Ponte ghiacciolo

Materiali di costruzione (per ogni squadra)

Materiali richiesti

• 200 bastoncini di ghiaccioli
• Colla per legno o artigianale

Materiali di prova

• 5 libbre (per studenti più giovani) e 20 libbre (per studenti più grandi)
• (sacchetti di zucchero o farina, lattine da 16 once di cibo, bottiglia da 72 once di detersivo per bucato, esercizio fisico o un altro peso)
• 2 sedie, scrivanie o tavolini (abbastanza alti da consentire di sospendere i design a 1 piede dal pavimento)

Materiali

• 5 libbre (per studenti più giovani) e 20 libbre (per studenti più grandi)
• (sacchetti di zucchero o farina, lattine da 16 once di cibo, bottiglia da 72 once di detersivo per bucato, esercizio fisico o un altro peso)
• 2 sedie, scrivanie o tavolini (abbastanza alti da consentire di sospendere i design a 1 piede dal pavimento)

Processi

• Posizionare 2 sedie o scrivanie (superficie piana) a una distanza di almeno 14 pollici l'una dall'altra
• Appendi o fissa un ponte a 1 piede sopra il pavimento sopra le sedie / scrivanie
• Posizionare il peso predeterminato sul ponte per un minuto intero
  • A seconda del tipo di peso selezionato, può essere posizionato sopra il disegno o appeso dal basso.
• L'obiettivo di testare i progetti per soddisfare il carico minimo. Tuttavia, è divertente continuare ad aggiungere peso alla struttura per soddisfare il carico critico con conseguente fatiscenza del ponte! 

A giudicare i disegni

• In classe, discuti di ciò che rende un ponte esteticamente piacevole
  • Sviluppa un elenco di attributi in preparazione per il giudizio
• Successivamente, giudica ogni progetto di ponte per il suo valore estetico
  • Utilizza una scala da 1 a 5, dove 1 indica "per niente attraente" e 5 "molto attraente".
• Fornisci 1 commento positivo e 1 suggerimento per il miglioramento per ogni disegno.

Ponte pedonale del cielo di Langkawi - Malesia

• 125 metri di lunghezza e 1.8 metri di larghezza
• Progettato come una passerella curva per massimizzare l'esperienza visiva.
• Formato da pannelli in acciaio e cemento posti sulla sommità di una capriata triangolare rovesciata.
• Sospeso con 8 cavi da un singolo pilone alto 81.5 m, e sospeso a circa 100 m dal suolo.
• Progettato per trasportare una capacità massima di 250 persone.

Fonte: Wikipedia

Crollo del ponte pedonale della Florida Int'l University

Una cattiva progettazione ha portato al crollo di un ponte pedonale in costruzione alla FIU nel 2018. Gli ingegneri hanno calcolato in modo errato la quantità di stress che la struttura poteva sopportare.

Fonte: USA Today

Design Challenge

Sei un team di ingegneri che lavora per progettare un ponte usando colla e 200 bastoncini di ghiaccioli o meno. 

Criteri

• I ponti devono essere in grado di sostenere un peso predeterminato di 5 libbre o 20 libbre. La struttura deve coprire un minimo di 14 pollici di lunghezza.

vincoli

Non è possibile utilizzare più di 200 bastoncini per ghiaccioli.

1. Suddividi la classe in squadre di 2-4.
2. Distribuisci il foglio di lavoro Progetta il tuo ponte e alcuni fogli di carta per disegnare i disegni.
3. Discuti gli argomenti nella sezione Concetti di base.
4. Rivedi il processo di progettazione ingegneristica, la sfida di progettazione, i criteri, i vincoli e i materiali. Se il tempo lo consente, rivedere "Applicazioni del mondo reale" prima di condurre la sfida di progettazione.
5. Prima di istruire gli studenti a iniziare il brainstorming e ad abbozzare i loro progetti, chiedi loro di considerare quanto segue:
   ● Diversi tipi di ponti
   ● Quali forme sono più forti di altre?
   ● Quantità di peso che il progetto deve contenere criteri di span di 14 pollici
   ● Estetica: sii creativo
   ● Efficienza: cerca di non utilizzare tutti i bastoncini dei ghiaccioli
6. Fornisci a ogni squadra i loro materiali.
7. Spiega che gli studenti devono sviluppare un ponte per ghiaccioli con 200 bastoncini di ghiaccioli e colla. Il ponte deve essere in grado di sostenere un peso predeterminato di 5 libbre o 20 libbre. La struttura deve coprire un minimo di 14 pollici di lunghezza.
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 ponte. Concordano i materiali di cui avranno bisogno, scrivono / disegnano il loro piano e presentano il loro piano alla classe.
11. I team costruiscono i loro progetti.
12. Prova i progetti del ponte sospendendo o fissando il ponte a 1 piede sopra il pavimento sopra le sedie / scrivanie. Posizionare il peso predeterminato sul ponte per un minuto intero.
13. Le squadre dovrebbero documentare la quantità di peso che il loro ponte potrebbe sostenere e il numero di bastoncini per ghiaccioli utilizzati.
14. In classe, discuti le domande di riflessione degli studenti.
15. Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere le sezioni "Applicazioni del mondo reale" e "Scavare più a fondo".

Variazione per studenti più grandi

• Progetta e costruisci un ponte con bastoncini di ghiaccioli e colla che possa sostenere il peso di:
  • Due studenti
  • Tre studenti
• Ricorda di tenere a mente la sicurezza, se provi questa variante

Riflessione degli studenti (quaderno di ingegneria)

1. Sei riuscito a creare un ponte che reggesse il peso richiesto per un minuto intero? In caso contrario, perché ha fallito?
2. Hai deciso di rivedere il tuo progetto originale durante la fase di costruzione? Perché?
3. Quanti bastoncini di ghiaccioli hai finito per usare? Questo numero era diverso dal tuo piano? In caso affermativo, cosa è cambiato?
4. Qual è stato il punteggio estetico medio del tuo ponte? Come si è confrontato con il resto della classe? Quali elementi di design di altri ponti ti sono piaciuti di più?
5. Pensi che gli ingegneri debbano adattare i loro progetti originali durante la costruzione di sistemi o prodotti? Perché potrebbero?
6. Se dovessi rifare tutto da capo, come cambierebbe il tuo design pianificato? Perché?
7. Quali progetti o metodi hai visto provare ad altri team che pensavi funzionassero bene?
8. Pensi che saresti stato in grado di completare questo progetto più facilmente se lavorassi da solo? Spiegare…
9. Che tipo di compromesso pensate che gli ingegneri facciano tra funzionalità, sicurezza ed estetica quando costruiscono un vero ponte?

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.

• spalla: Parte di una struttura che riceve pressione
• Estetici: Apprezzamento per un bell'aspetto
• Arco: Una forma curva. Un ponte ad arco ha la forma di un arco ed è naturalmente resistente
• Larghezza: Un lungo pezzo di legno o acciaio pesante spesso squadrato per l'uso in edilizia. I ponti di travi sono travi orizzontali supportate a ciascuna estremità da pilastri.
• Cavo: Una robusta fune metallica o una catena di metallo. Un ponte strallato è sostenuto da cavi.
• Cantilever: Travi orizzontali supportate su una sola estremità. I ponti a sbalzo sono costruiti utilizzando cantilever.
• vincoli: Limitazioni con materiale, tempo, dimensioni del team, ecc.
• Criteri: Condizioni che il design deve soddisfare come le sue dimensioni complessive, ecc.
• Carico critico: Peso al quale un edificio o una struttura fallisce
• Ingegneri: Inventori e risolutori di problemi del mondo. Venticinque principali specialità sono riconosciute in ingegneria (vedi infografica).
• Processo di progettazione ingegneristica: Gli ingegneri di processo utilizzano per risolvere i problemi.
• Abitudini mentali ingegneristiche (EHM): Sei modi unici in cui pensano gli ingegneri.
• Iterazione: Test e riprogettazione è un'iterazione. Ripeti (più iterazioni).
• Caricare: Un peso o una fonte di pressione esercitata su un oggetto
• Prototipo: Un modello funzionante della soluzione da testare.
• Durata: La distanza o l'estensione tra i supporti
• Sospensione: Appeso a mezz'aria. I ponti sospesi sono sospesi dai cavi e tendono ad essere lunghi.
• Stress: Pressione o tensione esercitata su un oggetto materiale

Connessioni Internet

• Storia del Sydney Harbour Bridge
• Costruire grandi ponti

lettura consigliata

• Ponti del mondo: il loro design e costruzione (ISBN: 0486429954)
• Ponti: strutture sorprendenti da progettare, costruire e testare (ISBN: 1885593309)

Attività di scrittura

Scrivi un saggio o un paragrafo su come i nuovi materiali ingegnerizzati hanno influenzato la progettazione dei ponti nel secolo scorso.

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 

CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia 

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

• Capacità di progettazione tecnologica 
• Comprensione di scienza e tecnologia 

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

• Movimenti e forze 

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 

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 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

• Movimenti e forze 

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)

Moto e stabilità: forze e interazioni

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

• 3-PS2-1. Pianificare e condurre un'indagine per fornire prove degli effetti di forze bilanciate e sbilanciate sul movimento di un oggetto. 

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.

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.

Il mondo progettato

• Standard 20: gli studenti svilupperanno una comprensione e saranno in grado di selezionare e utilizzare le tecnologie di costruzione.

Fai parte di un team di ingegneri a cui è stata affidata la sfida di progettare un ponte con un massimo di 200 bastoncini di ghiaccioli e colla. I ponti devono essere in grado di sostenere un peso specifico (il tuo insegnante deciderà quale sarà l'obiettivo di peso per la tua squadra). Il ponte deve coprire almeno 14 pollici di lunghezza. Ma deve essere più lungo di 14 pollici perché quando è stato costruito, verrà posizionato tra due sedie in modo che sia almeno un piede sopra il pavimento per una prova di carico. Oltre a soddisfare i requisiti strutturali e portanti, il ponte sarà giudicato anche per la sua estetica, quindi sii creativo! Inoltre, sei incoraggiato a utilizzare il minor numero possibile di ghiaccioli per raggiungere il tuo obiettivo.

Fase di pianificazione

Incontra una squadra e discuti il ​​problema che devi risolvere. Quindi sviluppa e concorda un progetto per il tuo ponte. Dovrai determinare quanti bastoncini di ghiacciolo utilizzerai (fino a 200) e i passaggi che dovrai seguire nel processo di produzione. Pensa a quali schemi potrebbero essere i più forti ... ma verrai giudicato anche dall'estetica del tuo ponte! Disegna il tuo disegno nella casella sottostante e assicurati di indicare il numero di bastoncini che prevedi di utilizzare. Presenta il tuo design alla classe. Puoi scegliere di rivedere il piano delle tue squadre dopo aver ricevuto feedback dalla classe.

Fase di costruzione

Costruisci il tuo ponte. Durante la costruzione potresti decidere di aver bisogno di bastoncini aggiuntivi (fino a 200) o che il tuo design debba cambiare. Va bene: crea un nuovo schizzo e rivedi l'elenco dei materiali.

Voto estetico

Ogni studente voterà sull'aspetto di ogni bridge. La scala è 1 - 5 - (1: per niente attraente; 2: non attraente; 3: neutro / medio; 4: piuttosto attraente; 5: molto attraente). Questo numero viene calcolato in media per generare un punteggio per ogni bridge. Questo punteggio non si basa su quanto bene il ponte potrebbe reggere il peso, ma su come appare.

Fase di test

Ogni squadra metterà alla prova il proprio ponte per vedere se è in grado di sopportare il peso richiesto per almeno un minuto intero. Assicurati di guardare i test delle altre squadre e osserva come hanno funzionato i loro diversi progetti.

Fase di valutazione

Valuta i risultati dei tuoi team, completa il foglio di lavoro di valutazione e presenta i tuoi risultati alla classe.

Usa questo foglio di lavoro per valutare i risultati del tuo team:

1) Sei riuscito a creare un ponte che reggesse il peso richiesto per un minuto intero? In caso contrario, perché ha fallito?

2) Hai deciso di rivedere il tuo progetto originale durante la fase di costruzione? Perché?

3) Quanti bastoncini di ghiacciolo hai finito per usare? Questo numero era diverso dal tuo piano? In caso affermativo, cosa è cambiato?

4) Qual è stato il punteggio estetico medio del tuo bridge? Come si è confrontato con il resto della classe? Quali elementi di design di altri ponti ti sono piaciuti di più?

5) Pensi che gli ingegneri debbano adattare i loro progetti originali durante la costruzione di sistemi o prodotti? Perché potrebbero?

6) Se dovessi rifare tutto da capo, come cambierebbe il tuo design pianificato? Perché?

7) Quali progetti o metodi hai visto provare ad altri team che pensavi funzionassero bene?

8) Pensi che saresti stato in grado di completare questo progetto più facilmente se lavorassi da solo? Spiega ...

9) Che tipo di compromesso pensi che gli ingegneri facciano tra funzionalità, sicurezza ed estetica quando costruiscono un vero ponte?

• swahili