Giáo án STEM khoa học: Thiết kế kỹ thuật với mô hình thả trứng

Mô hình thả trứng từ lâu đã trở thành một dự án được rất nhiều thầy cô ứng dụng cho học sinh. Trong giáo án STEM khoa học lần này, OhStem sẽ hướng dẫn bạn cách giới thiệu đến học sinh về quy trình thiết kế kỹ thuật thông qua hoạt động thả trứng.

Mục lục

Vật liệu

Thùng đựng trứng
Ống các-tông
Bông gòn
Băng keo
Ống hút
Cốc giấy
Dây chun
Que kem
Bọc nhựa
Trứng sống

Khuyến nghị: giáo viên lưu ý cho học sinh sử dụng trứng “giả” để thử nghiệm, như trứng phục sinh bằng nhựa, trứng luộc chín…Như vậy sẽ giảm bớt sự lộn xộn cho lớp học.

Thông tin cơ bản cho giáo viên – Giáo án STEM khoa học

Phần này bao gồm phần đánh giá nhanh dành cho giáo viên về các khái niệm được đề cập trong bài học này.

Giáo án STEM khoa học này được thiết kế để hướng dẫn học sinh về quy trình thiết kế kỹ thuật thông qua hoạt động: thả trứng. Bạn có thể giới thiệu cho học sinh về quy trình thiết kế kỹ thuật thông qua bài viết Quy trình tư duy thiết kế với 5 bước đơn giản

Học sinh của bạn sẽ sử dụng các vật liệu sẵn có để chế tạo một thiết bị có thể bảo vệ quả trứng khi rơi. Học sinh chỉ có một cơ hội duy nhất, nếu quả trứng bị vỡ, điều đó đồng nghĩa với việc bạn đã thua. Phiên bản này của dự án nhằm nhấn mạnh tính chất lặp đi lặp lại của quá trình thiết kế kỹ thuật. Học sinh sẽ được phép thử thiết kế của mình trước khi thử với quả trứng thật. Điều này sẽ giúp các em có cơ hội xác định các sai sót và cải thiện thiết kế của mình.

Theo tùy chọn, giáo án STEM khoa học này có thể được liên kết với một số chủ đề vật lý khác:

Năng lượng / Chuyển đổi năng lượng / Bảo toàn năng lượng: khi bạn nâng thiết bị thả trứng lên khỏi mặt đất, nó sẽ nhận được thế năng hấp dẫn (thường được gọi tắt là “thế năng”). Khi bạn thả tay, thiết bị sẽ rơi và tăng tốc độ. Thế năng chuyển thành động năng, nhưng tổng cơ năng được bảo toàn. Khi thiết bị chạm đất, tất cả năng lượng c có thể được thiết bị “hấp thụ” và chuyển đổi thành thế năng đàn hồi, hoặc có thể chuyển đổi thành nhiệt và thậm chí là cả âm thanh.

Định luật chuyển động của Newton: khi thiết bị chạm đất, nó sẽ xảy ra một sự thay đổi rất lớn về vận tốc trong một khoảng thời gian rất ngắn. Điều này có nghĩa là nó có gia tốc rất lớn (gia tốc = thay đổi vận tốc / thay đổi theo thời gian). Theo định luật chuyển động thứ hai của Newton: Lực = khối lượng × gia tốc (F = ma), nên nếu có gia tốc rất lớn thì phải có một lực rất lớn.

Nếu bạn có thể giảm gia tốc của quả trứng, bạn sẽ giảm lực tác động lên quả trứng, khiến nó ít có khả năng bị vỡ hơn. Bạn cũng có thể áp dụng định luật thứ ba của Newton về chuyển động: đối với mọi phản ứng, có một phản ứng ngang bằng và ngược chiều.

Áp suất: áp suất là lực trên một đơn vị diện tích. Nếu bạn tác dụng cùng một lực lên một diện tích lớn hơn, thì lực sẽ được “dàn trải” nhiều hơn và áp suất sẽ giảm.

Hãy tưởng tượng đứng nhón gót so với đứng thẳng trên đôi chân của bạn. Tổng lực (trọng lượng của bạn) trong mỗi trường hợp là như nhau, nhưng khi bạn kiễng chân lên, diện tích tiếp xúc với mặt đất nhỏ hơn nhiều, do đó áp lực cao hơn.

Bây giờ hãy nghĩ về khái niệm tương tự với một quả trứng. Bạn có nhiều khả năng làm vỡ vỏ trứng nếu dùng cả lòng bàn tay ấn xuống hoặc dùng kim ấn với cùng một lực không? Học sinh có thể sử dụng kiến thức này để thiết kế một thiết bị phân bố đều lực tác động trên bề mặt quả trứng, làm cho quả trứng ít bị nứt hơn.

Tương tác (10 phút) – Giáo án STEM khoa học

Nói với học sinh của bạn rằng hôm nay chúng ta sẽ thực hiện một dự án thả trứng, với mục tiêu xây dựng một thiết bị có thể bảo vệ quả trứng không bị vỡ khi rơi từ một độ cao nhất định. Mục tiêu không phải là bảo vệ quả trứng sau một lần rơi từ độ cao cao nhất mà là bảo vệ quả trứng sau nhiều lần rơi lặp lại từ cùng độ cao càng tốt.

Có một số cách bạn có thể kết nối bài học này với các sự kiện hiện tại và sự phát triển công nghệ gần đây. Bạn có thể thảo luận về cách các công ty vũ trụ như SpaceX đang nghiên cứu phát triển tên lửa tái sử dụng có thể phóng vào không gian và sau đó hạ cánh xuống Trái đất một cách an toàn.

