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Questa lezione si concentra sull'ingegneria alla base dei processi di smistamento industriale. Gli studenti lavorano in team per progettare e costruire un sistema per ordinare monete di diverse dimensioni per l'imballaggio.
- Informazioni sul sistema di ingegneria.
- Scopri i processi di produzione delle monete.
- Scopri il lavoro di squadra e il lavoro in gruppo.
Livelli di età: 8-18
Materiali di costruzione (per ogni squadra)
Materiali richiesti (tabella delle possibilità)
- Colla
- Nastro
- Piatti di carta o plastica
- Cartone
- Forbici o perforatori
- Foil Jersey
- Tubi di cartone (tovaglioli di carta o carta igienica)
- Pezzi di legno (opzionale)
Materiali di prova
- Borsa di monete di diverse dimensioni (10 di ciascuna)
- Dispositivo di raccolta (bicchiere di carta, piccola scatola, sacchetto di plastica, sacchetto di carta)
Materiali
- Borsa di monete di diverse dimensioni
- Dispositivo di raccolta (bicchiere di carta, piccola scatola, sacchetto di plastica, sacchetto di carta)
Processi
I sistemi delle squadre vengono testati facendo passare l'insegnante da un sistema all'altro e inserendo 10 di ogni moneta. Gli studenti dovrebbero spiegare come funzionano i loro sistemi in modo che sia chiaro come e dove inserire le monete.
Le squadre registrano quante monete vengono ordinate correttamente in contenitori separati (scatole, borse, tazze).
Design Challenge
Siete un team di ingegneri che lavorano in una zecca a cui è stata affidata la sfida di sviluppare un sistema di smistamento per diverse monete prodotte nella vostra struttura.
Criteri
- Deve ordinare monete di diverse dimensioni in un contenitore di raccolta.
vincoli
- Utilizzare solo i materiali forniti.
- Le squadre possono scambiare materiali illimitati.
- Suddividi la classe in squadre di 2-3.
- Distribuisci il foglio di lavoro Sort it Out e alcuni fogli di carta per disegnare i disegni. Se possibile, dai agli studenti il tempo di visitare i siti web di varie zecche in tutto il mondo, e in particolare il tour virtuale della Zecca degli Stati Uniti.
- 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.
- Fornisci a ogni squadra i loro materiali.
- Spiega che gli studenti devono sviluppare un sistema per ordinare diverse monete.
- Annuncia il tempo a disposizione per progettare e costruire (1 ora consigliata).
- 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.
- Gli studenti si incontrano e sviluppano un piano per il loro selezionatore. 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.
- I team costruiscono i loro progetti.
- I sistemi delle squadre vengono testati facendo passare l'insegnante da un sistema all'altro e inserendo 10 di ogni moneta. Gli studenti dovrebbero spiegare come funzionano i loro sistemi in modo che sia chiaro come e dove devono essere inserite le monete. Le squadre registrano quante monete sono correttamente ordinate in contenitori separati (scatole, sacchetti, tazze).
- In classe, discuti le domande di riflessione degli studenti.
- Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere la sezione "Scavare più a fondo".
Suggerimenti:
Esistono molti modi per ordinare le monete. È meglio lasciare che gli studenti escogitino le proprie soluzioni che li espongano anche ai processi di negoziazione e lavoro di squadra, che fanno tutti parte della vita quotidiana di un ingegnere.
È possibile utilizzare una rampa con fori leggermente più grandi di ciascuna moneta tagliata in una base di cartone o legno: i fori più piccoli si trovano in alto in modo che le monete più piccole vengano ordinate per prime. In questo metodo, l'angolo della rampa determinerà se le monete si muovono verso il basso a una velocità sufficientemente lenta da essere catturate nei fori (troppo vicino alla verticale farà sì che le monete si muovano troppo velocemente per essere catturate nei fori; troppo orizzontale a la pendenza farà sì che le monete rimangano intrappolate e non si spostino verso il basso).
Un altro metodo consiste nell'usare la gravità impostando una serie di piatti di plastica o di carta appesi, pretagliati con fori per far cadere le monete. In questo sistema i fori delle monete più grandi saranno nelle piastre superiori, con il più piccolo in basso. Agitando delicatamente o inclinando i piatti in modo che le monete cadano da una all'altra, le monete si separeranno da sole.
Riflessione degli studenti (quaderno di ingegneria)
- Sei riuscito a creare un sistema che ha ordinato con successo alcune monete? In caso contrario, perché ha fallito?
- Quale percentuale delle monete di prova è stata ordinata correttamente? Come si è confrontato con la tua previsione? Cosa pensi abbia causato qualche differenza?
- Quale percentuale di errore ritieni sia accettabile per le strutture di conio di monete reali?
- Quale percentuale di errore pensi sia accettabile per le aziende produttrici di medicinali? Quali sono i problemi di sicurezza da considerare qui?
- Quale percentuale di errore pensi sia accettabile per i produttori di unghie?
- Hai dovuto riprogettare il tuo impianto in fase di costruzione? Cosa mancava al tuo disegno originale disegnato?
- Se dovessi rifare tutto da capo, come cambierebbe il tuo sistema pianificato? Perché?
- Pensi che gli ingegneri debbano adattare i loro piani originali durante il processo di produzione? Perché potrebbero?
- Quali progetti o metodi hai visto provare ad altri team che pensavi funzionassero bene?
- Hai scoperto che c'erano molti progetti nella tua classe che hanno soddisfatto l'obiettivo del progetto? Cosa ti dice questo sui sistemi di ingegneria nel mondo reale?
- Pensi che saresti stato in grado di completare questo progetto più facilmente se lavorassi da solo?
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.
Processi di conio e smistamento
Separare e ordinare
Varie attività di smistamento sono essenziali nei processi industriali. Ad esempio, durante l'estrazione dell'oro dal minerale, un dispositivo chiamato tavolo shaker utilizza gravità, vibrazioni e flusso per separare l'oro dai materiali più leggeri nel minerale (ordinamento per dimensione e peso).
minting
Una zecca è una struttura che produce monete per valuta. All'inizio, la monetazione martellata o la monetazione colata erano le uniche scelte. Nelle zecche più moderne, le fustelle per monete sono prodotte in gran numero e le pialle vengono trasformate in monete da miliardi.
Ogni città-stato nell'antica Grecia aveva la sua zecca. Le zecche romane erano diffuse in lungo e in largo in tutto l'impero e ampiamente utilizzate per scopi di propaganda. Un modo in cui la gente sapeva che c'era un nuovo imperatore era quando coniava monete con il suo ritratto su di esso. Molti degli imperatori che governarono solo per brevissimo tempo si assicurarono di avere il loro ritratto su alcune monete. Quietus, ad esempio, governò solo una parte dell'impero dal 260-261 d.C., eppure emise diverse monete che recavano la sua immagine.
Lo sapevate?
- In un dato anno, la Zecca degli Stati Uniti produce tra i 14 ei 28 miliardi di monete circolanti. Nel 2004 vengono coniate da 65 a 80 milioni di monete ogni giorno.
- Dall'apertura nel 1965, la Zecca australiana ha prodotto oltre undici miliardi di monete circolanti e ha la capacità di produrre oltre due milioni di monete al giorno, ovvero oltre seicento milioni di monete all'anno.
- Nel Regno Unito, le ultime macchine da stampa della Royal Mint possono emettere ciascuna più di 700 monete al minuto, rendendo impossibile per l'occhio umano separare i singoli pezzi mentre passano attraverso la stampa.
- La Winnipeg Mint è la centrale elettrica della produzione di monete ad alto volume del Canada. Qui, processi e attrezzature tecnologicamente avanzati producono fino a 15 milioni di monete placcate ogni giorno per la circolazione canadese e straniera.
Fasi di produzione
- La maggior parte della produzione di monete inizia con l'arrivo delle bobine, strisce arrotolate di metallo piatto. Le bobine sono larghe circa un piede, lunghe 1500 piedi e spesse circa quanto lo spessore della moneta finale. Ogni bobina pesa vicino a 6,000 libbre.
- Dopo aver tagliato un lotto di pezzi grezzi, il metallo rimanente (fettuccia) viene tagliato e raccolto in un bidone. Riciclando la fettuccia per creare una nuova striscia di monete, ci assicuriamo che il materiale non venga sprecato.
- Ogni fila di presse per stampaggio di solito esegue la stessa denominazione di moneta con la forza della pressa adattata alla forza del metallo. I sensori sono in grado di schermare e rilevare monete difettose. Le dimensioni, la durezza, la complessità del design e il rilievo della planchet determinano la forza necessaria per colpire. Nel sistema statunitense, le monete del dollaro d'oro richiedono la forza maggiore e i penny richiedono la forza minima.
- Se un errore di peso o di progettazione viene identificato da un sistema di controllo qualità ingegnerizzato, vengono ordinati dalle monete buone e inviati alle macchine per la distruzione delle monete chiamate waffler. Queste macchine utilizzano due rulli ad alta pressione per imprimere un motivo increspato nel metallo. Distorto e mutilato, il metallo perde valore di denominazione. Tuttavia, viene riciclato per un utilizzo futuro.
- Se le monete superano l'ispezione, l'operatore tira la leva della trappola. Questo scarica le monete su un nastro trasportatore che le trasporta alla zona di conteggio e insacco.
-
pszabo-bigstock.com Una macchina conteggio automatica, dotata di un sensore che rileva i prodotti corretti, conta le monete e le fa cadere in sacchi di grandi dimensioni. I sacchetti di monete pieni vengono pesati su una bilancia per assicurarsi che il contenuto sia imballato correttamente.
- I sacchi vengono chiusi ermeticamente, caricati su pallet e portati con carrelli elevatori ai caveau per lo stoccaggio, dove rimangono in giacenza fino al momento della loro circolazione.
Connessioni Internet
lettura consigliata
- La storia del denaro (ISBN: 0609801724)
- Produzione, ingegneria e tecnologia (ISBN: 0131489658)
Attività di scrittura
Scrivi un saggio o un paragrafo sull'impatto ingegneristico quando un paese decide di modificare l'aspetto o il contenuto materiale di un pezzo di moneta. Scrivi un saggio su come gli ingegneri incorporano sistemi anticontraffazione nella produzione di monete.
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
- Comprensione sull'indagine scientifica
CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare una comprensione di
- Proprietà di oggetti e materiali
- Posizione e movimento degli oggetti
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 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
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
- Comprensioni sull'indagine 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
- Scienza e tecnologia nella società
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
- Comprensioni sull'indagine 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
- Salute personale e comunitaria
- Scienza e tecnologia nelle sfide locali, nazionali e globali
Next Generation Science Standards Grades 2-5 (Age 7-11)
Materia e sue interazioni
Gli studenti che dimostrano comprensione possono:
- 2-PS1-2. Analizza i dati ottenuti dal test di materiali diversi per determinare quali materiali hanno le proprietà più adatte allo scopo previsto.
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
- 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 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 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.
- Standard 12: Gli studenti svilupperanno le capacità di utilizzare e mantenere prodotti e sistemi tecnologici.
- 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.
Ingegneria Industriale
Ingegneria InformaticaSiete un team di ingegneri che lavorano in una zecca a cui è stata affidata la sfida di sviluppare un sistema di smistamento per diverse monete prodotte nella vostra struttura.
Fase di ricerca / preparazione
Esamina i vari fogli di riferimento per gli studenti e, se possibile, visita i siti web di varie zecche.
Pianificazione in team
Il tuo team ha ricevuto alcuni "materiali da costruzione" dal tuo insegnante. Hai colla, nastro adesivo, piatti di carta o plastica, cartone, forbici o perforatori, fogli di alluminio, carta, tubi di cartone (ad esempio da tovaglioli di carta o rotoli di carta igienica), un campione di ciascuna moneta da smistare e un dispositivo di raccolta ( bicchiere di carta, piccola scatola, sacchetto di plastica, sacchetto di carta).
Inizia incontrando il tuo team e ideando un piano per costruire la tua struttura. Dovrai capire quali materiali vuoi usare (non ti servono tutti!)
Disegna il piano del tuo meccanismo di smistamento nella casella sottostante:
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| Prevedi la% di monete che pensi verranno ordinate correttamente in base al tuo design: ___% |
Fase di costruzione
Costruisci il tuo meccanismo di ordinamento e prova usando le monete campione che ti sono state fornite.
Fase di test
Il tuo insegnante metterà alla prova il tuo sistema usando una borsa di monete. Il tuo compito è spiegare come funziona il sistema in modo che il tuo insegnante sia chiaro su come e dove mettere le monete miste.
Fase di valutazione
Valuta i risultati dei tuoi team, completa le domande seguenti e presenta i tuoi risultati alla classe.
- Sei riuscito a creare un sistema che ha ordinato con successo alcune monete? In caso contrario, perché ha fallito?
- Quale percentuale delle monete di prova è stata ordinata correttamente? Come si è confrontato con la tua previsione? Cosa pensi abbia causato qualche differenza?
- Quale percentuale di errore ritieni sia accettabile per le strutture di conio di monete reali?
- Quale percentuale di errore pensi sia accettabile per le aziende produttrici di medicinali? Quali sono i problemi di sicurezza da considerare qui?
- Quale percentuale di errore pensi sia accettabile per i produttori di unghie?
- Hai dovuto riprogettare il tuo impianto in fase di costruzione? Cosa mancava al tuo disegno originale disegnato?
- Se dovessi rifare tutto da capo, come cambierebbe il tuo sistema pianificato? Perché?
- Pensi che gli ingegneri debbano adattare i loro piani originali durante il processo di produzione? Perché potrebbero?
- Quali progetti o metodi hai visto provare ad altri team che pensavi funzionassero bene?
- Hai scoperto che c'erano molti progetti nella tua classe che hanno soddisfatto l'obiettivo del progetto? Cosa ti dice questo sui sistemi di ingegneria nel mondo reale?
- Pensi che saresti stato in grado di completare questo progetto più facilmente se lavorassi da solo? Spiegare…
