ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Методическое пособие

для преподавателей

Разработчик:

Бронштейн Борис Зеликович

ОРТ Москва

2004

Содержание

Введение

Глава 1. Потребности человека и технология

Понятия: нужда, потребность, назначение, технологическая система, технология.

Способы удовлетворения потребностей: технологический, социальный, физиологический.

Жизненно-необходимые и социальные потребности.

Развитие способов удовлетворения потребностей человеком от первобытных времен до наших дней.

Роль огня в развитии человека.

Глава 2: Экспертный подход при принятии решений

Понятие характеристики системы.

Входы и выходы технических систем.

Деловая игра «Чей пенал, авторучка… лучше?»

Глава 3: Развитие технологий

Развитие технологических систем их влияние на окружающий мир. Технологии, ушедшие в историю (история техники).

Источники информации. Виды источников информации. Поиск, классификация, представление.

Словесное описание, рисунки, фотографии, видео. Компьютерные технологии для представления информации.

Этапы развития технологических систем: формирование, эволюция, деградация.

Глава 4: Система: ее состав и структура (8 часов)

Классификация систем:

- природные системы (живая, неживая природа);

- искусственные системы (социальные, технологические).

Понятия: система, компонент, подсистема, надсистема, элемент, деталь и связь между ними.

Функции и свойства.

Техническая система: главная полезная функция, дополнительные функции.

Подсистема, элемент: основная функция, вспомогательные функции.

Элементный анализ бытового устройства (шариковая авторучка).

Глава 5: Проектирование)

Проектирование, как процесс постановки проблемы и технологического пути ее решения.

Этапы проектирования.

Стратегии проектирования:

- модернизация (разработка от прототипа);

- создание нового изделия

Глава 6: Методы проектирования

- Метод морфологического ящика.

- Метод предметно-функционального проектирования

Глава 7: Модернизация технологических систем

Этапы модернизации

Внутригрупповой проект с использованием методов проектирования: «Модернизация бытового устройства». Проведение работ и подготовка докладов.

Презентация докладов по модернизации бытового устройства и их совместная оценка.

Глава 8: Простые механизмы

Виды движений. Кинематическая схема. Основные элементы.

Передаточное отношение. Экспериментальное и аналитическое определение.

Глава 9: Модель механической игрушки (8 часов)

Анализ прототипа: виды движений, выбор простых механизмов, кинематическая схема модели.

- лего-модель механизма;

- лего-модель каркаса;

дизайн (развертка и ее изготовление) модели игрушки.

Глава 10: Разработка модели изделия по заданным функциям, видам движения

Виды движения

Выбор простых механизмов

Составление кинематической схемы

Сборка модели в среде Лего-Дакта

Подготовка вспомогательных элементов модели

Окончательная сборка модели и подготовка отчета-презентации о проделанной работе

Презентация выполненных проектов и их совместное обсуждение.

Введение

Настоящее пособие предназначено для преподавателей, работающих в 6-х классах школ ORT России, СНГ и стран Балтии в рамках международной образовательной программы ORT “Technology For All”. Основой курса является учебное пособие для школьников «Проектирование», рабочие карточки для школьников и соответствующая учебная программа, разработанные Ресурсным Центром ORT при Московской общеобразовательной школе №1299 с углубленным изучением образовательной области «ТЕХНОЛОГИЯ».

Пособие может быть полезно в 5-х классах при завершении темы «Простые механизмы», а также в 7-х классах при изучении темы «Механические устройства».

К каждой теме, по возможности, подобран дополнительный материал, размещенный в Приложениях к разделам, приведены образцы выполнения основных заданий курса и даны ссылки на работы, позволяющие преподавателю глубже изучить, рассматриваемый материал. Приводятся работы учащихся.

Необходимо помнить, что в отличии от других школьных дисциплин при изучении «Технологии» не бывает правильных и неправильных ответов, решений, а бывают ответы обоснованные (доказанные) и нет.

Курс «Проектирование» преподается в школах системы ОРТ уже несколько лет. Сложились специфические подходы и видение его места в общей структуре дисциплин. Поэтому в предлагаемом пособии обозначены основные разделы курса, по каждому из которых приводится заведомо избыточный материал, что позволит преподавателю наиболее эффективно использовать предлагаемые рекомендации в своей работе. По этой же причине не предлагается программа курса «Проектирование».

Потребности человека и технология

Соответствующие разделы учебника «Проектирование» по курсу «Технология», Якушкин П.А. ОРТ Москва, 1999.

Раздел «Введение» Пособия для учащихся «Жилище», Бронштейн Б.З. ОРТ Москва 2000.

Разделы «Введение» и «Человеческие нужды как источник развития технологических систем» пособие для преподавателя «Технологические системы и продукция», Бронштейн Б.З. ОРТ Москва 2001.

Все живое нуждается в воздухе, воде, продовольствии, защите от климатических воздействий, безопасности.

Посмотри на растения – количество их больше, они крупнее на хороших почвах при отсутствии тени и вредителей. Животные предпочитают селиться там, где есть пища и вода, а также растительность, в которой можно спрятаться от хищников. Для отдыха и выращивания потомства они роют норы в земле, делают дупла в стволах деревьев, строят гнезда.

Более развитые животные предпочитают селиться группами, организовывая достаточно сложные сообщества с жесткой социальной структурой.

Это позволяет им эффективно защищаться от хищников, удачно охотиться, выращивать потомство. Все сказанное в значительной степени относится к нашим отдаленным предкам и к нам с вами.

Обычно, наблюдая поведение живых существ, мы говорим, что оно (поведение) вызвано какими-либо нуждами. Растение вянет, потому что нуждается в отсутствии жажды. Собака беспокойна, агрессивна, потому что нуждается в отсутствии голода.

Бабушка раздражительна, неразговорчива, потому что у нее что-то болит, она нуждается в отсутствии боли.

Мы видим с тобой, что причиной того или иного поведения является нужда - осознанная нехватка чего-либо. Хотя для растений, наверное, "осознанная" не очень подходит.

Психологи давно занимаются этой проблемой, пытаясь установить, что предшествует тому или иному действию человека, то есть выяснить мотивы его поведения.

В настоящее время наиболее используемой является теория мотивации Маслоу, американского психолога, более известного как специалист по рекламе и маркетингу. Основные ее положения были им сформулированы в 50-е годы двадцатого века.

Маслоу разделил нужды - причину поведения, его глубинные мотивы - на две группы: жизненно-необходимые и социальные.

Жизненно-необходимые нужды:

нужда в отсутствии боли, угрозы;

нужда в отсутствии голода, жажды.

Социальные нужды:

нужда в принадлежности к группе;

нужда в признании и уважении окружающих;

нужда в самоутверждении.

Им также было установлено и научно обосновано, что только после удовлетворения в определенной степени предыдущей нужды возникает необходимость в удовлетворении нужды последующей. При очень сильной боли, человек не чувствует ни голода, ни жажды.

Важно помнить, что перечень нужд конечен: четыре жизненно-необходимых и три социальных (разумеется, возможны варианты). Несомненно, предложенное деление условное, договорное, но без подобной договоренности целесообразность изучения рассматриваемой области знаний представляется сомнительной.

Однако наблюдать нужды в чистом виде мы не можем - это абстрактное понятие. Проявляются нужды только в виде потребностей, своем конкретном воплощении.

Взяв в руки обломанную ветром ветку, чтобы достать высоко висящий плод, наш далекий предок сделал первый шаг на пути технологического развития.

Современного человека окружают самые разнообразные предметы, созданные для удовлетворения его многочисленных потребностей, что позволяет нам определить технологию, как процесс удовлетворения человеческих нужд с помощью искусственно созданных материальных объектов, а любую технологическую систему рассматривать, как конкретного представителя этого искусственного мира.

Необходимо добиться, чтобы школьники могли уверенно прослеживать логические цепочки нужда человека – потребность человека – назначение технологической системы (цель ее создания, использования) – функция технологической системы - технологическая система. Понимали, что однозначных ответов не бывает – мы живем в мире альтернатив и должны уметь и быть готовы сделать обоснованный выбор.

Хотелось бы отметить, что, работая с учащимися 6-х классов, не следует акцентировать их внимание на понятии нужды, а основное рассмотрение ограничивать уровнем обобщения «потребность».

Нужда – осознанная нехватка чего-либо – нужда в отсутствии боли. Для перехода к потребности надо ответить на вопрос: как может быть обеспечено отсутствие боли? Соответствовать будут все ответы, но необходимо выбрать один.

Потребность – конкретное выражение нужды – гигиена (варианты: медицинское обслуживание, занятия спортом, диетическое питание…). Ответ на вопрос - как обеспечить гигиену? – позволит перейти от потребности человека к назначению технологической системы, которой он решил для этого воспользоваться. Соответствовать будут все ответы, но необходимо выбрать один.

Назначение – чтобы определить назначение технологической системы необходимо ответить на вопрос: для чего я использую технологическую систему? – чистить зубы (варианты: мыть руки, стирать белье, принять душ…).

Функция, чтобы получить ее формулировку функции необходимо ответить на вопрос - как чистить зубы? Например, удалить остатки пищи – это и будет функция технологической системы, которой мы воспользуемся.

Ответ на вопрос: чем я воспользуюсь, чтобы удалить остатки пищи? укажет на технологическую систему.

Чтобы пройти по цепочки в обратном направлении: технологическая система – функция – назначение – потребность – нужда, используется другая группа вопросов.

Ответ на вопрос - что делает технологическая система? – позволит получить формулировку функции.

Ответ на вопрос – зачем «…формулировка функции…»? или «…я использую технологическую систему…»? - формулировка назначения.

Ответ на вопрос – зачем «…формулировка назначения…»? - формулировка потребности.

Отвечая на вопрос – зачем «…формулировка потребности…»? – получим формулировку нужды, выбранную из перечня и в большей степени отвечающая ситуации.

Как упражнение школьникам для выработки навыков построения цепочек можно использовать заполнение таблицы, в которой изначально заполняется только одна ячейка. Общее количество ячеек в столбцах таблицы можно увеличить, а колонку «нужда» удалить.

Т\С	Функция	Назначение	Потребность	Нужда
Настольная лампа	Создать световой поток заданного направления	Осветить рабочее место	Сделать уроки	Принадлежность к группе, социальная нужда (СН)
		Подать световой сигнал	Предупредить напарника	Безопасность, базовая, жизненно-необходимая нужда (БН)

Рассматривая способы удовлетворения потребностей человека, выделяют три направления: физиологический, социальный и технологический.

