборе именуется – ось) а не на пинах, во избежание заклинивания редуктора, с этой же целью оба конца вала должны свободно вращаться в отверстиях рамы, предназначенных для сухого скольжения. Для демонстрационной сборки узлов рамы можно взять два бима, содержащие 15 отверстий (1Х15 толстый арт. 32525), 16 бимов на одно отверстие (1Х3 тонкий арт.6632) и четыре оси 70 мм. (ось 7 арт. 44294). Края бимов 1Х15 при создании рамы зажимаются между бимами 1Х3 и крепежные оси помещаются в 1,3,13,15 отверстие бимов соответственно. Для передаточного механизма можно взять шестерню с прямыми шлицами 8 зубьев (шестерня 8 арт. 11955) и шестерню 24 зубьев (шестерня 24 арт. 3648) соотношение редуктора будет в таком случае составлять ~ 3Х1. Шестерни необходимо разместить внутри рамы используя 2 оси выполняющие в данном случае роль валов а не пинов (оси 70 мм. (ось 7 арт. 44294)). Можно установить на концы оси валов редуктора деталь — кноб колесо (колесо арт. 32072) в один из кнобов каждого установленного колеса можно разместить фрикционный пин (пин арт. 6628а). Таким образом кноб колесо превратится в ручку-эксцентрик, посредством которой можно провернуть механизм редуктора несколько раз и увидеть изменение соотношения скорость-крутящий момент визуально. На следующем этапе демонстрации вместо ручки-эксцентрика к оси вала в качестве двигателя подключается имеющийся лего мотор (например, мотор арт. 9670) а к другой оси вала прикрепляются движители, например 2 колеса (колесо в сборе 56Х14 арт. 39367pb02). В процессе демонстрации подключаем двигатель к валу шестерни с большим количеством зубьев, а движители к валу шестерни с меньшим количеством зубьев и регистрируем вместе с обучающимися, что скорость вращения увеличилась ~ в три раза. Далее подключаем двигатель к валу шестерни с меньшим количеством зубьев, а движители прикрепляем к валу шестерни с большим количеством зубьев и регистрируем вместе с обучающимися что скорость механизма замедлилась ~ в три раза, а передаточный момент вырос.
Для того, чтобы продемонстрировать возможность изменения угла вращения можно от редуктора на время открепить движители и на той же раме, или расширив ее при помощи бимов и закрепленных валов или при помощи пинов и бимов собрать редуктор изменяющий угол вращения. Простой угловой редуктор без дифференциала можно продемонстрировать, установив на ось вала, на конец оси, с которой предварительно открепили движители, шестерню скошенную на 45 градусов (шестерня скошенная 12 зубьев арт. 6589) и под углом 90 градусов к этой оси разместить ось 70 мм. (ось 7 арт. 44294) с встречной шестерней, скошенной на 45 градусов (шестерня скошенная 12 зубьев арт. 6589) можно использовать ось большей длины (если это требуется) ось закрепляется в отверстия рамы для сухого скольжения. Для того, чтобы ось не смещалась, а шестерни были совмещены, и передача вращения не прекращалась на ось вала до и после бима с отверстием для сухого выражения можно поставить коннектор (коннектор оси 2L арт. 6538c). К концам оси следует прикрепить движители (колесо в сборе 56Х14 арт. 39367pb02) после чего продемонстрировать обучающимся как изменился угол вращения оси вала движителей по отношению к оси вала двигателя, что угол редукции составляет 90 градусов поскольку использованы скошенные на 45 градусов шестерни. Обучающимся следует объяснить все недостатки такой передачи, в связи с тем, что вращение передается на оба колеса механизм может двигаться только по прямой, в случае движения с поворотами один движитель должен двигаться быстрее другого, это невозможно организовать при таком способе передачи вращения, в связи с этим движители подлежат быстрому износу. Необходимо дать возможность обучающимся выявить самостоятельно достоинства и недостатки такого способа передачи вращения [2].
