Подготовка и реализация проекта в детском объединении

(на примере проекта «Ветряная мельница»)

Педагог ДО, методист ГБОУ СПбГЦДТТ

Шаров Антон Валерьевич

Введение.

Важной составляющей педагогической деятельности является развитие познавательной активности ребенка, инициативности, воображения и креативности, умения поиска и использования полученной информации, формирования навыков исследовательской деятельности, способности к самостоятельному решению поставленных задач. Одним из наиболее продуктивных направлений достижений этих задач является метод проектов.

В детском объединении «клуб юных инженеров», занимаются дети 8-9 лет, а специфика кружка – изготовление поделок основой которых является тот или иной механический эффект. Метод проектов начинает применяться, когда ребенок осваивает некоторые базовые знания и получает достаточный опыт работы с материалами и инструментами. На этом этапе педагогом, а в отдельных случаях самим ребенком ставится учебная задача, предвещающая знакомство ребенка с проектной деятельностью.

В данном случае поставленная перед ребенком задача включала описание следующей проблемной ситуации:

В программе детского объединения нет поделок на основе шестеренок, хотя по идее в рамках разбора простых механизмов такая поделка должна быть. При этом поделка должна быть проста в изготовлении и выполняться за 2-3 занятия.  В то же время содержать в себе главную составляющую – механическую часть на основе шестерен. Шестерни должны демонстрировать передачу вращения из одной плоскости в другую.

В данном случае наиболее перспективной поделкой была совместно с ребенком выбрана ветреная мельница. С этого момента речь с ребенком ведется о инженерной, изобретательской и проектной деятельности как способе достижения желаемого результата.

При этом педагог ставит перед собой более широкие задачи: сформировать представление ребенка о тех потребностях и нововведениях, которые вели человека на пути к созданию сложных и производительных механизмов; навыки анализа информация и поиска практических решений (в том числе с использованием элементов ТРИЗ); навыки реализации и оформления проектной работы.

На этом этапе мы переходим к описанию проекта, реализованного ребенком:

Проблема: Нам необходима модель мельницы, демонстрирующая работу шестереночного механизма, но мы не знаем, как её изготовить, какие решения применить в работе.

Объект: Классическая ветряная мельница

Предмет: Способ изготовления функциональной модели ветряной мельницы

Цель: Изготовление функциональной модели Классической ветряной мельницы.

Задачи:

1. Ознакомиться со строением и функционированием ветряных мельниц.
2. Рассмотреть шестереночный механизм ветряной мельницы и его роль в передаче вращения между валами.
3. Изучить прототипы моделей ветряных мельниц.
4. Используя возможности ТРИЗ определить возможные подходы к изготовлению механизма будущей модели ветряной мельницы.
5. Спроектировать модель здания ветряной мельницы.
6. Изготовить механизм, ориентируясь на требования: функциональной схожести, прочности, быстроты исполнения.
7. Изготовить модель здания мельницы, ориентируясь на требование быстроты исполнения и достаточной прочности для обеспечения работы механизма.
8. Придать изделию интересный, узнаваемый облик (декорирование)

В соответствии с поставленными целями и задачами необходимо изучение особенности строения ветреной мельницы, аналогов среди моделей; выбор концепции и воплощение идеи в модели ветряной мельницы.

Исторический экскурс

Историю ветряной мельницы следует рассмотреть с предшествующего пути усовершенствования способов измельчения твердого вещества – минералов или зерна в порошкообразное состояние. Главной чертой этого пути являются совершенствование способа помола от примитивных приспособлений к более сложным механизмам и переход от ручного труда к использованию природных сил.

Первоначально для измельчения зерна использовали ручную каменную ступку, позволяющую производить довольно грубую муку в небольших объемах.   Затем человек открыл для себя новый, более эффективный способ измельчения зерна – перетирание. Зерно, расположенное на плоском камне, перетиралось вторым камнем - «теркой», что заметно повышало качество муки. Но по-прежнему объемы муки производимой таким способом были небольшими, а труд требовал заметных усилий. Ситуация немного изменилась с открытием нового способа перетирания: два плоских камня располагались один над другим, в середине верхнего камня имелось отверстие, куда засыпалось зерно. При вращении верхнего камня зерно попадало между камнями перетираясь в муку. Так были изобретены жернова. Жернова несколько облегчали труд, положительно влияя на увеличение объемов помола. Возрастающая потребность в муке привела к идее использования для вращения жерновов внешней силы. В какой-то момент жернов стал приводится в движение животными. А со второго века до н.э. появляются первые, использующие энергию природных сил - водяные мельницы. Мы же, подводя промежуточный итог, будем считать изобретение жернова и использование внешней силы для его вращения ключевым в развитии механических мельниц.

Впервые ветряные мельницы появляются в 7-9 веке. Исторически первой считается Персидская мельница, представляющая собой вертикальный вал, вдоль которого были установлены матерчатые или деревянные «крылья», в нижней части вала крепился жернов. Это был значительный шаг вперед, но такая конструкция имела и недостатки. Дело в том, что потоки воздуха могут вращать такое устройство только если воздействуют лишь на часть его крыльев, давая возможность остальным беспрепятственно совершить полный оборот вокруг оси вернувшись в подветренную зону. Для этого устройство окружалась стеной, направляющей потоки воздуха, а крылья мельницы проходящие безветренную зону никакой работы не выполняли.  От более поздних конструкций, такую мельницу отличала техническая простота и невысокая эффективность; передаточных механизмов зачастую не требовалось вовсе.

По-настоящему революционные изменения затронули ветряную мельницу в 12-13 веках и произошли в северо-западной Европе.  Здесь появляются первые ветряные мельницы, отличающиеся сравнительно высокой эффективностью, ведь теперь задействованы все её крылья. Это стало возможным благодаря тому, что крылья были развернуты под определенным углом к ветру и крепились на горизонтально расположенном валу. Вот тут то и появляется узнаваемый нами облик ветряной мельницы, а главное – широкое применение получает шестереночный механизм, эффективно передающий вращение на вертикальный вал, в свою очередь, вращающий жернова. Дальнейшая история ветряной мельницы – это те или иные усовершенствования, наиболее заметным из которых является идея разворота мельницы или её части по направлению к ветру. Так появляется мельница, состоящая из нижней – неподвижной части где осуществлялся помол муки и верхней, которую можно было разворачивать по направлению к ветру. Все эти усовершенствования дали возможность ветряной мельнице оставаться востребованной до конца 19 века, где она вытесняется более эффективными достижениями научно технического прогресса, в частности двигателями внешнего и внутреннего сгорания.

Таким образом мы видим ту роль, которую сыграл шестереночный механизм в эволюции ветреной мельнице и повышении её эффективности. С другой стороны, приходим к пониманию строения мельницы и возможному образу будущей модели.

Модель ветряной мельницы: анализ прототипов

Зададимся вопросом: есть ли среди детских поделок – моделей ветряных мельниц, такая, что отвечает поставленным нами задачам и возможностям нашего детского объединения. Кроме того, изучение данного вопроса позволит разносторонне оценить существующие модели, подобрав или разработав более оптимальные варианты исполнения нашей модели. Для решения данного вопроса обратимся к сети интернет.

В ходе сбора и оценки информации, оказалось, что большинство прототипов не содержит в себе механической части, но дает представление о способе изготовления здания самой ветряной мельницы. Единственная найденная модель, содержащая механическую часть выполнена на кулачковом механизме, что не соответствует нашим задачам. Поэтому на данном этапе сосредоточимся на модели самого здания мельницы. Ключевыми отличиями изученных прототипов являются используемые при изготовлении материалы и основная форма модели:

Разбор прототипов позволяет нам выделить оптимальные для нас варианты исполнения: картонная модель цилиндрической формы.

За исключением кулачкового механизма, найденные аналоги моделей, выполненных детьми не содержат механической части и часто несут идею художественного образа, нежели функциональной модели. Поэтому механическую часть предстоит разработать самостоятельно, опираясь на исторические аналоги. Таковым является механизм, включающий деревянные шестерни, передающие вращение с горизонтальной в вертикальную плоскость. На данном этапе разработка такого механизма будет являться «существенным изменением», привносимым нами в построение модели.

Среди минусов модели мельницы на кулачковом механизме отметим обратный алгоритм его работы: напрямую к механизму присоединена рукоятка, вращение которой приводит в действие механизм, а тот в свою очередь передает вращение на крыльчатку. Это интересно, но не естественно.

Поэтому, ещё одним важным выводом к которому мы приходим изучив аналоги модели – это то, что в нашей модели механизм будет работать, как полагается, благодаря вращению крыльчатки мельницы и выполнять полезную работу – вращение импровизированного жернова.

Изготовление механизма

Механизм ветряной мельницы – две шестерни, насаженные на горизонтальный и вертикальный вал, взаимодействующие между собой таким образом, что вращение передается с горизонтально расположенного вала на вертикальный. При этом при изменении передаточного числа возможна трансформация скорости вращения в мощность и обратно. При изготовлении шестерни мастером как правило в круглой деревянной заготовке вырезались зубья, либо в качестве зубьев в заранее подготовленные отверстия вставлялись деревянные втулки.

Для решения задачи изготовления механизма вспомним имеющиеся у нас условия:

1. Материалы: деревянными палочками, картон, бумага.

2. Шестереночный механизм для передачи вращения между валами.

2. Достаточная прочность конструкции, простота изготовления.

Рассмотрим варианты изготовления шестеренок: вырезать зубья из картона или установить в картон палочки, повторив изобретение древнего мастера, работающего с деревом. Мы провели эксперимент, изготовив пробные детали обоими способами.

В результате получены следующие данные:

1. Гофра картон. Вырезать зубья в кружке из гофра картона – малоэффективно, так как материал имеет воздушные зазоры и легко теряет форму еще в процессе изготовления детали.

2. Картон. Вырезать зубья из картона (в том числе листов склеенных между собой) – процесс долгий, трудный, требующий точного реза. В итоге у нас так и не получилось сделать симметричную шестерню, не повредив зубьев.

3. Палочки, воткнутые в картон. И тоже есть свои сложности – в одной из шестеренок палочки надо зафиксировать перпендикулярно в картонному основанию и в обоих шестернях, выставить палочки на определённом расстоянии друг от друга. Такой точности и прочности фиксации опираясь на имеющиеся навыки нам достичь не удалось.

Анализируя все три способа мы пришли к выводу, что изготовить зубья из палочек воткнутых в картонный круг – вариант близкий к идеальному, ведь вырезать зубья не надо. Но есть противоречие: такая шестерня требует точной разметки и расчетов, чтобы зубья идеально входили друг в друга и не заклинивали механизм, а мы реализовать эту точность не можем. Но, попробуем поработать с этой идеей используя элементы ТРИЗ.

Прежде всего нам нужно сделать зубья миновав условие точного расчета. А что нам дает точный расчет? – часто расположенные зубцы одной шестерни идеально входят в промежутки между зубцами другой не клиня шестерни.

Найдем конфликтующую пару - зубцы и расстояния между ними. Чтобы увеличить вероятность попадания зубца одной шестерни в промежутки между зубцами другой, нужно уменьшить число зубцов тем самым увеличив расстояния между ними.  Чем больше будет это расстояние, тем менее точный необходим расчёт. Видимый нежелательный эффект в условиях построения модели – отсутствует (в нашем случае некритично увеличится длина зубцов, а в прототипе это решение отрицательно влияло бы на реализацию принципа «передаточного числа»). Значит, останавливаемся на сокращении числа зубцов тем самым увеличивая расстояния между ними.

Самый простой вариант: изготовить четыре зубца, так как разметка в этом случае минимальна: две линии крест на крест, проходящих через центр картонного кружка определяют положение четырех зубьев.  Таким образом нами реализованы идеи прочности и простоты. Проблема перпендикулярного расположения зубьев второй шестерни решилась в ходе экспериментов: мы изготовили две одинаковых шестерни, расположив одну из них, целиком, перпендикулярно первой.

Для настройки и тестирования механизма потребовался жесткий корпус, собираем его из четырех полосок гофра картона. В итоге получаем идеальный результат –механизм с помощью примитивных шестерен способен передавать вращение из горизонтальной в вертикальную плоскость. Наш механизм отличает функциональность, прочность, простота изготовления.

Вместе с тем интуитивно решается вопрос демонстрации полезной работы – вертикальный вал механизма будет вращать бумажный цилиндр имитирующий жернов.

Дополнительным бонусом проделанной работы оказывается изготовленный для тестирования механизма корпус. Он получается настолько надежным, что мы можем использовать его как часть конструкции мельницы. В тоже время мы получаем самостоятельный блок механизма, который можно применять в других поделках.

Изготовление «здания» ветряной мельницы и сборка модели.

Разбирая аналоги модели мы пришли к выводу, что нам в наиболее полной мере подходит здание, выполненное на основе цилиндра, с соответственно, конусовидной крышей. Его легко изготовить просто свернув лист картона, при этом полностью реализуется принцип узнаваемости объекта.

Остается решить вопросы связанные с особенностями строения здания мельницы, технологией его изготовления и внешнего оформления модели.

Изучение исторических фото дает нам представлении о разнообразии строения ветряных мельниц. Обобщим строение мельницы до наиболее типичных форм:

1. Конструкция представляющая собой монолитное здание, жестко стоящее на фундаменте.

2. Монолитное здание на опоре (здание мельницы могло поворачиваться к ветру).

3. Здание, четко разделенное на часть где идет помол и часть способную поворачиваться к ветру.

Общим для всех типов строения мельницы является наличие опоры (фундамент, грунт), стен (здания) и крыши. Крылья же являются скорее частью механизма и пока не рассматриваются.

Таким образом и наша модель будет состоять минимум из следующих частей – основания (картонная - подставка), стен (цилиндр из картона) и крыши (конус). Как из них собрать единую конструкцию?

Технологии изготовления:

- приклеить детали скотчем изнутри (но, соединение остается подвижным; трудно приклеить все фрагменты скотча сразу)

- приклеить кусочками бумаги (трудно приклеить все фрагменты бумаги сразу, выглядит неопрятно)

- приклеить напрямую хорошо смазав торцы деталей клеем (слишком тонкий слой картона для надежного сцепления)

- предусмотреть клапаны (долгая, кропотливая работа)

Останавливаемся на варианте промазки торцов клеем и решаем задачу на достижение надежного сцепления. Выход находится в уплотнении торцов корпуса наклеенной полоской картона изнутри детали. Положительный эффект превышает ожидания и получаем ребро жесткости, позволяющее применить для изготовления стен мельницы вместо плотного картона тонкий ватман, что на порядок упрощает работу.

Внешнее оформление модели. Вспоминаем следующие требования: узнаваемость, демонстрация функционирования, привлекательность идеи.

Узнаваемость. Ветряные мельницы строились из камня, дерева, кирпича (керамика). В нашем случае возможны варианты:

- Нанесение текстуры дерева, кирпича или камня (но, это длительная и кропотливая работа, можно испачкать модель)

- Оклейка поверхности модели палочками и подручными материалами, имитирующими деревянное строение мельницы (но, необходимо разметить длину палочек, нарезать их)

- Найти в интернете или нарисовать на листке подходящую текстуру, наклеив её поверх корпуса (но, текстуру может понадобиться подгонять в графическом редакторе, или нужно затратить время на отрисовку своей текстуры)

Нам в разной степени подходит вариант с палочками и готовой текстурой. Теперь продумываем интересные образы. Чем можно дополнить модель для большей наглядности?

