Investigación de filtración
Esta lección se centra en cómo los sistemas de filtración resuelven muchos problemas en todo el mundo, como mejorar el agua potable. A través de esta lección, los estudiantes trabajan en equipos para diseñar y construir un sistema de filtración para eliminar la suciedad del agua.
- Aprende sobre diseño de ingeniería.
- Aprenda sobre planificación y construcción.
- Aprender sobre el trabajo en equipo y el trabajo en grupo.
Rangos de Edad: 8 - 18
Materiales de Construcción (para cada equipo)
Materiales necesarios (negociación / tabla de posibilidades)
- Vasos de plástico o papel
- Straws
- Cartulina
- Bolas de algodón
- Toallas de papel
- Envoltura de plástico
- Papel de aluminio
- Bandas de goma
- Palillos de dientes
- Arena
- Acuario u otras rocas pequeñas
- Harina de maíz
- Harina
- Opcional: carbón (no recomendado para estudiantes más jóvenes)
Materiales de Prueba
- 1 recipiente de plástico para cada equipo (para recoger 2 tazas de agua filtrada)
- Suministro de “agua fangosa” (que se obtiene tomando un litro de agua y agregando dos cucharadas de tierra).
Materiales
- 1 recipiente de plástico para cada equipo (para recoger 2 tazas de agua filtrada)
- Suministro de “agua sucia” (que se obtiene tomando un litro de agua y agregando dos cucharadas de tierra).
Proceso
Dé a cada equipo dos tazas de agua "fangosa". Cada equipo prueba su diseño sosteniendo el diseño sobre el recipiente de plástico y vertiendo lentamente el agua en su sistema de filtración. Recoja el agua filtrada en el recipiente para su evaluación y comparación entre equipos.
Como clase, asigne un "grado de claridad" a cada muestra de agua filtrada. Utilice la siguiente puntuación para determinar los resultados del trabajo de cada equipo. El equipo con las puntuaciones más bajas tiene los mejores sistemas de filtración.
- 0 = completamente transparente (ya que puede aparecer agua potable)
- 1 = Queda aproximadamente una cuarta parte de la suciedad
- 2 = Queda aproximadamente la mitad de la suciedad
- 3 = Quedan aproximadamente tres cuartas partes de la suciedad
- 4 = Completamente fangoso (como apareció el agua de la fuente original)
Reto de Diseño
Usted es parte de un equipo de ingenieros a los que se les ha encomendado el desafío de desarrollar un sistema de filtración para eliminar la mayor cantidad posible de suciedad o lodo de una muestra de agua que se le ha proporcionado. Si su sistema funciona, terminará con agua que parece completamente clara. ¡Cómo logras la tarea depende de tu equipo! El equipo con el agua resultante más clara (según una inspección visual) habrá desarrollado el mejor filtro de su clase.
Criterios
- Debe eliminar la mayor cantidad de suciedad o barro posible.
Limitaciones
- Utilizar solo los materiales proporcionados.
- Los equipos pueden intercambiar materiales ilimitados.
- Divida la clase en equipos de 2-3.
- Reparta la hoja de trabajo de Investigación de filtración, así como algunas hojas de papel para dibujar diseños.
- Analice los temas de la sección Conceptos básicos. Sugiera a los equipos de estudiantes que las capas de filtros, o quizás muchas etapas de filtración, pueden resultar en el sistema de filtración más efectivo. Considere preguntar a los estudiantes si un nivel de filtro funcionará mejor o si varias capas podrían ser mejores. Pídales que piensen en cómo funciona un filtro de café. ¿Cómo evita que el café molido entre en el agua?
- Revise el Proceso de Diseño de Ingeniería, el Desafío de Diseño, los Criterios, las Limitaciones y los Materiales.
- Proporcione a cada equipo sus materiales.
- Explique que los estudiantes deben trabajar en equipo para diseñar un sistema de filtración que elimine la mayor cantidad posible de suciedad o sedimentos de un suministro de agua provisto. El equipo con el agua resultante más clara (según una inspección visual) habrá desarrollado el mejor filtro de su clase. Asegúrese de enfatizar que el agua “filtrada”, no importa cuán clara sea, no es apta para beber.
- Anuncie la cantidad de tiempo que tienen para diseñar y construir (se recomienda 1 hora).
- Utilice un temporizador o un cronómetro en línea (función de cuenta atrás) para asegurarse de mantener el tiempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dé a los estudiantes “avisos de tiempo” regulares para que se mantengan concentrados. Si tienen dificultades, hágales preguntas que los llevarán a una solución más rápido.
- Los estudiantes se reúnen y desarrollan un plan para su sistema de filtración. Acuerdan los materiales que necesitarán, escriben / dibujan su plan y presentan su plan a la clase. Los equipos pueden intercambiar materiales ilimitados con otros equipos para desarrollar su lista de piezas ideal.
- Los equipos construyen sus diseños.
- Pruebe los diseños del sistema de filtración dándole a cada equipo dos tazas de agua "fangosa". Cada equipo prueba su diseño sosteniendo el diseño sobre el recipiente de plástico y vertiendo lentamente el agua en su sistema de filtración. Recoja el agua filtrada en el recipiente para su evaluación y comparación entre equipos.
Como clase, asigne un "grado de claridad" a cada muestra de agua filtrada. Utilice la siguiente puntuación para determinar los resultados del trabajo de cada equipo. El equipo con las puntuaciones más bajas tiene los mejores sistemas de filtración.- 0 = completamente transparente (ya que puede aparecer agua potable)
- 1 = Queda aproximadamente una cuarta parte de la suciedad
- 2 = Queda aproximadamente la mitad de la suciedad
- 3 = Quedan aproximadamente tres cuartas partes de la suciedad
- 4 = Completamente fangoso (como apareció el agua de la fuente original)
- Los equipos deben documentar su puntuación.
- Como clase, discuta las preguntas de reflexión de los estudiantes.
- Para obtener más contenido sobre el tema, consulte la sección "Explora Más."
Idea de extensión
Considere establecer un presupuesto para el proyecto, asignar un costo a cada material y solicitar a los equipos que “compren” materiales para crear su sistema de filtración.
Reflexión Estudiantil (cuaderno de ingeniería)
- ¿Logró crear un sistema de filtración que pasara por la fuente de agua? ¿Qué "grado de claridad" logró?
- ¿Qué aspecto de tu diseño crees que funcionó mejor? ¿Por qué?
- ¿Qué aspecto de su diseño habría revisado si le hubiera dado más tiempo? ¿Por qué?
- ¿Qué fue único en el diseño del sistema de filtración en su clase que tuvo los mejores resultados en este desafío? ¿Cómo funcionó mejor que el suyo, si lo hizo, y qué habría hecho de manera diferente si hubiera visto este diseño antes de desarrollar el suyo?
- ¿Decidió revisar su diseño original mientras estaba en la fase de construcción? ¿Por qué? ¿Cómo?
- ¿Crees que ingenieros tienen que adaptar sus planes originales durante la construcción de sistemas o productos? ¿Por qué podrían hacerlo?
- ¿Crees que tu filtro habría podido resistir el paso del agua a través de él durante una hora? ¿Por qué?
- ¿Crees que hubiera podido completar este proyecto más fácilmente si estuvieras trabajando solo or sola? Explica…
- Si hubiera podido utilizar un material o materiales que no se le proporcionaron, ¿qué habría solicitado? ¿Por qué cree que este material podría haber ayudado con el desafío?
- ¿Cuál fue tu parte favorita del desafío? ¿Fase de diseño? Fase de construcción? Fase de prueba? ¿Por qué?
Modificación de Tiempo
La lección se puede realizar en tan solo 1 período de clase para estudiantes mayores. Sin embargo, para ayudar a los estudiantes a no sentirse apresurados y asegurar el éxito de los estudiantes (especialmente para los estudiantes más jóvenes), divida la lección en dos períodos para que los estudiantes tengan más tiempo para intercambiar ideas, probar ideas y finalizar su diseño. Realice las pruebas y el informe en el próximo período de clases.
¿Qué es la filtración?
Hay muchos métodos diferentes de filtración, cada uno tiene el objetivo de separar sustancias. Los sistemas de filtración son importantes para proporcionar agua potable segura, para separar materiales para muchos propósitos, como la investigación o la recolección de muestras puras de un elemento. La forma más sencilla de "filtrar" es hacer pasar una mezcla o solución de un sólido y un fluido (como agua y tierra o lodo) a través de un material o sistema poroso de modo que los sólidos queden atrapados a medida que el fluido lo atraviesa. La búsqueda de oro es un ejemplo de un filtro, donde los buscadores sostienen cacerolas con agujeros perforados en la parte inferior, o equipadas con una pantalla a través de los lechos de los ríos que se cree que contienen pepitas de oro. Los materiales demasiado grandes para pasar a través de la pantalla se exploran para ver si se ha recolectado oro. La filtración se utiliza en instalaciones de tratamiento de residuos donde los tanques de sedimentación permiten la separación. El concepto de filtración se encuentra a nuestro alrededor, en los servicios comunitarios y en los artículos cotidianos del hogar. Un ejemplo es un filtro de café utilizado en una cafetera. El filtro evita que los posos de café lleguen a una taza de café, pero permite el paso de materiales o partículas más pequeñas del café, lo que da como resultado una taza de café sin posos de café. Hay muchos tipos diferentes de filtros que se utilizan para hacer café, algunos de papel, otros de papel reciclado y algunos de metales recubiertos de oro. En cada caso, el tamaño de las aberturas, incluso microscópicas, determinará la cantidad de partículas que atravesarán.
Cómo puede ayudar la gravedad
Los líquidos generalmente fluyen a través del filtro por gravedad. Este es el método más simple y se puede ver revisando el ejemplo de la cafetera. El agua generalmente se deposita en el filtro y luego gotea hacia un recipiente (taza o cafetera) como resultado de la gravedad. En las plantas químicas, la gravedad también se utiliza para separar, y es un método económico ya que no requiere energía adicional.
Materiales y etapas de filtración
Se pueden usar muchos materiales para hacer un filtro ... todo dependiendo de los tipos de líquidos, sólidos o gases que necesiten separarse. Algunos materiales de filtración incluyen papel, arena, tela, carbón y rocas. A menudo se emplean filtros escalonados ... donde un líquido, por ejemplo, puede pasar a través de una serie de filtros diferentes. En este caso, a veces el primer filtro eliminará partículas más grandes, mientras que el segundo, tercer o cuarto filtro eliminará partículas cada vez más pequeñas de sedimento. La imagen de la derecha muestra un sistema de filtración aproximado que podría estar hecho de varillas usando tres etapas diferentes de filtración… ¡pero hay muchas ideas para sistemas y los ingenieros deben desarrollar nuevos sistemas basados en los desafíos que enfrentan!
- Restricciones: limitaciones de material, tiempo, tamaño del equipo, etc.
- Criterios: Condiciones que debe satisfacer el diseño como su tamaño total, etc.
- Ingenieros: inventores y solucionadores de problemas del mundo. Se reconocen veinticinco especialidades importantes en ingeniería (ver infografía).
- Proceso de diseño de ingeniería: los ingenieros de procesos utilizan para resolver problemas.
- Hábitos de la mente de ingeniería (EHM): Seis formas únicas en que piensan los ingenieros.
- Filtro: un dispositivo que se utiliza para eliminar partes no deseadas de algo.
- Sistema de filtración: proceso mediante el cual se eliminan impurezas o partículas de un fluido, ya sea un líquido o un gas.
- Iteración: Probar y rediseñar es una iteración. Repetir (múltiples iteraciones).
- Prototipo: Modelo funcional de la solución a probar.
- Filtro escalonado: el fluido pasa a través de una serie de filtros diferentes. El primer filtro eliminará las partículas más grandes, mientras que el segundo, tercer o cuarto filtro eliminará las partículas de sedimento cada vez más pequeñas.
Enlaces a Internet
- S. Agencia de Protección Ambiental - Agua Subterránea y Agua Potable
- Pacific Institute - El agua del mundo
Lectura Recomendada
- Filtración de líquidos (ISBN: 1408626241) Reutilización de agua (ISBN: 0071459278)
Actividad de Escritura
Escriba un ensayo o un párrafo sobre el tipo de sistemas de filtración que los campistas podrían necesitar si se quedaran sin agua y necesitaran considerar beber agua de un arroyo de pureza desconocida.
Alineación con los marcos curriculares
Nota: Los planes de lecciones de esta serie están alineados con uno o más de los siguientes conjuntos de estándares:
- Estándares de educación científica de EE. UU. (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Estándares de ciencia de la próxima generación de EE. UU. (http://www.nextgenscience.org/)
- Estándares de Alfabetización Tecnológica de la Asociación Internacional de Educación Tecnológica (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Principios y estándares para las matemáticas escolares del Consejo Nacional de Profesores de Matemáticas de EE. UU. (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Estándares Estatales Básicos Comunes de EE. UU. Para Matemáticas (http://www.corestandards.org/Math)
- Estándares de Informática de la Asociación de Maestros de Ciencias de la Computación K-12 (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados K-4 (de 4 a 9 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de
- Propiedades de objetos y materiales
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Tipos de recursos
- Ciencia y tecnología en desafíos locales
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- La ciencia como esfuerzo humano
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 5-8 (edades 10-14)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de
- Propiedades y cambios de propiedades en la materia.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades en los grados 5-8, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Poblaciones, recursos y entornos
- Ciencia y tecnología en la sociedad
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- La ciencia como esfuerzo humano
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 9-12 (14-18 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Estructura y propiedades de la materia.
- Movimientos y fuerzas
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Salud personal y comunitaria
- Recursos naturales
- Ciencia y tecnología en desafíos locales, nacionales y globales
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- La ciencia como esfuerzo humano
Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 2-5 (Edades 7-11)
Materia y sus interacciones
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- 2-PS1-2. Analice los datos obtenidos al probar diferentes materiales para determinar qué materiales tienen las propiedades que se adaptan mejor al propósito previsto.
Diseño de ingeniería
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- 3-5-ETS1-1. Defina un problema de diseño simple que refleje una necesidad o un deseo que incluya criterios específicos para el éxito y limitaciones de materiales, tiempo o costo.
- 3-5-ETS1-2. Genere y compare múltiples soluciones posibles a un problema basándose en qué tan bien es probable que cada una cumpla con los criterios y limitaciones del problema.
- 3-5-ETS1-3.Planificar y realizar pruebas justas en las que se controlen variables y se consideren puntos de falla para identificar aspectos de un modelo o prototipo susceptibles de mejora.
Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 6-8 (Edades 11-14)
Diseño de ingeniería
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- MS-ETS1-2 Evaluar las soluciones de diseño de la competencia mediante un proceso sistemático para determinar qué tan bien cumplen con los criterios y limitaciones del problema.
Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 6-8 (Edades 11-14)
Diseño de ingeniería
- MS-ETS1-3. Analice los datos de las pruebas para determinar similitudes y diferencias entre varias soluciones de diseño para identificar las mejores características de cada una que se pueden combinar en una nueva solución para cumplir mejor con los criterios de éxito.
Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 9-12 (Edades 14-18)
Diseño de ingeniería
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- HS-ETS1-2. Diseñe una solución a un problema complejo del mundo real dividiéndolo en problemas más pequeños y manejables que se pueden resolver mediante ingeniería.
Estándares de alfabetización tecnológica: todas las edades
La naturaleza de la tecnología
- Estándar 1: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las características y el alcance de la tecnología.
Tecnología y Sociedad
- Estándar 6: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la sociedad en el desarrollo y uso de la tecnología.
- Estándar 7: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de la influencia de la tecnología en la historia.
Diseño
- Estándar 9: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del diseño de ingeniería.
- Estándar 10: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la resolución de problemas, la investigación y el desarrollo, la invención y la innovación y la experimentación en la resolución de problemas.
Habilidades para un mundo tecnológico
- Estándar 11: Los estudiantes desarrollarán habilidades para aplicar el proceso de diseño.
- Estándar 13: Los estudiantes desarrollarán habilidades para evaluar el impacto de productos y sistemas.
Ingeniería Industrial
Ingeniería Informática
Usted es parte de un equipo de ingenieros que se ha enfrentado al desafío de desarrollar un sistema de filtración para eliminar la mayor cantidad de suciedad o barro posible de una muestra de agua que se le ha proporcionado. Si su sistema funciona, terminará con agua que parece completamente clara. ¡Cómo logras la tarea depende de tu equipo! El equipo con el agua resultante más clara (según una inspección visual) habrá desarrollado el mejor filtro de su clase.
Etapa de Planificación
Reúnase en equipo y discuta el problema que necesita resolver. Deberá determinar qué materiales solicitará de los muchos artículos cotidianos que su maestro tiene disponibles. En equipo, elaboren su mejor diseño y dibujenlo en el cuadro a continuación. Asegúrese de indicar los materiales que prevé utilizar, incluida la cantidad que solicitará a su maestro. Presenta tu diseño a la clase. Puede optar por revisar el plan de sus equipos después de recibir comentarios de la clase.
diseño:
Materiales necesarios (enumere cada artículo y la cantidad que espera usar):
Fase de Construcción
Construya su sistema de filtrado. Durante la construcción, puede decidir que necesita elementos adicionales o que su diseño debe cambiar. Esto está bien, simplemente haga un nuevo boceto y revise su lista de materiales. Es posible que desee intercambiar artículos con otros equipos o solicitar materiales adicionales a su maestro.
Fase de prueba
Su maestro le proporcionará dos tazas de agua "fangosa". Probará su filtro en el lavabo de un salón de clases y recolectará el agua “filtrada” para una evaluación posterior. Asegúrese de ver las pruebas de los otros equipos y observe cómo diseñaron sus filtros, incluidos los materiales que seleccionaron.
Fase de Evaluación
Usted y su clase serán responsables de asignar un "grado de claridad" a cada muestra de agua filtrada. Utilice el siguiente cuadro para determinar los resultados del trabajo de cada equipo.
| Completamente claro
(ya que puede aparecer agua potable) |
Aproximadamente una cuarta parte de la suciedad permanece | Aproximadamente la mitad de la suciedad permanece | Aproximadamente las tres cuartas partes de la suciedad quedan | Completamente embarrado
(como apareció el agua de la fuente original) |
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
Luego, evalúe los resultados de su equipo, complete la hoja de trabajo de evaluación y presente sus hallazgos a la clase.
- ¿Logró crear un sistema de filtración que pasara por la fuente de agua? ¿Qué "grado de claridad" logró?
- ¿Qué aspecto de tu diseño crees que funcionó mejor? ¿Por qué?
- ¿Qué aspecto de su diseño habría revisado si le hubiera dado más tiempo? ¿Por qué?
- ¿Qué fue único en el diseño del sistema de filtración en su clase que tuvo los mejores resultados en este desafío? ¿Cómo funcionó mejor que el suyo, si lo hizo, y qué habría hecho de manera diferente si hubiera visto este diseño antes de desarrollar el suyo?
- ¿Decidió revisar su diseño original mientras estaba en la fase de construcción? ¿Por qué? ¿Cómo?
- ¿Crees que ingenieros tienen que adaptar sus planes originales durante la construcción de sistemas o productos? ¿Por qué podrían hacerlo?
- ¿Crees que tu filtro habría podido resistir el paso del agua a través de él durante una hora? ¿Por qué?
- ¿Crees que hubiera podido completar este proyecto más fácilmente si estuvieras trabajando solo or sola? Explica…
- Si hubiera podido utilizar un material o materiales que no se le proporcionaron, ¿qué habría solicitado? ¿Por qué cree que este material podría haber ayudado con el desafío?
- ¿Cuál fue tu parte favorita del desafío? ¿Fase de diseño? Fase de construcción? Fase de prueba? ¿Por qué?
