Robotcar e il moto rettilineo: distanza e intervallo di tempo, velocità media

Fisica
Rafforzamento e applicazione pratica dei seguenti concetti: il metodo scientifico, intervallo di tempo (Delta t), distanza (Delta s), velocità media.

Aumento del livello di cooperazione tra gli studenti, aumento dell’autonomia nella gestione di un progetto.

Le attività verranno svolte con la seguente strumentazione:

• kit Lego® Mindstorms® EV3 Education
• Pc portatili
• Software Lego® Mindstorms® EV3 Home Edition
• Smartphone per la registrazione di video da utilizzare nella documentazione progettuale
• Microsoft Office o LibreOffice per la creazione della documentazione progettuale

Con il kit Lego® Mindstorms® EV3 verrà costruito il modello Educator Vehicle, di cui si trovano le istruzioni a questo link.

• Cooperative learning
• Project-based learning
• Metodo “4C”

Pre-requisiti:
È consigliabile che gli alunni abbiano una certa familiarità con la metodologia di lavoro project-based e basata sul team, sebbene non siano requisiti necessari.
Sarebbe preferibile che ci sia una conoscenza base anche del software di programmazione Lego® Mindstorms® EV3 Home Edition.
Il progetto verrà sviluppato in 2 incontri da due ore ciascuno, seguendo la linea guida di seguito proposta.

1° incontro
Inizialmente si potranno presentare gli obiettivi progettuali e una breve introduzione alla robotica nel caso in cui per gli studenti sia la prima esperienza di questo tipo.
Li si potrà far ragionare in modalità di brainstorming su domande di questo tipo:

• Che cos’è un robot?
• A che cosa serve?
• Qual è l’origine della parola robot? 

• Progettista : interpreta e istruzioni di montaggio del robot e le comunica agli altri; è il responsabile del progetto. 
• Magazziniere : cerca i pezzi corretti dentro la scatola e li passa al tecnico assemblatore. È il responsabile del kit Lego®, e (in teoria) dovrebbe essere l’unico a mettere le mani dentro la scatola. 
• Tecnico assemblatore : assembla i pezzi seguendo le indicazioni del progettista. 
• Validatore : controlla il corretto assemblaggio del robot, passo dopo passo, e il corretto lavoro del gruppo nel complesso (es. il rispetto dei ruoli). 
• Reporter (nel caso di gruppi da 5 alunni): documenta la costruzione del robot utilizzando uno smartphone per fare foto e video del lavoro. 

Le modalità di attivazione sono le seguenti:

• On for Seconds, cioè i motori rimarranno accesi per il numero di secondi impostati.
• On for Degrees, cioè i motori ruoteranno per il numero di gradi inseriti (attenzione, questo parametro si riferisce alla rotazione dei motori e non alla direzione del robot).
• On for Rotations, cioè i motori rimarranno accesi per il numero di rotazioni impostate.
• On, i motori vengono accesi e rimangono in rotazione fino a quando non vengono spenti con il blocco Off; di solito questa modalità permette di condizionare l’accensione dei motori ai dati acquisiti dai sensori, e non verrà approfondita in questo progetto.
  Dopo aver sperimentato le varie modalità di accensione e fatto fare “i primi passi” ai vari robot, si potrà introdurre un altro momento di riflessione con una modalità di brainstorming, ragionando ad esempio su queste domande: che cos’è la velocità? Come si può definire? Come si calcola le velocità di un corpo?

2° incontro
Nel secondo incontro si potrà proporre agli studenti un esperimento più evoluto: costruire un algoritmo per misurare automaticamente la velocità media del robot e mostrarla sullo schermo dell’EV3 brick, utilizzando la funzione cronometro presente nell’ambiente Lego® Mindstorms® e l’encoder associato ad ogni motore del kit.
Nella sequenza di seguito si può osservare la sequenza di blocchi che permettono di calcolare la velocità media (in metri al secondo) del robot impostando un certo numero di giri di ruota (nell’esempio 15):

• Il blocco giallo dopo lo Start (il secondo partendo da sinistra) è il blocco Timer (si trova nella categoria Sensor, caratterizzata appunto dal colore giallo), impostato nella modalità Reset; questo blocco permette di azzerare il cronometro.
• Il blocco rosso Constant (terzo partendo da sinistra) si trova nella categoria Data Operations, e permette creare una costante numerica, che verrà poi passata ad altri blocchi.
• Il blocco verde Move Steering accende i motori in modalità On for Rotations, e gli viene assegnato il numero di giri facendo partire un “filo” dal blocco Constant.
• Al termine del movimento si reinserisce il blocco Timer (in modalità Measure, Time ), così che venga misurato l’intervallo di tempo dal cronometro.
• Si sono poi utilizzati due blocchi Math (categoria Data Operations ): il primo (modalità moltiplicazione) permette di calcolare lo spazio percorso moltiplicando la circonferenza della ruota del robot (circa 0.35 m) per il numero di giri di ruote effettuati, il secondo (modalità divisione) permette di calcolare di calcolare la velocità media dividendo lo spazio per il tempo calcolato grazie alla funzione cronometro.
• Il risultato del blocco divisione viene passato come parametro in ingresso al blocco Display (categoria Actions ) e successivamente il blocco Wait (categoria Flow Control ) permette di visualizzare per il numero di secondi impostato il valore calcolato sullo schermo.

Un algoritmo simile è stato implementato utilizzando al posto del blocco Timer il blocco Motor Rotation (funzione che permette di leggere il numero di giri del motore, grazie al sensore encoder), quindi invece che impostare la modalità On for rotations per il blocco Move Steering si utilizza On for seconds (il parametro specifico viene impostato grazie al blocco Constant ).

Durante i 2 incontri si potrebbe chiedere ai ragazzi di documentare tutte le attività svolte, sia utilizzando lo smartphone per i video sia prendendo appunti. Al termine del laboratorio si potrà proporre la stesura di una relazione progettuale tecnica e una presentazione divulgativa da utilizzare per diffondere i risultati ottenuti ad altri studenti, docenti e ai loro genitori.

A conclusione del progetto ci si aspetta il consolidamento dei concetti teorici approfonditi durante gli esperimenti: intervallo di tempo, distanza, velocità media.
Attraverso l’osservazione e la somministrazione di test self-report agli studenti si valuteranno gli effetti del laboratorio di robotica sulle abilità trasversali degli studenti (capacità di lavorare in gruppo, comunicare, etc.). Ci si aspetta infatti che queste soft skills (lavorando regolarmente su progetti di questo tipo) vengano potenziate.
Inoltre al termine delle attività potrà essere valutata la relazione scientifica finale e la presentazione degli studenti ai docenti e ai genitori interessati.

Lego® Mindstorms® EV3 Education kit:
https://education.lego.com/en-us/middle-school/explore/c/ev3-solutions

Lego® Mindstorms® EV3 Home Edition (link per il download gratuito):
http://www.lego.com/it-it/mindstorms/downloads/download-software
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