Σούπερ Αναρροφητής Σχεδιασμός μηχανήματος για τον καθαρισμό απορριμάτων

Transcript

1 Σούπερ Αναρροφητής Σχεδιασμός μηχανήματος για τον καθαρισμό απορριμάτων Ηλεκτρολογική Μηχανική Ηλεκτρισμός Ενότητα για μαθητές από ετών ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ: Scientix Awarded Resource 1

2 Εισαγωγή Το παρόν είναι μία από τις 10 ενότητες που εκπονούν δημοτικά σχολεία που συμμετέχουν στο πρόγραμμα ENGINEER για την υποστήριξη της εκπαίδευσης στις φυσικές επιστήμες στο πλαίσιο ενός ευρέως φάσματος δοκιμασιών στο μηχανολογικό σχέδιο. Βασισμένο στο επιτυχημένο μοντέλο διερευνητικής μάθησης Engineering is Elementary του Πανεπιστημίου Φυσικών Επιστημών της Βοστώνης, κάθε ενότητα παρουσιάζει ένα διαφορετικό επιστημονικό και μηχανολογικό πεδίο και απαιτεί μόνο φθηνά υλικά, προκειμένου να υποστηρίξει τη μαθητοκεντρική διερεύνηση στις φυσικές επιστήμες και τον σχεδιασμό της επίλυσης προβλημάτων. Οι μονάδες έχουν σχεδιαστεί ώστε να έχουν απήχηση σε ένα ευρύ φάσμα μαθητών και να κλονιστούν τα στερεότυπα γύρω από τη μηχανική και τους μηχανικούς, έτσι ώστε να τονωθεί η συμμετοχή τόσο των αγοριών όσο και των κοριτσιών στις φυσικές επιστήμες, την τεχνολογία και τη μηχανική. Η παιδαγωγική μας προσέγγιση Κεντρικός σε κάθε ενότητα είναι ο κύκλος μηχανικής σχεδίασης: ρωτώ, φαντάζομαι, σχεδιάζω, δημιουργώ, βελτιώνω. Η έμφαση στον κύκλο βοηθάει τους εκπαιδευτικούς να προάγουν τις ερωτήσεις εκ μέρους των μαθητών και τη δημιουργικότητά τους και δίνει την άνεση στους μαθητές να αναπτύξουν τις δεξιότητές τους στην επίλυση προβλημάτων, που μεταξύ άλλων περιλαμβάνουν τον έλεγχο εναλλακτικών επιλογών, την ερμηνεία των αποτελεσμάτων και την αξιολόγηση των λύσεών τους. Οι εργασίες και οι δοκιμασίες έχουν σχεδιαστεί να είναι όσο το δυνατό πιο ανοιχτού τύπου, και να αποφεύγονται οι «σωστές απαντήσεις». Ειδικότερα, οι σχεδιαστές των ενοτήτων επεδίωξαν την αποφυγή του ανταγωνισμού που ενδέχεται να αποξενώσει κάποιους μαθητές, διατηρώντας το κίνητρο που γεννάει την επιθυμία επίλυσης κάποιου προβλήματος. Σημαντικός στόχος όλων των ενοτήτων είναι να μεγιστοποιηθούν οι ευκαιρίες ομαδικής εργασίας και η υποστήριξη των μαθητών, ώστε να μάθουν να συνεργάζονται και να επικοινωνούν αποτελεσματικά τις ιδέες τους. Οι μαθητές πρέπει να συζητούν τις ιδέες τους κατά τη διερεύνηση ενός νέου προβλήματος, να καταλαβαίνουν τι πρέπει να γνωρίζουν και να μοιράζονται τα ευρήματά τους, τις σχεδιαστικές τους λύσεις και κατόπιν τις βελτιώσεις που επινοούν. Πώς οργανώνονται οι ενότητες Κάθε ενότητα αρχίζει με ένα Μάθημα 0, ένα γενικό προπαρασκευαστικό μάθημα που είναι κοινό και για τις δέκα ενότητες. Οι εκπαιδευτικοί που επιλέγουν να χρησιμοποιήσουν περισσότερες από μία ενότητες, καλό θα ήταν ξεκινήσουν με αυτό το μάθημα την πρώτη φορά που θα διδάξουν κάποια ενότητα και να αρχίζουν με το Μάθημα 1 στις επόμενες ενότητες. Το Μάθημα 1 θέτει το πλαίσιο μιας ιστορίας ή ενός προβλήματος που καθορίζει όσα θα συμβούν στη συνέχεια: Το Μάθημα 2 εστιάζει στο τι πρέπει να διερευνήσουν οι μαθητές για να λύσουν το πρόβλημα, ενώ στο Μάθημα 3 σχεδιάζουν και υλοποιούν τη δική τους σχεδιαστική λύση. Τέλος, το Μάθημα 4 δίνει την ευκαιρία να αξιολογηθούν, να παρουσιαστούν και να συζητηθούν όσα έκαναν. Κάθε ενότητα είναι, ωστόσο, μοναδική και ορισμένες είναι πιο απαιτητικές όσον αφορά την επιστημονική γνώση που προϋποθέτουν, ενώ ο χρόνος που απαιτείται για την κάθε ενότητα ποικίλλει. Οι πιθανοί χρόνοι και οι ηλικίες στις οποίες απευθύνεται κάθε ενότητα επισημαίνονται στη συνοπτική παρουσίαση κάθε μίας. Οι ενότητες έχουν σχεδιαστεί ώστε να είναι ευέλικτες, 2

3 αλλά οι εκπαιδευτικοί έχουν τη δυνατότητα να επιλέγουν τις δραστηριότητες με τις οποίες θέλουν να ασχοληθούν, ενώ προσφέρονται διαφοροποιημένες δραστηριότητες που ανταποκρίνονται σε διαφορετικές ικανότητες. Υποστήριξη εκπαιδευτικών Ο οδηγός κάθε ενότητας έχει συνταχθεί ώστε να παρέχει την κατάλληλη επιστημονική, τεχνική και παιδαγωγική υποστήριξη στους εκπαιδευτικούς, προσφέροντας ένα ευρύ φάσμα εμπειρίας και εξειδικευμένης γνώσης. Κάθε μάθημα περικλείει προτάσεις και συμβουλές για την υποστήριξη της διερευνητικής μάθησης, την οργάνωση της τάξης και την προετοιμασία. Επιστημονικές δραστηριότητες και δραστηριότητες κατασκευών καθίστανται πιο εύληπτες με φωτογραφίες. Σημειώσεις για τη διδακτική των επιστημών στο Παράρτημα εξηγούν και εξετάζουν την επιστήμη στην οποία αφορά η εν λόγω ενότητα και τον τρόπο που θα υποστηριχτεί η κατανόηση των βασικών εννοιών από μαθητές που εμπίπτουν στο οριζόμενο ηλικιακό φάσμα. Επιτρέπεται η αναπαραγωγή των φύλλων εργασίας, ενώ διατίθενται και απαντήσεις στις ασκήσεις. 3

4 Περιεχόμενα Εισαγωγή... 2 Συνοπτική παρουσίαση της ενότητας... 5 Πόροι... 6 Μάθημα 0 -Σχεδιασμός και κατασκευή φακέλου Εισαγωγή - 10 λεπτά - συζήτηση σε μικρές ομάδες και με όλη την τάξη Δραστηριότητα 1 Τι είναι φάκελος; - 5 λεπτά, μικρές ομάδες Δραστηριότητα 2 Αντιστοίχηση φακέλων με αντικείμενα - 15 λεπτά - συζήτηση σε μικρές ομάδες και με όλη την τάξη Εργασία επέκτασης της γνώσης - προαιρετική λεπτά - μικρές ομάδες Συμπέρασμα - 10 λεπτά - συζήτηση στην τάξη Μαθησιακά αποτελέσματα - για προαιρετική αξιολόγηση Μάθημα 1 - Ποιο είναι το πρόβλημα μηχανικής; Εισαγωγική δραστηριότητα - όλη η τάξη - 10 λεπτά Η πρόκληση της μηχανικής - όλη η τάξη - 10 λεπτά Η φάση "ΡΩΤΩ" του ΚΜΣ - μικρές ομάδες - 20 λεπτά Συμπέρασμα - Ολομέλεια - 10 λεπτά Μάθημα 2 - Τι πρέπει να γνωρίζουμε; Εισαγωγική δραστηριότητα - πιστολάκι μαλλιών - μικρές ομάδες - 20 λεπτά Θέστε τον κινητήρα σε λειτουργία - ατομική εργασία - 10 λεπτά Φτιάξτε έναν ανεμιστήρα - ατομική εργασία - 20 λεπτά Φτιάξτε έναν διακόπτη - μικρές ομάδες - 20 λεπτά (δραστηριότητα επέκτασης) Συμπέρασμα - Ολομέλεια - 10 λεπτά Μάθημα 3 - Ας κατασκευάσουμε! Εισαγωγική δραστηριότητα - όλη η τάξη - 5 λεπτά Πρόκληση μηχανικού σχεδιασμού - Βήματα "ρωτώ, φαντάζομαι και σχεδιάζω"- μικρές ομάδες - 15 λεπτά Σχεδιασμός και δημιουργία - μικρές ομάδες - 60 λεπτά Συμπέρασμα ολομέλεια - 15 λεπτά Μάθημα 4 - Πώς να κάνουμε; Εισαγωγική δραστηριότητα - όλη η τάξη - 5 λεπτά Παρουσίαση του έργου - όλη η τάξη - 60 λεπτά Συζήτηση - ολομέλεια - 10 λεπτά Παραρτήματα Κύκλος μηχανικού σχεδιασμού Ιστορία για τον προσδιορισμό του πλαισίου Φύλλο εργασίας 1 Μάθημα 0 - Μηχανική; Φύλλο εργασίας 1 Μάθημα 0 - Μηχανική; - Σημειώσεις του εκπαιδευτικού Φύλλο εργασίας 1 Μάθημα 1-4- τεκμηρίωση της διαδικασίας ΚΜΣ Φύλλο Εργασίας 2 Μάθημα 3 - σχεδιασμός και κατασκευή της δικής σας ηλεκτρικής σκούπας Σημειώσεις φυσικής του εκπαιδευτικού για τον ηλεκτρισμό και τις ηλεκτρικές σκούπες Ιδέες κάποιων μαθητών για τον ηλεκτρισμό και τα απλά ηλεκτρικά κυκλώματα Συνεργάτες

5 Περίληψη ενότητας Διάρκεια: 4 ώρες 45 λεπτά συν 35 λεπτά δραστηριοτήτων επέκτασης Ομάδα-στόχος: μαθητές ηλικίας ετών Περιγραφή: «Ας συμμαζέψουμε - σχεδιάζοντας μια ηλεκτρική σκούπα» οι μαθητές θα μάθουν για τον ηλεκτρισμό και την Ηλεκτρολογική Μηχανική. Πρόγραμμα σπουδών στις φυσικές επιστήμες: η παρούσα ενότητα σχετίζεται με το πρόγραμμα σπουδών για τον ηλεκτρισμό. Πεδίο μηχανικής: η παρούσα ενότητα παρουσιάζει το πεδίο της ηλεκτρολογικής μηχανικής. Στόχοι: σε αυτή την ενότητα οι μαθητές θα μάθουν ότι οι μηχανικοί χρησιμοποιούν μια σειρά βημάτων, που ονομάζονται Διαδικασία Μηχανικής Σχεδίασης, για να σχεδιάσουν λύσεις για τα προβλήματα, για να επισημάνουν προβλήματα και ανάγκες που καλύπτονται με τη βοήθεια της τεχνολογίας, και να σχεδιάσουν λύσεις με τη χρήση της διαδικασίας μηχανικής σχεδίασης, για να κατανοήσουν τα ηλεκτρικά κυκλώματα και την επιστήμη πάνω στην οποία βασίζονται, πώς να χρησιμοποιούν μπαταρίες, μικρούς κινητήρες και ανεμιστήρες, για να σχεδιάσουν και να δημιουργήσουν μια μικρή ηλεκτρική σκούπα, αφού θα κατανοήσουν τον τρόπο που λειτουργεί. Τα μαθήματα στην ενότητα αυτή: Ένα προπαρασκευαστικό μάθημα επιδιώκει να βοηθήσει τους μαθητές να γνωρίσουν πώς η μηχανική συμβάλλει στην καθημερινότητά μας με τρόπους που δεν είναι πάντα προφανείς. Το Μάθημα 1 παρουσιάζει το πρόβλημα μηχανικής, το πλαίσιό του και τη μηχανολογική διαδικασία. Στο Μάθημα 2, το στοιχείο "ρωτώ" της διαδικασίας μηχανικής σχεδίασης επιβάλλει τη διερεύνηση του ηλεκτρισμού. Το Μάθημα 3 εμπλέκει τους μαθητές στην εφαρμογή της διαδικασίας μηχανικής σχεδίασης για να ανταποκριθούν στη δοκιμασία. Η δοκιμασία συνίσταται στον σχεδιασμό μικρών ηλεκτρικών σκουπών. Στο Μάθημα 4, είναι ώρα να αξιολογηθεί η διαδικασία της δημιουργίας των ηλεκτρικών σκουπών. Είναι, επίσης, η κατάλληλη στιγμή για να δείξουν οι μαθητές αν είναι σε θέση να ανταποκριθούν σε όλα τα κριτήρια και να μιλήσουν για το πώς επενέβησαν βελτιωτικά. 5

6 Πόροι Κατάλογος όλων των υλικών και των ποσοτήτων που απαιτούνται για 30 μαθητές. Υλικό Συνολική ποσότητα Μάθημα 0 Μάθημα 1 Πιστολάκι μαλλιών 1-6 Χ Μάθημα 2 Μάθημα 3 Μάθημα 4 Μικροί κινητήρες 1,5-3V Χ Χ Μπαταρίες 4,5V ή 3x1,5 V ή Χ Χ Θήκη Μπαταριών 3 x AA Χ Χ Καλώδιο με συμπαγή πυρήνα 1 Χ Χ Πλαστικά μπουκάλια από 0,5l-2L 15 Χ Διχαλωτοί συνδετήρες χαρτιού 1 κουτί (X) Χ Συνδετήρες 1 κουτί (Χ) Χ Κομμάτια χαρτόνι 10x10 cm 15 (X) Χ 6

