Interaktywna maszyna Gumball
Ta lekcja skupia się na historii maszyn do gumy do żucia oraz energii potencjalnej i kinetycznej. Uczniowie pracują w zespołach, aby najpierw zbudować zjeżdżalnię do gum do żucia, a następnie interaktywną maszynę do gum do żucia.
- Poznaj energię potencjalną i kinetyczną.
- Zaprojektuj i zbuduj interaktywną maszynę do gumy do żucia.
- Wdróż proces projektowania inżynierskiego, aby rozwiązać wyzwanie projektowe.
Poziomy wiekowe: 10-18
Materiały budowlane (dla każdego zespołu)
Wymagane materiały dla Ćwiczeń 2 i 3 (Tabela Możliwości)
- Pudła kartonowe
- 2 litrowe plastikowe butelki
- Papierowe kubki
- patyczki od lodów
- Kołki
- Szaszłyki
- Glina
- Oczyszczacze rur
- Nożyczki
- Gumki
- sznur
- Spinacze
- Spinacze do papieru
- Kartony i/lub foldery na dokumenty
- Kawałki tektury (pociąć kilka pudełek na kawałki o różnych rozmiarach)
- Taśma maskująca
- Rury 6' (izolator rurowy przecięty wzdłuż na pół) – 1 na zespół
- Nóż Xacto (dla nauczyciela)
Testowanie materiałów
- Gumballs (lub kulki reprezentujące gumballs, jeśli Twoja szkoła nie zezwala na gumę)
- Papierowe kubki
- Kosz na śmieci (dla młodszych uczniów)
Materiały
- Gumballs (lub kulki reprezentujące gumballs, jeśli Twoja szkoła nie zezwala na gumę)
- Papierowe kubki
- Kosz na śmieci (dla młodszych dzieci)
Przetwarzanie
Ćwiczenie 2 – Każdy zespół testuje swój projekt zjeżdżalni, umieszczając kulkę na górze zjeżdżalni i wtaczając ją do kubka. Uczniowie mogą zdecydować, gdzie chcą umieścić kubek. Uczniowie powinni udokumentować, czy kulka pozostała na torze i czy wylądowała w kubku.
Ćwiczenie 3 – Każdy zespół testuje projekt swojej maszyny do gumy do żucia, umieszczając gumę w punkcie początkowym w swojej maszynie i pozwalając jej podążać po torze, aż wyląduje w kubku. Uczniowie powinni zademonstrować, jak działają elementy interaktywne i pętle. Uczniowie powinni udokumentować, ile czasu zajmuje kulce gumowej przejście od punktu początkowego do kubka.
W przypadku młodszych uczniów użyj kosza na śmieci zamiast kubków, aby złapać gumy do żucia.
Ćwiczenie 2 – Zjeżdżalnia Gumball: Wyzwanie projektowe
Jesteś zespołem inżynierów, którzy otrzymali wyzwanie zaprojektowania i zbudowania zjeżdżalni, dzięki której kulka gumowa zjeżdża tak szybko, jak to możliwe i ląduje w kubku. Gumball musi pozostać na torze i wylądować w kubku. Zjeżdżalnia musi być w stanie samodzielnie stać (samonośna).
kryteria
- Gumball musi pozostać na „ścieżce”.
- Gumball musi wylądować w kubku. (Gdzie umieścisz puchar, zależy od twojej drużyny)
- Zjeżdżalnia musi być samonośna (stoi samodzielnie).
ograniczenia
- Nie możesz popchnąć gumballa, aby zacząć.
- Używaj tylko dostarczonych materiałów.
- Zespoły mogą handlować nieograniczoną liczbą materiałów.
Ćwiczenie 3 – Maszyna Gumballa: Wyzwanie projektowe
Jesteś zespołem inżynierów, którym postawiono wyzwanie zaprojektowania i zbudowania interaktywnej maszyny do gumy do żucia, która przyciągnie klientów do sklepu z zabawkami. Maszyna musi posiadać jeden element interaktywny i minimum jedną pętlę. Maszyna musi również być w stanie samodzielnie stać (samonośna) i być tak kreatywna, jak to tylko możliwe.
kryteria
- Trzymaj gumball na torze.
- Posiadaj jeden interaktywny element.
- Mieć co najmniej 1 pętlę.
- Bądź samowystarczalny (samodzielny) i bądź tak kreatywny, jak to tylko możliwe.
ograniczenia
- Używaj tylko dostarczonych materiałów.
- Zespoły mogą handlować nieograniczoną liczbą materiałów.
- Podziel klasę na 3-4 osobowe zespoły.
- Rozdaj arkusz interaktywnej maszyny Gumball, a także kilka arkuszy papieru do szkicowania projektów.
- Omów tematy w sekcji Koncepcje tła.
- Ćwiczenie 1: Przeczytaj historię maszyn do gumy do żucia i omów główne wyzwanie projektowe. Zapytaj uczniów, jakie automaty widzieli wcześniej i jakie automaty chcieliby mieć w szkole lub w swoim mieście/mieście.
- Ćwiczenie 2: Zjeżdżalnia Gumballa – Wyjaśnij uczniom, że będą badać grawitację i energię podczas zjeżdżania gumballa.
- Ćwiczenie 3: Maszyna Gumballa – Poświęć czas na omówienie, co oznacza interaktywność lub interakcja. Poproś uczniów, aby to zdefiniowali, a następnie podali kilka przykładów.
- Interakcja- to rodzaj akcji, która występuje, gdy dwa lub więcej obiektów oddziałuje na siebie.
- Interaktywne- działające ze sobą.
- Przykład: Gry wideo – interakcja między użytkownikiem a grą. Jest interaktywny, ponieważ wymaga udziału użytkownika, aby gra mogła posunąć się do przodu.
- Aby uczniowie zastanowili się, w jaki sposób ich maszyna do gum do żucia będzie interaktywna, możesz pokazać poniższe zdjęcia: (Przynieś obrazy)
- Przejrzyj proces projektowania inżynieryjnego, wyzwanie projektowe, kryteria, ograniczenia i materiały dla każdego działania.
- Dostarcz każdemu zespołowi swoje materiały.
- Wyjaśnij, że uczniowie muszą wykonać 3 ćwiczenia.
- Ćwiczenie 1: Poznaj historię automatu do gumy do żucia.
- Ćwiczenie 2: Zaprojektuj i zbuduj zjeżdżalnię gumową.
- Ćwiczenie 3: Zaprojektuj i zbuduj interaktywną maszynę do gumy do żucia.
- Ogłoś, ile czasu mają na zaprojektowanie i zbudowanie:
- Ćwiczenie 1: Historia maszyny Gumball (1/2 godziny).
- Ćwiczenie 2: Zjeżdżalnia Gumball (1 godzina).
- Ćwiczenie 3: Interaktywna maszyna Gumball (1-2 godziny).
- Użyj timera lub stopera on-line (funkcja odliczania), aby mieć pewność, że zdążysz na czas. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Daj uczniom regularne „kontrole czasu”, aby mogli kontynuować zadanie. Jeśli mają problemy, zadawaj pytania, które szybciej doprowadzą ich do rozwiązania.
- Uczniowie spotykają się i opracowują plan Ćwiczenia 2: zjeżdżalnię z gumą do żucia.
- Drużyny budują zjeżdżalnię gumball.
- Każda drużyna testuje swój projekt zjeżdżalni, umieszczając kulkę na górze zjeżdżalni i wpuszczając ją do kubka. Uczniowie mogą zdecydować, gdzie chcą umieścić kubek. Uczniowie powinni udokumentować, czy kulka pozostała na torze i czy wylądowała w kubku.
- Przeprowadź dyskusję w klasie, używając następujących pytań:
- Co sprawia, że gumball zaczyna zjeżdżać ze zjeżdżalni? (Powaga)
- Jaką energię ma kulka gumowa, zanim ją wypuścisz? (Energia potencjalna)
- Jaką energię ma kulka gumowa po jej wypuszczeniu? (Energia kinetyczna)
- Gdzie znajdziesz największą ilość energii potencjalnej? Czemu? (Góra zjeżdżalni, ponieważ jest to najwyższy punkt na zjeżdżalni, PE=mgh)
- Gdzie znajdziesz największą ilość energii kinetycznej? Czemu? (Dół suwaka, bo gumball będzie się tam poruszał najszybciej, KE=1/2mv2 )
- Czy gumball działa? Czemu? (Tak, działa na niego siła i porusza się po zjeżdżalni, W= fd)
- Jak sprawiłeś, że Twoja kulka gumowa szybciej zjeżdża po zjeżdżalni? (Zwiększ nachylenie zjeżdżalni, długość lub obie te rzeczy.)
- Gdzie postawisz swój kubek, aby kulka gumowa w nim wylądowała? (Będzie to inne dla każdej drużyny.)
- Dlaczego gumball chce iść dalej? (Pęd)
- Jak mogłeś spowolnić gumball? (Wprowadź tarcie)
- Uczniowie spotykają się i opracowują plan Ćwiczenia 3: ich interaktywna maszyna do gumy do żucia.
- Zespoły budują swoją interaktywną maszynę do gumy do żucia.
- Każdy zespół testuje projekt swojej maszyny do gumy do żucia, umieszczając gumę w punkcie początkowym w swojej maszynie i pozwalając jej podążać po torze, aż wyląduje w kubku. Uczniowie powinni zademonstrować, jak działają elementy interaktywne i pętle. Uczniowie powinni udokumentować, ile czasu zajmuje kulce gumowej przejście od punktu początkowego do kubka. W przypadku młodszych uczniów użyj kosza na śmieci zamiast kubków, aby złapać gumy do żucia.
