Siit tuleb päike

Design Challenge

Olete inseneride meeskond, kelle ülesandeks on päikeseenergial töötava kalkulaatori demonteerimine ja komponentide uurimine. Seejärel uurite päikesepaneeli ja näete, kuidas see on ühendatud kalkulaatori teiste osadega. Soovitage meeskonnana jõudluse parandamiseks kalkulaatori kujunduse täiustusi.

Kriteeriumid 

• Eemaldage kõik väikesed kruvid, mis hoiavad ülemist ja alumist osa
• Keerake trükkplaat esipaneelilt lahti
• Puudutage päikesepaneeli ja vedelkristallkuvarit (vedelkristallkuvarit) ettevaatlikult, kuna klaasi servad võivad olla teravad.

Piirangud

• Kasutage ainult kaasasolevaid materjale.

1. Murdke klass võistkondadesse 3-4.
2. Jagage tööleht Siin tuleb päike ja mõned paberilehed kavandite visandamiseks.
3. Arutage teemasid jaotises Taustamõisted.
4. Vaadake üle projekteerimise protsess, disaini väljakutse, kriteeriumid, piirangud ja materjalid. Selgitage õpilastele, et nad peaksid olema kindlad, et eemaldavad kõik väiksed kruvid, mis hoiavad kalkulaatori üla- ja alaosa koos, mõned on sageli peidetud padjakeste või kummiribade alla. Neil tuleb ka trükkplaat kalkulaatori esipaneelilt lahti keerata - kruvisid on palju. Samuti peaksid nad päikesepaneeli ja vedelkristallekraani (vedelkristallekraan) puudutades olema väga ettevaatlikud, kuna klaasi servad võivad olla teravad.
5. Juhendage õpilasi alustama ajurünnakuid ja visandama oma kavandeid.
6. Varustage igat meeskonda nende materjalidega.
7. Selgitage, et õpilased peavad tegema 4 sammu:
   • Esimene samm: jälgige meeskonnana, kas kalkulaator töötab, kui blokeerite täielikult päikesepaneeli. Mis juhtub, kui blokeerite päikesepaneeli osaliselt? Kirjutage allpool oma tähelepanekud ja selgitused selle kohta, mida leidsite. 
   • Teine etapp: soovitage veel viit toodet, mida võite mõelda ja mis on kas täielikult või osaliselt päikesepaneelide toitel. 
   • Kolmas etapp: demonteerige meeskonnana teile pakutavate materjalide abil kas uus (odav) või vana kasutuskõlbmatu päikeseenergial töötav kalkulaator. 
   • Neljas etapp: jälgige meeskonnana päikesepaneeli ja vaadake, kuidas see on ühendatud kalkulaatori teiste osadega. Uurige kalkulaatori kõiki muid osi ja arutage, mida leiate. Seejärel tehke ettepanekuid kalkulaatori täiustamiseks.
8. Andke teada, kui kaua nad peavad kalkulaatori lahti võtma ja uurima.
9. Õigel ajal püsimiseks kasutage taimerit või on-line stopperit (loenduri funktsioon). (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Andke õpilastele regulaarselt ajakontrolli, et nad jääksid ülesandele. Kui nad on hädas, esitage küsimusi, mis viivad nad kiiremini lahenduseni.
10. Võistkonnad võtavad lahti ja uurivad oma kalkulaatorit.
11. Võistkonnad peaksid dokumenteerima, kuidas päikesepaneel on ühendatud kalkulaatori teiste osadega. Meeskonnana peaksid nad arutama ja dokumenteerima soovitusi, kuidas tulemuslikkust parandada.
12. Klassina arutage õpilaste mõtisklusküsimusi.
13. Lisateavet selle teema kohta leiate jaotisest „Kaevamine sügavamale“.

