Un secolo di materie plastiche
Questa lezione esplora come lo sviluppo della plastica - e l'ingegneria dei componenti in plastica nei prodotti di uso quotidiano - ha avuto un impatto nel mondo. Gli studenti apprendono la storia della plastica, cosa fanno gli ingegneri della plastica e quanti prodotti sono stati migliorati grazie all'aggiunta di componenti in plastica. Gli studenti lavorano in team per identificare prodotti senza plastica e prodotti che pensano non potrebbero esistere in un mondo pre-plastica. Lavorano come team di "ingegneri" per vedere se possono riprogettare un prodotto per utilizzare il 50% in meno di componenti in plastica rispetto ai progetti attuali.
- Impara la plastica.
- Scopri come la plastica è stata ingegnerizzata in così tanti prodotti comuni.
- Informazioni sul lavoro di squadra e sul processo di progettazione / risoluzione dei problemi di ingegneria.
Livelli di età: 8-18
Materiali da costruzione (per ogni studente)
Materiali richiesti
- Fogli di lavoro per studenti
- Sezione Argomenti di base
Design Challenge
Sei un team di ingegneri che ha la sfida di inventare un elenco di quattro macchine o prodotti che ritieni sarebbero impossibili senza l'invenzione della plastica. Quindi, deciderai quali parti in plastica sostituire in uno di quei prodotti o macchine per facilitare il riciclaggio. Quali materiali userete invece e in che modo influirà sulle prestazioni, sul prezzo o sull'estetica?
- Suddividi la classe in squadre di 3-4.
- Distribuire il foglio di lavoro Century of Plastics e stampare la sezione Concetti di base.
- Discuti gli argomenti nella sezione Concetti di base
- Rivedere il processo di progettazione ingegneristica, la sfida di progettazione, i criteri, i vincoli e i materiali.
- Istruire gli studenti a lavorare come una squadra per completare il primo foglio di lavoro per studenti - Plastic Hunt !:
- Pensa agli oggetti che puoi trovare a casa, in classe o nel parco giochi. Identificare e documentare tutti gli elementi che non hanno parti componenti in plastica.
- In classe, discuti le domande per la riflessione:
- È stato più difficile di quanto pensavi trovare prodotti che non contenessero plastica?
- Dei prodotti che hai trovato senza plastica, cosa avevano in comune?
- Se dovessi riprogettare uno dei prodotti che hai trovato, cambieresti
- qualcuna delle parti componenti in plastica? Perché? Perchè no?
- Pensi che i CD sarebbero possibili senza la plastica? Perché? Perchè no?
- Perché il riciclaggio è importante?
- Istruire gli studenti a lavorare come una squadra per completare Punto Primo del foglio di lavoro del secondo studente - You Be the Engineer:
- Prepara un elenco di quattro macchine o prodotti che ritieni sarebbero impossibili senza l'invenzione della plastica. Per ciascuno, rispondi a queste domande:
- Qual è la% del prodotto in plastica?
- Perché questo sarebbe impossibile senza la plastica?
- In che modo questa macchina o questo prodotto ha avuto un impatto sul mondo?
- Prepara un elenco di quattro macchine o prodotti che ritieni sarebbero impossibili senza l'invenzione della plastica. Per ciascuno, rispondi a queste domande:
- Istruire gli studenti a lavorare come una squadra per completare Punto Secondo del foglio di lavoro del secondo studente - You Be the Engineer:
- Sostituisci parte della plastica in uno dei quattro prodotti o macchine che hai identificato nella prima parte per facilitarne il riciclaggio. Discuti su quali materiali utilizzerai invece, in che modo influirà sulle prestazioni, sul prezzo o sull'estetica. Quindi presenta le tue idee alla classe:
- Descrivi cosa fa il tuo prodotto e la percentuale che ritieni sia plastica.
- Spiega quali componenti sostituirai con altri materiali; Descrivi come hai selezionato i materiali sostitutivi e come i nuovi materiali influenzeranno il peso, il costo e la funzionalità del prodotto.
- Prevedi se questo prodotto sarà efficace quanto il design attuale, se potrebbe costare di più da produrre e come sarebbe più facile da riciclare.
- Descrivi come il tuo team ritiene che l'ingegneria della plastica in prodotti comuni abbia avuto un impatto sul mondo.
