Sticky Engineering Challenge
Questa lezione si concentra su come gli ingegneri lavorano per risolvere i problemi e influire sulla vita quotidiana attraverso prodotti nuovi e migliorati. Gli studenti lavorano in team per progettare una struttura, tenuta insieme dalla colla, che deve sopportare il peso di una lattina di zuppa o soda.
- Scopri come la selezione dei componenti influisce sui risultati di progettazione.
- Scopri come vengono sviluppati gli adesivi per diverse applicazioni.
- Scopri come i team di ingegneri affrontano la risoluzione dei problemi.
- Scopri il lavoro di squadra e il lavoro in gruppo.
Livelli di età: 8-18
Materiali di costruzione (per ogni squadra)
Materiali richiesti
- 30 bastoncini di ghiaccioli
- 10 graffette
- 2 fogli di carta
Materiali da costruzione (da condividere) - Nota di sicurezza: la colla super o la colla pazza non è raccomandata
- Una varietà di opzioni di colla
- Colla scolastica o lavabile
- Colla per legno
- Colla artigianale
- Colla gel
- Cemento gommoso
- Stick di colla
- Vedi l'idea di estensione di seguito
Idea di estensione - Fare la colla
- Per un'attività di estensione opzionale potresti chiedere agli studenti di sviluppare le proprie colle o ricette per le colle. Alcune di queste ricette richiederebbero l'uso di una stufa e richiederebbero la supervisione di un adulto e ulteriori precauzioni di sicurezza.
- Colla Ricetta 1 (senza calore) Mescolare 1/2 tazza di farina con 1/4 tazza d'acqua.
- Colla Ricetta 2 (senza calore) Mescolare 2 tazze di farina con 1 tazza di acqua fredda e 1 tazza di acqua calda del rubinetto
- Colla Ricetta 3 (richiede calore) 1. Mescolare 1 tazza di farina, 1 tazza di zucchero, 1 cucchiaino. allume, 4 tazze d'acqua in una casseruola. 2. Cuocere fino a quando diventa chiaro e denso. 3. Aggiungere 30 gocce di olio di chiodi di garofano o wintergreen (ecc.) E conservare coperto.
- Colla Ricetta 4 (richiede calore) 1. Mescolare 3/4 tazza di acqua, 3 cucchiai di zucchero e 1 cucchiaino di aceto bianco in una casseruola e portare a ebollizione. 2. In una ciotola separata, mescolare 1/2 tazza di amido di mais o farina di mais e 3/4 tazza di acqua, mescolare a fuoco molto basso. 3. Aggiungere lentamente la miscela di amido di mais alla miscela di acqua / zucchero / aceto. Mescola continuamente per due minuti. 4. Togliete il composto dal fuoco e lasciate raffreddare completamente prima di usarlo come colla
Materiali di prova
- Lattine identiche di zuppa o soda - circa 10 once o 300 grammi
Materiali
- Lattine identiche di zuppa o soda - circa 10 once o 300 grammi
Processi
Prova ogni disegno posizionando la lattina sopra la struttura.
Design Challenge
Siete un team di ingegneri a cui è stata affidata la sfida di costruire una struttura in grado di sopportare il peso di una lattina di zuppa o soda. La lattina deve essere almeno 2 pollici o 5 centimetri sopra la superficie del tavolo. I tuoi materiali includono bastoncini per ghiaccioli, graffette, carta e colla, ma dovrai decidere quale colla funziona meglio per il tuo design!
Criteri
- Deve sopportare il peso di una lattina di zuppa o soda
- Può essere almeno 2 pollici o 5 centimetri sopra la superficie del tavolo.
vincoli
Utilizzare solo i materiali forniti.
- Suddividi la classe in squadre di 2-3.
- Distribuisci il foglio di lavoro Sticky Engineering e alcuni fogli di carta per disegnare i progetti.
