Fantana arteziana

Materiale de construcție (pentru fiecare echipă)

Materiale de construcție necesare (tranzacționare / tabel de posibilități)

• Sticle de plastic de doi litri (drepte)
• Sticle de plastic de un litru (drepte)
• Tuburi din plastic (diferite diametre)
• Frigarui de lemn
• Paie (diferite dimensiuni)
• Carton ondulat
• Pungi de plastic pentru sandwich
• Argila sau blu tac
• Benzi de cauciuc
• Banda impermeabilă

Materiale de construcție pentru pompa hidraulică

• Sticlă de plastic de doi litri
• Sticlă de plastic de un litru
• Tuburi din plastic
• Banda impermeabilă
• Carton ondulat
• Frigarui din lemn
• Lut
• Cuțit Xacto (numai pentru profesori)
• Apă
• Pompa
• Cada de plastic

Testarea materialelor

• Cuvă de plastic
• Apă

Procesul de testare

Testați proiectarea fiecărei echipe, făcându-i pe elevi să demonstreze modul în care funcționează fântâna de apă folosind apă și cada din plastic.

Materiale de construcție pentru pompa hidraulică

• Sticlă de plastic de doi litri (dreaptă)
• Flacon de plastic de un litru (drept)
• Tuburi din plastic
• Banda impermeabilă
• Carton ondulat
• Frigarui din lemn
• Lut
• Cuțit X-acto (numai pentru profesor)
• Apă
• Pompa
• Cada de plastic

Instrucțiuni pentru pompa hidraulică

Va trebui să construiți o pompă hidraulică pentru o demonstrație la clasă.

• Utilizați două sticle goale de sodă - una mai mică decât cealaltă (dimensiunile sunt variabile).
• Conectați cele două sticle cu un tub transparent din plastic (diametrul este variabil). Tăierea găurilor pentru tub necesită un cuțit X-acto.
• Așezați setul de bază într-o cadă plată pentru testare.
• Sigiliu, focă: Folosiți bandă impermeabilă pentru a sigila în jurul tubului unde se conectează la fiecare sticlă. Testați pentru a vă asigura că sigiliile funcționează și că nu există scurgeri.
• presiune: Sticla mai mică este sticla la care veți adăuga apă și apoi veți aplica presiunea.
  • Pentru a ajuta la aplicarea presiunii, creați un „puck impermeabil” din carton. Măsurați diametrul celei mai mici sticle și tăiați cercurile din carton ondulat puțin mai mici pentru puc. Combinați aproximativ 6 cercuri de carton acoperind grupul acestora cu bandă impermeabilă. De îndată ce apa este aplicată pe sticla mai mică, folosiți pucul pentru a exercita presiune.
  • Împingeți pucul în jos în sticla mai mică. (dacă mâna dvs. este prea mare pentru a se potrivi în sticla mică, atașați o frigarui de lemn în puc și folosiți-o ca mâner).
• Fântână: Pentru a menține lecția cât mai deschisă, nu adăugați un design de fântână în demonstrație. Pur și simplu arătați setul de bază și cereți elevilor să creeze propriile modele inovatoare.
• NOTĂ: Există multe variabile care măresc complexitatea acestei provocări. Dimensiunea sticlelor mici și mari, dimensiunea și înălțimea tubului de conectare, cantitatea de presiune exercitată și locația și modelul orificiilor / tuburilor pentru fântână. Dacă doriți să reduceți complexitatea, remediați una sau mai multe variabile.

Designul Challenge

Sunteți o echipă de ingineri, dată fiind provocarea de a proiecta și construi o fântână creativă de apă pentru un parc din orașul dvs.

Criterii

• Trebuie să funcționeze cu succes.
• Trebuie să fie creativ și estetic plăcut.

Constrângerile

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

1. Divizați clasa în echipe de 3-5.
2. Împărțiți foaia de lucru Fântâna de apă, precum și câteva foi de hârtie pentru schițarea proiectelor.
3. Discutați subiectele în secțiunea Concepte de fundal. Întrebați elevii ce fel de fântâni de apă au văzut și unde le-au văzut. Oferiți o prezentare generală a principiului Pascal și utilizarea hidraulicii https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/WindTunnel/Activities/Pascals_principle.html
4. Examinați procesul de proiectare inginerească, provocarea de proiectare, criteriile, constrângerile și materialele.
5. Oferiți o demonstrație a unei pompe hidraulice (a se vedea secțiunea Materiale de testare și proces pentru instrucțiuni de construcție)
6. Furnizați fiecărei echipe materialele lor.
7. Explicați că elevii trebuie să proiecteze și să construiască o fântână de apă funcțională și creativă.
8. Anunțați timpul necesar pentru proiectare și construire (1 oră recomandată).
9. 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.
10. Elevii se întâlnesc și dezvoltă un plan pentru fântâna lor de apă. 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.
11. Echipele își construiesc proiectele.
12. Testați proiectele fântânii de apă
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. Ce a mers bine?
2. Ce nu a mers bine?
3. Care este elementul tău preferat din fântâna ta de apă?
4. Dacă ai avea timp să te reproiectezi din nou, ce schimbări ai face?