- Sostituisci parte della plastica in uno dei quattro prodotti o macchine che hai identificato nella prima parte per facilitarne il riciclaggio. Discuti su quali materiali utilizzerai invece, in che modo influirà sulle prestazioni, sul prezzo o sull'estetica. Quindi presenta le tue idee alla classe:
- Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere la sezione "Scavare più a fondo".
Modifica dell'ora
La lezione può essere svolta in un solo periodo di lezione per gli studenti più grandi. Tuttavia, per aiutare gli studenti a non sentirsi di fretta e per assicurarne il successo (specialmente per gli studenti più giovani), dividi la lezione in due periodi dando agli studenti più tempo per fare brainstorming, testare le idee e finalizzare il loro progetto. Condurre il test e il debriefing nel prossimo periodo di lezione.
Cosa sono le materie plastiche?
Un secolo di materie plastiche
Il 19° secolo ha visto enormi progressi nella chimica dei polimeri. Tuttavia, sono state necessarie le intuizioni degli ingegneri chimici durante il XX secolo per rendere i polimeri prodotti in serie una realtà economica praticabile. Quando una plastica chiamata bachelite fu introdotta nel 20, diede il via all'"era della plastica". La bachelite è stata progettata in molti prodotti dalle prese elettriche, alle spazzole per capelli, alle radio, agli orologi e persino ai gioielli. I prodotti in bachelite di quest'epoca sono ora altamente collezionabili! Oggi la plastica si trova in quasi tutti i prodotti. È difficile trovare molte macchine che non incorporano diversi tipi di plastica.
Cosa sono le materie plastiche?
Le materie plastiche sono polimeri: lunghe catene di atomi legati tra loro. La plastica è un termine che copre in realtà una gamma molto ampia di prodotti di polimerizzazione sintetici o semisintetici. Sono composti da condensazione organica o polimeri aggiuntivi e possono contenere altre sostanze per renderli più adatti per un'applicazione con variazioni di tolleranza al calore, quanto è duro, colore e flessibilità. Le materie plastiche possono essere stampate o formate in particolari forme dure o sviluppate come pellicole o fibre. Ad un certo punto della sua produzione, ogni plastica è in grado di fluire. La parola plastica deriva dal fatto che molte forme sono malleabili, avendo la proprietà della plasticità. Gli ingegneri spesso si rivolgono a una plastica come parti componenti in molti prodotti perché è leggera, relativamente economica e durevole. Ha ridotto il costo di molti prodotti e molti prodotti non esisterebbero oggi senza la plastica.
Ingegneri delle materie plastiche
Lo sviluppo della plastica ha lanciato un nuovo campo di lavoro: gli ingegneri delle materie plastiche! Studiano le proprietà dei materiali polimerici e sviluppano macchine in grado di modellare parti in plastica. Esplorano modi per modellare la plastica per soddisfare le esigenze di altri ingegneri che necessitano di parti, come cover per telefoni cellulari, suole di scarpe e ruote per zaini. Lavorano anche per migliorare le prestazioni della plastica, alla ricerca di nuovi materiali che reagiscano meglio alle alte o basse temperature o ai movimenti ripetitivi.
Tempistica breve
- 1907: Leo Hendrik Baekeland crea la prima plastica a base di un polimero sintetico - la bachelite. La bachelite è stata la prima plastica inventata a mantenere la sua forma dopo essere stata riscaldata.
- 1908: il cellophane viene scoperto dal chimico svizzero Jacques Brandenberger.
- Anni '1920: vengono prodotti acetato di cellulosa, acrilici (lucite e plexiglas) e polistirene.
- 1957: General Electric sviluppa plastica in policarbonato.
- 1968: il consumo di fibre artificiali supera le fibre naturali negli Stati Uniti
- 1987: Nipon Zeon sviluppa plastica con "memoria" in modo che possa essere piegata e attorcigliata a basse temperature, ma quando riscaldata sopra i 37 gradi centigradi riprende la sua forma originale!