- 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 una struttura a partire dagli oggetti di uso quotidiano. La struttura deve sopportare il peso di una lattina di zuppa o soda. La lattina deve essere almeno 2 pollici o 5 centimetri sopra la superficie del tavolo. I loro materiali includono bastoncini per ghiaccioli, graffette, carta e colla, ma dovranno decidere quale colla funziona meglio per il loro design!
- 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 la loro struttura. Sono d'accordo su quanti bastoncini di ghiaccioli e graffette avranno bisogno, scrivono / disegnano il loro piano e presentano il loro piano alla classe.
- Le squadre dovrebbero testare le diverse colle per la forza utilizzando alcuni scenari diversi. Questi test li aiuteranno a decidere quale colla scegliere per la loro struttura edile. Dovrebbero trovare un metodo che sia coerente per ogni tipo di colla. Potrebbe comportare un test di resistenza utilizzando un calibro o una semplice corda o un test del peso per vedere se una colla può sostenere un certo peso per un determinato periodo di tempo (ad esempio durante la notte).
- I team costruiscono i loro progetti.
- Prova i progetti posizionando la lattina di zuppa / soda sopra ogni struttura.
- I team dovrebbero documentare quanti bastoncini di ghiaccioli e graffette hanno usato per il loro design.
- In classe, discuti le domande di riflessione degli studenti.
- Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere la sezione "Scavare più a fondo".
Riflessione degli studenti (quaderno di ingegneria)
- Sei riuscito a creare una struttura per contenere la lattina? Se è così, perché pensi che il tuo design abbia funzionato? In caso contrario, perché ha fallito?
- Come hai testato le tue colle per effettuare la selezione della colla? Il tuo processo di test ha funzionato bene e ti ha fornito le informazioni / ricerche necessarie per prendere una decisione?
- Quanto è stata importante la selezione della colla per il successo o il fallimento della tua struttura?
- Se dovessi rifare tutto da capo, cosa faresti di diverso? Perché?
- 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? Riuscite a pensare ad esempi di prodotti di uso quotidiano che svolgono lo stesso lavoro ma hanno un aspetto o prestazioni molto diversi?
- Pensi che saresti stato in grado di completare questo progetto più facilmente se lavorassi da solo? Perché? Perché no?
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.
Storia dell'adesivo e implicazioni ingegneristiche
Adesivi attraverso i secoli
I primi adesivi erano gomme naturali e altre resine vegetali. Gli archeologi hanno trovato vasi in ceramica di 6000 anni che si erano rotti e riparati usando resina vegetale. La maggior parte dei primi adesivi erano colle animali realizzate mediante rendering di prodotti animali come l'uso di zoccoli di bufalo da parte dei nativi americani. I nativi americani in quelli che ora sono gli Stati Uniti orientali usavano una miscela di gomma e grasso di abete rosso come adesivi e come calafataggio per impermeabilizzare le cuciture nelle loro canoe di corteccia di betulla. Durante i tempi di Babilonia, la colla simile al catrame veniva utilizzata per incollare le statue. Inoltre, l'Egitto è stato uno degli utenti più importanti di adesivi. Gli egiziani usavano colle animali per aderire a tombe, mobili, avorio e papiri. Inoltre, i mongoli usavano adesivi per fare i loro brevi archi. In Europa nel Medioevo gli albumi venivano usati per decorare le pergamene con foglie d'oro. Nel 1700 fu fondata la prima fabbrica di colla in Olanda, che produceva colla per pelli. Più tardi, nel 1750, gli inglesi introdussero la colla di pesce. Con il procedere della modernizzazione, sono stati rilasciati nuovi brevetti utilizzando gomma, ossa, amido, pesce e caseina. Gli adesivi moderni hanno migliorato flessibilità, tenacità, velocità di polimerizzazione, temperatura e resistenza chimica.
Si attaccherà?
