문제의 핵심
이 수업에서는 밸브 작동의 개념과 기계식 심장 판막 설계에 사용하기 위해 엔지니어링이 밸브를 어떻게 조정했는지 탐구합니다. 학생들은 볼 판막과 게이트 판막을 모두 검사하고 작동한 다음 팀으로 작업하여 기계식 심장 판막의 개선 사항을 개발하고 스케치합니다.
- 밸브에 대해 알아보십시오.
- 기계 심장 판막의 엔지니어링 설계 변경에 대해 알아보세요.
- 인간의 요구를 충족시키기 위한 인간/기계 인터페이스에 대해 알아보십시오.
- 팀워크와 엔지니어링 문제 해결/설계 프로세스에 대해 알아보세요.
연령 수준 : 8-18
빌드 재료(팀별)
필수 자료
- 볼 밸브 4개(¼ 회전 밸브는 회전 볼을 표시하며 약 $XNUMX입니다)
- 12개의 18-XNUMX" 길이의 XNUMX/XNUMX" 아연 도금 파이프(모든 재료가 가능하지만 가장 저렴함)
- ¾” 게이트 밸브
- XNUMX개의 ¾” 호스 캡
- XNUMX/XNUMX" 헤드 플러그
시험 재료
- 물
- 물동이, 싱크대 또는 야외 공간
- 파이프에 물을 붓는 깔때기
소스
- 물
- 물동이, 싱크대 또는 야외 공간
- 파이프에 물을 붓는 깔때기
방법
팀은 시스템에 물을 부어 미니 밸브 시스템을 테스트합니다.
디자인 도전
당신은 3-파트 챌린지를 받은 엔지니어 팀입니다.
부품 1 : 볼 밸브를 관찰하여 볼이 회전하여 유체의 흐름을 제한하고 질문에 답하는 방법을 배우십시오.
부품 2 : 흐르는 물을 위한 미니 밸브 시스템을 조립하십시오. 먼저 게이트 밸브의 각 끝을 ¾” 파이프 조각에 부착합니다. 그런 다음 밸브를 돌려서 물이 흐르지 않도록 하고 물을 하나에 추가한 다음 점차적으로 밸브를 돌려서 한 방울 또는 두 방울의 물만 추가 파이프 끝을 통과할 수 있도록 합니다.
부품 3 : 미래의 기계 심장 판막을 위한 개선 사항을 설계하십시오. 제안한 구성 요소의 그림이나 스케치를 포함하고 질문에 답하고 학급에서 프레젠테이션을 합니다.
기준
- 챌린지의 3개 부분을 모두 완료하세요.
제약
- 제공된 재료만 사용하십시오.
- 수업을 3-4명의 팀으로 나눕니다.
- Heart of the Matter 워크시트와 디자인 스케치를 위한 종이 몇 장을 나누어 주십시오.
- 배경 개념 섹션의 주제에 대해 토론합니다. 학생들에게 수도꼭지가 어떻게 작동하는지 묻는 것을 고려하십시오. 물은 어떻게 멈추고 시작합니까?
- 엔지니어링 설계 프로세스, 설계 과제, 기준, 제약 조건 및 재료를 검토합니다.
- 각 팀에 자료를 제공합니다.
- 학생 팀은 3가지 챌린지 단계를 완료해야 한다고 설명합니다. 1단계: 볼 밸브를 관찰하여 볼이 회전하여 유체의 흐름을 제한하는 방법을 배웁니다. 2단계: 흐르는 물을 위한 미니 밸브 시스템을 조립합니다. 3단계: 미래의 기계적 심장 판막을 위한 개선 사항을 설계합니다.
- 학생들은 1단계: 제공된 볼 밸브 관찰을 완료하여 볼이 회전하여 유체의 흐름을 제한하는 방법을 배웁니다. 그런 다음 그들은 다음 질문에 답합니다.
● 손잡이나 손잡이를 돌렸을 때 내부에 있는 공에서 무엇을 느꼈습니까? 이것이 통과한 유체에 어떤 영향을 미칩니까?
● 이 밸브의 장점은 무엇입니까?
● 이런 종류의 밸브를 적용하기 위해 어떤 용도를 생각할 수 있습니까?
