댐을 설계하다
이 과에서는 댐의 다양한 용도와 댐이 어떻게 설계되는지에 중점을 둡니다. 학생들은 팀으로 작업하여 여물통에 물을 막는 시스템을 개발합니다. 시스템은 물을 완전히 억제해야 하며 제어 방출을 실행할 수 있는 방법도 있어야 합니다.
- 댐에 대해 알아보세요.
- 엔지니어링 설계 및 재설계에 대해 알아보십시오.
- 엔지니어링이 사회의 문제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보십시오.
- 팀워크와 문제 해결에 대해 알아보세요.
연령 수준 : 8-18
빌드 재료(팀별)
필수 자료
- 물통 또는 긴 플라스틱 화분 상자
- 자갈 또는 모래("강" 바닥용)
- 물
선택 사항(가능성 표)
- 판지
- PVC 파이프
- 찰싹
- 박
- 플라스틱 랩
- 컵
- 빨대
- 서
- 클립, 나무 은못, 면봉, 플라스틱 시트, 옷핀, 철사, 끈, 스크린, 천, 스프링, 기타 쉽게 구할 수 있는 재료.
시험 재료
- "빌드" 재료에서 물통 또는 긴 플라스틱 화분 상자를 사용하십시오.
- 물
소스
- "빌드" 재료에서 물통 또는 긴 플라스틱 화분 상자를 사용하십시오.
- 물
방법
시스템을 작동하고 댐을 통해 물이 빠져나가는지 확인하여 각 댐 시스템 설계를 테스트합니다. 또한 흐름을 멈추고 시작하고 멈출 수 있는지 확인하십시오. 다른 팀이 만든 댐이 테스트되는 것을 지켜보면서 그들의 디자인을 평가할 수 있습니다.
디자인 도전
당신은 교실 물마루에 5리터의 물을 저장하는 시스템을 설계하고 구축하기 위해 함께 일하는 엔지니어 팀의 일원입니다. 시스템은 물을 완전히 억제해야 하며 제어 방출(약간 방출, 중지 및 다시 방출)을 실행하는 방식이 있어야 합니다.
기준
-
시스템은 물을 완전히 억제해야 합니다.
-
시스템에는 제어된 릴리스를 실행하는 방법이 있어야 합니다(조금 릴리스하고 중지하고 다시 릴리스).
제약
-
제공된 재료만 사용
- 수업을 2-4명의 팀으로 나눕니다.
- 문제 해결을 위한 기술 적용 워크시트와 디자인 스케치용 종이 몇 장을 나누어 주십시오.
- 배경 개념 섹션의 주제에 대해 토론합니다. PBS Building Big – All about Dams 웹사이트에서 정보 공유 http://www.pbs.org/wgbh/buildingbig/dam/index.html 그리고 토론합니다.
- 엔지니어링 설계 프로세스, 설계 과제, 기준, 제약 조건 및 재료를 검토합니다.
- 학생들에게 브레인스토밍과 디자인 스케치를 시작하도록 지시합니다.
- 각 팀에 자료를 제공합니다.
- 학생들은 교실 물마루에 5리터의 물을 담을 수 있는 시스템을 개발해야 한다고 설명합니다. 시스템은 물을 완전히 억제해야 하며 제어 방출(약간 방출, 중지 및 다시 방출)을 실행하는 방식이 있어야 합니다.
- 설계 및 구축에 소요되는 시간을 알립니다(1시간 권장).
- 타이머나 온라인 스톱워치(카운트다운 기능)를 사용하여 시간을 잘 지키십시오. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). 학생들에게 정기적인 "시간 확인"을 하여 과제를 계속 수행하도록 합니다. 그들이 어려움을 겪고 있다면 더 빨리 해결책을 찾을 수 있는 질문을 하십시오.
- 학생들은 만나서 댐 시스템에 대한 계획을 수립합니다. 그들은 필요한 자료에 동의하고, 계획을 작성/그리며, 계획을 학급에 발표합니다. 팀은 이상적인 부품 목록을 개발하기 위해 다른 팀과 무제한 재료를 교환할 수 있습니다.
- 팀은 자신의 디자인을 만듭니다.
