インタラクティブガムボールマシン
このレッスンでは、ガムボールマシンの歴史とポテンシャルおよび運動エネルギーに焦点を当てます。 生徒はチームで作業して、最初にガムボールスライドを作成し、次にインタラクティブなガムボールマシンを作成します。
- ポテンシャルと運動エネルギーを探ります。
- インタラクティブなガムボールマシンを設計および構築します。
- 設計上の課題を解決するために、エンジニアリング設計プロセスを実装します。
年齢レベル: 10-18
ビルドマテリアル(各チーム用)
アクティビティ2と3の両方に必要な資料(可能性の表)
- 段ボール箱
- 2リットルのペットボトル
- 紙コップ
- アイスキャンデースティック
- ダボ
- 串
- クレイ
- パイプクリーナー
- はさみ
- ゴムバンド
- 文字列
- ペーパークリップ
- バインダークリップ
- カードストックおよび/またはファイルフォルダ
- 段ボール片(いくつかの箱を異なるサイズの片に切ります)
- マスキングテープ
- 6フィートチューブ(パイプ絶縁体を縦半分にカット)–チームごとに1つ
- Xacto Knife(教師用)
試験材料
- ガムボール(または、学校でガムが許可されていない場合は、ガムボールを表すビー玉)
- 紙コップ
- ゴミ箱(小学生用)
材料
- ガムボール(または、学校でガムが許可されていない場合は、ガムボールを表すビー玉)
- 紙コップ
- ゴミ箱(幼児用)
プロセス
アクティビティ2–各チームは、スライドの上部に大理石を置き、カップに転がしてスライドのデザインをテストします。 生徒はカップをどこに置くかを決めることができます。 大理石がトラックに残っているかどうか、そしてそれがカップに着地したかどうかを生徒は記録する必要があります。
アクティビティ3–各チームは、ガムボールをマシン内の開始点に配置し、カップに着地するまでトラックをたどることによって、ガムボールマシンの設計をテストします。 学生は、インタラクティブな要素とループがどのように機能するかを示す必要があります。 生徒は、ガムボールが開始点からカップまで移動するのにかかる時間を記録する必要があります。
若い学生の場合は、カップの代わりに古紙のバスケットを使用してゴミ箱をキャッチします。
アクティビティ2–ガムボールスライド:デザインチャレンジ
あなたは、ガムボールができるだけ速く下に移動してカップに着地するためのスライドを設計および構築するという課題を与えられたエンジニアのチームです。 ガムボールはトラックに留まり、カップに着地する必要があります。 スライドは自立できる必要があります(自立型)。
基準
- ガムボールは「軌道」にとどまらなければなりません。
- ガムボールはカップに着地する必要があります。 (カップを置く場所はチーム次第です)
- スライドは自立型である必要があります(自立型)。
制約
- ガムボールを押して開始することはできません。
- 提供された材料のみを使用してください。
- チームは無制限の材料を取引することができます。
アクティビティ3–ガムボールマシン:設計上の課題
あなたは、顧客をおもちゃ屋に引き込むインタラクティブなガムボールマシンの設計と構築に挑戦したエンジニアのチームです。 マシンには、XNUMXつのインタラクティブ要素と少なくともXNUMXつのループが必要です。 機械はまた、自立(自立)でき、可能な限り創造的でなければなりません。
基準
- ガムボールを軌道に乗せてください。
- インタラクティブな要素がXNUMXつあります。
- 少なくとも1つのループがあります。
- 自立し(自立し)、可能な限り創造的になります。
制約
- 提供された材料のみを使用してください。
- チームは無制限の材料を取引することができます。
- クラスを3〜4人のチームに分けます。
- Interactive Gumball Machineワークシートと、デザインをスケッチするための紙を配ります。
- 背景の概念のセクションでトピックについて話し合います。
- アクティビティ1:ガムボールマシンの背後にある歴史を読み、主要な設計上の課題へのリードとして話し合います。 生徒に、これまでに見た自動販売機の種類と、学校や町や都市にどのような自動販売機を持ちたいかを尋ねます。
- アクティビティ2:ガムボールスライド–ガムボールスライドを作成するときに重力とエネルギーを探求することを生徒に説明します。
