Идеи ирригации

Этот урок исследует, как гражданское строительство решило проблему перемещения воды с помощью орошения. Учащиеся работают в группах, чтобы спроектировать и построить свою собственную «ирригационную систему» из повседневных предметов.

Узнайте о гражданском строительстве.
Узнайте о инженерном проектировании.
Узнайте о планировании и строительстве.
Узнайте о командной работе и работе в группах.

Возрастные уровни: 8-18

Презентация плана урока

Скачать презентацию в формате PDF

Скачать презентацию Powerpoint

Материалы и подготовка

Строительные материалы (для каждой команды)

Необходимые материалы (торговля / таблица возможностей)

соломка
Картон
бумажные стаканчики или миски
глиняный
Тюбы
алюминиевая фольга
резинки
банки
Зубочистки
Скрепки
Пластиковый трубопровод

Материалы для испытаний

1 резервуар для воды (длиной не менее 3 футов)
Вода
1 чашка - мерный стакан
2 пластиковые миски или стаканы (для контейнеров назначения)

Тестирование материалов и процессов

Материалы

1 резервуар для воды (длиной не менее 3 футов)
Вода
1 чашка - мерный стакан
2 пластиковые миски или стаканы (для контейнеров назначения)

Обработка

Проверьте ирригационную систему каждой команды, поместив ее в резервуар с водой и налив в нее 2 стакана воды. Используйте 2 пластиковые стаканчики или миски в качестве контейнеров назначения. У каждой команды будет три возможности протестировать свою оросительную систему. В конце каждого теста они будут измерять количество воды в каждой из целевых емкостей. Цель состоит в том, чтобы в каждом из них было по одной чашке воды. Будет записана лучшая попытка каждой команды.

Задача инженерного проектирования

Design Challenge

Вы - команда инженеров, работающих вместе над разработкой и созданием ирригационной системы, которая будет переносить два стакана воды на расстояние трех футов и разделять воду на два отдельных резервуара. Если ваша система работает, у вас будет ровно один стакан воды в каждой из ваших целевых емкостей.

Критерии

Должен нести две чашки воды на расстояние трех футов
Необходимо разделить воду на две отдельные емкости назначения.

ограничения

Используйте только предоставленные материалы
Команды могут обменивать неограниченное количество материалов

Инструкции и процедуры по действиям

Разделите класс на команды по 2-4 человека.
Раздайте рабочий лист «Создай свою собственную систему орошения», а также несколько листов бумаги для набросков дизайна.
Обсудите темы в разделе «Основные понятия».
Изучите процесс инженерного проектирования, задачи проектирования, критерии, ограничения и материалы.
Попросите учащихся начать мозговой штурм и зарисовать свои проекты.
Раздайте каждой команде свои материалы.
Объясните, что учащиеся должны спроектировать и построить ирригационную систему, которая будет переносить два стакана воды на расстояние трех футов и разделять воду на два отдельных резервуара. Если система работает, у вас будет ровно по одной чашке воды в каждой из целевых емкостей.
Прежде чем учащиеся приступят к строительству, подумайте о том, чтобы обсудить, что такое орошение, используя темы из раздела «Основные понятия» плана урока.
Объявите количество времени, которое у них есть на проектирование и строительство (рекомендуется 1 час).
Используйте таймер или онлайн-секундомер (функция обратного отсчета), чтобы не отставать от графика. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Регулярно проводите студентам «проверку времени», чтобы они не отвлекались от задания. Если они испытывают затруднения, задавайте вопросы, которые быстрее приведут их к решению.
Студенты встречаются и разрабатывают план своей ирригационной системы. Они согласовывают материалы, которые им понадобятся, пишут / рисуют свой план и представляют свой план классу. Команды могут обмениваться неограниченным количеством материалов с другими командами, чтобы составить свой идеальный список запчастей.
Команды создают свои проекты.
Проверьте ирригационную систему каждой команды, поместив ее в резервуар с водой и налив в нее 2 стакана воды. Используйте 2 пластиковые стаканчики или миски в качестве контейнеров назначения. У каждой команды будет три возможности протестировать свою оросительную систему. В конце каждого теста они будут измерять количество воды в каждой из целевых емкостей. Цель состоит в том, чтобы в каждом из них было по одной чашке воды. Будет записана лучшая попытка каждой команды.
Команды должны измерить количество воды в контейнерах назначения для каждого из 3 тестов и задокументировать эти количества.
В классе обсудите вопросы для размышления учащихся.
Дополнительную информацию по теме см. В разделе «Копаем глубже».

