Adaptives Gerätedesign
Diese Lektion konzentriert sich auf die Entwicklung von adaptiven oder unterstützenden Geräten wie Prothesen, Rollstühle, Brillen, Haltegriffe, Hörgeräte, Aufzüge, Zahnspangen usw. Die Schüler arbeiten in Teams, um entweder eine Verbesserung eines bestehenden adaptiven Geräts oder ein neues zu entwerfen Gerät, das ein bestimmtes Problem löst.
- Erfahren Sie mehr über adaptive Geräte.
- Erfahren Sie, wie sich fortlaufende Änderungen an adaptiven Geräten auf das tägliche Leben ausgewirkt haben.
- Erfahren Sie mehr über Teamwork und den technischen Problemlösungs-/Designprozess.
Altersstufen: 8-18
Baumaterialien (für jedes Team)
Benötigtes Material
- Eine Brille oder Sonnenbrille (entweder alt oder günstig neu)
- Brillenreparaturset (inkl. Mini-Schraubendreher, Ersatzschrauben und wenn möglich Lupe)
Design-Herausforderung
Sie sind ein Team von Ingenieuren, die sich der Herausforderung stellen, adaptive Geräte kennenzulernen. Sie werden zunächst eine Brille oder Sonnenbrille demontieren und wieder zusammenbauen, um ein besseres Verständnis der Materialien und des Designs zu erhalten. Anschließend entwerfen Sie eine Verbesserung eines bestehenden adaptiven Geräts oder entwerfen ein neues Gerät, um ein Problem zu lösen, mit dem Menschen (oder Tiere) konfrontiert sind, und präsentieren es der Klasse.
Eigenschaften
- Arbeiten Sie als Team zusammen, um eine physische Herausforderung zu identifizieren, die Ihr Design zu lindern hilft.
- Präsentieren Sie Ihr Design der Klasse:
- Beschreiben Sie, wie Ihr Gerät technisch funktioniert, in Worten. Geben Sie die Materialien an, aus denen es Ihrer Meinung nach bestehen würde, und was das Produkt Ihrer Meinung nach kosten könnte.
- Zeigen Sie eine Skizze Ihres endgültigen Designs oder einer Situation, in der es verwendet wird.
- Beschreiben Sie, wie Ihr Team glaubt, dass Ingenieure die Welt beeinflusst haben.
Einschränkungen
Verwenden Sie nur die bereitgestellten Materialien.
- Teilen Sie die Klasse in Teams von 3-4 Personen auf.
- Verteilen Sie das Arbeitsblatt Adaptive Device Design sowie einige Blätter Papier zum Skizzieren von Designs.
- Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte. Fragen Sie die Schüler, was ein adaptives Gerät ist.
- Überprüfen Sie den Konstruktionsprozess, die Konstruktionsherausforderung, die Kriterien, Einschränkungen und Materialien.
- Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
- Erklären Sie, dass die Schüler Aufgaben auf den Schülerarbeitsblättern erledigen werden.
- Bitten Sie die Schüler, die ersten Schülerarbeitsblätter auszufüllen, indem sie die auf dem Blatt gezeigten Produkte besprechen und feststellen, ob es sich bei dem Produkt um ein adaptives Gerät handelt und was das Ziel der Ingenieure war.
- Bitten Sie die Schüler, das zweite Arbeitsblatt auszufüllen, indem sie eine alte Brille oder Sonnenbrille zerlegen und wieder zusammenbauen, um die Materialien und das Design zu bewerten.
- Bitten Sie die Schüler, das dritte Arbeitsblatt auszufüllen, indem sie im Team arbeiten, um eine Verbesserung für ein vorhandenes adaptives Gerät zu entwerfen oder ein neues Gerät zu entwerfen, das ein Problem für Menschen (oder Tiere) löst. Sie sollten:
- Identifizieren Sie eine körperliche Herausforderung, die ihr Gerät lindern kann (z. B. muss ein Hund, der sich einer Rückenoperation unterzogen hat, noch spazieren gehen können).
- Skizzieren Sie das neue adaptive Gerät oder das verbesserte Gerät.