- Anni '1990: i programmi di riciclaggio della plastica sono comuni e offrono un nuovo utilizzo per le vecchie plastiche
Storia pre-plastica di oggetti quotidiani
in legno
Il primo spazzolino da denti conosciuto era un "bastoncino da masticare" fatto di ramoscelli masticati o schiacciati. Questo stile di igiene dentale risale a migliaia di anni fa. Più recentemente, gli spazzolini da denti sono stati fabbricati con manici in osso con setole o peli di maiali avvolti insieme usando filo. Questo stile era popolare fin dal 1600 fino alla metà del 1800, anche se a volte il manico era in legno. La successiva importante modifica del design è stata provocata dall'introduzione del nylon. Questo materiale sintetico fu applicato per la prima volta allo spazzolino da denti intorno al 1938. Nel 1939 gli ingegneri iniziarono a sviluppare spazzolini elettrici per migliorare l'efficacia della spazzolatura. Il primo vero spazzolino elettrico è stato sviluppato in Svizzera nel 1939. Negli Stati Uniti, Squibb ha introdotto uno spazzolino elettrico nel 1960, seguito da General Electric che ha introdotto uno spazzolino da denti senza fili ricaricabile nel 1961. Anche il filo interdentale, che originariamente era fatto di filo di seta, non era è diventato popolare fino all'avvento della plastica e dei materiali sintetici.
Penna
Per i primi tremila anni dall'invenzione della carta, lo strumento di scrittura utilizzato dalla maggior parte delle persone era la penna di un uccello - di solito un'oca - che veniva immersa in un pozzo di inchiostro. Le punte di penna in acciaio prodotte in serie iniziarono ad apparire all'inizio del 1800, il che forniva un maggiore controllo sulla linea. Durante la prima guerra mondiale, le penne iniziarono ad essere fatte di una sostanza di gomma dura, solitamente nera, nota come vulcanite. Le prime plastiche colorate furono introdotte negli anni '1920. Sheaffer ha introdotto penne realizzate in celluloide in diversi colori. Queste erano molto costose, ma si rivelarono così popolari che nel giro di pochi anni la maggior parte dei produttori di stilografiche offrì penne nel nuovo materiale sintetico, sostituendo alcuni design in metallo e legno. Tuttavia, è stato l'uso diffuso della plastica e l'ingegneria della penna a sfera che non perdeva a ridurre il costo degli strumenti di scrittura fini e alla portata della maggior parte delle persone. Negli anni '1960, le penne a sfera usa e getta hanno preso il sopravvento e mentre le penne stilografiche rimangono disponibili, oggi hanno solo una quota molto piccola del mercato.
Occhiali da vista
Gli occhiali erano originariamente realizzati in metallo e vetro. Se qualcuno richiedesse una prescrizione particolarmente forte, invece, il bicchiere sarebbe molto pesante appoggiato sul naso. La plastica ha rivoluzionato gli occhiali, sostituendo la lente in vetro con materiale più leggero e sostituendo la maggior parte del metallo nelle montature con plastiche più leggere e colorate. C'è ancora metallo nel telaio, tuttavia, poiché la maggior parte dei cardini è ancora in metallo. E, naturalmente, non ci sarebbero lenti a contatto senza lo sviluppo di materiali sintetici.
- Vincoli: limitazioni relative a materiale, tempo, dimensioni del team, ecc.
- Criteri: condizioni che il progetto deve soddisfare come le sue dimensioni complessive, ecc.
- Ingegneri: inventori e risolutori di problemi del mondo. Venticinque grandi specialità sono riconosciute in ingegneria (vedi infografica).
- Processo di progettazione ingegneristica: gli ingegneri di processo utilizzano per risolvere i problemi.
- Engineering Habits of Mind (EHM): sei modi unici in cui pensano gli ingegneri.
- Iterazione: test e riprogettazione sono un'iterazione. Ripeti (più iterazioni).
- Prototipo: Un modello funzionante della soluzione da testare.
- Riciclaggio: Processo di prendere materiali pronti per essere gettati e convertirli (cambiando) in materiali riutilizzabili.
Connessioni Internet
lettura consigliata
- American Plastic: A Cultural History di Jeffrey L. Meikle (ISBN: 978-0813522357) Plastics Engineering di RJ Crawford (ISBN: 978-0750637640)
Attività di scrittura
- Scrivi un saggio o un paragrafo che descriva se pensi che il volo spaziale sarebbe possibile senza l'introduzione della plastica. Fornisci esempi per supportare il tuo punto di vista.
- Scrivi un saggio o un paragrafo che descriva come funziona il riciclaggio nella tua città. Fornisci esempi di come gli ingegneri incorporano materiali riciclati nei nuovi prodotti.
Allineamento ai Curriculum Frameworks
Nota: tutti i piani di lezione di questa serie sono allineati agli Stati Uniti Standard nazionali per l'educazione scientifica (prodotto da Consiglio Nazionale per la Ricerca e approvato dalla National Science Teachers Association) e, se applicabile, agli Standards for Technological Literacy dell'International Technology Education Association e al National Council of Teachers of Mathematics 'Principles and Standards for School Mathematics.
