プラスチックの世紀
このレッスンでは、プラスチックの開発、およびプラスチック部品の日常の製品へのエンジニアリングが世界にどのように影響したかを探ります。 学生は、プラスチックの歴史、プラスチックエンジニアが行うこと、およびプラスチックコンポーネントの追加によって強化された製品の数について学びます。 学生はチームで作業して、プラスチックのない製品や、プラスチック以前の世界には存在し得ないと考える製品を特定します。 彼らは「エンジニア」のチームとして働き、現在の設計よりも50％少ないプラスチック部品を使用するように製品を再設計できるかどうかを確認します。
- プラスチックについて学びます。
- プラスチックが非常に多くの一般的な製品にどのように設計されているかについて学びます。
- チームワークとエンジニアリングの問題解決/設計プロセスについて学びます。
年齢レベル： 8-18
教材の作成（各生徒用）
必要な材料
- 学生用ワークシート
- 背景トピックセクション
設計課題
あなたは、プラスチックの発明なしでは不可能だと思うXNUMXつの機械または製品のリストを作成するという課題を与えられたエンジニアのチームです。 次に、リサイクルを容易にするために、これらの製品または機械のXNUMXつでどのプラスチック部品を交換するかを決定します。 代わりにどのような素材を使用し、それがパフォーマンス、価格、または美観にどのように影響しますか？
- クラスを3〜4人のチームに分けます。
- Century ofPlasticsワークシートとBackgroundConceptsセクションのプリントアウトを配ります。
- 背景概念セクションのトピックについて話し合う
- 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。
- チームとして作業して最初の生徒用ワークシート–プラスチックハントを完成させるように生徒に指示します。：
- あなたの家、教室、または遊び場で見つけることができるアイテムについて考えてください。 プラスチック製の構成部品がないアイテムを特定して文書化します。
- クラスとして、振り返りの質問について話し合います。
- プラスチックを含まない商品を探すのは思ったより大変でしたか？
- プラスチックを使わずに見つけた製品のうち、共通点は何でしたか？
- 見つけた製品のXNUMXつをリエンジニアリングしている場合、変更しますか
- プラスチックの構成部品はありますか？ どうして？ なぜだめですか？
- プラスチックがなくてもCDは可能だと思いますか？ どうして？ なぜだめですか？
- なぜリサイクルが重要なのですか？
- チームとして作業して完了するように生徒に指示します ステップ１ XNUMX番目の学生ワークシートの–あなたはエンジニアです：
- プラスチックの発明なしでは不可能だと思うXNUMXつの機械または製品のリストを考え出します。 それぞれについて、次の質問に答えてください。
- 製品の何％がプラスチックですか？
- なぜこれはプラスチックなしでは不可能なのでしょうか？
- この機械または製品は世界にどのような影響を与えましたか？
- プラスチックの発明なしでは不可能だと思うXNUMXつの機械または製品のリストを考え出します。 それぞれについて、次の質問に答えてください。
- チームとして作業して完了するように生徒に指示します ステップ2 XNUMX番目の学生ワークシートの–あなたはエンジニアです：
- パートXNUMXで特定したXNUMXつの製品または機械のいずれかでプラスチックの一部を交換して、リサイクルを容易にします。 代わりに使用する材料、それがパフォーマンス、価格、または美観にどのように影響するかについて話し合います。 次に、クラスにアイデアを提示します。
- あなたの製品が何をしているのか、そしてあなたがプラスチックだと思うその割合を説明してください。
- どのコンポーネントを他の材料と交換するかを説明します。 交換用の材料をどのように選択したか、および新しい材料が製品の重量、コスト、および機能にどのように影響するかを説明してください。
- この製品が現在の設計と同じくらい効果的であるかどうか、製造にさらに費用がかかる可能性があるかどうか、およびリサイクルがどのように簡単になるかを予測します。
- プラスチックを一般的な製品に加工することが世界に影響を与えたとチームがどのように信じているかを説明してください。
- パートXNUMXで特定したXNUMXつの製品または機械のいずれかでプラスチックの一部を交換して、リサイクルを容易にします。 代わりに使用する材料、それがパフォーマンス、価格、または美観にどのように影響するかについて話し合います。 次に、クラスにアイデアを提示します。
- 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。
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。
プラスチックとは何ですか？
プラスチックの世紀
19世紀には、高分子化学が大きく進歩しました。 しかし、大量生産されたポリマーを実行可能な経済的現実にするためには、20世紀の化学技術者の洞察が必要でした。 1908年にベークライトと呼ばれるプラスチックが導入されたとき、それは「プラスチック時代」を開始しました。 ベークライトは、電気プラグからヘアブラシ、ラジオ、時計、さらには宝石まで、多くの製品に組み込まれました。 この時代のベークライト製品は今や非常に収集可能です！ 今日、プラスチックはほとんどすべての製品に含まれています。 いくつかの種類のプラスチックを組み込んでいない多くの機械を見つけることは困難です。
プラスチックとは？
プラスチックはポリマーです。原子の長い鎖が互いに結合しています。 プラスチックは、実際には非常に広範囲の合成または半合成重合製品をカバーする用語です。 それらは有機凝縮または追加のポリマーで構成されており、耐熱性、難易度、色、および柔軟性が異なるアプリケーションにより適したものにするために、他の物質を含む場合があります。 プラスチックは、特定の硬い形状に成形または成形することも、フィルムまたは繊維として開発することもできます。 製造のある段階で、すべてのプラスチックが流れることができます。 プラスチックという言葉は、多くの形態が展性があり、可塑性の特性を持っているという事実に由来しています。 プラスチックは軽量で、比較的安価で、耐久性があるため、エンジニアは多くの製品の構成部品としてプラスチックに目を向けることがよくあります。 それは多くの製品のコストを削減しました、そして多くの製品はプラスチックなしでは今日存在しませんでした。
プラスチックエンジニア
プラスチックの開発により、新しい分野の作業が開始されました。プラスチックエンジニアです。 彼らは高分子材料の特性を研究し、プラスチック部品を成形できる機械を開発しています。 彼らは、携帯電話のカバー、靴の裏、バックパックの車輪などの部品を必要とする他のエンジニアのニーズを満たすためにプラスチックを成形する方法を模索しています。 彼らはまた、プラスチックの性能を改善するために働き、高温または低温または反復運動によりよく反応する新しい材料を探しています。
短いタイムライン
- 1907年：合成ポリマーをベースにした最初のプラスチックであるベークライトが、レオ・ヘンドリック・ベークランドによって作成されました。 ベークライトは、加熱された後もその形状を保持するように発明された最初のプラスチックでした。
- 1908年：セロハンはスイスの化学者ジャック・ブランデンベルガーによって発見されました。
- 1920年代：酢酸セルロース、アクリル（Lucite＆Plexiglas）、ポリスチレンが製造されています。
- 1957年：ゼネラルエレクトリックがポリカーボネートプラスチックを開発。
- 1968年：米国では人工繊維の消費が天然繊維を上回った
- 1987年：ニポンジオンは、低温で曲げたりねじったりできるように「記憶」を備えたプラスチックを開発しましたが、摂氏37度を超えると元の形状に戻ります。
- 1990年代：プラスチックのリサイクルプログラムが一般的で、古いプラスチックの新しい用途を提供します
日常の物のプラスチック前の歴史
歯ブラシ
最も初期に知られている歯ブラシは、噛んだりつぶしたりした小枝でできた「チュースティック」でした。 このスタイルの歯科衛生士は数千年前にさかのぼります。 最近では、歯ブラシは、豚の毛や髪の毛をワイヤーで巻いた骨の柄で製造されていました。 このスタイルは、1600年代から1800年代半ばにかけて人気がありましたが、ハンドルは木でできていることもありました。 次の大きな設計変更は、ナイロンの導入によって促されました。 この合成材料は、1938年頃に最初に歯ブラシに適用されました。1939年までに、エンジニアはブラッシングの効果を向上させるために電動歯ブラシの開発を開始しました。 最初の本物の電動歯ブラシは1939年にスイスで開発されました。米国では、スクイブが1960年に電動歯ブラシを導入し、続いてゼネラルエレクトリックが1961年に充電式コードレス歯ブラシを導入しました。プラスチックや合成材料が登場するまで普及しませんでした。
ペン
紙が発明されてから最初の1800年間、ほとんどの人が使用した筆記具は、インクの井戸に浸した鳥の羽ペン（通常はガチョウ）でした。 大量生産されたスチールペンポイントは1920年代初頭に登場し始め、ラインをより細かく制御できるようになりました。 第一次世界大戦中、ペンはバルカナイトとして知られる硬い、通常は黒いゴム物質ででき始めました。 初期の着色プラスチックは1960年代に導入されました。 シェーファーは、セルロイドから作られたさまざまな色のペンを紹介しました。 これらは非常に高価でしたが、非常に人気があったため、数年以内にほとんどの万年筆メーカーが新しい合成素材のペンを提供し、一部の金属や木のデザインに取って代わりました。 しかし、プラスチックの普及と漏れのないボールペンのエンジニアリングが、細かい筆記具のコストを下げ、ほとんどの人の手の届くところに置いたのです。 XNUMX年代までに、使い捨てのボールペンが引き継がれ、万年筆は引き続き利用可能ですが、今日の市場でのシェアはごくわずかです。
眼鏡
眼鏡はもともと金属とガラスで作られていました。 しかし、誰かが特に強い処方箋を必要とする場合、ガラスは鼻に非常に重くなります。 プラスチックは、ガラスレンズを軽量の素材に置き換え、フレーム内のほとんどの金属を軽量でカラフルなプラスチックに置き換えることで、ガラスに革命をもたらしました。 ただし、ほとんどのヒンジはまだ金属でできているため、フレームにはまだ金属が残っています。 そしてもちろん、合成材料の開発なしにはコンタクトレンズはありません。
- 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。
- 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）。
- プロトタイプ：テストするソリューションの作業モデル。
- リサイクル：廃棄する準備ができている材料を取り出し、再利用可能な材料に変換（変更）するプロセス。
インターネット接続
推奨読書
- American Plastic：A Cultural History by Jeffrey L.Meikle（ISBN：978-0813522357）Plastics Engineering by RJ Crawford（ISBN：978-0750637640）
執筆活動
- プラスチックを導入しなくても宇宙飛行が可能だと思うかどうかを説明するエッセイや段落を書いてください。 あなたの視点をサポートする例を挙げてください。
- あなたの町でリサイクルがどのように機能するかを説明するエッセイまたは段落を書いてください。 エンジニアがリサイクル材料を新製品に組み込む方法の例を挙げてください。
カリキュラムフレームワークへの調整
注：このシリーズのすべてのレッスンプランは米国に合わせて調整されています 全米科学教育基準 （によって生成された 国立研究評議会 そして、全米科学教師協会によって承認されています）、そして該当する場合は、国際技術教育協会の技術リテラシーの基準と数学教師評議会の学校数学の原則と基準に承認されています。
