Istraživanje filtracije

Ova se lekcija fokusira na to kako sustavi za filtriranje rješavaju mnoge probleme širom svijeta, poput poboljšanja pitke vode. Kroz ovu lekciju studenti u timovima rade na dizajniranju i izgradnji sustava filtracije za uklanjanje prljavštine iz vode.

  • Saznajte više o inženjerskom dizajnu.
  • Saznajte više o planiranju i izgradnji.
  • Saznajte o timskom radu i radu u skupinama.

Starosne razine: 8-18

Građevinski materijali (za svaki tim)

Potrebni materijali (trgovanje / tablica mogućnosti)

  • Plastične ili papirnate čaše
  • slamke
  • Karton
  • Kuglice od pamuka
  • Papirnati ručnici
  • Plastični omot
  • Aluminijska folija
  • Gumene trake
  • Čačkalice
  • Pijesak
  • Akvarij ili druge male stijene
  • palentom
  • Brašno
  • Izborno: ugljen (ne preporučuje se mlađim studentima)

Materijali za ispitivanje

  • 1 plastična posuda za svaki tim (za sakupljanje 2 šalice filtrirane vode)
  • Opskrba "mutnom vodom" (napravljena uzimanjem litre vode i dodavanjem dvije žlice prljavštine).

Materijali

  • 1 plastična posuda za svaki tim (za sakupljanje 2 šalice filtrirane vode)
  • Opskrba "prljavom vodom" (napravljena uzimanjem litre vode i dodavanjem dvije žlice prljavštine).

Postupak

Dajte svakoj ekipi dvije šalice "mutne" vode. Svaki tim testira svoj dizajn držeći dizajn iznad plastične posude i polako ulijevajući vodu u svoj sustav za filtriranje. Skupite filtriranu vodu u spremnik radi procjene i usporedbe po timovima.

Kao razred dodijelite ocjenu jasnoće svakom uzorku filtrirane vode. Upotrijebite sljedeće bodovanje kako biste utvrdili rezultate rada svakog tima. Timovi s nižim rezultatima imaju bolje sustave filtriranja.

  • 0 = Potpuno bistro (jer se može pojaviti pitka voda)
  • 1 = Otprilike četvrtina prljavštine ostaje
  • 2 = Otprilike polovina prljavštine ostaje
  • 3 = Otprilike tri četvrtine prljavštine ostaje
  • 4 = Potpuno mutno (kako se pojavila izvorna voda)

Dizajn Challenge

Dio ste inženjerskog tima koji je dobio izazov razviti sustav filtracije kako bi uklonio što više nečistoće ili blata iz uzorka vode koji ste dobili. Ako vaš sustav radi, na kraju ćete dobiti vodu koja izgleda potpuno bistro. Kako ćete izvršiti zadatak, ovisi o vašem timu! Tim s najčišćom dobivenom vodom (na temelju vizualnog pregleda) razvit će najbolji filtar u klasi.

Kriteriji

  • Morate ukloniti što više prljavštine ili blata.

ograničenja

  • Koristite samo isporučene materijale.
  • Timovi mogu trgovati neograničenim materijalima.
  1. Razbijte razred u timove od 2-3.
  2. Podijelite radni list Filtration Investigation, kao i neke listove papira za skiciranje dizajna.
  3. Raspravljajte o temama u odjeljku Pozadinski koncepti. Predložite studentskim timovima da slojevi filtara – ili možda mnoge faze filtracije – mogu rezultirati najučinkovitijim sustavom filtracije. Razmislite o tome da pitate učenike hoće li jedna razina filtra raditi najbolje ili bi više slojeva moglo biti bolje. Neka razmisle o tome kako funkcionira filter za kavu. Kako sprječava da mljevena kava ne uđe u vodu?
  4. Pregledajte postupak tehničkog dizajna, izazov dizajna, kriterije, ograničenja i materijale.
  5. Osigurajte svakom timu svoje materijale.
  6. Objasnite da studenti moraju timski dizajnirati sustav filtriranja kako bi se uklonila što više nečistoće ili taloga iz osigurane opskrbe vodom. Tim s najčišćom dobivenom vodom (na temelju vizualnog pregleda) razvit će najbolji filtar u klasi. Svakako naglasite da "filtrirana" voda, bez obzira koliko je bistra, nije prikladna za piće.
  7. Najavite koliko im vremena treba za projektiranje i izradu (preporučuje se 1 sat).
  8. Upotrijebite tajmer ili internetsku štopericu (značajka odbrojavanja) kako biste osigurali da budete na vremenu. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dajte učenicima redovite "vremenske provjere" kako bi ostali na zadatku. Ako se muče, postavljajte pitanja koja će ih brže dovesti do rješenja.
  9. Studenti se sastaju i razvijaju plan za svoj sustav filtriranja. Dogovaraju se o materijalima koji će im trebati, napišu / nacrtaju svoj plan i prezentiraju svoj plan razredu. Timovi mogu trgovati neograničenim materijalima s drugim timovima kako bi razvili svoj popis idealnih dijelova.
  10. Timovi grade svoje dizajne.
  11. Testirajte dizajn sustava filtracije dajući svakom timu dvije šalice "mutne" vode. Svaki tim testira svoj dizajn držeći dizajn iznad plastične posude i polako ulijevajući vodu u svoj sustav za filtriranje. Skupite filtriranu vodu u spremnik radi procjene i usporedbe po timovima.
    Kao razred dodijelite ocjenu jasnoće svakom uzorku filtrirane vode. Upotrijebite sljedeće bodovanje kako biste utvrdili rezultate rada svakog tima. Timovi s nižim rezultatima imaju bolje sustave filtriranja.

