워터 타워 챌린지

이 수업은 물 저장과 엔지니어링이 지역 사회가 물을 보존하고 인구에게 공급하는 데 어떻게 도움이 되는지에 중점을 둡니다. 학생들은 팀으로 작업하여 필요에 따라 물을 "공급" 및 "차단"할 수 있는 일상적인 재료로 급수탑을 설계하고 건설합니다.

엔지니어링 설계 및 재설계에 대해 알아보십시오.
물 공급 시스템에 대해 알아보십시오.
엔지니어링이 사회의 문제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보십시오.
팀워크와 문제 해결에 대해 알아보세요.

연령 수준 : 8 – 18

수업 계획 개요

빌드 재료(팀별)

필수 자료

50 플라스틱/종이 빨대
50 파이프 클리너
25 클립

시험 자료(팀당)

1 골프공 또는 이와 유사한 크기/무게의 공

시험 재료 및 공정

재료(팀당)

1 골프공 또는 이와 유사한 크기/무게의 공

방법

타워의 상단 높이 아래 20% 이하 지점에 타워에 공을 올려 각 구조물의 강도를 테스트합니다.

실제 응용 프로그램

급수탑이 압력을 사용하여 어떻게 작동하는지 알아보십시오. (동영상 2:20)

https://www.youtube.com/watch?v=ZI8WOzqHl7w

출처: 미네소타 블루밍턴 시 YouTube 채널

세계에서 가장 멋진 10대 급수탑의 사진 투어를 확인하세요. (비디오 2:11)

https://www.youtube.com/watch?v=FYxkJnDgK9s

출처: 모든 상위 XNUMX개 YouTube 채널

엔지니어링 디자인 챌린지

당신은 필요에 따라 물을 "공급"하고 "차단"할 수 있는 일상적인 재료로 급수탑을 개발해야 하는 과제를 맡은 엔지니어 팀입니다. 급수탑은 통제된 방식으로 약 36인치/90cm 떨어진 종이컵에 물 또는 대체 물을 공급할 수 있어야 합니다.

기준

통제된 방식으로 약 36인치/90cm 떨어진 종이컵에 물 또는 대체 물을 전달할 수 있어야 합니다.
컵을 반쯤 채우려면 "물"의 흐름을 멈추고 시작할 수 있어야 합니다.

제약

제공된 재료만 사용할 수 있습니다.
사용하지 않은 건축 자재는 다른 팀과 공유하거나 거래할 수 있습니다.

활동 지침 및 절차

수업을 2-4명의 팀으로 나눕니다.
급수탑 챌린지 워크시트와 디자인 스케치용 종이를 나눠주세요.
배경 개념 섹션의 주제에 대해 토론합니다.
엔지니어링 설계 프로세스, 설계 과제, 기준, 제약 조건 및 재료를 검토합니다. 시간이 허락한다면 디자인 챌린지를 수행하기 전에 "실제 응용 프로그램"을 검토하십시오.
학생들에게 브레인스토밍과 디자인 스케치를 시작하도록 지시하기 전에 다음 사항을 고려하도록 요청하십시오.

디자인이 물의 흐름을 멈추고 시작하는 방법
탑의 저수지 모양
정수압을 사용하여 급수탑이 작동하는 방식

각 팀에 자료를 제공합니다.
학생들은 일상용품으로 급수탑을 개발해야 한다고 설명합니다. 급수탑은 통제된 방식으로 약 36인치/90cm 떨어진 종이컵에 물 또는 대체 물을 공급할 수 있어야 합니다. 컵을 반쯤 채우려면 "물"의 흐름을 멈추고 시작할 수 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 급수탑에 대한 계획을 만나서 개발합니다. 그들은 필요한 자료에 동의하고 계획을 작성/그리며 학급에서 계획을 발표합니다. 팀은 이상적인 부품 목록을 개발하기 위해 다른 팀과 재료를 무제한으로 교환할 수 있습니다.
팀은 자신의 디자인을 만듭니다.
급수탑이 정의된 기준 내에서 물 또는 물 대체물을 종이컵에 전달하는 방식을 시연하여 급수탑 설계를 테스트합니다.
학급에서 학생 성찰 질문에 대해 토론합니다.
주제에 대한 자세한 내용은 "실제 응용 프로그램" 및 "더 깊이 파고들기" 섹션을 참조하십시오.

변화

학생들에게 수원에서 컵까지의 거리를 두 배, 세 배로 확장할 수 있는지 확인하기 위해 디자인을 테스트하게 합니다.

학생 성찰(엔지니어링 노트)

원래 디자인이 팀에서 건설한 실제 급수탑과 얼마나 유사했습니까?
건설 단계에서 변경이 필요하다고 판단한 경우 그 이유를 설명하십시오. 귀하의 팀은 수정하기로 결정했습니다.
다른 팀에서 만든 급수탑이 가장 흥미로웠나요? 왜?
이 활동이 팀으로 할 때 더 보람이 있다고 생각하십니까, 아니면 혼자 일하는 것을 선호합니까? 왜?
추가 재료(테이프, 풀, 나무 막대, 호일 등)를 사용할 수 있었다면 예) 무엇을 선택하고 그 이유는 무엇입니까?
귀하의 디자인이 확장 가능하다고 생각하십니까? 컵이 360도라면 효율적으로 작동할까요? 수원에서 인치 또는 900cm 떨어져 있습니까? 왜? 왜 안 돼?

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.

배경 개념

워터 타워 란 무엇입니까?

급수탑은 급수 시스템을 가압하기에 충분한 높이에서 물 공급을 안전하게 유지하도록 설계된 대형 식수 저장 용기입니다. 그것은 지역 사회 또는 건물의 거주자에게 물을 공급하고 저장 및 전달되는 물의 품질을 유지할 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다. 전 세계적으로 급수탑에 대한 많은 디자인이 있습니다.

일부는 랜드마크가 되었고 기발하게 장식되어 있습니다. 대도시와 같은 특정 지역에서는 개별 건물에 더 작은 급수탑이 건설됩니다. 초기 급수탑은 종종 건물의 일부로 설계되었습니다. 당신의 마을에 있는 것은 어떤 모습입니까?

정수압이란 무엇입니까?

정수압은 중력으로 인해 평형 상태의 유체가 가하는 압력입니다. 물이 파이프를 통해 집으로 흐르도록 하는 것은 물의 압력입니다. 압력이 충분히 강하지 않으면 물이 전달되지 않거나 너무 약하게 전달되어 소방 호스 또는 샤워와 같은 일부 응용 분야에 충분하지 않습니다. 탱크가 높을수록 탱크가 클수록 물이 갖는 압력과 힘이 커집니다. 때때로 펌프는 특히 피크 사용 시간에 물 공급 시스템을 통해 물을 밀어내는 데 사용됩니다. 엔지니어가 급수탑을 설계할 때 모든 수직 발은 수압에 평방 인치당 43파운드를 추가한다는 것을 알고 있습니다. (참고: 1psi는 6,894.76파스칼과 같습니다.) 대부분의 마을에서는 수압을 XNUMX에서 XNUMX 사이로 조절합니다. 제곱인치당 파운드이므로 간단한 방정식으로 탑을 얼마나 높이 지어야 하는지 알 수 있습니다.

급수탑 건설

급수탑 건설에는 강철과 철근 콘크리트를 포함한 다양한 재료가 사용되며 내부 코팅은 건축 자재의 영향으로부터 물을 보호합니다. 타워의 저수조는 다양한 모양이 있을 수 있으며 일반적으로 최소 높이가 약 6미터(20피트)이고 직경이 최소 4미터(13피트)입니다. 대부분 급수탑의 높이는 약 40m(130ft)입니다. 오른쪽 그림은 다음을 보여줍니다. 가정, 사무실 또는 아파트 건물에서 물이 어떻게 사용될 수 있는지.

물 절약

마을의 상수도 시스템을 고려할 때 가정과 기업이 물을 절약하고 마을에서 제공해야 하는 물의 양을 줄일 수 있는 다양한 방법에 대해 생각해 보십시오. 다음은 몇 가지 아이디어입니다.

배관 수정: 물을 절약하는 실내 배관 설비를 설치하거나 기존 배관 장비를 물을 덜 사용하는 장비로 교체합니다. 좋은 예는 기존 변기에 필요한 물의 약 20/XNUMX을 필요로 하는 저수세식 변기입니다. 또 다른 예는 저유량 샤워기입니다. 샤워는 전체 실내 물 사용량의 약 XNUMX%를 차지하며 저유량 헤드는 기존 샤워기의 절반 정도의 물을 사용합니다. 또는 흐르는 물을 미세한 물방울로 부수고 습윤 효과를 유지하면서 물에 공기를 혼합하는 수도꼭지 에어레이터 설치를 고려하십시오.
잔디 및 조경 유지 관리는 특히 강우량이 적은 지역에서 가정과 사업체가 많은 양의 물을 사용하는 지역입니다. 조경에서 물을 절약하는 한 가지 방법은 물이 거의 필요하지 않은 식물을 선택하는 것입니다.
물 사용 행동 변화
- 가정과 사업체에서 물을 절약하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 다음은 몇 가지 아이디어입니다.
  - 가득 찼을 때만 식기 세척기를 작동하십시오. 손으로 설거지를 할 경우 물을 계속 틀지 않고 싱크대나 접시에 물을 채워야 물을 절약할 수 있다.
  - 이를 닦거나 면도하는 동안 수도꼭지를 잠그십시오.
  - 짧은 샤워를하십시오.
  - 세탁실에서는 세탁물의 양에 맞게 세탁기의 수위를 조절합니다. 또는 머신이 가득 찼을 때만 실행하십시오.
  - 잔디밭에 물을 주어야 한다면 아침 일찍이나 저녁 늦게 그리고 가능하면 시원한 날에 하여 증발을 줄이십시오.

