Истраживање филтрације
Ова лекција се фокусира на то како системи за филтрирање решавају многе проблеме широм света, попут побољшања воде за пиће. Кроз ову лекцију ученици у тимовима раде на дизајнирању и изградњи система филтрације за уклањање прљавштине из воде.
- Сазнајте више о инжењерском дизајну.
- Сазнајте више о планирању и изградњи.
- Сазнајте о тимском раду и раду у групама.
Старосни нивои: 8-18
Материјали за израду (за сваки тим)
Потребни материјали (трговање / табела могућности)
- Пластичне или папирне чаше
- Стравс
- Картон
- Памучне куглице
- Папирни убруси
- Пластична фолија
- Алуминијумска фолија
- Гумице
- Чачкалице
- песак
- Акваријум или друге мале стене
- Кукурузно брашно
- Брашно
- Опционално: Угаљ (не препоручује се млађим студентима)
Материјали за испитивање
- 1 пластична посуда за сваки тим (за сакупљање 2 шоље филтриране воде)
- Снабдевање „мутном водом“ (направљено узимањем литре воде и додавањем две кашике прљавштине).
Materijali
- 1 пластична посуда за сваки тим (за сакупљање 2 шоље филтриране воде)
- Снабдевање „прљавом водом“ (направљено узимањем литре воде и додавањем две кашике прљавштине).
Процес
Дајте сваком тиму две шоље „мутне“ воде. Сваки тим тестира свој дизајн држећи дизајн изнад пластичне посуде и полако уливајући воду у свој систем за филтрирање. Сакупите филтрирану воду у посуду ради процене и упоређивања по тимовима.
Као разред, доделите „степен јасноће“ сваком узорку филтриране воде. Користите следеће бодовање да бисте утврдили резултате рада сваког тима. Тим са нижим резултатима има бољи систем филтрације.
- 0 = Потпуно чисто (јер се може појавити вода за пиће)
- 1 = Остаје око четвртине прљавштине
- 2 = Остаје око половине прљавштине
- 3 = Остаје око три четвртине прљавштине
- 4 = Потпуно мутно (како се појавила вода са изворним извором)
Дизајн изазов
Део сте тима инжењера који су добили изазов да развију систем филтрације како би уклонили што више прљавштине или блата из узорка воде који сте добили. Ако ваш систем ради, на крају ћете добити воду која изгледа потпуно бистро. Како ћете извршити задатак, зависи од вашег тима! Тим са најчистијом водом која настаје (на основу визуелног прегледа) развио је најбољи филтер у класи.
kriterijumi
- Морате уклонити што више прљавштине или блата.
Ограничења
- Користите само достављене материјале.
- Тимови могу трговати неограниченим материјалом.
- Поделите класу на тимове од 2-3.
- Поделите радни лист за истраживање филтрације, као и неке листове папира за скицирање дизајна.
- Разговарајте о темама у одељку о основним концептима. Предложите тимовима ученика да слојеви филтера – или можда многе фазе филтрације – могу резултирати најефикаснијим системом филтрације. Размислите о томе да питате ученике да ли ће један ниво филтера најбоље функционисати или више слојева може бити боље. Нека размисле о томе како функционише филтер за кафу. Како спречава да млевена кафа не уђе у воду?
- Прегледајте поступак инжењерског дизајна, изазов за дизајн, критеријуме, ограничења и материјале.
- Обезбедите сваки тим својим материјалима.
- Објасните да студенти морају тимски да раде на дизајнирању система филтрације како би се уклонило што више прљавштине или талога из обезбеђеног водовода. Тим са најчистијом водом која настаје (на основу визуелног прегледа) развио је најбољи филтер у класи. Обавезно нагласите да „филтрирана“ вода, без обзира колико је бистра, није погодна за пиће.
- Најавите колико им је времена потребно за дизајн и израду (препоручује се 1 сат).