    • 0 = Potpuno bistro (jer se može pojaviti pitka voda)
    • 1 = Otprilike četvrtina prljavštine ostaje
    • 2 = Otprilike polovina prljavštine ostaje
    • 3 = Otprilike tri četvrtine prljavštine ostaje
    • 4 = Potpuno mutno (kako se pojavila izvorna voda)
  12. Timovi bi trebali dokumentirati svoj rezultat.
  13. Kao razred razgovarajte o pitanjima za razmišljanje učenika.
  14. Za više sadržaja o toj temi, pogledajte odjeljak "Dublje kopanje".

Ideja za produženje

Razmislite o postavljanju proračuna za projekt, dodjeljivanju troškova svakom materijalu i zahtijevanju od timova da "kupe" materijale kako bi stvorili svoj sustav filtriranja.

Refleksija učenika (inženjerska bilježnica)

  1. Jeste li uspjeli stvoriti sustav za filtriranje koji je prolazio kroz izvornu vodu? Koji ste „stupanj jasnoće“ postigli?
  2. Koji aspekt vašeg dizajna smatrate najboljim? Zašto?
  3. Koji biste aspekt vašeg dizajna revidirali da mu je dano više vremena? Zašto?
  4. Što je jedinstveno u dizajnu sustava filtracije u vašoj klasi koji je postigao najbolje rezultate u ovom izazovu? Kako je to funkcioniralo bolje od vašeg, da jest, i što biste učinili drugačije da ste vidjeli ovaj dizajn prije nego što ste razvili vlastiti?
  5. Jeste li odlučili revidirati svoj izvorni dizajn dok ste bili u fazi gradnje? Zašto? Kako?
  6. Mislite li da inženjeri moraju prilagoditi svoje originalne planove tijekom gradnje sustava ili proizvoda? Zašto bi mogli?
  7. Mislite li da bi vaš filter mogao izdržati vodu koja prolazi kroz njega sat vremena? Zašto?
  8. Mislite li da biste lakše mogli dovršiti ovaj projekt da radite sami? Objasniti…
  9. Da ste mogli koristiti materijal ili materijale koji vam nisu dostavljeni, što biste zatražili? Zašto mislite da je ovaj materijal mogao pomoći u izazovu?
  10. Koji vam je bio najdraži dio izazova? Faza dizajna? Faza gradnje? Faza testiranja? Zašto?

Izmjena vremena

Lekcija se može izvoditi za samo 1 sat za starije učenike. Međutim, kako biste učenicima pomogli da se osjećaju požurjeno i kako bi osigurali uspjeh učenika (posebno za mlađe učenike), podijelite lekciju u dva razdoblja dajući studentima više vremena za mozganje, testiranje ideja i doradu njihovog dizajna. Provedite testiranje i izvođenje u slijedećem razrednom terminu.

Što je filtracija?

Chaser223-bigstock.com

Postoji mnogo različitih metoda filtriranja, a svaka ima za cilj razdvajanje tvari. Sustavi filtracije važni su za osiguravanje sigurne vode za piće, za odvajanje materijala u mnoge svrhe, poput istraživanja ili sakupljanja čistih uzoraka elementa. Najjednostavniji način "filtriranja" je propuštanje smjese ili otopine krutine i tekućine (poput vode, prljavštine ili blata) kroz porozni materijal ili sustav tako da se krute tvari zarobljavaju dok tekućina prolazi. Prikazivanje zlata primjer je filtra, gdje prospektori drže posude s rupama probijenim u dnu ili opremljene zaslonom kroz korita rijeka za koja se smatra da sadrže zlatne grumenke. Zatim se istražuju materijali preveliki da bi mogli stati na ekran da bi se utvrdilo je li prikupljeno zlato. Filtracija se koristi u postrojenjima za obradu otpada gdje taložnici omogućuju odvajanje. Koncept filtracije nalazimo svugdje oko nas, u zajednicama i svakodnevnim predmetima kod kuće. Primjer je filtar za kavu koji se koristi u aparatu za kavu. Filter sprečava talog kave da dođe do šalice kave, ali omogućuje prolazak manjih materijala ili čestica kave, što rezultira šalicom kave bez taloga kave. Mnogo je različitih vrsta filtara koji se koriste za izradu kave, neki od papira, neki od recikliranog papira, a neki od metala presvučenih zlatom. U svakom slučaju, veličina otvora - čak i mikroskopska - odredit će koliko će čestica proći.

 

Kako gravitacija može pomoći

jeffbanke-bigstock.com

Tekućina obično teče kroz filter gravitacijom. Ovo je najjednostavnija metoda i može se vidjeti revidiranjem primjera aparata za kavu. Voda obično sjedne u filtar, a zatim kaplje dolje u posudu (šalicu ili lonac za kavu) kao rezultat gravitacije. U kemijskim postrojenjima gravitacija se također koristi za odvajanje - i ekonomična je metoda jer ne zahtijeva dodatnu energiju.

Filtracijski materijali i faze

Boysloso-bigstock.com

Mnogi materijali mogu se koristiti za izradu filtra ... sve ovisno o vrstama tekućina, krutina ili plinova koje treba odvojiti. Neki filtracijski materijali uključuju papir, pijesak, tkaninu, ugljen i kamenje. Često se koriste stupnjevani filtri ... gdje tekućina, na primjer, može proći kroz niz različitih filtara. U tom će slučaju ponekad prvi filtar eliminirati veće čestice, dok će drugi, treći ili četvrti filtar eliminirati sve manje čestice sedimenta. Slika desno prikazuje grubi sustav filtracije koji se može napraviti od štapića pomoću tri različite faze filtriranja ... ali postoji mnogo ideja za sustave i inženjeri moraju razviti nove sustave na temelju izazova s ​​kojima se suočavaju!

  • Ograničenja: Ograničenja s materijalom, vremenom, veličinom tima itd.
  • Kriteriji: Uvjeti koje dizajn mora zadovoljiti poput ukupne veličine itd.
  • Inženjeri: izumitelji i rješavači problema svijeta. U inženjerstvu je priznato dvadeset pet glavnih specijalnosti (vidi infografiku).
  • Proces inženjerskog dizajna: Procesni inženjeri koriste za rješavanje problema. 
  • Inženjerske navike uma (EHM): Šest jedinstvenih načina na koje inženjeri razmišljaju.
  • Filter: uređaj koji se koristi za uklanjanje neželjenih dijelova iz nečega.
  • Sustav filtracije: Proces kojim se nečistoće ili čestice uklanjaju iz tekućine, bilo tekućine ili plina.
  • Iteracija: Test & redizajn je jedna iteracija. Ponavljanje (više ponavljanja).
  • Prototip: Radni model rješenja za testiranje.
  • Postupni filtar: Tekućina prolazi kroz niz različitih filtera. Prvi filter će eliminirati veće čestice, dok će drugi, treći ili četvrti filter eliminirati sve manje čestice sedimenta.

Internetske veze

Preporučena literatura

  • Tekuća filtracija (ISBN: 1408626241) Ponovna upotreba vode (ISBN: 0071459278)

Aktivnost pisanja

Napišite esej ili odlomak o vrsti sustava za filtriranje koje bi kamperi možda trebali upotrijebiti ako im je ponestalo vode i ako treba razmotriti pitku vodu iz mlaza nepoznate čistoće vode.

Usklađivanje s okvirima kurikuluma

Bilješka: Planovi lekcija u ovoj seriji usklađeni su s jednim ili više sljedećih skupova standarda:  

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi K-4 (uzrasti 4 - 9)

SADRŽAJ STANDARD A: Znanost kao upit

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

  • Sposobnosti potrebne za znanstveno istraživanje 

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

  • Svojstva predmeta i materijala 

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija 

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

  • Sposobnosti tehnološkog dizajna 

SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

  • Vrste resursa 
  • Znanost i tehnologija u lokalnim izazovima 

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

  • Znanost kao ljudski pothvat 

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 5-8 (u dobi od 10 do 14 godina)

SADRŽAJ STANDARD A: Znanost kao upit

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

  • Sposobnosti potrebne za znanstveno istraživanje 

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

  • Svojstva i promjene svojstava u materiji 

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti u 5-8. Razredima, svi bi se učenici trebali razvijati

  • Sposobnosti tehnološkog dizajna 
  • Razumijevanje znanosti i tehnologije 

SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

  • Stanovništvo, resursi i okruženja 
  • Znanost i tehnologija u društvu 

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

  • Znanost kao ljudski pothvat 

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 9-12 (dobi 14-18)

SADRŽAJ STANDARD A: Znanost kao upit

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

  • Sposobnosti potrebne za znanstveno istraživanje 

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost 

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

  • Građa i svojstva materije 
  • Pokreti i sile 

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

  • Sposobnosti tehnološkog dizajna 
  • Razumijevanje znanosti i tehnologije 

SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

  • Osobno zdravlje i zdravlje zajednice 
  • Prirodni resursi 
  • Znanost i tehnologija u lokalnim, nacionalnim i globalnim izazovima 

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

  • Znanost kao ljudski pothvat 

Znanstveni standardi sljedeće generacije, razredi 2-5 (dob 7-11)

Materija i njezine interakcije 

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

  • 2-PS1-2. Analizirajte podatke dobivene ispitivanjem različitih materijala kako biste utvrdili koji materijali imaju svojstva koja su najprikladnija za namjeravanu svrhu.

Inženjerski dizajn 

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

  • 3-5-ETS1-1.Definirajte jednostavan dizajn problem koji odražava potrebu ili želju koji uključuje određene kriterije za uspjeh i ograničenja na materijale, vrijeme ili troškove.
  • 3-5-ETS1-2. Izradite i usporedite više mogućih rješenja problema na temelju toga koliko je vjerojatno da će svako zadovoljiti kriterije i ograničenja problema.
  • 3-5-ETS1-3.Plan i izvršiti poštena ispitivanja u kojima se kontroliraju varijable i uzimaju u obzir točke otkaza kako bi se identificirali aspekti modela ili prototipa koji se mogu poboljšati.

Znanstveni standardi sljedeće generacije, razredi 6-8 (dob 11-14)

Inženjerski dizajn 

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

  • MS-ETS1-2 Procijenite konkurentska rješenja dizajna pomoću sustavnog postupka kako biste utvrdili koliko dobro zadovoljavaju kriterije i ograničenja problema.

Znanstveni standardi sljedeće generacije, razredi 6-8 (dob 11-14)

Inženjerski dizajn 

  • MS-ETS1-3. Analizirajte podatke iz testova kako biste utvrdili sličnosti i razlike između nekoliko projektnih rješenja kako biste identificirali najbolje karakteristike svakog od njih koje se mogu kombinirati u novo rješenje kako bi se bolje zadovoljili kriteriji za uspjeh.

Znanstveni standardi sljedeće generacije, razredi 9-12 (dob 14-18)

Inženjerski dizajn 

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

  • HS-ETS1-2.Dizajnirajte rješenje složenog stvarnog svijeta raščlanjivanjem na manje, rješive probleme koji se mogu riješiti inženjeringom.

Standardi za tehnološku pismenost - sva vijeka

Priroda tehnologije

  • Standard 1: Studenti će razviti razumijevanje karakteristika i opsega tehnologije.

Tehnologija i društvo

  • Standard 6: Studenti će razviti razumijevanje uloge društva u razvoju i korištenju tehnologije.
  • Standard 7: Studenti će razviti razumijevanje utjecaja tehnologije na povijest.

dizajn

  • Standard 9: Studenti će razviti razumijevanje inženjerskog dizajna.
  • Standard 10: Studenti će razviti razumijevanje uloge rješavanja problema, istraživanja i razvoja, izuma i inovacija te eksperimentiranja u rješavanju problema.