어휘

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.
정수압: 중력으로 인해 평형 상태의 유체가 가하는 압력. 물이 파이프를 통해 집으로 흐르도록 하는 것은 물의 압력입니다.
반복: 테스트 및 재설계는 한 번의 반복입니다. 반복합니다(여러 번 반복).
음용수: 식수에 적합하거나 적합합니다.
가압: 표면에 일정한 힘을 가하는 것.
프로토타입: 테스트할 솔루션의 작업 모델.
펌핑 스테이션: 펌프가 설치되고 작동되는 집.
저수지: 많은 양의 물을 저장하는 곳.
확장성: 필요에 따라 쉽게 확장하거나 업그레이드할 수 있습니다.
급수 시스템: 식수를 중앙 처리장이나 우물에서 물 소비자에게 운반하는 구성 요소가 있는 급수 네트워크의 일부입니다.
급수탑: 급수 시스템에 압력을 가하기에 충분한 높이에서 물 공급을 안전하게 유지하도록 설계된 대형 식수 저장 용기입니다.

심화를 파

인터넷 연결

워터 타워

추천 도서

급수탑(ISBN: 978-0262022774)
물을 위한 디자인: 빗물 수확, 빗물 집수 및 대체 물 재사용(ISBN: 978-0865715806)

쓰기 활동

급수탑 설계에 대한 환경 문제에 대한 에세이 또는 단락을 작성하십시오. 날씨, 지형, 지역 인구 또는 기타 요소가 새로운 급수탑 설계에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 고려하십시오.

커리큘럼 조정

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
과학적 탐구에 대한 이해

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

내용 표준 F: 개인 및 사회적 관점의 과학

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

리소스 유형
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

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.

인구, 자원 및 환경
사회의 과학 기술

국가 과학 교육 기준 5-8학년(10-14세)

내용 표준 G: 과학의 역사와 본질

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

인간의 노력으로서의 과학
과학의 역사

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
에너지 보존 및 무질서 증가

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
천연 자원
지역, 국가 및 글로벌 과제의 과학 및 기술

내용 표준 G: 과학의 역사와 본질

활동의 결과로 모든 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 발전시켜야 합니다.

인간의 노력으로서의 과학
역사적 관점

차세대 과학 표준 2-5학년(7-11세)

물질과 그 상호작용

이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.

2-PS1-2. 다양한 재료를 테스트하여 얻은 데이터를 분석하여 의도한 목적에 가장 적합한 특성을 가진 재료를 결정합니다.

운동과 안정성: 힘과 상호작용

이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.

3-PS2-1. 물체의 운동에 대한 균형 및 불균형 힘의 영향에 대한 증거를 제공하기 위해 조사를 계획하고 수행합니다.

차세대 과학 표준 2-5학년(7-11세)

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.

차세대 과학 표준 2-5학년(7-11세)

공학 설계

이해를 보여주는 학생은 다음을 할 수 있습니다.

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-ETS1-1. 가능한 솔루션을 제한할 수 있는 관련 과학적 원칙과 사람과 자연 환경에 대한 잠재적 영향을 고려하여 성공적인 솔루션을 보장하기에 충분한 정밀도로 설계 문제의 기준 및 제약 조건을 정의합니다.
MS-ETS1-2 시스템 프로세스를 사용하여 경쟁 설계 솔루션을 평가하여 문제의 기준 및 제약 조건을 얼마나 잘 충족하는지 확인합니다.

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.
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.

학생용 워크 시트

엔지니어링 팀워크 및 계획

당신은 제어된 방식으로 약 36인치 또는 90cm 떨어진 종이컵에 물을 공급할 수 있는 것보다 자신의 급수탑을 개발해야 하는 도전을 받은 엔지니어 팀의 일원입니다. 즉, 흐름을 멈추고 시작할 수 있어야 하며 컵을 절반만 채울 수 있어야 합니다. 구축할 수 있는 다양한 항목이 제공되지만 먼저 종이에 시스템을 설계한 다음 구축하고 테스트합니다. 당신은 경험을 반영하고 당신의 디자인을 학급에 발표할 것입니다.

연구 단계

교사가 제공한 자료를 읽으십시오. 인터넷에 액세스할 수 있는 경우 마을의 물 공급 시스템을 탐색하고 엔지니어가 지역 급수탑을 설계한 방법을 확인하십시오.

계획 및 설계 단계

엔지니어들은 급수탑을 위한 다양한 설계를 구축했지만 모두 가정과 기업에 통제된 방식으로 물을 공급한다는 동일한 목표를 달성했습니다. 이제 당신 차례입니다! 아래 공간이나 별도의 종이에 급수탑 계획을 보여주는 상세한 도표를 그립니다.