Õpilaste mõtisklus (insenerimärkmik)

1. Mitu üksikut osa leidsite? Kirjelda neid.
2. Mis teid kalkulaatori siseosades kõige rohkem üllatas?
3. Kuidas ühendati päikesepaneel trükkplaadiga?
4. Kui selle kalkulaatori jaoks oli varundatud aku, siis kuidas see trükkplaadiga ühendati?
5. Mõned kalkulaatorid töötavad endiselt lahtivõetuna, kui päikesepaneeli ja aku juhtmed on endiselt trükkplaadiga ühendatud. Kas teie kalkulaator töötab endiselt? Kui ühendate juhtmed skotiga uuesti, kas see ikka töötab?
6. Mis te arvate, miks trükkplaati eraldas teie vajutatavatest nuppudest kummist või plastist leht?
7. Mis tüüpi materjal on teie arvates kinnitatud plast- või kummist lehe ja trükkplaadi alla? Mis te arvate, miks insenerid selle lehe oma kavandisse lisasid?
8. Eeldades, et saaksite oma kalkulaatorit taastada, kui rekonstrueeriksite oma kalkulaatori kõigi nuppudega erinevates asendites, kas see töötaks ikkagi korralikult? Miks, miks mitte?
9. Kas oleksite midagi, mida soovitaksite insenerimeeskonna koosseisus demonteeritud kalkulaatori funktsionaalsuse parandamiseks? Lisage kavandatava komponendi või täiustuse joonis või visand ja vastake allolevatele küsimustele:

• Milliseid uusi materjale vajate (kui neid on)
• Millised materjalid või osad kõrvaldate (kui neid on)
• Kuidas see uus toode parandab kalkulaatori funktsionaalsust?

Kuidas mõjutab teie uus kujundus teie arvates selle kalkulaatori maksumust? Miks?

Tundi saab teha vanemate õpilaste jaoks juba 1 tunni jooksul. Kuid selleks, et aidata õpilastel kiirustada ja tagada õpilaste edu (eriti nooremate õpilaste jaoks), jagage tund kaheks perioodiks, andes õpilastele rohkem aega ajurünnakuteks, ideede testimiseks ja nende kujunduse viimistlemiseks. Tehke testimine ja ülevaade järgmisel klassiperioodil.

• Piirangud: materjali, aja, meeskonna suuruse jne piirangud.
• Kriteeriumid: tingimused, millele disain peab vastama, nagu selle üldine suurus jne.
• Insenerid: maailma leiutajad ja probleemide lahendajad. Inseneriteaduses tunnustatakse XNUMX peamist eriala (vaata infograafikut).
• Tehniline projekteerimisprotsess: protsessiinsenerid kasutavad probleemide lahendamiseks. 
• Inseneride harjumused (EHM): kuus ainulaadset viisi, kuidas insenerid mõtlevad.
• Iteratsioon: testimine ja ümberkujundamine on üks iteratsioon. Korda (mitu iteratsiooni).
• Prototüüp: testitava lahenduse töömudel.
• Päikeseenergia: toodetud või pandud tööle päikesevalguse või päikeseenergia soojuse toimel.
• Päikesepatareid: tehke elektrit otse päikesevalgusest.
• Päikeseenergia: otse päikesevalgusest toodetud energia
• Päikesepaneel: valmistatud päikesepatareidest, mis on osa, mis muudab päikesevalguse päikeseenergia elektriks.

Interneti-ühendused

• S. Energeetika osakond, päikeseenergia tehnoloogiate programm
• Riiklik taastuvenergia labor
• Päikeseenergia ajalugu

Soovituslik kirjandus

• Päikeseenergia käsiraamat, 2010. aasta väljaanne: lihtne praktiline juhend päikeseenergia kohta - fotogalvaaniliste päikeseenergiasüsteemide kavandamine ja paigaldamine, autor Michael Boxwell (ISBN: 978-1907670008)
• Päikese jõud: Dan Chirase praktiline juhend päikeseelektri tootmiseks (ISBN: 978-0865716216)

Kirjutustegevus

Kirjutage essee või lõik, milles kirjeldatakse, kuidas päikesepaneelid on valmistatud teie kodus või koolis leiduvaks tooteks. Selgitage, miks on päikeseenergia selle toote toitmiseks hea valik.

Vastavusse viimine õppekava raamistikuga

Märge: Selle seeria tunniplaanid on joondatud ühe või mitme järgmise standardikomplektiga:  

• USA teadushariduse standardid (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• USA järgmise põlvkonna teadusstandardid (http://www.nextgenscience.org/) 
• Rahvusvahelise Tehnoloogiahariduse Assotsiatsiooni tehnilise kirjaoskuse standardid (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• USA matemaatikaõpetajate riikliku nõukogu põhimõte ja koolimatemaatika standardid (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• USA ühised matemaatika põhistandardid (http://www.corestandards.org/Math)
• Arvutiteaduse õpetajate ühing K-12 arvutiteaduse standardid (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Riiklikud teadushariduse standardid K-4 klass (vanuses 4–9)