7 Πένσες Πλαγιοκόπτες 2-3 (X) Χ Απογυμνωτές καλωδίων 2-3 (X) Χ Αφρώδες ελαστικό Χ Λάστιχο (φαρδύ) 10 Χ Χ Στρογγυλά υπολείμματα από χαρτί που μένουν στον διακορευτή Πριόνι 1 Χ Πιστόλι κόλλας 1 Χ Αυτοκόλλητη ταινία 1 ρολό Χ Ψαλίδι 6 Χ Καλαμάκια για γλειφιτζούρια 10 Χ Χαρτί Α4 50 Χ Χ 7

8 Μάθημα 0 - Σχεδιασμός και κατασκευή φακέλου Τι σημαίνει μηχανική; Διάρκεια: Οι εκπαιδευτικοί μπορείτε να επιλέξετε πόσο χρόνο θα αφιερώσετε σε αυτό το μάθημα ανάλογα με την εμπειρία που ήδη διαθέτουν οι μαθητές σας. Η εισαγωγή, οι βασικές δραστηριότητες και το συμπέρασμα απαιτούν το πολύ 40 λεπτά. Πρόσθετες εργασίες επέκτασης της γνώσης μπορεί να χρειαστούν επιπλέον λεπτά. Στόχοι, σε αυτό το μάθημα οι μαθητές θα γνωρίσουν ότι: οι μηχανικοί σχεδιάζουν λύσεις σε προβλήματα χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνολογίες, οι τεχνολογίες που είναι κατάλληλες για την επίλυση κάποιου συγκεκριμένου προβλήματος εξαρτώνται από το πλαίσιο και τα διαθέσιμα υλικά, υπάρχοντα αντικείμενα έχουν σχεδιαστεί από μηχανικούς για την επίλυση προβλημάτων, οι μηχανικοί μπορεί να είναι τόσο άνδρες όσο και γυναίκες. Υλικά (για 30 μαθητές) 8 πακέτα αυτοκόλλητα χαρτάκια τύπου postit 8 σετ τουλάχιστον 5 διαφορετικών ειδών φακέλων 8 σετ τουλάχιστον 5 διαφορετικών αντικειμένων 8 σετ διαφορετικών συσκευασιών για προαιρετική εργασία επέκτασης της γνώσης Χαρτόνι, χαρτί, κόλλα, ψαλίδι για την προαιρετική εργασία επέκτασης Προετοιμασία Συγκεντρώστε μια ποικιλία φακέλων και πακέτων Φωτοτυπήστε το φύλλο εργασίας 1, αν το χρησιμοποιήσετε Συγκεντρώστε φωτογραφίες για την εισαγωγική δραστηριότητα Μέθοδος εργασίας Μικρές ομάδες Συζήτηση με όλη την τάξη Πλαίσιο και προϋπάρχουσες γνώσεις Αυτό το μάθημα είναι το ίδιο για όλες τις ενότητες και έχει ως στόχο να ενθαρρύνει τον στοχασμό σχετικά με το τι είναι η τεχνολογία και να αμφισβητήσει τα στερεότυπα για τους μηχανικούς (ιδιαίτερα εκείνων που σχετίζονται με το φύλο) και τη μηχανική. Στόχος του είναι να καλλιεργήσει την αντίληψη ότι τεχνητά αντικείμενα έχουν σχεδιαστεί για ένα σκοπό και ότι η τεχνολογία με την ευρύτερη έννοια του όρου, αναφέρεται σε οποιοδήποτε αντικείμενο, σύστημα ή διαδικασία που έχει σχεδιαστεί και τροποποιηθεί για να αντιμετωπίσει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα ή ανάγκη. Οι μαθητές μπορούν να σκεφτούν το παραπάνω, συζητώντας το πρόβλημα που η τεχνολογία του συγκεκριμένου τεχνητού αντικειμένου (σε αυτή την περίπτωση ένα φάκελο) επιδιώκει να επιλύσει. Σε αυτό το μάθημα, συζητούν το φάσμα των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό και κατασκευή ενός φακέλου που προορίζεται για κάποια συγκεκριμένη χρήση. Το μάθημα έχει ως στόχο να αποφευχθούν αξιολογικές κρίσεις περί «υψηλής τεχνολογίας» έναντι «χαμηλής τεχνολογίας» και να ενθαρρύνει τους μαθητές να εκτιμήσουν ότι σημασία έχει η χρήση του κατάλληλου

9 τεχνολογικού επιτεύγματος σε ένα συγκεκριμένο πλαίσιο: το φάσμα των διαθέσιμων υλικών θα καθορίσει την τεχνολογία που εφαρμόζει ο εκάστοτε μηχανικός για την επίλυση του προβλήματος. Αποτελεί ιδιοκτησία του ENGINEER Parties και δεν επιτρέπεται η διανομή ή αναπαραγωγή του χωρίς επίσημη έγκριση 9

10 0.1 Εισαγωγή - 10 λεπτά - μικρή ομάδα και συζήτηση στην τάξη Χωρίστε την τάξη σε ομάδες των 4 και δώστε ένα πακέτο «post-it» σε κάθε ομάδα. Ζητήστε από τις ομάδες να συζητήσουν όλα όσα συσχετίζουν με τους όρους «μηχανική» και «τεχνολογία». Βεβαιωθείτε ότι, στο πλαίσιο της συζήτησης, κάθε μέλος της ομάδας σημειώνει τουλάχιστον μια ιδέα στα αυτοκόλλητα χαρτάκια «post-it». Καλέστε κάθε ομάδα να τοποθετήσει τα αυτοκόλλητα της χαρτάκια «post-it» σε ένα συγκεντρωτικό φύλλο παρουσίασης και να εξηγήσει εν συντομία τις επιλογές τους με την υπόλοιπη τάξη. Κρατήστε όλα τα χαρτάκια για να τα ξαναδείτε στο τέλος του μαθήματος. Πρόσθετη στήριξη για συζήτηση Αυτό το μέρος του μαθήματος μπορεί να επεκταθεί δείχνοντας στους μαθητές φωτογραφίες χαρακτηριστικών και ασυνήθιστων παραδειγμάτων μηχανικής και ζητώντας τους να χωρίσουν τις φωτογραφίες σε δύο ομάδες ανάλογα με το ποια αντικείμενα σχετίζονται με τη μηχανική και ποια όχι. Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε το Φύλλο Εργασίας 1 για την εν λόγω δραστηριότητα ή να χρησιμοποιήσετε τις εικόνες για μια παρουσίαση στην τάξη. Ζητήστε από τους μαθητές να εργαστούν σε ζεύγη για να αποφασίσουν ποια από τις εικόνες πιστεύουν ότι σχετίζονται με τη μηχανική και να δικαιολογήσουν γιατί πιστεύουν ότι κάποιες σχετίζονται ενώ άλλες όχι. Κάθε ζεύγος μαθητών θα μπορούσε να μοιραστεί τις ιδέες του με ένα άλλο ζευγάρι και να συζητήσουν τις ομοιότητες και τις διαφορές των ιδεών τους. Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε αυτές τις ιδέες ως βάση για μια συζήτηση στην τάξη. Ενθαρρύνετε τους μαθητές να διευρύνουν τη σκέψη τους για το τι συνιστά μηχανική και ποιοι μπορεί να ασχολούνται με αυτήν. 0.2 Δραστηριότητα 1 Τι είναι φάκελος; - 5 λεπτά, μικρές ομάδες Οργανώστε τους μαθητές σε μικρές ομάδες για να συζητήσουν τι είναι ένας φάκελος και τι θεωρείται φάκελος. Για να βοηθήσετε τη συζήτηση, δώστε μια σειρά παραδειγμάτων που καλύπτουν και/ή προστατεύουν αντικείμενα ή υλικά για συγκεκριμένους σκοπούς (όπως στις φωτογραφίες). Βασική επιδίωξη της δραστηριότητας αυτής είναι να ενθαρρύνει τους μαθητές να παρατηρήσουν ότι η έννοια ενός φακέλου επιδέχεται πολλές ερμηνείες. Στις φωτογραφίες εμφανίζονται μερικά παραδείγματα που θα μπορούσαν να κλονίσουν αυτό που οι μαθητές

11 αντιλαμβάνονται ως φάκελο: παρουσιάζουν μια ευρύτερη ερμηνεία του φακέλου, ως κάτι που «φιλοξενεί», «προστατεύει», «συγκρατεί», «καλύπτει», «κρύβει» ή ακόμα και «αποκαλύπτει» ένα φάσμα διαφορετικών αντικειμένων. 0.3 Δραστηριότητα 2 Αντιστοίχηση φακέλων με αντικείμενα - 15 λεπτά - συζήτηση σε μικρές ομάδες και με όλη την τάξη Χωρίστε την τάξη σε ομάδες των 4 και δώστε τους διάφορους «φακέλους» και αντικείμενα που θα μπορούσαν να μπουν μέσα. Ζητήστε από τους μαθητές να επιλέξουν ποιοι φάκελοι θα ήταν καταλληλότεροι για τα αντικείμενα και να εξηγήσουν γιατί. Στα αντικείμενα θα μπορούσαν να περιλαμβάνονται: ένα ζευγάρι γυαλιών, πιστοποιητικό ή φωτογραφία που πρέπει να προσέξετε να μην τσακίσει, ένα λεπτεπίλεπτο κόσμημα, ένα επιστρεφόμενο DVD, μια σειρά εμπιστευτικών εγγράφων, ένα ψαλίδι. Το φάσμα των αντικειμένων και των φακέλων μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με το πλαίσιο και το τι έχετε στη διάθεσή σας. Οι ερωτήσεις που ακολουθούν μπορούν να βοηθήσουν να κατευθύνετε τη συζήτηση: Από τι υλικό είναι κατασκευασμένος ο φάκελος; Τι μέσα συγκράτησης και κουμπώματα χρησιμοποιούνται στον φάκελο; Για ποιο φάσμα ή είδος αντικειμένων θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ο φάκελος; Από ποια άλλα υλικά θα μπορούσε να κατασκευαστεί; Κάθε ομάδα θα πρέπει να παρουσιάσει τις ιδέες της στην τάξη. Στο σημείο αυτό ο εκπαιδευτικός έχει τη δυνατότητα να κατευθύνει τη συζήτηση, ώστε να συζητηθούν οι διάφορες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό και κατασκευή κάθε φακέλου, συμπεριλαμβανομένων του είδους των δομών, των μέσων συγκράτησης και των κουμπωμάτων που χρησιμοποιούνται (π.χ. επαναχρησιμοποιούμενα ή μόνιμα μέσα συγκράτησης, ενισχυμένα σημεία, εσωτερικά και εξωτερικά υλικά που επιλέχθηκαν, τρόπος σφράγισης των άκρων.) Πρόκειται για μια δραστηριότητα αξιολόγησης και θα μπορούσε να συσχετιστεί με τη διαδικασία μηχανικής σχεδίασης: στο πλαίσιο της συζήτησης θα μπορούσε να εξεταστεί η διαδικασία στην οποία πρέπει να συμμετέχουν οι μηχανικοί όταν κατασκευάζουν κάτι για την επίλυση κάποιου συγκεκριμένου προβλήματος. 0.4 Εργασία επέκτασης της γνώσης - προαιρετική λεπτά - μικρές ομάδες 1. Παρουσιάστε στους μαθητές μια σειρά φακέλων και να τους ζητήσετε να αξιολογήσουν το σχέδιό τους ως προς την καταλληλότητα της χρήσης τους (δείτε την εικόνα). 11

12 Οι φάκελοι θα μπορούσαν να συγκριθούν σε σχέση με τα είδη των μέσων συγκράτησης και τις ενισχύσεις που χρησιμοποιούνται, καθώς και τον συνδυασμό των διαφορετικών υλικών που χρησιμοποιούνται (π.χ. συσκευασίες με φυσαλίδες αέρα, απορροφητικότητα, ανθεκτικότητα - δηλ. αντοχή στο σχίσιμο). Αυτή η δραστηριότητα θα μπορούσε να επεκταθεί και στην εξέταση των διάφορων ειδών συσκευασίας ως προς την αναδίπλωση και του τρόπου που χρησιμοποιούνται οι πτυχώσεις για να μειώσουν (ή να εξαλείψουν) την ανάγκη για κόλλες κατά τη διαδικασία παραγωγής. Οι παρακάτω 3 εικόνες δείχνουν συσκευασίες που δεν χρησιμοποιούν κάποιας μορφής κόλλα η κατασκευή τους απαιτεί μόνο ένα είδος υλικού, το οποίο κόβουμε ή διπλώνουμε για να κλείσει ο φάκελος. 2. Οργανώστε τους μαθητές σε μικρές ομάδες για να σχεδιάσουν και/ή να φτιάξουν έναν φάκελο, για να χωρέσει ένα συγκεκριμένο αντικείμενο που έχουν επιλέξει. Οι ομάδες θα πρέπει να αξιοποιήσουν τις γνώσεις τους σχετικά με τα υλικά και τη διαδικασία 12

13 σχεδιασμού, ώστε να παράγουν διάφορα εναλλακτικά σχέδια. Αυτά θα μπορούσαν κατόπιν να αξιολογηθούν σε μια συζήτηση με όλη την τάξη. 0.5 Συμπέρασμα - 10 λεπτά - συζήτηση στην τάξη Κάντε μια συζήτηση με όλη την τάξη αξιοποιώντας τις αρχικές ιδέες στα χαρτάκια «postit» (και όπου προσφέρεται τις ομαδοποιήσεις των φωτογραφιών με τα παραδείγματα μηχανικής), υπενθυμίζοντας στους μαθητές πώς οι αρχικές τους ιδέες μπορεί να έχουν τώρα αλλάξει. Ζητήστε από τους μαθητές να σκεφτούν τι κάνει ένας μηχανικός και τι σημαίνει τεχνολογία. Να τονίσετε ότι τα περισσότερα αντικείμενα κατασκευάζονται για συγκεκριμένο σκοπό και ότι οι μηχανικοί καταφεύγουν σε διάφορες δεξιότητες, προκειμένου να βρουν λύσεις στα προβλήματα. Αυτό σημαίνει ότι επινοούν λύσεις σε προβλήματα, εκ των οποίων ορισμένες αποδίδουν ενώ άλλες είναι λιγότερο επιτυχημένες - η διαδικασία μηχανικής σχεδίασης περιλαμβάνει την αξιολόγηση και βελτίωση. Δεν είναι η «υψηλή» ή «χαμηλή» τεχνολογία, αλλά η κατάλληλη τεχνολογία που έχει σημασία - οι μηχανικοί πρέπει να λαμβάνουν υπόψη το πλαίσιο και τους πόρους τους. Υπάρχουν πολλά είδη μηχανικής και πολλοί διαφορετικοί τύποι ανθρώπων από όλο τον κόσμο, τόσο άνδρες όσο και γυναίκες, είναι μηχανικοί. Υπάρχουν πολλοί εξίσου αποδεκτοί ορισμοί των όρων «μηχανική» και «τεχνολογία», οι οποίοι εναλλάσσονται ελεύθερα, π.χ. η μηχανική θα μπορούσε να θεωρηθεί ως η χρήση της τεχνολογίας για την επίλυση προβλημάτων. Καθώς συζητούν για τη σχέση μεταξύ μηχανικής, επιστήμης και τεχνολογίας, οι μαθητές μπορούν να ενθαρρυνθούν να σκεφτούν πώς οι μηχανικοί, κατά τη διαδικασία κατασκευής αντικειμένων προς επίλυση προβλημάτων, χρησιμοποιούν ποικίλες τεχνολογίες (μεταξύ των οποίων μέσα συγκράτησης και κουμπώματα, διάφορα είδη υλικών και διάφορα συστατικά σε ένα φάσμα συστημάτων) καθώς και πλήθος επιστημονικών γνώσεων. Έτσι, δίνεται και η ευκαιρία να ξεκινήσει μια συζήτηση για το πώς και από ποιους δημιουργούνται τα αντικείμενα και τι περικλείεται στη διαδικασία της επινόησης λύσεων για τα προβλήματα. 0.6 Μαθησιακά αποτελέσματα - για προαιρετική αξιολόγηση Στο τέλος του μαθήματος αυτού οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να: Αναγνωρίζουν πώς διάφορα συστήματα, μηχανισμοί, δομές, μέσα συγκράτησης και κουμπώματα χρησιμοποιούνται στις ανθρώπινες δημιουργίες, προσφέροντας λύσεις για την επίλυση ποικίλων προβλημάτων Κατανοούν ότι η καταλληλότητα κάθε τεχνολογίας εξαρτάται από το περιβάλλον και τα διαθέσιμα υλικά Αναγνωρίζουν ότι οι μηχανικοί χρησιμοποιούν ένα ευρύ φάσμα δεξιοτήτων για την ανάπτυξη λύσεων σε προβλήματα Αναγνωρίζουν ότι πολλοί διαφορετικοί τύποι ανθρώπων με διαφορετικά ενδιαφέροντα και δεξιότητες μπορούν να γίνουν μηχανικοί 13

14 Μάθημα 1 - Ποιο είναι το πρόβλημα μηχανικής; Μάθετε για τη δοκιμασία Διάρκεια: 55 λεπτά Στόχοι: σε αυτό το μάθημα οι μαθητές θα μάθουν τις βασικές λειτουργίες της ηλεκτρικής σκούπας ως παράδειγμα της ηλεκτρολογικής μηχανικής, πώς η διαδικασία μηχανικής σχεδίασης δομεί μια σχεδιαστική δοκιμασία, ότι ο ηλεκτρισμός είναι μορφή ενέργειας. Υλικά (για 30 μαθητές) ασπροπίνακας μαρκαδόρου η ιστορία που δίνει την αφορμή για τη σχεδιαστική δοκιμασία (βλέπε παράρτημα) Προετοιμασία Διαβάστε για την ηλεκτρολογική μηχανική και τον ΚΜΣ Ετοιμάστε αντίγραφα του Φύλλου εργασίας 1 Μέθοδοι εργασίας Ατομικά και σε ομάδες Βασικές ιδέες σε αυτό το μάθημα Τι κάνουν οι μηχανικοί και πώς εργάζονται. Παρουσιάζεται το πλαίσιο της σχεδιαστικής δοκιμασίας Πλαίσιο και προϋπάρχουσες γνώσεις Παρουσιάζονται η δοκιμασία, το πλαίσιο και ο σχεδιαστικός κύκλος. Οι μαθητές σκέφτονται τι γνώσεις πρέπει να κατέχουν, προκειμένου να αντεπεξέλθουν στην πρόκληση. 14

15 1.1 Εισαγωγική δραστηριότητα - όλη η τάξη - 10 λεπτά Πείτε στους μαθητές ότι η ενότητα αποτελεί μια εισαγωγή στο πεδίο της ηλεκτρολογικής μηχανικής. Ζητήστε από τους μαθητές να ονομάσουν τα ηλεκτρικά αντικείμενα στην τάξη ή το σπίτι τους. Ποιος πιστεύουν ότι τα σχεδίασε; Συζητήστε τον ρόλο που διαδραματίζει ο ηλεκτρισμός και οι ηλεκτρικές συσκευές στην καθημερινή μας ζωή. Πώς θα ήταν μια μέρα χωρίς ηλεκτρισμό; Η Ηλεκτρολογική Μηχανική βασίζεται σε έννοιες της Φυσικής. Αφορά σε πολλά πράγματα, από τα μικρότερα ηλεκτρονικά εξαρτήματα των υπολογιστών και των κινητών τηλεφώνων έως την παραγωγή ηλεκτρισμού και τη χρήση του συστήματος παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Στην ηλεκτροτεχνία περιλαμβάνονται οι τηλεπικοινωνίες, τα ηλεκτρονικά, η μηχανική του τομέα της ραδιοφωνίας και η ηλεκτρολογική μηχανική. Ο ηλεκτρισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά ενέργειας, π.χ. τη χρήση του ηλεκτρισμού ως φορέα ενέργειας, όπως με τα ενεργειακά πλέγματα ή τους ηλεκτρικούς κινητήρες. 1.2 Η μηχανική δοκιμασία - όλη η τάξη - 10 λεπτά Διαβάστε την ιστορία για την παρούσα δοκιμασία μηχανικής στο Παράρτημα. Ρωτήστε τους μαθητές αν πιστεύουν ότι μπορούν να λύσουν το πρόβλημα. Τι γνώσεις πρέπει να κατέχουν για να λύσουν το συγκεκριμένο πρόβλημα; Γράψτε το πρόβλημα στον πίνακα. Το πρόβλημα είναι «ο σχεδιασμός μιας μικρής ηλεκτρικής σκούπας» Πείτε στους μαθητές ότι θα εργαστούν όπως ακριβώς και οι μηχανικοί. Συμβουλή-Πληροφορία για τον εκπαιδευτικό. Η λέξη «ηλεκτρική σκούπα» δεν επιτρέπει να μαντέψουμε πολλά για το πώς λειτουργεί το μηχάνημα: η ηλεκτρική σκούπα λειτουργεί με αναρρόφηση. (Στην πραγματικότητα, η λέξη «καθαριστής αναρρόφησης» θα ήταν πιο εύστοχη) Το μηχανικό/ηλεκτρικό εξάρτημα συνίσταται σε ένα πραγματικά ισχυρό κινητήρα που φυσάει αέρα, συνήθως από την πάνω ή πίσω πλευρά της σκούπας, δημιουργώντας μια αναρροφητική δύναμη στο κάτω μέρος (στο σημείο που τραβάει τη σκόνη στο εσωτερικό της σκούπας). Όλες οι ηλεκτρικές σκούπες λειτουργούν με βάση την ίδια αρχή... αν προσαρτήσετε έναν κινητήρα που φυσάει αέρα (όπως έναν ανεμιστήρα) από το ένα άκρο κάποιου αντικειμένου, θα λειτουργήσει με τον ίδιο τρόπο και θα κάνει τον αέρα να περάσει πρώτα στο εσωτερικό του αντικειμένου και μετά να βγει μέσω του ανεμιστήρα. Συμβουλή - Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για τον τρόπο λειτουργίας μιας ηλεκτρικής σκούπας, μπορείτε επίσης να επισκεφτείτε τις ιστοσελίδες: Η φάση «ΡΩΤΩ» του ΚΜΣ - μικρές ομάδες - 20 λεπτά Βήμα 1 «ΡΩΤΩ» του ΚΜΣ. Χρησιμοποιήστε το Φύλλο εργασίας 2, Μάθημα 1 (σχέδιο ΚΜΣ). Τονίστε ότι όλες οι προκλήσεις σε επίπεδο μηχανικής ξεκινούν με ερωτήσεις. 15

16 Αρχίστε, ρωτώντας τι πρέπει να γνωρίζουν οι μαθητές, προκειμένου να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν μια μικρή ηλεκτρική σκούπα. Χωρίστε τους μαθητές, για να εργαστούν σε μικρές ομάδες 4-5 ατόμων. Φροντίστε, όσο το δυνατόν, οι ομάδες να απαρτίζονται από μαθητές και των δύο φύλων και διαφορετικών δυνατοτήτων. Αφήστε τους να συζητήσουν για περίπου 5 λεπτά τι χρειάζονται για να λύσουν το πρόβλημα. Ζητήστε από τους μαθητές να γράψουν όλες τις ερωτήσεις της ομάδας τους στο φύλλο εργασίας 1 στη σελίδα με τη φάση «ΡΩΤΩ». Γράψτε όλες τις ερωτήσεις όλων των ομάδων στον πίνακα. Πιθανές ερωτήσεις που μπορεί να προκύψουν είναι οι εξής: Πώς μπορούμε να δημιουργήσουμε μια ισχύ αναρρόφησης; Μπορούμε να δούμε μια πραγματική ηλεκτρική σκούπα; Τι υλικά μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε; Τι εξαρτήματα χρειάζονται; Τι είδους σκόνη θα μπορεί να ρουφήξει η ηλεκτρική μας σκούπα; Ποια είναι τα κριτήρια της επιτυχίας; Πώς μπορούμε να κατασκευάσουμε έναν ανεμιστήρα; Ποιο πρέπει να είναι το μέγεθος της σκούπας; Χρειάζεται ρόδες; Πώς θα φτιάξουμε έναν διακόπτη; 1.4 Συμπέρασμα - Ολομέλεια - 10 λεπτά Συνοψίστε τους μαθησιακούς στόχους. Συζητήστε με τους μαθητές: τι έχετε μάθει για την ηλεκτρολογική μηχανική; Μπορείτε να περιγράψετε τα διάφορα στάδια της διαδικασίας σχεδιασμού; Έχετε μάθει τι κάνει μια ηλεκτρική σκούπα; Πείτε στους μαθητές ότι στο επόμενο μάθημα θα αρχίσουν να απαντούν στις ερωτήσεις τους και ότι θα γνωρίσουν όσα πρέπει να ξέρουν, προκειμένου να λύσουν το πρόβλημα του σχεδιασμού και της κατασκευής μιας ηλεκτρικής σκούπας. Ζητήστε από τους μαθητές να φέρουν πιστολάκια μαλλιών για το επόμενο μάθημα. τα πιστολάκια θα τα παρατηρήσουν μόνο, αλλά δεν θα τα αποσυναρμολογήσουν. 16

17 Μάθημα 2 - Τι πρέπει να γνωρίζουμε; Μαθαίνοντας για την ηλεκτρική ενέργεια Διάρκεια: 60 λεπτά (80 λεπτά με τη δραστηριότητα επέκτασης) Στόχοι: σε αυτό το μάθημα οι μαθητές θα μάθουν για τα ηλεκτρικά κυκλώματα και την κατεύθυνση του ρεύματος, πώς να χρησιμοποιούν μπαταρίες, μικρούς κινητήρες και ανεμιστήρες, για τα διάφορα εξαρτήματα του στεγνωτήρα μαλλιών ως εισαγωγή για τον σχεδιασμό μιας ηλεκτρικής σκούπας. Υλικά (για 30 μαθητές) 1-6 πιστολάκια μαλλιών 30 μικροί κινητήρες 1,5-3V 30 Μπαταρίες 4,5V ή 3x1,5 V Χαρτί Χαρτόνι (προαιρετικό) Συνδετήρες χαρτιού (προαιρετικό) 2-3 Πένσες πλαγιοκόπτες (προαιρετικό) 2-3 Κόφτες καλωδίων (προαιρετικό) Καλώδιο Συνδετήρες χαρτιού Καλώδιο επέκτασης Λάστιχο Προετοιμασία Ετοιμάστε τα υλικά Ελέγξτε τις μπαταρίες Ζητήστε από τους μαθητές να φέρουν πιστολάκια μαλλιών. Βασικές ιδέες σε αυτό το μάθημα Μέθοδος εργασίας Ατομικά και σε ομάδες Να κατανοηθούν ποια μέρη είναι απαραίτητα σε μια ηλεκτρική σκούπα Να κατανοηθεί γιατί και πώς τα μέρη μπορούν να συνδεθούν Πλαίσιο και προϋπάρχουσες γνώσεις Στο Μάθημα 2, το στοιχείο "ρωτώ" της διαδικασίας μηχανικής επιβάλλει τη διερεύνηση του σεσουάρ μαλλιών. Σε αυτή τη διερεύνηση, οι μαθητές ανακαλύπτουν πώς λειτουργούν οι κινητήρες με ηλεκτρισμό και πώς μπορούν να σχεδιάσουν έναν ανεμιστήρα. Αυτές τις γνώσεις θα τις προσαρμόσουν αργότερα, προκειμένου να σχεδιάσουν μια ηλεκτρική σκούπα. 17

