배경

이 단원에서 학생들은 빌드를 수정하여 문제를 해결하고 빌드의 성능에 대한 관찰을 합니다.

VEX GO 빌드에서 무엇을 수정할 수 있나요?

엔지니어는 과학과 수학의 원리를 적용하여 다양한 문제에 대한 해결책을 개발합니다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 빌드의 다양한 구성 요소를 변경하여 현재 디자인을 혁신하고 성능을 개선하는 것입니다. 

학생들이 VEX GO 빌드에서 수정할 수 있는 부분은 여러 가지가 있습니다.

• 구조 하위 시스템- 이 부분은 로봇의 "골격"이며 다른 모든 부분이 부착됩니다. 이 하위 시스템은 VEX GO 키트의 모든 주요 구조적 구성 요소로 구성됩니다. 이러한 부품(빔, 플레이트, 커넥터, 스탠드오프, 핀)은 다양한 모양과 크기로 제공됩니다. 이러한 조각들은 서로 연결되어 로봇의 프레임을 형성하는데, 일반적으로 섀시라고 합니다.
  • 무게 중심 - 빌드의 무게 중심은 빌드에 대부분의 무게가 놓이는 곳입니다. 고정된 구조는 무게가 중심에 있을 때 가장 안정적이지만, 엔지니어는 때때로 구조의 성능을 바꾸기 위해 중심을 수정하기도 합니다.
• 모션 하위 시스템- 모션 하위 시스템(기어, 풀리, 휠, 모터, 로프, 손잡이, 샤프트, 샤프트 칼라)은 대부분의 빌드에서 구조 하위 시스템의 구성 요소와 결합됩니다. 그것은 인체의 뼈대에 붙어 있는 근육과 같습니다.  대부분의 VEX GO 모션 조각은 정사각형 VEX GO 샤프트에 맞는 정사각형 구멍을 사용합니다.
  • 구동계- 일부 빌드는 움직이지 않고도 작업을 수행하지만, 빌드는 종종 한 위치에서 다른 위치로 이동해야 합니다.  학생들은 일반적으로 구동계라고 불리는 바퀴 달린 구성 요소를 사용하여 구조물의 이동성을 확보합니다.

• 스프링 카에 대한 수정 예시- 학생들은 실험실에서 스프링 카에 대한 수정 사항을 개발하고 테스트합니다. 테스트를 위한 충분한 공간이 있는지 확인하세요. 긴 복도나 체육관 바닥을 활용하세요.

  학생들이 시도할 수 있는 수정 사항과 일반적인 결과의 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

  • 고무줄을 핀 위에 두 배로 감은 스프링카.

    •  자동차의 "스프링" 부분은 스프링카의 움직임에 매우 중요합니다. 고무줄을 더 많이 늘릴수록 더 많은 잠재 에너지가 저장되고, 자동차는 더 멀리, 더 빨리 갈 수 있습니다. 고무줄의 두께도 거리에 영향을 미칩니다. 두꺼운 고무줄은 얇은 고무줄보다 늘리기가 더 어렵기 때문입니다. VEX GO 키트와 함께 제공되는 고무 밴드는 실리콘으로 만들어져 흡입 메커니즘이 물체를 더 쉽게 잡을 수 있게 해주지만 합성 소재처럼 늘어나는 용도로는 적합하지 않습니다. 따라서 고무줄을 두 배로 늘리는 것은 효과적인 변형이 아니며 고무줄을 손상시킬 수 있습니다.

  • 핀 위에 고무 밴드 두 개가 달린 스프링 카

    • 고무줄을 더 많이 늘릴수록 자동차는 이전 예시에서 설명한 대로 더 멀리, 더 빨리 이동할 수 있으므로, 학생들은 키트에 들어 있는 고무줄 두 개를 모두 사용하고 싶어할 수 있습니다.  두 개를 늘이면 두 배의 힘을 받게 되어 스프링카가 더 멀리 움직일 수 있게 됩니다.

  • 앞바퀴를 블루 휠로 교체한 스프링카

    • 이러한 수정을 통해 바퀴가 더 넓어져 차량의 안정성이 향상되어 스프링카가 더 멀리 나아갈 수 있게 되었습니다.

엔지니어링 설계 프로세스란 무엇인가요?

학생들은 엔지니어링 설계 프로세스(EDP)를 사용하여 스프링카를 수정하여 성능을 개선합니다. EDP는 엔지니어가 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 사용하는 일련의 단계입니다. 종종 솔루션에는 특정 기준을 충족하거나 특정 작업을 완수하는 제품을 설계하는 것이 포함됩니다.
EDP는 다음 단계로 나눌 수 있습니다. 정의 → 솔루션 개발 → 최적화.

• 공학적 문제를 정의하려면 성공 기준, 제약 또는 한계를 고려하여 해결해야 할 문제를 가능한 한 명확하게 명시해야 합니다.
• 엔지니어링 문제에 대한 솔루션을 설계하는 것은 여러 가지 가능한 솔루션을 생성하는 것으로 시작하며, 그런 다음 잠재적 솔루션을 평가하여 문제의 기준과 제약 조건을 가장 잘 충족하는 솔루션을 찾는 것입니다.
• 설계 솔루션을 최적화하려면 솔루션을 체계적으로 테스트하고 개선하는 과정이 필요하며, 덜 중요한 기능을 더 중요한 기능으로 전환하여 최종 설계를 개선해야 합니다.

EDP는 본질적으로 순환적이거나 반복적입니다. 제품이나 공정을 만들고, 시험하고, 분석하고, 개선하는 과정입니다. 테스트 결과에 따라 새로운 반복 버전이 만들어지고, 디자인 팀이 결과에 만족할 때까지 계속 수정됩니다.

이 단원에서 학생들은 EDP를 사용하여 스프링카를 수정하고 성능을 개선합니다.   초기 빌드 후, 그룹에서는 성능을 높이기 위해 스프링 카의 디자인을 개선하기 위한 질문을 던집니다. 이는 차세대 과학 표준(NGSS)에서 다루는 것과 동일한 엔지니어링 설계 프로세스입니다.

좋은 관찰 방법은 무엇인가?

과학적 방법과 공학 설계 과정에서 가장 중요한 단계 중 하나는 테스트입니다.  과학자와 엔지니어는 테스트 단계에서 관찰을 통해 데이터를 수집하지 않으면 결과가 성공했는지 알 수 없습니다.

관찰에는 두 가지 유형이 있습니다.

• 자연 관찰: 이 유형은 어떠한 개입도 없이 자연 상태 그대로 무언가를 관찰하는 것으로 구성됩니다. 이러한 유형의 관찰에서 과학자들은 실험 중에 사건이 발생하는 것을 지켜보고 기다립니다.
• 단계적 관찰: 엔지니어와 과학자는 일반적으로 "만약…중심으로 프로젝트를 진행합니다. " 질문. "이 빌드의 중심은 어디인가요?" "섀시의 빔 길이를 바꾸면 어떻게 되나요?" 이러한 유형의 관찰에서는 테스터가 개입하여 결과를 관찰합니다. 이런 유형의 테스트는 재현이 가능하기 때문에 여러 번 관찰할 수 있습니다.

단계적 관찰을 수행할 때는 다음과 같은 몇 가지 지침을 따라야 합니다.

• 무엇을 관찰하고 싶은지 미리 결정하세요.. 이 작업은 엔지니어링 설계 프로세스의 계획 단계에서 수행되어야 합니다. 어떤 집단이 자신들이 무엇을 조사하고 있는지 모른다면 성공 여부를 판단할 수 없습니다.
• 한 번에 하나의 요소만 변경합니다.. 다른 모든 요소는 동일하게 유지되어야 테스트 중인 요소가 성공적인지 여부를 확인할 수 있습니다.
• 필요한 관찰 횟수를 결정합니다.. 시간, 물품, 장소는 테스트를 재현할 수 있는 횟수를 결정하는 요소가 될 수 있습니다.
• 일정을 작성하세요. 여러 그룹이 같은 공간에서 테스트 실행을 진행하는 경우 일정을 정해두면 혼란이 없고 모든 사람이 자신의 빌드를 테스트할 기회를 얻을 수 있습니다.
• 다른 사람들이 사용할 수 있도록 관찰 내용을 기록하세요..  데이터를 기록할 때는 정확한 용어와 정확한 측정값을 사용하세요. 
• 어떤 도구를 사용할지 결정하세요.. 엔지니어가 테스트할 때 사용하는 도구에는 여러 유형이 있습니다. 
  • 이러한 도구를 사용하면 더욱 정밀하고 정확한 관찰이 가능합니다.
    • 통치자
    • 온도계
    • 저울
    • 카메라