Предизвикателство Водна кула
Този урок се фокусира върху съхранението на вода и как инженерството помага на общностите да запазят и доставят вода на населението. Студентите работят в екипи, за да проектират и изградят водна кула от ежедневни материали, които могат да „доставят“ и „изключват“ вода, ако е необходимо.
- Научете за инженерния дизайн и редизайн.
- Научете за системите за подаване на вода.
- Научете как инженерството може да помогне за решаване на предизвикателствата пред обществото.
- Научете за екипната работа и решаването на проблеми.
Възрастови нива: 8 - 18
Строителни материали (за всеки екип)
Необходими материали
- 50 пластмасови/хартиени сламки
- 50 почистващи тръби
- 25 кламери
Тестови материали (на екип)
- 1 топка за голф или топка с подобен размер/тегло
Материали (на екип)
- 1 топка за голф или топка с подобен размер/тегло
Процес
Тествайте здравината на всяка конструкция, като поставите топката върху кулата в точка не повече от 20% под горната височина на кулата.
Научете как работи водна кула с помощта на налягане. (Видео 2:20)
https://www.youtube.com/watch?v=ZI8WOzqHl7w
Източник: YouTube канал на City of Bloomington MN
Вижте картинна обиколка на топ 10 на най-яките водни кули в света. (Видео 2:11)
https://www.youtube.com/watch?v=FYxkJnDgK9s
Източник: всички Топ десет канала в YouTube
Вие сте екип от инженери, на които е поставено предизвикателството да разработите водна кула от ежедневни материали, която може да „доставя“ и „затваря“ вода, ако е необходимо. Водната кула трябва да може контролирано да доставя вода или заместител на водата до хартиена чаша, която е на разстояние около 36 инча/90 см.
Критерии
- Трябва да може да доставя вода или заместител на водата в хартиена чаша, която е на разстояние около 36 инча/90 см по контролиран начин.
- Трябва да може да спре и започне потока от „вода“, за да напълни чашата до половината.
Ограничения
- Може да използва само предоставените материали.
- Неизползваните строителни материали могат да се споделят или търгуват с други отбори.
- Разбийте класа на екипи от 2-4.
- Раздайте работния лист Водна кула Challenge, както и няколко листа хартия за скициране на проекти.
- Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“.
- Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите. Ако времето позволява, прегледайте „Приложения в реалния свят“, преди да започнете предизвикателството за проектиране.
- Преди да инструктирате учениците да започнат мозъчна атака и да скицират своите дизайни, помолете ги да обмислят следното:
- Как вашият дизайн ще спре и започне водния поток
- Формата на резервоара на вашата кула
- Как работи водна кула, използвайки хидростатично налягане
- Предоставете на всеки екип своите материали.
- Обяснете, че учениците трябва да разработят водна кула от ежедневни предмети. Водната кула трябва да може контролирано да доставя вода или заместител на водата до хартиена чаша, която е на разстояние около 36 инча/90 см. Трябва да можете да спрете и стартирате потока от „вода“, за да напълните чашата до половината.
- Обявете времето, необходимо за проектиране и изграждане (препоръчително 1 час).
- 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.
- Учениците се срещат и разработват план за своята водна кула. Те се договарят за материалите, от които ще се нуждаят, пишат/начертават плана си и го представят на класа. Екипите могат да търгуват неограничени материали с други екипи, за да разработят своя списък с идеални части.
- Екипите изграждат своя дизайн.
- Тествайте дизайна на водната кула, като демонстрирате как тяхната водна кула доставя вода или заместител на водата в хартиена чаша в рамките на определените критерии.
- Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
- За повече съдържание по темата вижте разделите „Приложения в реалния свят“ и „Копаене по -дълбоко“.
Вариация
Накарайте учениците да тестват своите дизайни, за да видят дали са мащабируеми чрез удвояване и утрояване на разстоянието от източника на вода до чашата.
Отражение на ученика (инженерна тетрадка)
- Колко сходен беше вашият първоначален дизайн с действителната водна кула, която вашият екип построи?
- Ако установите, че трябва да направите промени по време на строителната фаза, опишете защо вашият екип реши да направи ревизии.
- Коя водна кула, направена от друг екип, ви беше най-интересна? Защо?
- Смятате ли, че тази дейност е по-възнаграждаваща да се извършва като екип или бихте го направили предпочитате да работите сами по него? Защо?
- Ако можехте да използвате един допълнителен материал (тиксо, лепило, дървени пръчици, фолио — като примери) кое бихте избрали и защо?
- Смятате ли, че вашият дизайн е мащабируем? Щеше ли да работи ефективно, ако чашата беше 360 инча или 900 см от водоизточника? Защо? Защо не?
Модификация на времето
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.
Какво е водна кула?
Водна кула е голям повдигнат контейнер за съхранение на питейна вода, който е проектиран да поддържа безопасно водоснабдяване на височина, достатъчна за херметизиране на водоразпределителна система. Тя трябва да бъде достатъчно голяма, за да снабди жителите на дадена общност или сграда с вода, както и да поддържа качеството на водата, която се съхранява и доставя. Има много проекти за водни кули по целия свят.
Някои са се превърнали в забележителности и са украсени причудливо. В определени райони, като големи градове, се изграждат по-малки водни кули за отделни сгради. Ранните водни кули често са проектирани като част от сграда. Как изглежда тази във вашия град?
Какво е хидростатично налягане?
Хидростатичното налягане е налягането, упражнявано от течност в равновесие поради силата на гравитацията. Именно налягането на водата принуждава водата да тече през тръбите в домовете. Ако налягането не е достатъчно силно, водата няма да бъде доставена или ще бъде доставена твърде слабо, за да е достатъчна за някои приложения като противопожарни маркучи или душове. Колкото по-висок е резервоарът и колкото по-голям е резервоарът, толкова по-голямо налягане и сила ще има водата. Понякога се използват и помпи за изтласкване на вода през системата за подаване на вода, особено в пиковите часове на употреба. Когато инженерите проектират водна кула, те знайте, че всеки вертикален фут добавя 43 паунда на квадратен инч към водното налягане. (Забележка: 1 psi се равнява на 6,894.76 паскала.) Повечето градове регулират водното налягане между петдесет и сто паунда на квадратен инч, така че просто уравнение им казва колко висока да построят кулата.
Изграждане на водна кула
За изграждането на водни кули се използват широка гама от материали — включително стомана и стоманобетон, с вътрешно покритие за защита на водата от всякакви въздействия от строителния материал. Резервоарът в кулата може да има различни форми и те обикновено имат минимална височина приблизително 6 метра (20 фута) и минимум 4 м (13 фута) в диаметър. Повечето водни кули са с височина около 40 м (130 фута). Илюстрацията вдясно показва: 1. Помпена станция за изтласкване на вода във водата, 2. Резервоар за задържане на водата и 3. Примери за как водата може да се използва в дом, офис или жилищна сграда.
Пестене на вода
Докато обмисляте водоснабдителната система на вашия град, помислете за многото начини, по които домовете и предприятията биха могли да пестят вода и да намалят количеството вода, което градът трябва да осигури. Ето няколко идеи:
- Водопроводни модификации: инсталирайте вътрешни водопроводни инсталации, които пестят вода или заменете съществуващото водопроводно оборудване с оборудване, което използва по-малко вода. Добър пример е тоалетна с ниско промиване, която изисква около една трета от водата, необходима на конвенционалните тоалетни. Друг пример е душ с ниска струя. Душовете представляват около 20 процента от общата употреба на вода на закрито, а главите с нисък поток използват около половината вода от конвенционалните душове. Или помислете за инсталиране на аератори за кранове, които разбиват течащата вода на фини капчици и смесват въздуха във водата, като същевременно поддържат ефективността на овлажняване.
- Поддръжката на тревата и ландшафта е област, в която домовете и предприятията използват големи количества вода, особено в райони с малко валежи. Един метод за опазване на водата в озеленяването е да се изберат растения, които се нуждаят от малко вода.
- Промяна на поведението при използване на вода
- Има много начини да пестите вода в домовете и предприятията... ето няколко идеи:
- Пускайте съдомиялната само когато е пълна. Ако съдовете се мият на ръка, водата може да се спести чрез напълване на мивката или съда с вода, вместо да тече водата непрекъснато.
- Спиране на крана по време на миене на зъби или бръснене.
- Вземете по-къси душове.
- В пералното помещение регулирайте нивата на водата в пералнята, за да съответства на размера на прането. Или пускайте машината само когато е пълна.
- Ако трябва да поливате морава, правете го рано сутрин или късно вечер и в по-хладните дни, когато е възможно, за да намалите изпарението.
- Има много начини да пестите вода в домовете и предприятията... ето няколко идеи:
- 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.
- Хидростатично налягане: Налягане, упражнявано от течност в равновесие поради силата на гравитацията. Именно налягането на водата принуждава водата да тече през тръбите в домовете.
- Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
- Питейна вода: Подходяща или подходяща за пиене.
- Налягане: Упражняване на постоянна сила върху повърхност.
- Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
- Помпена станция: Къща, в която са инсталирани и експлоатирани помпи.
- Резервоар: Място, където се съхраняват големи количества вода.
- Мащабируем: Възможност за лесно разширяване или надграждане при поискване.
- Водоразпределителна система: Част от водоснабдителната мрежа с компоненти, които пренасят питейна вода от централизирана пречиствателна станция или кладенци до потребителите на вода.
- Водна кула: Голям повдигнат контейнер за съхранение на питейна вода, който е проектиран да поддържа безопасно водоснабдяване на височина, достатъчна за херметизиране на водоразпределителна система.
Интернет връзки
Препоръчителна четене
- Водни кули (ISBN: 978-0262022774)
- Дизайн за вода: Събиране на дъждовна вода, събиране на дъждовна вода и алтернативно повторно използване на водата (ISBN: 978-0865715806)
Писателска дейност
Напишете есе или абзац за екологичните предизвикателства пред дизайна на водна кула. Помислете как времето, топографията, населението на даден район или други фактори могат да повлияят на дизайна на нова водна кула.
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
- Свойства на предмети и материали
- Положение и движение на обекти
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
- Видове ресурси
- 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 А: Науката като запитване
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности, необходими за извършване на научни изследвания
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
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Население, ресурси и среда
- Наука и технологии в обществото
Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Науката като човешко начинание
- История на науката
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
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Движения и сили
- Спестяване на енергия и увеличаване на разстройството
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
- Лично и обществено здраве
- Природни ресурси
- 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
- Науката като човешко начинание
- Исторически перспективи
Научни стандарти от следващо поколение 2-5 степени (на възраст 7-11)
Материята и нейните взаимодействия
Учениците, които демонстрират разбиране, могат:
- 2-PS1-2. Анализирайте данните, получени при тестване на различни материали, за да определите кои материали имат свойства, които са най -подходящи за определена цел.
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.
Научни стандарти от следващо поколение 2-5 степени (на възраст 7-11)
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.
Научни стандарти от следващо поколение 2-5 степени (на възраст 7-11)
Инжинерен дизайн
Учениците, които демонстрират разбиране, могат:
- 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-ETS1-1. Определете критериите и ограниченията на проектния проблем с достатъчна прецизност, за да осигурите успешно решение, като вземете предвид съответните научни принципи и потенциалното въздействие върху хората и природната среда, което може да ограничи възможните решения.
- MS-ETS1-2 Оценявайте конкурентни дизайнерски решения, като използвате систематичен процес, за да определите колко добре отговарят на критериите и ограниченията на проблема.
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 4: Студентите ще развият разбиране за културните, социалните, икономическите и политическите ефекти на технологиите.
- Стандарт 5: Учениците ще развият разбиране за въздействието на технологиите върху околната среда.
- Стандарт 6: Учениците ще развият разбиране за ролята на обществото в развитието и използването на технологиите.
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.
- Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.
Инженерна работа в екип и планиране
Вие сте част от екип инженери, изправени пред предизвикателството да разработите своя собствена водна кула, която може да достави вода в хартиена чаша, която е на около 36 инча или 90 см далеч по контролиран начин. Това означава, че трябва да можете да спрете и да стартирате потока и да напълните чашата само наполовина. Ще ви бъде даден набор от елементи, с които да изградите, но първо проектирайте системата си на хартия, след това я изградете и тествайте. Ще разсъждавате върху опита и ще представите дизайна си на вашия клас.
Фаза на изследване
Прочетете материалите, предоставени ви от вашия учител. Ако имате достъп до интернет, разгледайте системата за доставка на вода във вашия град и вижте как инженерите са проектирали вашата местна водна кула.
Фаза на планиране и проектиране
Инженерите са изградили много различни проекти за водни кули, но всички те постигат една и съща цел да доставят вода по контролиран начин до домовете и бизнеса. Сега е ваш ред! В пространството по -долу или на отделен лист хартия нарисувайте подробна диаграма, показваща плана за вашата водна кула.
|
Материали, от които ще се нуждаете:
|
Фаза на представяне
Представете своя план и рисунка на класа и обмислете плановете на други екипи. Може да искате да настроите своя собствен дизайн.
Изградете го! Тествайте го!
След това изградете вашата кула и я тествайте. Можете да споделяте неизползвани строителни материали с други екипи и да търгувате също. Не пропускайте да наблюдавате какво правят другите екипи и обмислете аспектите на различните дизайни, които биха могли да подобрят плана на вашия екип.
Размисъл
Попълнете въпросите за размисъл по -долу:
1) Доколко вашият първоначален дизайн е подобен на действителната водна кула, построена от вашия екип?
2) Ако сте установили, че трябва да направите промени по време на строителната фаза, опишете защо вашият екип реши да направи ревизии.
3) Коя водна кула, направена от друг екип, беше най -интересна за вас? Защо?
4) Смятате ли, че тази дейност е по -полезна като екип или бихте предпочели да работите сами по нея? Защо?
5) Ако можехте да използвате един допълнителен материал (лента, лепило, дървени пръчки, фолио - като примери) кой бихте избрали и защо?
6) Смятате ли, че вашият дизайн е мащабируем? Би ли работила ефективно, ако чашата беше на 360 инча или 900 см от източника на вода? Защо? Защо не?