Stulecie tworzyw sztucznych

Ta lekcja pokazuje, w jaki sposób rozwój tworzyw sztucznych — i inżynieria elementów z tworzyw sztucznych w produktach codziennego użytku — wpłynęła na świat. Uczniowie poznają historię tworzyw sztucznych, co robią inżynierowie tworzyw sztucznych i jak wiele produktów zostało ulepszonych poprzez dodanie elementów z tworzyw sztucznych. Uczniowie pracują w zespołach, aby zidentyfikować produkty bez plastiku i produkty, które ich zdaniem nie mogłyby istnieć w świecie przedplastikowym. Pracują jako zespoły „inżynierów”, aby sprawdzić, czy mogą przeprojektować produkt tak, aby używał o 50% mniej plastikowych elementów niż w obecnych projektach. 

  • Dowiedz się więcej o tworzywach sztucznych.  
  • Dowiedz się, w jaki sposób tworzywa sztuczne zostały wykorzystane w tak wielu popularnych produktach.  
  • Dowiedz się o pracy zespołowej i procesie rozwiązywania problemów inżynieryjnych/projektowania.

 Poziomy wiekowe: 8-18

Materiały i przygotowanie

Materiały budowlane (dla każdego ucznia)

Potrzebne materiały

  • Arkusze uczniów 
  • Sekcja tematów tła

Inżynierskie wyzwanie projektowe

Wyzwanie projektowe

Jesteście zespołem inżynierów, którzy zmierzyli się z wyzwaniem stworzenia listy czterech maszyn lub produktów, które, jak sądzisz, byłyby niemożliwe bez wynalezienia tworzyw sztucznych. Następnie zdecydujesz, które plastikowe części wymienisz w jednym z tych produktów lub maszyn, aby ułatwić recykling. Jakich materiałów użyjesz i jak wpłynie to na wydajność, cenę lub estetykę?

Instrukcje i procedury dotyczące aktywności

  1. Podziel klasę na 3-4 osobowe zespoły.
  2. Rozdaj arkusz roboczy Century of Plastics i wydrukuj sekcję Koncepty wprowadzające. 
  3. Omów tematy w sekcji Koncepcje tła
  4. Przejrzyj proces projektowania inżynierskiego, wyzwanie projektowe, kryteria, ograniczenia i materiały. 
  5. Poleć uczniom, aby pracowali w zespole, aby ukończyć pierwszy arkusz roboczy ucznia – Plastikowe polowanie!: 
    • Pomyśl o przedmiotach, które możesz znaleźć w swoim domu, klasie lub na placu zabaw. Zidentyfikuj i udokumentuj wszelkie elementy, które nie mają części składowych wykonanych z tworzywa sztucznego.
  6. W klasie przedyskutujcie pytania do refleksji:
    • Czy znalezienie produktów, które nie zawierały plastiku, było trudniejsze niż myślałeś?
    • Co miały ze sobą wspólnego produkty, które znalazłeś bez plastiku?
    • Gdybyś przebudował jeden ze znalezionych produktów, czy byś się zmienił?
    •  któryś z elementów składowych do plastiku? Czemu? Dlaczego nie?                                                             
    •  Czy uważasz, że płyty CD byłyby możliwe bez plastiku? Czemu? Dlaczego nie?    
    •  Dlaczego recykling jest ważny?
  7. Poinstruuj uczniów, aby pracowali w zespole, aby ukończyć Krok pierwszy arkusza drugiego ucznia – You Be the Engineer:
    • Wymyśl listę czterech maszyn lub produktów, które Twoim zdaniem byłyby niemożliwe bez wynalezienia tworzyw sztucznych. Dla każdego odpowiedz na te pytania:
      • Jaki % produktu to plastik?
      • Dlaczego byłoby to niemożliwe bez plastiku?
      • Jak ta maszyna lub produkt wpłynął na świat?
  8. Poinstruuj uczniów, aby pracowali w zespole, aby ukończyć Krok drugi arkusza drugiego ucznia – You Be the Engineer:
    • Wymień część plastiku w dowolnym z czterech produktów lub maszyn wskazanych w części pierwszej, aby ułatwić ich recykling. Omów, jakich materiałów użyjesz, jak wpłynie to na wydajność, cenę lub estetykę. Następnie przedstaw swoje pomysły klasie: 
      • Opisz, co robi Twój produkt i jaki procent uważasz za plastik.
      • Wyjaśnij, które komponenty zastąpisz innymi materiałami; opisz, w jaki sposób wybrałeś materiały zamienne i jak nowe materiały wpłyną na wagę, koszt i funkcjonalność produktu.
      • Przewiduj, czy ten produkt będzie tak samo skuteczny jak obecny projekt, czy może kosztować więcej w produkcji i jak łatwiej będzie go poddać recyklingowi.
      • Opisz, w jaki sposób Twój zespół uważa, że ​​wykorzystanie tworzyw sztucznych w powszechnych produktach wpłynęło na świat.
  9. Więcej treści na ten temat można znaleźć w sekcji „Digging Deeper”.