- 각 시스템을 작동하고 댐을 통해 물이 빠져나가는지 확인하여 댐 시스템 설계를 테스트합니다. 또한 흐름을 멈추고 시작하고 멈출 수 있는지 확인하십시오. 학생들에게 다른 팀이 만든 댐이 테스트되는 과정을 지켜보고 설계를 평가하고 어떤 방법이 가장 효과적인지 알 수 있도록 조언합니다.
- 팀은 다음 점수를 사용하여 댐 시스템의 기능을 점수화해야 합니다(30점이 가장 높은 점수임).
댐이 물을 막았습니까?
– 10점: 예…물이 새지 않음
– 5점: 약간의 물이 빠져나갔지만 XNUMX리터 미만
– 0점: 댐이 유지되지 않음
물을 풀었다가 다시 멈출 수 있었습니까?
– 10점: 예
– 0점: 아니오
귀하의 팀은 계획 및 건설에 참여하는 모든 사람과 함께 이 프로젝트에서 공동으로 작업했습니까?
– 10점: 예
– 0점: 아니오
- 학급에서 학생 성찰 질문에 대해 토론합니다.
- 주제에 대한 자세한 내용은 "더 깊이 파고들기" 섹션을 참조하십시오.
선택적 확장 활동
나이가 많거나 더 높은 수준의 학생들에게 수력 전기가 생성되는 방법을 탐구하고 교실 댐에서 물을 방출하여 전력을 생성할 수 있는 방법을 고려하게 합니다.
학생 성찰(엔지니어링 노트)
- 원래 설계가 실제 건설한 댐과 얼마나 유사했습니까?
- 구성 단계에서 변경이 필요하다고 판단되면 팀이 수정하기로 결정한 이유를 설명하십시오.
- 이 프로젝트를 다시 할 수 있는 기회가 있었다면 당신의 팀은 무엇을 다르게 했을까요?
- 당신이 했던 것보다 더 적은 수의 부품이나 재료를 사용하여 이 수업의 목표를 달성할 수 있었다고 생각합니까?
- 이 활동이 팀으로 하는 것이 더 보람이 있다고 생각합니까, 아니면 혼자 하는 것이 더 낫습니까? 왜요?
- 한 가지 추가 재료(테이프, 풀, 나무 막대기, 호일 등)를 사용할 수 있다면 무엇을 선택하고 그 이유는 무엇입니까?
- 새로운 댐이 한 지역의 생태계에 미칠 수 있는 부정적인 영향을 생각할 수 있습니까?
시간 수정
수업은 고학년 학생의 경우 1회 수업 시간에 완료할 수 있습니다. 그러나 학생들이 서두르지 않도록 하고 학생의 성공을 보장하기 위해(특히 어린 학생의 경우) 수업을 두 기간으로 나누어 학생들에게 브레인스토밍, 아이디어 테스트 및 디자인을 완성할 더 많은 시간을 제공합니다. 다음 수업 시간에 테스트 및 보고를 수행합니다.
댐
댐은 사람, 자연적 원인 또는 비버와 같은 동물에 의해 형성될 수 있습니다. 댐은 나중에 식수나 관개용으로 사용할 물을 저장하는 것을 포함하여 다양한 용도로 사용됩니다. 개울에서 강으로와 같이 물을 한 곳에서 다른 곳으로 돌리는 것; 침전물 또는 기타 원치 않는 물질을 포함하기 위한 구금. 때로는 댐을 사용하여 물을 유지하고 때로는 물을 유지합니다! 어떤 사람들은 폭우나 홍수 동안 지하실에서 물을 막기 위해 비상 건식 댐을 건설합니다.
때로는 새로운 댐이 만들어지면 주변 지역에 사는 사람들이 이주해야 합니다. 수백만 명의 사람들이 전 세계에 댐 건설을 위해 길을 잃었습니다. 물론 더 많은 사람들이 깨끗한 물, 물이 충분한 작물, 수력 발전소에서 생산되는 전력의 혜택을 받았습니다.
일부 댐에는 이동하는 물고기가 목적지까지 갈 수 있도록 "물고기 사다리"가 있습니다. 물고기가 산란장에 도달할 수 있도록 댐이나 자연 장벽을 넘어 상류로 올라갈 수 있도록 구성되었습니다. 오른쪽에 예를 볼 수 있습니다.