18 2.1 Εισαγωγική δραστηριότητα - ένα πιστολάκι μαλλιών - μικρές ομάδες - 20 λεπτά Αρχίστε εξηγώντας γιατί πρέπει να εξετάσετε ένα πιστολάκι μαλλιών,, ενώ η δοκιμασία του σχεδιασμού αφορά στην κατασκευή μιας ηλεκτρικής σκούπας. (Είναι πιο πρακτικό να εργαζόμαστε σε μικρότερη κλίμακα, που όμως μοιράζεται κάποια από τα γνωρίσματα του μηχανικού σχεδιασμού μιας ηλεκτρικής σκούπας). Δώστε ένα πιστολάκι μαλλιών σε κάθε ομάδα, αλλά κρατήστε ένα για να δείξετε στους μαθητές τα σημαντικά γνωρίσματα. Αφήστε τους μαθητές, σε ομάδες των 4-5 ατόμων, να δουν το πιστολάκι (χωρίς να το αποσυναρμολογήσουν) και να το επεξεργαστούν και κάντε τους ερωτήσεις, όπως: Τι μπορούν να δουν; Ποια εξαρτήματα απαιτούνται για να λειτουργήσει το σεσουάρ; Ο καθηγητής πρέπει να επισημάνει τα ακόλουθα μέρη, και να κάνει ερωτήσεις, όπως σε τι χρησιμεύει; Πού τοποθετείται; Θερμαντικό στοιχείο - Σε τι χρησιμεύει; Το θερμαντικό στοιχείο παράγει θερμότητα που μεταφέρεται στον αέρα. Ανεμιστήρας - Σε τι χρησιμεύει; Ο ανεμιστήρας χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει ροή αέρα στο σεσουάρ. Κινητήρας - Σε τι χρησιμεύει; Που τοποθετείται; Ομικρός ηλεκτρικός κινητήρας περιστρέφεται, προκαλώντας το γύρισμα του ανεμιστήρα. Καλώδια - Τι χρειάζονται; Η μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος. Διακόπτης - Σε τι χρησιμεύει; Τα απλούστερα μοντέλα διαθέτουν δύο διακόπτες, έναν για να ανάβουν και να σβήνουν και έναν να ελέγχει τον ρυθμό της ροής του αέρα. Ορισμένα μοντέλα διαθέτουν έναν επιπλέον διακόπτη που σας επιτρέπει επίσης να ρυθμίσετε τη θερμοκρασία της ροής του αέρα. Ηλεκτρική ενέργεια - Σε τι χρησιμεύει; Δώστε το ρεύμα που χρειάζεται για να περιστραφεί ο μικρός ηλεκτρικός κινητήρας, ο οποίος στη συνέχεια περιστρέφει τον ανεμιστήρα. Περίβλημα/θήκη - Σε τι χρησιμεύει; Όλα τα πιστολάκια μαλλιών έχουν κάποιο είδος αισθητήρα θερμότητας που διακόπτει το κύκλωμα και σβήνει τον κινητήρα όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει πάρα πολύ. Αυτό, όμως, δεν μπορεί να φανεί από έξω. Ο εκπαιδευτικός γράφει όλα τα μέρη που ονομάζουν οι μαθητές στον πίνακα. Εικόνα: Σεσουάρ μαλλιών. Εικόνα: η πίσω όψη ενός σεσουάρ. Εδώ παρατίθενται κάποιες φωτογραφίες ενός αποσυναρμολογημένου σεσουάρ και τα μέρη του - τον κινητήρα και τον ανεμιστήρα που συνδέεται με τον κινητήρα.

19 Εικόνα : ο ανεμιστήρας στο εσωτερικό του σεσουάρ. εσωτερικό του σεσουάρ. Εικόνα: κινητήρας στο 2.2 Θέστε τον κινητήρα σε λειτουργία - ατομική εργασία - 10 λεπτά Σημαντικό! Πριν ξεκινήσετε Ο εκπαιδευτικός εξηγεί τη διαφορά ανάμεσα στη χρήση της τάσης από τον τοίχο και από μια μπαταρία, αφού είναι σημαντικό να κατανοηθεί ότι: οι μαθητές δεν πρέπει ποτέ να πειραματίζονται με το ηλεκτρικό ρεύμα που φτάνει μέσω του τοίχου. Οι μπαταρίες είναι μόνο 4,5 V, ενώ η τάση στον τοίχο είναι 230V. Για αυτό η ασφάλεια έχει τεράστια σημασία όταν εργαζόμαστε με τον ηλεκτρισμό. Όταν όμως δουλεύουμε με μπαταρίες δεν υπάρχει κίνδυνος. Δώστε έναν κινητήρα και μια μπαταρία σε όλους τους μαθητές. Ρωτήστε τους αν μπορούν να κάνουν τον κινητήρα να περιστρέφεται. Οι ακροδέκτες της μπαταρίας πρέπει να συνδεθούν με τους πόλους επαφής του κινητήρα, προκειμένου να δημιουργηθεί ένα πλήρες ηλεκτρικό κύκλωμα. Εικόνα: μπαταρία και τον κινητήρα σε επαφή. επαφής. Εικόνα: κινητήρας με καλώδια στους πόλους Όταν ο εκπαιδευτικός βεβαιωθεί ότι όλοι κατάφεραν να θέσουν σε λειτουργία τον κινητήρα, θα ξέρει ότι οι μαθητές έχουν μάθει πώς να συνδέουν τις μπαταρίες στον κινητήρα. 19

20 Ρωτήστε τους μαθητές γιατί ο κινητήρας αρχίζει να δουλεύει όταν συνδέεται με την μπαταρία. Διευκρινίστε στους μαθητές ότι: Η μπαταρία έχει δύο ακροδέκτες, έναν αρνητικό και έναν θετικό. Όταν ο κινητήρας και η μπαταρία είναι σωστά συνδεδεμένα, το ρεύμα μπορεί να περάσει στον κινητήρα ο οποίος τίθεται σε λειτουργία. Τώρα έχουν ένα πλήρες κύκλωμα. Ένα πλήρες κύκλωμα είναι μια κλειστή διαδρομή μέσω της οποίας ρέει ή μπορεί να ρέει ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Εάν το κύκλωμα είναι σπασμένο, κανένα από τα συστατικά δεν λαμβάνει ρεύμα. Ιστορικά, η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος ορίζεται από το θετικό προς το αρνητικό τερματικό. (Η κίνηση των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα γίνεται προς την αντίθετη κατεύθυνση). Για να το πούμε πιο απλά, λέγεται ότι ο ηλεκτρισμός κινείται από τον θετικό προς τον αρνητικό πόλο/τερματικό. 2.3 Φτιάξτε έναν ανεμιστήρα - 20 λεπτά Τώρα ο εκπαιδευτικός δίνει στους μαθητές από μισή κόλλα χαρτιού Α4. Ζητήστε από τους μαθητές να δημιουργήσουν μια δύναμη, κατασκευάζοντας έναν ανεμιστήρα από χαρτί. (Μπορούν να διπλώσουν ή να σκίσουν το χαρτί και κατόπιν να το προσαρτήσουν στον κινητήρα.) Το σχέδιο του ανεμιστήρα δεν έχει σημασία, εφόσον φυσάει αέρα. Δείτε τις παρακάτω εικόνες. Αφήστε τους μαθητές να κοιτάξουν τα σχέδια άλλων ομάδων, για να πάρουν ιδέες για το πώς πρέπει να είναι ένας ανεμιστήρας. Εικόνα: ένα είδος ανεμιστήρα. Σχήμα: ο κινητήρας σε επαφή με την μπαταρία. Αν τα φτερά του χάρτινου ανεμιστήρα δεν μπορούν να σταθούν, πάρτε δύο μικρά λαστιχάκια, κάντε μια μικρή τρύπα με μία βελόνα στο πρώτο λαστιχάκι και στερεώστε το στον κινητήρα. Συγκρατήστε τον ανεμιστήρα χρησιμοποιώντας ένα άλλο λαστιχάκι. Σε αυτήν την άσκηση, οι μαθητές χρησιμοποιούν αποκλειστικά χαρτί. Το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στο πώς οι διαφορές στον σχεδιασμό αλλάζουν την αποτελεσματικότητα του ανεμιστήρα. Στο σχέδιο μιας ηλεκτρικής σκούπας, οι μαθητές είναι ελεύθεροι να χρησιμοποιήσουν άλλα υλικά. Ο κινητήρας μπορεί να άγει ηλεκτρισμό και προς τις δύο κατευθύνσεις, αλλά περιστρέφεται προς διαφορετικές κατευθύνσεις όταν αντιστρέφεται η θέση των πόλων. 20

21 Ρωτήστε τους μαθητές αν μπορούν να κάνουν τον ανεμιστήρα να γυρίζει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Δώστε τους κάποιο στοιχείο: αντιστρέψτε τη θέση των πόλων, ώστε το ρεύμα να κινείται προς την άλλη κατεύθυνση. 2.4 Φτιάξτε έναν διακόπτη - μικρές ομάδες - 20 λεπτά (δραστηριότητα επέκτασης) Υλικά (για 30 μαθητές) o 6-8 μικρούς κινητήρες 1,5-3V (έναν ανά ομάδα) o 6-8 μπαταρίες 4,5V ή 3x1,5 V o Κομμάτια χαρτόνι o Καλώδιο o Συνδετήρες χαρτιού o Διχαλωτοί συνδετήρες χαρτιού o 2-3 Πένσες Πλαγιοκόπτες o 2-3 Απογυμνωτές καλωδίων Οι μαθητές τώρα γνωρίζουν πώς να φτιάξουν ένα πλήρες κύκλωμα με έναν κινητήρα και μια μπαταρία. Αφήστε τους πρώτα να φτιάξουν ένα πλήρες κύκλωμα με μπαταρίες, καλώδια και τον κινητήρα. Στη συνέχεια, μπορούν να φτιάξουν έναν «διακόπτη», έτσι ώστε να μπορούν να ανάβουν και να σβήνουν τον κινητήρα. Πάρτε κομμάτια χαρτονιού. Κάντε δύο τρύπες στο χαρτόνι, έτσι ώστε να μπορούν να στερεωθούν απλοί και διχαλωτοί συνδετήρες χαρτιού. Κοιτάξτε την εικόνα. Στερεώστε τα ελεύθερα άκρα των καλωδίων, ένα σε κάθε συνδετήρα. Μετακινήστε τους συνδετήρες, έτσι ώστε να ακουμπούν/μην ακουμπούν ο ένας τον άλλον. Αυτός είναι ένας τρόπος για να ανάψει και να σβήσει η μηχανή. Εικόνα: ένας διακόπτης σε πλήρες κύκλωμα. Σε αυτήν την εικόνα, χρησιμοποιήσαμε λαμπτήρα αντί για κινητήρα. 2.5 Συμπέρασμα - Ολομέλεια - 10 λεπτά Συνοψίστε τους μαθησιακούς στόχους. Συζητήστε με τους μαθητές: Έχουν μάθει πώς να χρησιμοποιούν τις μπαταρίες, μικρούς κινητήρες και ανεμιστήρες; Μπορούν να εντοπίσουν και να περιγράψουν τα διάφορα μέρη μιας ηλεκτρικής σκούπας; 21

22 Συνοψίστε πώς να φτιάξετε ένα πλήρες κύκλωμα και προς ποια κατεύθυνση κινείται το ρεύμα. Ο εκπαιδευτικός μπορεί επίσης να δείξει πώς χρησιμοποιούμε σύμβολα για να περιγράψουμε κυκλώματα με διάφορα ηλεκτρικά εξαρτήματα: Κάποια από τα σύμβολα είναι τα εξής: Μ Κινητήρας Λαμπτήρας Ακολουθεί η σχηματική αναπαράσταση του κινητήρα, της μπαταρίας και του διακόπτη: Πηγή ενέργειας Διακόπτης Μάθημα 3 - Ας κατασκευάσουμε! Σχεδιάστε και κατασκευάστε τη δική σας ηλεκτρική σκούπα. Διάρκεια: 95 λεπτά (110 αν συμπεριληφθεί η προαιρετική δραστηριότητα) Στόχοι: σε αυτό το μάθημα οι μαθητές θα μάθουν πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας κινητήρας με έναν ανεμιστήρα για να μετακινηθεί ο αέρας μέσω ενός σωλήνα, την αξία της ομαδικής εργασίας για την επίτευξη δημιουργικών λύσεων σε κάποιο δύσκολο πρόβλημα, την αξιοποίηση του ΚΜΣ για την επιτυχημένη κατασκευή μιας ηλεκτρικής σκούπας που λειτουργεί. Υλικά (για 30 μαθητές) 10 Κινητήρες (1,5V-3V) 10 Μπαταρίες (3 * 1,5V ή 4,5V) Θήκη μπαταρίας (ανάλογα με τις μπαταρίες στο Φύλλο εργασίας 1). Φύλλο εργασίας 1 Σχέδιο ΚΜΣ. Φύλλο εργασίας 2 Καλώδιο (Συμπαγούς πυρήνα) 10 Πλαστικά μπουκάλια Χαρτόνι, με διαφορετικό πάχος και όψη Καλαμάκια για γλειφιτζούρια Προετοιμασία Ετοιμάστε αντίγραφα του φύλλου εργασίας 2 Ετοιμάστε τα υλικά κατασκευής Αφρώδες ελαστικό Συνδετήρες χαρτιού Λάστιχο (φαρδύ) Στρογγυλά υπολείμματα από χαρτί που μένουν στον διακορευτή 1 Πριόνι 1 πιστόλι κόλλας 1-2 Απογυμνωτές καλωδίων 1-2 Πένσες Πλαγιοκόπτες Αυτοκόλλητη ταινία 6 Ψαλίδια Μέθοδος εργασίας Σε μικρές ομάδες 2-3 μαθητών 22

23 Βασικές ιδέες σε αυτό το μάθημα Αξιοποίηση της Διαδικασίας Μηχανικής Σχεδίασης για τη δημιουργία μιας ηλεκτρικής σκούπας Πλαίσιο και προϋπάρχουσες γνώσεις Σε ομάδες, οι μαθητές εργάζονται χρησιμοποιώντας μια σειρά βημάτων που ονομάζεται Διαδικασία Μηχανικής Σχεδίασης, προκειμένου να σχεδιάσουν μια ηλεκτρική σκούπα. Κύριος στόχος του συγκεκριμένου μαθήματος είναι οι μαθητές να δημιουργήσουν ένα αντικείμενο, ώστε να λύσουν κάποιο πρόβλημα. Ανατρέξτε πίσω στην ιστορία / κινούμενα σχέδια στο μάθημα 1. Σε αυτό το μάθημα οι μαθητές διέρχονται από τα στάδια «φαντάζομαι», «σχεδιάζω», «δημιουργώ» και «βελτιώνω». Χρησιμοποιούν τις επιστημονικές πληροφορίες που επεξεργάστηκαν στο μάθημα 2 για να ανταποκριθούν στην πρόκληση. 23

24 3.1 Εισαγωγική δραστηριότητα - όλη η τάξη - 5 λεπτά Ερώτηση στους μαθητές: Πώς μπορούμε τώρα να χρησιμοποιήσουμε όσα γνωρίζουμε για τον ηλεκτρισμό, τις μπαταρίες, τους κινητήρες και τους ανεμιστήρες, αλλά και τη δημιουργικότητά μας, για να σχεδιάσουμε και να κατασκευάσουμε τη δική μας ηλεκτρική σκούπα; Το μάθημα είναι δομημένο γύρω από τη διαδικασία της μηχανικής σχεδίασης, ώστε να εξασφαλιστεί ότι οι μαθητές έχουν ετοιμάσει το δικό τους σχέδιο ΔΜΣ (Διαδικασίας μηχανικής Σχεδίασης) από τα δύο προηγούμενα μαθήματα. Ανατρέξτε στην ιστορία και το πρόβλημα του Μαθήματος 1. Πείτε στους μαθητές ότι τώρα είναι η ώρα να αναλάβουν την πρόκληση του σχεδιασμού. Στη συνέχεια ενημερώστε τους για τη δοκιμασία του σχεδιασμού. Η δραστηριότητα απαιτεί από τους μαθητές να κατασκευάσουν και να σχεδιάσουν μια ηλεκτρική σκούπα σε ομάδες. Χωρίστε την τάξη σε ομάδες 4-5 μαθητών, φροντίζοντας κάθε ομάδα να έχει μια καλή αναλογία των δύο φύλων και επιδόσεων. Η εργασία ολοκληρώνεται όταν η ηλεκτρική σκούπα ρουφήξει όλα τα σκουπιδάκια. Μιλήστε στους μαθητές για τη δοκιμασία του σχεδιασμού και κατόπιν ξεκινήστε να εργάζεστε ακολουθώντας τα βήματα στη διαδικασία μηχανικής σχεδίασης, το σχέδιο ΔΜΣ. Είναι σημαντικό οι μαθητές να καταγράφουν τη δουλειά τους στο σχέδιο ΔΜΣ. Επίσης, μπορούν να τραβούν φωτογραφίες της προόδου που σημειώνουν κατά την κατασκευή της ηλεκτρικής σκούπας. 3.2 Δοκιμασία μηχανικής σχεδίασης - Στάδια ρωτώ, φαντάζομαι και σχεδιάζω - μικρές ομάδες - 15 λεπτά Ρωτήστε - τι πρέπει να ξέρουν οι μαθητές; Παράδειγμα: Τι υλικό μπορούν να χρησιμοποιούν; Τι είδους σκόνη θα μπορεί να μαζέψει η ηλεκτρική τους σκούπα; Κριτήρια: Η μηχανή πρέπει να λειτουργεί με μπαταρίες και τον κινητήρα, αλλά οι μαθητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν και άλλα υλικά, όπως πλαστικά μπουκάλια κ.λπ. Τα κριτήρια της επιτυχίας είναι τα εξής: Αν μπορεί να ρουφήξει σκόνη ή τα κομματάκια χαρτιού που έμειναν από τον διακορευτή, τότε είναι επιτυχημένη. Φανταστείτε - Ρωτήστε τους μαθητές να φανταστούν διάφορες λύσεις σε διάφορα θέματα, όπως το μέγεθος της ηλεκτρικής σκούπας, την αποθήκευσή της, την τοποθέτηση της μπαταρίας κ.λπ.: Δώστε τους έναν κατάλογο των υλικών που μπορούν να χρησιμοποιήσουν. Το στάδιο της συζήτησης είναι επίσης σημαντικό. Σχεδιάστε - αφήστε κάθε ομάδα να αποφασίσει υπέρ μίας λύσης και αρχίστε να σχεδιάζετε την κατασκευή της. Πείτε στους μαθητές ότι δεν χρειάζεται να δημιουργήσουν φίλτρα ή σακούλα σκούπας. Θα είναι αρκετό αν μπορέσουν να ρουφήξουν τη σκόνη στο εσωτερικό του καλύμματος της σκούπας. Συμβουλή και προειδοποίηση! - Το στάδιο της κατασκευής μπορεί να είναι αρκετά δύσκολο για τους μαθητές. Είναι καλή ιδέα ο εκπαιδευτικός να φτιάξει μια ηλεκτρική σκούπα πριν το μάθημα και να την έχει εκεί, έτσι ώστε οι μαθητές να μπορούν να δουν πώς είναι το

25 τελειωμένο προϊόν. Ωστόσο, τονίστε τους ότι είναι σημαντικό να εργάζονται με τον δικό τους τρόπο. Υπάρχουν περισσότεροι τρόποι τους ενός για την κατασκευή μιας ηλεκτρικής σκούπας. Πριν ξεκινήσετε τη δραστηριότητα, ο εκπαιδευτικός πρέπει να δείξει στην τάξη πώς να συνταιριάζει τα υλικά. Η πρότασή μας είναι ο εκπαιδευτικός να δείξει πώς θα συγκρατηθεί ο κινητήρας. Δείτε παραδείγματα παρακάτω, στο σημείο 4. Επίσης, ο εκπαιδευτικός πρέπει να δείξει πώς θα χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια τα εργαλεία: Δείξτε στους μαθητές πώς μπορούν να κόψουν ένα πλαστικό μπουκάλι. Να είσαστε προσεκτικοί όταν χρησιμοποιείτε ψαλίδι και πριόνι. Και τα δύο έχουν κοφτερές λεπίδες. Θυμίστε στους μαθητές πώς να χρησιμοποιήσουν την πένσα και τους απογυμνωτές καλωδίων. 3.3 Σχεδιασμός και δημιουργία - μικρές ομάδες - 60 λεπτά Δημιουργήστε - κάθε ομάδα πρέπει να σχεδιάσει και να φτιάξει μια ηλεκτρική σκούπα. Θυμίστε στους μαθητές ότι μπορούν να καταγράφουν την εργασία/πρόοδό τους με φωτογραφίες. Το κάλυμμα/περίβλημα/θήκη Το κάλυμμα μπορεί να κατασκευαστεί από διαφορετικά είδη μπουκαλιών. Αφήστε τους μαθητές να αποφασίσουν το σχέδιο του καλύμματος. Τα πλαστικά μπουκάλια, όπως τα μπουκάλια νερού/σόδας, κόβονται ευκολότερα με ψαλίδι ή μαχαίρι. Μπορείτε όμως να χρησιμοποιήσετε οποιοδήποτε πλαστικό μπουκάλι. Για να κάνουν μια τρύπα, οι μαθητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν είτε ψαλίδι είτε πριόνι. Σχήμα : κοπή του μπουκαλιού. Σχεδιάστε έναν ανεμιστήρα και στερεώστε τον στον κινητήρα. Ο ανεμιστήρας μπορεί να κατασκευαστεί από πολλά διαφορετικά υλικά. Ένα υλικό που δουλεύεται και προσαρμόζεται εύκολα είναι το χαρτόνι. Το χαρτόνι μπορεί να είναι διαφορετικού πάχους και όψης: μπορεί να προέρχεται από συσκευασίες, όπως κουτιά δημητριακών, κ.λπ. Αφήστε τους μαθητές να σχεδιάσουν τον ανεμιστήρα και κατόπιν προσαρμόστε τον στον κινητήρα. Αν ο ανεμιστήρας δεν σταθεροποιείται πάνω στον κινητήρα, χρησιμοποιήστε κομμάτια λάστιχου ή αυτοκόλλητη ταινία για να τον σταθεροποιήσετε. Δοκιμάστε τον ανεμιστήρα. 25

26 Αφήστε τους μαθητές να δοκιμάσουν τον ανεμιστήρα και τον κινητήρα πριν αρχίσουν να στερεώνουν τον κινητήρα στο κάλυμμα. Στο σημείο αυτό οι μαθητές μπορούν να αξιοποιήσουν τις προηγούμενες γνώσεις τους για να συνδέσουν τον κινητήρα στις μπαταρίες. Αν ο ανεμιστήρας χωράει μέσα στο καπάκι και αρχίσει να ρουφάει σκόνη ή σωματίδια, τότε μπορούν να συνεχίσουν. Αν δεν ρουφάει, αλλά αντίθετα φυσάει αέρα, προσπαθήστε να αντιστρέψετε τους πόλους που συνδέονται με την μπαταρία. Τότε ο κινητήρας θα αρχίσει να περιστρέφεται προς την άλλη κατεύθυνση και καλώς εχόντων των πραγμάτων θα ρουφάει αντί να φυσάει. Αν ο ανεμιστήρας είναι πολύ μεγάλος, θα πρέπει να προσαρμόσετε τον ανεμιστήρα πριν συνεχίσετε. Αν κρατήσετε το ένα χέρι στο πίσω μέρος του καλύμματος, θα αισθανθείτε τι συμβαίνει. Σχήμα: δοκιμάστε την ηλεκτρική σκούπα. Στερεώστε τον κινητήρα. Υπάρχουν πολλοί τρόποι να στερεώσετε έναν κινητήρα. Η ομάδα μπορεί να κρατάει τον κινητήρα με τα δάχτυλα ή να επιλέξει να τον στερεώσει στο κάλυμμα. Παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένα παραδείγματα του πώς μπορούν να τον στερεώσουν. Εικόνα: ηλεκτρική σκούπα με καλαμάκια για γλειφιτζούρια και κόλλα. 26

27 Εικόνα: ηλεκτρική σκούπα με αφρώδες ελαστικό. Συμβουλή - Θυμηθείτε ότι ο αέρας πρέπει να μπορεί να περάσει μέσω του υλικού του καλύμματος: αν χρειαστεί, κάντε μικρές τρύπες για να περνάει ο αέρας Εικόνα: μικρές τρύπες για να διέρχεται ο αέρας Στερεώστε την μπαταρία/τη θήκη με τις μπαταρίες Η μπαταρία/θήκη με μπαταρίες μπορεί να δεθεί στο εξωτερικό του μπουκαλιού. Οι μαθητές μπορούν να χρησιμοποιούν τις γνώσεις τους για το πώς να γυμνώνουν καλώδια και να συνδέουν την μπαταρία στον κινητήρα. Εικόνα: η μπαταρία μπορεί να δεθεί στην εξωτερική πλευρά του μπουκαλιού. Κατασκευή διακόπτη (πρόσθετη προαιρετική δραστηριότητα 15 λεπτών) Οι μαθητές μπορούν να σχεδιάσουν έναν διακόπτη με τον οποίο η ηλεκτρική σκούπα θα ανάβει και θα σβήνει. Οι μαθητές μπορούν να αξιοποιήσουν τις προηγούμενες γνώσεις τους για τα κυκλώματα (πλήρη ή μη) και υλικά που μπορούν/δεν μπορούν να άγουν τον ηλεκτρισμό). Εικόνα: ηλεκτρική σκούπα με διακόπτη. 27

28 Βελτιώστε - Ζητήστε από τις ομάδες να συζητήσουν πόσο επιτυχημένο ήταν το αποτέλεσμα της δουλειάς τους και αν υπάρχουν προφανή σημεία που επιδέχονται βελτίωση. Θυμίστε στους μαθητές να συμπληρώσουν το Φύλλο Εργασίας 1 και το σχέδιο ΔΜΣ αν προτείνουν κάποια βελτίωση ή έχουν νέες ιδέες και ερωτήσεις. 3.4 Συμπέρασμα - Ολομέλεια - 15 λεπτά Συνοψίστε τους μαθησιακούς στόχους. Συζητήστε με τους μαθητές τι έμαθαν σχετικά με το πώς λειτουργεί μια ηλεκτρική σκούπα, πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας ανεμιστήρας για να κινείται ο αέρας μέσα σε σωλήνα και πώς να δημιουργούν και να ελέγχουν ηλεκτρικές σκούπας διαφόρων μορφών. Όταν οι μαθητές ολοκληρώσουν τις κατασκευές τους, αφήστε τους να καθαρίσουν την τάξη. Στη συνέχεια, πείτε τους ότι στο επόμενο μάθημα θα δείξουν-παρουσιάσουν τα σχέδιά τους στην υπόλοιπη τάξη. 28

29 Μάθημα 4 - Πώς το κάναμε; Ανταποκριθήκαμε στη δοκιμασία; Διάρκεια: 75 λεπτά Στόχοι, σε αυτό το μάθημα οι μαθητές θα μάθουν: ότι υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι για την επίλυση ενός προβλήματος μηχανικής, ότι ο έλεγχος και αξιολόγηση με συγκεκριμένα κριτήρια είναι σημαντικές πτυχές του ΔΜΣ, ότι η επιτυχημένη μηχανική βασίζεται σε καλές επιστημονικές γνώσεις. Υλικά (για 30 μαθητές) οι ηλεκτρικές σκούπες που σχεδίασαν Προετοιμασία Οι μαθητές πρέπει να φέρουν τις ηλεκτρικές σκούπες που σχεδίασαν στο προηγούμενο μάθημα Μέθοδος εργασίας Εργασία σε ομάδες και με όλη την τάξη Βασικές ιδέες σε αυτό το μάθημα Σε αυτό το μάθημα οι μαθητές στοχάζονται και αναλύουν τη ΔΜΣ και τις κατασκευές τους με βάση τα προσυμφωνημένα κριτήρια. Επίσης, σκέφτονται ποιες επιστημονικές έννοιες αξιοποίησαν. Πλαίσιο και προϋπάρχουσες γνώσεις Σε αυτό το μάθημα αξιολογείται η διαδικασία και το προϊόν. Ανταποκριθήκαμε στη δοκιμασία; Πώς εφάρμοσαν τις επιστημονικές γνώσεις που απέκτησαν οι μαθητές και πώς εργάστηκαν με τον κύκλο σχεδιασμού; Αυτή είναι η κατάλληλη στιγμή για να παρουσιάσουν τη λύση στο πρόβλημα και να νιώσουν περήφανοι για όσα έμαθαν και δημιούργησαν. 29

30 4.1 Εισαγωγική δραστηριότητα - όλη η τάξη - 5 λεπτά Κάθε ομάδα έχει μία ηλεκτρική σκούπα που σχεδίασε και κατασκεύασε. Σε αυτό το μάθημα, η τάξη συζητάει τις διαφορετικές λύσεις που κατασκεύασαν και αξιολογεί τα προϊόντα. Ο εκπαιδευτικός θα πρέπει να εξηγήσει στους μαθητές πώς θα πρέπει να κάνουν την παρουσίασή τους στην τάξη και πόσο χρόνο θα έχει κάθε ομάδα. 4.2 Παρουσίαση της εργασίας - όλη η τάξη - 60 λεπτά Κάθε ομάδα πρέπει να μιλήσει στην υπόλοιπη τάξη για την ηλεκτρική της σκούπα. Ο εκπαιδευτικός μπορεί να προάγει τη συζήτηση με τις εξής ερωτήσεις: Υπάρχει κάτι που μπορείτε να βελτιώσετε; Είχε κανείς κάποιο πρόβλημα επειδή η σκούπα δεν τράβαγε αρκετό αέρα; Από πού εισέρχεται και εξέρχεται ο αέρας; Χρειάζεται να εξέλθει ο αέρας; Γιατί η σκόνη μπαίνει στη σκούπα; Είχε κανείς πρόβλημα με την κατεύθυνση της ροής του αέρα; Πώς το επιλύσατε; Ποια είναι η βασική διαφορά μεταξύ ενός σεσουάρ και μιας ηλεκτρικής σκούπας; Πώς ανάβετε και σβήνετε την ηλεκτρική σκούπα; Έχετε όλοι το ίδιο σχέδιο/λύση ή υπάρχουν διαφορετικά σχέδια; Γιατί ανάβει και σβήνει η σκούπα; Γιατί οι περισσότερες ηλεκτρικές σκούπες έχουν σακούλα σκόνης και φίλτρα; Ορθές λέξεις και όροι που πρέπει να χρησιμοποιούν οι μαθητές: Διακόπτης Κινητήρας Ανεμιστήρας Ηλεκτρικά καλώδια Μπαταρία Κύκλωμα 4.3 Συμπέρασμα - Ολομέλεια - 10 λεπτά Συνοψίστε τους μαθησιακούς στόχους. Συζητήστε με τους μαθητές τι έμαθαν για τους διαφορετικούς τρόπους επίλυσης των προβλημάτων με τη ΔΜΣ. Τι έμαθαν κατά την κατασκευή της ηλεκτρικής τους σκούπας; Έχουν κατανοήσει κάτι που δεν καταλάβαιναν πριν; Συζητήστε τι γνώσεις φυσικής κατέκτησαν και έθεσαν σε εφαρμογή κατά την κατασκευή της ηλεκτρικής τους σκούπας. Τέλος, η ενότητα τους ενέπνευσε να εργαστούν ως ηλεκτρολόγοι μηχανικοί; 30

31 Παραρτήματα Κύκλος μηχανικής σχεδίασης 31

32 Ιστορία για τον προσδιορισμό του πλαισίου Ένα εκπληκτικό πάρτι για το τέλος της σχολικής χρονιάς που κάνατε στην τάξη σας μόλις τελείωσε. Δυστυχώς, χρησιμοποιήθηκαν πολλά κονφετί και η αίθουσα έγινε χάλια. Η καθαρίστρια λείπει με άδεια και έχει πάρει μαζί της όλα τα σύνεργα καθαριότητας. Δεν υπάρχει φαράσι και σκούπα και, όπως φαίνεται, θα χρειαστεί πολύ ώρα για να καθαριστεί η αίθουσα. Έχετε βρει κάποιους κινητήρες, ηλεκτρικά καλώδια, μπαταρίες και χαρτί στην ντουλάπα του εξοπλισμού φυσικών επιστημών. Επίσης, έχετε βρει πολλά άδεια πλαστικά μπουκάλια από το πάρτι. Ένα από τα παιδιά πρότεινε να χρησιμοποιήσετε σεσουάρ για να φυσήξετε τα κονφετί, αλλά αυτό θα δημιουργούσε ακόμα μεγαλύτερη ακαταστασία. Μπορείτε να γίνετε ηλεκτρολόγος μηχανικός, για να σχεδιάσετε, να κατασκευάσετε και να δοκιμάσετε μια κατάλληλη συσκευή καθαρισμού που θα ρουφήξει όλα τα σκουπίδια και θα σας επιτρέψει να γυρίσετε σπίτι πριν περάσει πολύ η ώρα; 32

33 Φύλλο εργασίας 1 Μάθημα 0 - Μηχανική; 33

34 Φύλλο εργασίας 1 Μάθημα 0 - Μηχανική; - Σημειώσεις του εκπαιδευτικού Οι εικόνες στο φύλλο εργασίας επιδιώκουν να δώσουν ώθηση στη συζήτηση των μαθητών αναφορικά με το τι είναι η μηχανική, τι κάνουν οι μηχανικοί και ποιος θα μπορούσε να απασχολείται στις διάφορες κατηγορίες μηχανικής. Οι εικόνες της αράχνης και του σαλιγκαριού παρουσιάζουν κάποιες ενδιαφέρουσες προκλήσεις. Οι μαθητές θα μπορούσαν, για παράδειγμα, να αποφασίσουν ότι η αράχνη «μηχανεύεται» έναν ιστό, κάτι που θα μπορούσε να συσχετιστεί με παραδείγματα «μηχανικής» άλλων ζώων (όπως του κάστορα που χτίζει ένα φράγμα). Μια ενδιαφέρουσα παρατήρηση που μπορεί να γίνει είναι ότι είναι πιο συνηθισμένο να σκέφτεται κανείς τη μηχανική στο πλαίσιο του τεχνητού κόσμου. Μπορούμε, ωστόσο, να μάθουμε από την παρατήρηση της φύσης και του περιβάλλοντος. Για παράδειγμα, το υλικό που χρησιμοποιούν οι αράχνες για την κατασκευή του ιστού έχει αντιγραφεί για την κατασκευή ενός πολύ ανθεκτικού υλικού (Kevlar) που διαθέτει πολλές χρήσιμες ιδιότητες. Παρομοίως, το σαλιγκάρι έχει αναπτύξει μια χρήσιμη στρατηγική για να ταξιδεύει σε τραχιές επιφάνειες, ώστε να προστατεύει το σώμα του από τραυματισμούς. Ένα ενδιαφέρον ερώτημα είναι αν αυτό θα ήταν χρήσιμο για την επίλυση κάποιου προβλήματος στον κόσμο των ανθρώπων (ένα καλό παράδειγμα είναι το Velcro που αναπτύχθηκε από τους αγκαθωτούς καρπούς του φυτού κολιτσίδα). Τα παιχνίδια θα μπορούσαν επίσης να θεωρηθούν ως παραδείγματα μηχανικής, εφόσον επιδεικνύουν την εφαρμογή οδοντωτών μηχανισμών, αλλά θα είχε ενδιαφέρον να ρωτήσετε από τι υλικά κατασκευάζονται και από ποιον. Αυτό πιθανότατα θα αναδείξει κάποια ζητήματα σχετικά με τα δύο φύλα (πολλοί μαθητές πιθανώς θα πιστεύουν ότι κατασκευάζονται για παιδιά από σχεδιαστές παιχνιδιών που είναι άνδρες). Ένα παρεμφερές θέμα μπορεί να προκύψει όταν οι μαθητές συζητούν για κάποιο πλεκτό ρούχο ή μαγειρεμένο γεύμα - πιθανώς να πιστεύουν ότι δημιουργούνται αποκλειστικά από γυναίκες και ότι δεν είναι προϊόντα μηχανικής. Κάποιες από τις άλλες φωτογραφίες γλυπτών και έργων τέχνης ενδεχομένως δεν θεωρούνται ως παραδείγματα μηχανικής ή ως έχοντα κάποια πραγματικό πρακτικό λόγο ύπαρξης. Έτσι, προκύπτει ένα ερώτημα σχετικά με τη σχέση μεταξύ της μηχανικής και της τέχνης και αν τελικά κάθε τεχνητό αντικείμενο πρέπει να εξυπηρετεί κάποιον πρακτικό σκοπό, προκειμένου να υπολογίζεται ως προϊόν μηχανικής. Οι εικόνες επιδιώκουν τη διέγερση του ενδιαφέροντος και του διαλόγου σχετικά με τη μηχανική. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια συζήτηση αναφορικά με το τι περιλαμβάνει η μηχανική, όπου θα μπορούσατε να εισάγετε την έννοια του Κύκλου Μηχανικής Σχεδίασης. 34

35 Φύλλο εργασίας 1 Μάθημα 1-4- τεκμηρίωση της διαδικασίας ΚΜΣ Όνομα: Ημερομηνία: Ρωτήστε Ποιο είναι το πρόβλημα; Ποιες είναι οι ανάγκες; Τι έχουν κάνει οι άλλοι; Φανταστείτε Ποιοι περιορισμοί υπάρχουν; Ποιες είναι οι πιθανές λύσεις; Σκεφτείτε ιδέες. Επιλέξτε την καλύτερη. Σχεδιάστε Φτιάξτε ένα διάγραμμα/εικόνα/σχήμα ή αποτυπώστε γραπτώς τις ιδέες σας. Φτιάξτε έναν κατάλογο των υλικών που θα χρειαστείτε. Δημιουργήστε Ακολουθήστε το σχέδιό σας και κατασκευάστε το αντικείμενο. Βελτιώστε Ελέγξτε το. Κάντε αλλαγές για να το βελτιώσετε κάντε το σχέδιό σας ακόμα καλύτερο. Ελέγξτε το. 35

36 Ρωτήστε Σημειώστε γραπτά όλες τις ερωτήσεις και τις απαντήσεις σας. Φανταστείτε Καταιγισμός ιδεών. Ποιες λύσεις προτείνετε; Πώς θα σχεδιάσετε την ηλεκτρική σας σκούπα; Ποια μέρη πρέπει να χρησιμοποιήσετε; Πώς θα συνδέσετε τα κομμάτια; Μέγεθος; Πρακτικές λύσεις; κ.λπ. Αποτυπώστε γραπτώς/ζωγραφίστε τις ιδέες σας. 36

37 Σχεδιάστε Ζωγραφίστε μια εικόνα/σχέδιο/διάγραμμα της καλύτερης σας ιδέας στο στάδιο «Φαντάζομαι». Εξηγήστε τις λεπτομέρειες και γράψτε τα υλικά που θα χρειαστείτε για να κατασκευάσετε το αντικείμενο. Δημιουργήστε Συμβουλή! τραβήξτε φωτογραφίες κατά τη διάρκεια της κατασκευής. Δοκιμάστε το! Τι συνέβη όταν δοκιμάσατε το σχέδιό σας; Ποια μέρη λειτούργησαν καλά; Πώς το ξέρετε; Ποια μέρη δεν λειτούργησαν; Γιατί; Πώς θα μπορούσατε να βελτιώσετε το σχέδιό σας; Βελτιώστε Ποια μέρη του σχεδίου σας χρειάζονταν βελτίωση; Πώς το ξέρετε; Ζωγραφίστε/αποτυπώστε γραπτώς ή βγάλτε μια φωτογραφία του βελτιωμένου σχεδίου σας. Περιγράψτε τις βελτιωτικές αλλαγές 37

38 Φύλλο Εργασίας 2 Μάθημα 3 - σχεδιασμός και κατασκευή της δικής σας ηλεκτρικής σκούπας Όνομα: Ημερομηνία: a. Ετοιμάστε το σχέδιο της ΔΜΣ με τα βήματα «ρωτώ», «φαντάζομαι» και «σχεδιάζω». b. Τώρα είναι η ώρα να δημιουργήστε, να φτιάξετε τη δική σας ηλεκτρική σκούπα. Παρακάτω, ακολουθεί μια περιγραφή που μπορείτε να ακολουθήσετε. Μπορείτε όμως να φτιάξετε και το δικό σας σχέδιο. c. Θυμηθείτε να καταγράφετε κάθε βήμα της διαδικασίας κατασκευής, είτε κρατώντας σημειώσεις είτε τραβώντας φωτογραφίες. d. Αν χρειαστεί να κάνετε αλλαγές, αν έχετε καινούργιες ιδέες ως προς το σχέδιο ή περισσότερες ερωτήσεις που πρέπει να απαντηθούν για να μπορέσετε να ξεκινήσετε ή να προχωρήσετε στην κατασκευή της σκούπας, κοιτάξτε στο σχέδιο της ΔΜΣ, πηγαίνετε πίσω σε αυτό το βήμα και καταγράψτε το (τεκμηρίωση). e. Η εργασία ολοκληρώνεται όταν η ηλεκτρική σκούπα απορροφά κάθε σκουπίδι. 1. Το κάλυμμα/περίβλημα/θήκη Το κάλυμμα μπορεί να κατασκευαστεί από διαφορετικά είδη μπουκαλιών. Διαλέξτε ένα μπουκάλι που η ομάδα σας συμφώνησε να χρησιμοποιηθεί όταν οργανώνατε την κατασκευή και αρχίστε να σχεδιάζετε. Για να κάνετε την πρώτη τρύπα θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε ένα πριόνι και στη συνέχεια ψαλίδι. Να είσαστε προσεκτικοί! Τα ψαλίδια και τα πριόνια είναι κοφτερά. 38

39 2. Σχεδιάστε έναν ανεμιστήρα και στερεώστε τον στον κινητήρα. Σχεδιάστε έναν ανεμιστήρα και στερεώστε τον στον κινητήρα. Αν ο ανεμιστήρας δεν σταθεροποιείται πάνω στον κινητήρα, χρησιμοποιήστε κομμάτια λάστιχου στις δύο πλευρές του ανεμιστήρα. 3. Δοκιμάστε τον ανεμιστήρα. Δοκιμάστε τον ανεμιστήρα και τον κινητήρα πριν αρχίσετε να στερεώνετε τον κινητήρα στο κάλυμμα. Συνδέστε τις μπαταρίες στον κινητήρα. Αν ο ανεμιστήρας χωράει μέσα στο κάλυμμα και αρχίζει να ρουφάει τα «μικρά κομματάκια χαρτιού», μπορείτε να περάσετε στο επόμενο βήμα, το 4. Αν δεν ρουφάει, αλλά αντίθετα φυσάει αέρα, προσπαθήστε να αντιστρέψετε τους πόλους που συνδέονται με την μπαταρία. Αν ο ανεμιστήρας είναι πολύ μεγάλος, θα πρέπει να προσαρμόσετε τον ανεμιστήρα πριν συνεχίσετε. 4. Στερεώστε τον κινητήρα. Υπάρχουν πολλοί τρόποι να στερεώσετε έναν κινητήρα. Μπορεί να επιλέξετε με την ομάδα σας να κρατάτε τον κινητήρα με τα δάχτυλα ή να τον στερεώσετε στο κάλυμμα. Θυμηθείτε ότι πρέπει να μπορεί ο αέρας να περάσει μέσα από το υλικό και ίσως να χρειαστεί να κάνετε κάποιες μικρές τρύπες. Προσπαθήστε να κρατήσετε το χέρι σας στο πίσω μέρος του καλύμματος και να δείτε τι θα συμβεί. 5. Στερεώστε την μπαταρία/τη θήκη με τις μπαταρίες Η μπαταρία/θήκη με μπαταρίες μπορεί να δεθεί στο εξωτερικό του μπουκαλιού. Χρησιμοποιήστε τις γνώσεις σας για να συνδέσετε τα καλώδια. Θυμηθείτε να τεκμηριώσετε την εργασία σας και να συμπληρώνετε το φύλλο εργασίας 1, και τη ΔΜΣ κάθε φορά που έχετε μια καινούργια ιδέα, μια άλλη λύση ή / και βελτιωτική πρόταση. Όταν νιώσετε ικανοποιημένοι με την εργασία σας μπορείτε να αναπτύξετε/να κατασκευάσετε έναν διακόπτη για την ηλεκτρική σκούπα σας. 6. Κατασκευή διακόπτη (προαιρετική) Χρησιμοποιήστε όσα γνωρίζετε για τους διακόπτες και φτιάξτε έναν για την ηλεκτρική σας σκούπα. 39

40 Σημειώσεις του εκπαιδευτικού για τον ηλεκτρισμό και τις ηλεκτρικές σκούπες Ορισμένες βασικές επιστημονικές έννοιες, γνώσεις και δεξιότητες που περιλαμβάνονται στο Μάθημα 2. κατασκευή ενός απλού ηλεκτρικού κυκλώματος που περιέχει μπαταρίες, καλώδια, κινητήρα (και ανεμιστήρα) και διακόπτη χρειάζεται ένα πλήρες κύκλωμα προκειμένου να ρέει το ηλεκτρικό κύκλωμα οι ακροδέκτες της μπαταρίας πρέπει να συνδεθούν με τους πόλους επαφής του κινητήρα, προκειμένου να δημιουργηθεί ένα πλήρες ηλεκτρικό κύκλωμα Η μπαταρία έχει δύο ακροδέκτες, έναν αρνητικό και έναν θετικό ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα με κινητήρα κάνει τον χάρτινο ανεμιστήρα να περιστρέφεται το σχέδιο του ανεμιστήρα μπορεί να επηρεάσει την αποτελεσματικότητά του ο κινητήρας μπορεί να άγει ηλεκτρισμό και προς τις δύο κατευθύνσεις και περιστρέφεται προς διαφορετικές κατευθύνσεις όταν αντιστρέφεται η θέση των πόλων. εάν το κύκλωμα «σπάσει», κανένα από τα συστατικά δεν λαμβάνει ρεύμα και δεν λειτουργεί υπάρχει διαφορά ανάμεσα στην τάση του ηλεκτρικού δικτύου (230V) και της τάσης της μπαταρίας (4,5V) χρησιμοποιούνται σύμβολα και διαγράμματα για την περιγραφή απλών ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Τι είναι ο ηλεκτρισμός και ποιο υλικό είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού; Η αρχαία ελληνική λέξη για το κεχριμπάρι είναι «ήλεκτρον», από την οποία προήλθε η λέξη «ηλεκτρισμός». Οι αρχαίοι Έλληνες διασκέδαζαν τρίβοντας μία ράβδο κεχριμπαριού σε ένα πανί και σηκώνοντας στη συνέχεια με αυτό φτερά, φύλλα, κ.ά. Δεν γνώριζαν, όμως, γιατί συνέβαινε αυτό. Ο ηλεκτρισμός είναι μορφή ενέργειας. Πρόκειται για μια ροή αρνητικού φορτίου που προκαλείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων. Όλα τα υλικά συντίθενται από άτομα. Κάθε άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα και στοιβάδες. Ο πυρήνας αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια. Γύρω από αυτές τις «στοιβάδες» κινούνται ηλεκτρόνια που είναι αρνητικά φορτισμένα. Αν θέλετε να εμβαθύνετε περισσότερο, συμβουλευτείτε την παρακάτω ιστοσελίδα: Σε ένα άτομο υπάρχουν τόσα πρωτόνια όσα και ηλεκτρόνια, κάτι που σημαίνει ότι είναι ουδέτερου φορτίου. Όταν η δύναμη που εξισορροπεί τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια διαταράσσεται από κάποια εξωτερική δύναμη, το άτομο μπορεί να κερδίσει ή να χάσει κάποιο ηλεκτρόνιο. Όταν ηλεκτρόνια «χάνονται» από ένα άτομο, η ελεύθερη κίνηση αυτών των ηλεκτρονίων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό φορτίο. Σε ορισμένα υλικά, όπως το νερό και τα μέταλλα, τα ηλεκτρόνια κινούνται εύκολα μέσω των υλικών. Αυτοί είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Στο χάλκινο καλώδιο, για παράδειγμα, κάποια ηλεκτρόνια δεν συνδέονται με συγκεκριμένα άτομα και μπορούν να κινούνται ελεύθερα σε μια θάλασσα ηλεκτρονίων. Γι' αυτό τα χάλκινα καλώδια προσφέρονται για την κατασκευή κυκλωμάτων. Σε άλλα υλικά, όπως τα πλαστικά και το κεχριμπάρι, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινηθούν τόσο εύκολα, και συνεπώς δεν επιτρέπουν τη ροή του ηλεκτρικού κυκλώματος. Ο ηλεκτρισμός μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα, φως και κίνηση. Ο ηλεκτρισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγχουμε τα τεχνολογικά επιτεύγματα. Μπορούμε να τον ανάψουμε και να τον σβήσουμε χρησιμοποιώντας διακόπτες και να μεταφέρει ενέργεια καλύπτοντας μεγάλες αποστάσεις. Ωστόσο, θεωρητικά, δεν μπορούμε να αποθηκεύσουμε ηλεκτρισμό. 40

41 Σχετικά με τα απλά ηλεκτρικά κυκλώματα Ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα είναι μια κλειστή διαδρομή μέσα στην οποία κινούνται τα ηλεκτρόνια. Φανταστείτε ένα απλό κύκλωμα κατασκευασμένο από μια μπαταρία, μια συσκευή ή κάποιο εξάρτημα (όπως μια μηχανή ή έναν λαμπτήρα) που συνδέονται με καλώδια. Τι προκαλεί την κίνηση των ηλεκτρονίων; Μέσα σε μια μπαταρία συντελείται μια χημική αντίδραση που δημιουργεί μια συσσώρευση ηλεκτρονίων στο ένα ακροδέκτη (την άνοδο) και ένα σχετικό έλλειμμα ηλεκτρονίων στον άλλον ακροδέκτη (κάθοδος). Αυτό επιφέρει μια ηλεκτρική διαφορά ανάμεσα στους δύο ακροδέκτες (δυνητική διαφορά). Όταν η μπαταρία είναι συνδεδεμένη, αυτή η διαφορά προκαλεί μια ροή αρνητικού φορτίου από τον έναν ακροδέκτη στον άλλον (από την άνοδο στην κάθοδο). Αυτή η ροή ηλεκτρικού φορτίου είναι αποτέλεσμα του ότι ηλεκτρόνια φορτίζονται αρνητικά και άρα θα απωθήσουν το ένα το άλλο, με αποτέλεσμα να κινούνται προς το μέρος όπου υπάρχει λιγότερο αρνητικό φορτίο (τελικά τη θετικά φορτισμένη κάθοδο). Κάθε εξάρτημα ή συσκευή σε ένα κύκλωμα θα δημιουργήσει μια αντίσταση στη ροή του αρνητικού φορτίου. Η κίνηση του αρνητικού φορτίου μέσω του εξαρτήματος θα προκαλέσει μεταφορά ενέργειας (ο λαμπτήρας και η μηχανή θα ανάψουν και θα θερμανθούν). Η μπαταρία είναι η κινητήρια δύναμη του κυκλώματος και, τελικά, όταν τα χημικά που προκαλούν τον διαχωρισμό του φορτίου εντός της μπαταρίας εξαντλούνται, «τελειώνει» και η μπαταρία. Ρεύμα, Τάση, Αντίσταση και Ισχύς Ρεύμα είναι η ροή των ηλεκτρονίων και, συνεπώς, η ροή του αρνητικού φορτίου εντός του κυκλώματος. Όσο μεγαλύτερη η κίνηση των ηλεκτρονίων, τόσο μεγαλύτερη ένταση του ρεύματος. Το ρεύμα μετριέται σε αμπέρ (A) και ορίζεται ως ο ρυθμός ροής του ηλεκτρικού φορτίου. Είναι μια μονάδα μέτρησης της ποσότητας του ηλεκτρικού φορτίου που διέρχεται ένα σημείο σε κάποιο ηλεκτρικό κύκλωμα ανά μονάδα χρόνου. Ιστορικά, η ροή του ρεύματος αντιπροσωπευόταν ως κινούμενη από το θετικό στον αρνητικό ακροδέκτη του κυκλώματος. Η κίνηση των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα γίνεται προς την αντίθετη κατεύθυνση (από τον αρνητικό προς τον θετικό πόλο). Το ρεύμα αρχίζει να ρέει τη στιγμή που η μπαταρία συνδέεται και ο διακόπτης κλείνει. Αν μετρήσετε το ρεύμα σε οποιοδήποτε σημείο ενός κυκλώματος θα είναι το ίδιο. Τάση είναι η διαφορά μεταξύ φορτίων. Η τάση μετριέται σε βολτ (V). Κάθε μπαταρία φέρει ένα ονομαστική τάση (στο Μάθημα 2 χρησιμοποιούμε μπαταρίες 1.5V και 4.5V). Η ονομαστική τάση δείχνει τη διαφορά στο φορτίο μεταξύ των ακροδεκτών της μπαταρίας. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά, τόσο μεγαλύτερη η «ώθηση» που η μπαταρία μπορεί να ασκήσει (μια μπαταρία 4.5V παρέχει 3 φορές περισσότερη «ώθηση» από μια μπαταρία 1.5V). Αυτή η διαφορά (ή «ώθηση») επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να κινούνται ώστε να προσπαθούν να αντισταθμίσουν αυτές τις διαφορές. Ένα καταλληλότερο όνομα για την τάση είναι δυνητική διαφορά. Αντίσταση εντός του κυκλώματος εμποδίζει τη ροή του ρεύματος και επιφέρει μια βραδύτερη κίνηση των ηλεκτρονίων. Οποιεσδήποτε συσκευές ή εξαρτήματα (όπως ένας λαμπτήρας ή κινητήρας) δημιουργούν αντίσταση στη ροή του ρεύματος. Αν η συσκευή λειτουργεί, η «ώθηση» από την μπαταρία πρέπει να είναι αρκετά ισχυρή, ώστε να υπερβεί την αντίσταση που δημιουργεί η συσκευή. Αυτό σημαίνει ότι οι συσκευές συνήθως φέρουν μια ονομαστική τάση που πρέπει να αντιστοιχείται σε μπαταρία κατάλληλης ονομαστικής τάσης. Η αντίσταση μετριέται σε ohm (Ω). Η ισχύς αναφέρεται στην τιμή της μεταφοράς ενέργειας. Οι λαμπτήρες που χρησιμοποιούμε στα σπίτια μας έχουν ισχύ μετριέται σε watt (W). Το watt είναι ίσο με ένα joule ενέργειας ανά δευτερόλεπτο. Σχετικά με τις ηλεκτρικές σκούπες Η λέξη «ηλεκτρική σκούπα» δεν επιτρέπει να μαντέψουμε πολλά για το πώς λειτουργεί το μηχάνημα: η ηλεκτρική σας σκούπα λειτουργεί με αναρρόφηση. Πράγματι, η λέξη «καθαριστής αναρρόφησης» θα ήταν 41