Если посмотреть на расовые отличия людей, из поколения в поколение живущих в разных климатических поясах, мы увидим, что негроидный тип имеет темный, чаще черный цвет волос плотной, жесткой структуры, темный цвет кожи и глаз. Северяне светлокожие, светловолосые и светлоглазые. Примеры можно продолжить, добавив жителей высокогорий (более 4000м над уровнем моря постоянно) Тибета, Анд, Гималаев. Важно то, что климатические воздействия вызвали физиологические изменения, позволившие приспособиться организму к окружающим условиям. Не было в те давние времена, когда люди расселялись по планете, кондиционеров, защитных очков, специальной одежды и прочих достижений современной цивилизации.

У животных физиологические решения еще более выразительны. Лягушки, змеи и ящерицы нашей средней полосы впадают в спячку с последующим замерзанием до лучших, теплых времен. Медведи, не имея возможности обеспечить себя кормом, спят до весны…

Это физиологический способ удовлетворения нужды.

Примеров социального способа удовлетворения нужд можно привести из жизни животных и людей также немало

объединение в группы:

- для охоты (нужда в отсутствии голода);

- для защиты от крупных животных и других племен (нужда в отсутствии угрозы)

- существуют законы, регламентирующие поведение людей, а также структуры, обеспечивающие соблюдение этих законов (нужда в отсутствии угрозы)

- …

Скотоводы перегоняют стада на новые пастбища, откочевывая вместе с семьями.

С примерами технологических способов удовлетворения нужд тем более никаких затруднений:

- стало холодно, включили отопление, теплее оделись, жарко включили кондиционер (нужда в отсутствии боли);

- проголодались, можно достать пищу из холодильника и приготовить ее на плите (нужда в отсутствии голода);

- …

Не менее важно упомянуть о роли огня в развитии человека. Необходимо выделить три направления этого влияния:

1. Физиологическое. Употребление в пищу термообработанных продуктов привело к перераспределению питательных веществ в организме человека от органов пищеварения к другим, в первую очередь к головному мозгу. Уменьшился уровень инфекционных заболеваний.

2. Социальное. Первобытный человек был постоянно занят поисками пищи и обеспечением защиты от крупных животных и других племен. Активный период его жизни заканчивался с наступлением темноты. Использование огня, как источника света, светлое дополнительное время в ограниченном пространстве (стойбище, пещера…). И если часть мужчин племени (тейпа) в это время отдыхали или были заняты охраной, то остальные члены племени получили возможность общения друг с другом. Возможно, именно в этих условиях возникли зачатки культуры, образования…

3. Технологическое. Термообработка природных веществ, материалов и их комбинаций придает им новые свойства, по сути дела появляются новые, искусственные вещества. Обожженная древесина прочнее, чем сырая, размоченная водой глина при обжиге становится водостойкой, прочной. Термообработанные продукты питания при некоторых режимах обработки увеличивают сроки хранения. Первобытные люди столкнулись с такими преобразованиями случайно, но в последствии смогли закрепить полученный опыт.

Закончив подобный небольшой рассказ можно предложить школьникам подготовить инициативное сообщение о роли огня в развитии человека. Как правило, 3-4 учащихся из группы охотно берутся за такое творческое не обязательное задание.

Тему «развитие способов удовлетворения потребностей человека от первобытных времен до наших дней» лучше проводить в форме деловой игры, которую традиционно называют «Робинзон». Школьникам предлагается фантастическая ситуация: в одно прекрасное утро они, в чем спать ложились, просыпаются под кустом в незнакомой местности (на усмотрение преподавателя возможны варианты: кораблекрушение, машина времени…).

Условия:

· первое время тепло, хищники и аборигены отсутствуют;

· есть живность, растительность, вода и т.п.;

· смогут ли найти и вернуть в наш мир детей неизвестно;

· из предметов нашего мира есть только то, в чем спали (во что одеты).

В режиме совместного обсуждения необходимо составить перечень предметов, без которых в принципе нельзя обойтись. То есть технологических систем или продукта, полученного с их помощью и используемых для удовлетворения жизненно-необходимых потребностей человека (как говорилось ранее, применением термина «нужда» при работе с 6-ти классниками не следует злоупотреблять).

Упорядочивая и переформулируя совместно со школьниками этот перечень, получим список жизненно-необходимых потребностей, еще их называют базовыми или основными.

Поясним сказанное, используя вышеизложенные рекомендации и фрагмент возможного перечня.

Технологическая система или продукт, полученный с ее помощью	Жизненно-необходимая потребность
Жилище	Защита от климатических воздействий Здоровье Безопасность
Одежда	Защита от климатических воздействий Здоровье Безопасность (маскировка)
Лекарства	Здоровье
Оружие	Безопасность Пища

Для логического перехода от системы к потребности достаточно ответить на вопрос:

- зачем мне «наименование Т/С»?

или

- что я получаю от «наименование Т/С»?

Для того чтобы проследить изменения в способах удовлетворения потребностей человека от доисторических времен до наших дней можно воспользоваться фрагментом рабочего листа «2001_6_class_1.doc»

Основные потребности человека и животных	Как их удовлетворяет животное	Что использовал первобытный человек для удовлетворения этих потребностей	Что использует современный человек
Пища, жидкость	Охота, собирательство	Охота, собирательство, примитивные орудия труда (оружие), примитивные заготовки	Охота, собирательство, примитивные заготовки, скотоводство, земледелие, всеобъемлющие длительные заготовки, колодцы, водопровод
Безопасность	Убежать, спрятаться (замаскироваться), объединиться в стаю, представлять опасность для окружающих	Убежать, спрятаться (замаскироваться), объединиться в группу, жилище, оружие	Убежать, спрятаться (замаскироваться), объединиться в группу, жилище, оружие, охрана, закон
Здоровье	Травы, минералы, продукты жизнедеятельности некоторых животных	Травы, минералы, продукты жизнедеятельности некоторых животных, зачатки здравоохранения – шаманы, знахари	Травы, минералы, продукты жизнедеятельности некоторых животных, врачи, лекарства, нетрадиционная медицина
Защита от климатических воздействий	Сезонные миграции, норы, гнезда, зимняя спячка, смена покрова, объединение в группы (согревать теплом друг друга)	Сезонные миграции, примитивные жилище и одежда, огонь	Жилище, одежда системы поддержания комфортной температуры в помещении

Рассматривая развитие способов удовлетворения потребностей, важно подчеркнуть, что достижения ранних этапов не отбрасываются. Они либо качественно изменяются, либо частично (иногда значительно) вытесняются пришедшими на смену новыми технологиями. Результаты рыбалки, сбора грибов и ягод, охоты до сих пор присутствуют на столе современного человека, хотя доля их, как правило, незначительна.

Характеристики системы

Основные материалы по настоящему разделу исчерпывающе изложены:

1. Бронштейн Б.З., «Основы технического творчества», пособие для преподавателей, ОРТ, Москва, 1996. Раздел «Введение в экспертные оценки».

2. Бронштейн Б.З., «Технологические системы и продукция», пособие для преподавателей, ОРТ, Москва, 2001. Раздел «характеристики технологических систем»

Самое общее определение термина «характеристика» - описание характерных, отличительных качеств, черт, свойств чего-либо или кого-либо.

Примечание

Это определение вы найдете в любом словаре. Сразу следует обратить внимание учащихся на нарушение «правила запрета порочного круга» см. Бронштейн Б.З., «Основы технического творчества», пособие для преподавателей, ОРТ, Москва, 1996. Раздел «Определение понятия».

Корректно было бы «характеристика» - описание отличительных качеств, черт, свойств, параметров, признаков чего-либо или кого-либо.

В данной работе хотелось бы остановиться на некоторых особенностях преподавания в 6-х классах.

Под характеристиками будем понимать связи системы с окружением, принимаемые во внимание. При этом связи, направленные из окружения в систему – входы, а из системы в окружение – выходы.

Характеристики могут подразделяться на технологические – позволяющие описать конструктивные и функциональные особенности системы (для авторучки - масса, габариты, ширина и длина следа, тип пишущего узла…) и социальные – показывающие отношение человека к технологической системе (стоимость, престижность, удобство…).

Углубляться в содержание понятий «вход» и «выход» (см. Бронштейн Б.З. «Технологические системы и продукция» пособие для преподавателей, ОРТ Москва, 2001, Раздел «Входы технологических систем») нет необходимости, если только курсы 6-го и 7-го классов не объединены.

Проведение деловой игры подробно описано в пособие для преподавателей «Основы технического творчества», ОРТ, Москва, 1996. Раздел «Введение в экспертные оценки».

При наполняемости учебной группы 12-14 человек все упражнение занимает не менее одного астрономического часа чистого времени. Проводя занятие необходимо добиваться, чтобы школьники максимально полно фиксировали в тетрадях весь ход деловой игры.

Следующим этапом является составление отчета о деловой игре. Важно подчеркнуть, что игра – система, элементы – этапы, а взаимодействие элементов – последовательность их выполнения. Школьники должны перечислить этапы, присвоив им наименование, и описать содержание каждого этапа, проиллюстрировав текст описания этапа примером из реальной деловой игры, участниками которой школьники были на занятии.

Очень важным этапом, завершающим настоящий раздел курса, является совместное обсуждение подготовленных школьниками отчетов. Перед началом обсуждения необходимо предложить учащимся самостоятельно сформулировать по 4-5 критериев, по которым, с их точки зрения, должны быть оценены их презентации отчетов. Чтобы не тратить время на занятии, составление подобных перечней целесообразно предложить в качестве домашнего задания. Далее все происходит в той же последовательности, что при проведении деловой игры «Эксперт» и заканчивается 4-5ю отобранными критериями, по которым школьники в дальнейшем будут оценивать свои доклады. Для экономии времени можно раздать учащимся заранее подготовленные оценочные таблицы (см. приложение «Экспертная таблица»).

После завершения выступлений таблицы обсчитываются так же, как и в деловой игре «Эксперт». Целесообразность учета весовых коэффициентов определяет преподаватель в зависимости от резерва времени на занятии. Но обратить внимание детей на упрощение процедуры обработки результатов экспертизы необходимо.

Далее на основе баллов, набранных каждым выступавшим, покажем, как баллы преобразуются в привычные всем оценки.