Se una colla o un adesivo "attacca" dipende da qualcosa di più della semplice formulazione della colla. Dipende anche dai materiali "attaccati" insieme, da come sono strutturati o attaccati e da quanto carico devono portare. Ad esempio, anche la colla più forte che collega due bastoncini di ghiacciolo non potrebbe sopportare il peso di un televisore. E alcune colle, sebbene più forti, potrebbero aumentare il costo di un prodotto al punto che un consumatore non lo comprerebbe.
Considerazioni di ingegneria
Quando gli ingegneri sviluppano nuovi prodotti (o cercano di migliorare quelli esistenti) devono determinare quali materiali utilizzare, in molti casi inclusa la selezione di adesivi o colle appropriati per soddisfare le esigenze del lavoro. Dovranno anche sviluppare un piano per come i materiali si adatteranno e rimarranno insieme e un metodo per attaccare le parti in modo tale che le parti rimangano insieme durante il normale utilizzo. Anche fattori di utilizzo come temperatura, umidità, forza e danni previsti verranno valutati e testati prima della produzione in serie.
Note adesive - Prova ed errore di ingegneria
3M e il Post-it Note
Un Post-it (o semplicemente Post-it), inventato e prodotto da 3M, è un pezzo di cancelleria con una striscia adesiva riaderibile sul retro, progettato per attaccare temporaneamente note a documenti, display di computer e così via . Sebbene ora sia disponibile in un'ampia gamma di colori, forme e dimensioni, la dimensione più comune del Post-it è un quadrato da 3 cm, di colore giallo canarino. Le note utilizzano un adesivo unico a bassa adesività che consente di attaccare e rimuovere facilmente i Post-it senza lasciare segni o residui. I nomi "Post-it" e "Post-it note", così come il colore giallo canarino, sono marchi di 7.5M, l'azienda che li ha inventati e prodotti. I termini generici accettati per i concorrenti includono "note adesive" o "riposizionabili" o "note di riposizionamento"; tuttavia, Post-it note è spesso utilizzato come termine generico per qualsiasi prodotto di questo tipo.
Tutto è iniziato con un errore
Il post-it è stato inventato nel 1968 dal dottor Spencer Silver, uno scienziato della 3M che si è imbattuto in una colla che non era abbastanza appiccicosa. Nel 1974, un suo collega, Arthur Fry, cantava in un coro di una chiesa ed era frustrato dal fatto che i suoi segnalibri continuassero a cadere dal suo inno. In un momento di intuizione, Fry si rese conto che l'adesivo riutilizzabile di Silver avrebbe fornito esattamente ciò di cui aveva bisogno, e nacque il concetto di Post-it. Se potesse essere rivestito su carta, l'adesivo di Silver terrebbe in posizione un segnalibro senza danneggiare la pagina su cui è stato posizionato. Fry ha richiesto un campione dell'adesivo sviluppato da Silver e ha iniziato a sperimentare. Ha rivestito solo un bordo della carta in modo che la parte che si estende da un libro non fosse appiccicosa. Fry ha usato alcuni dei suoi esperimenti per scrivere note al suo capo. Sia Silver che Fry alla fine hanno vinto entrambi i più alti riconoscimenti di 3M per la ricerca e numerosi premi all'interno della comunità ingegneristica internazionale.
3M lanciò il prodotto nel 1977 ma fallì poiché i consumatori non avevano ancora provato il prodotto e non potevano facilmente visualizzare come avrebbero potuto usarlo. Un anno dopo 3M ha sommerso Boise, Idaho, con campioni. Il 90% delle persone che li hanno provati ha affermato che avrebbe acquistato il prodotto. Nel 1980 il prodotto è stato venduto a livello nazionale e un anno dopo sono stati lanciati in Canada e in Europa.
Più cronologia dei post-it è disponibile all'indirizzo www.post-it.com/3M/en_US/post-it/contact-us/about-us/.
- Adesivo: una sostanza che viene utilizzata per far aderire le cose.
- Vincoli: limitazioni relative a materiale, tempo, dimensioni del team, ecc.
- Criteri: condizioni che il progetto deve soddisfare come le sue dimensioni complessive, ecc.
- Carico critico: il peso al quale un edificio o una struttura si rompe.
- 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.
Connessioni Internet
lettura consigliata
- La guida completa a colle e adesivi (ISBN: 0873418204)
- Tecnologia di adesione e adesivi (ISBN: 1569903190)
Attività di scrittura
Scrivi un saggio o un paragrafo che offra esempi reali di come gli ingegneri hanno creato prodotti che sono più convenienti o più efficienti perché le colle o gli adesivi sono incorporati nel prodotto.
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
- Capacità di distinguere tra oggetti naturali e oggetti realizzati dall'uomo
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
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 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
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 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 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.
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 e i vincoli di un problema di progettazione con sufficiente precisione per garantire una soluzione di successo, tenendo conto dei principi scientifici rilevanti 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 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 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 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.
Sei un team di ingegneri che deve affrontare la sfida di costruire una struttura per contenere una lattina di zuppa o soda almeno due pollici o cinque centimetri sopra una superficie. I tuoi materiali includono bastoncini per ghiaccioli, graffette, carta e colla, ma dovrai capire quale colla funziona meglio!
Fase di ricerca / preparazione
Esamina i vari fogli di riferimento per gli studenti.
Pianificazione in team
Il tuo team ha ricevuto alcuni "materiali da costruzione" dal tuo insegnante. Questi devono essere trasformati in una struttura per contenere una lattina di zuppa o soda almeno due pollici o cinque centimetri sopra una superficie.
Ora, incontra il tuo team e concepisci un piano per costruire la tua struttura. Pensa alle diverse colle disponibili: puoi selezionare solo un tipo di colla.
Prova le diverse colle per la forza utilizzando alcuni scenari diversi. Questi test ti aiuteranno a decidere quale colla scegliere per la struttura del tuo edificio. Trova un metodo che sia coerente per ogni tipo di colla. Potrebbe comportare un test di resistenza utilizzando un calibro o una semplice corda o un test del peso per vedere se una colla può sostenere un certo peso per un periodo di tempo precedente (ad esempio durante la notte).
Scrivi o disegna il tuo piano nella casella sottostante, incluso il numero di bastoncini di ghiaccioli e graffette che intendi utilizzare. Presenta il tuo disegno alla classe e spiega la tua scelta di colla. Puoi scegliere di rivedere il piano delle tue squadre dopo aver ricevuto feedback dalla classe.
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Fase di costruzione
Provaci! Esegui il tuo piano e verifica se il tuo progetto ha funzionato. Se fallisce in corso, puoi scegliere un'altra scelta di colla e ricominciare da capo. 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 dei tuoi team nella Sticky Engineering Challenge!
1. Sei riuscito a creare una struttura per contenere la lattina? Se è così, perché pensi che il tuo design abbia funzionato? In caso contrario, perché ha fallito?
2. Come hai testato le tue colle per effettuare la selezione della colla? Il tuo processo di test ha funzionato bene e ti ha fornito le informazioni / ricerche necessarie per prendere una decisione?
3. Quanto è stata importante la selezione della colla per il successo o il fallimento della tua struttura?
4. Se dovessi rifare tutto da capo, cosa faresti di diverso? Perché?
5. Quali progetti o metodi hai visto provare ad altri team che pensavi funzionassero bene?
6. Hai scoperto che c'erano molti progetti nella tua classe che hanno soddisfatto l'obiettivo del progetto? Riuscite a pensare ad esempi di prodotti di uso quotidiano che svolgono lo stesso lavoro ma hanno un aspetto o prestazioni molto diversi?
7. Pensi che saresti stato in grado di completare questo progetto più facilmente se lavorassi da solo? Perché? Perché no?