Trong tương lai, chúng ta có thể muốn tàu đổ bộ có thể tái sử dụng để chở các phi hành gia lên Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa. Vì vậy, mục tiêu là chế tạo một tàu vũ trụ có thể tái sử dụng, có thể bảo vệ “phi hành gia quả trứng” trong quá trình hạ cánh. Ngoài ra, các công ty như Amazon muốn cung cấp các gói hàng bằng cách sử dụng máy bay không người lái, nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu máy bay không người lái gặp sự cố hoặc gói hàng bị rơi và gói hàng được an toàn?

Khám phá (2-3 giờ)

Xác định các vấn đề

Khuyến khích học sinh xác định vấn đề mình đang gặp phải và tìm ra giải pháp để có thể giải quyết chúng. Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn thả một quả trứng lên bề mặt cứng? Tại sao lại có hiện tượng như vậy? Các tình huống được đề cập trong phần Tương tác cũng có thể được sử dụng trong bước này.

Đưa ra giải pháp

Đây là một bước quan trọng, đặc biệt là đối với tinh thần đồng đội. Điều quan trọng là mọi người trong nhóm phải tham gia động não để thiết kế nhiều mẫu.

Giáo viên nên khuyến khích mỗi học sinh động não và phác thảo ít nhất ba mẫu thiết kế khác nhau, liệt kê những chất liệu sẽ được sử dụng và giải thích cách thiết kế sẽ hoạt động. Sau đó, các thành viên trong nhóm nên chia sẻ ý tưởng thiết kế với nhau. Hãy lắng nghe cẩn thận và tôn trọng ý kiến của mọi người trước khi đưa ra phản hồi. Tránh những câu trả lời gay gắt như “Điều đó sẽ không bao giờ hiệu quả!” Thay vào đó, hãy đưa ra những lời chỉ trích mang tính xây dựng như “Cô/Thầy lo lắng rằng ý tưởng đó sẽ không hiệu quả”.

Chọn một thiết kế

Nhóm sẽ cần phải thống nhất về một thiết kế duy nhất để xây dựng và thử nghiệm (hãy nhớ rằng nó có thể là sự kết hợp hoặc sửa đổi các thiết kế ban đầu). Học sinh nên đánh giá cẩn thận tất cả các ý tưởng của mình để xác định cái nào sẽ giải quyết vấn đề và đáp ứng tất cả các yêu cầu một cách tốt nhất.

Xây dựng một nguyên mẫu

Một khi nhóm đã quyết định về một thiết kế, các em nên xây dựng một nguyên mẫu bằng cách sử dụng các vật liệu được cung cấp. Quá trình lặp lại có thể bắt đầu sớm nếu học sinh phát hiện ra rằng thiết kế “trên giấy” không hoạt động khi được ứng dụng trong cuộc sống thực. Có thể kết quả sẽ không như mong đợi, hoặc vật liệu được chọn không phù hợp.

Nếu phát hiện ra một vấn đề khi họ đang xây dựng nguyên mẫu của mình, nhóm nên thảo luận về những thay đổi cần thực hiện đối với thiết kế.

Kiểm tra và thiết kế lại

Khi học sinh hoàn thành việc xây dựng nguyên mẫu của mình, giáo viên tạo cơ hội cho các em thử nghiệm nó. Khuyên học sinh nên kiểm tra theo cấp độ tăng dần từ thấp đến cao. Điều này có thể cho phép bạn xác định bất kỳ sai sót lớn nào hoặc các vấn đề không lường trước được với thiết kế. Sau đó, hãy thử thả từ độ cao tăng dần (ví dụ như ôm nó qua đầu, đứng trên ghế …) bằng cách sử dụng một quả trứng giả. Sau mỗi lần rơi, hãy kiểm tra thiết bị xem có bị hư hỏng không? Các vật liệu có hoạt động như bạn mong đợi không? Bạn có thể thay đổi điều gì để làm cho nó tốt hơn hay không?

Thử nghiệm cuối cùng

Tất cả các nhóm nên đặt một quả trứng thật vào thiết bị của họ và mang nó đến vị trí thả. Giáo viên đi vòng qua các nhóm: học sinh làm rơi thiết bị của mình một lần và kiểm tra xem quả trứng có bị vỡ không. Tất cả những quả trứng còn nguyên vẹn được thả lần thứ hai, và cứ tiếp tục như vậy cho đến khi tất cả những quả trứng bị vỡ. Ghi lại số lần rơi thành công của mỗi nhóm.

Suy ngẫm (20 phút)

Với tư cách là một lớp, thảo luận về quá trình thiết kế kỹ thuật và kết quả của dự án:

Ban đầu mọi người nghĩ đến những thiết kế nào? Có ai có ý tưởng tương tự trong quá trình động não không? Có ai có một ý tưởng hoàn toàn độc đáo
Mọi người đã gặp phải những vấn đề gì trong quá trình thiết kế và chế tạo nguyên mẫu? Thiết kế của mọi người có hoạt động chính xác như bạn nghĩ trong lần thử đầu tiên không? Tại sao?
Bạn đã khám phá ra điều gì trong quá trình thử nghiệm và thiết kế lại? Bạn đã thực hiện những thay đổi gì đối với thiết kế của mình? Tại sao?
Kết quả của thử nghiệm cuối cùng là gì?
Thiết bị nào sống sót sau nhiều lần rơi nhất? Họ có điểm chung nào không?

Để tìm hiểu thêm về các đồ chơi, giáo cụ STEAM cho bé, vui lòng liên hệ OhStem qua: