← Back to CoursesStemExpert
StemExpert
Fundamental · Werkboek · 30. De ontwerpcyclus
StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me
StemExpert
F30. De ontwerpcyclus — werkboek
FFundamental · deel F8 · Ontwerpen en maken

Werkboek · hoofdstuk 30De ontwerpcyclus

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

Je oefent eerst de stappen en de taal van het ontwerpen: moet of wens, meetbaar of niet, eis of oplossing. Daarna pas je de cyclus toe: je interviewt, stelt eisen op, maakt een morfologisch overzicht, kiest met een criteriatabel, plant tests en bouwt zelf in drie rondes. In de uitdagingen vul je het programma van eisen van de meetkas aan (opdracht 30.13, voor je Habitat-portfolio) en doorloop je een volledige cyclus.

5× oefenen7× toepassen4× uitdagen± 410 min0/16 gedaan
DOntwerpen en maken
Karton, een breadboard en een veerunster: zo ziet ontwerpen er meestal uit, lang voor het product af is.
Karton, een breadboard en een veerunster: zo ziet ontwerpen er meestal uit, lang voor het product af is.
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenen Toepassen Uitdagen

Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).

De StemExpert-schaal5

Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.

Oefenen

Oefenen

één stap, direct toepassen
30.1

De stappen op volgorde

Oefenen1Begrijpen8 min
De zeven stappen van de ontwerpcyclus staan door elkaar: testen · programma van eisen · prototype maken · probleem verkennen · kiezen · evalueren en verbeteren · ideeën bedenken.
  1. a
    Zet ze in de juiste volgorde.
  2. b
    Bij welke stap hoort elke situatie? (a) Een groep plakt tien post-its met ideeën op het bord. (b) Een leerling trekt met een veerunster aan het dakraam. (c) Een team vraagt aan de conciërge hoe vaak hij in de vakantie op school is. (d) Een leerling schrapt een idee omdat het 230 V in de kas brengt.
  3. c
    Na welke stap begin je een nieuwe ronde, en naar welke stap ga je terug als een test faalt omdat een onderdeel te zwak is?
30.2

Moet of wens?

Oefenen1Begrijpen10 min
Een klas ontwerpt een fietslicht dat je op je schooltas klemt. Dit zijn hun eisen.
  1. a
    Is het een moet-eis of een wens? Geef bij elke keuze een korte reden.
    eismoet of wens?reden
    (a) het licht is 's nachts te zien op 100 m
    (b) het weegt hoogstens 80 g
    (c) het blijft werken in de regen
    (d) het is verkrijgbaar in drie kleuren
    (e) de batterij gaat minstens 20 uur mee
    (f) het kost hoogstens € 10 aan materiaal
30.3

Meetbaar maken

Oefenen2Ontwerpen15 min
Deze eisen zijn te vaag om te testen.
  1. a
    Maak van elke vage eis een meetbare eis met grootheid, grens met eenheid en toets.
    vage eisgrootheidgrens met eenheidtoets
    (a) de plantenbak mag niet te zwaar zijn
    (b) het pompje moet stil zijn
    (c) het reservoir moet snel te vullen zijn
    (d) de ledstrip moet genoeg licht geven
Hint
Denk bij elke eis: wat zou ik meten, met welk toestel, en welke grens is redelijk voor de gebruiker?
30.4

Eis of oplossing?

Oefenen2Begrijpen10 min
In een PvE voor een automatische voederbak voor de schoolkippen staan deze zinnen.
  1. a
    Welke zinnen zijn eigenlijk al een oplossing? Herschrijf die als eis die zegt wat, niet hoe. (a) De voederbak heeft een servomotor die elke ochtend het luikje opent. (b) De kippen krijgen elke dag tussen 7 en 8 uur 500 g graan. (c) De voederbak is gemaakt van roestvast staal. (d) Ratten kunnen niet bij het voer.
  2. b
    Waarom is het slecht om een oplossing als eis te schrijven?
30.5

Een gewogen tabel uitrekenen

Oefenen2Rekenen12 min
Een team kiest een manier om de meetkas in de winter warm te houden. Criteria met gewicht: energieverbruik (3), eenvoudig (2), prijs (1). Scores (1 tot 5): nachtscherm 4, 5, 5; verwarmingsmat van 20 W 1, 4, 3; vat met 40 L extra water 5, 3, 4.
  1. a
    Bereken het totaal per concept.
    conceptberekeningtotaal
    nachtscherm
    verwarmingsmat
    vat met water
  2. b
    Wat is het maximum dat een concept kan halen? Welk concept wint?
  3. c
    De mat is het enige concept dat de temperatuur echt kan regelen. Welke eis zou dat belangrijk maken, en wat is dan de zwakte van deze tabel?
Toepassen

Toepassen

meerdere stappen, in een context
30.6

Een gebruiker interviewen

Toepassen2Onderzoeken25 min
Je ontwerpt een toestel dat de kamerplanten van je buurvrouw water geeft als ze drie weken op reis is. Je interviewt haar. Een stukje uit je notities:
'Ik heb zeven planten, de meeste op de vensterbank, twee grote in de hoek. Vorig jaar gaf de buurjongen water, maar de cactus stond daarna in een plas en is gestorven. Ik wil geen kabels over de vloer, want de kat. Een stopcontact is er wel, achter de zetel.'
  1. a
    Schrijf vijf open vragen die je haar nog wil stellen. Waarom is 'Wil je een pompje?' geen goede vraag?
  2. b
    Haal uit de notities minstens vier eisen. Zeg telkens of het een moet-eis of een wens is.
  3. c
    Wie zijn de 'stille gebruikers' hier, en welke eis komt van hen?
30.7

Een PvE voor een nestkast

Toepassen3Ontwerpen25 min
De school wil nestkasten voor mezen ophangen aan de bomen rond de meetkas. Vogelkenners raden een invliegopening van 28 mm aan voor pimpelmezen en 32 mm voor koolmezen: grotere vogels kunnen er dan niet in. Een kast hangt minstens 2 m hoog, uit de volle middagzon, en wordt elk najaar leeggemaakt.
  1. a
    Stel een PvE op met minstens zes eisen: codes, moet of wens, grens met eenheid, toets.
    codeeismoet / wenstoets
  2. b
    Wie zijn de gebruikers van een nestkast? Noem er minstens drie, en één eis per gebruiker.
30.8

Een morfologisch overzicht

Toepassen3Tekenen25 min
Je ontwerpt een lichtwekker: in plaats van te piepen, wordt het in de kamer langzaam licht. Deelfuncties: tijd bijhouden, licht maken, energie leveren, bediening (wekuur instellen), uitzetten.
  1. a
    Maak een morfologisch overzicht met per deelfunctie minstens drie oplossingen.
  2. b
    Stel twee heel verschillende concepten samen en schets ze elk in een halve minuut.
  3. c
    Hoeveel combinaties bevat jouw overzicht?
30.9

Eerst zeven, dan wegen: het dakraam

Toepassen3Rekenen25 min
Vier concepten om het dakraam van de meetkas te openen (zie de schetsen in het handboek). Een team maakte deze gewogen tabel, zonder eerst te zeven.
criterium (wens)gewicht1: uitzetstang + klemhendel2: wascilinder3: duwstang + sensor4: servo + arm
werkt zonder toezicht31 (3)5 (15)5 (15)5 (15)
de microcontroller kan het sturen21 (2)1 (2)5 (10)5 (10)
geen stroom nodig25 (10)5 (10)1 (2)1 (2)
eenvoudig te bouwen25 (10)4 (8)3 (6)2 (4)
goedkoop15 (5)3 (3)2 (2)4 (4)
totaal (max. 50)30383535
  1. a
    Controleer de totalen. Welk concept wint volgens deze tabel?
  2. b
    Zeef nu met de moet-eisen K2 (open boven 28 °C en dicht onder 25 °C, zoals de microcontroller het instelt) en K5 (bij stroomuitval met de hand te openen, hoogstens 10 N). Welke concepten vallen af, en waarom?
  3. c
    Duwstang en servo halen nu evenveel punten. Een servo uit de klas duwt met zijn arm hoogstens ongeveer 10 N; nodig is 29,5 N (hoofdstuk 12). Welk soort eis ontbrak in de tabel?
Hint
Een wascilinder opent vanzelf, maar bij een temperatuur die jij niet met een programma kiest.
30.10