全米科学教育基準 K-4年生（4-9歳）
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
- オブジェクトとマテリアルのプロパティ
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
- 技術設計の能力
- 自然物と人間が作った物を区別する能力
コンテンツ標準F：個人的および社会的観点からの科学
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
- リソースの種類
- 環境の変化
コンテンツ標準G：科学の歴史と性質
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
- 人間の努力としての科学
全米科学教育基準 5〜8年生（10〜14歳）
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
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
- 技術設計の能力
- 科学技術についての理解
コンテンツ標準F：個人的および社会的観点からの科学
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
- リスクとメリット
- 社会における科学技術
コンテンツ標準G：科学の歴史と性質
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
- 科学の歴史
全米科学教育基準 9〜12年生（14〜18歳）
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
- 物質の構造と性質
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
- 技術設計の能力
- 科学技術についての理解
コンテンツ標準F：個人的および社会的観点からの科学
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
- 環境の質
コンテンツ標準G：科学の歴史と性質
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
- 歴史的展望
技術リテラシーの基準–すべての年齢
テクノロジーの性質
- 基準3：学生は、テクノロジー間の関係、およびテクノロジーと他の研究分野との関係についての理解を深めます。
技術と社会
- 基準4：学生は、テクノロジーの文化的、社会的、経済的、政治的影響についての理解を深めます。
- 基準5：生徒はテクノロジーが環境に与える影響について理解を深めます。
- 基準7：生徒はテクノロジーが歴史に与える影響について理解を深めます。
設計
- 基準8：学生はデザインの属性についての理解を深めます。
- 基準9：学生は工学設計の理解を深めます。
技術の世界のための能力
- 基準13：学生は製品とシステムの影響を評価する能力を開発します。
設計された世界
- 基準19：学生は、製造技術を理解し、選択して使用できるようになります。
インダストリアルエンジニアリング
コンピューター工学プラスチックハント！
ステップ1： チームとして、家、教室、または遊び場で見つけることができるアイテムについて考えます。 プラスチック製の構成部品がないアイテムを特定できますか？
| キッチン用品 | 浴室アイテム | 教室のアイテム | スポーツ用品 |
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質問：
- プラスチックを含まない商品を探すのは思ったより大変でしたか？
- プラスチックを使わずに見つけた製品のうち、共通点は何でしたか？
- 見つけた製品のXNUMXつをリエンジニアリングする場合、構成部品のいずれかをプラスチックに変更しますか？ どうして？ なぜだめですか？
- プラスチックがなくてもCDは可能だと思いますか？ どうして？ なぜだめですか？
- なぜリサイクルが重要なのですか？
ステップ1： チームとして、プラスチックの発明なしでは不可能だと思うXNUMXつの機械または製品のリストを考え出します。 それぞれについて、以下の質問に答えてください。
| 製品の何％がプラスチックですか？ | なぜこれはプラスチックなしでは不可能なのでしょうか？ | この機械または製品は世界にどのような影響を与えましたか？ | |
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| 2-
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| 3-
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| 4-
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ステップ2： あなたの課題は、「エンジニア」のチームとして、このワークシートの最初の部分で特定したXNUMXつの製品または機械のいずれかのプラスチックの一部を交換して、リサイクルを容易にすることです。 代わりに使用する材料、それがパフォーマンス、価格、または美観にどのように影響するかについて話し合います。 次に、XNUMXつの形式でクラスにアイデアを提示します。
- あなたの製品が何をしているのか、そしてあなたがプラスチックだと思うその割合を説明してください。
- どのコンポーネントを他の材料と交換するかを説明します。 交換用の材料をどのように選択したか、および新しい材料が製品の重量、コスト、および機能にどのように影響するかを説明してください。
- この製品が現在の設計と同じくらい効果的であるかどうか、製造にもっと費用がかかる可能性があるかどうか、そしてリサイクルがどのように簡単になるかを予測します。
- プラスチックを一般的な製品に加工することが世界に影響を与えたとチームがどのように信じているかを説明してください。
