Как изглеждат покривите на жилищните и обществените сгради във вашия град? От какви материали са направени? Навсякъде по света ли сградите имат подобни покриви? С този STEM проект можете да изследвате с вашите ученици свойствата на материалите и изискванията към дизайна на жилищните сгради в различните части на света. Заинтригувахме ли ви? Продължавайте да четете!
Същност на проекта
Инженерите непрекъснато проектират и създават предмети, за да направят живота ни по-лесен и удобен. Сградите, в които живеем, са отличен пример за това. В зависимост от местния климат, характеристиките на сградите са проектирани да задоволят специфичните нужди на хората: защита от горещини, студ, силни ветрове и проливни дъждове. В тази дейност учениците избират и използват подходящи материали за създаване на модели на къщи със специфични характеристики. Обясняват избора на дизайн съгласно предварително определени изисквания към устройството на сградите. В процеса на работа учениците следват основните стъпки в инженерния процес, тестват изработените сгради при различни климатични условия, идентифицират недостатъците им и ги подобряват.
Учебни цели
В работата по този STEM проект са заложени следните учебни цели:
- изследване на свойствата на телата;
- сравняване на климата в различни географски ширини;
- свързване на изучаваните физични концепции с реални житейски ситуации.
Учебни умения
- развиване на критично и аналитично мислене;
- творческо решаване на проблемите;
- работа в екип.
Необходими материали
За този STEM проект учениците ще имат нужда от следните материали:
1. Подръчни материали (по избор) за построяване на къщите:
- картон;
- дървени пръчици за кафе/сладолед;
- сламки;
- клечки за зъби;
- филц;
- камъчета;
- глина;
- пластилин;
- канап;
- тиксо;
- лепило;
- телбод;
- вестници;
2. Покривни материали (по избор):
- стар плат;
- фолио;
- мушама;
- найлонови торбички;
- картон от кутия за сок или прясно мляко;
- пластмасови плоскости;
3. Материали за пресъздаване на климатични условия:
- пулверизатор за вода;
- широка пластмасова купа;
- цедка;
- кубчета лед;
- сешоар;
- малки камъчета;
4. Работни листове:
Теоретична постановка
Строителните инженери проектират сградите така, че да задоволяват нуждите на хората, като същевременно са достатъчно устойчиви да издържат на различни условия. В зависимост от климата се използват различни материали за изграждане на сградите и техните покриви. Някои материали са по-подходящи при по-топъл климат, защото поддържат сградите по-хладни, докато други са по-предпочитани при по-студен климат, където сградите имат нужда от допълнителна изолация. Освен вида на материалите, от голямо значение е и дизайна на конструкцията. В някои части на света покривите са плоски, в други са конусовидни или куполообразни. Дизайн, който е подходящ за даден тип климат, може изобщо да не е подходящ за друг тип климат.
- В по-сухите и горещи райони често къщите имат плоски покриви и се изработват от кирпич – смес от глина, пясък и влакнести материали, като слама или тор. Кирпичът има добра топлоизолация, но е неподходящ за райони с проливни валежи.
- В полярните райони ескимосите правят иглута – куполообразни къщи от ледени блокове. Куполната форма на иглуто го прави много здраво и способно да издържи на мощни зимни бури. Дебелината на иглуто също го прави добър изолатор.
- Голяма част от африканските племена живеят в сламени къщи, понякога повдигнати на пръти над земята, с цел охлаждане и защита от някои животни. Макар да не са особено издръжливи на проливни дъждове и бурни ветрове, те са лесни за изграждане и удовлетворяват номадския начин на живот на тези племена. Американските номади също живеят в колиби. Те имат конусовидна или цилиндрична форма с конусовиден покрив и са изградени от дървени пръти, покрити обикновено с животинска кожа, слама или текстил.
- В умерените ширини сградите се изработват предимно от комбинация от дърво, тухла, камък, бетон, стомана, алуминий и стъкло. Имат двускатови или четири скатови покриви и са много устойчиви на различни климатични условия. Тяхното изграждане обаче е най-трудно и скъпо.
Ход на проекта
Подготовка
- За този STEM проект можете да подготвите презентация с различни видове къщи, с която да вдъхновите вашите ученици, като им покажете реални примери от различните части на света.
- Поставете също тестова площадка, където да проверявате устойчивостта на сградите при различни климатични условия.
- Изрежете няколко малки парчета хартия – по едно за всяка работна група. На всяко парче запишете различна държава, като внимавате да попадат в различни климатични пояси. Някои подходящи държави са: Норвегия, Нова Зеландия, Непал, Пуерто Рико, Аржентина, Кения, Канада. Сгънете листчетата и ги поставете в чашка или торбичка.
- Подгответе климатична карта на света, която да окачите на видно място.
Експериментална част
- Обсъдете климатичните и метеорологичните условия в различни региони на света. Идентифицирайте обсъжданите региони на климатичната карта на света.
- Разделете учениците в групи по трима или четирима и раздайте на всеки ученик по един работен лист за изследване на свойствата на телата. След това всяка група изтегля по едно от сгънатите листчета с имена на държави.
- Групите трябва да открият местоположението на своята държава на картата на света и да проучат климатичните условия, характерни за района. Името на държавата и направените проучвания се записват в работните листове.
- На база конкретните условия и нуждите на хората, учениците трябва да поставят изисквания към своите къщи. Всяка група трябва да избере поне три изисквания, които да запише в работния лист. Ето някои примерни изисквания:
- да са устойчиви при обилни снеговалежи;
- да издържат на чести и проливни дъждове;
- да се преместват лесно;
- да са лесни и евтини за изработване;
- да издържат на бурни ветрове;
- да са устойчиви при земетресения;
- да предпазват от силни горещини или студове.