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.

• 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.
• Presă hidraulică: O mașină în care o forță mare cu mișcare lentă este comunicată unui piston mare prin intermediul forței lichidului în cilindrul în care se deplasează printr-o pompă cu piston de diametru mic căreia i se aplică puterea.
• Pompă hidraulică: sursă mecanică de energie care transformă puterea mecanică în energie hidraulică. Acesta generează debit cu suficientă putere pentru a depăși presiunea indusă de sarcina la ieșirea pompei.
• Iterație: Testarea și reproiectarea este o singură iterație. Repetați (mai multe iterații).
• Prototip: Un model de lucru al soluției de testat.
• Fântână cu apă: un strop de apă creat de o mașină.

Conexiuni la Internet

• Principiul și hidraulica NASA Pascal
• Predă ingineria - pompează-l! Proiectați-construiți-testați pompe de apă utile pentru sat

Activitate de scriere

• Rugați elevii să scrie o poezie despre o fântână de apă folosind un limbaj figurativ.
• Solicitați elevilor să scrie un eseu despre impactul pe care l-au avut fântânile de apă, pompele și tehnologia hidraulică în societate.

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 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, toți elevii ar trebui să se dezvolte 

•  Abilități de proiectare tehnologică  
•  Înțelegeri despre știință și tehnologie

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  
• Interacțiunile dintre energie și materie  

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  

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. 

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.

Următoarele generații de standarde științifice clasele 6-8 (vârste 11-14)

Proiectare inginerie 

Elevii care demonstrează înțelegere pot:

• MS-ETS1-1 Definiți criteriile și constrângerile unei probleme de proiectare cu suficientă precizie pentru a asigura o soluție de succes, luând în considerare principiile științifice relevante și impacturile potențiale asupra oamenilor și a mediului natural care pot limita soluțiile posibile.
• MS-ETS1-2 Evaluați soluțiile de proiectare concurente utilizând un proces sistematic pentru a determina cât de bine îndeplinesc criteriile și constrângerile problemei.

Standarde pentru alfabetizare tehnologică - Toate vârstele

Amenajări 

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

Scenariu

Orașul a primit un cadou financiar de la un rezident cu instrucțiuni specifice pentru a folosi banii pentru a construi o fântână de apă pentru parcul local. Orașul a cerut tuturor școlilor să proiecteze și să construiască un prototip de fântână de apă. Fântâna care funcționează cu succes și este cea mai interesantă va fi aleasă pentru a fi construită pentru parc.

Designul Challenge

Proiectați și construiți o fântână creativă de apă.

Criterii

Toate desenele trebuie:

• Funcționează cu succes.
• Fii plăcut din punct de vedere estetic.

Constrângerile

Toate desenele trebuie:

• Folosiți numai materialele date.

Etapa de planificare

Faceți cunoștință ca o echipă și discutați problema pe care trebuie să o rezolvați. Apoi, elaborați și conveniți asupra unui design pentru fântâna dvs. de apă. Va trebui să determinați ce materiale doriți să utilizați.

Desenați-vă designul în caseta de mai jos și asigurați-vă că indicați descrierea și numărul de piese pe care intenționați să le utilizați.

Membrii echipei:___________________________________________________

Proiecte de brainstorming pentru fântâna dvs. de apă:

Alegeți cel mai bun design și schițați-l aici:

Faza de construcție

Construiți-vă fântâna de apă. În timpul construcției, puteți decide că aveți nevoie de materiale suplimentare sau că trebuie să vă schimbați designul. Acest lucru este ok - faceți doar o schiță nouă și revizuiți-vă lista de materiale.

Faza de testare

Fiecare echipă își va testa fântâna de apă. Dacă designul dvs. nu reușește, reproiectați și testați din nou. Continuați până când sunteți mulțumit de asta. Asigurați-vă că urmăriți testele celorlalte echipe și observați cum au funcționat diferitele modele ale acestora.

Schițează-ți proiectul final

Faza de evaluare

Evaluează rezultatele echipelor tale, completează foaia de lucru de evaluare și prezintă concluziile tale la curs.

Utilizați această foaie de lucru pentru a evalua rezultatele echipei dvs. în lecția Fântâna de apă:

1. Ce a mers bine?

2. Ce nu a mers bine?

3. Care este elementul tău preferat din fântâna ta de apă?

4. Dacă ai avea timp să te reproiectezi din nou, ce schimbări ai face?

• Arabă