- Користите тајмер или он-лине штоперицу (функција одбројавања) како бисте били сигурни да држите време. (ввв.онлине-стопватцх.цом/фулл-сцреен-стопватцх). Дајте ученицима редовне „временске провере“ како би остали на задатку. Ако се муче, поставите питања која ће их брже довести до решења.
- Студенти се састају и развијају план за свој систем филтрације. Договарају се о материјалима који ће им требати, напишу / нацртају свој план и презентују свој план предавању. Тимови могу да тргују неограничено са другим тимовима како би развили своју листу идеалних делова.
- Тимови граде своје дизајне.
- Тестирајте дизајн система филтрације дајући сваком тиму две шоље „мутне“ воде. Сваки тим тестира свој дизајн држећи дизајн изнад пластичне посуде и полако уливајући воду у свој систем за филтрирање. Сакупите филтрирану воду у посуду ради процене и упоређивања по тимовима.
Као разред, доделите „степен јасноће“ сваком узорку филтриране воде. Користите следеће бодовање да бисте утврдили резултате рада сваког тима. Тим са нижим резултатима има бољи систем филтрације.- 0 = Потпуно чисто (јер се може појавити вода за пиће)
- 1 = Остаје око четвртине прљавштине
- 2 = Остаје око половине прљавштине
- 3 = Остаје око три четвртине прљавштине
- 4 = Потпуно мутно (како се појавила вода са изворним извором)
- Тимови треба да документују свој резултат.
- Као час, разговарајте о питањима за размишљање ученика.
- За више садржаја о теми, погледајте одељак „Дубље копање“.
Идеја за продужење
Размислите о постављању буџета за пројекат, додељивању трошкова сваком материјалу и захтевању од тимова да „купе“ материјале како би створили свој систем филтрације.
Рефлексија ученика (инжењерска свеска)
- Да ли сте успели да креирате систем за филтрирање који је пролазио кроз изворну воду? Који сте „степен јасноће“ постигли?
- Који аспект вашег дизајна мислите да је најбоље функционисао? Зашто?
- Који бисте аспект вашег дизајна ревидирали да му је дато више времена? Зашто?
- Шта је било јединствено у дизајну система филтрације у вашој класи који је постигао најбоље резултате у овом изазову? Како је то функционисало боље од вашег, да јесте, и шта бисте другачије урадили да сте видели овај дизајн пре него што сте креирали свој?
- Да ли сте одлучили да ревидирате свој оригинални дизајн док сте били у фази изградње? Зашто? Како?
- Да ли мислите да инжењери морају да прилагоде своје првобитне планове током изградње система или производа? Зашто би могли?
- Да ли мислите да би ваш филтер могао издржати воду која пролази кроз њега сат времена? Зашто?
- Да ли мислите да бисте лакше могли да завршите овај пројекат да радите сами? Објасните…
- Да сте могли да користите материјал или материјале који вам нису достављени, шта бисте тражили? Зашто мислите да је овај материјал можда помогао у изазову?
- Који је био ваш омиљени део изазова? Фаза дизајна? Фаза изградње? Фаза тестирања? Зашто?
Модификација времена
Лекција се може изводити за само 1 час за старије ученике. Међутим, да бисте ученицима помогли да се осећају пожуривано и да би им осигурали успех (посебно за млађе ученике), поделите наставу на два периода дајући ученицима више времена за мозгање, тестирање идеја и дораду њиховог дизајна. Спроведите тестирање и извештавање у наредном периоду наставе.
Шта је филтрација?
Постоји много различитих метода филтрирања, свака има за циљ раздвајање супстанци. Системи филтрације су важни за обезбеђивање сигурне воде за пиће, за одвајање материјала у многе сврхе, попут истраживања или сакупљања чистих узорака елемента. Најједноставнији начин „филтрирања“ је пропуштање смеше или раствора чврсте супстанце и течности (као што су вода, прљавштина или блато) кроз порозни материјал или систем, тако да се чврсте супстанце заробљавају током проласка течности. Откривање злата пример је филтера, где проспектори држе посуде са рупама пробијеним у дну или опремљене параваном кроз корита за која се сматра да садрже златне грумење. Затим се истражују материјали превелики да би могли стати на екран да би се видело да ли је прикупљено злато. Филтрација се користи у објектима за обраду отпада где таложници омогућавају одвајање. Концепт филтрације налазимо свуда око нас, у заједницама и свакодневним предметима код куће. Пример је филтер за кафу који се користи у апарату за кафу. Филтер спречава талог кафе да дође до шоље кафе, али омогућава пролазак мањих материјала или честица кафе, што резултира шољом кафе без талога. Постоји много различитих врста филтера који се користе за прављење кафе, неки од папира, неки од рециклираног папира, а неки од метала обложених златом. У сваком случају, величина отвора - чак и микроскопска - одредиће колико ће честица проћи.
Како гравитација може да помогне
Течности обично пролазе кроз филтер гравитацијом. Ово је најједноставнија метода и може се видети ревидирањем примера апарата за кафу. Вода обично седи у филтеру, а затим капље доле у посуду (шољу или шољу за кафу) као резултат гравитације. У хемијским постројењима гравитација се такође користи за одвајање - и економична је метода јер не захтева додатну енергију.
Филтрациони материјали и фазе
Многи материјали се могу користити за израду филтера ... све у зависности од врсте течности, чврстих супстанци или гасова које треба одвојити. Неки материјали за филтрирање укључују папир, песак, тканину, угаљ и камење. Често се користе постепени филтри ... где течност, на пример, може проћи кроз низ различитих филтера. У овом случају, понекад ће први филтер елиминисати веће честице, док ће други, трећи или четврти филтер елиминисати све мање и мање честице талога. Слика десно приказује груби систем филтрације који се може направити од штапића користећи три различите фазе филтрације ... али постоји много идеја за системе и инжењери морају да развију нове системе на основу изазова са којима се суочавају!
- Ограничења: Ограничења у погледу материјала, времена, величине тима итд.
- Критеријуми: Услови које дизајн мора да задовољи као његова укупна величина итд.
- Инжењери: проналазачи и решавачи проблема света. У инжењерству је признато двадесет пет главних специјалности (погледајте инфографику).
- Процес инжењерског пројектовања: Процесни инжењери користе за решавање проблема.
- Инжењерске навике ума (ЕХМ): Шест јединствених начина на које инжењери размишљају.
- Филтер: Уређај који се користи за уклањање нежељених делова из нечега.
- Систем филтрације: Процес којим се нечистоће или честице уклањају из течности, било течности или гаса.
- Итерација: Тестирање и редизајн су једна итерација. Поновите (више понављања).
- Прототип: Радни модел решења за тестирање.
- Постепени филтер: Течност пролази кроз низ различитих филтера. Први филтер ће елиминисати веће честице, док ће други, трећи или четврти филтер елиминисати све мање и мање честице седимента.
Интернет Цоннецтионс
- С. Агенција за заштиту животне средине - Подземне воде и воде за пиће
- Пацифички институт - Светска вода
Рецоммендед Реадинг
- Филтрирање течности (ИСБН: 1408626241) Поновна употреба воде (ИСБН: 0071459278)
Писање активности
Напишите есеј или одломак о врсти система за филтрирање које би кампери можда требали користити ако им је нестало воде и ако треба да размотре питку воду из млаза непознате чистоће воде.
