Mjerenje vjetra

Građevinski materijali (za svaki tim)

Potrebni materijali (trgovanje / tablica mogućnosti)

• Aluminijska folija
• Šalice od plastike / papira / stiropora
• Niz
• Žica koja se može saviti (tj. Žica za cvjećare ili obrt)
• slamke
• Drveni zanatski štapići
• Male drvene žlice
• Mali komadići drveta (balze)
• Spajalice
• Gumene trake
• Čačkalice
• Karton
• Plastični omot

Materijali za ispitivanje

• Sušilo za kosu ili ventilator s 3 postavke brzine (ili ako ste u vjetrovitom okruženju, testiranje možete dovršiti vani)
• Papir na kockice

Dizajn Challenge

Vi ste tim inženjera koji su dobili izazov dizajnirati i izraditi vlastiti anemometar od svakodnevnih materijala. Također morate osmisliti sustav za mjerenje i bilježenje brzine vjetra kako pokazuje vaš anemometar.

Kriteriji

• Gornji dio mora se moći slobodno kretati bez otpora za brzo okretanje ili okretanje.
• Mora biti u stanju održavati vjetar koji stvara ventilator ili sušilo za kosu različitim brzinama
• Mora postojati način mjerenja i crtanja rotacija pri različitim brzinama vjetra

ograničenja

• Koristite samo isporučene materijale.
• Timovi mogu trgovati neograničenim materijalima.

1. Razbijte razred u timove od 2-3.
2. Podijelite radni list Measuring the Wind, kao i neke listove papira za skiciranje dizajna.
3. Raspravite o temama u odjeljku Pozadinski koncepti. Razmislite o tome da pitate učenike žele li napraviti dizajn s 4 ili 3 šalice i zašto. Morat će odrediti koju će ljestvicu koristiti za mjerenje brzine vjetra.
4. Pregledajte postupak tehničkog dizajna, izazov dizajna, kriterije, ograničenja i materijale.
5. Osigurajte svakom timu svoje materijale.
6. Objasnite da studenti moraju dizajnirati i izraditi vlastiti radni anemometar od svakodnevnih materijala, te da tim mora osmisliti sustav za mjerenje i bilježenje brzine vjetra kako pokazuje njihov anemometar
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 anemometar. 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.
   ● Studenti će vjerojatno izmjeriti broj okretaja svog anemometra, pa ćete možda morati predložiti da je jedna od šalica ili hvatača vjetra drugačije boje od ostalih radi lakšeg brojanja okretaja.
   ● Gornji dio mora se moći slobodno kretati bez otpora za brzo okretanje ili okretanje. Korištenje slamkastog ili šiljastog predmeta na kojem će se gornji dio okretati ili vrtjeti je neophodno.
   ● Studenti mogu razviti dizajn s četiri šalice, dizajn s tri šalice ili smisliti novi dizajn. Promijenite ovaj izazov za mlađe učenike.
10. Timovi grade svoje dizajne.
11. Pomoću ventilatora ili sušila za kosu testirajte anemometar svake ekipe 3 puta pri 3 različite brzine vjetra (mala, srednja, velika). Tijekom svakog testa, timovi bi trebali dokumentirati brzinu vjetra koja je izmjerena njihovim anemometrom (na temelju rotacija) i prosječnu brzinu vjetra.
    Zatim bi, koristeći milimetrski papir, timovi trebali nacrtati grafikon koji pokazuje kako se brzina vjetra, mjerena njihovim anemometrom, povećavala kako se povećavala postavka brzine ventilatora ili sušila za kosu. Za grafikon treba koristiti prosječne brzine vjetra.
12. Koristeći milimetrski papir, timovi crtaju grafikon koji pokazuje kako se brzina vjetra, mjerena njihovim anemometrom, povećavala kako se brzina ventilatora ili sušila za kosu povećavala. Za grafikon bi trebali koristiti svoje prosječne brzine vjetra.
13. Kao razred razgovarajte o pitanjima za razmišljanje učenika.
14. Za više sadržaja o toj temi, pogledajte odjeljak "Dublje kopanje".

Refleksija učenika (inženjerska bilježnica)

1. Jeste li uspjeli stvoriti anemometar koji je mjerio tri različite brzine "vjetra"? Ako ne, zašto nije uspio?
2. Jeste li tijekom revizije odlučili revidirati svoj izvorni dizajn ili zatražiti dodatne materijale? Zašto?
3. Jeste li otkrili da su očitanja jednog od vaših testova možda rezultirala velikim pomakom u vašem prosječnom očitanju za tu brzinu vjetra?
4. Ako se pomoću vašeg anemometra testiralo mjesto kako bi se utvrdilo bi li bilo dobro instalirati vjetroagregat za iskorištavanje energije vjetra, mislite li da bi tri ispitivanja po postavci brzine bila dovoljna za stvaranje pouzdanog prosjeka? Ako ne, koliko testova mislite da bi bilo dovoljno?
5. Da ste mogli imati pristup materijalima koji se razlikuju od ponuđenih, što bi tražio vaš tim? Zašto?
6. Mislite li da inženjeri moraju prilagoditi svoje originalne planove tijekom gradnje sustava ili proizvoda? Zašto bi mogli?
7. Ako biste morali sve ponoviti, kako bi se promijenio vaš planirani dizajn? Zašto?
8. Koje ste dizajne ili metode vidjeli da su drugi timovi pokušali za koje mislite da su dobro funkcionirali?
9. Zašto mislite da se dizajn anemometra toliko promijenio s vremenom?
10. Navedite još tri dijela opreme koji su s vremenom redizajnirani kako bi poboljšali funkcionalnost.