SISU STANDARD A: Teadus kui uurimine

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Teadusliku uurimise mõistmine 

SISUKORD B: Füüsika

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arendama arusaama

• Esemete ja materjalide omadused 
• Valgus, soojus, elekter ja magnetism 

SISU STANDARD E: teadus ja tehnoloogia 

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Tehnoloogilise disaini võimed 
• Teaduse ja tehnoloogia mõistmine 

Riiklikud teadushariduse standardid 5. – 8. Klass (vanuses 10–14)

SISU STANDARD A: Teadus kui uurimine

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Arusaamine teadusliku uurimise kohta 

SISUKORD B: Füüsika

Oma tegevuse tulemusena peaksid kõik õpilased arendama arusaama

• Energia ülekandmine 

SISU STANDARD E: teadus ja tehnoloogia

5.-8. Klassi tegevuse tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Tehnoloogilise disaini võimed 
• Arusaam teadusest ja tehnoloogiast 

Riiklikud teadushariduse standardid 9. – 12. Klass (vanuses 14–18)

SISU STANDARD A: Teadus kui uurimine

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Arusaamine teadusliku uurimise kohta 

SISUKORD B: Füüsika 

Oma tegevuse tulemusena peaksid kõik õpilased arendama mõistmist

• Energia ja aine vastastikmõjud 

SISU STANDARD E: teadus ja tehnoloogia

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Tehnoloogilise disaini võimed 
• Arusaam teadusest ja tehnoloogiast 

Järgmise põlvkonna teadusstandardid - 3. – 5. Klass (vanuses 8–11)

energia

Üliõpilased, kes näitavad mõistmist, saavad:

• 4-PS3-4. Rakendage teaduslikke ideid seadme kujundamiseks, testimiseks ja täiustamiseks, mis muudab energia ühest vormist teise.

Insenerikujundus 

Üliõpilased, kes näitavad mõistmist, saavad:

• 3-5-ETS1-1. Määratlege lihtne disainiprobleem, mis kajastab vajadust või soovi, mis sisaldab kindlaksmääratud edukriteeriume ning materjalide, aja või kulude piiranguid.
• 3-5-ETS1-2. Looge ja võrrelge probleemile mitu võimalikku lahendust selle põhjal, kui hästi kumbki tõenäoliselt vastab probleemi kriteeriumidele ja piirangutele.

Järgmise põlvkonna teadusstandardid - 6. – 8. Klass (vanuses 11–14)

Insenerikujundus 

Üliõpilased, kes näitavad mõistmist, saavad:

• MS-ETS1-2 Hinnake konkureerivaid disainilahendusi süstemaatilise protsessi abil, et teha kindlaks, kui hästi need vastavad probleemi kriteeriumidele ja piirangutele.

Tehnoloogilise kirjaoskuse standardid - igas vanuses

Tehnoloogia olemus

• 1. standard: õpilased arendavad arusaama tehnoloogia omadustest ja ulatusest.
• Standard 3: Õpilased arendavad arusaama tehnoloogiate suhetest ning seostest tehnoloogia ja teiste õppevaldkondade vahel.

Tehnoloogia ja ühiskond

• Standard 4: Õpilased arendavad arusaama tehnoloogia kultuurilistest, sotsiaalsetest, majanduslikest ja poliitilistest mõjudest.
• Standard 5: Õpilased arendavad arusaama tehnoloogia mõjust keskkonnale.
• Standard 6: Õpilased arendavad arusaama ühiskonna rollist tehnoloogia arendamisel ja kasutamisel.

Tehnoloogilise kirjaoskuse standardid - igas vanuses

Disain

• 8. standard: Õpilased saavad aru disaini omadustest.
• Standard 9: Õpilased arendavad arusaama inseneridisainist.
• Standard 10: Õpilased arendavad arusaamist tõrkeotsingu, uurimis- ja arendustegevuse, leiutamise ja innovatsiooni ning eksperimenteerimise rollist probleemide lahendamisel.

Tehnoloogilise maailma võimed

• Standard 13: Õpilased arendavad võimeid toodete ja süsteemide mõju hindamiseks.

Kujundatud maailm

• Standard 16: Õpilased arendavad arusaamist energia- ja elektritehnoloogiast ning oskavad neid valida ja kasutada.

• araabia
• suahiili