Усклађивање са оквирним програмима
Белешка: Планови лекција у овој серији усклађени су са једним или више следећих скупова стандарда:
- Амерички стандарди за научно образовање (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Амерички научни стандарди следеће генерације (http://www.nextgenscience.org/)
- Стандарди за технолошку писменост Међународног удружења за технолошко образовање (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Амерички национални савет наставника математике „Принципи и стандарди за школску математику“ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Заједнички основни амерички државни стандарди за математику (http://www.corestandards.org/Math)
- Удружење наставника информатике К-12 Стандарди рачунарске науке (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Национални стандарди научног образовања Разреди К-4 (узраст 4 - 9)
САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит
Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају
- Способности неопходне за научно испитивање
САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке
Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Особине предмета и материјала
САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија
Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају
- Способности технолошког дизајна
САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи
Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Врсте ресурса
- Наука и технологија у локалним изазовима
САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке
Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Наука као људски подухват
Национални стандарди научног образовања Разреди 5-8 (узраст 10 - 14 година)
САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит
Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају
- Способности неопходне за научно испитивање
САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке
Као резултат својих активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Особине и промене својстава у материји
САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија
Као резултат активности у 5-8 разредима, сви ученици би требало да се развијају
- Способности технолошког дизајна
- Разумевање науке и технологије
САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи
Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Становништво, ресурси и окружење
- Наука и технологија у друштву
САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке
Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Наука као људски подухват
Национални стандарди научног образовања Разреди 9-12 (узраст 14-18 година)
САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит
Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају
- Способности неопходне за научно испитивање
САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке
Као резултат својих активности, сви ученици би требало да развију разумевање
- Структура и својства материје
- Покрети и силе
САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија
Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају
- Способности технолошког дизајна
- Разумевање науке и технологије
САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи
Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Здравље личности и заједнице
- Природни ресурси
- Наука и технологија у локалним, националним и глобалним изазовима
САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке
Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање
- Наука као људски подухват
Научни стандарди следеће генерације, разреди 2-5 (узраст 7-11)
Материја и њене интеракције
Студенти који покажу разумевање могу:
- 2-ПС1-2. Анализирајте податке добијене испитивањем различитих материјала како бисте утврдили који материјали имају својства која су најприкладнија за предвиђену намену.
Инжењеринг дизајн
Студенти који покажу разумевање могу:
- 3-5-ЕТС1-1.Дефинишите једноставан дизајн проблем који одражава потребу или потребу која укључује одређене критеријуме за успех и ограничења на материјале, време или трошкове.
- 3-5-ЕТС1-2. Генеришите и упоредите више могућих решења проблема на основу тога колико је вероватно да ће свако од њих испунити критеријуме и ограничења проблема.
- 3-5-ЕТС1-3.План и извршити фер испитивања у којима се контролишу променљиве и узимају у обзир тачке отказа како би се идентификовали аспекти модела или прототипа који се могу побољшати.
Научни стандарди следеће генерације, разреди 6-8 (узраст 11-14)
Инжењеринг дизајн
Студенти који покажу разумевање могу:
- МС-ЕТС1-2 Процените конкурентска решења дизајна користећи систематски поступак да бисте утврдили колико добро испуњавају критеријуме и ограничења проблема.
Научни стандарди следеће генерације, разреди 6-8 (узраст 11-14)
Инжењеринг дизајн
- МС-ЕТС1-3. Анализирајте податке из тестова како бисте утврдили сличности и разлике између неколико решења за дизајн како бисте идентификовали најбоље карактеристике сваког од њих које се могу комбиновати у ново решење како би се боље задовољили критеријуми за успех.
Научни стандарди следеће генерације, разреди 9-12 (узраст 14-18)
Инжењеринг дизајн
Студенти који покажу разумевање могу:
- ХС-ЕТС1-2.Дизајнирајте решење сложеног стварног света тако што ћете га разбити на мање проблеме којима се лакше може управљати и који се могу решити инжењерингом.
Стандарди за технолошку писменост - сва доба
Природа технологије
- Стандард 1: Студенти ће развити разумевање карактеристика и домета технологије.
Технологија и друштво
- Стандард 6: Студенти ће развити разумевање улоге друштва у развоју и употреби технологије.
- Стандард 7: Студенти ће развити разумевање утицаја технологије на историју.
