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工学部

Dr. Skip’s Corner: K-12 Teaching Adventures @ OSU Engineering

October 2004

Skip Rochefort, Ellen Momsen, and Tom Thompson (Philomath HS)

The Science and Engineering of Brewing Tea(紅茶を入れることの科学と工学):
Engineering Science for Middle School through High School –
Connecting the Science to the Engineering

10月8日に行われたオレゴン科学教師協会(OSTA)の年次総会で、OSU工学部は、K-12アウトリーチと女性&工学における少数民族プログラムについて、その内容を紹介するために出席しています。 中高校の先生方を対象にしたワークショップを開催し、ENGINEERINGを教室に持ち込む方法を実演しました。 現在、物理学や生命科学の教師が行っている活動の多くは、科学的探究、あるいはエンジニアが「問題解決」と呼ぶものへの「工学的アプローチ」を含むように拡張することができます。 このコラムで毎月取り上げているトピックのほとんどは、アイスクリーム作り、化学動力車、日常生活におけるゲル、高吸収性ポリマーなどです。 – は、生徒にエンジニアリングサイエンスを紹介するだけでなく、CIM10年生ベンチマークの実験計画、分析、結果の解釈の要件を満たすために使用することができます。 OSTAミーティングで発表されたエンジニアリング・サイエンスの例のひとつに、「お茶を淹れる」というものがあります。 工学的な浸出プロセス “です。 ほとんどの人がお茶を淹れたことがあるか、誰かがお茶を淹れるのを見たことがあるので、これは誰もが共感できる例です。 どうすれば工学的な科学や科学的な探求の例となるのか、疑問に思われるかもしれません。

工学的科学 教室のトピック 科学、工学、および茶抽出

イントロダクション by Tom Thompson, Philomath High School

茶抽出ラボは教室における科学と工学との間の結び付きを示している。 物理科学における以下のCIMベンチマークは、このラボの内容に関連しています:

Analyze the effects of various factors on physical changes and chemical reactions.

このケースでは、水を溶媒として使用して、お茶の水溶性溶質の浸出を伴う物理変化を見ています。 浸出というプロセスは、さまざまな化学系にとって重要です。 浸出は土壌から栄養分を除去する。 天然の有害ミネラルが地下水に流れ込むのも浸出が関係している。 また、添付の論文にあるように、毒素の除去にも有効である。

この論文は、その冒頭で浸出プロセスの化学的な説明をするだけでなく、科学と工学の間のつながりも示しています。 論文の中の科学は、ビロード豆から毒性化合物の溶解度を調査することです。 この場合、著者は浸出についてよく知られた科学的主張を、あまり知られていない条件下で検証しているのです。 著者が化学物質を99%除去するための抽出プロセスについて議論し始めたとき、彼らは工学について話している。 この場合、浸出の科学と浸出に関する具体的な調査が、有害化学物質を99%除去するプロセスを設計するのに役立っているのです。 この場合、工学は科学を行うためのコンテキストを提供します。

お茶の研究室における工学の問題は、エネルギー コストと醸造時間を抑えながらお茶を浸出するプロセスを設計することです。 プロセスを設計するために、化学エンジニアは、温度と時間の異なる条件下でのお茶の浸出について何か知っておく必要があります。

  • 水溶性化学物質の濃度は温度に依存します。なぜなら、化学物質は温度が高いほど溶解しやすくなるからです。
  • ENGINEERING SCIENCE CLASSROOM TOPICE 紅茶醸造の工学的分析 — 浸出プロセスオレゴン州立大学化学工学部 Skip Rochefort博士

    BACKGROUND
    化学工学用語では、溶媒を使って固体から溶質を抽出するプロセスを「浸出」と呼びます。 この浸出のプロセスを、人類に知られる最も古い実験の1つであるお茶を淹れるプロセスを使って研究します。 茶葉からの浸出にはいくつかの方法があるが、最も一般的な方法は、温度制御された条件下で液体(水)を茶葉に接触させることである。 水温は通常、室温付近(いわゆる「日光茶」)から沸点付近(熱いお茶)まで様々です。 浸出が起こる速度は浸出水の温度の強い関数です。

    あなたはプロセスエンジニアとしてLIPTON TEA Co.に雇われたばかりです。 あなたの最初の仕事は、同社が急成長しているボトルティー市場で使用するお茶を醸造するためのプロセスを設計することです。 最初のステップは、エンジニアがお茶を抽出するための「効率的な」プロセスを設計するために使用できる一連のデータをエンジニアリングチームに提供するための簡単な実験室を設計することです。

    設計パラメータは、製品の品質を維持しながら、生産速度を最大化し、運用コスト(つまり、エネルギー)を最小化することです。

    PROJECT DESCRIPTION
    Experimental Design
    – 与えられたタスクを達成するために必要な情報を与えるデータを取得するための実験を設計する(茶プロセスの設計)

      実験材料(学生に提供)

      • ティーバッグ、温度計、熱電対
      • Pasteur pipette (3ml glass) と plastic pipette (10ml); pipetter (planger type)-.
      • メスシリンダー(10mlまたは25ml)、
      • ビーカー(250mlまたは同等品)、発砲スチロールカップ、蓋付きコーヒーカップ
      • サンプル採取バイアル(約0.5L)、
      • サンプル採取器(約0.5L)、
      • サンプル採取器(約0.5L)。 15ml)、キャップ(10個)
      • ヒーター/スターラープレート、マグネチックスターバー

      実験計画(3人組)
      1)予備実験計画を書き、先生とクリアする

        実験計画で考えるべきこと。

        • 測定すべき重要なパラメータは何か(濃度、温度、時間)。
        • 対象となる温度はどのくらいですか。
        • 試料はどのように入手するのですか。
        • 茶葉の濃度はどのように決定するのでしょうか。 絶対濃度」が必要なのか、「相対濃度」で十分なのか。 ヒント:「お茶の標準品

        」を使って検量線を作成することを考える 2)「予備実験」をいくつか行い、次回の実験セッションで完成する、うまく設計された実験のためのパラメータを確立すること。
        3) データを記録し、グループメンバーと共有する

        ENGINEERING SCIENCE CLASSROOM TOPICE紅茶醸造のエンジニアリング分析–浸出プロセス

        SUGGESTIONS for HIGH SCHOOL CIM 10th Grade Project
        計算、データ分析、プロセス設計

        1) EXCELを使って、以下のことをしてください。

    1. 各温度における浸出時間の関数としての溶液濃度の浸出データをすべてリストアップしなさい(実験室で与えられた茶標準を基準として、Co=1.0)
    2. 各温度における濃度-時間データをすべて一枚のグラフにしなさい。

    2) リーチングプロセスの時定数を温度の関数として同定する。

    温度によって速度が制限されるプロセス(お茶の抽出など)では、プロセスの特性時間を特定でき、通常そのプロセスの時定数と呼ばれるものです。

    実験室で研究したお茶の抽出プロセスでは、濃度が最終濃度の50%に達した時間を時定数(tL)として特定する。

    時定数(tL)の値が小さいほど、プロセスは速くなります。

      EXCELを使って:

    1. 時定数(tL)と温度のデータをスプレッドシートで一覧表示します。
    2. 実験データに対して時定数(tL)と温度のプロットを作成します。

    3) あなたはLIPTON TEA社にプロセスエンジニアとして採用されたばかりである。 あなたの最初の仕事は、同社が急成長しているボトルティー市場で使用する紅茶の醸造プロセスを設計することである。 あなたが行ったすべての実験から、あなたは今、化学エンジニアがお茶を醸造するための「効率的な」プロセスを設計するために使用することができるデータのセットを持っています。

    あなたの設計パラメータは、製品の品質を維持しながら、生産速度を最大化し、運用コスト(すなわち、エネルギー)を最小化することでなければなりません。 お茶を淹れるプロセスの動作条件について、あなたの推奨事項は何でしょうか? 会社の技術審査委員会が、あなたが正しいと納得するように、あなたの推奨事項を説明してください(つまり、審査委員会にあなたのプロセス設計を売り込んでください)。

    ENGINEERING SCIENCE CLASSROOM TOPICE お茶の醸造のエンジニアリング分析 — 浸出プロセス

    General Comments and Proposed Class Schedule (may be modified)
    NOTE: Each “Session” designated a 1 hour 50min class period

      Session 1

    1. 問題(プロジェクト)声明およびグループ(通常3人)割振り。
    2. 予備的な実験デザイン-グループでのブレーンストーミング.
    3. 予備実験-簡単な実験によるデータ収集
    4. HW課題-各自が予備実験をもとに次の授業での実験計画を立てる
      Session 2

    1. 個人計画をもとにグループで「修正実験計画」を立てる
    2. クラス討論-グループで実験計画を共有する。
    3. クラスでの議論に基づいて「改訂版実験計画2」を作成します。
    4. 各グループは実験計画の実施を開始します。

    セッション3
    ラボセッション -各グループが実験計画を実施します。

      セッション4

    1. データ解析と解釈 – データのプロットのためにスプレッドシートプログラム(Excel)を使用します。
    2. 必要に応じて「欠損データ」を収集します。
    3. HWの課題-各生徒(またはグループ)は実験結果を分析し、データの表とプロットを作成します。 制約条件に基づく「最適なプロセス設計」を提案する-時間とエネルギーを最小化する。
      Session 5

    1. 結果のグループ発表–クラスでのディスカッション。
    2. クラスでは「お茶の抽出プロセスの最適設計」を提案します。

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