В расширенном наборе Lego Technics и его аналогах имеется в наличие готовый угловой редуктор – дифференциал (модуль дифференциал с карданами арт. 62821). Он призван устранить недостатки в конструкции предшествующего механизма углового редуктора, выявленные обучающимися в процессе его применения. В наборах он представляется как готовый модуль, где дифференциальный угловой редуктор уже смонтирован на раме, или в виде отдельных деталей, основой его является шестерня стакан 28 зубьев (дифференциал с одной шестерней 28 зубьев арт. 62821b), внутрь стакана на отливки-пины устанавливается три шестерни скошенные на 45 градусов (шестерня скошенная 12 зубьев арт. 6589) внутри шестерни стакана устанавливается ось 70 мм. (ось 7 арт. 44294) или подходящий ее аналог на эту ось устанавливаются движители (колесо в сборе 56Х14 арт. 39367pb02). Вращение на шестерню стакан подается с оси редуктора, подключенного к двигателю. На ось редуктора устанавливается скошенная на 45 градусов шестерня (шестерня 20 скошенная арт. 32198). После навесного монтажа деталей происходит их обвязка бимами, пинами и закрепленными осями, о которых говорилось ранее. Демонстрация работы механизма с дифференциалом обучающимся производится с проведением тележки механизма по кругу, а также, путем торможения или блокировки вращения одного из движителя с одновременной регистрацией продолжения вращения другого движителя. После этого вместе с обучающимися следует исследовать и зарегистрировать изменение угла передачи вращения на 90 градусов, как и в ранее рассмотренном примере с угловым редуктором. После изучения дифференциала конструкцию следует усложнить карданными валами — шарнирами равных угловых скоростей (кардан ШРУС арт. 6335279), установив их между двигателем и редуктором, а также, между редуктором и дифференциальным угловым редуктором. Предварительно полезно разобрать кардан на детали, продемонстрировать его устройства, две вилки карданного вала и крестовину их соединяющую[3]. После этого объяснить, что внутри конструируемого механизма шарниры равных угловых скоростей и карданный вал позволяют передать вращение на любой тупой (от 90 до 180 градусов) угол. Такой способ позволяет передавать вращения, как в жестком закреплении (подвески узлов), так и в мягком закреплении (например, на рессорах и подвесках) и угол в процессе эксплуатации механизма может изменятся на любое значение от 47 до 89 градусов -экстремальный угол и от 90 до 180 градусов – угол комфортной работы кардана и шарниры равных угловых скоростей не прерывая передачу вращения.
Формирование знаний и компетенций по кинематике вращательного движения средствами набора Lego Technics и его аналогов рекомендуется проводить, предоставив обучающимся свободу в сборке узлов рассматриваемого механизма. Не следует диктовать технические условия, следует мягко направлять творчество обучающихся. Важно чтоб выводы при демонстрации примеров работы узлов механизма обучающиеся делали самостоятельно. Знания и компетенции, полученные путем выполнения комплекса практической работы по кинематике вращательного движения средствами набора Lego Technics и его аналогов являются пропедевтическими по отношению к учебным курсам по робототехнике, физике, механике, а также курсов по изучению устройства механизированных технических средств. Моделирование возможно проводить как на практике, так и в облачной виртуальной среде Автокад (Tinker Kad) или ее отечественных аналогах, поскольку наборы Lego Technics внесены в эти облачные среды и во многие из них добавлена реальная расчётная физика всех объектов. Практическая работа обучающихся по данному направлению позволяет предотвратить у младших школьников туннельное мышление в инженерном конструировании и расширить их кругозор.
- Бельков, Д.М. Задания турнира по робототехнике «Автошкола» / Д.М. Бельков, М.Е.Козловских, И.Н. Слинкина // Информатика в школе. — 2024. — № 3. — С. 22.
- Евдокимова, В.Е. Организация занятий по робототехнике для дошкольников с использованием конструкторов LEGO / В.Е. Евдокимова, Н.Н. Устинова // Информатика в школе. — 2023. — № 8. — С. 43.
- Хапаева, Светлана Сергеевна. Организация квеста для знакомства учащихся с инновационным оборудованием / С.С. Хапаева, Р.А. Ганин, О.А. Пышкина // Информатика в школе. — 2019. — № 2. — С. 13.
https://izvestia-ippo.mgpu.ru/lyubchenko-o-a-marinyuk-a-a-serebrenniko-4/