- アクティビティ3:ガムボールマシン–インタラクティブまたはインタラクションの意味について時間をかけて話し合います。 生徒にそれを定義してもらい、いくつかの例を示します。
- 相互作用-は、XNUMXつ以上のオブジェクトが相互に影響を与えるときに発生する一種のアクションです。
- インタラクティブ-お互いに行動します。
- 例:ビデオゲーム-ユーザーとゲーム間の相互作用。 ゲームを進めるにはユーザーが参加する必要があるため、インタラクティブです。
- ガムボールマシンがどのようにインタラクティブになるかを生徒に考えさせるには、以下の写真を表示します。(画像を取り込む)
- 各アクティビティのエンジニアリング設計プロセス、設計課題、基準、制約、および材料を確認します。
- 各チームに資料を提供します。
- 生徒は3つのアクティビティを完了する必要があることを説明します。
- アクティビティ1:ガムボールマシンの歴史を学びます。
- アクティビティ2:ガムボールスライドを設計および作成します。
- アクティビティ3:インタラクティブなガムボールマシンを設計および構築します。
- 設計と構築に必要な時間を発表します。
- アクティビティ1:ガムボールマシンの歴史(1分)。
- アクティビティ2:ガムボールスライド(1時間)。
- アクティビティ3:インタラクティブガムボールマシン(1〜2時間)。
- タイマーまたはオンラインストップウォッチ(カウントダウン機能)を使用して、時間どおりに進むようにします。 (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch)。 生徒が仕事を続けられるように、定期的に「時間チェック」を行います。 彼らが苦労している場合は、より迅速に解決策につながるような質問をしてください。
- 生徒は、アクティビティ2:ガムボールスライドの計画を立てます。
- チームはガムボールスライドを作成します。
- 各チームは、スライドの上部に大理石を置き、カップに転がしてスライドのデザインをテストします。 生徒はカップをどこに置くかを決めることができます。 大理石がトラックに残っているかどうか、そしてそれがカップに着地したかどうかを生徒は記録する必要があります。
- 次の質問を使用してクラスディスカッションを行います。
- ガムボールがスライドを下に移動し始める理由は何ですか? (重力)
- ガムボールを放す前に、どのようなエネルギーがありますか? (位置エネルギー)
- ガムボールを放した後、どのようなエネルギーがありますか? (運動エネルギー)
- 位置エネルギーの最大量はどこにありますか? どうして? (スライドの上部、スライドの最高点であるため、PE = mgh)
- 運動エネルギーの最大量はどこにありますか? どうして? (スライドの下部、ガムボールが最も速く移動するため、KE = 1 / 2mv2)
- ガムボールは仕事をしていますか? どうして? (はい、力が作用してスライドを下に移動します、W = fd)
- ガムボールをスライドの下で速く動かすにはどうすればよいですか? (スライドの傾斜または長さ、あるいはその両方を増やします。)
- ガムボールがカップに着地するために、カップをどこに置きますか? (これはチームごとに異なります。)
- なぜガムボールは続けたいのですか? (勢い)
- どうすればガムボールの速度を落とすことができますか? (摩擦を導入)
- 生徒はアクティビティ3の計画に出会い、計画を立てます。インタラクティブなガムボールマシンです。
- チームはインタラクティブなガムボールマシンを構築します。
- 各チームは、ガムボールをマシン内の開始点に配置し、カップに着地するまでトラックをたどることによって、ガムボールマシンの設計をテストします。 学生は、インタラクティブな要素とループがどのように機能するかを示す必要があります。 生徒は、ガムボールが開始点からカップまで移動するのにかかる時間を記録する必要があります。 若い学生の場合は、カップの代わりに古紙のバスケットを使用してゴミ箱をキャッチします。
- クラスとして、生徒の振り返りの質問について話し合います。
- このトピックの詳細については、「より深く掘り下げる」セクションを参照してください。
Student Reflection(エンジニアリングノート)
- 何がうまくいったのですか?