- След това учениците от всяка група трябва да обсъдят какви материали са подходящи за изграждане на жилищни сгради в съответните региони. За да помогнете на учениците да се ориентират кои материали могат да им свършат работа, можете да им покажете тази презентация, която показва различни дизайни на къщи, както и някои от основните свойства на материалите, използвани за изграждането им.
- Дискутирайте какви трябва да бъдат основните характеристики на покривите на къщите в различните климатични пояси.
- Вероятно учениците вече имат идеи как да изградят своите къщи. Преди да започнат, обсъдете основните стъпки в процеса на инженерно проектиране. В тази дейност учениците ще влязат в ролята на инженери, докато проектират, изграждат, тестват и подобряват техните сгради. Проверете какво представлява инженерния процес според учениците, след което им раздайте по един работен лист за създаване на инженерен дизайн.
- В зависимост от климатичните условия в конкретния регион, учениците трябва да изберат най-подходящите материали за своите сгради. За целта дайте на работните екипи 10 минути, в които да изследват материалите и да запишат в работните листове за изследване на свойствата на телата основните им характеристики.
- Във връзка с направените проучвания и анализи, учениците планират изграждането на своите модели и записват идеите си в работния лист за създаване на инженерен дизайн.
- След това учениците построяват своите модели. Някои групи могат да изберат да използват един материал, докато други може да искат да комбинират множество материали. Когато са готови с конструирането, те трябва да представят своите сгради за тестване.
- Изработените модели трябва да изпълнят поставените в началото изисквания. Ето някои примерни тестове за устойчивостта на сградите:
- Пустинен климат – сградите трябва да изолират добре топлината. Можете да тествате изолационните качества на материалите като поставите кубче лед в центъра на модела на къщата и изложите къщата на вятър и топлина от сешоар за определен период от време (1-2 минути). Ако кубчето лед не се разтопи, тогава сградата може да издържи на топлина и вятър.
- Арктически/високопланински климат – къщата трябва да бъде устойчива на големи натоварвания от снеговалежи. За да тествате устойчивостта на сградата при голям натиск, постепенно добавяйте монети или камъчета върху покрива, за да определите дали конструкцията може да издържи голяма тежест. Къщата трябва да поддържа определен брой монети или камъчета (с допустимо отклонение), за да премине теста за “снежно натоварване”.
- Тропически климат – сградата трябва да е устойчива на обилни валежи. Водоустойчивостта на материалите може да тествате като поставите сградата върху платформа в празен дълбок пластмасов съд и симулирате дъжд с помощта на пулверизатор или пластмасова бутилка с пробита на няколко места капачка. Преди да започне да вали поставете суха кърпа или друг абсорбиращ материал в къщата, за да определите дали къщата тече при „дъжда“. За да премине теста, къщата не трябва да се срутва или да тече. Използвайте стандартно количество вода (1-2 литра).
- Резултатите от тестовете се записват в работния лист, като се посочват по три силни и слаби страни на моделите. Напомнете на децата, че това е типична част от процеса на инженерно проектиране. Напълно нормално е моделът да не е идеален, да има недостатъци и дори да се развали напълно.
- Насърчете учениците да помислят как тяхната сграда може да бъде подобрена. Подскажете им да вземат предвид както материалите, така и структурния дизайн (например ъглите на покрива) за съответните региони. Те трябва съвместно да решат и да запишат в работните си листове как биха подобрили къщите си, и как биха построили друг, по-добър модел за този регион.
- Дайте време на екипите да препроектират домовете си и да изградят преработени модели. Тествайте втория модел, като използвате същите критерии.
Заключителна част
Всяка от работните групи представя своя модел пред класа, като уточнява за какви климатични условия е адаптиран, какви са предварително поставените към него изисквания, какви материали са използвани за изграждането му и защо. Представят се също и резултатите от първичните и вторичните тестове. Има ли ограничения в дизайна, с които групата не е успяла да се справи? Дискутирайте как могат да бъдат превъзмогнати.
- Направете заключения за това колко е важно познаването на свойствата на телата при проектирането на сгради в различните географски ширини.
- Ако учениците можеха да използват материали, които не са им на разположение за тази дейност, какви биха били и защо?
Възможности за усложняване на проекта
- Направете проект за изграждане на еко селище, в което сградите да бъдат изцяло изградени от екологични материали.
- Изчислете времето и средствата, необходими за изграждането на проектираните сгради. Биха ли могли местните хора да си ги позволят?
- Изследвайте каква поддръжка биха изисквали проектираните сгради, ако бъдат реално построени и използвани. Може ли да бъде намалена необходимостта от поддръжка, ако бъде изменен дизайна или използван друг материал? Ще се отрази ли това на представянето на модела по отношение на предварително поставените изисквания?
С помощта но този STEM проект можете да въведете учениците в процеса на инженерно проектиране и да ги научите да се справят с различни ограничения и изисквания към дизайна. Освен това в процеса на работа те анализират характеристиките на телата и ограниченията в използването им в различни ситуации, запознават се с местния климат, традиции и природни ресурси в различни части на света. Значителна полза от този STEM проект е и развиването на критичното, аналитичното и творческото мислене на учениците, даването и получаването на обратна връзка, уменията за работа в екип и решаване на проблеми. Убедихме ли ви да опитате?
За статията е използван следния ресурс, който е допълнен с личния опит на автора:
