Построить инженерный лагерь за 10 дней почти без бюджета и в состоянии запрета всего

С 25 июля по 14 августа 2020 года Школа инженерного мышления Лаборатории непрерывного математического образования (ЛНМО, г. Санкт-Петербург) провела детский образовательный инженерный интенсив. О мероприятии рассказывает Анатолий Шперх.

Вообще-то интенсив был частью большого детского лагеря, организованного ЛНМО, но речь пойдет именно об инженерной части, которую вполне можно считать цельным и самодостаточным проектом, о принципах и особенностях устройства которого мне хотелось бы рассказать.

Начну с того, что в 2020 году никакого лагеря не должно было быть. В стране шла необъявленная эпидемия коронавируса, и хотя к середине лета формальный запрет на проведение детских лагерей был снят, все же утвержденные чиновниками правила делали организацию образовательных интенсивов невозможной. Ни один лагерь на территории Ленинградской области не мог соответствовать на 100% требованиям Роспотребнадзора, но даже те приближения к выполнению его требований, которые можно было осуществить, взвинчивали стоимость путевки до космических масштабов. Это заставило нас искать другие пути. Лазейка нашлась в законодательстве, связанном с лечением детей. Это позволило нам, не кривя душой, отправить детей на лечение в санаторий, а в свободное от лечения время провести образовательный интенсив.

Стоит заметить, что от момента принятия решения о проведении лагеря до его начала у нас было примерно 10 дней, поэтому говорить о каких-то планомерных закупках и глубоком эшелонированном планировании процессов не приходится. И все же мы сделали это.

Чтобы понять суть лагеря, надо рассказать о принципах, на которых строится наша инженерная школа.
Мы считаем, что инженерное образование для школьников базируется на трех китах:

Основа инженерного образования – проектная деятельность, которую мы понимаем как осмысленную работу детей над инженерной конструкцией, решающую поставленную задачу. Инженерия – это именно решение задач, причем под задачами мы понимаем четко сформулированные технические задания. Любой проект ограничен в сроках, финансах, используемых материалах и технологиях, поэтому важнейшим элементом является разумное планирование времени и иных ресурсов, организация распределения ролей в команде и координация работы каждого. Критерий успешности – сданная по техническому заданию работа. Соответствие реализации поставленным целям.

Инженер решает задачи при помощи инструментов реального мира. Именно поэтому мы всегда работаем не с готовыми конструкторами, а с реальными материалами – фанерой, деревом, пластиком, металлом. Да, многие вещи на конструкторе объяснить легче, но эта легкость обманчива. Что легко вошло, легко и улетело. Когда задача решается каждый раз заново, когда ребенок понимает ограничения и возможности каждого материала, мы получаем на выходе много больше, чем простая сумма алгоритмов, позволяющих решить типовые инженерные задачи. При этом мы не чураемся учебных заданий, разбирая типовые решения и базовые механизмы обязательно и с пониманием физического смысла каждого.

Главное в работе инженера — это не самому собрать робота, станок или иной механизм. Главное – это уметь его придумать, смоделировать, рассчитать, составить техническую документацию, чтобы его могли сделать те, кто это делает лучше, профессиональнее, быстрее. Поэтому мы уделяем особое внимание математической и естественнонаучной подготовке. Конечно, говорить о сопромате в школе бессмысленно, но элементарные расчеты ребенок делать обязан. Как обязан уметь эскизировать проект и вести по нему документацию.

Всего в лагере у нас было три группы детей: условно младшая (5-6 класс), средняя (7-8 класс) и старшая (10 класс). Каждая группа получала задания для проектов по степени сложности.

Младшая группа. «Пойми, как это работает и сделай лучше».

Главная задача обучения инженерному делу в младшей группе – «подружить» руки и фантазию. Дети в этом возрасте очень креативны, творить для них это естественное состояние. Но вот навыков ручного труда пока еще недостаточно. И очень важно, не упуская прекрасный потенциал творчества, научить ребенка воплощать свои идеи «в материале».

Нам очень повезло, что руководил этим направлением человек, фонтанирующий идеями и, что намного важнее, умеющий превращать свои задумки в форму детских заданий. Это Дмитрий Овсяницкий, руководитель школы «Ожившая механика» из Челябинска.

Дмитрий Овсяницкий и ученики

Темой лагеря в этом году были футуристические корабли. Дети должны были разобраться, как работают кораблики на радиоуправлении, создать корпус судна собственного дизайна, снабдить его двигателями и системой управления, провести испытания модели в естественном водоеме.

Робот-водомерка

Работа ребят была разбита на четыре этапа:

Реверсный инжиниринг. Детям были предоставлены китайские радиоуправляемые кораблики, которые нужно было аккуратно разобрать, разобраться в их устройстве и зарисовать его.

Дизайн корпуса. После просмотра фантастического фильма, в котором детям продемонстированы корабли самых замысловатых форм, учащиеся создавали эскизы собственных корпусов. На этом этапе помимо эскизирования прорабатывались такие темы, как плавучесть, равновесие, симметрия, водонепроницаемость.

Изготовление корпусов. В качестве основного рабочего материала применялся пеноплекс. При том, что обработка его отличается легкостью, для младшего возраста это довольно сложное занятие, тем более, что при изготовлении используются макетные ножи, применение которых требует особых условий соблюдения техники безопасности. Легкость обработки материала, его податливость часто играла злую шутку – из-под рук учащихся зачастую выходили столь кривые корпуса, что исправить форму было уже невозможно. К счастью, легкость обработки материала позволяла отбросить бракованные корпуса и начать все сначала.

Испытания и доработка. Испытания проводились в озере на мелководье. Так как до этого поправить конструкцию у учащихся возможностей не было, принимать решение о доработке нужно было незамедлительно и в полевых условиях. Нарушения симметрии, равновесия сразу влияли на ходовые качества модели и выигрывал тот, кто мог оперативно поправить конструкцию. Проводились гонки на скорость, на дальность, на уход от пирата, в качестве которого использовалась оригинальная китайская конструкция кораблика. В результате очень хорошо была видно, улучшила ли детская работа оригинальную конструкцию или ухудшила.

Корабль-водомерка и его автор

По результатам оказалось, что все группы с задачей справились. Важно, что работа по конкретным заданиям во время лагеря стимулировала детей на проектную деятельность в течение учебного года. После окончания многие подходили ко мне и предлагали темы для уже самостоятельных проектов, которые они будут реализовывать в течение учебного года. И это, пожалуй, главный результат лагеря.

Средняя группа. «Роботы из мусора».

Целью работы средней группы было проведение эксперимента по созданию шагающих механизмов из бросового материала. Дети в течение года изучали различные механические передачи, в частности, разбирались с преобразованием вращательного движения в возвратно-поступательное, знакомились со стопоходящим механизмом Чебышева, в общем, прошли в аудитории долгий путь за техниками 18-20 века, приближавшимимся к созданию шагающих механизмов.

Но теперь в лагере мы подошли к проблеме совсем с другой стороны. Вместо того, чтобы решать задачу преобразования вращательного движения, детям изначально выдали сервомоторы и показали, как они работают.

Надо сказать, что в нашей школе нет робототехники, поэтому занятия в лагере были первым столкновением и с работой сервомоторов, и с программированием Ардуино.

Но главной задачей было не это. Главной задачей было попытаться понять, смогут ли дети создать шагающие механизмы из буквально подручных материалов. А под рукой у нас оказались акриловые линейки, пеноплекс, деревянные бруски и… 3D принтеры.

Двуногий шагающий робот

Результат оказался удивительным – несмотря на миллион ошибок, совершенных детьми во время работы (зачастую связанных еще и с тем, что у преподавателей тоже не было большого опыта в данной теме, и они учились одновременно с учениками), все механизмы, запроектированные детьми, в итоге пошли и были показаны зрителям на защите.