- Präsentieren Sie ihre Ideen der Klasse in drei Formen:
- Beschreiben Sie, wie ihr Gerät technisch funktioniert, in Worten … und geben Sie die Materialien an, aus denen es ihrer Meinung nach hergestellt werden würde, und was das Produkt ihrer Meinung nach kosten könnte.
- Zeigen Sie eine Skizze entweder des endgültigen Designs oder einer Situation, in der es verwendet wird.
- Beschreiben Sie, wie das Team glaubt, dass Ingenieure die Welt beeinflusst haben.
- Besprechen Sie als Klasse die Reflexionsfragen der Schüler.
- Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.
Studentenreflexion (technisches Notizbuch)
Schritt 1 – Demontage:
- Wie viele Einzelteile hast du gefunden?
- Welche verschiedenen Materialien (Kunststoffe, Metalle, Glas) waren Teil der endgültigen Brille?
- Wenn Sie diese Brille überarbeiten würden, um sie sicherer zu machen, würden Sie die Form eines der Bestandteile ändern? Wieso den? Warum nicht?
- Wenn Sie diese Brillen überarbeiten würden, um sie sicherer zu machen, würden Sie dann die Materialien ändern, die für die Herstellung der Komponenten verwendet werden? Wieso den? Warum nicht?
- Was war der schwierigste Teil des Zusammenbauprozesses? Wieso den?
Schritt 2 – Wiederzusammenbau
- Glauben Sie, dass die Montage von einer Maschine einfacher zu bewältigen wäre? Wieso den? Warum nicht?
- Was glauben Sie, wie schwer es für eine Person mit Arthritis in den Händen wäre, ihre Brille wieder zusammenzusetzen?
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.
Wer braucht adaptive Geräte?
Adaptive oder unterstützende Geräte werden entwickelt, um Menschen mit einer Vielzahl von Behinderungen dabei zu unterstützen, ihre Fähigkeit zu verbessern, gesund und unabhängig zu leben. Es wird geschätzt, dass 54 Millionen Amerikaner einen gewissen Grad an Behinderung haben. Gemäß der Definition des US Survey of Income and Program Participation wurden Personen ab 15 Jahren als behindert eingestuft, wenn sie eines der folgenden Kriterien erfüllten:
- Einen Rollstuhl, einen Gehstock, Krücken oder eine Gehhilfe benutzt
- Hatte Schwierigkeiten, eine oder mehrere funktionelle Aktivitäten auszuführen (Sehen, Hören, Sprechen, Heben/Tragen, Treppensteigen, Gehen oder Greifen kleiner Gegenstände)
- Hatte Schwierigkeiten mit einer oder mehreren Aktivitäten des täglichen Lebens. (ADLs umfassen die Fortbewegung im Haus, das Ein- und Aussteigen aus dem Bett oder einem Stuhl, Baden, Anziehen, Essen und Toilettengang.)
- Hatte Schwierigkeiten mit einer oder mehreren instrumentellen Aktivitäten des täglichen Lebens. (Zu den IADLs gehörten, das Haus zu verlassen, Geld und Rechnungen im Auge zu behalten, Mahlzeiten zuzubereiten, leichte Hausarbeiten zu erledigen, verschreibungspflichtige Medikamente in der richtigen Menge zur richtigen Zeit einzunehmen und das Telefon zu benutzen.)
- Hatten eine oder mehrere bestimmte Erkrankungen (eine Lernbehinderung, geistige Behinderung oder eine andere Entwicklungsbehinderung, Alzheimer-Krankheit oder eine andere Art von geistiger oder emotionaler Erkrankung)
- Hatte einen psychischen/emotionalen Zustand, der die alltäglichen Aktivitäten ernsthaft beeinträchtigte
- Hatte eine Bedingung, die die Fähigkeit, im Haus zu arbeiten, einschränkte
- Wenn Sie im Alter von 16 bis 67 Jahren eine Erkrankung hatten, die die Arbeit an einem Arbeitsplatz oder in einem Unternehmen erschwerte
- Erhalt von US-Bundesleistungen aufgrund von Arbeitsunfähigkeit
Laut neueren Statistiken für die Vereinigten Staaten:
- 25 Millionen hatten Schwierigkeiten, eine Viertelmeile zu gehen oder 10 Treppenstufen zu erklimmen, oder sie benutzten eine ambulante Hilfe wie einen Rollstuhl (2.2 Millionen) oder einen Gehstock, Krücken oder eine Gehhilfe (6.4 Millionen).
- Ungefähr 18 Millionen hatten Schwierigkeiten, einen 10-Pfund-Sack mit Lebensmitteln zu heben und zu tragen oder kleine Gegenstände zu greifen.
- Etwa 14.3 Millionen hatten eine geistige Behinderung, darunter 1.9 Millionen mit Alzheimer, Senilität oder Demenz; und 3.5 Millionen mit Lernbehinderungen.
- Ungefähr 8.0 Millionen hatten Schwierigkeiten zu hören, was in einem normalen Gespräch mit einer anderen Person gesagt wurde (auch wenn sie ein Hörgerät trugen).
- Ungefähr 7.7 Millionen hatten Schwierigkeiten, die Wörter und Buchstaben in gewöhnlichen Zeitungsdrucken (auch mit Brille) zu sehen; davon konnten 1.8 Millionen Wörter und Buchstaben im normalen Zeitungsdruck nicht sehen.
Überlegungen zum Rollstuhldesign
Rollstuhlgeschichte
Griechische Vasen aus dem Jahr 530 v. Chr. zeigen Räder, die in Möbel eingebaut sind. Und im Jahr 535 n. Chr. zeigt eine Gravur einen Rollstuhl, und König Phillip II. von Spanien hatte 1595 einen Rollstuhl – daher ist die Notwendigkeit, Räder zu verwenden, um die Bewegung zu erleichtern, seit langem vorhanden.
Was gibt's Neues?
In jüngerer Zeit wurden Materialien wie Titan verwendet, um das Gewicht und die Manövrierfähigkeit von Rollstühlen zu verbessern. Und da Rollstuhlsportarten populär geworden sind, mussten Ingenieure zusätzliche Funktionen und Fähigkeiten in Sportrollstühle entwickeln, um den Bedarf von Benutzern zu erfüllen, die auf Geschwindigkeit und genaue Bewegungen des Rollstuhls angewiesen sind.
Material-/Design-Kompromisse
Ingenieure müssen bei der Konstruktion eines Rollstuhls verschiedene Überlegungen abwägen. Sie wissen zum Beispiel, dass Titan das beste Material in Bezug auf das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ist – aber es ist ein extrem teures Material. Auf der anderen Seite ist Kohlefaser weniger teuer und langlebig. Unterschiedliche Kunden bevorzugen möglicherweise unterschiedliche Materialien. Ingenieure könnten versuchen, den leichtesten Rollstuhl zu entwickeln – ein leichterer Stuhl würde möglicherweise die Anzahl von Handgelenksverletzungen reduzieren, da der Kunde einen leichteren Stuhl zum Manövrieren hätte. Und Ingenieure müssen möglicherweise überlegen, welche Art von Reifen für einen Rollstuhl am sinnvollsten ist. Auch das Bremssystem ist wichtig – wie einfach ist es für jemanden mit eingeschränkter Mobilität, die Bremsen zu benutzen? Welcher Motortyp eignet sich am besten für einen motorisierten Stuhl – wie schnell ist zu schnell? Passt ein neues Rollstuhldesign auf Standard-Rollstuhlrampen? Ingenieure müssten einen Rollstuhl komplett neu konstruieren, damit er von Kindern verwendet werden kann, die möglicherweise andere Bedürfnisse und Bremsfähigkeiten haben als Erwachsene. Und die Kosten spielen immer eine große Rolle – wenn Ingenieure den besten Rollstuhl entwickeln, der jedoch mehr kostet, als sich die meisten Menschen leisten können, wird das Produkt versagen.
Forschung
Bei der Entwicklung neuer Designs könnten Ingenieure auch Benutzerbefragungen durchführen, um herauszufinden, welcher Stuhltyp am bequemsten, am leichtesten zu bewegen und am leichtesten zu bremsen ist. Darüber hinaus werden Studien durchgeführt, um die Sauerstoffmenge zu bestimmen, die ein Kunde verwendet, um einen Stuhl zu bewegen, als Hinweis darauf, wie viel Energie aufgewendet wird, um den Stuhl vorwärts zu bewegen. Einige motorisierte Rollstühle bewegen sich so schnell, dass Crashtests durchgeführt werden, um festzustellen, wie der Rollstuhl einen Kunden im Falle eines Aufpralls schützen würde.
- Adaptives oder unterstützendes Gerät: Entwickelt, um Menschen mit einer Vielzahl von Behinderungen zu helfen, ihre Fähigkeit zu verbessern, gesund und unabhängig zu leben.
- Einschränkungen: Einschränkungen bei Material, Zeit, Teamgröße usw.
- Kriterien: Bedingungen, die das Design erfüllen muss, wie seine Gesamtgröße usw.
- Zerlegen: Nehmen Sie etwas auseinander.
- Ingenieure: Erfinder und Problemlöser der Welt. In den Ingenieurwissenschaften werden XNUMX Hauptfachgebiete anerkannt (siehe Infografik).
- Engineering Design Process: Verfahrensingenieure verwenden, um Probleme zu lösen.
- Engineering Habits of Mind (EHM): Sechs einzigartige Denkweisen von Ingenieuren.
- Iteration: Test & Redesign ist eine Iteration. Wiederholen (mehrere Iterationen).
- Prothetisches Gerät: Gerät zum Ersetzen eines fehlenden Körperteils oder zur Verbesserung der Funktion eines Körperteils.
- Prototyp: Ein Arbeitsmodell der zu testenden Lösung.
- Zusammenbauen: Um die Teile von etwas wieder zusammenzusetzen.
Internetverbindungen
Literatur-Empfehlungen
- Das Design alltäglicher Dinge von Donald A. Norman (ISBN: 978-0465050659)
- Produktdesign und Entwicklung von Ulrich Eppinger (ISBN: 978-9352601851)
Aktivität schreiben
Schreiben Sie einen Aufsatz oder einen Absatz, in dem beschrieben wird, welches adaptive Gerät Ihrer Meinung nach die Welt am dramatischsten beeinflusst hat. Geben Sie unterstützende Details an und machen Sie Vorschläge für weitere Verbesserungen dieses Geräts.
Anpassung an Curriculum Frameworks
Hinweis: Alle Unterrichtspläne in dieser Reihe sind auf die USA ausgerichtet Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (produziert von der Nationaler Forschungs Rat und gebilligt von der National Science Teachers Association) und gegebenenfalls den Standards for Technological Literacy der International Technology Education Association und den Prinzipien und Standards für Schulmathematik des National Council of Teachers of Mathematics.
Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klassen K-4 (Alter 4-9)
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
- Risiken und Vorteile
- Wissenschaft und Technologie in der Gesellschaft
INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln
- Wissenschaft als menschliches Unterfangen
Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 5-8 (Alter 10-14)
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
- Persönliche Gesundheit
- Risiken und Vorteile
- Wissenschaft und Technologie in der Gesellschaft
INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln
- Natur der Wissenschaft
- Wissenschaftsgeschichte
Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 9-12 (Alter 14-18)
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
- Persönliche und gemeinschaftliche Gesundheit
- Wissenschaft und Technologie in lokalen, nationalen und globalen Herausforderungen
INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln
- Historische Perspektiven
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 3: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Beziehungen zwischen Technologien und die Zusammenhänge zwischen Technologie und anderen Studienbereichen.
Technologie und Gesellschaft
- Standard 4: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die kulturellen, sozialen, wirtschaftlichen und politischen Auswirkungen der Technologie.
- Standard 6: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Rolle der Gesellschaft bei der Entwicklung und Nutzung von Technologie.
- Standard 7: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für den Einfluss der Technologie auf die Geschichte.
Design
- 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 13: Die Schüler entwickeln Fähigkeiten zur Bewertung der Auswirkungen von Produkten und Systemen.
Die gestaltete Welt
- Standard 17: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für Informations- und Kommunikationstechnologien und können diese auswählen und nutzen.
Füllen Sie als Team das folgende Arbeitsblatt aus und geben Sie an, welches der folgenden Produkte als „adaptive Geräte“ gelten würde.
Produkt | Adaptiv? Ja oder Nein | Warum oder warum nicht | Was war das Ziel der Ingenieure? |
Brillen | |||
Plattformen | |||
Kinderwagen |
|||
Sehen Sie, dass die Zeit spricht |
|||
Wanderer | |||
KOPFHÖRER | |||
Besetzung |
Komponenten
Schritt eins: Demontieren Sie im Team eine alte, unbrauchbare Sonnenbrille oder Brille mit einem Ihnen zur Verfügung gestellten Brillenreparaturset.
Fragen:
- Wie viele Einzelteile hast du gefunden?
- Welche verschiedenen Materialien (Kunststoffe, Metalle, Glas) waren Teil der endgültigen Brille?
- Wenn Sie diese Brille überarbeiten würden, um sie sicherer zu machen, würden Sie die Form eines der Bestandteile ändern? Wieso den? Warum nicht?
- Wenn Sie diese Brillen überarbeiten würden, um sie sicherer zu machen, würden Sie dann die Materialien ändern, die für die Herstellung der Komponenten verwendet werden? Wieso den? Warum nicht?
Schritt zwei: Setzen Sie die Brille wieder zusammen.
Fragen:
- Was war der schwierigste Teil des Zusammenbauprozesses? Wieso den?
- Glauben Sie, dass die Montage von einer Maschine einfacher zu bewältigen wäre? Wieso den? Warum nicht?
- Was glauben Sie, wie schwer es für eine Person mit Arthritis in den Händen wäre, ihre Brille wieder zusammenzusetzen?
Im Laufe der Geschichte haben Ingenieure Probleme gelöst, indem sie Produkte und Systeme entwickelt haben, die den Menschen helfen. Im Bereich Adaptive Engineering Design geht es darum, Produkte zu schaffen, die das Leben von Menschen mit Herausforderungen einfacher, gesünder und unabhängiger machen. Das Folgende ist nur eine kurze Liste der vielen Geräte, die entwickelt wurden, um Menschen und Tieren zu helfen:
- Rollstühle
- Wanderer
- Brille
- adaptive Gartengeräte
- Hörhilfen
- adaptive Kanusitze
- Ersatzgelenke
- künstliche Gliedmaßen
- adaptive Wasserski
- Anziehhilfen
- Sicherheitsbügel für Wannen
- adaptive Fitnessgeräte
- Duschstühle
- Werkzeuge zum Öffnen von Gläsern
- spezielle Computermaus
- Schlafapnoe-Maske
- adaptive Golfschläger
- Lenkräder
- adaptive Dreiräder
- Aufzüge für Pferde
- Krücken
- Spielkartenhalter
- Bettgitter
- beleuchtete Lupen
- übergroße Lampenschalter
- adaptive Videospiel-Joysticks
Sie sind das Engineering-Team!
Ihre Herausforderung besteht darin, als Team zu arbeiten, um entweder ein bestehendes adaptives Produkt zu verbessern oder ein neues zu entwickeln, das ein spezifisches Problem löst, mit dem Einzelpersonen (oder Tiere) konfrontiert sind, die mit körperlichen Herausforderungen konfrontiert sind.
Nennen Sie die Probleme:
- Identifizieren Sie eine körperliche Herausforderung, die Ihr Produkt lindern kann (z. B. muss ein Hund nach einer Rückenoperation noch spazieren gehen können).
- Entwickeln Sie im Team auf Papier ein neues Produkt oder entwickeln Sie eine Verbesserung eines bestehenden Produkts, die den Bedürfnissen der Person/des Tieres entspricht.
- Präsentieren Sie Ihre Ideen der Klasse in drei Formen:
- Beschreiben Sie, wie Ihr Produkt technisch funktioniert, in Worten. Geben Sie die Materialien an, aus denen es Ihrer Meinung nach hergestellt wird, und was das Produkt Ihrer Meinung nach kosten könnte.
- Zeichnen Sie eine Illustration Ihres Endprodukts oder einer Situation, in der es verwendet wird.
- Beschreiben Sie, wie Ihr Team glaubt, dass Ingenieure die Welt beeinflusst haben.