Tienilo fresco

Materiali di costruzione (per ogni squadra)

Materiali richiesti

• Bicchieri di carta
• Termometro
• Foglio di alluminio
• Fogli di plastica
• Tessuto
• Batuffoli di cotone
• Muschio
• Cartone
• cannucce
• Graffette
• Clip per raccoglitore
• Mollette
• Wire
• Corda
• Schiuma da imballaggio riciclata
• Elastici

Materiali di prova

• Water
• Ice
• Brocca più grande

Materiali

• Water
• Ice
• Brocca più grande

Processi

Raffredda l'acqua in una grande brocca con ghiaccio e prendi una lettura della temperatura dalla brocca. Prova il sistema di isolamento di ogni squadra versando una quantità uguale di acqua refrigerata (senza ghiaccio) nella tazza di ogni squadra. Successivamente, le squadre misurano la temperatura della loro acqua refrigerata ogni 10 minuti per 1 ora e registrano i risultati.

Design Challenge

Fai parte di un team di ingegneri che devono affrontare la sfida di costruire un sistema di isolamento utilizzando un contenitore per evitare che una tazza di acqua refrigerata si riscaldi. La sfida del tuo team è sviluppare un dispositivo per mantenere l'acqua refrigerata più fresca rispetto ai dispositivi di altri team alla fine di un'ora. Dovrai escogitare un modo per avere un termometro sospeso nell'acqua ed essere in grado di leggere la temperatura durante l'ora.

Criteri

• Deve mantenere l'acqua più fresca nel corso di un'ora.
• Deve essere un modo per sospendere un termometro in acqua.
• Letture della temperatura da effettuare ogni 10 minuti per 1 ora.

vincoli

• Letture della temperatura da effettuare ogni 10 minuti per 1 ora.

1. Suddividi la classe in squadre di 2-3.
2. Distribuisci il foglio di lavoro Keep it Cool e alcuni fogli di carta per disegnare disegni.
3. Discutere gli argomenti nella sezione Concetti di base. Considera di chiedere agli studenti in che modo un thermos aiuta a mantenere caldo il pranzo.
4. Rivedere il processo di progettazione ingegneristica, la sfida di progettazione, i criteri, i vincoli e i materiali.
5. Istruire gli studenti a iniziare il brainstorming e ad abbozzare i loro progetti.
6. Fornisci a ogni squadra i loro materiali.
7. Spiega che gli studenti devono progettare e costruire un sistema di isolamento utilizzando una tazza che manterrà l'acqua più fredda possibile per 1 ora. Il design deve consentire di sospendere un termometro in una tazza con la temperatura visibile. Le squadre effettueranno letture della temperatura ogni 10 minuti per 1 ora.
8. Annuncia il tempo a disposizione per progettare e costruire (1 ora consigliata).
9. Usa un timer o un cronometro in linea (funzione di conto alla rovescia) per assicurarti di rimanere puntuale. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dare agli studenti regolari "controlli del tempo" in modo che rimangano concentrati. Se hanno difficoltà, fai domande che li porteranno a una soluzione più rapida.
10. Gli studenti si incontrano e sviluppano un piano per il loro sistema di isolamento. Concordano i materiali di cui avranno bisogno, scrivono / disegnano il loro piano e presentano il loro piano alla classe. I team possono scambiare materiali illimitati con altri team per sviluppare il loro elenco di parti ideali.
11. I team costruiscono i loro progetti.
12. Chiedere agli studenti di eseguire letture della temperatura ogni 10 minuti per 1 ora. Successivamente, dovrebbero tracciare le loro letture.
13. In classe, discuti le domande di riflessione degli studenti.
14. Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere la sezione "Scavare più a fondo".

Riflessione degli studenti (quaderno di ingegneria)

1. Quanto era simile il tuo design originale alla coppa coibentata che hai costruito? Cosa è cambiato? Perché?
2. Come si è confrontata la variazione di temperatura della tua squadra con il resto della classe?
3. Se avessi avuto la possibilità di rifare questo progetto, cosa avrebbe fatto di diverso il tuo team?
4. Cosa ti ha detto il tuo grafico sulla velocità di variazione della temperatura per il tuo dispositivo?
5. Se avessi potuto utilizzare un materiale componente aggiuntivo che non ti è stato fornito, quale sceglieresti e perché?
6. Il tuo team ha utilizzato qualcosa delle cose che hai imparato sui flaconi sottovuoto nel tuo progetto? In caso affermativo, come e hai pensato che abbia fatto la differenza?
7. Quali aspetti degli altri progetti di squadra hai trovato più innovativi? Perché?

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.