Een testplan opstellen

Toepassen3Analyseren20 min
Uit het PvE van de meetkas (handboek): W2, W3, W4, C3 en G3.
  1. a
    Schrijf voor elke eis een test: wat je doet, met welk materiaal, en het criterium.
    eiswat je doetmateriaalcriterium
  2. b
    Welke test duurt het langst? Hoe kan je hem inkorten zonder vals te spelen?
30.11

Testresultaten beoordelen

Toepassen3Analyseren20 min
Drie groepen maakten een druppelaar voor één bakje. De eisen: (1) moet: 100 tot 200 mL per beurt van 30 s; (2) moet: de druppelaar verstopt niet in 20 beurten; (3) wens: zo gelijk mogelijk over 5 beurten. Resultaten (mL per beurt):
groepbeurt 12345verstopt?
A (gaatje 1 mm in de slang)140150135145150na 12 beurten
B (druppelaar uit de winkel)180185175180180nee
C (gaatje 2 mm)260250255270265nee
  1. a
    Welke groepen halen welke moet-eisen?
  2. b
    Bereken voor elke groep het gemiddelde en het bereik (grootste min kleinste).
  3. c
    Stel voor A en C een verbetering voor voor de volgende ronde.
30.12

Maak: drie rondes papieren tafel

Toepassen3Maken60 min
Voer de proef 'Drie rondes: een papieren tafel' uit het handboek uit, met hetzelfde PvE.
  1. a
    Noteer per ronde je ontwerp (schets), de grootste last en hoe de tafel bezweek.
    rondeschets en ontwerpgrootste last (kg)zo bezweek zemoet-eis gehaald?
  2. b
    Teken de grafiek: grootste last per ronde, met de moet-eis als horizontale lijn.
  3. c
    Welke verbetering leverde het meest op? Wat zou je in een vierde ronde doen?
Zo wordt dit beoordeeld
PvE gevolgdAlleen het toegelaten materiaal; hoogte en tafelblad volgens de moet-eisen.
TestenZelfde manier van belasten in elke ronde; 30 s volgehouden; oorzaak van bezwijken genoteerd.
IteratieElke ronde pakt de zwakke plek van de vorige aan, en dat staat erbij.
Grafiek en besluitJuiste assen, eis als lijn; besluit steunt op de metingen.
Uitdagen