Предположим, что участники набрали следующие итоговые баллы:

Участник	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Итоговый балл	89	134	125	172	110	127	94	152	164	143

Будем исходить из того, что оценка за представленный доклад и выступление не ниже 3. Следовательно, нижней границей интервала оценки «3» будет 89. Понятно, что верхней границей оценки «5» будет наибольший балл – 172. Далее числовую ось от 89 до 172 необходимо разбить на три интервала, соответствующие оценкам 3, 4 и 5. Упростив процедуру выбора интервалов можно предложить сделать их равными.

Оценка/интервал	Участник/балл
3/89-116	1/89, 5/110, 7/94
4/117-144	2/134, 3/125, 6/127, 10/143
5/145-172	4/172, 8/152, 9/164

Полученные результаты – оценки, которые ребята сами себе выставили – интересно сравнить с тем, что после каждого доклада выставляет преподаватель: крайне редко бывает, чтобы оценка школьников превышала оценку, поставленную учителем.

Приложение

Имя, Фамилия ____________________ Класс _ Дата ________

Экспертная оценочная таблица

Цель экспертизы ___________________________________________________________

Участник

Критерий

Итог

Развитие технологий

Говоря о развитии технологических систем, следует выделить несколько моментов:

1. Любая технологическая система появляется и используется для удовлетворения той или иной потребности человека.

2. Последствия от появления и использования технологической системы бывают положительные (для этого она создается, используется) и нежелательные.

3. Появление нежелательных последствий формирует потребность в их устранении, что реализуется путем изменений технологической системы и/или правил, регламентирующих ее разработку, изготовление, эксплуатацию и утилизацию.

Понятно, что возможности изменений системы не бесконечны, они ограничены принципом действия, который жестко описан законами естественных наук – физики, химии…

Улучшение показателей системы требует перехода на другой, более прогрессивный принцип действия. Однако при этом предшествующий принцип действия не будет забыт, просто доля использующих его систем в общей массе систем аналогичного назначения уменьшится.

Так, например, гужевой транспорт тысячелетия обеспечивал львиную долю сухопутных перевозок, пока железные дороги не вытеснили его с дальних маршрутов, а автомобили век спустя с ближних.

Тем не менее, иногда в сельской местности мы увидим зверька (лошадь, ослика…), запряженного в телегу. Но что касается досуга (спорта, отдыха, других увлечений), то позиции гужевого транспорта незыблемы, только уж очень незначительны.

Вся история техники является убедительной иллюстрацией сказанному.

Итоговой работой школьников по данной теме является описание полного жизненного цикла выбранной системы. Общее название докладов «Технологии, ушедшие в историю». Выполняя работу школьникам необходимо продемонстрировать владение навыками работы с информацией: поиск и выбор источников, при необходимости перевод их в цифровой формат, окончательное оформление итогового документа в виде, удобном для представления.

Общие требования к работе просты:

1. Указать потребность, удовлетворяемую системой – предшественником и тех ее недостатков, которые вызвали появление пришедшей ей на смену и выбранной в качестве темы доклада. Необходимо также сказать несколько слов о том историческом периоде, в котором происходят описываемые события.

2. Привести не менее 4-5 примеров, иллюстрирующих этапы развития выбранной технологии от зарождения до заката (вытеснения следующей, пришедшей ей на смену). К каждому примеру дать небольшое (1-2 предложения) описание с указанием основных отличий от предыдущего.

3. Перечислить недостатки выбранной системы и пояснить причины замены ее следующей. Привести пример системы, пришедшей на смену выбранной.

Возможные темы докладов:

- парусные суда;

- дирижабли;

- гужевой транспорт;

- печное отопление;

- паровой поршневой двигатель;

- паровоз;

- пароход;

- перьевая авторучка;

- лук;

- арбалет;

- электрический телеграф;

- винтовая авиация;

- логарифмическая линейка;

- пленочный фотоаппарат;

-…

При проведении анализа технологических систем специалисты используют s-образную схему модели развития.

Подобный подход позволяет дать объективную оценку уровню развития системы, оценить ее внутренние резервы, спрогнозировать ее развитие в обозримом будущем. Дать рекомендации разработчикам как о возможных целесообразных изменениях в самой системе (модернизация), так и о подготовке ее принципиальной замены. Источниками информации при проведении подобных работ являются каталоги ведущих фирм, статистика реальных продаж, а главное патентные фонды развитых стран.

Примечание

Коэффициент К может отражать любые из характеристик системы или их комплексы.

На S-образной кривой развития систем выделяют три характерных этапа:

- формирование (статика, построение)

переход от действующего макета, иллюстрирующего принцип действия, до жизнеспособного изделия, обладающего потребительскими, товарными свойствами, основные изменения происходят в подсистемах 1-го и 2-го уровней;

- эволюция (развитие, кинематика)

совершенствование за счет учета опыта продаж, эксплуатации и производства, в результате чего полнее используются возможности реализованного в системе принципа действия, растут абсолютные и удельные показатели, достигают максимума объемы продаж и производства, снижается себестоимость, изменения происходят в подсистемах низших уровней;

- деградация

возможности принципа действия в основном исчерпаны, дальнейшее улучшение абсолютных и удельных показателей неадекватно затратам на их достижение, сокращаются объемы продаж, снижаются объемы производства, изменения приходятся на подсистемы низших уровней с использованием несвойственных для системы принципов действия, подобные изменения распространяются в дальнейшем и на подсистемы все более высоких уровней.

Для лучшего понимания преподавателем данного раздела было бы неплохо самостоятельно провести полноценный анализ какой-либо системы по описанию S-образной кривой развития систем.

Подведение итогов работы школьников целесообразно провести в форме внутригрупповой конференции, а оценку представленных докладов осуществить совместно с использованием элементов экспертного подхода.

Система: ее состав и структура

Основные положения главы подробно изложены:

1. Титов В.В. «Системно-морфологический подход…» http://www.metodolog.ru/00039/00039.html.

2. Справочник по функционально-стоимостному анализу под редакцией М.Г. Карпунина и Б.И. Майданчика, Москва "Финансы и статистика", 1988.

3. Якушкин П.А. «Проектирование», ОРТ, Москва, 1999.

4. Бронштейн Б.З., «Технологические системы и продукция», пособие для преподавателей, ОРТ, Москва, 2001.

5. Бронштейн Б.З., «Основы технического творчества», пособие для преподавателей, ОРТ, Москва, 1996.

6. Бронштейн Б.З. «Жилище», ОРТ, Москва, 2000.

Классификация систем

Начать занятие следует с описания конкретного окружения школьников в классной комнате. Все предметы, окружающие детей от одежды и обуви, до стен помещения и установленного в нем оборудования искусственного происхождения. Они являются технологическими системами (комплексом взаимодействующих элементов, созданных и используемых людьми для удовлетворения собственных потребностей).

Люди, находящиеся в аудитории, собрались не просто так – идет урок (происходит процесс обучения).

Через подобное обсуждение необходимо подвести учащихся к определению технологии, как процесса удовлетворения человеческих нужд с помощью искусственно созданных материальных объектов.

Закончить вводную часть следует классификацией систем, попутно предложив школьникам привести примеры для каждого из членов классификации.

Однако следует помнить, что в строгом соответствии с приведенной классификацией однородные системы встречаются нечасто: обычно мы имеем дело с их комбинированными образованиями.

Так социальная система, являясь искусственной, образована природными биохимическими объектами – людьми.

Современное человеческое жилище – это сложный комплекс разнообразных технологических систем: строительных (собственно здание), электротехнических (освещение, лифты, вентиляция…). Охранные системы содержат электронные устройства. Водоснабжение и канализация относятся к гидравлическим системам, все насосы которых приводятся в действие от электротехнических систем – электродвигателей.

Достижения науки дали возможность активно вмешиваться в развитие природных биохимических систем. Появились, микроорганизмы, растения, животные с новыми, ранее не известными признаками (свойствами). Это направление называется биотехнологией. Если раньше подобные задачи человек решал, используя селекцию, то последние десятилетия для этого используют методы генной инженерии, что позволяет в десятки, сотни раз ускорить получение искомого результата. Такие системы, оставаясь биохимическими по принципу действия (внутреннему функционированию), являются также и технологическими, так как созданы человеком для удовлетворения своих потребностей. Формальным подтверждением сказанному является Международная патентная классификация (http://www.fips.ru/russite/classificators/ipc7.htm), по которой признаются изобретениями в том числе:

A01H Новые виды растений или способы их выращивания; разведение растений из тканевых культур;

A01K Животноводство; разведение и содержание птицы, рыбы, насекомых; рыбоводство; рыболовство; выращивание или разведение новых пород животных, не отнесенное к другим подклассам; новые породы животных.

В процессе рассказа составляется подобная схема на доске и у ребят в тетрадях, а затем приводятся примеры. Дома, при повторении материала и подготовке к уроку школьники приводят несколько своих примеров.

	Системы
Естественные (природные) системы			Искусственные системы
Минеральные системы		Биохимические системы		Социальные (общественные) системы	Технологически системы
камень		слон			свитер
Туннель, пробитый в горе		семья		семья	Туннель, пробитый в горе
		Яблоня, сорт «антоновка»			Яблоня, сорт «антоновка»
		Собака породы «боксер»			Собака породы «боксер»

Необходимо подчеркнуть, что большинство систем, которые нас окружают, являются комбинированными.

Рассматривая терминологический аппарат необходимо напомнить школьникам о структуре определения: наиболее используемыми являются определения через ближайший род и видовое отличие.

А=Б+В, где А – определяемая часть, Б+В – определяющая. При этом, Б – ближайший род (ближайшее родовое понятие), В – видовое отличие.

Анализируя определения основных терминов необходимо показать постоянство указанной структуры, предложить школьникам самостоятельно провести морфологический анализ текстов определений.

Следует обратить внимание учащихся на то, что определение не застывшее в веках образование, а инструмент для решения тех или иных задач.

Система – комплекс взаимодействующих элементов

Природная система – система, возникшая и развивающаяся без участия человека

Искусственная система – система, возникшая и развивающаяся с участием человека

Социальная система – система, элементами которой являются люди

Технологическая система – система, созданная и используемая человеком для удовлетворения собственных потребностей

Надсистема – система более высокого уровня, в которой исходная система является одним из элементов (одной из подсистем) совместно с другими, добавочными.

Компонент – часть системы

Подсистема – часть системы, выделенная по функциональному признаку

- комплекс элементов, выполняющих общую функцию внутри системы.