Отражение студента (инженерная тетрадь)

Удалось ли вам создать ирригационную систему, чтобы разделить две чашки воды на две отдельные емкости назначения? Какой был твой лучший результат?
Если ваша система вышла из строя, что, по вашему мнению, пошло не так?
Что было уникального в дизайне или конструкции ирригационной системы, которая позволила наилучшим образом справиться с этой задачей в вашем классе?
Вы решили пересмотреть свой первоначальный дизайн еще на этапе строительства? Почему? Как?
Считаете ли вы, что инженеры должны адаптировать свои первоначальные планы во время создания систем или продуктов? Почему они могли?
Если бы вам пришлось делать это снова и снова, как бы изменился ваш запланированный дизайн? Почему?
Как вы думаете, как бы изменился ваш дизайн, если бы вы распространяли мед?
Как вы думаете, вам было бы легче завершить этот проект, если бы вы работали в одиночку? Объясните…

Модификация времени

Урок может быть проведен всего за 1 урок для старшеклассников. Однако, чтобы помочь учащимся не чувствовать спешки и обеспечить успех учащихся (особенно для младших школьников), разделите урок на два периода, чтобы у учащихся было больше времени для мозгового штурма, проверки идей и доработки своего дизайна. Проведите тестирование и подведение итогов в следующем уроке.

Процесс инженерного проектирования

Общие концепции

Что такое ирригация?

Орошение - это система, которая искусственно направляет воду в места, где ее нет в природе. Чаще всего используются для обеспечения водой удаленных или засушливых земель для выращивания сельскохозяйственных культур. Орошение часто используется для компенсации периодов ожидаемой или аварийной засухи, но также используется для защиты растений от заморозков. Системы орошения также используются для подавления роста сорняков на рисовых полях. Существует множество различных методов орошения для направления воды от источника к месту назначения. Обычно целью является равномерное распределение воды, особенно при выращивании сельскохозяйственных культур.

История орошения

Археологи обнаружили свидетельства ирригации в Месопотамии и Египте еще в 6-м тысячелетии до нашей эры, где ячмень выращивался в районах, где естественные осадки были непостоянными или недостаточными для поддержания урожая. В долине Зана в Андах в Перу археологи обнаружили остатки трех оросительных каналов, датированные радиоуглеродным методом и относящиеся к IV тысячелетию до н.э., III тысячелетию до н.э. и IX веку н.э. На данный момент эти каналы считаются самыми ранними из найденных ирригационных систем. Кроме того, передовые системы орошения и хранения воды были разработаны цивилизацией долины Инда в Пакистане и Северной Индии. Поскольку требовалось экстенсивное сельское хозяйство, была разработана инновационная сеть каналов для поддержки орошения. Есть также свидетельства того, что древний египетский фараон Аменемхет III из двенадцатой династии использовал естественное озеро оазиса Файюм в качестве резервуара для хранения воды, которая использовалась в засушливые сезоны. Озеро будет ежегодно набухать из-за ежегодного разлива реки Нил. В Египте выпадало мало осадков, поэтому Нил был логичным источником воды.

Римские акведуки

Древние римляне построили множество акведуков для доставки воды в города и другие места. Эти акведуки считаются одним из величайших инженерных достижений древнего мира. Многие из древних акведуков используются до сих пор. Они выполняли несколько функций, включая обеспечение питьевой водой и водоснабжение ванн и фонтанов. Затем вода была направлена в канализацию, где они помогли удалить отходы.

