Измерване на вятъра

Строителни материали (за всеки екип)

Необходими материали (Търговия/Таблица на възможностите)

• Алуминиево фолио
• Пластмасови/хартиени/стиропорени чаши
• Низ
• Огъваема тел (т.е. цветна или занаятчийска тел)
• сламки
• Дървени занаятчийски пръчици
• Малки дървени лъжици
• Малки парчета дърво (балса)
• Кламери
• Гумени ленти
• Клечки за зъби
• Картон
• Пластмасова опаковка

Материали за тестване

• Сешоар или вентилатор с 3 настройки на скоростта (или ако сте във ветровита среда, тестването може да завърши навън)
• Графична хартия

Design Challenge

Вие сте екип от инженери, на които е дадено предизвикателството да проектират и изработят свой собствен анемометър от ежедневни материали. Вие също трябва да разработите система за измерване и записване на скоростта на вятъра, както е посочено от вашия анемометър.

Критерии

• Горната част трябва да може да се движи свободно, без да се съпротивлява на въртене или бързо завъртане.
• Трябва да може да поддържа вятъра, генериран от вентилатор или сешоар при различни скорости
• Трябва да има начин за измерване и нанасяне на графики при различни скорости на вятъра

Ограничения

• Използвайте само предоставените материали.
• Екипите могат да търгуват с неограничени материали.

1. Разбийте класа на екипи от 2-3.
2. Раздайте работния лист „Измерване на вятъра“, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
3. Обсъдете темите в раздела Основни понятия. Помислете да попитате учениците дали искат да направят дизайн с 4 или 3 чаши и защо. Те ще трябва да определят каква скала ще използват за измерване на скоростта на вятъра.
4. Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
5. Предоставете на всеки екип своите материали.
6. Обяснете, че учениците трябва да проектират и изработят свой собствен работен анемометър от ежедневни материали и че екипът трябва да разработи система за измерване и записване на скоростта на вятъра, както е посочено от техния анемометър
7. Обявете времето, необходимо за проектиране и изграждане (препоръчително 1 час).
8. 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.
9. Учениците се срещат и разработват план за своя анемометър. Те се договарят за материалите, които ще им трябват, пишат/рисуват своя план и представят плана си пред класа. Екипите могат да търгуват неограничени материали с други екипи, за да разработят своя списък с идеални части.
   ● Учениците вероятно ще измерват броя на оборотите на своя анемометър, така че може да се наложи да предположите, че една от чашите или уловците на вятър е с различен цвят от останалите за по -лесно отброяване на оборотите.
   ● Горната част трябва да може свободно да се движи без съпротива при завъртане или бързо завъртане. Използването на сламка или заострен предмет, върху който горната част ще се завърти или завърти, е от съществено значение.
   ● Студентите може да пожелаят да разработят дизайн с четири чаши, дизайн с три чаши или да измислят нов дизайн. Променяйте това предизвикателство за по -малките ученици.
10. Екипите изграждат своя дизайн.
11. Използвайки вентилатор или сешоар, тествайте анемометъра на всеки екип 3 различни пъти при 3 различни скорости на вятъра (ниска, средна, висока). По време на всяко изпитване екипите трябва да документират скоростта на вятъра, измерена с анемометъра (въз основа на ротации) и средната скорост на вятъра.
    След това, използвайки графична хартия, екипите трябва да нарисуват диаграма, която показва как скоростта на вятъра, измерена чрез анемометъра, се увеличава с увеличаване на скоростта на вентилатора или сешоара. За графиката трябва да се използват средните скорости на вятъра.
12. Използвайки графична хартия, екипите изготвят диаграма, която показва как скоростта на вятъра, измерена чрез анемометъра, се увеличава с увеличаването на скоростта на вентилатора или сешоара. Те трябва да използват средната си скорост на вятъра за графиката.
13. Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
14. За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

1. Успяхте ли да създадете анемометър, който измерва трите различни скорости на „вятър“? Ако не, защо се провали?
2. Решихте ли да преразгледате първоначалния си дизайн или да поискате допълнителни материали, докато сте на фаза строителство? Защо?
3. Открихте ли, че показанията от един от вашите тестове може да са довели до голяма промяна в средното ви отчитане за тази скорост на вятъра?
4. Ако вашият анемометър е бил използван за тестване на място, за да се види дали би било добро място за инсталиране на вятърна турбина, за да се използва вятърната енергия, мислите ли, че три теста на настройка на скоростта биха били достатъчни за генериране на надеждна средна стойност? Ако не, колко теста според вас биха били подходящи?
5. Ако можехте да имате достъп до материали, които са различни от предоставените, какво би поискал екипът ви? Защо?
6. Смятате ли, че инженерите трябва да адаптират първоначалните си планове по време на изграждането на системи или продукти? Защо биха могли?
7. Ако трябваше да го направите отново, как ще се промени планираният ви дизайн? Защо?
8. Какви дизайни или методи видяхте от други екипи, които смятате, че работят добре?
9. Защо мислите, че дизайнът на анемометрите се е променил толкова много с течение на времето?
10. Избройте три други части оборудване, които са преработени с течение на времето, за да се подобри функционалността.

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.

• Анемометър: Устройство, което се използва за измерване на скоростта на вятъра и е един инструмент, използван в метеорологична станция.
• 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.
• Анемометър с четири чаши: Включва четири чаши, които бяха монтирани в единия край на четири хоризонтални рамена, които бяха прикрепени под ъгъл от 90 градуса една към друга на вертикален вал. Вятърът, който духа хоризонтално, ще завърти чашите със скорост, пропорционална на скоростта на вятъра.
• Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
• Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
• Звуков анемометър: Използвайте ултразвукови звукови вълни за измерване на скоростта и посоката на вятъра.
• Анемометър с три чаши: Проектиран за подобряване на точността и особено в среди, където вятърът може да се промени бързо или неочаквано.

Интернет връзки

• Национална лаборатория за възобновяема енергия - Вятърни изследвания
• Институт и музей на историята на науката, Флоренция, Италия

Препоръчителна четене

• Вятърна енергия - фактите: Ръководство за технологиите, икономиката и бъдещето на вятърната енергия от Европейската асоциация за вятърна енергия (ISBN: 1844077101)
• Вятърна енергия в застроената среда (ISBN: 0906522358)

Писателска дейност

Напишете есе за това защо едно летище може да има няколко анемометри на различни височини, за да предостави информация на летищните администратори?

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 К-4 клас (на възраст 4-9)

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 научните изследвания 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Положение и движение на обекти 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ D: Наука за Земята и Космоса

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

• Промени в земята и небето 

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 местните предизвикателства 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Науката като човешко начинание 

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

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

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

• Движения и сили 
• Прехвърляне на енергия 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

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

• Способности за технологичен дизайн 

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 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• История на науката 

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

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки 

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

• Движения и сили 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ D: Наука за Земята и Космоса

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

• Енергия в земната система 

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 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Исторически перспективи 

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

Движение и стабилност: Сили и взаимодействия

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• 3-PS2-1. Планирайте и проведете разследване, за да предоставите доказателства за въздействието на балансирани и небалансирани сили върху движението на обект. 

Енергия

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

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

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.

Напред Научни стандарти за поколение 6-8 клас (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)

Енергия

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• HS-PS3-3. Проектирайте, изградете и усъвършенствайте устройство, което работи в рамките на определени ограничения, за да преобразува една форма на енергия в друга.

Принципи и стандарти за училищна математика

Брой и операционен стандарт

• Разберете числата, начините за представяне на числата, връзките между числата и числовите системи

Анализ на данните и стандарти за вероятност 

• Формулирайте въпроси, които могат да бъдат адресирани с данни и събирайте, организирайте,
  и показва съответните данни, за да им отговори.

Общи основни държавни стандарти за училищна математика 2-8 клас (на възраст 7-10)

геометрия

• Графични точки на координатната равнина за решаване на реални и математически задачи.
• CCSS.Math.Content.5.GA2 Представете реалния свят и математическите проблеми чрез начертаване на точки в първия квадрант на координатната равнина и интерпретирайте координатните стойности на точките в контекста на ситуацията.

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти

Природата на технологиите

• Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата 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 5: Учениците ще развият разбиране за въздействието на технологиите върху околната среда.

Дизайн

• Стандарт 8: Студентите ще развият разбиране за характеристиките на дизайна.
• 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 11: Учениците ще развият способности да прилагат процеса на проектиране.

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