Элемент - часть системы, выделенная по функциональному признаку и неделимая в пределах рассмотрения

Деталь – изделие, выполненное из однородного материала без сборочных операций

Пример морфологического анализа определений

Определяемая часть	Определяющая часть
	Ближайший род	Видовое отличие
Система	комплекс	взаимодействующих элементов
Социальная система	система	элементами которой являются люди
Подсистема	часть системы	выделенная по функциональному признаку

Кстати деталь также является системой. Попробуем доказать это утверждение на примере колпачка простенькой шариковой авторучки.

Как говорилось раньше, система – комплекс взаимодействующих элементов, а элемент - часть системы, выделенная по функциональному признаку и неделимая в пределах рассмотрения.

Элемент	Функция
Планка прижима	Прижать элемент одежды к упору прижима
Упор прижима	Прижать элемент одежды к планке прижима
Корпус колпачка	Координировать элементы колпачка Защитить пишущий узел
Фиксатор колпачка	Закрепить колпачок на трубке корпуса
Донышко колпачка	Защитить пишущий узел

Перечисленные части колпачка, во-первых, выделены по функциональному признаку, а во-вторых, неделимы в пределах рассмотрения. Следовательно, могут быть названы элементами.

Рассматривая технологическую систему, следует выделять:

- главную полезную функцию, для выполнения которой она создана (используется);

- дополнительные (сервисные) функции, облегчающие использование, хранение, транспортировку, обслуживание…

Для той же самой простенькой шариковой авторучки главная полезная функция – оставить след красителя…, а дополнительные – информировать об остатке красителя, закрепить авторучку на одежде, защитить окружающие предметы от загрязнения красителем…

Говоря о подсистеме (элементе) указывают основную функцию – для того же колпачка, если назначение авторучки писать, а не иное – защитить пишущий узел. Остальные – вспомогательные. Основная функция подсистемы (элемента) выбирается по степени близости к главной полезной функции системы в целом.

Процедуры выполнения элементного анализа достаточно подробно описаны в учебниках «Проектирование» и «Технологические системы», а также в пособии для учителя «Технологические системы и продукция.

Образец выполнения элементного анализа с указанием этапов работы и их подробным содержанием.

Изучая со школьниками этот раздел курса, следует выбирать для анализа простые и хорошо известные детям устройства, состоящие не более чем из десяти простых элементов. При наличии резерва времени, навыков применения информационных технологий, и заинтересованности учащихся итоговой работой может быть небольшая презентация отчета по проведению элементного анализа выбранных школьниками устройств. Не надо забывать, что совместное проведение элементного анализа такого простого объекта, как шариковая ручка потребует не менее одного астрономического часа чистого времени.

Приложение

Имя, Фамилия _______________ Класс __ Дата ___________

Карта элементного анализа

1. Наименование технологической системы: шариковая авторучка.

2. Функция: оставить след красителя на поверхности.

3. Назначение: писать.

4. Потребность (вариант): учиться.

5. Перечень элементов:

5.1. Колпачок

5.2. Трубка корпуса

5.3. Фиксатор

5.4. Трубка стержня

5.5. Корпус пишущего узла (увеличено)

5.6. Шарик (увеличено)

6. Структура шариковой авторучки

7. Таблица: элемент, функция, свойство, материал и обоснование его выбора

№№ п/п	Элемент	Функции (свойства)	Материал
1.	Колпачок	· Защитить шарик, пишущий узел, стержень от механических воздействий (прочность, стабильность формы) · Защитить окружающие предметы от загрязнений красителем (непроницаемость для красителя, стабильность формы) · Закрепить авторучку на одежде (прочность, стабильность формы)	Пластик · Легкость и безотходность обработки · Удобство вторичной переработки · Гигиеничность
2.	Трубка корпуса	· Закрепить стержень в корпусе (прочность, стабильность формы) · Защитить стержень от механических воздействий (прочность, стабильность формы) · Обеспечить удобство при письме (форма, хорошая органолептика) · Предоставить информацию об остатке красителя (прозрачность)	Пластик · Легкость и безотходность обработки · Удобство вторичной переработки · Гигиеничность · Прозрачность
3.	Фиксатор	· Закрепить стержень в корпусе (прочность, стабильность формы) · Защитить стержень от механических воздействий (прочность, стабильность формы) · Защитить окружающие предметы от загрязнений красителем (непроницаемость для красителя, стабильность формы)	Пластик · Легкость и безотходность обработки · Удобство для вторичной переработки · Гигиеничность
4.	Трубка стержня	· Хранить краситель (непроницаемость для красителя, стабильность формы) · Фиксировать корпус пишущего узла (прочность, стабильность формы) · Подвести, доставить краситель к корпусу пишущего узла (способность доставить краситель к корпусу пишущего узла) · Информировать об остатке красителя (прозрачность)	Пластик · Легкость и безотходность обработки · Удобство для вторичной переработки · Гигиеничность · Прозрачность
5.	Корпус пишущего узла	· Подвести, доставить краситель к шарику (способность доставить краситель к шарику) · Удерживать шарик (прочность, стабильность формы) · Фиксировать трубку стержня (прочность, стабильность формы)	Латунь · Легкость обработки · Коррозионная стойкость · Малое трение со сталями · Износостойкость
6.	Шарик	· Перенести, доставить краситель на поверхность (способность перенести, доставить краситель на поверхность)	Высокопрочная нержавеющая сталь · Износостойкость · Малое трение с латунью · Коррозионная стойкость

8. Подсистемы шариковой авторучки

Подсистема 1

«Корпус»

Элементы: колпачок, трубка корпуса и фиксатор.

Общая функция: защитить стержень от механических воздействий.

Подсистема 2

«Стержень»

Элементы: трубка стержня, корпус пишущего узла и шарик.

Общая функция: перенести, доставить краситель на поверхность

Подсистема 3

«Информатор»

Элементы: трубка корпуса и трубка стержня.

Общая функция: предоставить информацию об остатке красителя

Проектирование

Изучение любой темы следует начинать с обсуждения терминов, специфичных для данной области знаний. Их можно назвать также ключевыми словами. В совокупности эти ключевые слова образуют понятийную структуру рассматриваемой тематики.

Говоря о проектировании (разработке технического решения, описания, комплекта документации), следует заглянуть в историю термина, перечислить и обсудить со школьниками синонимы, принятые в русском языке.

Необходимо обратить внимание учащихся на особенности применения термина «дизайн». Традиционно мы привыкли использовать этот термин для обозначения внешнего вида изделия, однако в переводе с английского имеем – проектирование (корень слова французский проджект). В специальной литературе, переведенной с английского, встречается термин «дизайн-анализ» и ему подобные. И речь в этих текстах идет о проектировочном анализе информации, предшествующему формированию облика будущей разработки. Иногда специалисты называют этот этап работы «Анализ проектировочной ситуации» и проводят его на стадии, предшествующей составлению технического задания.

Для исключения многозначности толкования примем:

Проект – описание, необходимое для построения в заданных условиях еще не существующего объекта.

Соответственно проектирование – процесс создания проекта. То есть - процесс создания описания, необходимого для построения в заданных условиях еще не существующего объекта.

(См. Мегаэнциклопедию Кирилла и Мефодия http://mega.km.ru)

Примечание

Выполняя процедуру формулирования определения термина, следует напомнить школьникам об определениях вообще и правилах их формулирования в частности (см. Бронштейн Б.З. «Основы технического творчества» «Термины и их взаимосвязь», Учебно-методическое пособие для средней школы, Москва 1996).

В нашем случае описание через ближайший род и видовое отличие - А=Б+В выглядит следующим образом:

А – определяемое понятие (проект);

Б – ближайший род (описание);

В – видовое отличие (необходимое для построения в заданных условиях еще не существующего объекта).

Соответственно для термина «проектирование» ближайший род будет «процесс», ну и так далее…

Рассматривая тему проектирование, ключевую тему курса 6-го класса, необходимо уделить особое внимание этапам проектирования, подробно рассмотреть со школьниками содержание каждого их них.

Мотивом любого действия человека является неудовлетворенная потребность (конкретное выражение нужды), возникающая как некая разность между желаемым (цель – желаемое состояние системы) и имеющимся, существующим (ситуация - существующее состояние системы).

Процедура выбора цели и есть формализация потребности.

Проще говоря, ответ на вопрос: - чем располагаю? – дает описание ситуации, а – что хочу? – цели (четкой формулировки потребности).

Далее необходимо выяснить: - что необходимо сделать для достижения этой цели (удовлетворения этой потребности)?

То есть, вопрос: - как …формулировка цели (потребности)…? – даст нам формулировку проблемы.

Например (фрагмент занятия).

Ситуация

Студеной зимой по мановению волшебной палочки вы перенеслись из теплой аудитории на улицу.

Уточнение потребности (выбор цели)

Есть варианты: закаляться, согреться и уж совсем трагичное – замерзнуть.

Выбранная потребность (цель)

Согреться. Выбор сделан, и вот теперь можно перейти к постановке проблемы.

ПРОБЛЕМА (от греч. problema задача),

1. в широком смысле сложный теоретический или практический вопрос, требующий изучения, разрешения; в науке противоречивая ситуация, выступающая в виде противоположных позиций в объяснении каких-либо явлений, объектов, процессов и требующая адекватной теории для ее разрешения.

2. Сложный вопрос, задача, требующие разрешения, исследования.

(Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия, http://mega.km.ru/bes_98/)

Ее формулировка: - как согреться?

Ответы на этот вопрос дадут группу альтернатив, также имеющих в своей логической основе глагольную форму:

- побегать;

- одеться;

- зайти в помещение;

- найти, создать источник тепла (например, развести костер);

- выпить что-либо горячее, горячительное;

- …

Понятно, что список может быть продолжен. Но важно отметить следующее: нами сформулированы действия самого человека без или с использованием технологических систем. В данном случае речь идет о физиологическом (побегать) или технологических (все остальные) решениях проблемы.

Таким образом, обозначив функцию, мы можем перейти к выбору системы.

Предположим, принято решение одеться.

Начинается следующий этап: - что можно использовать, чтобы одеться?

Опять составляется максимально возможный перечень альтернатив, из которого необходимо в последствии осуществить выбор системы.

После того, как система выбрана, остается провести ее окончательное согласование, то есть выявить конкретные недостатки (нежелательные эффекты) и устранить их. Полученный результат явится окончательным решением.

При этом не следует забывать, что подобная деятельность постоянно расширяет наши знания о ситуации, происходит ее изменение со временем, меняемся и мы. Все это требует постоянного уточнения результатов уже проделанных этапов и требований к конечному результату проектирования. Другими словами – в проектировочном процессе возникает и активно функционирует обратная связь.

Одним из вариантов проектировочной деятельности является построение причинно-следственного графа (цепи). Для этого используют два простых вопроса: «Как?» и «Зачем?». Ответы на них позволяют формализовать последовательность выполнения этапов проектирования. При этом анализ может быть начат с любого этапа работы.

Применим подобный подход к предыдущему примеру.

Принято решение «одеться»

Как «одеться»?

В свитер, куртку, пальто, шубу…

Из полученного перечня систем (средств достижения цели) необходимо выбрать, например, «куртка».

Зачем «одеться»?

Чтобы согреться, примерить одежду, похвалиться обновкой, все так одеты…

Опять выбор: «согреться». Но теперь мы сформулировали потребность (цель).

Формально все вышесказанное может быть описано общей схемой проектирования.

Ситуация
выбор цели	Анализ ситуации, создание массива целей, упорядочение этого массива, выбор приоритетной цели.
цель
постановка проблемы	Анализ цели, выявление возможных средств отбор приоритетного, установление внешних ее достижения, функциональных требований к нему, то есть функций системы, позволяющей решить проблему - достичь поставленную цель. Другими словами - определяется система типа “черный ящик”.
проблема
выбор системы
выбор принципа действия	Выявление возможных способов осуществления необходимых функций, принципов действия реализующей их системы, отбор оптимального варианта
выбор конкретного воплощения	Выявление возможных конкретных вариантов воплощения системы, реализующей отобранный принцип действия и осуществляющей требуемые функции, отбор из их числа наилучшего
система с НЭ
снятие НЭ системы	Выявление нежелательных эффектов (недостатков), возникающих при внедрении и эксплуатации, структурирование НЭ и отбор ключевых. Постановка и решение задач по их снятию. Отбор приемлемых вариантов решения.
решение

Рассматривая стратегии проектирования, можно выделить два подхода:

- модернизация – изменение существующего объекта в части устранения выявленных недостатков (с точки зрения общей схемы проектирования – этап «система с нежелательным эффектом», подробно описано в разделе «Модернизация технологических систем);

МОДЕРНИЗАЦИЯ, изменение, усовершенствование, отвечающее современным требованиям, вкусам, напр., модернизация оборудования.

- создание нового изделия (формально проектирование выполняется по общей схеме, начиная с анализа ситуации).

В качестве дополнительной литературы можно порекомендовать книгу Дж.К.Джонса «Методы проектирования», Москва, Мир, 1986 год.

Методы проектирования

Из всего многообразия методов проектирования или как их еще называют – методов технического творчества для работы с рассматриваемой возрастной группой учащихся целесообразно использовать Метод морфологического ящика и в меньшей степени (в зависимости от подготовки и мотивации учащихся, а также резерва времени) Метод предметно-функционального проектирования.

Метод морфологического ящика

Изучение метода следует проводить на трех уровнях:

1. Игра «Придумай фантастическое животное»

Школьникам предлагается ответить на вопрос: - что есть у любого зверька? (из чего состоит любой зверек? и т.п.)

Традиционным ответом на подобный вопрос будет: голова, туловище, лапы и хвост.

После чего каждый учащийся должен заполнить следующую таблицу:

		1	2	3	4
А	Голова
Б	Туловище
В	Лапы
Г	Хвост

В целях экономии времени таблицу целесообразно заготовить на листе А4 (на весь лист в альбомном формате) заранее и раздать каждому школьнику.

Ячейки таблицы должны быть заполнены соответствующими рисунками: для каждой «части» необходимо выполнить по четыре отличающихся рисунка. При этом следует объяснить, что не следует использовать чужие идеи, так как это приведет к ухудшению конечного результата каждого участника, снизит занимательность всей игры в целом.

Заполненные таблицы собираются и возвращаются школьникам случайным образом («своей» таблицы никто получить не должен).

Далее учащимся предлагается случайная комбинация вариантов, например: А3-Б1-В4-Г2, по которой, в соответствии с рисунками полученной таблицы, должен быть «составлен зверек». Для этого детям выдается чистый лист формата А4. К рисунку должен быть составлен пояснительный текст, содержащий: название породы получившегося «зверька», его имя (кличка) и подробное описание. Как вариант, возможно небольшое сочинение – «один день из жизни…».

До начала представления школьниками результатов работы необходимо обсудить с ними принципы оценки. Для этого целесообразно воспользоваться подходом, с которым дети ознакомились, изучая раздел «Экспертный подход при принятии решений». Это позволит в очередной раз закрепить полученные навыки, а также покажет универсальность процедуры экспертизы.

Количество критериев оценки следует оставить минимальным (3-4), чтобы успеть подвести итоги до конца занятия.

В качестве домашнего задания предлагается составить отчет о проведенной деловой игре с обязательным выделением этапов и их подробным описанием. При совместном обсуждении отчетов учащихся необходимо подчеркнуть взаимосвязь методов и подходов, изучаемых в других разделах курса, обратив особое внимание на разделы «Система: ее состав и структура». Следует подчеркнуть, что отдельные характеристики можно рассматривать, как элементы системы «модель».

Также необходимо показать место ММЯ в полной схеме проектирования (см. Бронштейн Б.З. «Основы технического творчества» «Термины и их взаимосвязь», Введение, Учебно-методическое пособие для средней школы, Москва 1996).

Конечной целью является формализация этапов работы по методу морфологического ящика, определение ограничений его применения и места в общей схеме проектирования систем.

Примечание

В соответствующем разделе Приложения приведено краткое описание ММЯ, а также фрагмент занятия – презентация проектов.

Более подробно, но в разумном объеме ММЯ описан в работе Титова В.В. «Системно-морфологический подход…» по адресу http://www.metodolog.ru/00039/00039.html

Для закрепления навыков работы с ММЯ школьникам можно предложить проект «Оригинальное пишущее средство». Выбор темы проекта не случаен: в разделе «Система: ее состав и структура» школьники провели подробный элементный анализ шариковой авторучки, что позволит сократить постановочную часть работы по проекту.

На первом этапе работы необходимо вместе со школьниками составить перечень внутренних функций авторучки на примере шариковой авторучки, ранее проанализированной.

Например:

А. Перенести (доставить, нанести…) краситель на поверхность.

А1. Шарик

А2. Перо

………

Аi. Отсутствует

Б. Хранить краситель

Б1. Внутри устройства

Б2. Вне устройства

Б3. Отсутствует

В. Доставить (перенести…) краситель из емкости для хранения на конечный элемент (шарик…).

В1. Канал, под собственным весом.

В2. Обмакнуть в емкость с красителем.

………

Вi. Отсутствует

Г. Тип красителя

Г1. Паста

Г2. Порошок

………

Гi. Отсутствует

Введение, как варианта исполнения, отсутствующего носителя функции (признака) является, во-первых, формальным соблюдением правил работы по ММЯ, а во-вторых – условием, заставляющим искать резервы в окружении, позволяющие выполнить необходимую функцию без формального выделения ее носителя.

Так, например, при отсутствии красителя он может быть получен при взаимодействии контактного элемента с поверхностью (хорошо известное выжигание)…

При выполнении третьего этапа работы – «Перечислить все возможные варианты реализации выделенных составляющих» - альтернативы следует выполнять графически.

Графическое отображение альтернатив позволит детям лучше представить конструкцию и особенности функционирования «выделенных составляющих», а также упростит процедуру их объединения в систему.

При наличии резерва времени, а также интереса учащихся к методам проектирования можно предложить им ознакомиться с Предметно-функциональным проектированием систем. Данный метод в большей степени ориентирован на модернизацию рассматриваемых объектов с целью снижения издержек на их изготовление и эксплуатацию.

В Приложении приводится описание метода, сопровождаемое несколькими примерами.

Обыкновенная шариковая авторучка опять же является наиболее удачным заданием на модернизацию в силу вышеизложенных причин.

При совместимости учебных программ курса ТЕХНОЛОГИИ и ИНФОРМАТИКИ итоговое оформление работ учащихся выполняется в электронном виде и представляется в виде презентации. При этом графические компоненты работы оцифровываются сканером или цифровой фотокамерой. Выполнять рисунки в графических приложениях нецелесообразно, так как у школьников не развиты навыки подобной работы, а следствие избыточное время на выполнение задания и его низкое качество.

Приложение 1

Метод морфологического ящика

Цель метода - наиболее полно проанализировать рассматриваемую проблему, выявить все возможные варианты ее решения.

Была предложена определенная последовательность действий, которую для наглядности проиллюстрируем несложным сквозным примером:

1. Точно сформулировать проблему и цель работы.

Предложить электромобиль эффективной конструкции.

2. Выявить характерные (основные) параметры проблемы.

Под такими параметрами понимают значимые признаки объекта исследования, например, основные функции или их носители, (основные составные части) и т.п.

Такой выбор производится из следующих условий:

- существенности для любого решения

- независимости друг от друга

- охвата всех аспектов проблемы

- равноценности функций (широкие, в меру обобщенные, значимые функции не следует рассматривать наравне с более мелкими, частными)

- немногочисленности функций, что, с одной стороны, позволяет внимательней изучить полученный на последующих этапах информационный массив, а с другой (и это главное), обеспечит выполнение предыдущей рекомендации.

Фактически требования к выполнению этого этапа сводятся к соблюдению правил логического расчленения.

А - источник электроэнергии

Б - двигатель

В - движитель

Д - опора

Е - орган управления

3. Перечислить все возможные варианты реализации выделенных составляющих.

Или, другими словами, произвести для каждого выделенного компонента логическое деление.

Для источника электроэнергии:

А1 - аккумулятор

А2 - подземный кабель

А3 - контактные провода

А4 - генератор с автономным приводом

А5 - солнечная батарея

Для двигателя

Б1 - обычный с внутренним ротором

Б2 - с внешним ротором

Б3 - возвратно-поступательный

Б4 - линейный

Б5 - шаговый

Для движителя

В1 - колесо

В2 - воздушная струя

В3 - нога

В4 - гусеница

В5 - электромагнитные силы

Для опоры

Г1 - колесо

Г2 - воздушная подушка

Г3 - магнитный подвес

Г4 - нога

Г5 - гусеница

Для органа управления

Д1 - колесо

Д2 - направляющая

Д3 - нога

Д4 - воздушная струя

Д5 - гусеница

Надо заметить, что подобный массив информации гораздо нагляднее, компактнее и удобнее в работе, когда оформлен в виде таблицы (матрицы).

