Watt Watchers de Texas: Texas es demasiado buena para desperdiciarla™

Diseño de ingeniería de energía

Tema(s):

Resumen de la actividad: El proceso de diseño de ingeniería es una serie de pasos repetitivos para idear, poner en práctica, probar y mejorar ideas y sus manifestaciones físicas. Los ingenieros profesionales siguen este proceso para crear proyectos y productos, pero como los pasos son bastante sencillos se pueden aplicar en una amplia variedad de conceptos e industrias, hasta en la escuela secundaria. De hecho, el proceso de diseño de ingeniería es una adaptación del método científico. Evalúen el diagrama en esta página que demuestra la diferencia entre el método científico tradicional y el proceso de diseño de ingeniería, también llamado método de ingeniería.

El proceso de diseño de ingeniería no tiene una serie de pasos aceptada universalmente. Cada grupo o individuo puede usar un enfoque un tanto variado para este proceso. No obstante, se comienza con un problema y se termina con la comunicación de una solución. Este proyecto es apropiado para hacerlo individualmente o en grupos.

Duración: Esta actividad es apropiada para el aprendizaje basado en proyectos. Según lo define el Buck Institute for Education, el aprendizaje basado en proyectos (PBL, por sus siglas en inglés) invita a los estudiantes a "trabajar en un proyecto durante un periodo de tiempo extendido, entre una semana y un semestre, para hacer que se interesen en resolver un problema del mundo real o responder una pregunta compleja. Demuestran sus conocimientos y destrezas creando un producto o presentación pública para un público real".¹ Puede considerar programar esta actividad al inicio de una unidad sobre energía, el medio ambiente o ingeniería para retar a los estudiantes a que comiencen a pensar en diferentes problemas interdisciplinarios. Otra alternativa es programar este proyecto como un "examen final" para evaluar el dominio de los estudiantes del material y su nivel de participación en el proceso interdisciplinario. Para un enfoque distinto, considere programar un proyecto que dure el semestre o el año entero con iteraciones y presentaciones rutinarias. Las ideas de los estudiantes y sus diseños de ingeniería mejorarán con el tiempo programado mientras aprendan más sobre los conceptos y procesos implicados.

Recursos:

Capítulo 4: "Energy Basics" de "Energy 101: Energy Technology & Policy" provee una introducción completa a las distintas formas de energía y las leyes de termodinámica que gobiernan sus conversiones. La Oficina Estatal de Conservación de Energía provee acceso a "Energy 101" para los estudiantes y maestros de Texas como parte del programa Watt Watchers de Texas.

La primera ley de termodinámica, también conocida como la ley de conservación de energía, dice que la materia y la energía no se pueden destruir en un sistema cerrado. La segunda ley de termodinámica, también conocida como la ley de entropía, dice que la entropía en un sistema siempre aumenta. La entropía en los sistemas termodinámicos se manifiesta en la pérdida de eficiencia en las conversiones de energía. Los parámetros de diseño para el proyecto de los estudiantes (y los resultados del proyecto) deben tomar en cuenta estas leyes de termodinámica. Puede indicarles a los estudiantes que evalúen la Calculadora de Eficiencia de Energía de Energy 101, que ofrece varias conversiones preestablecidas y también provee una plataforma para que los estudiantes investiguen sus propias conversiones planificadas.

La eficiencia de muchas conversiones de energía diferentes está bien documentada en línea, y los estudiantes deben usar recursos en línea y otros recursos de buena reputación para determinar la eficiencia de sus conversiones planificadas.

Misión del proyecto:

Diseñar, construir y refinar un dispositivo que funcione dentro de los parámetros establecidos para convertir una forma de energía en otra forma de energía.

Procedimiento del proyecto:

Presentar la misión del proyecto a los estudiantes junto con un resumen general del proceso de diseño de ingeniería. Explicar que los estudiantes tendrán que escoger un problema relacionado con la misión del proyecto y una solución. Los estudiantes también definirán los límites según sea apropiado para su problema y sus procedimientos de prueba. Por último, los estudiantes comunicarán sus proyectos a sus compañeros para que lo evalúen. Cada etapa del proceso se puede evaluar independientemente, o se puede hacer una sola evaluación holística del proyecto completo.

Evaluación:

Evaluar los proyectos de los estudiantes según los siguientes criterios. A continuación se define el desempeño excelente para cada fase de este proyecto.

Definición del problema: El estudiante comprenderá totalmente la misión del proyecto e identificará un problema con una solución medible relacionada con las conversiones de energía.

Investigación de trasfondo: El estudiante identificará una lista concisa de fuentes de buena reputación que documentarán el trasfondo y contexto de su problema identificado y producirá un resumen bien redactado del problema con pocos o ningún error gramatical, de ortografía o en las citas.

Especificación de los requisitos: Las especificaciones del proyecto deben ser relevantes al problema y estar dentro de parámetros realistas dependiendo del contexto basado en eficiencias reales investigadas y documentadas.

Creación de un prototipo: La solución prototipo debe convertir una forma de energía en otra tomando en consideración las especificaciones del proyecto, y se deben documentar bien todas las funciones y su relación con los requisitos del proyecto.

Prueba de la solución: El prototipo, real o teórico, debe ponerse a prueba para ver cómo cumple con los requisitos del proyecto a través de metodologías de prueba verificables y bien documentadas.

Refinación de la solución: Los estudiantes pueden proceder con tantas iteraciones como sea apropiado y su evaluación se debe basar en si documentaron clara y completamente los cambios y pruebas repetidas. No es necesario que la solución cumpla con todas las especificaciones del proyecto, toda vez que estén documentadas y explicadas.

Comunicación de los resultados: Los estudiantes deben compilar el equivalente en ingeniería de un cuaderno de laboratorio, que detalle el proceso completamente (evaluado usando los criterios arriba indicados), así como un resumen final que explique qué tan bien se ajusta la solución a los requisitos funcionales, si otro equipo puede hacer mejoras adicionales y cualquier otra información relevante al proyecto redactada con pocos o cero errores gramaticales, de ortografía o en las citas.

Alternativa: Evaluación de ingeniería de energía

Si su enfoque de enseñanza no incluye crear nuevos conocimientos según el proyecto detallado arriba, este proyecto se puede adaptar para evaluar los conocimientos existentes reconfigurando la misión del proyecto. Esta adaptación del proyecto puede ser aplicable a algunos estudiantes en los grados más avanzados de la escuela intermedia.

En lugar de presentarles a los estudiantes una misión del proyecto de "diseñar, construir y refinar" un nuevo dispositivo, asigne a cada estudiante o grupo de estudiantes un dispositivo de conversión de energía bien conocido. Algunos ejemplos incluyen, entre otros, turbinas de viento, motores de combustión interna y motores eléctricos. El capítulo 4 de "Energy Technology and Policy" provee muchos ejemplos reales para escoger. La Oficina Estatal de Conservación de Energía provee acceso a "Energy 101" para los estudiantes y maestros de Texas como parte del programa Watt Watchers de Texas.

Los criterios de evaluación adaptados son los siguientes:

Investigación de trasfondo: El estudiante identificará una lista concisa de fuentes de buena reputación que documentarán el trasfondo, contexto e historia de su dispositivo de conversión y producirá un resumen bien redactado del dispositivo con pocos o ningún error gramatical, de ortografía o en las citas.

Evaluación de la solución: Los estudiantes deberán poder extrapolar de su investigación cuál problema se pretendía resolver con su dispositivo y sus requisitos funcionales. Los estudiantes deben evaluar la función del dispositivo, su eficiencia y otras características según los requisitos tanto históricos como modernos.

Comunicación de los resultados: Los estudiantes compilarán un informe o presentación corta ante sus compañeros que detalle el trasfondo, contexto e historia de su dispositivo de conversión y su propia evaluación del mismo, redactado con pocos o ningún error gramatical, de ortografía o en las citas.


  1. https://www.bie.org/about/what_pbl

TEKS

IPC.3F, CHEM.3F, SCI.8.3D, PHYS.2D, IPC.5D, PHYS.6D, CHEM.11B, CHEM.11A, PHYS.6E, PHYS.6B
ELA.9.13A, ELA.10.13A, ELA.11.13A, ELA.12.13A, ELA.9.13B, ELA.10.13B, ELA.11.13B, ELA.12.13B, ELA.9.13C, ELA.10.13C, ELA.11.13C, ELA.12.13C, ELA.9.13D, ELA.10.13D, ELA.11.13D, ELA.12.13D, ELA.9.13E, ELA.10.13E, ELA.11.13E, ELA.12.13E, ELA.10.15A.vi, ELA.11.15A.vi, ELA.12.15A.vi, ELA.9.16A, ELA.10.16A, ELA.11.16A, ELA.12.16A, ELA.9.16B, ELA.10.16B, ELA.11.16B, ELA.12.16B, ELA.9.16C, ELA.10.16C, ELA.11.16D, ELA.12.16D, ELA.9.16D, ELA.10.16D, ELA.11.16C, ELA.12.16C, ELA.9.16E, ELA.10.16E, ELA.11.16E, ELA.12.16E, ELA.10.16F, ELA.11.16F, ELA.12.16F, ELA.12.16G

NGSS

HS-PS3-3, PS3.A, PS3.D, ETS1.A, WHST.9-12.7, MP.2, MP.4, HSN.Q.A.1, HSN.Q.A.2, HSN.Q.A.3

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