Teleskopisches Periskop

Design-Herausforderung

Sie sind Teil eines Teams von Ingenieuren, die vor der Herausforderung stehen, Ihr eigenes Periskop zu entwickeln. Ihr Periskop muss über verstellbare Spiegel verfügen und teleskopierbar sein. Seien Sie außerdem kreativ und stellen Sie sicher, dass Ihr Periskop sich von den Designs anderer Teams unterscheidet.

Tipp: Ein Periskop kann hergestellt werden, indem man einen Schlitz in zwei Milchkartons öffnet und an jedem Ende zwei Spiegel im 45-Grad-Winkel einsetzt. Sie können eine lange Schachtel oder zwei Milchkartons verwenden, die Sie verbinden ... oder unser eigenes Design entwickeln.

Eigenschaften

• Design muss teleskopierbar sein.
• Spiegel müssen verstellbar sein.
• Design muss einzigartig und optisch ansprechend sein.

Einschränkungen

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

1. Teilen Sie die Klasse in Teams von 3-4 Personen auf.
2. Verteilen Sie das Arbeitsblatt zum Teleskopieren des Periskops sowie einige Blätter Papier zum Skizzieren von Designs.
3. Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte. Besuchen Sie die Wikipedia-Seite zu Periskopen unter https://en.wikipedia.org/wiki/Periscope um die Prinzipien zu überprüfen, wie Spiegel und Reflexionen für den Betrieb des Periskops von entscheidender Bedeutung sind.
   Weisen Sie die Schüler an, dass ein Periskop ein Instrument ist, das ein System von Prismen, Linsen oder Spiegeln verwendet, um Bilder durch eine Röhre zu reflektieren. Licht von einem entfernten Objekt trifft auf den oberen Spiegel und wird dann in einem Winkel von 90 Grad durch das Periskoprohr reflektiert. Am unteren Rand des Periskops trifft das Licht auf einen anderen Spiegel und wird dann in das Auge des Betrachters reflektiert. Periskop kommt von zwei griechischen Wörtern, peri, was „um“ bedeutet, und scopus, „schauen“. Teleskopieren in der Mechanik beschreibt die Bewegung eines Teils, das aus einem anderen herausgleitet, wodurch ein Objekt (z. B. ein Periskop) aus seiner Ruheposition verlängert wird.
4. Überprüfen Sie den Konstruktionsprozess, die Konstruktionsherausforderung, die Kriterien, Einschränkungen und Materialien.
5. Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
6. Erklären Sie, dass die Schüler ihr eigenes Periskop entwerfen und bauen müssen. Das Periskop muss verstellbare Spiegel haben und teleskopierbar sein. Außerdem sollte das Design kreativ und einzigartig von anderen Teams sein.
7. Geben Sie die Zeit an, die sie zum Entwerfen und Bauen haben (1 Stunde empfohlen).
8. 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.
9. Die Schüler treffen sich und entwickeln einen Plan für ihr Periskop. 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.
10. Teams bauen ihre Entwürfe.
11. Testen Sie das Periskopdesign jedes Teams, indem Sie die Teammitglieder eine Reihe von Hinweisen lesen lassen, die sich außerhalb des direkten Blickfelds befinden. Diese Hinweise können auf die Innenseite eines Schranks geklebt, auf einen Türvorsprung oder andere Bereiche gelegt werden, die eine Herausforderung darstellen. Hinweis Nr. 1 kann die Schüler auf die Position von Hinweis Nr. 2 usw. hinweisen.
    Weisen Sie jedem Team Punkte zum Vergleich zu:
    ● 80 Punkte = jedem Hinweis gefolgt
    ● Eindeutigkeitspunktzahl = 0-10 Punkteskala (abgestimmt von der Klasse, wobei der Lehrer den endgültigen Punktwert bestimmt)
    ● Kreativitätsbewertung = 0-10 Punkteskala (abgestimmt von der Klasse, wobei der Lehrer den endgültigen Punktwert bestimmt)
12. Besprechen Sie als Klasse die Reflexionsfragen der Schüler.
13. Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.

Zusätzliche Herausforderung

Für zusätzliche Herausforderungen haben Sie einen Hinweis unter Wasser, sodass das Periskop möglicherweise wasserdicht sein muss, oder haben Sie einen Hinweis an einem dunklen Ort, sodass das Periskop eine Lichtquelle enthalten muss. Es liegt an Ihnen, die Herausforderung so einfach oder kompliziert zu gestalten, wie es dem Klassenalter, der Mischung und der verfügbaren Zeit am besten entspricht.