Носитель основной функции	Варианты реализации
Источник электроэнергии	А1	А2	А3	А4	А5
Двигатель	Б1	Б2	Б3	Б4	Б5
Движитель	В1	В2	В3	В4	В5
Опора	Г1	Г2	Г3	Г4	Г5
Орган управления	Д1	Д2	Д3	Д4	Д5

При этом общее число комбинаций N=5х5х5х5х5=3125.

4. Составление вариантов решений.

Их получают как результат комбинаций различных сочетаний вариантов реализации основных составных частей. Здесь важно не потерять интересную идею, не отбросить с заведомо не осуществимой комбинацией свежую, нетрадиционную мысль.

В этой таблице находятся практически все электроприводные транспортные средства, включая и известные на сегодня.

Электрокар - А1, Б1, В1, Г1, Д1.

Карьерный самосвал - А4, Б2, В1, Г1, Д1.

Троллейбус - А3, Б1, В1, Г1, Д1.

Трамвай - А3, Б1, В1, Г1, Д2.

Сверхскоростной экспресс - А2, Б4, В5, Г3, Д2.

Конечно же далеко не все из них принципиально целесообразны. Например - А3, Б4, В2, Г4, Д5 и им подобные монстры. Но есть и неожиданные, оригинальные решения.

5. Анализ сочетаний и отбор наилучших решений.

Как правило, если решается какая-либо частная задача, то решатель ограничивается первым попавшимся удовлетворительным решением, отбрасывая все остальные. Но когда проблема серьезна, то оценка полученных результатов проводится с использованием экспертных оценок.

Защита проектов

Приложение 2

ПРЕДМЕТНО - ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ

Само собой разумеется, что любое из используемых нами устройств является системой и необходимо как средство удовлетворения той или иной потребности. Значит, система -- это средство достижения цели.

С другой стороны, любое из применяемых устройств мы можем использовать и не по прямому назначению: поставить на телевизор часы (телевизор -- подставка для часов), устроившись на автомобильной камере, плавать по водоему (камера - плавсредство) и т.д., то есть практически каждое устройство обладает некоторым резервом. Используется лишь часть его потенциальных возможностей (свойств), та, которая необходима для выполнения функций, обеспечивающих достижение интересующей нас цели. Можно сказать, что система -- это тень цели на среде.

Проиллюстрируем наши рассуждения на примере цилиндрической винтовой пружины сжатия.

Свойства, определяющие ее использование по прямому назначению, - осевая упругость и радиальная стабильность геометрической формы.

Но, кроме этих, функционально необходимых свойств, есть и другие:

- наличие винтовой поверхности (позволяет использовать пружину в качестве шнека для подачи чего-либо, рабочего органа массажера, движителя транспортного средства и т.д.);

- электропроводность, так как обычно подобные пружины навивают из стальной, реже бронзовой проволоки (электрический проводник, электронагревательный элемент, а в сочетании с винтовой нарезкой - катушка индуктивности, электромагнит, предохранитель в системе молниезащиты и т.п.);

- масса (в условиях силы тяжести -- прижим, разновесы и т.п.);

- радиальная стабильность геометрической формы (каркас, опорная поверхность. качения и т.д.)

Попробуйте развить получившийся перечень. Возможно, отдельные варианты, найденные вами, натолкнут на интересные технические решения в самых неожиданных областях.

Назовем совокупность свойств, минимально необходимых и достаточных для выполнения системой своего предназначения, - востребованными, а все остальные (резервные) - невостребованными.

Фактически, в примере с пружиной, нами в предельно упрощенной форме проведено предметно - функциональное исследование такой системы, как цилиндрическая винтовая пружина сжатия (назовем ее исходной системой -ИС) и выданы предложения по возможному использованию ее внутренних резервов.

Посмотрим, как может быть осуществлено подобное исследование при работе с более сложной ИС (хотя бы по количеству входящих в нее компонентов), и попытаемся формализовать складывающуюся при этом последовательность действий.

Возьмем в качестве ИС простейшую шариковую авторучку. Она состоит из корпуса и сменного стержня. В свою очередь, корпус - из трубки с упором и фиксатора (упор может быть выполнен отдельно), а стержень - из трубки стержня с пастой и пишущего узла. Анализ выделенных частей позволяет установить, что свойствами трубки стержня, позволяющими использовать ее для плотного удержания пишущего узла и хранения пасты, в полном объеме обладает трубка корпуса. Более того, использование ее и для хранения пасты при плотном удержании пишущего узла позволит отказаться от упора и фиксатора в корпусе.

Подобные конструкции хорошо известны - разовые шариковые авторучки.

Формализуем ход предыдущих рассуждений, выделим отдельные этапы и установим, что фактически мы проделали на каждом из них.

1. Определить исходную систему через перечень минимально необходимых внешних функций и принцип действия.

Шариковая ручка -- автономное малогабаритное ручное устройство для нанесения шариком пастообразного красителя тонким слоем на шероховатую поверхность (бумагу, ткань и т.п.) при ширине следа до 1 мм.

Приведенное определение (далеко не единственное, да, наверное, и не самое лучшее) содержит указание- на главную полезную функцию ИС, а также некоторые ограничения на допустимые изменения для вновь проектируемых систем аналогичного назначения, то есть задача принимает вид: "нахождение новой системы, по известному принципу действия реализующей известную функцию".

2. Представить ИС как состоящую из подсистем первого, второго... уровней. При этом расчленение следует вести до выхода на подсистемы низших уровней -- элементы - носители моно функций в данной системе отношений, то есть на подсистемы, которые в заданных условиях выполняют лишь одну функцию. Тогда в нашем случае собственно пишущий узел явится элементом. Элементами также будут упор в трубке корпуса, поверхность сопряжения трубки стержня, поверхность сопряжения пишущего узла, фиксатор, собственно трубка корпуса, собственно трубка стержня и паста.

3. Сформулировать функции, реализуемые выделенными элементами, и указать свойства, которые позволяют им выполнять эти функции.

Учитывая ограниченный объем настоящей публикации, лишь упомянем этот этап. Результаты работы на нем целесообразно сводить в таблицу со столбцами "элемент", "функция", "свойство". При этом в качестве свойств следует вводить лишь те, которые не встречаются хотя бы у одного из элементов, а также не носят вспомогательный характер. Так, в число рассматриваемых свойств не попадут цвет окраски конкретного элемента, отсутствие нежелательного воздействия на окружение и им подобные.

4. Составить общий перечень свойств, используемых элементами в ставе ИС, и установить по каждому элементу наличие невостребованных свойств.

В нашем случае перечень будет более чем ограничен: стабильность формы, способность перенести пастообразный краситель из емкости (собственно трубки стержня) на поверхность, способность удерживать пастообразный краситель.

Далее удобно также составить таблицу, но со столбцами "элемент", "востребованные свойства", "невостребованные свойства". Однако мы рассмотрим лишь результат и потому перейдем к следующему, последнему этапу, предварив его небольшим замечанием.

Необходимо исключить появление новых свойств, в ИС не востребованных. Появление их в общем перечне и использование при синтезе решений приведет к предложениям, реализация которых будет предусматривать новые принципы действия системы, а следовательно, потребует новых технологий, что несомненно затруднит внедрение и выход на потребительский рынок.

Фактически, введя новые свойства и использовав их при синтезе новых систем, мы решим не ту задачу, которую изначально поставили.

5. Изучить возможность использования невостребованных свойств выделенными элементами и сформулировать задачи по их конструктивному объединению при выявлении у одного элемента полного набора свойств, необходимых другому элементу (или элементам) для реализации своей функции.

Приведем некоторые из возможных решений.

А. Собственно трубка корпуса обладает стабильностью формы для выполнения своей функции, но в то же время способна удержать пастообразный краситель. Следовательно, она может взять на себя функции трубки стержня.

Б. Собственно пишущий узел обладает способностью переносить пастообразный краситель из емкости на поверхность, но он обладает и стабильностью формы, а стенки его способны удерживать пастообразный краситель. Следовательно, он может быть видоизменен таким образом, чтобы его отдельные элементы (не выделенные на втором и третьем этапах) взяли на себя функции трубки стержня и корпуса.

В. Участок сопряжения пишущего узла, обладая такими же свойствами, как собственно трубка корпуса и собственно трубка стержня (стабильность формы и способность удерживать пастообразный краситель), может быть развит до размеров и форм, позволяющих выполнять функции этих элементов.

Вы можете предложить другие варианты решений и их конструктивное воплощение.

Завершить разбор примера целесообразно следующим замечанием: при конструктивном объединении элементов в качестве сохраняемого выбирают тот из них, который в наибольшей степени связан с внешними функциями исходной системы [3].

Закончить хотелось бы разбором известной специалистам задачи о емкостях для испытания образцов в агрессивных жидкостях [4].

Вспомним суть задачи.

Исследование взаимодействия образцов [1] с агрессивной жидкостью [2] осуществляют погружением испытуемого образца в емкость [3] с этой жидкостью и выдерживают в ней заданное время при определенных воздействиях (см. рисунок), а степень их взаимодействия оценивают по величине уноса материала образца с единицы площади его поверхности. И все было бы хорошо, если бы с этой жидкостью не взаимодействовали стенки емкости и нить подвеса, что приводит к частым заменам емкостей, которые недешевы, а также к чрезмерному расходу крайне дефицитной агрессивной жидкости, так как ее повторное использование проблематично из-за потери "агрессивных" свойств. Делать емкости из платины или золота слишком дорого, да и стойкость емкостей возрастает незначительно. Как быть?

Подобная формулировка подталкивает нас к выделению нежелательного эффекта (емкости разрушаются) и, как следствие, к рабочей формулировке задачи - как исключить разрушение емкостей?

Однако предлагаемый нами подход подразумевает нежелательный эффект в рамках концепции функционально - стоимостного анализа: нежелательным в системе является все то, без чего система может обойтись, сохранив возможность реализации главной полезной функции - обеспечить взаимодействие образца с агрессивной жидкостью.

Построим небольшую таблицу.

NN п/п	Элемент	Функция	Свойство
1	Испытуемый образец	Взаимодействовать с агрессивной жидкостью при контакте	1. Химическая активность к агрессивной жидкости 2. Стабильность формы 3. Непроницаемость для агрессивной жидкости
2	Агрессивная жидкость	Взаимодействовать с материалом образца при контакте	Химическая активность к материалу образца
3	Емкость	Удержать агрессивную жидкость около образца	1. Стабильность формы. 2. Непроницаемость для агрессивной жидкости

Далее остается установить: обладает ли испытуемый образец таким не востребованным в ИС свойством, как непроницаемость материала для агрессивной жидкости?

Но ведь иначе и быть не может: отсутствие подобного свойства исключает возможность проведения эксперимента в принципе - площадь контакта образца и агрессивной жидкости контролируется только в случае непроницаемости материала образца для агрессивной жидкости.

При положительном ответе выясняется, что совокупность имеющихся свойств, необходимых для реализации функции емкости в рамках ИС, имеется и у объекта обработки -- испытуемого образна. А коль скоро это так, то испытуемый образец вполне может взять на себя функции емкости, которая в этом случае станет просто ненужной.

Таким образом, получено решение, предполагающее изготовление образца в виде полого сосуда. Естественно, потребуется и незначительное уточнение методики обработки результатов испытаний: в исходной системе рассматривается площадь наружной поверхности образца, а в предложенной - внутренняя поверхность полости, соприкасающаяся с агрессивной жидкостью.

Кстати, неплохо было бы подумать о том, куда пристроить работников цеха по ремонту и изготовлению емкостей для проведения исследований…

Модернизация технологических систем

Модернизация или усовершенствование систем предполагает следующие этапы:

1. Поиск и формализация недостатков модернизируемого объекта.

2. Выбор конкретного недостатка и его устранение.

3. Оценка проведенных изменений объекта.

И как всегда красной линией через весь курс проходит незабвенная простая шариковая авторучка.

Примечание

Не следует забывать, что модернизировать абстрактную систему затруднительно, а полученные при этом результаты вряд ли окажутся убедительными. Поэтому объект модернизации должен быть перед глазами школьников.

Этап 1

Поиск и формализация недостатков

Предложим школьникам ответить на вопрос: - Чем плоха данная, конкретная авторучка?

Вне зависимости от аудитории наиболее часто встречающимися ответами будут:

- не оставляет след (нельзя писать) на гладкой и твердой поверхности;

- нельзя долго писать в положении «пишущий узел вверху»;

- подтекает краситель при повышенных температурах и не оставляет след (нельзя писать, замерзает паста) при низких.

…

Подобная процедура хорошо известна в практике поискового конструирования и носит название «Обратный мозговой штурм» - См. Кудрявцев А.В. «Методы интуитивного поиска»

http://www.metodolog.ru/00072/00072.html#1

Этап 2

Выбор конкретного недостатка и его устранение

По каждому из сформулированных на 1 этапе недостатков школьники должны предложить техническое решение, позволяющее его устранить.

Для этого на занятии необходимо подробно обсудить физические причины выявленных недостатков и дать возможность учащимся выполнить предварительные описания предполагаемых решений. Окончательное оформление, включающее рисунок и пояснительный текст является домашним заданием и может рассматриваться в качестве проекта по данной теме.

При наличии резерва времени на следующем занятии можно провести внутригрупповую мини конференцию для проведения презентации проектов учащихся и обсуждения полученных результатов.

Рассмотрим причины указанных недостатков и позволяющие их устранить варианты технических решений:

1. «…не оставляет след (нельзя писать) на гладкой и твердой поверхности…»

Принцип работы шарикового пишущего узла заключается в том, что шарик вращаясь, захватывает краситель из подающего канала и переносит его на поверхность. Вращение шарика обеспечивается контактом с поверхностью без проскальзывания. На гладкой поверхности – проскальзывание, а, следовательно, шарик вращаться не будет. Наверное, и «прилипание» пасты к такой поверхности сомнительно.

При таком анализе решение напрашивается само - необходимо подготовить поверхность перед прохождением шарика. Вариантов как минимум два:

- перед прохождением шарика создавать шероховатость на поверхности абразивом;

- перед прохождением шарика наносить на поверхность вещество, которое хорошо «прилипает» к гладкой поверхности, обеспечивает необходимое трение с шариком и удерживает краситель.

2. …нельзя долго писать в положении «пишущий узел вверху»…

Краситель поступает из подающего канала на шарик под собственным весом. Для того чтобы подача красителя не прекращалась, когда авторучка «перевернута» необходимо его поддавливать – решение очевидно: поршенек в трубке стержня. При прижатии авторучки к поверхности усилие частично передается на этот поршенек, и краситель выдавливается на шарик. Как еще один вариант – создать избыточное давление в полости корпуса.

3. «…подтекает краситель при повышенных температурах и не оставляет след (нельзя писать, замерзает паста) при низких …»

Паста шариковой ручки – жидкость. И как всякая жидкость обладает определенной вязкостью, которая уменьшается с повышением температуры (школьники в большинстве своем слышали, что моторное масло бывает зимнее и летнее и почему приходится проводить его сезонную замену).

Некоторые из возможных вариантов технических решений:

- добавка в краситель вещества-компенсатора изменения вязкости;

- изменение зазора между шариком и обоймой корпуса пишущего узла (только для повышенных температур).

На итоговой части занятия можно сравнить конкретные технические решения, предложенные школьниками и отобрать наиболее интересные.

Если позволяет время, то фактически провести защиту мини проектов модернизированных шариковых авторучек.

Эффективность занятия во многом повысится при тесном взаимодействии с преподавателями компьютерных технологий (технического рисунка) в части оформления отчетов о проделанной работе.

Простые механизмы

Как всегда тема открывается обсуждением терминов. Начать можно с короткой дискуссии, после которой подвести итог, предложив учащимся определения, принятые в современной практике. Хотя эффективней будет предложить на предыдущем занятии домашнее задание: занести в словарь минимальный перечень терминов по предполагаемой к изучению тематике.

МЕХАНИЗМ, система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения др. твердых тел. Если в преобразовании движения участвуют жидкие или газообразные тела, то механизм называется гидравлическим или пневматическим. Обычно в механизме имеется одно входное звено, получающее движение от двигателя, и одно выходное звено, соединенное с рабочим органом машины или указателем прибора. Различают механизмы плоские, у которых точки звеньев описывают траектории, лежащие в параллельных плоскостях, и пространственные.

http://mega.km.ru

Механизм, система, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел. М. составляют основу большинства машин, применяются во многих приборах, аппаратах, устройствах; состоят из звеньев — твёрдых тел из одной или нескольких неподвижно соединённых деталей. Подвижное соединение двух звеньев — кинематическая пара. Наиболее распространены пары: вращательная (шарнир), поступательная (ползун и направляющая), винтовая (винт и гайка), сферическая (шаровой шарнир).

http://www.edic.ru/res/

Механизм – совокупность (комплекс) подвижно соединенных тел (звеньев), совершающих под действием приложенных сил определенные целесообразные движения.

Политехнический словарь под редакцией Артоболевского И.И., Издательство «Советская энциклопедия», Москва 1976.

Определение термина «простой механизм» (в литературе также встречается «простая машина») в механике не относится к базовым понятиям. Поэтому будем понимать под «простым механизмом» такой механизм, который, совершает одноступенчатое (единичное) преобразование движения.

Таким образом, мы можем сформулировать конечный перечень механических устройств, изучение которых является базовым для настоящего раздела курса.

Тогда получим следующий перечень:

1. Колесо

2. Рычаг

3. Наклонная плоскость

4. Блок неподвижный

5. Блок подвижный

6. Винтовая пара

7. Ременная передача

8. Зубчатая передача цилиндрическая

9. Зубчатая передача коническая и корончатая

10. Червячная передача

11. Кулачковый механизм

12. Кривошипно-шатунный механизм

13. Реечная передача

14. Ворот

Целью данного раздела является интенсивное повторение курса 5-го класса и подготовка школьников к выполнению проектов в среде Лего-Дакта.

Курс технологии 5-7 классов объединены в общую структуру, потому в работе с учащимися вполне могут быть использованы материалы 7-го класса по теме «Механические устройства» пособий для школьников и преподавателей «Технологические системы и продукция», а также дипломная работа «Использование Лего-среды для развития навыков системного мышления школьников», автор Бронштейн Б.З.

Итоговой работой школьников по данной теме является обзор «Простые механизмы», состоящий из следующих разделов:

1. Классификация простых механизмов по видам движения на входе-выходе.

2. Кинематические схемы простых механизмов с указанием основных элементов.

3. Определение передаточного отношения простого механизма (коэффициента преобразования).

4. Примеры использования простых механизмов.

При этом пункты 2-4 должны быть объединены по каждому простому механизму.

Презентации обзоров должны сопровождаться сборками отдельных простых механизмов с проведением лабораторных работ по экспериментальному определению передаточного отношения изготовленных лего-моделей.

В зависимости от «компьютерных навыков» учащихся обзоры выполняются в электронном, рукописном или комбинированном виде.

Для структурирования информации в обзорах можно предложить бланк оформления. Назовем его «Карта простого механизма».

Подобный бланк или рабочий лист для выполнения домашнего задания будет полезным также в 5-х классах, где изучение механизмов в Лего-среде является основным содержанием курса.

Форма ее может выглядеть следующим образом

Фамилия, Имя _________________ класс __ Дата ______________

Карта простого механизма

1. Наименование простого механизма

Пример: ворот

2. Виды движения на входе и выходе

Пример:

3. Кинематическая схема с указанием основных элементов

4. Определение передаточного отношения

Передаточное отношение или коэффициент преобразования i – это отношение изменения значения параметра выхода Δвых к изменению параметра входа Δвх.

Пример

№ замера	0	1	2	3	4
Δвх, n,об	0	1	2	3	4
Δвых, l,мм	0	15	31	44	62

Следует обратить внимание школьников на расхождение в значениях величин передаточного отношения механизма для разных интервалов. В данном случае это может быть объяснено неравномерностью наматывания нити на барабан, а также неаккуратностью замеров.

5. Примеры использования

Колодец

Лебедка

Желательно привести картинки соответствующих устройств, на которых должны быть указаны основные элементы механизма.

Для удобства работы целесообразно создать библиотеку картинок с краткими описаниями, что позволит школьникам более продуктивно выполнять задание. Создание подобного информационного архива может быть осуществлено на уроках компьютерных технологий путем сканирования книг и журналов, поиска в Интернете и на учебных СД-дисках.

Закончить изучение раздела следует итоговой работой «Построение модели механизма по кинематической схеме». Механизм должен состоять не менее чем из 4 простых механизмов.

В соответствующем приложении приведены примеры заданий.