• Conduzione: trasferimento di calore per contatto diretto di particelle di materia.
• Vincoli: limitazioni relative a materiale, tempo, dimensioni del team, ecc.
• Convezione: trasferimento di energia termica dovuto al movimento delle molecole all'interno dei fluidi.
• Criteri: condizioni che il progetto deve soddisfare come le sue dimensioni complessive, ecc.
• Ingegneri: inventori e risolutori di problemi del mondo. Venticinque importanti 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.
• Trasferimento di calore: Il calore può essere trasferito in tre modi: conduzione, convezione e irraggiamento.
• Isolamento: utilizzato per mantenere gli oggetti freschi al fresco e gli oggetti caldi al caldo in un pallone sottovuoto.
• Iterazione: test e riprogettazione sono un'iterazione. Ripeti (più iterazioni).
• Prototipo: Un modello funzionante della soluzione da testare.
• Radiazione: trasferimento di energia termica attraverso lo spazio vuoto.
• Flacone sottovuoto: una bottiglia di metallo, vetro o plastica con pareti cave. La stretta regione tra la parete interna ed esterna viene evacuata dall'aria, quindi è un vuoto. L'utilizzo del vuoto come isolante evita il trasferimento di calore per conduzione o convezione tra le due pareti.

Connessioni Internet

• Come funziona un thermos

lettura consigliata

• Schema del trasferimento di calore di Schaum (ISBN: 978-0070502079)
• 1001 invenzioni che hanno cambiato il mondo (ISBN: 978-0764161360)

Attività di scrittura

Scrivere un saggio o un paragrafo sull'ingegneria ha cambiato le opzioni per l'isolamento delle case negli ultimi 200 anni.

Allineamento ai Curriculum Frameworks

Nota: I piani delle lezioni di questa serie sono allineati a uno o più dei seguenti gruppi di standard:  

• Standard statunitensi per l'educazione scientifica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Standard scientifici di nuova generazione degli Stati Unitihttp://www.nextgenscience.org/) 
• Standards for Technological Literacy della International Technology Education Association (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Principi e standard del Consiglio nazionale degli insegnanti di matematica degli Stati Uniti per la matematica scolastica (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• US Common Core State Standards for Mathematics (http://www.corestandards.org/Math)
• Associazione degli insegnanti di informatica K-12 Standard di informatica (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Standard nazionali per l'educazione scientifica Gradi K-4 (età 4-9)

CONTENUTO STANDARD A: Science as Inquiry

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Abilità necessarie per fare ricerca scientifica 

CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare una comprensione di

• Proprietà di oggetti e materiali 
• Luce, calore, elettricità e magnetismo 

CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia 

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Capacità di progettazione tecnologica 
• Comprensione di scienza e tecnologia 
• 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

• Scienza e tecnologia nelle sfide locali 

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 A: Science as Inquiry

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Abilità necessarie per fare ricerca scientifica 

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 
• Trasferimento di energia 

CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia

Come risultato delle attività nei gradi 5-8, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Capacità di progettazione tecnologica 
• Comprensioni su scienza e tecnologia 

Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 5-8 (età 10-14)

CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

• 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 A: Science as Inquiry

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Abilità necessarie per fare ricerca scientifica 

CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche 

Come risultato delle loro attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

• Struttura e proprietà della materia 
• Conservazione dell'energia e aumento del disordine 
• Interazioni di energia e 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

• Scienza e tecnologia nelle sfide locali, nazionali e globali 

CONTENUTO STANDARD G: Storia e natura della scienza

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

• Prospettive storiche 

Next Generation Science Standards Grades 3-5 (Age 8-11)

Energia

• MS-PS3-3. Applicare principi scientifici per progettare, costruire e testare un dispositivo che minimizza o massimizza il trasferimento di energia termica.

Progettazione ingegneristica 

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

• 3-5-ETS1-1. Definire un semplice problema di progettazione che rifletta un bisogno o un desiderio che includa criteri specifici per il successo e vincoli su materiali, tempo o costi.
• 3-5-ETS1-2. Genera e confronta più possibili soluzioni a un problema in base alla probabilità che ciascuna di esse soddisfi i criteri e i vincoli del problema.
• 3-5-ETS1-3. Pianificare ed eseguire test equi in cui le variabili sono controllate e i punti di guasto sono considerati per identificare gli aspetti di un modello o prototipo che possono essere migliorati.

Next Generation Science Standards Grades 6-8 (Age 11-14)

Progettazione ingegneristica 

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

• MS-ETS1-1 Definire i criteri ei vincoli di un problema di progettazione con sufficiente precisione per garantire una soluzione di successo, tenendo conto dei principi scientifici pertinenti e dei potenziali impatti sulle persone e sull'ambiente naturale che possono limitare le possibili soluzioni.
• MS-ETS1-2 Valuta soluzioni di progettazione concorrenti utilizzando un processo sistematico per determinare quanto soddisfano i criteri e i vincoli del problema.

Standard per l'alfabetizzazione tecnologica - Tutte le età

La natura della tecnologia

• Standard 1: gli studenti svilupperanno una comprensione delle caratteristiche e della portata 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 6: gli studenti svilupperanno una comprensione del ruolo della società nello sviluppo e nell'uso della tecnologia.
• 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.
• Standard 10: Gli studenti svilupperanno una comprensione del ruolo della risoluzione dei problemi, ricerca e sviluppo, invenzione e innovazione e sperimentazione nella risoluzione dei problemi.

Abilità per un mondo tecnologico

• Standard 11: gli studenti svilupperanno le capacità di applicare il processo di progettazione.

• Arabo