● 담수의 흐름을 제어하는 데 더 나은 밸브는 무엇입니까? 폐수? 왜요? - 학생들은 제공된 부품을 사용하여 2단계: 흐르는 물용 미니 밸브 시스템 조립을 완료합니다. 밸브를 돌려 물이 흐르지 않도록 한 다음 물을 하나에 추가하고 점차적으로 밸브를 돌려서 한 방울 또는 두 방울의 물만 추가 파이프 끝을 통과할 수 있도록 합니다. 그런 다음 물이 흐르는 능력을 조사하는 여러 부품 조합을 시도합니다.
- 학생들은 3단계: 미래의 기계적 심장 판막을 위한 개선 사항 설계를 완료합니다. 제안한 구성 요소의 도면이나 스케치를 포함하고 아래 질문에 답하십시오.
● 현재 기계식 하트의 어떤 부분을 개선하기로 선택했습니까? 왜요?
● 제거하거나 추가할 재료 또는 부품은 무엇입니까?
● 이 새로운 디자인은 귀하가 식별한 단점을 어떻게 해결할 것입니까? - 팀은 미래의 기계식 심장 판막의 개선을 위한 설계를 학급에 발표합니다.
- 학급에서 학생 성찰 질문에 대해 토론합니다.
- 주제에 대한 자세한 내용은 "더 깊이 파고들기" 섹션을 참조하십시오.
학생 성찰(엔지니어링 노트)
- 물이 흐르는 것을 완전히 막을 수 있습니까? 그렇다면 왜?
- 파이프 한쪽 끝에 호스 캡이 있으면 어떻게 됩니까? 두 개의 튜브에 물이 완전히 채워지면 밸브를 잠글 수 있습니까?
- 호스 캡이 두 개 있으면 어떻습니까? 압력이 변합니까? 그 이유는 무엇?
- 게이트 밸브의 기능은 볼 밸브와 어떻게 다릅니까?
- 물의 흐름을 가장 잘 제어할 수 있는 밸브 유형은 무엇이라고 생각하십니까? 왜요?
- 어떤 종류의 판막이 혈액의 흐름을 조절하는 데 가장 적합하다고 생각합니까? 왜요?
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.
밸브 및 유압
밸브란?
밸브는 다양한 통로를 열거나 닫거나 부분적으로 막음으로써 여러 유형의 유체의 흐름을 조절하는 장치입니다. 유체에는 기체, 유동화된 고체, 슬러리 또는 액체가 포함될 수 있습니다. 혈액, 휘발유, 물이 그 예입니다. 밸브는 자동차의 휘발유 흐름 제어에서 싱크대의 물에 이르기까지 지역 사회의 많은 응용 프로그램에서 모든 곳에서 찾을 수 있습니다. 일부 밸브는 압력만으로 구동되며 주로 증기 기관 및 가정용 난방 또는 조리 기구의 안전 목적으로 사용됩니다. 다음은 몇 가지 유형의 밸브입니다.
- 볼 밸브는 밸브 내부에 있는 볼에 부착된 핸들을 돌리면 열립니다. 볼에는 중앙을 관통하는 구멍이 있어 밸브의 양쪽 끝과 정렬될 때 유체가 통과할 수 있습니다. 구멍이 정렬되지 않으면 유체가 통과할 수 없습니다. 중간에 T자 모양의 구멍이 있는 XNUMX방향 볼 밸브도 있습니다.
- 체크 밸브 또는 "역류 방지 밸브"는 유체가 한 방향으로만 통과하도록 합니다. 일부 유형의 스프링클러 및 점적 관개 시스템은 스프링클러를 사용하지 않을 때 라인이 완전히 배수되지 않도록 하기 위해 이를 사용합니다.
- 로터리 밸브와 피스톤 밸브는 금관 악기의 일부이며 결과 피치를 변경하는 데 사용됩니다.
- 수도꼭지(영국식 영어) 또는 수도꼭지(미국식 영어)는 물의 흐름을 제어합니다.
- 게이트 밸브는 유체 경로에서 원형 또는 직사각형 게이트를 들어 올려 열리는 밸브입니다.
- 갈대 판막은 심장 판막의 기계적 등가물입니다. 그들은 일반적으로 심장 판막과 같이 판막의 반대쪽에 걸쳐 압력이 변할 때 열리고 닫히는 한쪽 끝에 고정된 얇고 유연한 금속 또는 유리 섬유 스트립으로 구성됩니다. 그들은 흐름을 한 방향으로 제한하도록 설계되었으며 가솔린 흡입을 제어하기 위해 자동차 엔진에서 발견됩니다.