Standard nazionali per l'educazione scientifica Gradi K-4 (età 4-9)
CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare una comprensione di
- Proprietà di oggetti e materiali
CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi
- Capacità di progettazione tecnologica
- Capacità di distinguere tra oggetti naturali e oggetti realizzati dall'uomo
CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Tipi di risorse
- Cambiamenti negli ambienti
CONTENUTO STANDARD G: Storia e natura della scienza
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- La scienza come impresa umana
Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 5-8 (età 10-14)
CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche
Come risultato delle loro attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare una comprensione di
- Proprietà e cambiamenti di proprietà nella materia
CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi
- Capacità di progettazione tecnologica
- Comprensioni su scienza e tecnologia
CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Rischi e benefici
- Scienza e tecnologia nella società
CONTENUTO STANDARD G: Storia e natura della scienza
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Storia della scienza
Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 9-12 (età 14-18)
CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche
Come risultato delle loro attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Struttura e proprietà della materia
CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi
- Capacità di progettazione tecnologica
- Comprensioni su scienza e tecnologia
CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Qualità ambientale
CONTENUTO STANDARD G: Storia e natura della scienza
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Prospettive storiche
Standard per l'alfabetizzazione tecnologica - Tutte le età
La natura della tecnologia
- Standard 3: Gli studenti svilupperanno una comprensione delle relazioni tra le tecnologie e le connessioni tra la tecnologia e altri campi di studio.
Tecnologia e società
- Standard 4: gli studenti svilupperanno una comprensione degli effetti culturali, sociali, economici e politici della tecnologia.
- Standard 5: gli studenti svilupperanno una comprensione degli effetti della tecnologia sull'ambiente.
- Standard 7: gli studenti svilupperanno una comprensione dell'influenza della tecnologia sulla storia.
Design
- Standard 8: gli studenti svilupperanno una comprensione degli attributi del design.
- Standard 9: gli studenti svilupperanno una comprensione della progettazione ingegneristica.
Abilità per un mondo tecnologico
- Standard 13: gli studenti svilupperanno le capacità di valutare l'impatto di prodotti e sistemi.
Il mondo progettato
- Standard 19: gli studenti svilupperanno una comprensione e saranno in grado di selezionare e utilizzare le tecnologie di produzione.
Caccia alla plastica!
Fase uno: Come squadra pensa agli oggetti che puoi trovare a casa, in classe o nel parco giochi. Riesci a identificare degli elementi che non hanno parti componenti in plastica?
Elementi di cucina | Articoli da bagno | Articoli di classe | Attrezzatura sportiva |
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domande:
- È stato più difficile di quanto pensavi trovare prodotti che non contenessero plastica?
- Dei prodotti che hai trovato senza plastica, cosa avevano in comune?
- Se dovessi riprogettare uno dei prodotti che hai trovato, cambieresti le parti componenti in plastica? Perché? Perchè no?
- Pensi che i CD sarebbero possibili senza la plastica? Perché? Perchè no?
- Perché il riciclaggio è importante?
Fase uno: Come team, crea un elenco di quattro macchine o prodotti che ritieni sarebbero impossibili senza l'invenzione della plastica. Per ciascuno, rispondi alle domande seguenti:
Qual è la% del prodotto in plastica? | Perché questo sarebbe impossibile senza la plastica? | In che modo questa macchina o questo prodotto ha avuto un impatto sul mondo? | |
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Fase due: La tua sfida è lavorare come un team di "ingegneri" per sostituire parte della plastica in uno dei quattro prodotti o macchine che hai identificato nella prima parte di questo foglio di lavoro per renderli più facili da riciclare. Discuti su quali materiali utilizzerai invece, in che modo influirà sulle prestazioni, sul prezzo o sull'estetica. Quindi presenta le tue idee alla classe in tre forme:
- descrivi cosa fa il tuo prodotto e la percentuale che ritieni sia plastica.
- spiegare quali componenti sostituirete con altri materiali; Descrivi come hai selezionato i materiali sostitutivi e come i nuovi materiali influenzeranno il peso, il costo e la funzionalità del prodotto.
- prevedere se questo prodotto sarà efficace quanto il progetto attuale, se potrebbe costare di più da produrre e come sarebbe più facile da riciclare.
- descrivi come il tuo team ritiene che l'ingegneria della plastica in prodotti comuni abbia avuto un impatto sul mondo.