다른 댐은 제어된 흐름으로 수력 발전소에 물을 공급합니다. 간단한 의미에서 이것이 작동하는 방식은 댐이 강 위에 건설된다는 것입니다. 일반적으로 댐에서 방출되는 물이 중력을 사용하여 물의 흐름을 지원하도록 높이가 떨어지는 댐입니다. 하단에는 터빈 프로펠러로 연결되는 취수 구역이 있습니다. 흐르는 물의 힘이 프로펠러에 부딪히면 프로펠러가 움직이고 터빈의 축이 발전기로 올라가 동력을 생산한 후 전력선을 통해 가정과 기업에 전달됩니다. Tennessee Valley Authority 웹사이트(www.tva.gov/Energy/Our-Power-System/Hydroelectric)에서 수력 발전에 대한 자세한 내용을 읽을 수 있습니다.
- 기준: 전체 크기 등 디자인이 충족해야 하는 조건
- 댐: 물을 막고 수위를 높여 전기를 생산하거나 물을 공급하는 데 사용되는 저수지를 형성하기 위해 건설된 장벽
- 엔지니어: 세계의 발명가이자 문제 해결사. 엔지니어링 분야에서 XNUMX개의 주요 전문 분야가 인정됩니다(인포그래픽을 보다).
- 엔지니어링 설계 프로세스: 프로세스 엔지니어가 문제를 해결하는 데 사용합니다.
- EHM(Engineering Habits of Mind): 엔지니어가 생각하는 XNUMX가지 고유한 방식.
- 흐름: 유체, 가스 또는 전기가 흐름 또는 흐름에서 꾸준히 그리고 지속적으로 이동하는 방법.
- 수력 발전소: 물의 흐름을 이용하여 전력을 생산한 후 전력선을 통해 가정과 기업에 공급
- 반복: 테스트 및 재설계는 한 번의 반복입니다. 반복합니다(여러 번 반복).
- 프로토타입: 테스트할 솔루션의 작업 모델.
인터넷 연결
- 큰 건물 – 댐에 관한 모든 것
- GeoGuide: 댐 (geoknow.net/pages/dams.html)
- 수력 발전
- 테네시 골짜기 권위
추천 도서
- 댐(국회 도서관 Visual Sourcebooks)(ISBN: 978-0393731392)
- 후버 댐: 미국의 모험(ISBN: 978-0806122830)
- 수력 발전: 움직이는 물에서 얻는 전력(ISBN: 978-0778729341)
쓰기 활동
댐 건설이 환경에 미치는 영향에 대한 에세이 또는 단락을 작성하십시오. 엔지니어링 팀이 환경에 영향을 미치는 댐 또는 기타 구조물을 건설할 때 고려해야 하는 윤리적 고려 사항은 무엇입니까?
커리큘럼 프레임워크에 맞게 조정
참고 : 이 시리즈의 수업 계획은 다음 표준 세트 중 하나 이상에 맞춰져 있습니다.
- 미국 과학 교육 표준(http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- 미국 차세대 과학 표준(http://www.nextgenscience.org/)
- 국제 기술 교육 협회의 기술 문해력 기준(http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- 미국 수학 교사 협의회의 학교 수학 원칙 및 표준(http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- 수학에 대한 미국 공통 핵심 주 표준(http://www.corestandards.org/Math)
- 컴퓨터 과학 교사 협회 K-12 컴퓨터 과학 표준(http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
국가 과학 교육 기준 K-4학년(4-9세)
내용 표준 A: 탐구로서의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은
- 과학적 탐구에 필요한 능력
내용 표준 B: 물리학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 물체 및 재료의 속성
- 물체의 위치와 움직임
콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술
활동의 결과로 모든 학생들은
- 기술 설계 능력
- 과학 기술에 대한 이해
- 자연물과 인간이 만든 물건을 구별하는 능력
내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 지역 문제의 과학 기술
내용 표준 G: 과학의 역사와 본질
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 인간의 노력으로서의 과학
국가 과학 교육 기준 5-8학년(10-14세)
내용 표준 A: 탐구로서의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은
- 과학적 탐구에 필요한 능력
내용 표준 B: 물리학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 운동과 힘
- 에너지 전달
콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술
5-8학년 활동의 결과로 모든 학생들은
- 기술 설계 능력
- 과학 기술에 대한 이해
국가 과학 교육 기준 5-8학년(10-14세)
내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 인구, 자원 및 환경
- 위험과 이점
- 사회의 과학 기술
내용 표준 G: 과학의 역사와 본질
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 인간의 노력으로서의 과학
국가 과학 교육 기준 9-12학년(14-18세)
내용 표준 A: 탐구로서의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은
- 과학적 탐구에 필요한 능력
내용 표준 B: 물리학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 운동과 힘
- 에너지와 물질의 상호작용
콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술
활동의 결과로 모든 학생들은
- 기술 설계 능력
내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 개인 및 지역사회 건강
- 천연 자원
- 환경 품질
- 자연 및 인간 유발 위험
- 지역, 국가 및 글로벌 과제의 과학 및 기술
차세대 과학 표준 2-5학년(8-11세)
공학 설계
이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.
- 3-5-ETS1-1. 재료, 시간 또는 비용에 대한 제한과 성공에 대한 특정 기준을 포함하는 필요 또는 욕구를 반영하는 단순한 설계 문제를 정의합니다.
- 3-5-ETS1-2.각각이 문제의 기준 및 제약 조건을 얼마나 잘 충족하는지에 따라 문제에 대한 여러 가능한 솔루션을 생성하고 비교합니다.
- 3-5-ETS1-3.개선할 수 있는 모델 또는 프로토타입의 측면을 식별하기 위해 변수를 제어하고 실패 지점을 고려하는 공정한 테스트를 계획하고 수행합니다.
차세대 과학 표준 6-8학년(11-14세)
공학 설계
이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.
- MS-ETS1-2 시스템 프로세스를 사용하여 경쟁 설계 솔루션을 평가하여 문제의 기준 및 제약 조건을 얼마나 잘 충족하는지 확인합니다.
- MS-ETS1-3. 테스트 데이터를 분석하여 여러 설계 솔루션 간의 유사점과 차이점을 확인하여 성공 기준을 더 잘 충족하기 위해 새로운 솔루션으로 결합할 수 있는 각각의 최상의 특성을 식별합니다.
차세대 과학 표준 9-12학년(14-18세)
공학 설계
이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.
- HS-ETS1-2. 엔지니어링을 통해 해결할 수 있는 더 작고 관리하기 쉬운 문제로 세분화하여 복잡한 실제 문제에 대한 솔루션을 설계합니다.
기술 문해력 표준 – 모든 연령대
기술의 본질
- 표준 1: 학생들은 기술의 특성과 범위에 대한 이해를 발전시킵니다.
- 표준 3: 학생들은 기술 간의 관계 및 기술과 다른 연구 분야 간의 연결에 대한 이해를 개발합니다.
기술과 사회
- 표준 4: 학생들은 기술의 문화적, 사회적, 경제적, 정치적 효과에 대한 이해를 발전시킵니다.
- 표준 5: 학생들은 기술이 환경에 미치는 영향에 대한 이해를 발전시킵니다.
디자인
- 표준 9: 학생들은 엔지니어링 설계에 대한 이해를 발전시킵니다.
- 표준 10: 학생들은 문제 해결에서 문제 해결, 연구 및 개발, 발명과 혁신, 실험의 역할에 대한 이해를 개발합니다.
기술 세계를 위한 능력
- 표준 11: 학생들은 디자인 프로세스를 적용하는 능력을 개발할 것입니다.
- 표준 13: 학생들은 제품 및 시스템의 영향을 평가하는 능력을 개발합니다.
디자인된 세계
- 표준 16: 학생들은 에너지 및 전력 기술을 이해하고 선택하고 사용할 수 있습니다.
- 표준 20: 학생들은 건설 기술을 이해하고 선택하고 사용할 수 있습니다.
엔지니어링 팀워크 및 계획
당신은 교실 물마루에 5리터의 물을 저장하는 시스템을 구축해야 하는 과제를 맡은 엔지니어 팀의 일원입니다. 판지, PVC 파이프, 테이프, 호일, 플라스틱 랩, 컵, 빨대, 종이 클립, 나무 은못, 면봉, 플라스틱 시트, 옷핀, 철사, 끈, 스크린, 천, 스프링, 기타 쉽게 구할 수 있는 재료.
강바닥의 바위나 모래 바닥을 시뮬레이션한 물마루 바닥에 자갈 바닥이 있습니다. 물을 멈출 뿐만 아니라 통제된 방식으로 한 번에 조금씩 방출할 수 있도록 시스템을 개발해야 합니다. 물을 멈추고 약간 흐르게 한 다음 다시 막아야 합니다.
연구 단계
가능한 경우 인터넷에 액세스할 수 있는 경우 Building Big – All about Dams 웹사이트에서 힘, 재료, 하중 및 형상 연구실을 탐색하고 댐 설계를 개발하기 전에 학습을 고려하도록 하십시오. (www.pbs.org/wgbh/buildingbig/lab)
계획 및 설계 단계
물의 흐름을 멈추기 위해 제공된 재료를 사용할 수 있는 다양한 방법에 대해 생각해 보십시오. 또한 원할 때 약간의 물이 통과할 수 있는 메커니즘을 만들 수 있는지 고려하십시오. 별도의 종이에 계획한 댐의 다이어그램을 그립니다. 아래 상자에 필요하다고 생각되는 부품 목록을 만드십시오. 나중에 이를 조정할 수 있으며 구성 중에 더 많은 재료를 추가할 수도 있습니다.
필요한 재료:
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건설 단계
물통이나 플라스틱 꽃 상자에 댐을 만드십시오. 선생님이 5리터를 가득 붓기 전에 약간의 물로 테스트할 수 있습니다. 필요할 수 있는 추가 재료를 요청하는 것을 포함하여 원하는 대로 구성하는 동안 조정하십시오. 필요한 추가 아이템이 있는 경우 다른 팀과 재료를 교환할 수도 있습니다.
교실 테스트
선생님은 수업에서 만든 각각의 댐을 테스트할 것입니다. 그들은 댐을 통해 물이 빠져나가는지 그리고 당신이 흐름을 멈출 수 있는지 – 시작 – 멈출 수 있는지 확인할 것입니다. 다른 팀이 만든 댐이 테스트되는 것을 지켜보면서 그들의 설계를 평가하고 어떤 방법이 가장 효과가 좋은지 확인할 수 있습니다. 결과를 보여주는 아래 차트를 완성하십시오. 30점이 가장 높은 점수입니다.
댐 스코어링 엔지니어
1. 댐이 물을 막았습니까?
?? 10점: 예…물이 새지 않았습니다. ?? 5점: 약간의 물이 빠져나갔지만 XNUMX리터 미만 ?? 0점: 댐이 유지되지 않음
2. 물을 풀었다가 다시 멈출 수 있었습니까?
?? 10점: 예 ?? 0점: 아니오
3. 귀하의 팀은 계획 및 건설에 참여하는 모든 사람과 함께 이 프로젝트에서 협력했습니까?
?? 10점: 예 ?? 0점: 아니오
총 점수: ___________________
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평가
아래 평가 질문을 완료하십시오.
1) 원래의 디자인은 당신이 건설한 실제 댐과 얼마나 유사했습니까?
2) 건설 단계에서 변경이 필요하다고 판단되면 팀이 수정하기로 결정한 이유를 설명하십시오.
3) 이 프로젝트를 다시 할 수 있는 기회가 있었다면 당신의 팀은 무엇을 다르게 했을까요?
4) 당신이 했던 것보다 더 적은 수의 부품이나 재료를 사용하여 이 수업의 목표를 달성할 수 있었다고 생각합니까?
5) 이 활동이 팀으로 하는 것이 더 보람이 있다고 생각합니까, 아니면 혼자 하는 것이 더 낫습니까? 왜요?
6) 한 가지 추가 재료(테이프, 풀, 나무 막대기, 호일 등)를 사용할 수 있다면 무엇을 선택하고 그 이유는 무엇입니까?
7) 새로운 댐이 한 지역의 생태계에 미칠 수 있는 부정적인 영향을 생각할 수 있습니까?