Работа над шагающими механизмами включала в себя:

Разработку эскизного проекта шагающего механизма. На этом этапе дети должны были создать проект, из которого видно было, как и из каких материалов механизм предполагается сделать, доказать, что в нем продуманы все детали компоновки с учетом реальных размеров и погрешностей изготовления, нет грубых ошибок, которые сведут на нет все усилия. Стоит заметить, что детям была предоставлена достаточно большая свобода выбора конструкции – некоторые остановились на двуногой конструкции, но иные, понимая, что проблему равновесия им будет скорее всего не решить, выбрали четырехногую или даже шестиногую конструкцию.

3D моделирование и печать деталей крепежа сервомоторов для суставов. Ставилась задача создания такого корпуса, который, надежно удерживая сервомотор, обеспечивал нужную подвижность и прочность сочлененных деталей.

Изготовление механической части. В качестве основного конструкционного материала использовались акриловые ученические линейки, которые нарезались вручную, гнулись при помощи фена и склеивались в узлы. В качестве вспомогательного применялись детали из пеноплекса, фанеры и дерева. При этом ребята использовали ручной и электрический инструмент.

Создание электрической схемы. Мы решили не использовать макетные платы, а делать сразу методом навесного монтажа. Пайку детям помогали делать взрослые, но кое что при строжайшем соблюдении техники безопасности паяли и сами дети.

Разработка алгоритма перемещения конечностей и программирование его в среде Ардуино. При разработке дети моделировали поведение конечности, замеряя углы на своих собственных ногах и на проволочных моделях, продумывали эргономику движения, упрощая программу управления сервомоторами.

В результате большой работы было создано два двуногих механизма, один четырехногий и один шестиногий.

Труднее всего пришлось тем, кто выбрал шестиногую конструкцию. Их выбор основывался на том, что, предположительно, ноги будет проще программировать, так как движения их просты и программы всех шести ног одинаковы. Но большое количество необходимых сервомоторов привело к фатальной ошибке – в какой-то момент произошло замыкание, из-за чего десять из двенадцати сервомоторов сгорели. К чести ребят, они не пали духом, в оставшееся время переработали конструкцию, и их механизм пошел (правда, весьма неуверенно) на оставшихся двух.

Те, кто выбрал двуногие механизмы, предсказуемо не справились с проблемой равновесия, пытаясь решить ее за счет расширения площади ступни или уменьшая длину шага. До необходимости применения еще одного сервомотора оставался один шаг, который они, в великому сожалению, сделать не успели. Но зато свою неудачу успешно маскировали внешними атрибутами, например, нарядив свой механизм в женское платье, корсет которого не давал машине упасть.

Робот-девочка

Предсказуемо лучше всех шагал четвероногий механизм, которого назвали «Собачкой». Он ходил, смешно поднимая ноги и задумываясь перед каждым шагом.

Стоит заметить, что это был первый опыт детей в робототехнике, дети помимо строительства шагающих машин поработали с датчиками, научились программировать датчики расстояния и измерили при помощи созданного ростомера свой собственный рост.

С учетом того, что знания детей на входе были на уровне «Hello, World!», это был очень успешный опыт, который состоялся благодаря коллеге из Минска, преподавателю школы Stemford Анастасии Вазюле.

Шагающий робот-собака

Старшая группа. «Делаем то, что надо самим».

Сразу замечу, что в старшей группе было всего два ученика, поэтому масштаб сделанного (и не сделанного) может не показаться впечатляющим, но для нас именно их опыт оказался очень важным.

Главная цель проектов старших детей у нас в школе всегда – создание практических вещей, «настоящих», нужных конкретным людям. Недаром в школе у нас работает настоящее Конструкторское бюро (КБ), разрабатывающее транспортные средства. В их портфолио – создание электроцикла, скоростного катамарана, летающее четырехметровое крыло.

