عملية التصميم الهندسي هي سلسلة من الخطوات التي يتبعها المهندسون عندما يحاولون حل مشكلة وتصميم حل لشيء ما؛ إنه نهج منهجي لحل المشكلات. لا توجد عملية تصميم واحدة مقبولة عالميًا، ومعظم المهندسين لديهم تطورهم الخاص في كيفية عمل هذه العملية. تبدأ العملية عمومًا بمشكلة وتنتهي بحل، لكن الخطوات الوسطى يمكن أن تختلف.

إحدى الخصائص المشتركة لمعظم عمليات التصميم هي أنها متكررة وقد يضطر المصممون إلى العودة إلى الخطوات السابقة في العملية و/أو تكرار العملية بأكملها مرارًا وتكرارًا حتى يصلوا إلى الحد الأدنى من الحل القابل للتطبيق.

إن عملية التصميم الهندسي الموضحة في هذه المقالة ليست الإصدار الصحيح الوحيد للعملية، بل هي مجرد مثال واحد. وينبغي أن توفر نقطة انطلاق جيدة للطلاب لاستكشاف العملية الهندسية.

قد تتضمن عملية التصميم البسيطة جدًا 3 خطوات فقط كما هو موضح أدناه: تحديد الحلول وتطويرها وتحسينها (يتوفر هذا الرسم التوضيحي كملصق بالحجم الكامل على Posters.vex.com إذا كنت تريد واحدًا لفصلك الدراسي!).

Basic_design_process.png

مثال آخر على عملية التصميم هو قائد المشروع عملية تصميم بوابة الطريق.

خطوات عملية التصميم الهندسي

في هذه المقالة، سننظر في عملية التصميم التي تتوافق مع ما يبحث عنه الحكام عند إجراء المقابلات مع الفرق ومراجعة دفاتر ملاحظاتهم الهندسية في مسابقات مؤسسة REC.

تحديد التحدي & تحديد الأهداف

يُشار إلى هذا أحيانًا باسم "اسأل" أو "تعريف". يجب أن يكون تحديد التحدي دائمًا هو الخطوة الأولى التي يتم تناولها في عملية التصميم. 

بالنسبة للتكرار الأول لعملية التصميم، يجب أن يتضمن دفتر ملاحظات الفريق وصفًا موجزًا ​​للغاية لتحدي اللعبة الإجمالي وتقسيمه إلى تحديات أصغر يجب إنجازها لتحقيق النجاح. أفضل الممارسات هي إدراج الأسئلة التي تحتاج إلى إجابة من خلال البحث أو الاختبار، على سبيل المثال:

  • ما هي الاستراتيجية الأكثر فعالية للعب اللعبة؟
  • ما هي طرق تسجيل النقاط؟
  • ما السرعة التي يحتاجها الروبوت للتحرك؟
  • كيف يمكن للروبوت التقاط الأشياء المسجلة؟
  • ما هو عدد الأشياء التي يحتاج الروبوت إلى حملها؟

من خلال هذه العملية، يجب على الفرق التوصل إلى قائمة بالميزات التي قد يريدونها في الروبوت الخاص بهم، وقوائم بمتطلبات اللعبة وقيودها. على سبيل المثال، إذا كان التحدي يتطلب من الروبوت تكديس الأشياء على أعلى مستوى ممكن، فقد يقرر الفريق أنهم يريدون أن يكون الروبوت طويل القامة. ومع ذلك، قد يتضمن دليل اللعبة قيودًا على مدى طول الروبوت في أي وقت. وينبغي استكشاف وفهم كل هذه المعايير قبل الانتقال إلى مرحلة العصف الذهني.

بالنسبة للدورات اللاحقة من عملية التصميم، قد تكون هذه الخطوة هي تحديد شيء ما في الروبوت لا يعمل بالشكل المتوقع أو المطلوب ووصف الحل الجيد الذي سيتضمنه. على سبيل المثال، قد يكون التحدي هو أن "يحتاج ذراع الروبوت إلى أن يكون قادرًا على الوصول إلى مستوى أعلى لتسجيل الكرة"، وقد يكون الهدف لتحقيق التحدي هو "يجب أن يكون الجزء السفلي من المخلب قادرًا على الوصول إلى ما يصل إلى 16". "عند الإمساك بالكرة." قد تتداخل قيود هذا التحدي مع قيود أكبر من اللعبة، على سبيل المثال، حدود الحجم والتوسع الرأسي.

العصف الذهني & الرسم البياني

يبدأ العصف الذهني الجيد بفهم مشترك للمشكلة، بما في ذلك جميع المتطلبات والقيود. وبدون فهم المشكلة، قد يضيع الوقت على أفكار غير ذات صلة ولا تلبي المشكلة الأساسية المطروحة. أثناء العصف الذهني، من المهمالحكم على أفكار بعضنا البعض. قد يؤدي ذلك إلى خنق العملية الإبداعية وتثبيط أعضاء الفريق عن المشاركة.

إذا أصبح من الواضح أن أعضاء الفريق لا يفهمون المشكلة بشكل كامل، فيجب أن يبدأ الفريق من جديد في الخطوة الأولى من العملية (أي "تحديد المشكلة" أو "اسأل").

أثناء العصف الذهني، قد يرغب الطلاب أيضًا في استكشاف التحديات من العالم الحقيقي المشابهة لتلك التي تطرحها اللعبة. ويمكنهم أيضًا معرفة ما إذا كانت أي مسابقات روبوتية أخرى قد استخدمت تحديات مماثلة في الماضي. يتضمن العصف الذهني جمع البيانات من مصادر أخرى لمساعدة الطلاب على إيجاد حل ناجح.

يجب توثيق الحلول الواعدة في دفتر ملاحظات الفريق، بما في ذلك الرسومات أو الصور الموسومة. إذا حصل الفريق على أفكار من مصادر أخرى، فيجب تحديد تلك المصادر بوضوح في دفتر الملاحظات.

اختر حلاً & ضع خطة

بمجرد الانتهاء من العصف الذهني وتوليد العديد من الأفكار، يجب على الفرق تقييم كل فكرة بشكل موضوعي. الهدف هو إيجاد الحل الأفضل للفريق، بغض النظر عن المصدر. قد يساعد الجدول الفرق في النظر في مزايا كل فكرة ومقارنتها فيما يتعلق برغبات وقيود التصميم المحددة. في المثال أدناه، يتم تقييم كل معيار على مقياس من 0 إلى 5 نقاط حيث لا يلبي 0 و5 يتجاوز التوقعات. نظرًا لأن "الفكرة 4" حصلت على أعلى الدرجات الإجمالية، فسيكون هذا هو الاختيار الموضوعي.

فكرة

المعايير 1

المعايير 2

المعايير 3

المعايير 4

مجموع النقاط

فكرة 1

3

3

2

1

9

الفكرة 2

5

5

0

0

10

فكرة 3

1

1

5

5

12

الفكرة 4

4

4

4

4

16

يجب على الفريق توثيق هذه العملية في دفتر الملاحظات، وشرح كيف ولماذا اختاروا الحل. ويجب عليهم أيضًا وصف الحل بشكل كامل في دفتر الملاحظات الهندسي الخاص بهم، بما في ذلك خطة لكيفية بنائه. بالنسبة للفرق المتقدمة، قد تتضمن هذه الخطة إنشاء نماذج CAD أو رسومات التجميع التفصيلية.

برنامج البناء &

هذا هو المكان الذي ستقضي فيه الفرق معظم وقتها، وهو المكان الذي يتم فيه إنشاء النماذج الأولية والروبوتات والبرامج النهائية. تبدأ عمليات البناء — لكل من التعليمات البرمجية والروبوتات — بشكل عام كتصميمات أساسية وتتطور مع إضافة التفاصيل في دورات لاحقة من عملية التصميم. يجب على الطلاب تدوين ملاحظات تفصيلية في دفتر الملاحظات الخاص بهم أثناء بناء & ، وتسجيل ما يرونه، ومحاولة معرفة سبب عمل بعض الأشياء بشكل أفضل من غيرها، ثم إنشاء نماذج أولية أو برامج إضافية لاختبار الأفكار الجديدة. يعد جمع البيانات وتسجيلها في دفتر الملاحظات جزءًا مهمًا من البناء والبرمجة.

اختبر الحل

خلال هذه الخطوة، سيختبر الطلاب ما قاموا ببنائه أو برمجته لمعرفة ما الذي ينجح، وما الذي لا ينجح، وما الذي يمكن تحسينه. يجب أن تكون إجراءات الاختبار موثقة جيدًا في دفتر الملاحظات، ويجب أن تتضمن جميع النتائج القابلة للقياس. الهدف الرئيسي من هذه الخطوة هو تحديد ما إذا كان البناء أو الكود يلبي التحدي ويعمل كما هو متوقع ومطلوب.

كرر عملية التصميم

ماذا يحدث عندما لا يعمل شيء ما في الاختبار؟ يقوم الطلاب بتحليل المشكلة لتحديد التحدي الجديد الذي تمثله، ويبدأون دورة جديدة من عملية التصميم!

لن تحتاج جميع دورات عملية التصميم إلى جميع الخطوات، وقد يقفز البعض من خطوة إلى أخرى أو يكرر خطوة عدة مرات قبل الانتقال إلى الخطوة التالية. لا ينبغي أن تخاف فرق التصميم من الرجوع إلى الوراء في عملية التصميم. الهدف النهائي هو إنشاء أفضل تصميم ممكن من خلال تحسينه مرارًا وتكرارًا. من المحتمل أن تتداخل دورات التصميم أيضًا، خاصة بين أنظمة الروبوت الفرعية والتعليمات البرمجية. يجب أن تبذل الفرق قصارى جهدها لتحديد خطوة (خطوات) عملية التصميم التي يعملون عليها أثناء قيامهم بإدخال الإدخالات في دفتر الملاحظات.

فكيف يقرر الفريق متى يتم الانتهاء من الروبوت الخاص بهم؟  الأمر بسيط: يحتاج الفريق إلى وضع جدول زمني، ومن ثم الالتزام به. سيختلف هذا الجدول بشكل كبير من فريق إلى آخر حسب ظروفهم. إذا كان لدى الفريق ستة أسابيع لتصميم وبناء الروبوت الخاص بهم قبل المنافسة الأولى، فيجب عليهم التوصل إلى نوع من الجدول الزمني لهذه الفترة الزمنية. ستقوم بعض الفرق بالتخطيط لكل خطوة في عملية البناء الخاصة بهم بينما سيقوم الآخرون فقط بإجراء نظرة عامة سريعة.

الجدول الزمني ليس ثابتًا دائمًا؛ في النهاية، التواريخ الثابتة الوحيدة هي تاريخ بدء المشروع والموعد النهائي لاستكمال الروبوت (عادةً تاريخ المنافسة). ومن المرجح أن يتغير كل شيء آخر مع تطور العملية.