Sposobnosti za tehnološki svijet

  • Standard 11: Studenti će razviti sposobnosti za primjenu postupka dizajniranja.
  • Standard 13: Studenti će razviti sposobnosti za procjenu utjecaja proizvoda i sustava.
StockphotoVideo-bigstock.com

Dio ste inženjerskog tima koji je dobio izazov razviti sustav filtracije kako bi uklonio što više nečistoće ili blata iz uzorka vode koji ste dobili. Ako vaš sustav radi, na kraju ćete dobiti vodu koja izgleda potpuno bistro. Kako ćete izvršiti zadatak, ovisi o vašem timu! Tim s najčišćom dobivenom vodom (na temelju vizualnog pregleda) razvit će najbolji filtar u klasi.

Faza planiranja

Sastanite se kao tim i razgovarajte o problemu koji trebate riješiti. Morat ćete odrediti koje ćete materijale zatražiti od mnogih svakodnevnih predmeta koje vaš učitelj ima na raspolaganju. Kao tim izradite svoj najbolji dizajn i nacrtajte ga u donjem okviru. Obavezno naznačite materijale koje predviđate, uključujući količinu koju ćete zatražiti od svog učitelja. Predstavite svoj dizajn razredu. Nakon što primite povratnu informaciju od predavanja, možete revidirati plan svojih timova.

Dizajn:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Potrebni materijali (navedite sve stavke i količinu koju očekujete):

 

 

 

 

 

 

 

Faza izgradnje

Izgradite svoj sustav filtra. Tijekom gradnje možete odlučiti da su vam potrebni dodatni predmeti ili da vaš dizajn treba promijeniti. Ovo je u redu - samo napravite novu skicu i revidirajte svoj popis materijala. Možda ćete htjeti mijenjati predmete s drugim timovima ili zatražiti dodatne materijale od svog učitelja.

Faza ispitivanja

Učitelj će vam pružiti dvije šalice "mutne" vode. Testirat ćete filtar u bazenu učionice i prikupiti "filtriranu" vodu za kasnije ocjenjivanje. Svakako gledajte testove ostalih timova i promatrajte kako su dizajnirali svoje filtre, uključujući materijale koje su odabrali.

Faza procjene

Vi i vaš razred bit ćete odgovorni za dodjeljivanje ocjene jasnoće svakom uzorku filtrirane vode. Koristite sljedeću tablicu za određivanje rezultata rada svakog tima.

Potpuno jasno

(kako se može pojaviti pitka voda)

Ostaje oko četvrtine prljavštine Otprilike polovica prljavštine ostaje Ostaje oko tri četvrtine prljavštine Potpuno blatnjav

(kako se pojavila izvorna voda)

0 1 2 3 4

 

Zatim procijenite rezultate svog tima, popunite radni list za evaluaciju i predstavite svoja saznanja predavanju.

  1. Jeste li uspjeli stvoriti sustav za filtriranje koji je prolazio kroz izvornu vodu? Koji ste „stupanj jasnoće“ postigli?

 

 

 

 

 

 

  1. Koji aspekt vašeg dizajna smatrate najboljim? Zašto?

 

 

 

 

 

 

  1. Koji biste aspekt vašeg dizajna revidirali da mu je dano više vremena? Zašto?

 

 

 

 

 

 

  1. Što je jedinstveno u dizajnu sustava filtracije u vašoj klasi koji je postigao najbolje rezultate u ovom izazovu? Kako je to funkcioniralo bolje od vašeg, da jest, i što biste učinili drugačije da ste vidjeli ovaj dizajn prije nego što ste razvili vlastiti?

 

 

 

 

 

 

  1. Jeste li odlučili revidirati svoj izvorni dizajn dok ste bili u fazi gradnje? Zašto? Kako?

 

 

 

 

 

 

  1. Mislite li da inženjeri moraju prilagoditi svoje originalne planove tijekom gradnje sustava ili proizvoda? Zašto bi mogli?

 

 

 

 

 

 

  1. Mislite li da bi vaš filter mogao izdržati vodu koja prolazi kroz njega sat vremena? Zašto?

 

 

 

 

 

 

  1. Mislite li da biste lakše mogli dovršiti ovaj projekt da radite sami? Objasniti…

 

 

 

 

 

 

  1. Da ste mogli koristiti materijal ili materijale koji vam nisu dostavljeni, što biste zatražili? Zašto mislite da je ovaj materijal mogao pomoći u izazovu?

 

 

 

 

 

 

  1. Koji vam je bio najdraži dio izazova? Faza dizajna? Faza gradnje? Faza testiranja? Zašto?

 

 

 

 

 

 

Učitavanje studentske potvrde o završenom studiju