42 πιο εύστοχη από ότι «ηλεκτρική σκούπα», επειδή δεν υπάρχει κυριολεκτικά σκούπα. Το μηχανικό/ηλεκτρικό μέρος είναι στην πραγματικότητα ένας ισχυρός κινητήρας που φυσάει αέρα, συνήθως από την κορυφή ή το πίσω μέρος της συσκευής. Αυτό δημιουργεί μια ισχύ αναρρόφησης στο κάτω μέρος (εκεί όπου η σκόνη απορροφάται από τη συσκευή). Όλες οι ηλεκτρικές σκούπες λειτουργούν με βάση την ίδια αρχή... αν στερεώσετε έναν κινητήρα που φυσάει αέρα (ας πούμε έναν ανεμιστήρα) στο άκρο ενός αντικειμένου που έχει άνοιγμα στην άλλη πλευρά, θα λειτουργήσει κατά τον ίδιο τρόπο. Κάνει τον αέρα να ρέει μέσα στο αντικείμενο χρησιμοποιώντας έναν ανεμιστήρα και κατόπιν έξω από αυτό από το πίσω/πάνω μέρος του αντικειμένου. Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για το πώς λειτουργούν οι ηλεκτρικές σκούπες μπορείτε να συμβουλευτείτε τις παρακάτω ιστοσελίδες: Ένα πρόβλημα με το σχεδιασμό αναρρόφησης είναι ότι τα φίλτρα πάντα φράσσονται. Οι σύγχρονες ηλεκτρικές συσκευές το ξεπερνούν με ένα σχέδιο που βασίζεται στην αρχή λειτουργίας των στροβίλων. Μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτό στο: 42

43 Ιδέες κάποιων μαθητών για τον ηλεκτρισμό και τα απλά ηλεκτρικά κυκλώματα Οι σκέψεις των παιδιών σχετικά με τον φυσικό κόσμο πηγάζουν από τις καθημερινές τους εμπειρίες. Μπορεί να μην αντιπροσωπεύουν την κυρίαρχη, τρέχουσα επιστημονική άποψη, αλλά συνήθως εμπεριέχουν λογικούς συλλογισμούς, βάσει της παρατήρησης και της αλληλεπίδρασης. Οι αντιλήψεις των παιδιών είναι πιθανότερο να μεταβληθούν όταν τους προσφέρονται ευκαιρίες διέγερσης της σκέψης τους μέσω δραστηριοτήτων παρά όταν τους παρουσιάζονται γεγονότα. Ωστόσο, το παραπάνω συνιστά ένα σημαντικό παιδαγωγικό έργο. Είναι εξαιρετικά απαιτητικό για τους μαθητές όλων των επιπέδων και των ηλικιών να ενστερνίζονται νέες ιδέες για ένα συγκεκριμένο φαινόμενο, ιδιαίτερα όταν αυτές φαίνεται να αντιτίθενται στην κοινή λογική. Παρότι μέσω της έρευνας γνωρίζουμε, εν μέρει, τι πιθανώς πιστεύουν οι μαθητές για συγκεκριμένα εννοιολογικά πεδία των φυσικών επιστημών, οι μαθητές δυσκολεύονται να διατυπώσουν τις σκέψεις τους και γι' αυτό χρειάζεται προσοχή όταν διατυπώνονται υποθέσεις αναφορικά με τη συλλογιστική τους. Αυτό υπογραμμίζει τη σημασία που έχει η παροχή ευκαιριών στα παιδιά για να συζητήσουν τις σκέψεις τους. Ιδέες για τον ηλεκτρισμό Γενικά, τα παιδιά γνωρίζουν πολύ καλά τις πολλές χρήσεις του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας στην καθημερινή ζωή, ιδίως όσον αφορά την παραγωγή θερμότητας, φωτός και κίνησης (1). Πιθανότατα, θα έχουν κάποιες γνώσεις για τους κινδύνους που σχετίζονται με το ηλεκτρικό δίκτυο, αλλά είναι σημαντικό αυτές να αναπτυχθούν μέσω του Μαθήματος 2. Ορισμένοι ίσως συσχετίζουν τον ηλεκτρισμό με το δίκτυο και όχι με τις μπαταρίες, αλλά οι περισσότεροι μαθητές γνωρίζουν ότι οι μπαταρίες είναι σημαντικές για την λειτουργία των συσκευών (όπως παιχνιδιών). Ο Allen (2) υποστηρίζει ότι οι μαθητές διαμορφώνουν ιδέες που μοιάζουν με τον τρόπο που οι ενήλικες αντιλαμβάνονται την ενέργεια. Η μπαταρία δίνει κάτι από το "υλικό" της (αποκαλείται με διαφορετικές λέξεις από τους μαθητές, όπως: ηλεκτρισμός, ενέργεια, ισχύς, χυμός) στη συσκευή για να λειτουργήσει. Η «ουσία» χρησιμοποιείται από τη συσκευή και όταν η μπαταρία εξαντλήσει την «ουσία», δεν λειτουργεί πια και νεκρώνει. Ο οδηγός Nuffield Primary Science Teachers Guide (1) παρουσιάζει ποικίλες ιδέες μαθητών του δημοτικού σχετικά με το τι μοιάζει ο ηλεκτρισμός. Σε αυτές περιλαμβάνονται έννοιες όπως ότι είναι αόρατος, ταξιδεύει πολύ γρήγορα και ρέει. Ένα παιδί σχολιάζει: «Ο ηλεκτρισμός είναι σαν μαγικό». Καθώς η έννοια των ηλεκτρονίων και του αρνητικού φορτίου είναι μάλλον πολύ δύσκολη για μαθητές αυτής της ηλικίας, ο εκπαιδευτικός ίσως θα ήταν καλό να δεχτεί όλες αυτές τις αντιλήψεις για το τι είναι ο ηλεκτρισμός, δίνοντας ταυτόχρονα έμφαση στις έννοιες της ροής ρεύματος εντός του κυκλώματος. Ιδέες για ένα απλό κύκλωμα Η πρόκληση αυτή απαιτεί από τους μαθητές να γνωρίζουν ότι απαιτείται ένα πλήρες κύκλωμα προκειμένου να λειτουργήσει μια συσκευή (ο κινητήρας). Κάτι τέτοιο προϋποθέτει την πρακτική εμπειρία κατασκευής κυκλωμάτων, τη διασφάλιση ότι οι συνδέσεις γίνονται με προσοχή και ότι τα αποτελέσματα υποβάλλονται σε παρατήρηση. Ενώ κάποιοι μαθητές γνωρίζουν ότι η μπαταρία έχει δύο ακροδέκτες, άλλοι ίσως να μην γνωρίζουν ότι εξαρτήματα, όπως ο κινητήρας, έχουν δύο ακροδέκτες ή ότι αν αντιστραφούν τα σημεία σύνδεσης του κινητήρα με την μπαταρία, η μπαταρία θα γυρίζει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επίσης, πρέπει να αναγνωρίσουν και να διερευνήσουν τη φύση των αποζεύξεων στο κύκλωμα. Το Μάθημα 2 προσφέρει την ευκαιρία ανάπτυξης τεχνικών δεξιοτήτων για την κατασκευή απλών κυκλωμάτων. Είναι διαφορετικό να γνωρίζει κάποιος πώς να συνδέει εξαρτήματα για να δημιουργήσει ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα και να κατανοεί γιατί προκύπτει το φαινόμενο. Η κατανόηση του γιατί αποτελεί πολύ μεγαλύτερη πρόκληση. Έρευνες δείχνουν ότι οι μαθητές μπορούν να δώσουν πλήθος διαφορετικών ερμηνειών για τη συμπεριφορά απλών κυκλωμάτων (3). Το Σχήμα 1 δείχνει τις απαιτούμενες συνδέσεις για την κατασκευή ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος που κάνει τον λαμπτήρα να ανάβει 43

44 Σχήμα 1: Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα που κάνει τον λαμπτήρα να ανάβει + μπαταρ ία _ Καλώδιο Α Καλώδιο B Λαμπτήρας Μερικές φορές τα παιδιά φαντάζονται ένα «μονοπολικό μοντέλο», καθώς νομίζουν ότι μόνο ένα καλώδιο είναι ενεργό. Πράγματι το ηλεκτρικό δίκτυο μοιάζει να έχει μόνο ένα καλώδιο, οπότε είναι λογικό να σκέφτονται έτσι. Κατά την άποψη αυτή, το καλώδιο Α (Σχήμα 1) συχνά θεωρείται ως το ενεργό καλώδιο καθώς οι μαθητές λογικά σκέφτονται ότι «η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από τον ακροδέκτη +ve της μπαταρίας. Ενώ μπορεί να μάθουν ότι ένα δεύτερο καλώδιο είναι απαραίτητο για ένα πλήρες κύκλωμα, μπορεί ακόμα να πιστεύουν ότι δεν διαδραματίζει ενεργό ρόλο για να δώσει φως ο λαμπτήρας. Μερικοί μαθητές θεωρούν ότι η «ηλεκτρική ενέργεια» απορρέει και από τους δύο πόλους της μπαταρίας. Μπορεί να πιστεύουν ότι υπάρχουν δύο διαφορετικά είδη «ηλεκτρισμού» που συναντώνται στον λαμπτήρα και παράγεται φως ( μοντέλο των «συγκρουόμενων ρευμάτων»). Άλλοι μπορεί να υιοθετούν ένα μοντέλο «καταναλωθέντος ρεύματος» βάσει του οποίου πιστεύουν ότι το καλώδιο επιστροφής φέρει λιγότερο «ηλεκτρισμό», καθώς ένα μέρος του χρησιμοποιήθηκε στον λαμπτήρα (το καλώδιο Β περιέχει λιγότερο «ηλεκτρισμό» από το καλώδιο Α). Στο επιστημονικό μοντέλο το ρεύμα διατηρείται εντός του κυκλώματος και τα δύο καλώδια περιέχουν την ίδια ροή ρεύματος (καλώδιο A = καλώδιο B). Πολλοί μαθητές αδυνατούν να το καταλάβουν, καθώς σκέφτονται ότι κάτι πρέπει να καταναλώνεται στον λαμπτήρα. Προκειμένου να γίνει κατανοητός ο λόγος που το ρεύμα διατηρείται αναλλοίωτο, ο μαθητής πρέπει να κατανοήσει ότι η ενέργεια μεταφέρεται στη συσκευή (λαμπτήρας, κινητήρας κ.λπ.). Η ενέργεια της κίνησης του αρνητικού φορτίου μεταφέρεται ως κίνηση, φως και θερμότητα, την ώρα που λειτουργεί η συσκευή. Τόσο ο λαμπτήρας όσο και η μηχανή ανάβουν όταν θερμανθούν. Πρόκειται για μια αντιφατική και αφηρημένη ιδέα που δύσκολα γίνεται κατανοητή. Οι καθηγητές των φυσικών επιστημών συχνά καταφεύγουν σε αναλογίες για να βοηθήσουν τους μαθητές να ερμηνεύσουν τις παρατηρήσεις τους. Οι Asoko και de Bóo (4) προτείνουν διάφορες αναλογίες όπως το παράδειγμα της αλυσίδας ενός ποδηλάτου όπου η μπαταρία συμβολίζεται με τον ποδηλάτη που κάνει πεντάλ και ο λαμπτήρας (ή κινητήρας) αντιπροσωπεύεται από τη ρόδα του ποδηλάτου. Η ρόδα γυρίζει και ο λαμπτήρας «ανάβει». Η διατήρηση της ενέργειας καθίσταται φανερή από την κινούμενη αλυσίδα που δεν «εξαντλείται». Ωστόσο, όλες οι αναλογίες υπόκεινται σε περιορισμούς που πρέπει να τηρούν οι εκπαιδευτικοί. Στην αναλογία με το ποδήλατο, ούτε το καλώδιο ούτε η ενέργεια έχουν φυσική υπόσταση. Ο εκπαιδευτικός θα πρέπει να αποφασίζει τι είναι κατάλληλο για τους μαθητές τους με βάσει εκπαιδευτικών κριτηρίων. Για τους σκοπούς αυτής της δοκιμασίας, ο εκπαιδευτικός μπορεί να επικεντρωθεί στo τεχνικό εγχείρημα της κατασκευής κυκλωμάτων. Κάποιοι μαθητές θα χρειαστούν πολλή εμπειρία στην κατασκευή κυκλωμάτων με διαφορετικά συστατικά, πριν μπορέσουν να γενικεύσουν την ιδέα ενός πλήρους κυκλώματος. Το μάθημα 2 επιτρέπει την ανάπτυξη των εννοιών της ροής εντός του κυκλώματος και της μεταφορά ενέργειας, με τη μορφή της κίνησης και θερμότητας στον κινητήρα. Επιπλέον, η δυνατότητα κατασκευής και ενσωμάτωσης μεταγωγέων συμβάλλει στη γνώση ενός πλήρους κυκλώματος. Πηγές (1) Nuffield Primary Science: Teachers Guides (Ages 7-12): Electricity and Magnetism (1995) HarperCollins Publishers: London (2) Allen, M. ( 2010) Misconceptions in Primary Science. Open Univesrity Press: Berkshire, England 44

45 (3) Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V.(1994) Making Sense of Secondary Science. Routledge : London. (4) Asoko, H. και de Bóo, M. (2001) Analogies & Illustrations: representing ideas in primary science. Association for Science Education: Hertfordshire. 45

46 Συνεργάτες Bloomfield Science Museum Ιερουσαλήμ Το Εθνικό Μουσείο Επιστήμης και Τεχνολογίας «Leonardo da Vinci» Κέντρο Επιστημών NEMO Teknikens hus Κέντρο Επιστημών Techmania Πείραμα. Ευγενίδιο Ίδρυμα Condervatoire National des Art et Métiers- muse des arts et métiers (Εθνικό Κονσερβατόριο Τεχνών και Επαγγελμάτων - μουσείο τεχνών και επαγγελμάτων) Science Oxford The Deutsches Museum Bonn (Μουσείο της Βόννης) Μουσείο Επιστημών της Βοστώνης Netiv Zvulun Σχολείο Istituto Comprensivo Copernico Daltonschool Neptunus Gränsskolan School Το 21 ο Δημοτικό Σχολείο Maglegårdsskolen Σχολή Μωραΐτη EE. PU.CHAPTAL Δημοτικό Σχολείο «Πήγασος» KGS Donatusschule MAGLEGÅRDSSKOLEN Gentofte Kommunes skolevæsen ECSITE Ευρωπαϊκό Δίκτυο Κέντρων και Μουσείων Φυσικών Επιστημών ICASE Διεθνές Συμβούλιο Ενώσεων για την Εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήμες ARTTIC Manchester Metropolitan University University of the West of England Διατίθεται υλικό για 10 μαθήματα στις εξής γλώσσες: Οι ενότητες διατίθενται στο μέχρι το 2015 και στο 46