К сожалению, опыт КБ в этом лагере использовать не удалось по причине того, что все готовилось в спешке и руководители пошли на авантюру – старшим ученикам было предложено разработать и создать тележку для перевозки корабликов и резиновой лодки из санатория до ближайшего озера, расположенного в нескольких километрах. За основу был взят старый гироскутер, из которого изъяли мотор-колеса. Ребята разрабатывали и создавали раму, систему подвески и рулевое управление. Один из принципов создания подвески звучал так: «все материалы должны быть куплены в соседнем хозяйственном магазине». Как вы помните, это один из основоположных принципов нашей школы – мы стараемся создавать инженерные конструкции из самых простых материалов. Забегая вперед – именно этот принцип в данном случае нас подвел.

Помимо рамы ребята разбирались с управлением мотор-колесами – для этого пришлось заменить драйверы и настроить их на новый способ управления. Очень много времени заняла отработки конструкции передней поворотной вилки — те материалы, которые ребята могли использовать, накладывали очень серьезные ограничения на неё.

Рама несколько раз переделывалась, так как строилась «на глазок», без расчетов нагрузок и для меня, как для руководителя инженерной школы этот проект оказался потрясающим подарком.

Забегая вперед, скажу, что этот проект закончился полным фиаско с точки зрения продуктивности, но дал совершенно бесценные образовательные результаты.

Так как учащиеся не знакомы еще ни с сопроматом, ни с элементарными расчетами, несколько созданных ими конструкций показали недостаточную жесткость уже при первых испытаниях. В результате они переделывали работу раз пять, все добавляя и добавляя жесткость, усиливая несущие элементы и заменяя материалы. Работа очень четко показала, насколько важно продумывать каждую деталь в конструкции, ибо слабым местом может оказаться любая пропущенная мелочь. В обычных учебных проектах, где царит принцип «зато мы научились», это не работает. Мы в учебе всегда строим модели и считаем, что в реальной жизни мы сумеем изменить их свойства так, чтобы нежелательные характеристики сменились на желательные. В качестве начала это работает. Но очень важно выйти за пределы учебного задания и перейти к конструкциям, в которых любая недоработка может привести к краху.

В результате напряженной работы наша старшая группа создала трицикл, способный ездить по ровной поверхности со скоростью до 60 км/ч (на самом деле это лишь теоретическая величина, программно мы заложили ограничение скорости до 20 км/ч), выдерживающий вес седока до 60 кг.

Испытания конструкции прошли успешно – аппарат действительно работал и был в достаточной степени управляем. У ребят не очень получилось управление скоростью, но в остальном все поставленные задачи были выполнены.

Но потом произошла катастрофа.

Естественно, что появление такого трицикла вызвало ажиотаж у всех ребят в лагере, и всем захотелось если не покататься, то хотя бы посидеть на нем. И вот, во время этой суматохи один из ребят, залезая в кресло, оступился, и, неловко схватившись за руль, сломал фланец, держащий переднюю вилку.

Как потом выяснилось, создатели трицикла, стремясь сделать более жесткую конструкцию, просверлили в силуминовой втулке отверстия под болты вместо штатных саморезов. В результате металл втулки ослаб и при динамической нагрузке дал трещину. Хочется только поблагодарить Провидение, что авария случилась во время демонстрации, а не при ходовых испытаниях на максимальной скорости.

Но, как я уже написал выше, для меня, как для руководителя школы, эта авария оказалась бесценным подарком. Она дала мне в руки наглядный пример того, насколько важно при создании даже простейшей и понятной конструкции производить расчеты (а значит показала, насколько важны для будущего инженера знания в области математики и физики), она показала, что при работе с реальными конструкциями не бывает мелочей и, если уж мы беремся проектировать настоящие вещи, то и инженерами мы должны быть настоящими. Даже если пока сопромат для нас слишком сложен.
Хотя – не боги горшки обжигают. Будем учиться и будем жить.

Досуг – тоже учеба.

При организации летнего лагеря очень важно, чтобы дети, помимо учебы, успели еще и хорошо отдохнуть. Но досуг – это не только танцы и волейбол. В качестве досуга могут выступать и вполне себе связанные с инженерным делом мероприятия. В частности, по инициативе Д. Н. Овсяницкого мы возродили детские дворовые игры. К примеру, игры на точность метания (по типу «городков»). Так как смена была инженерной, то одной из активностей стало создание метательных машин для игры в городки.

Мастерская

Дети приходили в мастерскую в свободном режиме, учились работать ручным и электрическим инструментом, строили машины совершенно различных конструкций – от простых стационарных рогаток до настоящих торсионных катапульт. Это была абсолютно свободная работа, нужно только было справиться в срок и выполнить ограничения, заданные судейским комитетом соревнований. Очень характерно, несмотря на распространенные стереотипы, что работа с деревом – прерогатива мужчин, что военные игры интересны только мальчикам – из шести команд, вышедших в финал, только одна была чисто мужской. Девушки пилили и закручивали саморезы наравне с мальчишками. Никаких гендерных различий не было.

Изготовление катапульты

Анатолий Шперх и ученик работают на сверлильном станке

Краткие выводы для тех, кто хочет повторить наш путь.

Наш опыт показал, что построить инженерный лагерь на пустом месте можно и довольно быстро. Но для этого нужно соблюсти несколько важных условий:

Команда. У нас не получилось бы ничего, если бы не идеолог и автор большинства идей инженерных активностей лагеря Дмитрий Николаевич Овсяницкий. Казалось бы, те вещи, которые он придумывал, лежат на поверхности. Но именно он сумел завернуть каждую идею в правильную обертку и поставить на нужное место. Огромную роль сыграла коллега из Минска Анастасия Игоревна Вазюля. Будучи одним из лучших специалистов по STEM-обучению в Беларуси и одновременно школьным учителем, она видела каждого ученика и умела донести до него именно то, чего не хватало ему. Характерно, что Анастасия влилась в нашу команду в последний момент, заменив заболевшего коллегу. И она вынуждена была входить в тему, разбираться с материалами «на лету». И это придало нашей работе особый смысл. Одно дело, когда ты приходишь на занятие к «гуру», который все знает и может дать ответ на любой вопрос, и совсем иное – когда учитель ищет ответ на твой вопрос вместе с тобой. Дорогого стоит. Третьим участником команды был автор этих строк Шперх Анатолий Альбертович. На мне лежала обязанность организации работ по конструированию, обработке материалов, эскизированию и пр., а также общая координация взаимодействия команд, педагогическое сопровождение и организация работы внутри команд.

Хорошо продуманная система проектных заданий. Лагерь может получиться только при условии, что организаторы четко представляют, что именно и как получится у участников. При этом самое важное – не допустить диктата решений взрослых. Детские работы должны делать дети. Это их идеи и их реализация. Остановить себя, не подсказывать и не ограничивать детскую фантазию и не уберегать детей от ВСЕХ ошибок – самое сложное в организации детского инженерного лагеря.

Тщательная педагогическая подготовка. Часто со стороны кажется, что организовать внешкольную работу над проектом в группе очень просто – дал детям задание, и они сами все сделают. Это не так. Педагогическое сопровождение включает в себя мониторинг активности каждого участника команд, контроль психологического состояния и купирование конфликтов, которые неизбежно возникают внутри команды, незаметные для ребенка подсказки, когда он заходит в тупик и не может из него выбраться, предостережение от явных ошибок – все это очень и очень непросто, если мы хотим, конечно, организовать подлинно самостоятельную работу детей, а не выполнение прямых инструкций взрослого.

Летний лагерь ЛНМО 2020

Источник