Măsurarea vântului

Materiale de construcție (pentru fiecare echipă)

Materiale necesare (tranzacționare / tabel de posibilități)

• Folie de aluminiu
• Pahare din plastic / hârtie / polistiren
• Şir
• Sârmă flexibilă (adică sârmă pentru florărie sau ambarcațiuni)
• paiele
• Artizanat din lemn / bastoane de gheață
• Linguri mici de lemn
• Bucăți mici de lemn (balsa)
• Agrafe
• Benzi de cauciuc
• scobitori
• Carton
• Folie de plastic

Testarea materialelor

• Uscător de păr sau ventilator cu 3 setări de viteză (sau dacă vă aflați într-un mediu cu vânt, testarea poate fi finalizată în exterior)
• Hârtie milimetrică

Designul Challenge

Sunteți o echipă de ingineri cărora li s-a oferit provocarea de a proiecta și construi propriul anemometru din materiale de zi cu zi. De asemenea, trebuie să elaborați un sistem de măsurare și înregistrare a vitezei vântului, așa cum este indicat de anemometru.

Criterii

• Porțiunea superioară trebuie să se poată deplasa liber, fără rezistență la rotire sau rotire rapidă.
• Trebuie să poată susține vântul generat de un ventilator sau uscător de păr la viteze diferite
• Trebuie să aibă o modalitate de a măsura și grafica rotațiile la diferite viteze ale vântului

Constrângerile

• Folosiți numai materialele furnizate.
• Echipele pot tranzacționa materiale nelimitate.

1. Divizați clasa în echipe de 2-3.
2. Împărțiți foaia de lucru Măsurarea vântului, precum și câteva foi de hârtie pentru schițarea proiectelor.
3. Discutați subiectele din secțiunea Concepte de fundal. Luați în considerare să întrebați elevii dacă doresc să realizeze un design cu 4 sau 3 căni și de ce. Ei vor trebui să determine ce scară vor folosi pentru a măsura viteza vântului.
4. Examinați procesul de proiectare inginerească, provocarea de proiectare, criteriile, constrângerile și materialele.
5. Furnizați fiecărei echipe materialele lor.
6. Explicați că elevii trebuie să-și proiecteze și să-și construiască propriul anemometru de lucru din materiale de zi cu zi și că echipa trebuie să elaboreze un sistem de măsurare și înregistrare a vitezei vântului, așa cum este indicat de anemometrul lor.
7. Anunțați timpul necesar pentru proiectare și construire (1 oră recomandată).
8. Folosiți un cronometru sau un cronometru online (funcție de numărătoare inversă) pentru a vă asigura că vă mențineți la timp. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Oferiți elevilor „verificări de timp” regulate, astfel încât să rămână în sarcină. Dacă se luptă, puneți întrebări care îi vor duce mai repede la o soluție.
9. Elevii se întâlnesc și dezvoltă un plan pentru anemometrul lor. Sunt de acord asupra materialelor de care vor avea nevoie, își scriu / desenează planul și își prezintă planul clasei. Echipele pot tranzacționa materiale nelimitate cu alte echipe pentru a-și dezvolta lista de piese ideale.
   ● Studenții vor măsura probabil numărul de rotații ale anemometrului lor, deci este posibil să fie necesar să sugerați că una dintre cupe sau captatoare de vânt are o culoare diferită de celelalte pentru o numărare mai ușoară a rotațiilor.
   ● Porțiunea superioară trebuie să se poată deplasa liber, fără rezistență la rotire sau rotire rapidă. Este esențială utilizarea unui paie sau a unui obiect ascuțit pe care piesa de sus va pivota sau se va roti.
   ● Studenții ar putea dori să dezvolte un design cu patru cupe, un design cu trei cupe sau să vină cu un design nou. Variați această provocare pentru studenții mai tineri.
10. Echipele își construiesc proiectele.
11. Folosind un ventilator sau uscător de păr, testați anemometrul fiecărei echipe de 3 ori diferite la 3 viteze diferite ale vântului (scăzut, mediu, ridicat). În timpul fiecărui test, echipele ar trebui să documenteze viteza vântului măsurată de anemometrul lor (pe baza rotațiilor) și viteza medie a vântului.
    Apoi, folosind hârtie milimetrică, echipele ar trebui să deseneze o diagramă care să indice modul în care viteza vântului, măsurată de anemometrul lor, a crescut odată cu creșterea setării vitezei ventilatorului sau a uscătorului de păr. Viteza medie a vântului trebuie utilizată pentru grafic.
12. Folosind hârtie grafică, echipele desenează un grafic care indică modul în care viteza vântului, măsurată de anemometrul lor, a crescut odată cu creșterea vitezei ventilatorului sau a uscătorului de păr. Ar trebui să utilizeze viteza medie a vântului pentru grafic.
13. Ca o clasă, discutați întrebările de reflecție ale elevilor.
14. Pentru mai mult conținut pe această temă, consultați secțiunea „Săpând mai adânc”.

Reflecția studenților (caiet de inginerie)

1. Ați reușit să creați un anemometru care să măsoare cele trei viteze diferite ale „vântului”? Dacă nu, de ce a eșuat?
2. Ați decis să vă revizuiți proiectul original sau să solicitați materiale suplimentare în timpul fazei de construcție? De ce?
3. Ați descoperit că citirile de la unul dintre testele dvs. ar fi putut duce la o schimbare majoră a valorii medii pentru viteza vântului respectiv?
4. Dacă anemometrul dvs. a fost folosit pentru a testa o locație pentru a vedea dacă ar fi un loc bun să instalați o turbină eoliană pentru a valorifica energia eoliană, credeți că trei teste pe setarea vitezei ar fi suficiente pentru a genera o medie fiabilă? Dacă nu, câte teste credeți că ar fi adecvate?
5. Dacă ați fi putut avea acces la materiale diferite de cele furnizate, ce ar fi solicitat echipa dvs.? De ce?
6. Credeți că inginerii trebuie să își adapteze planurile originale în timpul construcției de sisteme sau produse? De ce ar putea?
7. Dacă ar trebui să o faci din nou, cum s-ar schimba proiectul tău planificat? De ce?
8. Ce modele sau metode ați văzut încercând alte echipe care credeați că au funcționat bine?
9. De ce credeți că designul anemometrelor s-a schimbat atât de mult în timp?
10. Enumerați alte trei echipamente care au fost reproiectate de-a lungul timpului pentru a îmbunătăți funcționalitatea.

Lecția poate fi făcută în cel puțin o perioadă de clasă pentru elevii mai mari. Cu toate acestea, pentru a ajuta elevii să se simtă grăbiți și pentru a asigura succesul elevilor (în special pentru elevii mai tineri), împărțiți lecția în două perioade, oferindu-le elevilor mai mult timp pentru a face brainstorming, pentru a testa ideile și pentru a finaliza proiectarea lor. Efectuați testarea și descrierea în următoarea perioadă de curs.

• Anemometru: Dispozitiv care este utilizat pentru măsurarea vitezei vântului și este un instrument utilizat într-o stație meteo.
• Constrângeri: Limitări cu material, timp, dimensiunea echipei etc.
• Criterii: Condiții pe care proiectul trebuie să le îndeplinească, cum ar fi dimensiunea sa totală etc.
• Ingineri: Inventori și soluționatori de probleme ai lumii. Douăzeci și cinci de specialități majore sunt recunoscute în inginerie (vezi infografic).
• Procesul de proiectare inginerească: inginerii de proces îl folosesc pentru a rezolva probleme. 
• Obiceiuri de inginerie ale minții (EHM): șase moduri unice în care gândesc inginerii.
• Anemometru cu patru cupe: a inclus patru cupe care au fost montate la un capăt al patru brațe orizontale, care au fost atașate la unghiuri de 90 de grade unele față de altele pe un arbore vertical. Vântul care suflă orizontal ar întoarce cupele cu o viteză proporțională cu viteza vântului.
• Iterație: Testarea și reproiectarea este o singură iterație. Repetați (mai multe iterații).
• Prototip: Un model de lucru al soluției de testat.
• Anemometru sonic: Folosiți unde sonore ultrasonice pentru a măsura viteza și direcția vântului.
• Anemometru cu trei cupe: proiectat pentru a îmbunătăți precizia și mai ales în mediile în care vântul se poate schimba rapid sau neașteptat.

Conexiuni la Internet

• Laboratorul Național de Energii Regenerabile - Cercetare eoliană
• Institutul și Muzeul de Istorie a Științei, Florența, Italia

Bibliografie

• Energia eoliană - Faptele: un ghid pentru tehnologia, economia și viitorul energiei eoliene de către Asociația Europeană a Energiei Eoliene (ISBN: 1844077101)
• Energia eoliană în mediul construit (ISBN: 0906522358)

Activitate de scriere

Scrie un eseu despre motivul pentru care un aeroport ar putea avea mai multe anemometre la diferite înălțimi pentru a furniza informații controlorilor de aeroport?

Alinierea la cadrele curriculare

Notă: Planurile de lecție din această serie sunt aliniate la unul sau mai multe dintre următoarele seturi de standarde:  

• Standarde de educație științifică din SUA (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Standarde științifice de nouă generație din SUA (http://www.nextgenscience.org/) 
• Standardele Asociației Internaționale de Educație Tehnologică pentru alfabetizare tehnologică (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Consiliul Național al SUA al Profesorilor de Matematică Principiile și standardele pentru matematica școlară (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Standardele comune de stat ale SUA pentru matematică (http://www.corestandards.org/Math)
• Asociația profesorilor de informatică K-12 Standarde de informatică (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Standarde naționale de educație științifică Clasele K-4 (vârste cuprinse între 4 și 9 ani)

STANDARDUL DE CONȚINUT A: Știința ca anchetă

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte

• Abilități necesare cercetării științifice 
• Înțelegerea despre cercetarea științifică 

STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte o înțelegere a acestora

• Poziția și mișcarea obiectelor 

STANDARDUL DE CONȚINUT D: Știința Pământului și a Spațiului

Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte o înțelegere a acestora

• Schimbări în pământ și cer 

STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie 

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte

• Abilități de proiectare tehnologică 
• Înțelegerea despre știință și tehnologie 

STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Știință și tehnologie în provocările locale 

STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Știința ca efort uman 

Standarde naționale de educație științifică Clasele 5-8 (vârstele 10-14)

STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice

Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte o înțelegere a acestora

• Mișcări și forțe 
• Transferul de energie 

STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie

Ca rezultat al activităților din clasele 5-8, toți elevii ar trebui să se dezvolte

• Abilități de proiectare tehnologică 

STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Știință și tehnologie în societate 

STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Istoria științei 

Standarde naționale de educație științifică Clasele 9-12 (vârste 14-18)

STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice 

Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Mișcări și forțe 

STANDARDUL DE CONȚINUT D: Știința Pământului și a Spațiului

Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Energia din sistemul pământului 

STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte

• Abilități de proiectare tehnologică 
• Înțelegeri despre știință și tehnologie 

STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Știință și tehnologie în provocările locale, naționale și globale 

STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Perspective istorice 

Următoarele generații de standarde științifice clasele 3-5 (vârste 8-11)

Mișcare și stabilitate: forțe și interacțiuni

Elevii care demonstrează înțelegere pot:

• 3-PS2-1. Planificați și efectuați o investigație pentru a oferi dovezi ale efectelor forțelor echilibrate și dezechilibrate asupra mișcării unui obiect. 

Energie

Elevii care demonstrează înțelegere pot:

• 4-PS3-1. Folosiți dovezi pentru a construi o explicație care leagă viteza unui obiect de energia acelui obiect.

Proiectare inginerie 

Elevii care demonstrează înțelegere pot:

• 3-5-ETS1-1. Definiți o problemă simplă de proiectare care reflectă o nevoie sau o dorință care include criterii specificate pentru succes și constrângeri privind materialele, timpul sau costurile.
• 3-5-ETS1-2. Generați și comparați mai multe soluții posibile la o problemă pe baza cât de bine este posibil ca fiecare să îndeplinească criteriile și constrângerile problemei.
• 3-5-ETS1-3. Planificați și efectuați teste corecte în care variabilele sunt controlate și punctele de eșec sunt considerate pentru a identifica aspecte ale unui model sau prototip care pot fi îmbunătățite.

Pagina Următoare → Generarea de standarde științifice clasele 6-8 (vârstele 11-14)

Proiectare inginerie 

Elevii care demonstrează înțelegere pot:

• MS-ETS1-2 Evaluați soluțiile de proiectare concurente utilizând un proces sistematic pentru a determina cât de bine îndeplinesc criteriile și constrângerile problemei.

Următoarele generații de standarde științifice clasele 9-12 (vârste 14-18)

Energie

Elevii care demonstrează înțelegere pot:

• HS-PS3-3. Proiectați, construiți și rafinați un dispozitiv care funcționează în limitele date pentru a converti o formă de energie într-o altă formă de energie.

Principii și standarde pentru matematica școlară

Număr și standard de operațiuni

• Înțelegeți numerele, modalitățile de reprezentare a numerelor, relațiile dintre numere și sistemele numerice

Analiza datelor și standardele de probabilitate 

• Formulează întrebări care pot fi abordate cu date și colectează, organizează,
  și afișați date relevante pentru a le răspunde.

Standarde comune de stat comune pentru matematica școlară clasele 2-8 (vârste 7-10)

Geometrie

• Grafică puncte pe planul de coordonate pentru a rezolva probleme reale și matematice.
• CCSS.Math.Content.5.GA2 Reprezentați problemele matematice și ale lumii reale graficând puncte în primul cadran al planului de coordonate și interpretați valorile coordonate ale punctelor în contextul situației.

Standarde pentru alfabetizare tehnologică - Toate vârstele

Natura tehnologiei

• Standardul 1: Elevii vor dezvolta o înțelegere a caracteristicilor și sferei tehnologiei.
• Standardul 3: Elevii vor dezvolta o înțelegere a relațiilor dintre tehnologii și a conexiunilor dintre tehnologie și alte domenii de studiu.

Tehnologie și societate

• Standardul 5: Elevii vor dezvolta o înțelegere a efectelor tehnologiei asupra mediului.

Amenajări

• Standardul 8: Elevii vor dezvolta o înțelegere a atributelor designului.
• Standardul 9: Elevii vor dezvolta o înțelegere a proiectării inginerești.
• Standardul 10: Elevii vor dezvolta o înțelegere a rolului de depanare, cercetare și dezvoltare, invenție și inovație și experimentare în rezolvarea problemelor.

Abilități pentru o lume tehnologică

• Standardul 11: Elevii vor dezvolta abilități de a aplica procesul de proiectare.

• Arabă
• Chineză
• Franceză
• Germană
• Japonez
• Portugheză
• Rusă
• Spaniolă