- W klasie przedyskutujcie pytania uczniów do refleksji.
- Więcej treści na ten temat można znaleźć w sekcji „Digging Deeper”.
Refleksja studencka (zeszyt inżynierski)
- Co poszło dobrze?
- Co nie poszło dobrze?
- Jaki jest twój ulubiony element twojej interaktywnej maszyny do gum do żucia?
- Gdybyś miał czas na ponowne przeprojektowanie, jakie zmiany byś wprowadził?
Modyfikacja czasu
W przypadku starszych uczniów lekcję można przeprowadzić już za 1 lekcję. Jednak, aby pomóc uczniom w pośpiechu i zapewnić uczniom sukces (zwłaszcza młodszym uczniom), podziel lekcję na dwa okresy, dając uczniom więcej czasu na burzę mózgów, testowanie pomysłów i sfinalizowanie ich projektu. Przeprowadź test i podsumowanie w następnej lekcji.
- Przyspieszenie: Szybkość, z jaką obiekt zmienia swoją prędkość. Obiekt przyspiesza, jeśli zmienia swoją prędkość lub kierunek. Obiekt przyspiesza, jeśli zmienia swoją prędkość (zarówno przyspiesza, jak i zwalnia).
- Ograniczenia: ograniczenia dotyczące materiału, czasu, wielkości zespołu itp.
- Kryteria: Warunki, które projekt musi spełniać, takie jak jego ogólny rozmiar itp.
- Energia: zdolność do pracy. Pracujesz, gdy używasz siły (pchania lub ciągnięcia), aby wywołać ruch.
- Inżynierowie: wynalazcy i rozwiązujący problemy świata. Dwadzieścia pięć głównych specjalności jest uznanych w inżynierii (zobacz infografikę).
- Proces projektowania inżynierskiego: Inżynierowie procesu używają do rozwiązywania problemów.
- Inżynierskie nawyki umysłu (EHM): Sześć unikalnych sposobów myślenia inżynierów.
- Siła: pchnięcie lub pociągnięcie obiektu wynikające z interakcji obiektu z innym obiektem.
- Tarcie: Siła, która stawia opór ruchowi obiektu.
- Grawitacja: siła przyciągania, dzięki której przedmioty opadają w kierunku środka ziemi.
- Interakcja: rodzaj akcji, która występuje, gdy dwa lub więcej obiektów oddziałuje na siebie nawzajem.
- Interaktywny: Współdziałanie ze sobą.
- Energia kinetyczna: energia ruchu. Wszystkie poruszające się obiekty mają energię kinetyczną. Ilość energii kinetycznej zależy od masy i prędkości obiektu. Wzór na energię kinetyczną to KE=1/2mv2 . [m = masa obiektu, v = prędkość obiektu]
- Iteracja: Testowanie i przeprojektowanie to jedna iteracja. Powtórz (wiele iteracji).
- Masa: ilość materii w ciele.
- Ruch: zmiana położenia ciała w czasie, mierzona przez konkretnego obserwatora w układzie odniesienia.
- Energia potencjalna: Energia pozycji. Ilość energii potencjalnej zależy od masy i wysokości obiektu. Wzór na energię potencjalną to PE=mgh. [m = masa obiektu, g = przyspieszenie ziemskie (9.8 m/s2 ), h = wysokość obiektu]
- Prototyp: działający model testowanego rozwiązania.
- Szybkość: Jak szybko porusza się obiekt.
- Velocity: Szybkość, z jaką obiekt zmienia swoją pozycję. Pęd: Msza w ruchu. Wielkość pędu zależy od tego, ile rzeczy się porusza i jak szybko się porusza.
- Waga: siła przyciągania grawitacyjnego ziemi na ciało.
- Praca: Siła działająca na obiekt, aby przesunąć go na odległość. Wzór na pracę to W = fd. [f = siła przyłożona do obiektu, d = przemieszczenie obiektu].
Spis zalecanych lektur
- Automaty vendingowe: amerykańska historia społeczna (ISBN: 978-0786413690) Automaty vendingowe (ISBN: 978-0981960012)
Pisanie
- Niech uczniowie napiszą krótkie opowiadania o „dniu z życia” ich automatu do gumy do żucia. Z kim spotyka się automat do gumy do żucia i co się dzieje? W jaki sposób maszyna do gumy do żucia zmienia życie dzieci, które dostają z niej gumę do żucia?
- Uczniowie mogli również stworzyć reklamę, aby przyciągnąć więcej klientów do sklepu z zabawkami. Powinni przedstawiać w reklamie interaktywną maszynę do gumy do żucia. Dlaczego dzieci miałyby przychodzić do tego sklepu z zabawkami? Dlaczego interaktywna maszyna do gumy do żucia jest koniecznością?