При этом следует обратить внимание школьников на отличие подобного задания от сборок, которые они выполняли в 5-м классе по карточкам - заданиям конструктора Лего-Дакта. В короткой дискуссии подвести учащихся к выводу, что кинематическая схема и карточка являются проектами (см. тему «Проектирование») с разным уровнем конкретизации (требований к результатам сборки).

Приложение 1

Фамилия, Имя _________________ класс __ Дата ______________

Карта простого механизма

3. Наименование простого механизма

4. Виды движения на входе и выходе

3. Кинематическая схема с указанием основных элементов

4. Определение передаточного отношения

5. Примеры использования

Приложение 2

Кинематические схемы простых механизмов

1. Рычаги

Рычаг 1-го рода

Рычаг 2-го рода

2. Наклонная плоскость

3. Неподвижный блок

4. Подвижный блок

5. Ворот

6. Реечная передача

7. Винтовая пара

8. Прямая ременная повышающая передача

9. Ременная комбинированная двухступенчатая передача

10. Кулисный механизм

11. Кулачковый механизм

12. Кривошипно-шатунный механизм с рычагом

13. Кривошипно-шатунный механизм со штоком (ползуном)

14. Цилиндрическая зубчатая передача

15. Корончатая зубчатая передача

16. Коническая зубчатая передача

17. Двухступенчатая зубчатая передача

18. Колесо

Приложение 3

Анализ кинематических схем

Приложение 4

Анализ кинематических схем

Модель механической игрушки (моделирование)

Данный раздел является с одной стороны закреплением темы «Простые механизмы», а с другой – переходом на следующий, более высокий уровень проектировочных задач.

Необходимо пояснить учащимся, что любая деятельность, предполагающая получение результата (другой, кстати, не бывает), состоит из двух частей: анализа и синтеза, неразрывно связанных друг с другом.

http://mega.km.ru/

АНАЛИЗ (от греч. analysis разложение),

1) расчленение (мысленное или реальное) объекта на элементы; анализ неразрывно связан с синтезом (соединением элементов в единое целое).

СИНТЕЗ (от греч. synthesis соединение), соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (систему); синтез неразрывно связан с анализом (расчленением объекта на элементы).

Анализируя предложенное механическое устройство, (прототип, исходный объект) следует придерживаться следующей последовательности:

1. Наименование прототипа

2. Виды движений, общая блок-схема

3. Преобразователи (простые механизмы, подсистемы)

Выполняется для каждого преобразователя отдельно. В нашем случае рассматриваются подсистемы: отдельные простые механизмы и корпус (в качестве подсистемы, координирующей детали, узлы и обеспечивающей удобство перемещения игрушки). Для каждого простого механизма составить кинематическую схему и блок-схему.

Подсистему, отвечающую за внешнее сходство модели с прототипом при выполнении этого задания не рассматривать, но упомянуть о ней необходимо. На этом анализ механизма игрушки закончен пора переходить к синтезу: составлению общей кинематической схемы механизма игрушки.

4. Сборка модели игрушки из конструктора LEGO-DACTA

При выполнении работ следует добиваться, чтобы модель собиралась в той же последовательности, в которой проводился анализ механизма игрушки. Важнейшим критерием оценки результата следует считать отсутствие избыточных деталей конструктора. Школьник должен уметь обосновать целесообразность каждой примененной детали, помнить, что цель работы - модель механизма игрушки, а не ее самой.

При наличии резерва времени и заинтересованности учащихся, можно предложить в качестве домашнего задания подготовить из вспомогательных материалов (бумага, картон, ткань…) подсистему обеспечения внешнего сходства модели с прототипом, а на следующем занятии с использованием фотографий сборок изготовить модель игрушки.

Работа заканчивается составлением отчета о выполнении задания, оформление которого проводится с использованием компьютерных технологий.

В соответствующем приложении приведен образец выполнения отчета по изготовлению модели механизма прототипа с примером выполнения модели игрушки.

В качестве прототипа удобно использовать механические игрушки из серии «киндер-сюрприз». Обычно они содержат от двух до четырех простых механизмов. Как подсказывает опыт, дети охотно делятся частью своих коллекций, что позволяет не только подготовить достаточный запас образцов для проведения занятий, но и поддрживать его на протяжении длительного времени.

Начинать следует с относительно простых игрушек, содержащих всего два механизма, а проводить занятие в демонстрационном режиме. Для этого удобно использовать проектор, снабженный приемником изображения с изменяемым фокусным расстоянием и автоматической фокусировки. В простейшем случае это может быть цепочка: цифровая видеокамера – компьютер – видеопроектор с экраном.

Преподаватель совместно с учебной группой проводит анализ выбранной игрушки, подробно объясняя каждый этап работы. Объяснения включают, как непосредственное изображение игрушки и ее фрагментов, так и графическое изображение кинематических схем и блок-схем. После составления общей кинематической схемы следует добиваться изготовления одинаковых моделей механизма игрушки у всех рабочих групп.

Фрагмент занятия приведен в соответствующем приложении.

Следующий этап моделирования – самостоятельное изготовление учащимися моделей игрушек.

Задание состоит из двух частей.

1. Разработка Лего-модели механизма игрушки.

Каждой рабочей группе выдается оригинальная игрушка – прототип, при этом сложность механизма игрушки должна соответствовать возможностям участников рабочей группы.

По аналогии с предыдущим заданием школьники должны выполнить Лего-модель механизма полученной игрушки, убедиться, что все преобразования движения, выполняемые механизмом игрушки, полностью воспроизводятся Лего-моделью.

2. Придание модели внешнего сходства с прототипом.

2.1. Определить габаритные размеры модели механизма.

2.2. Выполнить масштабный эскиз модели механизма игрушки, указав на эскизе основные размеры. При наличии соответствующих ресурсов лучше выполнить фотографии моделей механизмов и распечатать фотографии, по возможности соблюдая масштаб изображения. Габаритные размеры в этом случае наносятся на фотографии.

2.3. Изготовление подсистемы «внешнее сходство» (термин «кузовок» для автомобильчика дети воспринимают с большим энтузиазмом) начинается с чертежа развертки.

Пример построения развертки «кузовка» приведен в соответствующем приложении. Там же приведены итоговые работы учащихся по данной теме.

Если построение развертки вызывает у школьников затруднение, можно предложить поэтапное усложнение задачи: начать с тетраэдра или куба, а закончить загородным домом. В подобном ряду «кузовок» автомобильчика окажется 3-4.

Приложение 1

Образец

Отчет

по изготовлению модели прототипа

Подготовил: ________________ кл _________

Преподаватель: __________________________

Москва

200_

1. Наименование прототипа:

Игрушка из киндер-сюрприза «Рыцарь и дракон»

2. Виды движений, общая блок-схема:

При поступательном линейном перемещении игрушки по поверхности «рыцарь» совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси движения игрушки, а «верхняя челюсть дракона» возвратно-поступательное движение перпендикулярно оси движения игрушки.

3. Преобразователи (простые механизмы, подсистемы)

Кинематические схемы, блок-схемы

3.1. Колесо (подсистема преобразования линейного поступательного движения во вращательное движение)

3.2. Кривошипно-шатунный механизм (подсистема преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение)

---

3.3. Рычаг второго рода (подсистема увеличения перемещения)

---

3.4 Корпус подсистемы, обеспечивающие координацию деталей, узлов и удобство перемещения игрушки).

---

3.4. Общая кинематическая схема

---

4. Сборка модели из конструктора LEGO-DACTA

4.1. Кривошип

Колесо (использована шестерня Z40), ось колеса и ось шатуна образуют кривошип.

---

4.2. Кривошипно-шатунный механизм.

---

4.3. Рычаг 2-го рода с упором

---

4.4. Рычаг 2-го рода с упором на оси колеса (ось колеса является одновременно точкой опоры рычага, частью кривошипа и корпусом для всей сборки). 4.4. Рычаг 2-го рода с упором на оси колеса (ось колеса является одновременно точкой опоры рычага, частью кривошипа и корпусом для всей сборки).

---

4.5. Модель в сборе.

Добавлена рукоятка, закрепленная на оси колеса, для удобства перемещения модели по поверхности. Балка 16, используемая в качестве шатуна, для исключения цепляния за упор рычага установлена на оси шатуна кнопками вниз.

Остается сравнить с прототипом

---

5. Дополнительное задание

Модель игрушки «киндер-сюрприз». Выполнена Дмитрием Меркуловым и Антоном Онуровым, учащимися 6-го класса, 2002-2003 учебный год.

Приложение 2

Построение развертки

Разработка модели изделия по заданным функциям (видам движения

Настоящий раздел является завершающим в курсе «Проектирование» и предполагает демонстрацию школьниками владение, как прикладными навыками компьютерных технологий, так и основами проектирования в Лего-среде.

В школе 1299 традиционно учащимся предлагается разработать модель механической игрушки с последующей ее реализацией в Лего-среде. При этом указываются источник энергии и движение на выходе. Учитывая, что различных видов движения должно быть не менее 3-х, а модель соответствовать привычному для нас прототипу, в качестве задания, как пример, предлагается модель тира.

Работа начинается с выдачи школьникам технического задания. Пример технического задания:

Разработать модель тира, содержащего не менее 3-х мишеней. Мишень 1 кратковременно появляется на линии огня.

Мишень 2 совершает на линии огня возвратно-поступательное движение.

Мишень 3 кратковременно появляется в разных местах на линии огня.

Источником движения привода механизмов мишеней является поступательное движение модели по поверхности.

Этапы выполнения работы:

1. Составить перечень простых механизмов, обеспечивающих необходимые преобразования движения.

2. Выбрать простые механизмы для дальнейшего проектирования.

3. Составить общую кинематическую схему механизма модели тира.

4. Апробировать механизм модели тира. Сделать при необходимости требуемые изменения и внести их в общую кинематическую схему.

5. Выполнить Лего-модель окончательного варианта механизма тира и осуществить необходимые замеры.

6. По замерам п.5 из бумаги, картона, ткани… изготовить вспомогательные элементы, обеспечивающие внешнее сходство модели с возможным прототипом и закрепить их на модели механизма.

Произвести поэтапную фотосъемку сборки/разборки модели для последующей подготовки отчета презентации о проделанной работе.

Модель тира

Завершением данного раздела курса является мини конференция, на которой школьники представляют отчеты о проделанной работе.

Итоговая оценка выставляется совместно с использованием элементов экспертного подхода.