Uitdagen

transfer, open problemen, leerlijnen combineren
30.13

Habitat: het programma van eisen aanvullen

Uitdagen4Habitat45 min
Het PvE van de meetkas (versie 1, handboek) is nog niet volledig. Over de verlichting staat er alleen een wens (K8), en over de groeiproef twee eisen (P1, P2). Gegevens: ledstrip 12 V, 4,8 W, twee helften boven de twee rijen (hoofdstuk 19-21); lichtsensor LDR op A2 (hoofdstuk 25); groeiproef met schaduwdoek 0, 30, 50 en 70 %, vier groepen van drie bakjes, versgewicht na 5 weken (hoofdstuk 27).
  1. a
    Schrijf minstens drie nieuwe meetbare eisen voor de verlichting (codes K9, K10 ...), met soort, grens met eenheid, toets en bron.
    codeeissoorttoetsbron
  2. b
    Schrijf minstens drie nieuwe eisen voor de groeiproef (P3, P4 ...). Denk aan eerlijk testen (hoofdstuk 2).
    codeeissoorttoetsbron
  3. c
    Kies uit het hele PvE de drie moet-eisen die je in hoofdstuk 33 als eerste wil testen. Waarom die?
  4. d
    Portfolio: noteer het versienummer (versie 1.1) en wat er veranderde.
Zo wordt dit beoordeeld
MeetbaarElke eis heeft een grootheid, een grens met eenheid en een toets.
Wat, niet hoeGeen oplossingen verkleed als eis.
ConsistentGetallen kloppen met het dossier (4,8 W, 4 h/dag, A2, schaduwdoek 0-70 %).
KeuzeDe drie eerste tests zijn goed gekozen (risico, afhankelijkheid) en gemotiveerd.
PortfolioVersienummer en wijzigingen genoteerd.
30.14

Ontwerp: een vakantie-watergever voor één plant

Uitdagen4Ontwerpen60 min
Doorloop een volledige ontwerpcyclus op kleine schaal. Het probleem: een kamerplant in een pot van 15 cm moet drie weken overleven zonder dat iemand langskomt. Ze verbruikt ongeveer 60 mL per dag. Er is geen stopcontact in de buurt.
  1. a
    Schrijf een probleemstelling en een PvE met minstens drie moet-eisen en twee wensen, meetbaar.
  2. b
    Bedenk minstens vier ideeën en schets ze.
  3. c
    Zeef met de moet-eisen en kies met een gewogen tabel. Controleer de gevoeligheid.
  4. d
    Maak een prototype en test het een week. Wat liep mis, en wat verbeter je?
Hint
Reken eerst: hoeveel water heb je voor drie weken nodig? Dat bepaalt de grootte van het reservoir.
Zo wordt dit beoordeeld
Probleem en PvEProbleemstelling zonder oplossing; eisen meetbaar; hoeveelheid water berekend (± 1,3 L).
IdeeënMinstens vier echt verschillende ideeën, geschetst.
KiezenEerst zeven, dan wegen; scores gemotiveerd; gevoeligheid besproken.
Testen en verbeterenMeting tegen de eisen; oorzaak van problemen; concrete verbetering.
30.15

Debat: 5127 prototypes

Uitdagen3Argumenteren25 min
James Dyson bouwde ongeveer 5127 prototypes in vijf jaar. Stelling: 'Zoveel prototypes is verspilling. Met goed nadenken en een computermodel vooraf had het veel sneller gekund.'
  1. a
    Geef twee argumenten vóór en twee tegen de stelling.
  2. b
    Wanneer is een prototype nuttiger dan een berekening, en wanneer omgekeerd? Geef een voorbeeld uit de meetkas.
Zo wordt dit beoordeeld
ArgumentenTwee echte argumenten per kant, niet dezelfde gedachte in andere woorden.
VoorbeeldEen concreet geval uit de meetkas waar rekenen of testen de beste weg was.
NuanceZiet dat rekenen en testen elkaar aanvullen.
30.16

Analyse: waar ging het mis?

Uitdagen4Analyseren25 min
Een klas bouwde in drie weken een automatisch watergeefsysteem voor de schooltuin en schakelde het vrijdag in. Maandag: (1) twee bakken stonden onder water, de rest was droog; (2) de conciërge had de adapter uitgetrokken omdat hij zoemde en hij niet wist wat het was; (3) de klas wist niet hoeveel water er gegeven was; (4) de leerkracht vroeg: 'Welke eis hebben jullie hiermee getest?' en niemand wist het.
  1. a
    Koppel elk probleem aan de stap van de ontwerpcyclus die overgeslagen of te snel gedaan werd.
  2. b
    Schrijf voor elk probleem een eis die het had kunnen voorkomen.
  3. c
    Welke test had de klas op donderdag moeten doen?
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet