Eine Frage der Balance
Diese Lektion konzentriert sich auf die Verwendung von Waagen und Messungen durch Fertigungsingenieure. Studententeams stehen vor der Herausforderung, ein System zum Befüllen von Gläsern mit einem bestimmten Gewicht oder einer bestimmten Anzahl von Produkten wie Murmeln oder Büroklammern zu entwickeln.
- Erfahren Sie mehr über Fertigungstechnik.
- Erfahren Sie mehr über Fertigungssysteme.
- Erfahren Sie mehr über Gewichtsverpackung und Konsistenz.
- Lernen Sie Teamwork und das Arbeiten in Gruppen kennen.
Altersstufen: 11-18
Baumaterialien (für jedes Team)
Benötigtes Material
- Holzdübel
- Plastikschüsseln oder Pappbecher
- Schweißdraht
- Band
- Schnur
- Vier Einmachgläser oder kleine leere Kisten
Testmaterialien
- Skalieren
- Schachteln mit Murmeln, Büroklammern oder anderen Gegenständen mit einheitlicher Größe und Form
Materialien
- Skalieren
- Schachteln mit Murmeln, Büroklammern oder anderen Gegenständen mit einheitlicher Größe und Form
Verfahren
Sie müssen das Zielgewicht/die Zielanzahl für jedes Team basierend auf dem von Ihnen ausgewählten Gegenstand (Marmor, Büroklammer) und der Stärke der verwendeten Pappbecher oder anderer Materialien festlegen.
Die Teams testen ihre Designs, indem sie ihr System ausführen und vier Produkte „verpacken“. Beobachten Sie den Verpackungsprozess und wiegen Sie auch alle Gläser, um sicherzustellen, dass sie dem Zielgewicht oder der Anzahl entsprechen. Es wird einige Unterschiede geben, aber der Unterschied sollte nicht mehr als ein oder zwei Murmeln betragen, vorausgesetzt, das Gewicht ist für beide gleich.
Design-Herausforderung
Sie sind ein Team von Fertigungsingenieuren, denen die Aufgabe gestellt wurde, ein Fertigungssystem zu entwerfen und dann aufzubauen, um ein einheitliches Gewicht oder eine einheitliche Anzahl von Murmeln oder anderen Artikeln in eine Serie von vier Kisten oder Gläsern zu liefern.
Eigenschaften
- Muss ein konsistentes Gewicht oder eine einheitliche Anzahl von Murmeln zu einer Reihe von vier Schachteln mit Gläsern liefern
Einschränkungen
- Verwenden Sie nur die bereitgestellten Materialien.
- Teilen Sie die Klasse in Teams von 2-3 Personen auf.
- Verteilen Sie das Arbeitsblatt Eine Frage der Balance sowie einige Blätter Papier zum Skizzieren von Entwürfen.
- Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte.
- Überprüfen Sie den Konstruktionsprozess, die Konstruktionsherausforderung, die Kriterien, Einschränkungen und Materialien.
- Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
- Erklären Sie, dass die Schüler ein System entwerfen und bauen müssen, um vier Packungen (Schachteln oder Gläser) eines Produkts (Murmeln, Büroklammern usw.) von gleichem Gewicht oder gleicher Anzahl zu „herstellen“. Die Idee ist, dass ihr System konsistente Endpakete generiert. Die Schüler möchten vielleicht Rampen oder Förderbänder, Kippmechanismen oder andere Methoden entwickeln, um die Süßigkeiten an die endgültige Verpackung zu liefern.
Sie müssen das Zielgewicht/die Zielanzahl für jedes Team basierend auf dem von Ihnen ausgewählten Gegenstand (Marmor, Büroklammer) und der Stärke der verwendeten Pappbecher oder anderer Materialien festlegen.
Sie sollten die von ihnen erwartete Zählabweichung zwischen den vier Gläsern/Boxen mit ihrem Herstellungssystem schätzen. Wie hoch ist der zulässige oder zu erwartende Gewichts- oder Zählunterschied zwischen diesen vier Paketen?
- Geben Sie die Zeit an, die sie zum Entwerfen und Bauen haben (1 Stunde empfohlen).
- Verwenden Sie einen Timer oder eine Online-Stoppuhr (Countdown-Funktion), um sicherzustellen, dass Sie pünktlich sind. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Geben Sie den Schülern regelmäßige „Zeitprüfungen“, damit sie bei der Arbeit bleiben. Wenn sie Probleme haben, stellen Sie Fragen, die sie schneller zu einer Lösung führen.
- Die Schüler treffen sich und entwickeln einen Plan für ihr Fertigungssystem. Sie vereinbaren die benötigten Materialien, schreiben/zeichnen ihren Plan und präsentieren ihren Plan der Klasse. Teams können unbegrenzt Materialien mit anderen Teams tauschen, um ihre ideale Stückliste zu entwickeln.
- Teams bauen ihre Entwürfe.
- Sie müssen das Zielgewicht/die Zielanzahl für jedes Team basierend auf dem von Ihnen ausgewählten Gegenstand (Marmor, Büroklammer) und der Stärke der verwendeten Pappbecher oder anderer Materialien festlegen. Die Teams testen ihre Designs, indem sie ihr System ausführen und vier Produkte „verpacken“. Beobachten Sie den Verpackungsprozess und wiegen Sie alle Gläser, um sicherzustellen, dass sie dem Zielgewicht oder der Anzahl entsprechen. Es wird einige Unterschiede geben, aber der Unterschied sollte nicht mehr als ein oder zwei Murmeln betragen, vorausgesetzt, das Gewicht ist für beide gleich.
- Besprechen Sie als Klasse die Reflexionsfragen der Schüler.
- Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.
Studentenreflexion (technisches Notizbuch)
- Ist es Ihnen gelungen, ein Fertigungssystem aufzubauen? Wenn nicht, warum ist es gescheitert?
- Mussten Sie Änderungen an Ihrem schriftlichen Design vornehmen, als Sie das System tatsächlich erstellten? Wenn ja, welcher Teil des Systems erforderte die meisten Änderungen in der Bauphase?
- Glauben Sie, dass arbeitende Ingenieure ihre ursprünglichen Pläne während des Herstellungsprozesses anpassen müssen? Warum könnten sie?
- Wie variierte das tatsächliche Gewicht oder die tatsächliche Anzahl zwischen den vier „Paketen“? Wie war dieses Ergebnis im Vergleich zu Ihrer Schätzung vor der Produktion?
- Welcher Teil dieses Prozesses hat Ihnen am meisten Spaß gemacht? Wieso den?
- Welche Idee, die Sie in der Arbeit eines anderen Teams umgesetzt sahen, war für Sie am einfallsreichsten? Wieso den?
- Haben Sie festgestellt, dass es in Ihrem Klassenzimmer viele Entwürfe gab, die das Projektziel erfüllten? Was sagt Ihnen das über technische Pläne?
- Haben Sie festgestellt, dass die Arbeit im Team dieses Projekt erfolgreicher gemacht hat? Wenn nicht, warum nicht? Wenn ja, erklären Sie es.
- Glauben Sie, dass das Design der „Verpackung“ – der Schachtel, des Glases oder der Tüte – in einer realen Fertigungsumgebung vor, nach oder gleichzeitig mit der Entwicklung des Produkts entwickelt wird? Was würde für Sie am sinnvollsten sein? Wieso den?
Zeitänderung
Der Unterricht kann für ältere Schüler in nur 1 Unterrichtsstunde durchgeführt werden. Um den Schülern zu helfen, sich nicht gehetzt zu fühlen, und um den Erfolg der Schüler sicherzustellen (insbesondere für jüngere Schüler), teilen Sie die Lektion in zwei Abschnitte auf, damit die Schüler mehr Zeit für Brainstorming, Testideen und die Fertigstellung ihres Designs haben. Führen Sie die Tests und Nachbesprechungen in der nächsten Unterrichtsstunde durch.
Waagenanwendungen
Waagen haben viele Verwendungsmöglichkeiten
Waagen werden in vielen Anwendungen eingesetzt – über die Bestimmung des persönlichen Gewichts hinaus. Sie sind integraler Bestandteil vieler Systeme, da sich das Gewicht von Produkten oder Komponenten auf die Kosten von Produkten oder Dienstleistungen auswirkt. Postsysteme auf der ganzen Welt berechnen beispielsweise die Zustellkosten nach dem Gewicht des zu transportierenden Briefes oder Pakets. Lebensmittelhändler und Obstmärkte verwenden Waagen, um zu bestimmen, was für Obst, Gemüse, Nüsse, Getreide und Gewürze zu berechnen ist. In diesen Beispielen kann das Gewicht auf die eine oder andere Weise leicht abweichen, ohne dass es zu Schwierigkeiten kommt. Sie können ein oder zwei zusätzliche Nüsse bekommen oder eine Prise weniger Gewürze ohne Auswirkungen haben.
Produktionstechnik
Für Fertigungsingenieure, insbesondere in der pharmazeutischen Industrie, ist es entscheidend, dass Gewichte oder Produkte oder Komponenten vor dem Verpacken genau gemessen werden. Arzneimittelhersteller müssen sicher sein, dass die Dosis genau ist – nah ist nicht gut genug! Sicherheit wird bei der Herstellung groß geschrieben!
Fertigungsingenieure sind am Herstellungsprozess von der Planung bis zur Verpackung des fertigen Produkts beteiligt. Sie arbeiten mit Werkzeugen wie Robotern, programmierbaren und numerischen Steuerungen sowie Bildverarbeitungssystemen, um Montage-, Verpackungs- und Versandeinrichtungen zu optimieren. Sie untersuchen den Produktionsfluss und den Herstellungsprozess und suchen nach Möglichkeiten, die Produktion zu rationalisieren, die Durchlaufzeiten zu verbessern und die Kosten zu senken. Eine der Maßnahmen, auf die sie sich konzentrieren, ist das Gewicht. Sie verwenden manchmal Kameras, um die Anzahl der Produkte zu zählen, die in einer Packung enthalten sind, beispielsweise die Anzahl der Kekse in einer Schachtel, aber sie verwenden sehr häufig Waagen, um sicherzustellen, dass die versprochene Menge an Süßigkeiten, Müsli oder sogar Nägeln geliefert wird eine Box. Es gibt viele Websites, die funktionierende Fertigungssysteme zeigen – besuchen Sie einige davon, um zu sehen, wie verschiedene Systeme funktionieren! Jelly Belly Jellybeans werden beispielsweise während ihres Herstellungsprozesses in einen Trichter gefüllt. Der Trichter führt sie einem Waagensystem zu, das die genaue Menge an Jelly Beans wiegt und in verschiedene Verpackungsarten wie Beutel, Schachteln und Gläser abgibt.
Literatur-Empfehlungen
- Fertigungstechnik und Technologie (ISBN: 0131489658)
- Waagen und Waagen (ISBN: 0747802270)
Aktivität schreiben
Schreiben Sie einen Aufsatz oder einen Absatz über die Auswirkungen von Automatisierungsprozessen auf die Gesellschaft.
Anpassung an Curriculum Frameworks
Hinweis: Die Unterrichtspläne dieser Reihe richten sich nach einem oder mehreren der folgenden Standards:
- S. Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. Wissenschaftsstandards der nächsten Generation (http://www.nextgenscience.org/)
- Standards der International Technology Education Association für technologische Kompetenz (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. Nationaler Rat der Lehrer für Grundsätze und Standards der Mathematik für Schulmathematik (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S. Gemeinsame Kernzustandsstandards für Mathematik (http://www.corestandards.org/Math)
- Computer Science Teachers Association K-12 Standards für Informatik (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 5-8 (Alter 10 - 14)
INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln
- Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind
- Verständnis für wissenschaftliche Forschung
INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft
Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für
- Bewegungen und Kräfte
INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie
Aufgrund der Aktivitäten in den Klassen 5 bis 8 sollten sich alle Schüler entwickeln
- Fähigkeiten des technologischen Designs
- Verständnis für Wissenschaft und Technologie
INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln
- Wissenschaft und Technologie in der Gesellschaft
Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 9-12 (Alter 14-18)
INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln
- Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind
- Verständnis für wissenschaftliche Forschung
INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft
Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für
- Bewegungen und Kräfte
INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln
- Fähigkeiten des technologischen Designs
- Verständnis für Wissenschaft und Technologie
INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln
- Wissenschaft und Technologie in lokalen, nationalen und globalen Herausforderungen
Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, Klassen 3-5 (Alter 8-11)
Ingenieur-Design
Schüler, die Verständnis zeigen, können:
- 3-5-ETS1-1.Definieren Sie ein einfaches Entwurfsproblem, das einen Bedarf oder einen Wunsch widerspiegelt, das festgelegte Erfolgskriterien und Einschränkungen hinsichtlich Material, Zeit oder Kosten enthält.
- 3-5-ETS1-2. Generieren und vergleichen Sie mehrere mögliche Lösungen für ein Problem, basierend darauf, wie gut jede die Kriterien und Einschränkungen des Problems wahrscheinlich erfüllt.
- 3-5-ETS1-3.Planen und führen Sie faire Tests durch, bei denen Variablen kontrolliert und Fehlerpunkte berücksichtigt werden, um Aspekte eines Modells oder Prototyps zu identifizieren, die verbessert werden können.
Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, Klassen 6-8 (Alter 11-14)
Ingenieur-Design
Schüler, die Verständnis zeigen, können:
- MS-ETS1-2 Bewerten Sie konkurrierende Konstruktionslösungen mithilfe eines systematischen Prozesses, um zu bestimmen, wie gut sie die Kriterien und Einschränkungen des Problems erfüllen.
Grundsätze und Standards für die Schulmathematik (6 – 18 Jahre)
Anzahl und Operationsstandard
- Zahlen, Darstellungsweisen von Zahlen, Beziehungen zwischen Zahlen und Zahlensysteme verstehen
- Rechnen Sie fließend und machen Sie vernünftige Schätzungen
Messstandard
- Verstehen messbarer Attribute von Objekten und der Einheiten, Systeme und Prozesse der Messung
- Wenden Sie geeignete Techniken, Werkzeuge und Formeln an, um Messungen zu bestimmen
Vertretung
- Erstellen und verwenden Sie Darstellungen, um mathematische Ideen zu organisieren, aufzuzeichnen und zu kommunizieren
- Verwenden Sie Darstellungen, um physikalische, soziale und mathematische Phänomene zu modellieren und zu interpretieren
Common Core State Standards for School Mathematics: Inhalt (Alter 7-10 Jahre)
Messung und Daten
- Lösen von Mess- und Schätzungsproblemen.
- Math.Inhalt.3.MD.A.2Messen und schätzen Sie Flüssigkeitsvolumina und Massen von Objekten mit den Standardeinheiten Gramm (g), Kilogramm (kg) und Liter (l).1 Addieren, subtrahieren, multiplizieren oder dividieren, um einstufige Wortaufgaben mit Massen oder Volumina zu lösen, die werden in den gleichen Einheiten angegeben, z. B. anhand von Zeichnungen (z. B. einem Becher mit Maßskala), um das Problem darzustellen.2
Standards für technologische Kompetenz - alle Altersgruppen
Die Natur der Technologie
- Standard 1: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Eigenschaften und den Umfang der Technologie.
- Standard 2: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Kernkonzepte der Technologie.
- Standard 3: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Beziehungen zwischen Technologien und die Zusammenhänge zwischen Technologie und anderen Studienbereichen.
Design
- Standard 9: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für Ingenieurdesign.
- Standard 10: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Rolle von Fehlerbehebung, Forschung und Entwicklung, Erfindung und Innovation sowie Experimentieren bei der Problemlösung.
Fähigkeiten für eine technologische Welt
- Standard 12: Die Studierenden entwickeln Fähigkeiten zur Nutzung und Wartung von technologischen Produkten und Systemen.
- Standard 13: Die Schüler entwickeln Fähigkeiten zur Bewertung der Auswirkungen von Produkten und Systemen.
Die gestaltete Welt
Standard 19: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für Fertigungstechnologien und können diese auswählen und anwenden.
Sie sind ein Team von Fertigungsingenieuren, denen die Aufgabe gestellt wurde, ein Fertigungssystem zu entwerfen und dann aufzubauen, um ein einheitliches Gewicht oder eine einheitliche Anzahl von Murmeln oder anderen Artikeln in eine Serie von vier Kisten oder Gläsern zu liefern.
Forschungs-/Vorbereitungsphase
- Überprüfen Sie das Schülerreferenzblatt. Besuchen Sie nach Möglichkeit einige der virtuellen Fertigungswebsites.
Planung im Team
- Ihr Team hat von Ihrem Lehrer einige Materialien erhalten, darunter Holzdübel, Plastikschalen oder Pappbecher, Draht, Klebeband, Schnur, vier Einmachgläser oder kleine leere Schachteln. Sie haben auch eine große Menge eines „Produkts“, das Murmeln, Büroklammern oder andere Gegenstände sein können, die Ihr Lehrer ausgewählt hat. Ihre Aufgabe ist es, ein Produktionssystem zu entwickeln, das eine festgelegte Menge des Produkts wiegt und in vier Gläser oder Kartons liefert. Sie müssen sicherstellen, dass das Gewicht oder die Anzahl dem Zielwert entspricht und zwischen diesen vier Paketen konsistent ist.
- Beginnen Sie damit, sich mit Ihrem Team zu treffen und sich auf ein Systemdesign zu einigen. Seien Sie kreativ und genießen Sie den Prozess!
- Schätzen Sie die erwartete Zählabweichung zwischen den vier Gläsern/Boxen mit Ihrem Herstellungssystem ab. Wie hoch ist der zulässige oder zu erwartende Gewichts- oder Zählunterschied zwischen diesen vier Paketen?
- Schreiben oder zeichnen Sie Ihren Plan in das Feld unten (oder auf ein separates Blatt Papier).
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Konstruktionsphase
- Konstruieren Sie Ihr Fertigungssystem.
- Sehen Sie sich die Systeme an, die von anderen Klassenteams erstellt wurden.
- Führen Sie Ihr System aus und „verpacken“ Sie vier Produkte. Ihr Lehrer wird jedes Paket für Ihr Team wiegen, damit Sie sehen können, wie gut Ihr System funktioniert.
- Bewerten Sie die Ergebnisse Ihrer Teams, füllen Sie das Bewertungsarbeitsblatt aus und präsentieren Sie Ihre Ergebnisse der Klasse.
Verwenden Sie dieses Arbeitsblatt, um die Ergebnisse Ihres Teams in der Lektion „Ein Riesenrad bauen“ zu bewerten:
- Ist es Ihnen gelungen, ein Fertigungssystem aufzubauen? Wenn nicht, warum ist es gescheitert?
- Mussten Sie Änderungen an Ihrem schriftlichen Design vornehmen, als Sie das System tatsächlich erstellten? Wenn ja, welcher Teil des Systems erforderte die meisten Änderungen in der Bauphase?
- Glauben Sie, dass arbeitende Ingenieure ihre ursprünglichen Pläne während des Herstellungsprozesses anpassen müssen? Warum könnten sie?
- Wie variierte das tatsächliche Gewicht oder die tatsächliche Anzahl zwischen den vier „Paketen“? Wie war dieses Ergebnis im Vergleich zu Ihrer Vorproduktionsschätzung?
- Welcher Teil dieses Prozesses hat Ihnen am meisten Spaß gemacht? Wieso den?
- Welche Idee, die Sie in der Arbeit eines anderen Teams umgesetzt sahen, war für Sie am einfallsreichsten? Wieso den?
- Haben Sie festgestellt, dass es in Ihrem Klassenzimmer viele Entwürfe gab, die das Projektziel erfüllten? Was sagt Ihnen das über technische Pläne?
- Haben Sie festgestellt, dass die Arbeit im Team dieses Projekt erfolgreicher gemacht hat? Wenn nicht, warum nicht? Wenn ja, erklären Sie es.
- Glauben Sie, dass das Design der „Verpackung“ – der Schachtel, des Glases oder der Tüte – in einer realen Fertigungsumgebung vor, nach oder gleichzeitig mit der Entwicklung des Produkts entwickelt wird? Was würde für Sie am sinnvollsten sein? Wieso den?
Übersetzung des Unterrichtsplans