Dostosowanie do ram programowych
Uwaga: Plany lekcji w tej serii są dostosowane do co najmniej jednego z następujących zestawów standardów:
- Amerykańskie standardy edukacji naukowej (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Amerykańskie standardy naukowe nowej generacji (http://www.nextgenscience.org/)
- Standardy Międzynarodowego Stowarzyszenia Edukacji Technologicznej dotyczące umiejętności technologicznych (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- US National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- US Common Core State Standards for Mathematics (http://www.corestandards.org/Math)
- Stowarzyszenie Nauczycieli Informatyki K-12 Standardy Informatyki (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy K-4 (w wieku 4 – 9)
TREŚĆ STANDARD A: Nauka jako dochodzenie
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Umiejętności niezbędne do prowadzenia badań naukowych
- Zrozumienie dociekań naukowych
TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Światło, ciepło, elektryczność i magnetyzm
TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Zrozumienie nauki i technologii
Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 5-8 (wiek 10-14)
TREŚĆ STANDARD A: Nauka jako dochodzenie
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Umiejętności niezbędne do prowadzenia badań naukowych
- Zrozumienia dotyczące badań naukowych
TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne
W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Własności i zmiany własności w materii
- Transfer energii
TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Zrozumienie nauki i technologii
Standardy naukowe nowej generacji klasy 3-5 (w wieku 8-11 lat)
Materia i jej interakcje
Uczniowie, którzy wykażą się zrozumieniem, mogą:
- 2-PS1-2. Analizuj dane uzyskane z testowania różnych materiałów, aby określić, które materiały mają właściwości najlepiej dostosowane do zamierzonego celu.
- 5-PS1-3. Dokonuj obserwacji i pomiarów w celu identyfikacji materiałów na podstawie ich właściwości
Standardy alfabetyzacji technologicznej – w każdym wieku
Wnętrze
- Standard 10: Studenci rozwiną zrozumienie roli rozwiązywania problemów, badań i rozwoju, wynalazków i innowacji oraz eksperymentowania w rozwiązywaniu problemów.
Scenariusz
Lokalny sklep z zabawkami musi przyciągnąć więcej klientów, więc poprosili Twoją klasę o pomoc, tworząc specjalną wystawę, która zostanie ustawiona na środku sklepu i będzie zabawą dla dzieci - interaktywna maszyna do gumy do żucia!
Wyzwanie projektowe
Zaprojektuj i zbuduj zabawną interaktywną maszynę do gumy do żucia, która przyciągnie klientów do sklepu z zabawkami.
kryteria
Wszystkie projekty muszą:
- trzymaj gumball na torze,
- mieć jeden interaktywny element,
- mieć minimum 1 pętlę,
- być samowystarczalnym (stać samodzielnie) i
- być tak kreatywnym, jak to tylko możliwe.
ograniczenia
- Musisz używać tylko dostarczonych materiałów.
Członkowie drużyny:_____________________________________________
Interaktywna maszyna Gumball Nazwa: __________________________________________
Etap planowania
Spotkaj się w zespole i omów problem, który musisz rozwiązać. Następnie opracuj i uzgodnij projekt swojej maszyny do gumballi. Musisz określić, jakich materiałów chcesz użyć. Narysuj swój projekt w polu poniżej i pamiętaj o podaniu opisu i liczby części, których zamierzasz użyć.
Projekty burzy mózgów dla Twojej zjeżdżalni gumball:
Wybierz swój najlepszy projekt i naszkicuj go tutaj:
Faza budowy
Zbuduj swoją maszynę do gumy do żucia. Podczas budowy możesz zdecydować, że potrzebujesz dodatkowych materiałów lub że Twój projekt musi się zmienić. To jest w porządku – po prostu zrób nowy szkic i popraw listę materiałów.
Faza testów
Każda drużyna przetestuje swoją maszynę do gumy do żucia. Jeśli Twój projekt się nie powiódł, przeprojektuj i przetestuj ponownie, dopóki nie będziesz z niego zadowolony. Koniecznie obejrzyj testy innych zespołów i obserwuj, jak działały ich różne projekty.
Naszkicuj swój ostateczny projekt
Faza oceny
Oceń wyniki swoich zespołów, wypełnij arkusz oceny i przedstaw swoje wyniki klasie.
Użyj tego arkusza roboczego, aby ocenić wyniki swojego zespołu w interaktywnej lekcji na maszynie Gumball:
- Co poszło dobrze?
- Co nie poszło dobrze?
- Jaki jest twój ulubiony element twojej interaktywnej maszyny do gum do żucia?
- Gdybyś miał czas na ponowne przeprojektowanie, jakie zmiany byś wprowadził?