Entwerfen und bauen Sie eine bessere Süßigkeitentüte

Baumaterialien (für jedes Team)

Benötigtes Material

• 8 "x 12" Stücke aus dünnem Plastikmaterial (wir empfehlen, entweder ein Plastikmalertuch oder eine Plastikfolie zu schneiden)
• Scotch- und Maskierungsband
• Schnur
• Buntstifte/Marker

Testmaterialien

• Skalieren
• Messbecher
• Süßigkeiten, Blöcke, Kieselsteine, Reis oder andere Gegenstände als Gewicht

Materialien

• Skalieren
• Messbecher
• Süßigkeiten, Blöcke, Kieselsteine, Reis oder andere Gegenstände als Gewicht

Prozess

Testen Sie die Stärke des Taschendesigns jedes Teams, indem Sie ein Teammitglied die Tasche an den Griffen halten lassen und gleichzeitig Gewicht in die Tasche legen (Stück für Stück). Das Ziel besteht darin, den Beutel zum Versagen zu zwingen, indem zu viel Gewicht hinzugefügt wird. Sobald der Beutel versagt, wiegen Sie den Beutel und den Inhalt. Dokumentieren Sie das Gewicht, das jede Tasche halten konnte, bevor sie auseinanderfiel, und berechnen Sie das Volumen der Tasche zum Vergleich zwischen den Teams. Das Volumen wird berechnet, indem die Länge, Breite und Höhe jedes Beutels gemessen wird. Berechnen Sie dann das Volumen = Länge x Breite x Höhe.  

Jedes Team wird dann eine zweite Tasche neu entwerfen und bauen und dann den Testprozess erneut abschließen. Das Ziel ist, dass ihre zweite Tasche mehr Gewicht hält als die erste.

Design-Herausforderung

Sie sind ein Team von Ingenieuren, die sich der Herausforderung gestellt haben, eine robuste, funktionale und attraktive Tasche für Süßigkeiten zu entwerfen und zu bauen. Die Tasche sollte einen oder mehrere Griffe haben. Sie werden das Volumen und die Gewichtskapazität der Tasche vorhersagen.

Nachdem Sie Ihre erste Tasche gebaut und getestet haben, werden Sie eine zweite Tasche neu entwerfen und bauen und erneut testen. 

Eigenschaften 

• Die Tasche muss einen oder mehrere Griffe haben.
• Achten Sie darauf, wie attraktiv das Design ist. 

Einschränkungen

• Verwenden Sie nur die bereitgestellten Materialien. 
• Teams können unbegrenzt Materialien tauschen. 

1. Teilen Sie die Klasse in Zweierteams auf.
2. Verteilen Sie das Arbeitsblatt Design and Build a Better Candy Bag sowie einige Blätter Papier zum Skizzieren von Designs. 
3. Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte. Diskutieren Sie über die Herstellung von Papiertüten und geben Sie einige Beispiele für Taschendesigns an, die Sie teilen können. Bitten Sie die Schüler, die Taschendesigns zu vergleichen und zu raten, welche das meiste Volumen und das meiste Gewicht fasst.
4. Überprüfen Sie den Konstruktionsprozess, die Konstruktionsherausforderung, die Kriterien, Einschränkungen und Materialien. 
5. Weisen Sie die Schüler an, mit dem Brainstorming zu beginnen und ihre Entwürfe zu skizzieren.
6. Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
7. Erklären Sie, dass die Schüler einen Bonbonbeutel entwickeln müssen, der robust, funktional und attraktiv ist. Der Beutel muss einen Griff haben und so gestaltet sein, dass er die zum Testen ausgewählten Materialien (Süßigkeiten, Blöcke, Kieselsteine, Reis usw.) auseinanderfallen.
   
   Die Schüler entwerfen, bauen und testen ihre erste Tasche und entwerfen, bauen und testen dann eine zweite Tasche. Das Ziel ist, dass ihre zweite Tasche mehr Gewicht hält als die erste.
8. Geben Sie die Zeit an, die sie zum Entwerfen und Bauen haben (1 Stunde empfohlen).
9. 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. 
10. Die Schüler treffen sich und entwickeln einen Plan für ihre Süßigkeitentüte. Sie vereinbaren Materialien, die sie benötigen, schreiben/zeichnen ihren Plan und präsentieren ihren Plan der Klasse. Teams können unbegrenzt Materialien mit anderen Teams tauschen, um ihre ideale Stückliste zu entwickeln.
11. Teams bauen ihre Entwürfe. 
12. Testen Sie die Stärke des Taschendesigns jedes Teams, indem Sie ein Teammitglied die Tasche an den Griffen halten lassen und gleichzeitig Gewicht in die Tasche legen (Stück für Stück). Das Ziel besteht darin, den Beutel zum Versagen zu zwingen, indem zu viel Gewicht hinzugefügt wird. Sobald der Beutel versagt, wiegen Sie den Beutel und den Inhalt. Dokumentieren Sie das Gewicht, das jede Tasche halten konnte, bevor sie auseinanderfiel, und berechnen Sie das Volumen der Tasche zum Vergleich zwischen den Teams. Das Volumen wird berechnet, indem die Länge, Breite und Höhe jedes Beutels gemessen wird. Berechnen Sie dann das Volumen = Länge x Breite x Höhe.
    
    Jedes Team wird dann eine zweite Tasche neu entwerfen und bauen und dann den Testprozess erneut abschließen. Das Ziel ist, dass ihre zweite Tasche mehr Gewicht hält als die erste.
13. Besprechen Sie als Klasse die Reflexionsfragen der Schüler.
14. Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.

Studentenreflexion (technisches Notizbuch)

1. Wie groß war das ungefähre Volumen der Tasche, als Sie Ihren Prototyp getestet haben? 
2. Wie viel Gewicht hat Ihre Tasche gehalten? 
3. Mussten Sie Ihren ersten Prototypen neu gestalten? Wenn ja warum? Was haben Sie bei Ihrem Redesign entdeckt? Wenn nicht, warum hat Ihr Prototyp Ihrer Meinung nach beim ersten Mal so gut funktioniert? 
4. Was hat Ihnen an Ihrem Design gefallen? 
5. Was hat Ihnen an Ihrem Design nicht gefallen?
6. Was würden Sie aufgrund Ihrer Erfahrung an Ihrem Design ändern?
7. Welche Technologie-, Wissenschafts- und Mathematikkonzepte haben Sie verwendet, als Sie den Prototyp entworfen haben?

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.

Geschichte und Erfinder von Papiertüten 

Im Laufe der Jahre sind eine Vielzahl von Designs für Süßigkeitentüten entstanden. Sie bestehen aus unterschiedlichen Materialien (Papier, Kunststoff, Karton) und sind in unterschiedlichen Formen gestaltet. Einer Erfinderin aus York, ME, namens Margaret Knight (1838-1914), wird die Erfindung eines Verfahrens zum automatischen Falten und Kleben von Papier zugeschrieben, um den quadratischen oder rechteckigen Boden einer Papiertüte zu bilden. Als Kind entwarf Margaret oft mechanische Teile für alles, von Drachen bis hin zu Schlitten. Als sie aufwuchs, arbeitete sie zunächst bei der Columbia Paper Bag Company in Springfield, MA. Damals wurden Papiertüten ähnlich wie Umschläge gefaltet und geklebt. Nach ihrer Arbeitszeit begann Margaret, ein Maschinenteil zu entwerfen, das die für Papiertüten benötigten quadratischen oder rechteckigen Böden automatisch falten und verkleben würde. 

Schließlich entwickelte sie ein Design, von dem sie dachte, dass es funktionieren würde. Sie ließ sich von einem Bostoner Maschinisten ein Eisenmodell des Teils anfertigen, damit sie ein Geschmacksmuster anmelden konnte. Anfangs wurde ihr Design ignoriert, als die Arbeiter in der Fabrik fragten, was eine „Frau über Maschinendesign wissen würde“. Margaret Knight erhielt 1870 ein Patent für ihre Maschine, aber sie musste zuerst einen Prozess mit einem Mann namens Charles Annan durchgehen, der versucht hatte, ihr Design zu stehlen und die Maschine selbst zu patentieren! Nun wird Margaret Knight oft als die Mutter der Einkaufstüte angesehen. Sie arbeitete schließlich mit einem Mann aus Newton, MA, zusammen und gründete 1870 mit ihrer Erfindung eine Firma in Hartford, CT: die Eastern Paper Bag Company. Jetzt ist Margarets Maschine in der Smithsonian Institution in Washington, DC ausgestellt. Besuchen Sie www.smithsonianlegacies.si.edu/objectdescription.cfm?ID=92, um ein Foto ihrer Maschine zu sehen.

• Einschränkungen: Einschränkungen bei Material, Zeit, Teamgröße usw.
• Kriterien: Bedingungen, die das Design erfüllen muss, wie seine Gesamtgröße usw.
• 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).
• Prototyp: Ein Arbeitsmodell der zu testenden Lösung.
• Volumen: Die Menge an Platz, die das Objekt einnimmt. Mit anderen Worten, das Volumen ist ein Maß für die Größe eines Objekts, genau wie Höhe und Breite Größen beschreiben.
• Gewichtskapazität: Gewichtsmenge, die ein Behälter aufnehmen kann.

Internetverbindungen

Project Lead the Way
Grundsätze und Standards des Nationalrats der Mathematiklehrer für Schulmathematik

Literatur-Empfehlungen

Margaret Knight: Girl Inventor, von Marlene Targ Brill (Millbrook Press, ISBN: 0761317562)
Verpackungsprototypen: Designgrundlagen, von Edward Denison und Richard Cawthray (Rotovision, ISBN: 2880463890)
50 Geschäftsgeheimnisse großartigen Designs: Verpackung, von Stafford Cliff (Rockport Publishers, ISBN: 1564968723)

Aktivität schreiben 

Schreiben Sie einen Aufsatz (oder Absatz), in dem Sie erklären, wie ein Milchkarton aus Pappe so konstruiert wurde, dass er stark genug ist, um seinen flüssigen Inhalt zu halten. 

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 Klasse K-4 (4 - 9 Jahre)

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 der Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Eigenschaften von Objekten und Materialien 

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

• Eigenschaften und Veränderungen von Eigenschaften in Materie 

Grundsätze und Standards für die Schulmathematik (6 – 18 Jahre)

Datenanalyse- und Wahrscheinlichkeitsstandards 

- Unterrichtsprogramme vom Vorkindergarten bis zur 12. Klasse sollen allen Schülern ermöglichen: 

• formulieren Sie Fragen, die mit Daten beantwortet werden können, und sammeln, organisieren und zeigen Sie relevante Daten an, um diese zu beantworten.
• auf Daten basierende Schlussfolgerungen und Vorhersagen zu entwickeln und auszuwerten.

Standards für technologische Kompetenz - alle Altersgruppen

Design

• Standard 8: Die Schüler entwickeln ein Verständnis für die Eigenschaften von 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.