- 何がうまくいかなかったのですか?
- インタラクティブガムボールマシンのお気に入りの要素は何ですか?
- 再設計する時間があったら、どのような変更を加えますか?
時間変更
レッスンは、年長の学生のためにわずか1クラス期間で行うことができます。 ただし、生徒が急いでいると感じないようにし、生徒の成功を確実にするために(特に若い生徒の場合)、レッスンをXNUMXつの期間に分割して、生徒がブレインストーミング、アイデアのテスト、設計の完成に時間をかけることができるようにします。 次のクラス期間にテストと報告を行います。
- 加速度:オブジェクトがその速度を変更する速度。 オブジェクトが速度または方向を変更している場合、オブジェクトは加速しています。 オブジェクトが速度を変更している場合(加速と減速の両方)、オブジェクトは加速しています。
- 制約:材料、時間、チームのサイズなどの制限。
- 基準:全体のサイズなど、デザインが満たさなければならない条件。
- エネルギー:仕事をする能力。 力(押すまたは引く)を使用して動きを引き起こすときに作業を行います。
- エンジニア:世界の発明家と問題解決者。 XNUMXの主要な専門分野がエンジニアリングで認められています(インフォグラフィックを参照してください).
- エンジニアリング設計プロセス:プロセスエンジニアは、問題を解決するために使用します。
- Engineering Habits of Mind(EHM):エンジニアが考えるXNUMXつのユニークな方法。
- Force:オブジェクトと別のオブジェクトとの相互作用の結果として生じるオブジェクトのプッシュまたはプル。
- 摩擦:物体の動きに抵抗する力。
- 重力:物体が地球の中心に向かって落下する傾向がある引力。
- 相互作用:XNUMXつ以上のオブジェクトが相互に影響を与えるときに発生する一種のアクション。
- インタラクティブ:お互いに行動します。
- 運動エネルギー:運動のエネルギー。 すべての動く物体には運動エネルギーがあります。 運動エネルギーの量は、物体の質量と速度に依存します。 運動エネルギーの式はKE = 1 / 2mv2です。 [m =オブジェクトの質量、v =オブジェクトの速度]
- 反復:テストと再設計はXNUMX回の反復です。 繰り返します(複数回の繰り返し)。
- 質量:体内の物質の量。
- 動き:基準系で特定の観察者によって測定された、時間に対する体の位置の変化。
- 位置エネルギー:位置エネルギー。 位置エネルギーの量は、物体の質量と高さに依存します。 位置エネルギーの式はPE = mghです。 [m =物体の質量、g =重力による加速度(9.8 m / s2)、h =物体の高さ]
- プロトタイプ:テストするソリューションの作業モデル。
- 速度:オブジェクトの移動速度。
- 速度:オブジェクトがその位置を変更する速度。 勢い:動きのある質量。 勢いの量は、物がどれだけ動いているか、そして物がどれだけ速く動いているかによって異なります。
- 重量:地球の重力による体への引力。
- 作業:オブジェクトに作用する力を強制して、オブジェクトを距離を超えて移動させます。 仕事の公式はW = fdです。 [f =オブジェクトに適用される力、d =オブジェクトの変位]。
推奨読書
- 自動販売機:アメリカの社会史(ISBN:978-0786413690)自動販売機(ISBN:978-0981960012)
執筆活動
- ガムボールマシンの「人生のXNUMX日」についての短編小説を生徒に書かせます。 ガムボールマシンは誰に会い、何が起こりますか? ガムボールマシンは、ガムボールを入手する子供たちの生活をどのように変えますか?
- 学生は、より多くの顧客をおもちゃ屋に引き込むための広告を作成することもできます。 広告にインタラクティブなガムボールマシンを掲載する必要があります。 なぜ子供たちはこのおもちゃ屋に来なければならないのですか? インタラクティブガムボールマシンが必見なのはなぜですか?
カリキュラムフレームワークへの調整
注: このシリーズのレッスンプランは、次の一連の標準のXNUMXつ以上に沿っています。
- 米国の科学教育基準(http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- 米国の次世代科学基準(http://www.nextgenscience.org/)
- 国際技術教育協会の技術リテラシー基準(http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- 米国数学教師評議会の学校数学の原則と基準(http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- 数学のための米国の共通コア州基準(http://www.corestandards.org/Math)
- コンピュータサイエンス教師協会K-12コンピュータサイエンス標準(http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
全米科学教育基準 K-4年生(4〜9歳)
内容基準A:探究としての科学
活動の結果として、すべての学生は成長する必要があります
- 科学的調査を行うために必要な能力
- 科学的調査についての理解
コンテンツ標準B:物理科学
活動の結果として、すべての学生は理解を深める必要があります
- 光、熱、電気、そして磁気
コンテンツ標準E:科学技術
活動の結果として、すべての学生は成長する必要があります
- 科学技術についての理解
全米科学教育基準 5〜8年生(10〜14歳)
内容基準A:探究としての科学
活動の結果として、すべての学生は成長する必要があります
- 科学的調査を行うために必要な能力
- 科学的調査についての理解
コンテンツ標準B:物理科学
彼らの活動の結果として、すべての学生は理解を深める必要があります
- 物質の性質と性質の変化
- エネルギーの伝達
コンテンツ標準E:科学技術
活動の結果として、すべての学生は成長する必要があります
- 科学技術についての理解
次世代科学標準グレード3〜5(8〜11歳)
物質とその相互作用
理解を示す学生は次のことができます。
- 2-PS1-2。 さまざまな材料のテストから得られたデータを分析して、目的に最も適した特性を持つ材料を特定します。
- 5-PS1-3。 観察と測定を行い、特性に基づいて材料を特定します
技術リテラシーの基準–すべての年齢
設計
- 基準10:学生は、問題解決におけるトラブルシューティング、研究開発、発明と革新、および実験の役割についての理解を深めます。
<span class="notranslate">シナリオ</span>
地元のおもちゃ屋はより多くの顧客を引き付ける必要があるため、店の中央に設置され、子供たちが楽しめるインタラクティブなガムボールマシンである特別なディスプレイを作成して、クラスに助けを求めました。
設計課題
おもちゃ屋に顧客を引き込む楽しいインタラクティブガムボールマシンを設計および構築します。
基準
すべてのデザインは以下を行う必要があります。
- ガムボールを軌道に乗せて、
- インタラクティブな要素がXNUMXつあり、
- 少なくとも1つのループがあります。
- 自立する(自立する)、そして
- できるだけクリエイティブになりましょう。
制約
- 提供された資料のみを使用する必要があります。
チームメンバー:_____________________________________________
インタラクティブガムボールマシン名:__________________________________________
計画段階
チームとして集まり、解決する必要のある問題について話し合います。 次に、ガムボールマシンの設計を開発して合意します。 使用する材料を決定する必要があります。 下のボックスにデザインを描き、使用する予定の部品の説明と数を必ず示してください。
ガムボールスライドのデザインをブレインストーミングします。
最高のデザインを選択し、ここでスケッチします。
建設フェーズ
ガムボールマシンを構築します。 建設中に、追加の材料が必要であるか、設計を変更する必要があると判断する場合があります。 これは問題ありません。新しいスケッチを作成し、マテリアルリストを修正するだけです。
テスト段階
各チームはガムボールマシンをテストします。 設計が成功しなかった場合は、満足するまで再設計して再テストします。 他のチームのテストを見て、それらの異なる設計がどのように機能したかを観察してください。
最終的なデザインをスケッチする
評価フェーズ
チームの結果を評価し、評価ワークシートに記入して、結果をクラスに提示します。
このワークシートを使用して、インタラクティブガムボールマシンレッスンでチームの結果を評価します。
- 何がうまくいったのですか?
- 何がうまくいかなかったのですか?
- インタラクティブガムボールマシンのお気に入りの要素は何ですか?
- 再設計する時間があったら、どのような変更を加えますか?