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.

Koncepcje tła

Czym są tworzywa sztuczne?  

Stulecie tworzyw sztucznych 

XIX wiek przyniósł ogromne postępy w chemii polimerów. Wymagało to jednak spostrzeżeń inżynierów chemików w XX wieku, aby masowo produkowane polimery stały się realną ekonomiczną rzeczywistością. Kiedy w 19 r. wprowadzono plastik o nazwie bakelit, zapoczątkował on „epokę plastiku”. Bakelit został zastosowany w wielu produktach, od wtyczek elektrycznych, przez szczotki do włosów, radia, zegary, a nawet biżuterię. Produkty bakelitowe z tej epoki są teraz bardzo kolekcjonerskie! Obecnie tworzywa sztuczne znajdują się w prawie każdym produkcie. Trudno znaleźć wiele maszyn, które nie zawierają kilku rodzajów plastiku.  

Czym są tworzywa sztuczne? 

Tworzywa sztuczne to polimery: długie łańcuchy atomów połączonych ze sobą. Plastik to termin, który w rzeczywistości obejmuje bardzo szeroki zakres syntetycznych lub półsyntetycznych produktów polimeryzacji. Składają się z kondensacji organicznej lub dodatkowych polimerów i mogą zawierać inne substancje, aby lepiej nadawały się do zastosowań, w których występują różnice w tolerancji ciepła, twardości, kolorze i elastyczności. Tworzywa sztuczne mogą być formowane lub formowane w określone twarde kształty lub mogą być rozwijane jako folie lub włókna. Na pewnym etapie produkcji każdy plastik jest zdolny do płynięcia. Słowo plastik wywodzi się z faktu, że wiele form jest plastycznych, posiadających właściwość plastyczności. Inżynierowie często sięgają po tworzywa sztuczne jako części składowe wielu produktów, ponieważ są one lekkie, stosunkowo niedrogie i trwałe. Obniżyło to koszt wielu produktów, a wiele produktów nie istniałoby dzisiaj bez plastiku.  

Inżynierowie ds. Tworzyw Sztucznych 

Rozwój tworzyw sztucznych zapoczątkował nową dziedzinę pracy: Inżynierowie Tworzyw Sztucznych! Badają właściwości materiałów polimerowych i opracowują maszyny, które mogą kształtować części z tworzyw sztucznych. Badają sposoby formowania tworzyw sztucznych, aby zaspokoić potrzeby innych inżynierów, którzy potrzebują części, takich jak pokrowce na telefony komórkowe, podeszwy butów i kółka do plecaków. Pracują również nad poprawą wydajności tworzyw sztucznych, szukając nowych materiałów, które lepiej reagują na wysoką lub niską temperaturę lub powtarzalny ruch.  

Krótka oś czasu 

  • 1907: pierwszy plastik na bazie syntetycznego polimeru — bakelit — został stworzony przez Leo Hendrika Baekelanda. Bakelit był pierwszym wynalezionym tworzywem sztucznym, które zachowało swój kształt po podgrzaniu. 
  • 1908: Celofan został odkryty przez szwajcarskiego chemika Jacquesa Brandenbergera. 
  • Lata 1920-te: Produkcja octanu celulozy, akryli (Lucite & Plexiglas) i polistyrenu. 
  • 1957: General Electric opracowuje tworzywa poliwęglanowe. 
  • 1968: Konsumpcja włókien sztucznych przewyższa włókna naturalne w USA 
  • 1987: Nipon Zeon opracowuje plastik z „pamięcią”, dzięki czemu można go zginać i skręcać w niskich temperaturach, ale po podgrzaniu powyżej 37 stopni Celsjusza wraca do swojego pierwotnego kształtu! 
  • 1990: Programy recyklingu tworzyw sztucznych są powszechne, oferując nowe zastosowanie dla starych tworzyw sztucznych

Przedplastyczna historia przedmiotów codziennego użytku   

sangriana-bigstock.com

Szczoteczka do zębów 

Najwcześniejszą znaną szczoteczką do zębów była „pałeczka do żucia” wykonana z przeżutych lub zgniecionych gałązek. Ten styl higieny jamy ustnej sięga tysięcy lat. Ostatnio produkowano szczoteczki do zębów z kostnymi rękojeściami z włosiem lub sierścią świń skręconym drutem. Ten styl był popularny już od 1600 roku do połowy 1800 roku, chociaż rękojeść była czasami wykonana z drewna. Następna poważna zmiana w projekcie była spowodowana wprowadzeniem Nylonu. Ten syntetyczny materiał został po raz pierwszy zastosowany do szczoteczki do zębów około 1938 roku. Do 1939 roku inżynierowie zaczęli opracowywać elektryczne szczoteczki do zębów, aby poprawić skuteczność szczotkowania. Pierwsza prawdziwa elektryczna szczoteczka do zębów została opracowana w Szwajcarii w 1939 r. W Stanach Zjednoczonych Squibb wprowadził elektryczną szczoteczkę do zębów w 1960 r., a następnie General Electric wprowadził bezprzewodową szczoteczkę do zębów z możliwością ładowania w 1961 r. Nawet nić dentystyczna, która pierwotnie była wykonana z jedwabnej nici, była spopularyzowane aż do pojawienia się tworzyw sztucznych i materiałów syntetycznych.  

bm_photo-bigstock.com

Długopis 

Przez pierwsze trzy tysiące lat od wynalezienia papieru najczęściej używanym narzędziem do pisania było ptasie pióro — zwykle gęś — zanurzone w studni z atramentem. Stalowe końcówki długopisów produkowane masowo zaczęły pojawiać się na początku XIX wieku, co zapewniło większą kontrolę nad linią. Podczas I wojny światowej długopisy zaczęto wytwarzać z twardej, zwykle czarnej, gumowej substancji zwanej wulkanitem. Wczesne kolorowe tworzywa sztuczne zostały wprowadzone w latach dwudziestych. Sheaffer wprowadził długopisy wykonane z celuloidu w różnych kolorach. Były one bardzo drogie, ale okazały się tak popularne, że w ciągu kilku lat większość producentów piór wiecznych oferowała pióra z nowego tworzywa sztucznego, zastępując niektóre wzory z metalu i drewna. Jednak to szerokie zastosowanie tworzyw sztucznych i konstrukcja niecieknącego długopisu obniżyły koszty drobnych przyborów piśmiennych i były w zasięgu większości ludzi. W latach sześćdziesiątych przejęły jednorazowe długopisy kulkowe i chociaż pióra wieczne są nadal dostępne, mają one dziś bardzo niewielki udział w rynku.  

big8183-bigstock.com

Okulary 

Okulary były pierwotnie wykonane z metalu i szkła. Gdyby jednak ktoś wymagał szczególnie mocnej recepty, szkło byłoby bardzo ciężkie spoczywając na nosie. Tworzywa sztuczne zrewolucjonizowały okulary, zastępując szklaną soczewkę lżejszym materiałem i zastępując większość metalu w oprawkach lżejszymi, kolorowymi tworzywami sztucznymi. Jednak w ramie nadal znajduje się metal, ponieważ większość zawiasów jest nadal wykonana z metalu. I oczywiście nie byłoby soczewek kontaktowych bez rozwoju materiałów syntetycznych.

Słownictwo

  • Ograniczenia: ograniczenia dotyczące materiału, czasu, wielkości zespołu itp.
  • Kryteria: Warunki, które projekt musi spełniać, takie jak jego ogólny rozmiar itp.
  • 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.
  • Iteracja: Testowanie i przeprojektowanie to jedna iteracja. Powtórz (wiele iteracji).
  • Prototyp: działający model testowanego rozwiązania.
  • Recykling: Proces pobierania materiałów gotowych do wyrzucenia i przekształcania (wymiany) na materiały wielokrotnego użytku.

Dig Deeper

Połączenia internetowe

Spis zalecanych lektur

  • American Plastic: A Cultural History Jeffrey L. Meikle (ISBN: 978-0813522357) Plastics Engineering RJ Crawford (ISBN: 978-0750637640)

Pisanie 

  • Napisz esej lub akapit opisujący, czy myślisz, że lot w kosmos byłby możliwy bez wprowadzenia tworzyw sztucznych. Podaj przykłady na poparcie swojego punktu widzenia.  
  • Napisz esej lub akapit opisujący, jak działa recykling w Twoim mieście. Podaj przykłady, w jaki sposób inżynierowie wykorzystują materiały pochodzące z recyklingu do nowych produktów.

Dostosowanie programu nauczania

Dostosowanie do ram programowych

Uwaga: wszystkie plany lekcji w tej serii są dostosowane do USA Krajowe Standardy Edukacji Naukowej (wyprodukowane przez Krajowa Rada ds. Badań Naukowych i zatwierdzony przez National Science Teachers Association) oraz, w stosownych przypadkach, Standards for Technological Literacy i National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics Międzynarodowego Stowarzyszenia Edukacji Technologicznej.

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy K-4 (wiek 4-9)

TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

  • Właściwości przedmiotów i materiałów 

TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia 

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

  • Umiejętności projektowania technologicznego 
  • Umiejętność rozróżniania przedmiotów naturalnych od przedmiotów wykonanych przez człowieka 

STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

  • Rodzaje zasobów 
  • Zmiany w otoczeniu 

TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

  • Nauka jako ludzkie przedsięwzięcie 

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 5-8 (wiek 10-14)

TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne

W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

  • Własności i zmiany własności w materii 

TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

  • Umiejętności projektowania technologicznego 
  • Zrozumienie nauki i technologii 

STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

  • Ryzyko i korzyści 
  • Nauka i technologia w społeczeństwie 

TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

  • Historia nauki 

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 9-12 (wiek 14-18)

TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne 

W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

  • Struktura i właściwości materii 

TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

  • Umiejętności projektowania technologicznego 
  • Zrozumienie nauki i technologii 

STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

  • Jakość środowiska 

TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

  • Perspektywy historyczne

Standardy alfabetyzacji technologicznej – w każdym wieku

Natura technologii

  • Standard 3: Studenci rozwiną zrozumienie relacji między technologiami oraz powiązań między technologią a innymi dziedzinami nauki.

Technologia i społeczeństwo

  • Standard 4: Studenci rozwiną zrozumienie kulturowych, społecznych, ekonomicznych i politycznych skutków technologii.
  • Standard 5: Uczniowie rozwiną zrozumienie wpływu technologii na środowisko.
  • Standard 7: Studenci rozwiną zrozumienie wpływu technologii na historię.

Wnętrze

  • Standard 8: Uczniowie rozwiną zrozumienie atrybutów projektu.
  • Standard 9: Studenci rozwiną zrozumienie projektowania inżynierskiego.

Umiejętności dla technologicznego świata

  • Standard 13: Uczniowie rozwiną umiejętności oceny wpływu produktów i systemów.

Zaprojektowany świat

  • Standard 19: Studenci zrozumieją i będą w stanie wybrać i wykorzystać technologie produkcyjne.

Arkusz studencki

Plastikowe polowanie!

Krok pierwszy: Jako zespół pomyśl o przedmiotach, które możesz znaleźć w swoim domu, klasie lub na placu zabaw. Czy potrafisz zidentyfikować przedmioty, które nie mają części składowych wykonanych z tworzywa sztucznego?

Przedmioty kuchenne Artykuły łazienkowe Przedmioty w klasie   Wyposażenie sportowe
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pytania:

  1. Czy znalezienie produktów, które nie zawierały plastiku, było trudniejsze niż myślałeś?

 

 

 

 

  1. Co miały ze sobą wspólnego produkty, które znalazłeś bez plastiku?

 

 

 

 

  1. Gdybyś przeprojektował jeden ze znalezionych produktów, czy zamieniłbyś którykolwiek z elementów składowych na plastik? Czemu? Dlaczego nie?

 

 

 

 

  1. Czy uważasz, że płyty CD byłyby możliwe bez plastiku? Czemu? Dlaczego nie?

 

 

 

 

  1. Dlaczego recykling jest ważny?

 

 

 

 

Krok pierwszy: Jako zespół opracuj listę czterech maszyn lub produktów, które Twoim zdaniem byłyby niemożliwe bez wynalezienia tworzyw sztucznych. Dla każdego odpowiedz na poniższe pytania:

 

  Jaki % produktu to plastik? Dlaczego byłoby to niemożliwe bez plastiku? Jak ta maszyna lub produkt wpłynął na świat?
1-

 

 

 

 

 
2-

 

 

 

 

 
3-

 

 

 

 

 
4-

 

 

 

 

 

 

Krok drugi: Twoim wyzwaniem jest praca jako zespół „inżynierów” w celu wymiany części plastiku w dowolnym z czterech produktów lub maszyn, które zidentyfikowałeś w pierwszej części tego arkusza, aby ułatwić ich recykling. Omów, jakich materiałów użyjesz, jak wpłynie to na wydajność, cenę lub estetykę. Następnie przedstaw swoje pomysły klasie w trzech formach:

  • opisz, co robi Twój produkt, i określ procent, który uważasz za plastik.
  • wyjaśnij, które komponenty zastąpisz innymi materiałami; opisz, w jaki sposób wybrałeś materiały zamienne i jak nowe materiały wpłyną na wagę, koszt i funkcjonalność produktu.
  • przewidzieć, czy ten produkt będzie tak samo skuteczny jak obecny projekt, czy jego produkcja może kosztować więcej i jak łatwiej będzie go poddać recyklingowi.
  • opisz, w jaki sposób Twój zespół uważa, że ​​wykorzystanie tworzyw sztucznych w powszechnych produktach wpłynęło na świat.
Przyjazne dla wydruku, PDF i e-mailWydrukuj PDF
Wydrukuj lub pobierz plan lekcji w formacie PDF
 

Świadectwo ukończenia kursu do pobrania