- Окошко для наблюдения работы шестереночного механизма

- Добавить мельнице этажность, разделив зону помола и шестерен (быстрая сборка проклейкой стыков).

- Окошко для наблюдения работы жерновов.

- Заменить жернов на барабан со сменяющимися сценами быта мельницы.

- Использовать противоположный конец вертикального вала разместив на нем флюгер.

- Оформить подставку, изобразив типичное природное окружение мельницы.

- Изготовить крылья из жёсткого картона, аутентично раскрасив.

Таким образом взвесив плюсы и минусы выделенных возможностей изготовления модели мы пришли к результату – изготовлению функциональной модели ветряной мельницы. Особую ценность модели представляет механизм, по сути представляющий собой завершенную самостоятельную конструкцию, которую можно применять в других поделках.

Модель отличатся от аналогов наличием уникального механизма, наличием демонстрации полезной работы (окошки, флюгер и видоизмененный жернов), разбивкой здания мельницы на функциональные части (блок «помола» и блок механической части).

Заключение.

Проделана достаточно большая работа в результате которой были в полной мере достигнуты поставленные педагогические задачи. Ребенок с энтузиазмом увлекся исследовательской, изобретательской, преобразовательной деятельностью, каждая из которых несла свои открытия и достижения. Научился анализировать и использовать полученную информацию, решать поставленные задачи.

С позиции реализации проекта достигнут положительный результат:

1. Разработан и реализован необходимый механизм модели на основе шестеренок. Сам механизм является результатом изобретательской деятельности, отличается простотой, прочностью, функциональностью, универсальностью и выделяет нашу модель мельницы среди аналогов.

2. Проведен анализ исторических прототипов и прототипов среди моделей на предмет конструкции здания мельницы. В результате достигнут результат также отличающий нашу модель от других моделей – она легко изготавливается в тоже время имея прочный корпус и аутентичный внешний вид.

3. Наша модель в отличии от аналогов демонстрирует полезную работу – мы можем естественным путем наблюдать работу шестереночного механизма и полезную работу – вращение барабана с тематическими картинками (заменяет жернов) и флюгера на крыше мельницы.

4. Мы достигли главного условия: мельница функциональна, имеет шестереночный механизм и может быть изготовлена в течении двух учебных занятий. Тем самым реализована поставленная цель и решена обозначенная проблема.

Список литературы

1. Титоренко Я. «История создания ветряных мельниц» //«Машины и механизмы»: электронный научный журнал. — 2019.

[Электронный ресурс]. — URL: https://www.21mm.ru/news/tehnologii/istoriya-sozdaniya-vetryanykh-melnits-/

(дата обращения: 06.03.2025)

2. Джураев М.С. «История мельничного промысла: от простых зернотёрок до мельничного жёрнова» // Научная электронная библиотека «КиберЛенинка» — 2014.  

[Электронный ресурс]. — URL:  https://cyberleninka.ru/article/n/istoriya-melnichnogo-promysla-ot-prostyh-zernotyorok-do-melnichnogo-zhyornova

(дата обращения: 06.03.2025)

3. Стернберг В.Н. Теория и практика «метода проектов» в педагогике XX века [Текст]. –М.: РГБ, 2003.
4. Кислов А.В., Пчелкина Е.Л. Задачи для изучающих ТРИЗ [Текст]. –КТК Галактика, 2018.
5. Таратенко Т.А., Давыдова В.Ю. Учимся решать изобретательские задачи. Методическое пособие. [Текст]. –СПб.: 2021.