Инженерно въздушно движение

Строителни материали (за всеки екип)

Необходими материали

• Достъп до Интернет
• НАСА Flight Simulator - https://atcsim.nasa.gov/

Design Challenge

Вие сте екип от инженери, на които е поставено предизвикателството да оценят текущата технология за контрол на въздушното движение (ATC) - като я използват сами - и да препоръчат инженерни промени, които биха могли да направят ATC по -безопасна или по -ефективна.

1. Разбийте класа на екипи от 2-3.
2. Раздайте работния лист Engineering Air Traffic и дайте уебсайта на НАСА Flight Simulator https://atcsim.nasa.gov/
3. Обсъдете темите в раздела Основни понятия. Помислете дали да попитате учениците дали са виждали въздушна контролна кула, когато са пътували със самолет. Кои са някои от нещата, за които хората в контролната кула трябва да се тревожат?
4. Прегледайте процеса на инженерно проектиране и предизвикателството за проектиране.
5. Обяснете, че студентите ще работят като екип, който на практика ще поеме контрола на въздушното движение в сектор 33 в Съединените щати. Учениците ще използват симулация на НАСА (https://atcsim.nasa.gov/), за да планират промяна на маршрута и/или скоростта, за да подредят три самолета, така че да пътуват на 3 морски мили един от друг, когато стигнат до Модесто, Калифорния (MOD).

Освен това времето е критично, така че последният самолет трябва да пристигне възможно най -скоро, а самолетите никога не трябва да се доближават повече от 2 морски мили един до друг.

6. Обявете времето, необходимо за разработване на план (препоръчителен 1 час).
7. Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
8. Учениците се срещат и разработват план за разрешаване на пътищата и скоростите на своите самолети.
9. Екипите изпълняват плановете си и изпробват симулатора.
10. Всеки екип трябва да извърши четири опита по проблема и да запише най -бързата си скорост на завършване.
11. Всеки екип оценява резултатите си и след това се среща, за да идентифицира подобрения, които би внедрил в текущия интерфейс между радар и човек. Например, учениците могат да обмислят критериите за избор на самолет, който да кацне първи. Биха ли препоръчали този с най -много хора, този с най -малко гориво или този с повече хора, които правят полетни връзки, чувствителни към времето?
12. Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
13. За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

За напреднали ученици от гимназията

Помислете за проучване на софтуера на Microsoft Flight Simulator (www.microsoft.com/en-us/p/avion-flight-simulator2015/9nblggh1p8lq#activetab=pivot:overviewtab)

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

1. Каква беше най -бързата скорост на вашия екип при решаването на проблема с контрола на въздушното движение? Как това се сравнява със скоростта на другите отбори във вашия клас?
2. Какви подобрения е определил вашият екип, че инженерите трябва да обмислят да добавят към радарния интерфейс? Какви проблеми според вас биха решили тези инженерни подобрения?
3. Софтуерът и хардуерът, използвани в изчислителните системи и системите за данни, често се преработват. Избройте няколко примера във вашата класна стая или училище, които са се променили през последните няколко години? Какви проблеми смятате, че инженерите са се опитвали да решат чрез новия си дизайн?
4. Обсъдете като екип какво би било пътуването, ако всички поддържащи технологии и инженеринг бъдат премахнати. Опишете как би се променило пътуването във вашата страна по отношение на време, цена и комфорт.
5. Как иначе би могло да се контролира въздушното движение? Помислете за използването на глобални системи за позициониране, прости визуални контроли и други методи. Коя система или комбинация от настоящи системи смятате за най -безопасна?

Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.

Технология на системата за управление на въздушното движение 

ATC Обяснено 

Контролът на въздушното движение (ATC) е услуга, предоставяна от наземни контролери, които насочват въздухоплавателните средства на земята и във въздуха. Основната задача на контролера е да отдели определени въздухоплавателни средства - да предотврати приближаването им твърде близо един до друг чрез използване на странично, вертикално и надлъжно разделяне. Вторичните задачи включват осигуряване на подреден и бърз поток на трафика и предоставяне на информация на пилотите, като например времето, навигационна информация и NOTAMs (Известия до летците).  

Технологиите правят разлика 

Докато част от въздушното движение се управлява визуално, много технологии се използват в системите за управление на въздушното движение. Първичният и вторичният радар се използват за подобряване на „ситуационната осведоменост“ на контролера в определеното му въздушно пространство, тъй като всички видове самолети изпращат първични ехота с различни размери на екраните на контролерите, тъй като радарната енергия се отразява от кожите им и отговорът на самолета, оборудван с транспондер към вторични радарни разпити чрез даване на идентификационен номер, надморска височина и/или уникален позивен знак. Някои видове време също могат да се регистрират на екрана на радара. Тези входове, добавени към данни от други радари, са свързани с изграждането на въздушната обстановка. Някои основни обработки се извършват върху радарите, като изчисляване на земната скорост и магнитните курсове. Други съотношения с електронните полетни планове също са достъпни за контролерите на съвременните оперативни системи за показване.  

Как работи радарът 

Радарът е система, която използва електромагнитни вълни за идентифициране на обхвата, надморската височина, посоката или скоростта както на движещи се, така и на неподвижни обекти, като самолети, кораби, моторни превозни средства, метеорологични образувания и терен. Предавателят излъчва радиовълни, които се отразяват от целта и се откриват от приемник, обикновено на същото място като предавателя. Въпреки че върнатият радиосигнал обикновено е много слаб, радиосигналите могат лесно да бъдат усилени. Радарът се използва в много контексти, включително метеорологично откриване на валежи, контрол на въздушното движение, полицейско откриване на ускорен трафик и от военните. Терминът RADAR е въведен през 1941 г. като акроним за радиоразпознаване и обхващане. Това съкращение от американски произход замени използваното преди това британско съкращение RDF (което означава Radio Direction Finding). 

Измерване на разстояние 

Един от начините за измерване на разстоянието до обект е да се предаде кратък импулс на радиосигнал (електромагнитно излъчване) и да се измери времето, необходимо за връщане на отражението. Разстоянието е половината от продукта на времето за двупосочно пътуване (защото сигналът трябва да пътува до целта и след това обратно към приемника) и скоростта на сигнала. Тъй като радиовълните се движат със скоростта на светлината (186,000 300,000,000 мили в секунда или XNUMX XNUMX XNUMX метра в секунда), точното измерване на разстоянието изисква високоефективна електроника. Друга форма на радар за измерване на разстояние се основава на честотна модулация. Сравнението на честотите между два сигнала е значително по -точно, дори при по -стара електроника, отколкото синхронизирането на сигнала. Чрез промяна на честотата на върнатия сигнал и сравняване с оригинала разликата може лесно да бъде измерена. Тази техника може да се използва в радар с непрекъснати вълни и често се среща в самолетни радарни висотомери.  

Глобално покритие на радара 

Тъй като центровете за въздушно движение контролират голяма площ от въздушното пространство, те обикновено ще използват радар за дълги разстояния, който има способността да вижда самолети в радиус от 200 морски мили (370 км) от радарната антена. В системата на САЩ, на по -голяма надморска височина, над 90% от въздушното пространство на САЩ е покрито от радари и често от множество радарни системи. Един център може да изисква множество радарни системи за покриване на въздушното пространство, което им е отредено. Това води до наличието на голямо количество данни за контролера. За да се отговори на това, са проектирани системи за автоматизация, които консолидират радарните данни за контролера. Тази консолидация включва премахване на дублиращи се радарни връщания, гарантиране, че най -добрият радар за всяка географска област предоставя данните и показване на данните в ефективен формат. Някои доставчици на аеронавигационни услуги (напр. Airservices Australia, Аляска център и др.) Внедряват автоматично зависимо наблюдение-излъчване (ADS-B) като част от своите възможности за наблюдение. Тази нова технология преобръща концепцията за радар. Вместо радарно „намиране“ на цел чрез разпит на транспондера, ADS предава позицията на самолета няколко пъти в секунда. ADS има и други режими, като например режим „договор“, при който самолетът отчита позиция въз основа на предварително определен интервал от време. Това е важно, защото може да се използва там, където не е възможно да се локализира инфраструктурата за радарна система (например над вода). Компютърните радарни дисплеи сега са проектирани да приемат ADS входове като част от дисплея. С развитието на тази технология океанските процедури за УВД ще бъдат модернизирани, за да се възползват от предимствата на тази технология.  

Глобални съображения 

Глобалното управление на въздушното движение (GATM) е концепция за сателитна комуникация, навигация, наблюдение и управление на въздушното движение. Федералната авиационна администрация и Международната организация за гражданско въздухоплаване, специална агенция на Организацията на обединените нации, установиха стандартите на GATM, за да поддържат въздушното пътуване безопасно и ефективно във все по -претъпканото въздушно пространство в световен мащаб. По целия свят се полагат усилия за внедряване на новите технологии, които ще позволят на GATM ефективно да подпомага диспечерите на въздушното движение. Airservices Australia ADS-B инициативата е една от основните програми за внедряване в тази област.

• Система за управление на въздушното движение: Услуга, предоставяна от наземни диспетчери, които насочват самолетите на земята и във въздуха.
• Надморска височина: Височина над земята или над морското равнище.
• Ограничения: Ограничения с материал, време, размер на екипа и т.н.
• Критерии: Условия, на които дизайнът трябва да отговаря, като общия му размер и др.
• Инженери: изобретатели и решаващи проблеми на света. Двадесет и пет основни специалности са признати в инженерството (виж инфографиката).
• Процес на инженерно проектиране: Процесните инженери използват за решаване на проблеми. 
• Инженерни навици на ума (EHM): Шест уникални начина, по които инженерите мислят.
• Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
• Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
• Радар (радиооткриване и обхват): система, която използва електромагнитни вълни за идентифициране на обхвата, надморската височина, посоката или скоростта както на движещи се, така и на фиксирани обекти, като самолети, кораби, моторни превозни средства, метеорологични образувания и терен.

Интернет връзки

Симулатор на въздушно движение
Бъдещ полетен дизайн на НАСА
Командният център на системата за управление на въздушното движение
Слушайте диспечерите на въздушното движение на живо
Международната организация за гражданско въздухоплаване

Препоръчителна четене

Основи на контрола на въздушното движение (ISBN: 0534393888)
Организационна симулация (серия Wiley в системното инженерство и управление) (ISBN: 0471681636) 

Писателска дейност

Напишете есе или параграф за това как мислите, че инженерните разработки в контрола на въздушното движение са повлияли на световната икономика. Помислете за възможността повече хора и предмети да пътуват по -ефективно.

Привеждане в съответствие с учебните програми

Забележка: Плановете за уроци от тази поредица са съобразени с един или повече от следните набори от стандарти:  

• Стандарти за научно образование в САЩ (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Научни стандарти на САЩ от следващо поколение (http://www.nextgenscience.org/) 
• Стандарти на Международната асоциация по технологично образование за технологична грамотност (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Принципите и стандартите за училищна математика на Националния съвет на учителите по математика на САЩ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Американски общи основни държавни стандарти за математика (http://www.corestandards.org/Math)
• Асоциация на учителите по компютърни науки K-12 Стандарти за компютърни науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• Способности, необходими за извършване на научни изследвания 
• Разбиране за научното изследване 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

• Движения и сили 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейности в 5-8 клас всички ученици трябва да се развиват

• Способности за технологичен дизайн 
• Разбиране за науката и технологиите 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Наука и технологии в обществото

Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• Способности, необходими за извършване на научни изследвания 
• Разбиране за научното изследване 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• Способности за технологичен дизайн 
• Разбиране за науката и технологиите 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства 

Научни стандарти от следващо поколение 3-5 степени (на възраст 8-11)

Енергия

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• 4-PS3-1. Използвайте доказателства, за да изградите обяснение, свързващо скоростта на обекта с енергията на този обект.

Научни стандарти от следващо поколение 3-5 степени (на възраст 8-11)

Инжинерен дизайн 

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• 3-5-ETS1-1. Определете прост проблем при проектирането, отразяващ нужда или желание, който включва определени критерии за успех и ограничения върху материалите, времето или разходите.
• 3-5-ETS1-2.Генерирайте и сравнете множество възможни решения на проблем въз основа на това доколко всеки от тях отговаря на критериите и ограниченията на проблема.
• 3-5-ETS1-3. Планирайте и провеждайте справедливи тестове, при които променливите се контролират и точките на повреда се считат за идентифициране на аспекти на модел или прототип, които могат да бъдат подобрени.

Научни стандарти от следващо поколение 6-8 степени (на възраст 11-14)

Инжинерен дизайн 

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• MS-ETS1-2 Оценявайте конкурентни дизайнерски решения, като използвате систематичен процес, за да определите колко добре отговарят на критериите и ограниченията на проблема.

Научни стандарти от следващо поколение 9-12 степени (на възраст 14-18)

Инжинерен дизайн

• HS-ETS1-4. Използвайте компютърна симулация, за да моделирате въздействието на предложените решения на сложен проблем от реалния свят с множество критерии и ограничения върху взаимодействията в и между системите, свързани с проблема.

Принципи и стандарти за училищна математика (на възраст 11 - 14)

Числа и операции   

• Изчислете плавно и направете разумни оценки   
• Разработване, анализ и обяснение на методи за решаване на проблеми, включващи пропорции, като мащабиране и намиране на еквивалентни съотношения.

алгебра   

• Използвайте математически модели за представяне и разбиране на количествени връзки.   
• Моделирайте и решавайте контекстуализирани проблеми, като използвате различни представи, като графики, таблици и уравнения.

Измерване   

• Прилагайте подходящи техники, инструменти и формули за определяне на измерванията.
• Решете прости проблеми, включващи скорости и измервания за такива атрибути като скорост и плътност.

Решаване на проблеми   

•   Решаване на проблеми, които възникват в математиката и други контексти. 
•   Прилагайте и адаптирайте различни стратегии за решаване на проблеми. 

Принципи и стандарти за училищна математика (на възраст 11 - 14) (продължение)

Връзки   

• Признават и прилагат математиката в контексти извън математиката.

Представителство   

• Изберете, приложете и преведете между математически представи за решаване на проблеми.
• Използвайте представяне, за да моделирате и интерпретирате физически, социални и математически явления.

алгебра   

• Анализирайте промените в различни контексти.
• Приблизително и тълкуване на скоростта на промяна от графични и числени данни. 

Решаване на проблеми   

• Решаване на проблеми, които възникват в математиката и други контексти.
• Прилагайте и адаптирайте различни стратегии за решаване на проблеми.

Връзки   

• Признават и прилагат математиката в контексти извън математиката. 

Представителство   

• Изберете, приложете и преведете между математически представи за решаване на проблеми. 

Общи основни държавни стандарти за училищна математика: Съдържание (на възраст 10-14)

Съотношения и пропорционални отношения

• Анализирайте пропорционалните отношения и ги използвайте за решаване на реални и математически задачи.
• CCSS.Math.Content.7.RP.A.1 Изчислете единични скорости, свързани със съотношения на фракции, включително съотношения на дължини, площи и други величини, измерени в подобни или различни единици. Например, ако човек върви 1/2 мили на всеки 1/4 час, изчислете единичната скорост като сложна фракция 1/2/1/4 мили в час, еквивалентно 2 мили в час.

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти

Природата на технологиите

• Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията.
• Стандарт 2: Студентите ще развият разбиране за основните концепции на технологията.
• Стандарт 3: Студентите ще развият разбиране за връзките между технологиите и връзките между технологиите и други области на обучение.

Технология и общество

• Стандарт 4: Студентите ще развият разбиране за културните, социалните, икономическите и политическите ефекти на технологиите.
• Стандарт 6: Учениците ще развият разбиране за ролята на обществото в развитието и използването на технологиите.

Дизайн

• Стандарт 9: Студентите ще развият разбиране за инженерния дизайн.
• Стандарт 10: Студентите ще развият разбиране за ролята на отстраняване на неизправности, изследвания и разработки, изобретения и иновации и експериментиране при решаването на проблеми.

Способности за един технологичен свят

• Стандарт 12: Учениците ще развият способности да използват и поддържат технологични продукти и системи.
• Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.

Проектираният свят

• Стандарт 17: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват информационни и комуникационни технологии.
• Стандарт 18: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват транспортни технологии.

• арабски
• Китайски
• Френски
• Немски
• японски
• Руски
• испански