유압이란 무엇입니까?
유압은 액체의 기계적 특성과 관련된 과학 및 공학의 한 분야입니다. 이 예술의 초기 대가는 알렉산드리아의 영웅과 크테시비우스였습니다. 이 고대 엔지니어들은 실용적인 응용보다 유압의 참신한 사용에 중점을 두었습니다. 대부분의 엔지니어는 파이프 흐름, 댐 설계, 유체 제어 회로, 생체 재료, 펌프, 흐름 측정 및 침식과 같은 수리 문제를 처리합니다.
심장 판막의 작동 원리
인간의 심장 판막
인체 해부학에서 심장 판막은 판막 양쪽의 압력 차이에 따라 열리고 닫힘으로써 혈액의 일방향 흐름을 유지합니다. 인간의 판막은 40년에 약 80,000천만 번 또는 평생 동안 XNUMX억 번 작동합니다. 심장에는 XNUMX개의 판막이 있습니다. 두 개는 혈액이 심방에서 심실로 흐르도록 하는 방실 판막입니다. 다른 두 개는 심장을 떠나는 동맥에서 발견되는 반월판입니다. 그들의 임무는 혈액이 동맥에서 심실로 역류하는 것을 방지하는 것입니다. 우리 모두에게 익숙한 심장 박동 소리는 실제로 심장 판막이 닫힐 때 발생합니다. 미국에서는 매년 약 XNUMX명의 성인이 손상된 심장 판막을 수리하거나 교체하기 위해 수술을 받습니다.
기계 심장 판막
기계식 심장 판막은 인공 재료로 만들어집니다. 기계식 밸브의 장점은 일반적으로 평생 사용할 수 있다는 것입니다. 그들은 자연 판막이나 생물학적 판막이 마모되는 방식으로 마모되지 않습니다. 그들은 결함이나 손상으로 인해 심장이 기능하지 않는 인간의 심장 판막의 자연적인 기능을 복제하도록 설계되었습니다. 자연 심장 판막과 마찬가지로 기계식 심장 판막은 혈액이 심장의 방을 통해 펌핑된 후 역류하는 것을 방지해야 합니다. 기계적 심장 판막의 단점은 사람이 혈액을 묽게 하기 위해 약물을 복용해야 한다는 것입니다. 이렇게 하면 밸브의 작동 부품이 시간이 지남에 따라 막히는 것을 방지할 수 있지만 사람에게 위험을 초래할 수 있습니다. 묽은 혈액은 자상이나 멍이 있는 경우 응고되거나 걸쭉해지는 데 시간이 더 오래 걸립니다.
연혁
심장 판막에 대한 최초의 알려진 수술은 1913년이었지만, 병든 판막의 교체는 1962년이 되어서야 이루어졌습니다. 볼 판막은 최초의 기계적 심장 판막 유형이며 거의 같은 시기에 개발되었습니다. 1952년 Charles Hufnagel 박사는 XNUMX명의 환자(XNUMX명은 수술에서 살아남음)에게 케이지 볼 심장 판막을 이식하여 인공 심장 판막 분야에서 처음으로 장기적인 성공을 기록했습니다. 현재 미국에서 승인된 유일한 케이지 볼 디자인은 Starr-Edwards 밸브입니다. 밸브 하우징에서 나오는 와이어로 형성된 케이지에 둘러싸인 실리콘 볼로 구성됩니다. 볼은 밸브를 열고 닫기 위해 흐름과 함께 움직입니다.
엔지니어링 디자인
갇힌 공
갇힌 공 디자인은 초기 기계 심장 판막 중 하나입니다. 그것은 작은 금속 케이지로 고정된 작은 공을 통합합니다. 볼 디자인은 유체의 흐름을 한 방향으로 제한하는 가정 및 산업 분야에서 사용되는 볼 밸브에서 영감을 받았습니다. 그러나 공은 혈구에 손상을 주어 인간이 혈액 손상을 제한하기 위해 혈액 희석제를 사용하게 했습니다.
틸팅 디스크
기계적 판막을 위한 새로운 디자인은 1960년대 중반에 도입되어 혈액의 자연적인 흐름을 더 잘 모방했습니다. 두 막대 사이에 떠 있는 틸팅 디스크를 사용하여 혈액이 앞으로 이동하면 열리고 혈액이 뒤로 흐르기 시작하면 닫힙니다. 이 디자인에는 장점과 단점이 있습니다. 기울어진 디스크는 혈액 세포에 대한 손상을 줄여 인간이 더 이상 혈액 희석제를 복용할 필요가 없습니다. 그러나 디스크가 가끔 마모되어 교체해야 했습니다. 볼 디자인이 더 안정적이었습니다.
이엽판 밸브
1979년에는 또 다른 기계식 심장 판막이 설계 및 도입되었습니다. XNUMX엽판 판막은 작은 경첩에서 회전하는 XNUMX개의 반원형 탄소 엽판으로 구성됩니다. 디자인은 매우 신뢰할 수 있지만 밸브가 완전히 닫히지 않아 혈액이 약간 역류할 수 있습니다. 그들은 때때로 혈액이 역류하도록 허용하는 자연 심장 판막에 대한 가장 가까운 기계적 대체품을 나타냅니다. 사람이 승모판에 이 상태가 있으면 "승모판 탈출증"이 있다고 말하며, 이는 약간의 통증을 유발하지만 사람에게 생명을 위협하는 영향은 없습니다.
조직 밸브
기계적 심장 판막의 대안은 인간 또는 동물 조직으로 만들어진 조직 판막을 사용하는 것입니다. 이러한 조직 판막에는 종종 구조적 지지를 제공하고 수술 절차를 지원하기 위한 일부 기계 부품이 포함됩니다.
- 인공심장판막 : 인공심장판막 양옆의 압력차에 따라 열리고 닫힘으로써 혈액의 일방향적인 흐름을 유지합니다.
- Bileaflet 심장 판막: 작은 경첩에서 회전하는 두 개의 반원형 탄소 전단지로 구성됩니다.
- 갇힌 볼 심장 판막 디자인: 초기 기계식 심장 판막 중 하나. 그것은 작은 금속 케이지로 제자리에 고정된 작은 공을 통합합니다.
- 제약: 재료, 시간, 팀 규모 등의 제한
- 기준: 전체 크기 등 디자인이 충족해야 하는 조건
- 엔지니어: 세계의 발명가이자 문제 해결사. XNUMX개의 주요 전문 분야가 엔지니어링에서 인정됩니다(인포그래픽 참조).
- 엔지니어링 설계 프로세스: 프로세스 엔지니어가 문제를 해결하는 데 사용합니다.
- EHM(Engineering Habits of Mind): 엔지니어가 생각하는 XNUMX가지 고유한 방식.
- 수력학: 액체의 기계적 특성과 관련된 과학 및 공학의 한 분야.
- 반복: 테스트 및 재설계는 한 번의 반복입니다. 반복합니다(여러 번 반복).
- 프로토타입: 테스트할 솔루션의 작업 모델.
- 틸팅 디스크 심장 판막: 1960년대 중반에 도입된 기계 판막을 위한 새로운 디자인으로 혈액의 자연스러운 흐름을 더 잘 모방했습니다.
- 조직 판막: 인간 또는 동물 조직으로 만들어진 기계적 심장 판막의 대안.
- 밸브(Valve): 다양한 통로를 열거나 닫거나 부분적으로 막음으로써 여러 유형의 유체의 흐름을 조절하는 장치.
인터넷 연결
추천 도서
- John Bankston의 Robert Jarvik과 최초의 인공 심장(ISBN: 1584151161)
- 우리 마음의 기계: 심장 박동기, 이식형 제세동기 및 미국 의료(Kirk Jeffrey)(ISBN: 0801865794)
- Bileaflet 기계 심장 판막의 기술 발전(ISBN: 3798511004)
- 천년기의 판막 수술(ISBN: 140207834X)
쓰기 활동
공학이 어떻게 신체 부위를 대체하거나 계속 사용할 수 있게 되었는지 설명하는 에세이나 단락을 작성하십시오. 무릎, 치아, 귀, 엉덩이, 폐 제품 중에서 선택하십시오.
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)
콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술
5-8학년 활동의 결과로 모든 학생들은
- 기술 설계 능력
- 과학 기술에 대한 이해
내용 표준 B: 물리학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 물체 및 재료의 속성
콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술
활동의 결과로 모든 학생들은
- 기술 설계 능력
- 자연물과 인간이 만든 물건을 구별하는 능력
내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 개인 건강
- 위험과 이점
- 사회의 과학 기술
내용 표준 G: 과학의 역사와 본질
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 과학의 역사
국가 과학 교육 기준 5-8학년(10-14세)
내용 표준 B: 물리학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 운동과 힘
콘텐츠 표준 C: 생명 과학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 생체 시스템의 구조와 기능
콘텐츠 표준 E: 과학 및 기술
5-8학년 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 건강
- 위험과 이점
국가 과학 교육 기준 9-12학년(14-18세)
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
- 과학 기술에 대한 이해
내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 개인 및 지역사회 건강
- 지역, 국가 및 글로벌 과제의 과학 및 기술
내용 표준 G: 과학의 역사와 본질
활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.
- 역사적 관점
기술 문해력 표준 – 모든 연령대
기술의 본질
- 표준 1: 학생들은 기술의 특성과 범위에 대한 이해를 발전시킵니다.
- 표준 2: 학생들은 기술의 핵심 개념에 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 6: 학생들은 기술 개발 및 사용에서 사회의 역할에 대한 이해를 개발합니다.
디자인
- 표준 8: 학생들은 디자인의 속성에 대한 이해를 발전시킬 것입니다.
- 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 14: 학생들은 의료 기술을 이해하고 선택하고 사용할 수 있게 됩니다.
밸브 기능
단계 : 제공된 볼 밸브를 관찰하여 볼이 어떻게 회전하여 유체의 흐름을 제한하는지 관찰하십시오.
질문 :
- 손잡이나 손잡이를 돌렸을 때 내부에 있는 공에서 무엇을 알아차렸습니까? 이것이 통과한 유체에 어떤 영향을 미칩니까?
- 이 유형의 밸브에서 어떤 이점을 찾았습니까?
- 이러한 유형의 밸브를 적용하기 위해 어떤 애플리케이션을 생각할 수 있습니까?
- 담수의 흐름을 제어하는 데 더 나은 밸브는 무엇입니까? 폐수? 왜요?
2 단계 : 팀과 함께 제공된 부품을 사용하여 흐르는 물용 미니 밸브 시스템을 조립하십시오. 이것은 싱크대 또는 야외에서 할 수 있습니다. 파이프에 제공된 밸브를 조립하고 아래 질문에 답하십시오. 게이트 밸브, 두 개의 파이프 길이, 두 개의 호스 캡, 헤드 플러그, 약간의 물 및 깔때기가 있어야 합니다. 먼저 게이트 밸브의 각 끝을 XNUMX/XNUMX” 파이프 조각에 부착합니다. 밸브를 돌려 물이 흐르지 않도록 한 다음 물을 XNUMX에 추가하고 점차적으로 밸브를 돌려서 한 방울 또는 두 방울의 물만 추가 파이프 끝을 통과할 수 있도록 합니다. 그런 다음 물이 흐르는 능력을 검사하는 부품의 다른 조합을 시도하십시오.
질문 :
- 물이 흐르는 것을 완전히 막을 수 있습니까? 그렇다면 왜?
- 파이프 한쪽 끝에 호스 캡이 있으면 어떻게 됩니까? 두 개의 튜브에 물이 완전히 채워지면 밸브를 잠글 수 있습니까?
- 호스 캡이 두 개 있으면 어떻습니까? 압력이 변합니까? 그 이유는 무엇?
- 게이트 밸브의 기능은 볼 밸브와 어떻게 다릅니까?
- 물의 흐름을 가장 잘 제어할 수 있는 밸브 유형은 무엇이라고 생각하십니까? 왜요?
- 어떤 종류의 판막이 혈액의 흐름을 조절하는 데 가장 적합하다고 생각합니까? 왜요?
3 단계 : 판막을 시험해보고 세 가지 주요 기계식 심장 판막 유형의 장단점에 대해 읽었으므로 팀으로 협력하여 미래의 기계식 심장 판막을 위한 개선을 설계하십시오. 제안된 구성 부품의 도면이나 스케치를 첨부하고 아래 질문에 답하십시오.
현재 기계 심장의 어떤 측면을 개선하기로 선택했습니까? 왜요? | 제거하거나 추가할 재료 또는 부품은 무엇입니까? | 이 새로운 디자인은 귀하가 식별한 결점을 어떻게 해결할 것입니까? | 당신의 새로운 디자인이 사회에 어떤 영향을 미칠 것이라고 생각합니까? 왜요? |
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4. 스케치를 포함하여 제안된 새로운 디자인을 학급에서 발표합니다.