Этические последствия

Орошение может направлять воду на поля, помогать культурам преодолевать засуху, обеспечивать питьевую воду и способствовать удалению отходов.

Но как инженеры и другие специалисты решают, какое использование воды наиболее важно? Какие этические соображения необходимо пересмотреть, чтобы достичь баланса справедливости?

Например, что, если один фермер переправил реку, чтобы обслуживать свой урожай, и тем самым не позволил своим соседям получать речную воду?

Или, если бы вода направлялась в компанию, которая должна была зарабатывать большие деньги на прибыльном производственном предприятии, но для обеспечения достаточного количества воды для своего технологического процесса вся вода была бы отобрана у небольших местных ферм, фермеров, которые могли потерять средства к существованию. . Что было бы справедливо?

Инженеры постоянно сталкиваются с этическими соображениями при строительстве конструкций, проектировании систем и улучшении продукции.

В инженерном деле нет единого стандарта этического поведения, потому что подходы несколько различаются в зависимости от дисциплины. Например, биомедицинский инженер может быть озабочен уважением чувств пациента или может захотеть обратить особое внимание на надежность такого продукта, как искусственное сердце. Инженер-строитель подумал бы о безопасности и постарался создать мост, который был бы не только безопасным, но и рентабельным. Мост можно построить чрезмерно, он станет более безопасным, чем когда-либо, и при этом будет превышен бюджет.

Question

Можете ли вы представить себе пример того, как группе инженеров, возможно, придется учитывать этические соображения, связанные с окружающей средой, при строительстве ирригационной системы? Как вы думаете, что команде нужно будет изучить перед началом строительства?

Vocabulary

Критерии: условия, которым должна соответствовать конструкция, такие как ее общий размер и т. Д.
Инженеры: изобретатели и решатели проблем мира. В инженерии признаются двадцать пять основных специальностей (см. инфографику).
Процесс инженерного проектирования: инженеры-технологи используют для решения проблем.
Engineering Habits of Mind (EHM): шесть уникальных способов мышления инженеров.
Этические соображения: решения о том, какое использование ресурсов является наиболее важным.
Орошение: система, которая искусственно направляет воду в места, где она отсутствует в естественных условиях.
Итерация: тестирование и редизайн - это одна итерация. Повторить (несколько итераций).
Прототип: рабочая модель тестируемого решения.

Dig Deeper

Подключения к Интернету

Рекомендуемая литература

Ирригационная техника (ISBN: 1408626241)
Орошение: его принципы и практика как отрасль техники (ISBN: 1408626306)

Письменная деятельность

Напишите эссе или абзац о том, как орошение влияет на жизнь в Южной Африке, где «водная бедность» широко распространена. Около трети из 36 миллионов человек в стране не имеют достаточных запасов питьевой воды.

Согласование учебной программы

Согласование с рамками учебного плана

Примечание: Планы уроков этой серии приведены в соответствие с одним или несколькими из следующих наборов стандартов:

Стандарты научного образования США (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
Стандарты науки нового поколения США (http://www.nextgenscience.org/)
Стандарты технологической грамотности Международной ассоциации технологического образования (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
Принципы и стандарты школьной математики Национального совета учителей математики США (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
Общие основные государственные стандарты США по математике (http://www.corestandards.org/Math)
Ассоциация учителей информатики K-12 Стандарты информатики (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национальные стандарты научного образования Классы K-4 (возраст 4-9)

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ A: Наука как исследование

В результате занятий все студенты должны развить

Способности, необходимые для проведения научных исследований

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ B: Физические науки

В результате занятий все учащиеся должны развить понимание

Свойства предметов и материалов

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ E: Наука и технологии

В результате занятий все студенты должны развить

Возможности технологического дизайна
Понимание науки и техники
Способность различать природные объекты и объекты, созданные людьми

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ F: Наука в личной и социальной перспективе

В результате занятий все учащиеся должны развить понимание

Типы ресурсов
Изменения в окружающей среде
Наука и технологии в решении местных проблем

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ G: История и природа науки

В результате занятий все учащиеся должны развить понимание

Наука как человеческое дело

Национальные стандарты научного образования 5-8 классы (10-14 лет)

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ A: Наука как исследование

В результате занятий все студенты должны развить

Способности, необходимые для проведения научных исследований

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ B: Физические науки

В результате своей деятельности все учащиеся должны развить понимание

Движения и силы

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ E: Наука и технологии
В результате занятий в 5-8 классах все ученики должны развить

Возможности технологического дизайна

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ F: Наука в личной и социальной перспективе

В результате занятий все учащиеся должны развить понимание

Население, ресурсы и окружающая среда
Риски и выгоды
Наука и технологии в обществе

Национальные стандарты научного образования 5-8 классы (10-14 лет)

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ G: История и природа науки

В результате занятий все учащиеся должны развить понимание

Наука как человеческое дело

Национальные стандарты научного образования 9–12 классы (14–18 лет)

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ A: Наука как исследование

В результате занятий все студенты должны развить

Способности, необходимые для проведения научных исследований
Понимание научного исследования

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ B: Физические науки

В результате своей деятельности все учащиеся должны развить понимание

Движения и силы
Взаимодействие энергии и материи

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ E: Наука и технологии

В результате занятий все студенты должны развить

Понимание науки и техники

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ F: Наука в личной и социальной перспективе

В результате занятий все учащиеся должны развить понимание

Личное и общественное здоровье
Природные ресурсы
Качество окружающей среды
Природные и антропогенные опасности
Наука и технологии в решении местных, национальных и глобальных проблем

СТАНДАРТ СОДЕРЖАНИЯ G: История и природа науки

В результате занятий все учащиеся должны развить понимание

Наука как человеческое дело
Исторические перспективы

Научные стандарты нового поколения 3–5 классы (8–11 лет)

Движение и стабильность: силы и взаимодействия

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут:

3-ПС2-1. Спланируйте и проведите расследование, чтобы получить доказательства воздействия сбалансированных и неуравновешенных сил на движение объекта.

Инженерный дизайн

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут:

3-5-ETS1-1. Определите простую проблему проектирования, отражающую потребность или желание, которая включает определенные критерии успеха / ограничений по материалам, времени или стоимости.
3-5-ETS1-2. Сгенерируйте и сравните несколько возможных решений проблемы в зависимости от того, насколько хорошо каждое из них соответствует критериям и ограничениям проблемы.
3-5-ETS1-3. Планирование и проведение объективных испытаний, в которых контролируются переменные и рассматриваются точки отказа для определения аспектов модели или прототипа, которые можно улучшить.

Научные стандарты нового поколения 5–8 классы (11–14 лет)

Земля и деятельность человека

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут:

MS-ESS3-3. Применяйте научные принципы для разработки метода мониторинга и сведения к минимуму воздействия человека на окружающую среду. *

Инженерный дизайн

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут:

MS-ETS1-1 Определите критерии и ограничения проблемы проектирования с достаточной точностью, чтобы гарантировать успешное решение, принимая во внимание соответствующие научные принципы и потенциальные воздействия на людей и окружающую среду, которые могут ограничить возможные решения.
MS-ETS1-2 Оцените конкурирующие проектные решения, используя систематический процесс, чтобы определить, насколько хорошо они соответствуют критериям и ограничениям проблемы.

Научные стандарты нового поколения 9–12 классы (14–18 лет)

Инженерный дизайн

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут:

HS-ETS1-2. Разработайте решение сложной реальной проблемы, разбив ее на более мелкие, более решаемые проблемы, которые можно решить с помощью инженерных разработок.

