Подредете го!

Този урок се фокусира върху инженеринга зад процесите на промишлено сортиране. Учениците работят в екипи, за да проектират и изграждат система за сортиране на различни по големина монети за опаковане.

Научете за инженерната система.
Научете за процесите на производство на монети.
Научете за работата в екип и работата в групи.

Възрастови нива: 8-18

Материали и подготовка

Строителни материали (за всеки екип)

Необходими материали (Таблица на възможностите)

Лепило
лента
Хартиени или пластмасови чинии
Картон
Ножици или перфоратор
фолио
Картонени тръби (хартиена кърпа или тоалетна хартия)
Парчета дърво (по избор)

Материали за тестване

Чанта с монети с различни размери (по 10 от всяка)
Устройство за събиране (хартиена чаша, малка кутия, пластмасова торба, хартиена торба)

Изпитващи материали и процес

материали

Чанта с монети с различни размери
Устройство за събиране (хартиена чаша, малка кутия, пластмасова торба, хартиена торба)

Процес

Системите на екипите се тестват, като учителят се придвижва от система в система и поставя 10 от всяка монета. Учениците трябва да обяснят как работят техните системи, така че да е ясно как и къде трябва да се поставят монетите.

Екипите записват колко монети са правилно сортирани в отделни контейнери (кутии, торби, чаши).

Предизвикателство на инженерния дизайн

Design Challenge

Вие сте екип от инженери, работещи в монетен двор, които са изправени пред предизвикателството да разработят система за сортиране на различни монети, произведени във вашето съоръжение.

Критерии

Трябва да сортирате монети с различни размери в контейнер за събиране.

Ограничения

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

Инструкции и процедури за дейност

Разбийте класа на екипи от 2-3.
Раздайте работния лист „Сортиране“, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни. Ако е възможно, дайте на учениците време да посетят уебсайтовете на различни монетни дворове по целия свят и по -специално виртуалната обиколка на Монетния двор на САЩ.
Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“.
Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
Предоставете на всеки екип своите материали.
Обяснете, че учениците трябва да разработят система за сортиране на различни монети.
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 своя сортировчик. 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.
Екипите изграждат своя дизайн.
Системите на екипите се тестват, като учителят се придвижва от система в система и поставя 10 от всяка монета. Учениците трябва да обяснят как работят техните системи, така че да е ясно как и къде трябва да се поставят монетите. Екипите записват колко монети са правилно сортирани в отделни контейнери (кутии, торби, чаши).
Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

Съвети

Има много начини за сортиране на монетите. Най -добре е да оставите студентите да измислят свои собствени решения, които също да ги изложат на процесите на преговори и работа в екип - всички те са част от ежедневието на инженер.

Може да се използва рампа с отвори, малко по -големи от всяка монета, изрязана в картон или дървена основа - по -малките дупки са в горната част, така че по -малките монети се сортират първо. При този метод ъгълът на рампата ще определи дали монетите се движат надолу с достатъчно бавна скорост, за да бъдат хванати в дупките (твърде близо до вертикалното ще доведе до преместване на монетите твърде бързо, за да бъдат хванати в дупките; твърде хоризонтално наклонът ще накара монетите да се хванат и да не се движат надолу).

Друг метод е използването на гравитацията чрез поставяне на серия от висящи пластмасови или хартиени чинии, предварително изрязани с дупки, през които да пропадат монети. В тази система по -големите отвори за монети ще бъдат в горните плочи, с най -малките в долната част. Чрез леко разклащане или накланяне на плочите, така че монетите да падат от една на друга, монетите ще се подредят.

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

Успяхте ли да създадете система, която успешно сортира някои монети? Ако не, защо се провали?
Какъв процент от тестовите монети са правилно сортирани? Как това се сравнява с вашата прогноза? Какво според вас е причинило някаква разлика?
Какъв процент грешки според вас е приемлив за съоръжения за сечене на истински монети?
Какъв процент грешки според вас е приемлив за фирмите за производство на лекарства? Какви въпроси за безопасност трябва да вземете предвид тук?
Какъв процент грешки според вас е приемлив за производителите на нокти?
Трябваше ли да препроектирате системата си на етапа на изграждане? Какво липсваше на оригиналния ви рисуван дизайн?
Ако трябваше да го направите отново, как ще се промени планираната ви система? Защо?
Смятате ли, че инженерите трябва да адаптират първоначалните си планове по време на производствения процес? Защо биха могли?
Какви дизайни или методи видяхте от други екипи, които смятате, че работят добре?
Открихте ли, че във вашата класна стая има много дизайни, които отговарят на целта на проекта? Какво ви казва това за инженерните системи в реалния свят?
Мислите ли, че бихте могли да завършите този проект по -лесно, ако работите сами?

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.

Процес на инженерно проектиране

Основни концепции

Процеси на сечене и сортиране

Отделно и Сортиране

Различните задачи за сортиране са от съществено значение в индустриалните процеси. Например, по време на извличането на злато от руда, устройство, наречено шейкър маса, използва гравитацията, вибрациите и потока, за да отдели златото от по -леките материали в рудата (сортиране по размер и тегло).

Сеченето

Монетен двор е съоръжение, което произвежда монети за валута. В началото единственият избор бяха чукането на монети или леенето на монети. В по -съвременните монетни дворове щанците за монети се произвеждат в голям брой, а планшетите се правят на монети от милиардите.

Всеки град-държава в древна Гърция имаше свой собствен монетен двор. Римските монетни дворове са били разпространени в цялата империя и са били използвани широко за пропагандни цели. Един от начините, по които хората знаеха, че има нов император, беше, когато сечеше монети с неговия (или нейния) портрет. Много от императорите, които управляваха само за много кратко време, се увериха, че са получили своя портрет на някои монети. Quietus, например, управляваше само част от империята от 260-261 г. сл. Хр., Но издава няколко монети с неговия образ.

Знаеше ли?

За дадена година Монетният двор на САЩ произвежда между 14 и 28 милиарда монети в обращение. От 2004 г. всеки ден секат 65 до 80 милиона монети.
От откриването си през 1965 г. Австралийският монетен двор е произвел над единадесет милиарда монети в обращение и има капацитет да произвежда над два милиона монети на ден или над шестстотин милиона монети годишно.
В Обединеното кралство най -новите преси на Royal Mint могат да ударят повече от 700 монети в минута, което прави невъзможно човешкото око да отдели отделните парчета, докато преминават през пресата.
Монетният двор на Уинипег е централата на канадското производство на големи монети. Тук технологично напредналите процеси и оборудване произвеждат до 15 милиона нанесени монети всеки ден за канадско и чуждестранно обращение.

Производствени стъпки

По-голямата част от производството на монети започва с пристигането на намотки-навити ленти от плосък метал. Намотките са широки около метър, дълги 1500 фута и дебели колкото крайната дебелина на монетата. Всяка намотка тежи близо 6,000 паунда.
След изрязване на партида заготовки, останалият метал (ленти) се отрязва и събира в кошче. Чрез рециклиране на лентата, за да се направи нова монетна лента, ние гарантираме, че материалът не се губи.
Всеки ред щамповащи преси обикновено работи със същата номинална стойност на монетата със сила на пресоване, коригирана спрямо здравината на метала. Сензорите могат да скринират и откриват дефектни монети. Размерът, твърдостта на плаката, сложността на дизайна и релефа определят силата, необходима за удара. В системата на САЩ монетите от златен долар изискват най -голяма сила, а стотинките изискват най -малка сила.
Ако грешка в теглото или дизайна бъде идентифицирана от проектирана система за контрол на качеството, те се сортират от добрите монети и се изпращат до машини за унищожаване на монети, наречени вафли. Тези машини използват две ролки с високо налягане, за да отпечатат гребен в метала. Изкривен и осакатен, металът губи номинална стойност. Въпреки това, той се рециклира за бъдеща употреба.
Ако монетите преминат проверка, операторът дърпа лоста на капана. Това изхвърля монетите върху конвейер, който ги транспортира до зоната за броене и пакетиране.
pszabo-bigstock.com

Автоматична машина за броене, снабдена със сензор, който открива правилните продукти, брои монетите и ги пуска в големи торби. Напълнените торбички за монети се претеглят на кантар, за да се гарантира, че съдържанието е правилно опаковано.
Торбите се затварят затворени, натоварват се върху палети и се качват с мотокари до трезорите за съхранение, където остават в инвентара, докато е необходимо в обращение.

Dig Deeper

Интернет връзки

Препоръчителна четене

Историята на парите (ISBN: 0609801724)
Производство, инженерство и технологии (ISBN: 0131489658)

Писателска дейност

Напишете есе или параграф за инженерното въздействие, когато дадена държава реши да промени външния вид или материалното съдържание на валута на монета. Напишете есе за това как инженерите включват системи за борба с фалшифицирането в производството на монети.

Подравняване на учебните програми

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

Наука и технологии в местните предизвикателства

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 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 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
Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства

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 свойствата, 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.

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 клас (на възраст 11-14)

Инжинерен дизайн

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 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.
Стандарт 7: Учениците ще развият разбиране за влиянието на технологиите върху историята.

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 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 19: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват производствени технологии.

Студентски работен лист

Фаза на проучване/подготовка

Прегледайте различните студентски справочници и, ако е възможно, посетете уебсайтовете на различни монетни дворове.

Планиране като екип

Вашият екип е снабден с някои „строителни материали“ от вашия учител. Имате лепило, лента, хартиени или пластмасови чинии, картон, ножица или перфоратор, фолио, хартия, картонени тръби (например от хартиена кърпа или тоалетна хартия), една проба от всяка монета, която трябва да се сортира, и устройство за събиране ( хартиена чаша, малка кутия, найлонов плик, хартиена торбичка).

Започнете със среща с екипа си и изготвяне на план за изграждане на вашата структура. Ще трябва да разберете кои материали искате да използвате (не са ви необходими всички!)

Начертайте плана си за механизъм за сортиране в полето по -долу:

Предвидете % от монетите, които смятате, че ще бъдат сортирани правилно въз основа на вашия дизайн: ___ %

Строителна фаза

Изградете своя механизъм за сортиране и тествайте с помощта на примерните монети, които сте получили.

Фаза на тестване

Вашият учител ще тества вашата система с помощта на торба монети. Вашата работа е да обясните как работи системата, така че вашият учител да е наясно как и къде да постави смесените монети.

Етап на оценка

Оценете резултатите на вашите екипи, попълнете въпросите по -долу и представете резултатите си на класа.

Успяхте ли да създадете система, която успешно сортира някои монети? Ако не, защо се провали?

Какъв процент от тестовите монети са правилно сортирани? Как това се сравнява с вашата прогноза? Какво според вас е причинило някаква разлика?

Какъв процент грешки според вас е приемлив за съоръжения за сечене на истински монети?

Какъв процент грешки според вас е приемлив за фирмите за производство на лекарства? Какви въпроси за безопасност трябва да вземете предвид тук?

Какъв процент грешки според вас е приемлив за производителите на нокти?

Трябваше ли да препроектирате системата си на етапа на изграждане? Какво липсваше на оригиналния ви рисуван дизайн?

Ако трябваше да го направите отново, как ще се промени планираната ви система? Защо?

Смятате ли, че инженерите трябва да адаптират първоначалните си планове по време на производствения процес? Защо биха могли?

Какви дизайни или методи видяхте от други екипи, които смятате, че работят добре?

Открихте ли, че във вашата класна стая има много дизайни, които отговарят на целта на проекта? Какво ви казва това за инженерните системи в реалния свят?