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.

• Anemometar: Uređaj koji se koristi za mjerenje brzine vjetra i jedan je instrument koji se koristi u meteorološkoj stanici.
• 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.
• Anemometar s četiri šalice: Uključuje četiri čaše koje su postavljene na jednom kraju četiri vodoravna kraka, koje su međusobno pričvršćene pod kutom od 90 stupnjeva na okomitoj osovini. Vjetar koji puše vodoravno okretao bi čaše brzinom koja je bila proporcionalna brzini vjetra.
• Iteracija: Test & redizajn je jedna iteracija. Ponavljanje (više ponavljanja).
• Prototip: Radni model rješenja za testiranje.
• Zvučni anemometar: Koristite ultrazvučne zvučne valove za mjerenje brzine i smjera vjetra.
• Anemometar s tri čaše: Dizajniran za poboljšanje točnosti, posebno u okruženjima gdje se vjetar može brzo ili neočekivano promijeniti.

Internetske veze

• Nacionalni laboratorij za obnovljive izvore energije - Istraživanje vjetra
• Institut i Muzej povijesti znanosti, Firenca, Italija

Preporučena literatura

• Energija vjetra - činjenice: Vodič za tehnologiju, ekonomiju i budućnost snage vjetra Europskog udruženja za energiju vjetra (ISBN: 1844077101)
• Energija vjetra u izgrađenom okolišu (ISBN: 0906522358)

Aktivnost pisanja

Napišite esej o tome zašto aerodrom može imati nekoliko anemometara na različitim visinama za pružanje informacija kontrolorima zračnih luka?

Usklađivanje s okvirima kurikuluma

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

• Američki standardi obrazovanja za znanost (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Američki standardi znanosti sljedeće generacije (http://www.nextgenscience.org/) 
• Standardi za tehnološku pismenost Međunarodnog udruženja za tehnološko obrazovanje (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Američko nacionalno vijeće učitelja matematike "Principi i standardi za školsku matematiku (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Zajednički osnovni američki državni standardi za matematiku (http://www.corestandards.org/Math)
• Udruženje učitelja informatike K-12 Standardi računalnih znanosti (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

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 
• Razumijevanje o znanstvenom istraživanju 

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Položaj i kretanje predmeta 

SADRŽAJ STANDARD D: Znanost o Zemlji i svemiru

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Promjene na zemlji i nebu 

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

• 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 B: Fizička znanost

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Pokreti i sile 
• Prijenos energije 

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti u 5-8. Razredima, 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

• Znanost i tehnologija u društvu 

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Povijest znanosti 

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

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost 

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Pokreti i sile 

SADRŽAJ STANDARD D: Znanost o Zemlji i svemiru

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Energija u zemaljskom sustavu 

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

• 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

• Povijesne perspektive 

Znanstveni standardi sljedeće generacije, razredi 3-5 (dob 8-11)

Kretanje i stabilnost: Sile i interakcije

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

• 3-PS2-1. Planirajte i provedite istragu kako biste pružili dokaze o učincima uravnoteženih i neuravnoteženih sila na kretanje predmeta. 

energija

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

• 4-PS3-1. Upotrijebite dokaze da napravite objašnjenje koje povezuje brzinu predmeta s energijom tog predmeta.

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.

Sljedeći Generacijski standardi znanosti, 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 9-12 (dob 14-18)

energija

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

• HS-PS3-3. Dizajnirajte, izradite i usavršite uređaj koji radi u zadanim ograničenjima kako bi pretvorio jedan oblik energije u drugi oblik energije.

Načela i standardi za školsku matematiku

Broj i operativni standard

• Razumijevanje brojeva, načina predstavljanja brojeva, odnosa među brojevima i brojevnih sustava

Analiza podataka i standardi vjerojatnosti 

• Formulirajte pitanja kojima se možete obratiti s podacima i prikupljajte, organizirajte,
  i prikazati relevantne podatke kako bi na njih odgovorili.

Uobičajeni osnovni državni standardi za školsku matematiku od 2. do 8. razreda (od 7 do 10 godina)

Geometrija

• Grafikujte točke na koordinatnoj ravnini za rješavanje stvarnih i matematičkih problema.
• CCSS.Math.Content.5.GA2 Prikazati stvarni svijet i matematičke probleme grafičkim prikazom točaka u prvom kvadrantu koordinatne ravnine i interpretirati koordinatne vrijednosti točaka u kontekstu situacije.

Standardi za tehnološku pismenost - sva vijeka

Priroda tehnologije

• Standard 1: Studenti će razviti razumijevanje karakteristika i opsega tehnologije.
• Standard 3: Studenti će razviti razumijevanje odnosa između tehnologija i veza između tehnologije i drugih područja studija.

Tehnologija i društvo

• Standard 5: Studenti će razviti razumijevanje učinaka tehnologije na okoliš.

dizajn

• Standard 8: Studenti će razviti razumijevanje svojstava dizajna.
• 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.

• arapski
• kineski
• francuski
• njemački
• japanski
• Portugalski
• ruski
• španjolski