Стандарты технологической грамотности - для всех возрастов

Природа технологии

Стандарт 3: Студенты разовьют понимание взаимоотношений между технологиями и связи между технологиями и другими областями обучения.

Технологии и общество

Стандарт 4: Учащиеся разовьют понимание культурных, социальных, экономических и политических эффектов технологий.
Стандарт 5: Студенты получат представление о влиянии технологий на окружающую среду.
Стандарт 7. Учащиеся разовьют понимание влияния технологий на историю.

Проект

Стандарт 9: Студенты разовьют понимание инженерного проектирования.
Стандарт 10: Студенты разовьют понимание роли поиска и устранения неисправностей, исследований и разработок, изобретений и инноваций, а также экспериментирования в решении проблем.

Способности для технологического мира

Стандарт 11: Студенты разовьют навыки применения процесса проектирования.
Стандарт 13: Учащиеся разовьют способности оценивать влияние продуктов и систем.

Созданный мир

Стандарт 15: Студенты разовьют понимание и смогут выбирать и использовать сельскохозяйственные и связанные с ними биотехнологии.

Студенческий лист

Этические последствия

Или, если бы вода была направлена в компанию, которая должна была зарабатывать большие деньги на прибыльном производственном предприятии, но чтобы обеспечить достаточное количество воды для своего технологического процесса, вся вода будет отведена от небольших местных ферм, фермеров, которые могут потерять средства к существованию. . Что было бы справедливо?

В инженерии нет единого стандарта этического поведения, потому что подходы в разных дисциплинах различаются. Например, биомедицинский инженер может быть озабочен уважением чувств пациента или может захотеть обратить особое внимание на надежность такого продукта, как искусственное сердце. Инженер-строитель подумал бы о безопасности и постарался создать мост, который был бы не только безопасным, но и рентабельным. Мост можно построить чрезмерно, он станет более безопасным, чем когда-либо, и при этом будет превышен бюджет.

Вопрос:

Можете ли вы представить себе пример того, как группе инженеров, возможно, придется учитывать этические соображения, связанные с окружающей средой, при строительстве ирригационной системы? Как вы думаете, что команде нужно будет изучить перед началом строительства?

Создайте свою собственную систему орошения

Вы являетесь частью команды инженеров, перед которой стояла задача разработать ирригационную систему, которая будет переносить два стакана воды на расстояние трех футов и разделять воду на два отдельных резервуара. Если ваша система работает, у вас будет ровно один стакан воды в каждой из ваших целевых емкостей. Как вы справитесь с этой задачей, зависит от вашей команды!

Стадия планирования

Соберитесь в команде и обсудите проблему, которую нужно решить. Затем разработайте и согласовайте дизайн вашей оросительной системы. Вам предоставлено множество предметов, которые вы можете использовать для построения вашей системы. В команде разработайте план и нарисуйте свой дизайн в поле ниже. Обязательно укажите материалы, которые вы планируете использовать. Представьте свой дизайн классу. Вы можете изменить план своей команды после того, как получите отзыв от класса.

Необходимые материалы:

Этап строительства

Постройте свою систему орошения. Во время строительства вы можете решить, что вам нужны дополнительные элементы или что ваш дизайн нужно изменить. Это нормально - просто сделайте новый набросок и пересмотрите свой список материалов. Вы можете обменяться предметами с другими командами или запросить дополнительные материалы у своего учителя.

Фаза тестирования

Каждая команда проверит свою ирригационную систему, чтобы увидеть, как она функционирует. У вас будет три возможности протестировать вашу систему. В конце каждого теста вы измеряете количество воды в каждой из целевых емкостей. Помните, ваша цель - выпить по одной чашке воды в каждом. Ваша лучшая попытка будет иметь значение. Обязательно посмотрите тесты других команд и понаблюдайте за тем, как работают их разные конструкции.

Этап оценки

Оцените результаты своих команд, заполните оценочный лист и представьте свои выводы классу.

Используйте этот рабочий лист, чтобы оценить результаты своей команды: