FFundamental · deel F8 · Ontwerpen en maken

Handboek · hoofdstuk 30De ontwerpcyclus

Van een vaag probleem naar een oplossing die werkt, in rondes van proberen, meten en verbeteren

Ingenieurs bedenken zelden in één keer de juiste oplossing. Ze verkennen het probleem, leggen vast wat de oplossing moet kunnen, bedenken veel ideeën, kiezen onderbouwd, bouwen snel iets om te testen en leren uit wat misgaat. Dat is de ontwerpcyclus. In dit hoofdstuk leer je elke stap, en je stelt het programma van eisen van de meetkas op: de lat waarmee je in hoofdstuk 33 je eigen kas beoordeelt.

8× uitleg4× uitgewerkt voorbeeld1× proef1× ontleed2× naslag2× verhaal1× het geheel16 opdrachten in het werkboek± 6 lestijden

DOntwerpen en maken

Karton, een breadboard en een veerunster: zo ziet ontwerpen er meestal uit, lang voor het product af is.

Na dit hoofdstuk

Je kan de zeven stappen van de ontwerpcyclus noemen en uitleggen waarom je ze meer dan één keer doorloopt.
Je kan een probleem verkennen met de vragen wie, wat, waar, wanneer en waarom, en de gebruikers leren kennen door te observeren en te interviewen.
Je kan een programma van eisen opstellen met moet-eisen en wensen, meetbaar gemaakt met een grootheid, een grens met eenheid en een toets.
Je kan een eis onderscheiden van een oplossing.
Je kan ideeën genereren met een brainstorm, schetsen, bestaande oplossingen en een morfologisch overzicht.
Je kan kiezen in twee stappen: zeven met de moet-eisen en wegen met een gewogen criteriatabel, en controleren of de keuze gevoelig is voor de gewichten.
Je kan een prototype en een testplan maken, de resultaten evalueren en een verbetering voorstellen.

Verhaal · 30.1

5127 keer opnieuw

1/19

Eind jaren 1970 ergerde de Britse uitvinder James Dyson zich aan zijn stofzuiger. Hoe voller de zak, hoe slechter hij zoog: het stof verstopte de poriën van de zak. In een zagerij had hij een cycloon gezien, een trechter waarin de lucht zo snel ronddraait dat het zaagsel naar de wand vliegt en naar beneden valt. Zou dat ook werken in een stofzuiger, zonder zak?

Van 1979 tot 1984 bouwde hij in zijn koetshuis het ene prototype na het andere, en hij nummerde ze allemaal. Telkens veranderde hij één ding: de vorm van de trechter, de breedte van de inlaat, de snelheid van de lucht. Hij testte, noteerde wat beter en wat slechter ging, en paste aan. Na ongeveer 5127 prototypes werkte de cycloon zoals hij wou. Het gezin leefde in die jaren voor een deel van het loon van zijn vrouw, lerares beeldende kunst.

Geen enkele Britse fabrikant wou het toestel: stofzuigerzakken waren een goede handel. Een Japans bedrijf verkocht vanaf 1986 een versie onder de naam G-Force. Pas in 1993 bracht Dyson zijn eigen stofzuiger, de DC01, in Groot-Brittannië op de markt, en die werd daar al snel de best verkochte.

Waarom dit verhaal ertoe doet

5126 prototypes waren niet goed genoeg. Toch was geen enkel ervan verspild: elk toonde wat niet werkte. Zo werkt ontwerpen: niet in één rechte lijn van idee naar product, maar in rondes van bouwen, testen en verbeteren. Dat heet iteratie. In dit hoofdstuk leer je die rondes slim te organiseren, zodat je er geen vijf jaar over doet.

Elk prototype een genummerde les: wat werkt, wat niet, en wat de volgende keer anders moet.

Uitleg · 30.2

De ontwerpcyclus

2/19

In hoofdstuk 1 zag je het verschil tussen een wetenschappelijke vraag (hoe werkt het?) en een technisch probleem (hoe maken we iets dat werkt?). Voor een technisch probleem gebruik je de ontwerpcyclus. We delen hem op in zeven stappen:

Probleem verkennen: wat is het probleem eigenlijk, voor wie, waar en waarom?
Programma van eisen: waaraan moet de oplossing voldoen, meetbaar?
Ideeën bedenken: veel verschillende oplossingen, nog zonder te oordelen.
Kiezen: welke ideeën halen de moet-eisen, en welk scoort het best op de wensen?
Prototype maken: snel en goedkoop, net genoeg om te testen.
Testen: meten of het prototype de eisen haalt.
Evalueren en verbeteren: wat liep mis, wat kan beter, en wat doen we in de volgende ronde?

Na stap 7 begint een nieuwe ronde, maar niet altijd bij stap 1. Faalt een test, dan pas je het prototype aan (terug naar 5). Blijkt een idee niet te werken, dan kies je een ander (terug naar 3 of 4). En soms leert een test dat een eis zelf niet klopte (terug naar 2). Elke ronde levert kennis op.

Ontwerpen is geen rechte lijn

Op papier lijkt de cyclus een recept: stap 1, stap 2, klaar. In het echt spring je heen en weer. Wie tijdens het testen merkt dat de gebruiker iets anders nodig heeft, gaat terug naar de eisen. Dat is geen falen maar het doel van testen: fouten vinden terwijl ze nog goedkoop te herstellen zijn.

Dezelfde ruggengraat als onderzoeken

De onderzoekscyclus (hoofdstuk 2) en de ontwerpcyclus hebben iets gemeen: je probeert iets, je meet wat er gebeurt en je leert eruit. Een ontwerp zonder test is een gok, net als een besluit zonder proef.

Zeven stappen in een kring. De oranje stappen (prototype en testen) doorloop je het vaakst; de rode pijl start een nieuwe ronde.

Uitleg · 30.3

Het probleem verkennen

3/19

De grootste fout bij ontwerpen is een goed antwoord op de verkeerde vraag. Neem daarom de tijd om het probleem te verkennen voor je aan oplossingen denkt. Vijf vragen helpen:

vraag	voor de meetkas
Wie heeft het probleem, wie gebruikt de oplossing?	leerlingen die meten en verzorgen, de leerkracht, de technisch assistent, de planten
Wat moet er gebeuren?	meten, water geven, verluchten, licht bijgeven
Waar, in welke omgeving?	buiten, in zon, regen, wind en vorst
Wanneer, hoe lang?	het hele jaar, ook als niemand op school is
Waarom is het belangrijk?	een eerlijke groeiproef (hoofdstuk 27) en de eerste module van Habitat

Noteer ook de grenzen: wat ligt vast en kan je niet kiezen? Voor de meetkas: alleen 12 V in de kas (hoofdstuk 5), het gereedschap van de school, een beperkt budget.

Vat alles samen in een probleemstelling: één zin die zegt wat er opgelost moet worden, voor wie en waarom, zonder al een oplossing te kiezen. Een handige vorm is: Hoe kunnen we ... zodat ...?

Een goede probleemstelling laat ruimte

Slecht: Hoe bouwen we een pomp met een sensor in de kas? (de oplossing ligt al vast). Goed: Hoe kunnen we de planten in de meetkas genoeg water geven, ook als er twee weken niemand is, zodat de groeiproef niet mislukt? Die vraag laat een pomp toe, maar ook een wiek, een druppelzak of iets waaraan nog niemand dacht.

Een woordweb rond het probleem: zes vragen die je stelt voor je aan een oplossing denkt.

Verhaal · 30.4

Een dunschiller voor stijve vingers

4/19

Eind jaren 1980 zag de Amerikaan Sam Farber zijn vrouw Betsey appels schillen voor een taart. Ze had artritis in haar handen, en de gewone metalen dunschiller met zijn dunne handvat deed pijn. Farber, die zijn loopbaan in keukengerei had doorgebracht, vroeg zich af waarom keukengerief zo weinig rekening hield met de handen die het vasthouden.

Samen met het ontwerpbureau Smart Design ging hij aan de slag. De ontwerpers praatten met mensen met artritis, met koks en met gewone gebruikers, en lieten hen allerlei proefmodellen van handvatten vastnemen. Het resultaat: een dik, ovaal handvat uit een zachte, rubberachtige kunststof, met kleine groeven waar je vingers en duim steun vinden. Het draait niet in je hand, ook niet als ze nat is. In 1990 kwam de reeks OXO Good Grips op de markt.

Het verrassende: niet alleen mensen met artritis kochten ze. Iedereen vond de dunschiller prettiger. Wat ontworpen was voor de moeilijkste gebruiker, bleek beter voor iedereen. Dat idee heet inclusief ontwerpen.

Wat je hieruit meeneemt

De ontwerpers vertrokken niet van hun eigen handen, maar van die van de gebruiker, en ze keken hoe mensen echt schillen in plaats van het te raden. Bij de meetkas is dat niet anders: leerlingen van 12 zijn kleiner dan hun leerkracht, en wie in het weekend water komt geven, heeft haast.

Een dik, zacht handvat met groeven: ontworpen voor stijve vingers, prettiger voor iedereen.

Uitleg · 30.5

De gebruiker leren kennen

5/19

Een ontwerp is pas goed als het werkt voor de mensen die het gebruiken, en die zijn bijna nooit precies zoals jij. Je leert ze kennen op drie manieren:

Observeren: kijk hoe mensen het nu doen, zonder in te grijpen. Leerlingen die de klasplanten water geven: morsen ze? Vergeten ze het op vrijdag? Noteer wat je ziet, niet wat je denkt.
Interviewen: stel open vragen (Hoe doe je dat nu? Wat vind je lastig? Wat gebeurde er de laatste keer dat ...?). Een gesloten vraag (Wil je een pomp?) geeft maar ja of nee, en stuurt het antwoord.
Zelf ervaren: probeer het zelf, liefst onder dezelfde omstandigheden: een bak van 4 kg optillen, of op een koude ochtend met handschoenen een klemhendel openen.

Vat wat je leerde samen in een persona: een verzonnen maar typische gebruiker, gebouwd uit je echte notities. Een persona helpt het team te blijven vragen: zou Noor dit kunnen?

Denk ook aan de stille gebruikers die niets kunnen zeggen. Voor de meetkas zijn dat de planten: hun 'wensen' (licht, water, niet boven 30 °C) haal je uit metingen en uit de biologie van hoofdstuk 27.

'Ik weet wel wat ze willen'

Ontwerpers die zichzelf als gebruiker nemen, maken toestellen voor mensen zoals zijzelf. Een knop op 1,70 m is voor een volwassene handig, voor een leerling van 12 niet. Vraag het, kijk het na, test het.

Een persona vat interviews samen in één persoon. Onderaan staat wat het voor het ontwerp betekent.

Uitleg · 30.6

Het programma van eisen: moet en wens

6/19

Het programma van eisen (PvE) is de lijst van alles waaraan de oplossing moet voldoen. Het is de lat waarmee je later elk idee en elk prototype meet. Je maakt twee soorten eisen:

Een moet-eis is verplicht. Haalt een idee ze niet, dan valt het af, hoe goed het verder ook is. Voorbeeld: in de kas alleen 12 V.
Een wens maakt de oplossing beter, maar is niet verplicht. Wensen gebruik je om ideeën te vergelijken. Voorbeeld: het jaarverbruik is hoogstens 20 kWh.

Een goede eis is meetbaar. Ze heeft drie delen:

een grootheid (temperatuur, kracht, massa, tijd, volume ...);
een grens met eenheid (hoogstens 30 °C, minstens 15 cm);
een toets: hoe je nagaat of ze gehaald is.

vage wens	meetbare eis	toets
De kas mag niet te warm worden.	Op een zonnige aprildag hoogstens 30 °C in de kas.	temperatuur een dag lang loggen
Het raam moet makkelijk opengaan.	Hoogstens 10 N aan de voorrand.	trekken met een veerunster
Genoeg water voor de vakantie.	Minstens 14 dagen zonder bijvullen bij 1,8 L per dag.	bruikbaar volume meten, verbruik volgen
De kas moet licht zijn.	Leeg hoogstens 25 kg.	wegen
Veilig voor leerlingen.	In de kas alleen 12 V; geen glas; geen scherpe randen.	checklist

Geef elke eis een code (M1, K2, W3 ...) en noteer waar ze vandaan komt: van de gebruiker, van een wet of norm, van de natuur (de planten), of van een berekening. Een PvE is nooit af: als een test of een gebruiker iets nieuws leert, pas je het aan en geef je het een nieuw versienummer.

Een eis is geen oplossing

De kas moet een duwstang hebben is geen eis, maar al een gekozen oplossing. De eis erachter is: het dakraam gaat automatisch open boven 28 °C. Die eis laat ook andere oplossingen toe, zoals een wascilinder of een servo. Vraag bij elke eis: zegt ze wát het moet doen, of al hoé?

Uitgewerkt voorbeeld · 30.7

Een vage wens meetbaar maken

7/19

Een leerling schrijft in het PvE van de meetkas: De kas mag niet te warm worden. Maak er een meetbare eis van, en zeg of het een moet-eis of een wens is.

Gegeven

de vage wens: 'niet te warm'
boven ongeveer 30 °C lijden de meeste kasplanten onder de hitte (hoofdstuk 4)
op een zonnige aprildag werd het in een kas zonder verluchting 32,0 °C (hoofdstuk 4)

Gevraagd

een meetbare eis met grootheid, grens, eenheid en toets
moet of wens

Oplossing

1
Waarom wil de gebruiker dit? Te warm is slecht voor de planten, en de groeiproef mislukt als een deel van de planten door hitte beschadigd raakt. De 'gebruiker' hier is de plant.
2
Welke grootheid? De temperatuur van de lucht in de kas, in °C.
3
Welke grens? Uit de biologie: hoogstens 30 °C. Maar wanneer? Een eis die altijd moet gelden, ook bij een hittegolf van 38 °C buiten, haalt geen enkele kas zonder koeling. Kies een duidelijke situatie: een zonnige aprildag, zoals de dag die in hoofdstuk 4 gemeten werd.
4
Welke toets? Een dag lang elke 10 minuten de temperatuur in de kas meten (op planthoogte, in de schaduw) en het maximum aflezen.
5
Moet of wens? Een kas waarin de planten door hitte beschadigd raken, faalt: moet-eis.

Antwoord

K3 (moet): Op een zonnige aprildag is de luchttemperatuur in de kas (op planthoogte, in de schaduw) hoogstens 30 °C. Toets: een dag loggen, elke 10 minuten, en het maximum aflezen.

Klopt dit? Test je eis met twee vragen. Kan iemand anders nagaan of ze gehaald is, zonder jou te vragen wat je bedoelde? En laat ze meer dan één oplossing toe (een dakraam, een ventilator, schaduwdoek)? Twee keer ja: een goede eis. In hoofdstuk 25 haalde de meetkas met haar automatische dakraam 28,2 °C op zo'n dag.

Naslag · 30.8

Habitat: het programma van eisen van de meetkas (versie 1)

8/19

Dit is het PvE van de meetkas, opgebouwd uit wat je in de vorige hoofdstukken berekende en besliste. In de laatste kolom staat de ontwerpwaarde: wat het ontwerp volgens de berekening haalt, en in welk hoofdstuk dat staat. 'Te testen' betekent dat alleen een proef het kan uitwijzen. In hoofdstuk 33 bouw je de kas en toets je elke moet-eis. Codes: M maten, C constructie, K klimaat, W water, E energie, V veiligheid, G gebruik, P planten en onderzoek.

Probleemstelling. Hoe kunnen we een kleine kas bouwen die haar klimaat meet, de planten automatisch water geeft en op zonne-energie draait, zodat leerlingen er een eerlijke groeiproef in kunnen doen, ook als er twee weken niemand op school is?

Maten en constructie

code	eis	soort	toets	ontwerpwaarde (bron)
M1	binnenmaten 1,20 × 0,60 × 0,80 m (l × b × h), afwijking hoogstens 1 cm	moet	rolmeter	1,20 × 0,60 × 0,80 m (F3)
M2	12 plantenbakjes van 30 × 20 cm (bovenrand) op de plantentafel, 2 rijen van 6	moet	plaatsen	tafel 1,18 × 0,58 m (F10)
M3	reservoir onder de tafel, bruikbaar volume minstens 25,2 L	moet	vullen met maatbeker	26,4 L (F3)
C1	tafel met 12 volle bakken (471 N): doorbuiging hoogstens 3,0 mm	moet	belasten, meten	3,7 mm zonder middensteun: steun erbij (F11)
C2	bij een zijwaartse duw van 50 N bovenaan verschuift de bovenrand hoogstens 5 mm	moet	veerunster, lat	diagonalen en hoekplaatjes (F13); te testen
C3	de lege kas kantelt pas voorbij 30°	moet	berekening of kanteltest	40° (F13)
C4	verankerd: twee grondankers per lange zijde, elk minstens 100 N	moet	trekproef	te testen (Intermediate, H10)
C5	massa van de lege kas hoogstens 25 kg (twee personen dragen ze)	wens	weegschaal	± 19 kg (F7, F13)

Klimaat

code	eis	soort	toets	ontwerpwaarde (bron)
K1	meet temperatuur, licht en bodemvocht; temperatuur tot op 1 °C van een referentiethermometer	moet	vergelijken bij drie temperaturen	TMP36 met ijkcorrectie −1,5 °C (F25)
K2	dakraam automatisch open boven 28 °C, dicht onder 25 °C	moet	sensor opwarmen en afkoelen	geprogrammeerd (F25)
K3	op een zonnige aprildag hoogstens 30 °C in de kas	moet	dagverloop meten	28,2 °C, zonder raam 32 °C (F4, F25)
K4	opening van het dakraam aan de voorrand minstens 15 cm	moet	meten	20 cm (F12)
K5	bij stroomuitval met de hand te openen: hoogstens 10 N aan de voorrand	moet	veerunster	5,9 N (F12)
K6	het dichte raam blijft dicht bij een opwaartse kracht van 60 N	moet	trekken met veerunster	klemkracht 120 N (F12)
K7	's nachts minstens 1 °C warmer dan buiten	wens	nachtmeting binnen en buiten	0,8 °C; met nachtscherm 1,7 °C (F16)
K8	extra licht van oktober tot maart: 4 uur per dag, automatisch bij weinig daglicht	wens	logboek, meting	ledstrip 4,8 W (F19-F21, F25)

Water en energie

code	eis	soort	toets	ontwerpwaarde (bron)
W1	automatisch water als het bodemvocht onder 30 % zakt: 30 s pompen (240 mL), dan 15 min wachten	moet	droge bak, kijken	geprogrammeerd (F25)
W2	minstens 14 dagen zonder bijvullen, bij 1,8 L per dag	moet	berekening + meting	14 dagen (F3)
W3	de pomp draait nooit droog	moet	reservoir leeg laten lopen	vlotterschakelaar in serie (F18)
W4	rood alarmlampje na 3 beurten zonder effect	moet	sensor uit de grond halen	geprogrammeerd (F24, F25)
W5	elk bakje een eigen druppelaar	moet	tellen, debiet per druppelaar	12 druppelaars (F14)
W6	minstens de helft van het water is regenwater	wens	jaarbalans	± 600 van 657 L (F9)
E1	van april tot september volledig op zonne-energie	moet	batterijspanning volgen	paneel 50 Wp; 43,7 Wh per dag nodig (F17, F21)
E2	batterij voor minstens 3 winterdagen zonder zon	moet	berekening, ontlaadtest	3,2 dagen (F21)
E3	jaarverbruik hoogstens 20 kWh	wens	energiemeter	19,4 kWh (F21)

Veiligheid, gebruik, planten en onderzoek

code	eis	soort	toets	ontwerpwaarde (bron)
V1	in de kas alleen 12 V en 5 V; de 230 V-adapter buiten, droog, hoger dan het water, achter een differentieel van 30 mA	moet	nazicht met checklist	zo ontworpen (F5, F18)
V2	elke 12 V-tak een eigen zekering, plus een hoofdzekering	moet	schema nakijken	0,5 / 1 / 0,25 A (F20)
V3	geen glas, geen scherpe randen of braampjes	moet	nazicht met de hand (handschoen)	polycarbonaat (F10)
G1	de voorkant kan open om de planten te verzorgen	moet	proberen	open voorkant met hoekplaatjes (F13)
G2	statuslampje: groen = alles in orde, rood = water nodig of alarm	moet	situaties nabootsen	D10/D11 (F24)
G3	reservoir bijvullen in hoogstens 5 minuten, zonder iets los te schroeven	wens	tijd opnemen	te testen
G4	materiaal hoogstens € 400 (zonder zonnepaneel en batterij)	wens	bonnetjes optellen	te berekenen (F33)
P1	groeiproef mogelijk: 12 bakjes, geloot over beide rijen, schaduwdoek per groep	moet	proefplan	zo gepland (F27)
P2	minstens 1 kg pluksla per teelt van 6 weken	wens	wegen	± 1,2 kg (F27)

Samen 34 eisen, waarvan 26 moet-eisen. Twee ervan haalt het ontwerp op papier nog niet: C1 (de tafel buigt 3,7 mm door, daarom komt er een steun in het midden) en de wens K7 (alleen met een nachtscherm). Zo'n tabel toont meteen waar het ontwerp nog werk vraagt.

Het programma van eisen hoort in het Habitat-portfolio: in hoofdstuk 33 vink je elke eis af met een meting.

Uitleg · 30.9

Ideeën bedenken

9/19

Het eerste idee is zelden het beste. Wie veel ideeën heeft, heeft meer kans dat er een goed tussen zit. Vier technieken:

1. Brainstormen. In groep, met een klok (bijvoorbeeld 10 minuten) en post-its. De regels: zoveel mogelijk ideeën; geen kritiek tijdens het brainstormen (oordelen komt later); voortbouwen op ideeën van anderen ('ja, en ...'); gekke ideeën zijn welkom, want ze brengen je op nieuwe sporen. Variant: iedereen schrijft eerst alleen, in stilte, en daarna leg je alles samen. Zo komen ook de ideeën van stille groepsleden op tafel.

2. Schetsen. Een snelle schets zegt meer dan een zin, en toont meteen of iets kan passen. Maak veel kleine schetsjes van een halve minuut, geen mooie tekening (hoofdstuk 31 toont hoe).

3. Bestaande oplossingen. Bijna elk probleem is al eens (half) opgelost. Zoek in winkels, catalogi en op het internet, en ontleed wat je vindt: hoe werkt het, wat is er goed aan, wat niet? Kijk ook naar de natuur: een dennenappel gaat open als het droog is en sluit bij vocht, zonder motor.

4. Opdelen in functies. Een groot probleem heeft deelproblemen: water geven, verluchten, energie ... Bedenk per deelfunctie oplossingen en combineer ze in een morfologisch overzicht (volgend voorbeeld).

Eerst verbreden, dan versmallen

Tijdens het bedenken maak je de stapel ideeën zo breed mogelijk. Pas bij het kiezen (stap 4) maak je hem smal. Wie beide tegelijk doet, schiet elk nieuw idee af voor het een kans kreeg.

Vier ideeën om het dakraam van de meetkas te openen, elk in een halve minuut geschetst (zijaanzicht, scharnier achteraan).

Ontleed · 30.10

Een bestaande oplossing: de automatische raamopener

10/19

In tuincentra vind je een raamopener voor serres die zonder stroom werkt. Het hart is een cilinder vol was. Was zet bij het smelten flink uit, 5 à 20 % van haar volume. Als de serre opwarmt, smelt de was en duwt ze een zuiger naar buiten die het raam openduwt. Koelt de serre af, dan stolt de was, krimpt ze, en trekt een veer het raam weer dicht. Bij veel modellen begint het raam rond 18 °C open te gaan en staat het rond 30 °C helemaal open. Een mooi voorbeeld om te ontleden voor je zelf iets bedenkt.

Werkingsschema, niet op schaal: de wascilinder staat op het vaste kader en duwt het raam open; de veer trekt het terug.

Wijs een nummer aan: de figuur zoomt in. Klik om vast te zetten.

1
Cilinder met was
De sensor én de motor in één: de was voelt de temperatuur en levert de kracht. Geen draad, geen batterij, geen programma.
2
Zuiger en stang
Door het uitzetten van de was schuift de stang enkele centimeter uit. Via een hefboom (hoofdstuk 12) wordt dat een grotere opening aan de rand van het raam.
3
Terugtrekveer
Duwt de was niet meer, dan trekt de veer het raam dicht. Zonder veer zou het raam open blijven staan.
4
Stelmoer
Door de cilinder verder in of uit te draaien, kies je bij welke temperatuur het raam begint open te gaan.
5
Raam met scharnier
Draait rond het scharnier; de opener mag maar een beperkt gewicht optillen, dus het raam moet licht zijn.

Uitgewerkt voorbeeld · 30.11

Een morfologisch overzicht voor de meetkas

11/19

De meetkas moet vijf dingen doen: water geven, het dakraam openen, energie leveren, de temperatuur meten en extra licht geven. Maak een morfologisch overzicht en stel drie verschillende concepten samen.

Gegeven

vijf deelfuncties
de ideeën uit de brainstorm en uit bestaande oplossingen

Gevraagd

een morfologisch overzicht
drie concepten (één oplossing per functie)

Oplossing

1
Rijen: de functies. Schrijf elke deelfunctie als werkwoord: water geven, dakraam openen ... Zo denk je aan wat het moet doen, niet aan een voorwerp.
2
Kolommen: oplossingen per functie. Vul per rij drie of vier oplossingen in uit de brainstorm en uit wat bestaat. Een lege cel mag.
3
Concepten: één cel per rij. Trek een 'route' door de tabel. Concept A doet alles met de hand. Concept B werkt zonder elektronica: een wiek, een wascilinder, een min-maxthermometer. Concept C is de 'slimme' kas: sensoren en een microcontroller.
4
Controleer of de keuzes samengaan. Een pomp met vochtsensor heeft stroom en een microcontroller nodig: dat past bij 'zon + batterij', niet bij 'geen elektronica'. Een concept met onmogelijke combinaties schrap je.
5
Tel de mogelijkheden. Met 4 × 4 × 3 × 4 × 4 = 768 combinaties is er veel meer mogelijk dan de drie concepten die je uitwerkt. Het overzicht toont dat je niet vastzit aan je eerste idee.

Antwoord

Drie concepten: A 'alles met de hand', B 'zonder elektronica' en C 'slimme meetkas'. Concept C is het ontwerp dat je in de vorige hoofdstukken uitwerkte: pomp met vochtsensor, duwstang met temperatuursensor, zonnepaneel met batterij en adapter als reserve, TMP36 en een ledstrip met lichtsensor.

Klopt dit? Een morfologisch overzicht kiest nog niet. Het zet de mogelijkheden naast elkaar zodat je bewust kiest. Dat doe je met de moet-eisen en een criteriatabel (volgende bladen).

Elke rij is een deelfunctie, elke cel een oplossing. De gekleurde letters tonen de route van drie concepten.

Uitleg · 30.12

Kiezen: eerst zeven, dan wegen

12/19

In hoofdstuk 10 koos je materialen met een gewogen keuzetabel: criteria, een gewicht per criterium, een score van 1 tot 5, score maal gewicht, optellen. Bij het kiezen tussen concepten doe je hetzelfde, met één stap ervoor.

Stap 1: zeven met de moet-eisen. Loop elk concept langs de moet-eisen. Haalt een concept er één niet, dan valt het af, ook al zou het op de rest hoog scoren. Een concept dat 's nachts 230 V in de kas brengt, kan geen enkele score redden.

Stap 2: wegen met de wensen. De overgebleven concepten vergelijk je in een gewogen criteriatabel. De criteria zijn de wensen uit het PvE; het gewicht (1 tot 3) zegt hoe belangrijk elke wens is. Geef elke score met een reden, liefst een meting of een berekening.

Stap 3: controleren. Twee vragen, altijd:

Gevoeligheid: verandert de winnaar als je de gewichten een beetje verschuift? Zo ja, dan is de keuze wankel en moet je de gewichten goed kunnen verdedigen.
Wat ziet de tabel niet? Risico's, iets wat nog nooit getest werd, een gevoel van de gebruiker.

De tabel beslist niet, jij beslist

Een criteriatabel lijkt objectief, maar de criteria, de gewichten en de scores kies je zelf. Met andere gewichten wint soms een ander concept. De tabel dwingt je vooral om je keuze uit te leggen, en dat is haar grootste waarde.

Eerst vallen de concepten af die een moet-eis niet halen, daarna weeg je de rest met de wensen.

Uitgewerkt voorbeeld · 30.13

Habitat: welk watergeefsysteem?

13/19

Vijf concepten om de planten water te geven: A een katoenen wiek van het reservoir naar elk bakje, B een pomp met tijdschakelaar (elke dag even lang), C een pomp met vochtsensor, D een druppelzak met kraantje (zoals een infuus), E een klasgenoot die elke schooldag giet. Welk concept kies je?

Gegeven

moet-eisen W2 (14 dagen zonder bijvullen), W5 (eigen druppelaar per bakje), V1 (alleen 12 V in de kas)
de wensen uit het PvE

Gevraagd

welke concepten de zeef halen
een gewogen criteriatabel
een controle van de keuze

Oplossing

1
Zeven. E haalt W2 niet: in weekends en vakanties geeft niemand water. E valt af. A tot D halen de drie moet-eisen (een wiek of een druppelzak per bakje voldoet aan W5; ook zonder stroom haal je V1).
2
Criteria en gewichten. Water naar behoefte (3: te veel en te weinig schaden de planten en de proef) en betrouwbaar (3: het moet twee weken alleen werken). Meetgegevens voor het onderzoek (2) en eenvoudig te bouwen (2). Energie (1) en prijs (1).

Scores met redenen. A: de wiek zuigt meer als de grond droog is (3), maar droogt uit of verslijmt, en het reservoir staat onder de tafel, te laag voor een wiek (2). B: elke dag evenveel, ook op een koele, bewolkte dag (2). C: water alleen als de grond droog is (5), de microcontroller weet wanneer en hoeveel (5), maar het is het moeilijkst om te bouwen (3). D: het debiet van een kraantje verloopt (1).

criterium (wens)	gewicht	A: katoenen wiek	B: pomp + tijdschakelaar	C: pomp + vochtsensor	D: druppelzak met kraantje
geeft water naar behoefte	3	3 (9)	2 (6)	5 (15)	1 (3)
betrouwbaar, weinig onderhoud	3	2 (6)	4 (12)	4 (12)	2 (6)
levert meetgegevens voor het onderzoek	2	1 (2)	2 (4)	5 (10)	1 (2)
eenvoudig te bouwen en te herstellen	2	5 (10)	4 (8)	3 (6)	5 (10)
weinig energie	1	5 (5)	3 (3)	3 (3)	5 (5)
goedkoop	1	5 (5)	4 (4)	3 (3)	5 (5)
totaal (max. 60)		37	37	49	31

4
Gevoeligheid. Maak 'eenvoudig te bouwen' belangrijker dan 'naar behoefte' (gewichten 3 en 2): C 47, A 39, B 39, D 35. Laat de meetgegevens helemaal weg (gewicht 0): C 39, A 35, B 33, D 29. C blijft winnen, met minder voorsprong.
5
Wat de tabel niet ziet. C steunt helemaal op één sensor. Als die faalt (los, verkeerd geijkt), geeft de pomp te veel of niets. Daarom kreeg het ontwerp een alarm na drie beurten zonder effect (W4) en een vlotterschakelaar (W3).

Antwoord

Concept C, de pomp met vochtsensor, wint met 49 op 60 punten, ruim voor A en B (elk 37) en D (31). De keuze is robuust: ze blijft staan als je de gewichten verschuift.

Klopt dit? Vergelijk met hoofdstuk 25: daar werd dit concept uitgewerkt (30 s pompen onder 30 % vocht, 15 min wachten). De tabel verklaart waarom die keuze goed is, en toont ook haar zwakke plek: de sensor.

Uitleg · 30.14

Prototypes: snel, goedkoop, leerzaam

14/19

Een prototype is een voorlopige uitvoering van een idee, gemaakt om iets te testen. Het hoeft niet mooi te zijn, en ook niet af. De vraag is altijd: wat wil ik met dit prototype leren? Daarvan hangt af wat je maakt.

soort prototype	wat test je?	materiaal	voorbeeld in de meetkas
schetsmodel (ruw)	vorm, grootte, werkt het idee?	karton, papier, plakband, satéprikkers	kartonnen kas op schaal 1:5 met een scharnierend dak
functioneel prototype	werkt het mechanisme, de schakeling, het programma?	breadboard, losse onderdelen, 3D-print	pompje + vochtsensor op een breadboard in één bak
uitzichtmodel	hoe ziet het eruit, hoe voelt het?	3D-print, geverfd karton	de kast voor de elektronica
volledig prototype	alles samen, in de echte omgeving	de echte materialen	de meetkas zelf, op de speelplaats (F33)

Drie gewoontes van goede ontwerpers:

Snel en goedkoop eerst. Een fout in karton kost een kwartier, een fout in aluminium een dag en geld. Dyson maakte zijn eerste cyclonen niet in de fabriek.
Eén vraag per prototype. Wil je weten of de duwstang sterk genoeg is? Dan heb je geen planten en geen ledstrip nodig, alleen een raam van 1,2 kg en een stang.
Fouten zijn informatie. Noteer wat mislukt en waarom. Dat is het materiaal voor de volgende ronde.

Ook een prototype is veilig

Snel werken betekent niet slordig werken met stroom of gereedschap. Een prototype met een pomp werkt ook op 12 V, en een breadboard met water in de buurt staat in een bak (hoofdstuk 5).

Een schetsmodel op schaal 1:5: in een kwartier weet je of het dakraam genoeg opengaat.

Proef · 30.15

Drie rondes: een papieren tafel

15/19

Onderzoeksvraag

Hoeveel beter wordt een ontwerp als je het drie keer test en verbetert? Je bouwt een tafeltje uit papier dat een last moet dragen, en je doet drie rondes.

Materiaal

per groep en per ronde: 4 vellen A4-papier, 50 cm plakband, schaar
een plankje of stevig karton van 20 × 20 cm als tafelblad
lasten van ongeveer 1 kg (pakken suiker of rijst, boeken)
keukenweegschaal, lat, stopwatch

VeiligheidStapel de lasten niet hoger dan 30 cm en houd je voeten weg: als de tafel bezwijkt, valt alles tegelijk.

Elke ronde verhelpt de zwakke plek van de vorige. De stippellijn is de moet-eis van 5 kg.

Werkwijze

1Het PvE: moet: minstens 15 cm hoog; het tafelblad van 20 × 20 cm ligt er vlak op; draagt minstens 5 kg gedurende 30 s; alleen het gegeven materiaal. Wens: zoveel mogelijk last.
2Ronde 1: bedenk en bouw in 10 minuten een tafel. Belast ze stap voor stap met 1 kg tot ze bezwijkt. Noteer de grootste last die ze 30 s droeg en hoe ze bezweek.
3Bespreek in de groep: waar begon het bezwijken? Wat verander je? Verander liefst één belangrijk ding.
4Ronde 2 en 3: bouw met nieuw papier een verbeterde versie en test op dezelfde manier.
5Zet de grootste last per ronde in een grafiek en schrijf bij elke ronde de oorzaak van het bezwijken.

Waarneming

Zo zagen de drie rondes van één groep eruit:

ronde	ontwerp	grootste last	zo bezweek ze	moet-eis 5 kg
1	vier stroken, in de lengte gevouwen tot een V	0,8 kg	de poten plooiden dubbel	niet gehaald
2	vier opgerolde kokers van ongeveer 3 cm doorsnede	7 kg	één koker stond scheef en knakte	gehaald
3	kokers met schuine papieren driehoeken ertussen, voetjes uit plakband	14 kg	het plakband boven op een koker scheurde	gehaald

Verklaring

Elke test toonde de zwakste plek van het ontwerp, en de volgende ronde loste precies die op. Een gevouwen strook plooit makkelijk; een opgerolde koker is veel stijver (hoofdstuk 13: vorm telt meer dan materiaal). Een koker die scheef staat, knikt; driehoeken houden de kokers recht (de driehoek als stijf element). Na drie rondes droeg de tafel bijna twintig keer zoveel als na de eerste.

Merk op: de groep zocht in ronde 2 niet naar een totaal nieuw idee, maar naar de oorzaak van het bezwijken. Dat is iteratie. En wie niet had getest, had nooit geweten dat het plakband de volgende zwakke plek was.

Uitleg · 30.16

Testen en evalueren

16/19

Een test beantwoordt één vraag: haalt het prototype de eis? Maak daarom vooraf een testplan: per eis de test, het materiaal, het criterium en achteraf het resultaat. Zo weet je voor je begint wat 'gelukt' betekent, en kan je jezelf niets wijsmaken.

eis	test	criterium	resultaat	voldaan?
K4 opening ≥ 15 cm	duwstang helemaal uit, opening aan de voorrand meten met een lat	≥ 15 cm	20 cm	ja
K5 met de hand ≤ 10 N	duwstang los, veerunster aan de voorrand, langzaam optillen	≤ 10 N	6 N	ja
K2 open boven 28 °C	sensor met de hand opwarmen, temperatuur en raam volgen op het scherm	opent tussen 27,5 en 28,5 °C	28,0 °C	ja
K6 dicht bij 60 N	raam dicht en geklemd, 60 N omhoog trekken aan de voorrand	blijft dicht	blijft dicht	ja

Test zoveel mogelijk zoals het in het echt zal zijn. Een pomp die op de werkbank werkt, kan in de kas falen als het reservoir laag staat. En test ook met echte gebruikers: laat een leerling die het ontwerp niet kent het reservoir bijvullen, en kijk waar hij twijfelt.

Daarna evalueer je: welke eisen zijn gehaald, welke niet, en waarom? Wat vonden de gebruikers? Welke verbetering levert het meest op voor de minste moeite? En wanneer stop je? Als alle moet-eisen gehaald zijn en er geen tijd of geld meer is om de wensen beter te halen. Dan leg je het ontwerp vast: tekeningen (hoofdstuk 31), stuklijst en PvE met de testresultaten.

Eén keer meten is geen test

Net als bij onderzoek (hoofdstuk 2) herhaal je een test. Een dakraam dat één keer netjes opengaat, kan de tiende keer blijven haperen. Voor een eis als 'opent boven 28 °C' test je meerdere keren, en ook of het weer dichtgaat.

Testen en verbeteren als lus: een gefaalde moet-eis stuurt je terug; gehaalde eisen brengen je bij de evaluatie.

Uitgewerkt voorbeeld · 30.17

Habitat: het dakraam getest en verbeterd

17/19

Het dakraam van de meetkas (0,60 × 0,60 m, 1,2 kg, scharnier achteraan) wordt geopend door een duwstang die hoogstens 40 N duwt en 4,0 cm uitschuift. In prototype 1 staat ze 20 cm van het scharnier. Volg de iteraties tot alle betrokken moet-eisen gehaald zijn: K2 (open boven 28 °C, dicht onder 25 °C), K3 (hoogstens 30 °C op een zonnige aprildag) en K4 (minstens 15 cm opening).

Prototype 1 (rood, stang op 20 cm) opent 12 cm en haalt de eis niet; prototype 2 (blauw, stang op 12 cm) opent 20 cm.

Gegeven

zwaartekracht op het raam 11,8 N, aangrijpend op 0,30 m van het scharnier (hoofdstuk 12)
duwstang: hoogstens 40 N, slag 4,0 cm
metingen uit hoofdstuk 25

Gevraagd

de testresultaten per ronde
de verbetering per ronde

Oplossing

1
Ronde 1, test K4. Hoe dichter bij het scharnier, hoe kleiner de beweging: de voorrand stijgt $60/20 = 3$ keer zoveel als de stang, dus $3 \times 4, 0 = 12 cm$ . De kracht is ruim genoeg: $11, 8 \times 0, 30/0, 20 = 17, 7 N$ . Maar 12 cm < 15 cm: K4 niet gehaald.
2
Verbetering: de stang dichter bij het scharnier. Op 12 cm wordt de opening $4, 0 \times 60/12 = 20 cm$ en de kracht $11, 8 \times 0, 30/0, 12 = 29, 5 N$ , onder de 40 N. K4 gehaald, met reserve voor de kracht (hoofdstuk 12, opdracht 12.12).
3
Ronde 2, test K2. Het eerste programma had één drempel: open boven 28 °C, dicht eronder. Op de gelogde aprildag schakelde de stang 166 keer: rond 28 °C ging het raam open, de kas koelde een beetje af, het raam ging dicht, de kas warmde op ... De stang zou snel verslijten. Verbetering: twee drempels (hysterese, hoofdstuk 25): open boven 28 °C, dicht pas onder 25 °C. Nog 14 schakelingen.
4
Ronde 3, test K3. Op dezelfde zonnige dag bleef de kas onder 28,2 °C, tegenover 32,0 °C zonder dakraam. K3 (hoogstens 30 °C) gehaald.
5
Evaluatie. Alle drie de moet-eisen zijn gehaald. Nieuw inzicht voor het PvE: bij stroomuitval moet het raam met de hand open kunnen (K5). Daarom maak je de stang met een pen los van het raam.

Antwoord

Drie rondes: (1) de stang verplaatst van 20 naar 12 cm van het scharnier: opening 12 → 20 cm, kracht 17,7 → 29,5 N; (2) één drempel vervangen door hysterese 28/25 °C: 166 → 14 schakelingen; (3) de kas blijft onder 28,2 °C. Eén nieuwe eis (K5) kwam uit de evaluatie.

Klopt dit? Merk op dat een verbetering een andere eis kan raken: dichter bij het scharnier geeft meer opening, maar vraagt meer kracht. Controleer na elke wijziging alle eisen die ze kan beïnvloeden, niet alleen de eis die faalde.

Naslag · 30.18

Overzicht: de ontwerpcyclus

18/19

De stappen, de regels en de sjablonen van dit hoofdstuk op één blad.

stap	wat je doet	resultaat
1 probleem verkennen	wie, wat, waar, wanneer, waarom, grenzen; observeren, interviewen, zelf ervaren	probleemstelling, persona
2 programma van eisen	moet-eisen en wensen, meetbaar, met code en bron	PvE (met versienummer)
3 ideeën bedenken	brainstorm, schetsen, bestaande oplossingen, morfologisch overzicht	veel ideeën, enkele concepten
4 kiezen	zeven met de moet-eisen, wegen met de wensen, gevoeligheid controleren	gekozen concept met motivatie
5 prototype maken	één vraag per prototype, snel en goedkoop eerst	testbaar prototype
6 testen	testplan: test, criterium, resultaat, herhalen	testrapport
7 evalueren en verbeteren	welke eisen gehaald, waarom niet, wat eerst verbeteren	volgende ronde of vastgelegd ontwerp

een meetbare eis heeft	voorbeeld
code en soort (moet of wens)	K4, moet
grootheid	opening aan de voorrand van het dakraam
grens met eenheid	minstens 15 cm
toets	stang helemaal uit, meten met een lat
bron	planten (verluchting), berekening in hoofdstuk 12

brainstormregels	gewogen criteriatabel
zoveel mogelijk ideeën	1. zeef: concepten die een moet-eis niet halen vallen af
geen kritiek tijdens het brainstormen	2. criteria = wensen, met een gewicht van 1 tot 3
voortbouwen op elkaars ideeën	3. score van 1 tot 5 per concept, met een reden
gekke ideeën mogen	4. score × gewicht, optellen
eerst alleen, dan samen (stille ideeën tellen ook)	5. gevoeligheid en 'wat ziet de tabel niet?'

De ontwerpcyclus.

Het geheel · 30.19

Waar de ontwerpcyclus naartoe leidt

19/19

De ontwerpcyclus is de ruggengraat van de leerlijn ontwerpen en maken. Je gebruikte hem al zonder hem zo te noemen: bij de keuzetabel voor het kasframe, het dakraam met de hefboom, het schema van de verlichting en de regeling die water geeft. De volgende twee hoofdstukken geven je het gereedschap om een ontwerp vast te leggen (technisch tekenen) en te maken (CAD en 3D-printen). In Intermediate en Expert wordt de cyclus groter: parametrisch ontwerpen, duurzaamheid in cijfers, en in Expert het V-model van systems engineering, waarin elke eis traceerbaar is tot een test.

F1 Wat is STEM?

Wetenschappelijke vraag of technisch probleem; de ontwerpcyclus naast de onderzoekscyclus.

F2 Onderzoeken: van vraag tot besluit

Herhalen en eerlijk testen: een test is een kleine proef.

F10 Materialen en hun eigenschappen

De gewogen keuzetabel, hier gebruikt om concepten te kiezen.

F12 Hefbomen en mechanismen

De berekening van de duwstang die in het voorbeeld getest en verbeterd werd.

F25 Sensoren en automatisch regelen

De regeling met hysterese: een iteratie in de software.

F31 Technisch tekenen

Ideeën schetsen en een gekozen ontwerp vastleggen in een werktekening.

F32 Van idee tot object: CAD en 3D-printen

Een prototype snel maken met CAD en een 3D-printer.

F33 Integratieproject: de meetkas

Het PvE van dit hoofdstuk is de lat: elke moet-eis wordt getest.

I37 Parametrisch ontwerpen

Ontwerpen met parameters, zodat een verbetering een getal is in plaats van een nieuw model.

I38 Duurzaam ontwerpen

Duurzaamheid als criterium: levenscyclus en een keuzematrix met milieucriteria.

E45 Systems engineering en het V-model

Eisen functioneel en niet-functioneel, traceerbaar tot een test; het V-model; trade-offstudies.

E46 Betrouwbaarheid en risico

Wat de criteriatabel niet ziet: faalwijzen systematisch opsporen met een FMEA.

HabitatHet programma van eisen van de meetkas (versie 1) telt 34 eisen, waarvan 26 moet-eisen, elk met een toets en een ontwerpwaarde. Bewaar het in je portfolio: in hoofdstuk 33 bouw je de kas en toets je elke moet-eis. In opdracht 30.13 vul je het aan voor de verlichting en de groeiproef.

Samenvatting

In het kort

De ontwerpcyclus: probleem verkennen, programma van eisen, ideeën bedenken, kiezen, prototype maken, testen, evalueren en verbeteren. Je doorloopt hem in rondes: iteratie.
Verken het probleem met wie, wat, waar, wanneer, waarom en de grenzen, en vat het samen in een probleemstelling zonder oplossing ('Hoe kunnen we ... zodat ...?').
Leer de gebruiker kennen door te observeren, open vragen te stellen en het zelf te ervaren; een persona vat dat samen. Vergeet de stille gebruikers niet.
Een programma van eisen bevat moet-eisen (verplicht) en wensen (om te vergelijken). Een goede eis is meetbaar: grootheid, grens met eenheid en toets. Een eis zegt wat, niet hoe.
Ideeën: brainstorm zonder kritiek, veel kleine schetsen, bestaande oplossingen ontleden, en een morfologisch overzicht per deelfunctie.
Kiezen: eerst zeven met de moet-eisen, dan wegen met een gewogen criteriatabel, en controleren of de keuze gevoelig is voor de gewichten.
Een prototype beantwoordt één vraag, snel en goedkoop. Een testplan zegt vooraf wat 'gelukt' is. Elke test toont de zwakste plek voor de volgende ronde.

Begrippen

Wat je nu kent

ontwerpcyclus: Werkwijze om een technisch probleem op te lossen: probleem verkennen, eisen opstellen, ideeën bedenken, kiezen, prototype maken, testen, evalueren en verbeteren, zo nodig in meerdere rondes.
iteratie: Een ronde van de cyclus opnieuw doorlopen met wat je in de vorige ronde leerde.
probleemstelling: Een korte zin die zegt wat er opgelost moet worden, voor wie en waarom, zonder al een oplossing te kiezen.
persona: Een verzonnen maar typische gebruiker, opgebouwd uit echte interviews en observaties, die ontwerpers helpt aan de gebruiker te denken.
programma van eisen: De lijst van alles waaraan de oplossing moet voldoen (moet-eisen) en wat ze liefst ook kan (wensen), meetbaar geformuleerd.
moet-eis: Een eis waaraan elke oplossing moet voldoen; wie ze niet haalt, valt af.
wens: Een eis die de oplossing beter maakt maar niet verplicht is; wensen gebruik je om te vergelijken.
meetbare eis: Een eis met een grootheid, een grens met eenheid en een toets, zodat iedereen kan nagaan of ze gehaald is.
brainstorm: Snel en zonder kritiek zoveel mogelijk ideeën verzamelen, en voortbouwen op die van anderen.
morfologisch overzicht: Tabel met de deelfuncties van een ontwerp en per functie enkele oplossingen; een concept is één keuze per rij.
gewogen criteriatabel: Tabel waarin je concepten scoort op wensen met een gewicht; score maal gewicht, opgeteld per concept.
prototype: Een snelle, voorlopige uitvoering van een idee om iets te testen.
testplan: Per eis: hoe je test, met welk criterium, en wat het resultaat is.

Aan de slag in het werkboek16 opdrachten, van oefenen tot uitdagen