Erweiterungsidee

Fordern Sie ältere oder fortgeschrittene Schüler heraus, ein Periskop mit einer Webcam zu erstellen.

Studentenreflexion (technisches Notizbuch)

1. Wie ähnlich war Ihr ursprüngliches Design dem tatsächlichen Periskop, das Ihr Team gebaut hat?
2. Wenn Ihr Team festgestellt hat, dass Sie während der Bauphase Änderungen vornehmen müssen, beschreiben Sie, warum Überarbeitungen erforderlich waren.
3. Welches Periskop, das ein anderes Team erstellt hat, war für Sie am interessantesten? Wieso den?
4. Glauben Sie, dass diese Aktivität im Team lohnender war, oder hätten Sie es vorgezogen, allein daran zu arbeiten? Wieso den?
5. Wenn Sie ein zusätzliches Material (Klebeband, Leim, Holzstäbchen, Folie – als Beispiel) hätten verwenden können, welches würden Sie wählen und warum?
6. Glauben Sie, dass Ingenieure häufig ihre Konstruktion ändern, wenn sie in die Fertigungsphase einer neuen Produktentwicklung eintreten? Warum oder warum nicht?

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.

• 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).
• Periskop: Ein Instrument, das verwendet wird, um etwas aus einer verborgenen Position zu beobachten.
• Prototyp: Ein Arbeitsmodell der zu testenden Lösung.
• Teleskopieren: Die Bewegung eines Teils, das aus einem anderen herausgleitet, wodurch ein Objekt (wie Ihr Periskop) aus seiner Ruheposition verlängert wird.

Internetverbindungen

• Wikipedia-Periskop
• GuS GmbH & Co. Periskop Hersteller
• Kollmorgen elektrooptisches Periskop Herstellergeschichte

Literatur-Empfehlungen

• Illustriertes Verzeichnis der U-Boote der Welt (ISBN: 978-0760313459)

Aktivität schreiben

Schreiben Sie einen Aufsatz oder einen Absatz darüber, wie eine Erfindung wie das Periskop dazu beigetragen hat, im Ersten Weltkrieg Leben zu retten.

Anpassung an Curriculum Frameworks

Hinweis: Die Unterrichtspläne dieser Reihe richten sich nach einem oder mehreren der folgenden Standards:  

• US-amerikanische Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Wissenschaftsstandards der nächsten Generation der USA (http://www.nextgenscience.org/) 
• Standards der International Technology Education Association für technologische Kompetenz (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• US National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• US Common Core State Standards 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 Klassen K-4 (Alter 4-9)

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 
• Position und Bewegung von Objekten 
• Licht, Wärme, Elektrizität und Magnetismus 

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie 

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten des technologischen Designs 

INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Arten von Ressourcen 
• Wissenschaft und Technologie in lokalen Herausforderungen 

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 A: Wissenschaft als Anfrage

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind 

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Eigenschaften und Veränderungen von Eigenschaften in Materie 

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 

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 5-8 (Alter 10-14)

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft als menschliches Unterfangen 
• Wissenschaftsgeschichte 

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

• Wechselwirkungen von Energie und Materie 

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 

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft als menschliches Unterfangen 
• Historische Perspektiven 

Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, Klassen 3-5 (Alter 8-11)

Wellen und ihre Anwendungen in Technologien für den Informationstransfer

• 4-PS4-2. Entwickeln Sie ein Modell, um zu beschreiben, dass Licht, das von Objekten reflektiert wird und in das Auge eindringt, das Sehen von Objekten ermöglicht.

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-ETS1-1 Definieren Sie die Kriterien und Einschränkungen eines Entwurfsproblems mit ausreichender Präzision, um eine erfolgreiche Lösung sicherzustellen, unter Berücksichtigung relevanter wissenschaftlicher Prinzipien und potenzieller Auswirkungen auf Mensch und Natur, die mögliche Lösungen einschränken 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.

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.

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 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.

Fähigkeiten für eine technologische Welt

• Standard 11: Die Studierenden entwickeln Fähigkeiten zur Anwendung des Designprozesses.