Дизајн
- Стандард 9: Студенти ће развити разумевање инжењерског дизајна.
- Стандард 10: Студенти ће развити разумевање улоге решавања проблема, истраживања и развоја, проналаска и иновација и експериментисања у решавању проблема.
Способности за технолошки свет
- Стандард 11: Студенти ће развити способности за примену процеса дизајнирања.
- Стандард 13: Студенти ће развити способности за процену утицаја производа и система.
Део сте тима инжењера који су добили изазов да развију систем филтрације како би уклонили што више прљавштине или блата из узорка воде који сте добили. Ако ваш систем ради, на крају ћете добити воду која изгледа потпуно бистро. Како ћете извршити задатак, зависи од вашег тима! Тим са најчистијом водом која настаје (на основу визуелног прегледа) развио је најбољи филтер у класи.
Фаза планирања
Састаните се као тим и разговарајте о проблему који треба да решите. Мораћете да одредите које ћете материјале тражити од многих свакодневних предмета које ваш учитељ има на располагању. Као тим измислите свој најбољи дизајн и нацртајте га у пољу испод. Обавезно назначите материјале које предвиђате да користите, укључујући количину коју ћете захтевати од наставника. Представите свој дизајн предавању. Можете изабрати да ревидирате план својих тимова након што добијете повратну информацију од предавања.
Дизајн:
Потребни материјали (наведите све ставке и количину коју очекујете):
Фаза изградње
Изградите свој систем филтера. Током изградње можете закључити да су вам потребни додатни предмети или да ваш дизајн треба променити. Ово је у реду - само направите нову скицу и ревидирајте листу материјала. Можда ћете желети да мењате предмете са другим тимовима или да затражите додатне материјале од свог наставника.
Фаза тестирања
Ваш учитељ ће вам пружити две шоље „мутне“ воде. Тестираћете филтер у сливу учионице и сакупљати „филтрирану“ воду за касније процењивање. Обавезно гледајте тестове осталих тимова и посматрајте како су дизајнирали своје филтере, укључујући материјале које су одабрали.
Фаза евалуације
Ви и ваш разред биће одговорни за додељивање „степена јасноће“ сваком узорку филтриране воде. Користите следећу табелу да бисте утврдили резултате рада сваког тима.
Потпуно јасно
(како се може појавити вода за пиће) |
Остаје око четвртине прљавштине | Остаје око половине прљавштине | Остаје око три четвртине прљавштине | Потпуно блатњав
(како се појавила изворна вода) |
0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
Затим, процените резултате свог тима, попуните радни лист за евалуацију и представите своја сазнања предавању.
- Да ли сте успели да креирате систем за филтрирање који је пролазио кроз изворну воду? Који сте „степен јасноће“ постигли?
- Који аспект вашег дизајна мислите да је најбоље функционисао? Зашто?
- Који бисте аспект вашег дизајна ревидирали да му је дато више времена? Зашто?
- Шта је било јединствено у дизајну система филтрације у вашој класи који је постигао најбоље резултате у овом изазову? Како је то функционисало боље од вашег, да јесте, и шта бисте другачије урадили да сте видели овај дизајн пре него што сте креирали свој?
- Да ли сте одлучили да ревидирате свој оригинални дизајн док сте били у фази изградње? Зашто? Како?
- Да ли мислите да инжењери морају да прилагоде своје првобитне планове током изградње система или производа? Зашто би могли?
- Да ли мислите да би ваш филтер могао издржати воду која пролази кроз њега сат времена? Зашто?
- Да ли мислите да бисте лакше могли да завршите овај пројекат да радите сами? Објасните…
- Да сте могли да користите материјал или материјале који вам нису достављени, шта бисте тражили? Зашто мислите да је овај материјал можда помогао у изазову?
- Који је био ваш омиљени део изазова? Фаза дизајна? Фаза изградње? Фаза тестирања? Зашто?