ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΕ ΔΥΟ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ

Transcript

1 ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΕ ΔΥΟ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ Η δραστηριότητα έχει κύριο στόχο να εξοικειώσει τους μαθητές με τη δημιουργία κυκλωμάτων με περισσότερους από ένα διακόπτες και μεγαλύτερης πολυπλοκότητας από τα απλά κυκλώματα που συνήθως σχεδιάζουμε στο χαρτί στις "παραδοσιακές" ασκήσεις. Δευτερεύοντες στόχοι είναι να δοθούν έμμεσα στους μαθητές οι έννοιες του πίνακα αλήθειας και της λογικής πράξης OR μέσω της εξεύρεσης της κατάλληλης συνδεσμολογίας ενός κυκλώματος με διακόπτες και να έλθουν σε επαφή με υλικά κατασκευής/δοκιμών πρωτότυπων ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Ετικέτες Διδασκαλία: Φυσικές Επιστήμες - Φυσική Ομάδα στόχος: Β' Λυκείου Ηλικιακό εύρος: Χρόνος: 1-2 διδακτικές ώρες Διερευνητική μάθηση: Διερευνητικές καταστάσεις, συστηματικός πειραματισμός Χώρος εργασίας: Ηλεκτρισμός/Ηλεκτρολογία, Ηλεκτρολόγος εγκαταστάτης

2 Πρόβλημα ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΕ ΔΥΟ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ - ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Τμήμα:... Μαθητές /Μαθήτρ ιες: Ημερομη νία:..... Σενάριο Ο Νίκος είναι ηλεκτρολόγος και εργάζεται στην εταιρεία ηλεκτρομηχανολογικών έργων «Ηλεκτρομηχανική Α.Ε.». Ο Νίκος επισκέπτεται το χώρο μιας αποθήκης υλικού της εταιρείας «Γενικές Μεταφορές Α.Ε.» στην οποία ο διευθυντής χρειάζεται έναν απλό αυτοματισμό. Το κεντρικό φως της εισόδου πρέπει να ενεργοποιείται είτε έχει κλείσει ο σχετικός διακόπτης στον τοίχο Δ1 είτε να είναι κλειστή η κεντρική πόρτα των γραφείων. Ο Διευθυντής της «Γενικές Μεταφορές Α.Ε.» έχει ήδη προμηθευτεί από το ιντερνετ και έχει εγκαταστήσει στην κεντρική πόρτα ένα διακόπτη Δ2 ( Pole-AC-DC-Push-Button-Door-Switch-GSW-SK/ ) και θέλει να χρησιμοποιηθεί ως έχει. Ο Νίκος παρατηρεί ότι κοντά στην πόρτα υπάρχει ένα κουτί Κ στο οποίο καταλήγουν αφενός γραμμές από τον κεντρικό πίνακα (Γκ,Γμ) και αφετέρου γραμμές από τον διακόπτη Δ2 (Δ2κ και Δ2μ) και το φωτιστικό της κεντρικής εισόδου (Φμ & Φκ). Κατά την εγκατάσταση του διακόπτη Δ1, ο τεχνικός έχει αφήσει 2 καλώδια (Δ1μ, Δ1κ) για τη σύνδεση και ο Νίκος μπορεί να τα προεκτείνει αν χρειάζεται με ένα εξωτερικό

3 "κανάλι" και να τα φέρει στο κουτί Κ αλλά θέλει να το αποφύγει αν μπορεί. Έτσι αν χρειάζεται μπορεί να εγκαταστήσει ένα μικρότερου μήκους "κανάλι" και να φέρει τις γραμμές από τον διακόπτη Δ1 στον διακόπτη Δ2 και να κάνει εκεί κάποιες συνδέσεις. Ο Νίκος πρέπει να κάνει την κατάλληλη συνδεσμολογία για να πετύχει τον αυτοματισμό. Φμ Κ Γμ Φκ Δ2μ Γκ Δ2κ Ηλεκτρικό Δίκτυο Ηλεκτρικός Πίνακας Δ1 Δ1κ Δ1μ Δ2 Γμ: μπλε καλώδιο από τον πίνακα Γκ: Κόκκινο καλώδιο από τον πίνακα Δ2μ: Μπλε καλώδιο από τον Δ2 Δ2κ: Κόκκινο καλώδιο από τον Δ2 Δ1μ: Μπλε καλώδιο προς τον Δ1 Δ1κ: Κοκκινο καλώδιο προς τον Δ2 Φμ: Μπλε καλώδιο προς το φωτιστικό Φκ: Κόκκινο καλώδιο προς το φωτιστικό Κ: Κουτί στον τοίχο όπου μπορούν να γίνουν συνδέσεις Σχήμα 1: Αυτά βλέπει ο Νίκος! Ο Νίκος δεν θυμάται καλά τις συνδεσμολογίες αλλά πάντα έχει μαζί του υλικά για να κάνει δοκιμές 2 διακόπτες για πλακέτα δοκιμών και

4 μια μπαταρία 9V πλακέτα δοκιμών (breadboard) αντιστάτες 370 ή 470Ω και led διάφορα καλώδια με κροκοδειλάκια και ακίδες για να συνδεθούν στην πλακέτα Μπορείτε να βοηθήσετε το Νίκο να κάνει το απλό κύκλωμα που θα προσομοιώσει το πραγματικό που χρειάζεται, αν έχετε και εσείς διαθέσιμα τα ίδια υλικά; Θεωρείστε ότι η κόκκινη γραμμή αντιστοιχεί στο (+) και η μπλε στο (-) [Σημείωση: στο εναλλασσόμενο ρεύμα δεν υπάρχει σταθερή πολικότητα αλλά πάλι υπάρχουν 2 ακροδέκτες: φάση-ουδέτερος] 1. Αποφασίστε αρχικά τον πίνακα αλήθειας του αυτοματισμού Διακόπτης Δ1 Διακόπτης Δ2 Led (on ή off) Ανοικτός Ανοικτός

5 Ανοικτός Κλειστός Κλειστός Κλειστός Ανοικτός Κλειστός 2. Σχεδιάστε το κύκλωμα που να υλοποιεί τον πίνακα αλήθειας 3. Δοκιμάστε το σχέδιό σας χρησιμοποιώντας τα υλικά κατασκευάζοντας ένα δοκιμαστικό κύκλωμα στην πλακέτα δοκιμών 4. Ενώστε τα καλώδια στο κουτί και στον διακόπτη Δ2 (ΟΠΟΥ ΧΡΕΙΑΖΕΤΑΙ), για να βοηθήσετε το Νίκο. Με διακεκομμένη γραμμή εμφανίζονται καλώδια που μπορούν μεταφερθούν αλλά υπάρχουν σε ένα μόνο σημείο (είτε στο κουτί, είτε στον Δ1). Δείξτε τις συνδέσεις ενώνοντας κατάλληλα τα καλώδια στα Σχήματα 2 και 3 (ΟΠΟΥ ΧΡΕΙΑΖΕΤΑΙ) Φμ Γμ Φκ Γκ Δείξτε σχεδιάστε με μολύβι- πως πρέπει να συνδεθούν τα καλώδια στο κουτί Δ2κ Δ1 Δ1 Δ2μ Σχήμα 2: Καλωδίωση στο κουτί

6 Δ2μ Δ2κ Δείξτε σχεδιάστε με μολύβι- πως πρέπει να συνδεθούν τα καλώδια στον διακόπτη (αν χρειάζεται) Δ1μ Δ1 Δ1κ Σχήμα 3: Καλωδίωση στο διακόπτη CC By-SA MASCIL 2013 Συγγραφέας: Ιωάννης Κάτσενος, Φυσικός MSc, Γενικό Λύκειο Καστριτσίου

7 Πιθανή λύση Περίπτωση 1: καλωδίωση των διακοπτών μεταξύ τους (μια γραμμή τοίχου προς το κουτί) καλωδίωση στο κουτί: Γκ - Δ2κ Δ2μ - Φκ Φμ-Γμ Περίπτωση 2: ανεξάρτητη γραμμή του Δ1 στο κουτί Καλωδίωση στο κουτί: Γκ - Δ2κ - Δ1κ Δ2μ - Φκ - Δ1μ Φμ-Γμ Καλωδίωση του Δ2: Δ1κ - Δ2κ Δ1μ - Δ2μ Προκλήσεις Οι μαθητές ενδεχομένως να δυσκολευτούν με τον πίνακα αλήθειας παρόλο που ίσως τον έχουν συναντήσει στο μάθημα της πληροφορικής. Θα πρέπει να έχει διερευνηθεί αν έχουν συναντήσει την έννοια και αν χρειάζεται να δοθούν έγκαιρα οι σχετικές διευκρινίσεις. με τη χρήση της πλακέτας δοκιμών. Αν δεν υπάρχουν πλακέτες δοκιμών μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο εξοπλισμός του εργαστηρίου φυσικών επιστημών, αλλά θα πρέπει να τροποποιηθεί το κείμενο και οι φωτογραφίες του φύλλου εργασίας. με τις έννοιες των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων και τον τρόπο που κατασκευάζεται η καλωδίωση των κτηρίων. Εάν υπάρχει χρόνος καλό θα ήταν πριν την εφαρμογή του συγκεκριμένου σεναρίου και με άλλη αφορμή, να επιδεικνύεται κάποιο βίντεο (π.χ. από το youtube), με κάποιες βασικές αρχές. Παιδαγωγικά ζητήματα Η σύνδεση με το χώρο εργασίας επιτυγχάνεται μέσω της διερεύνησης ενός πραγματικού προβλήματος από τον χώρο της ηλεκτρολογίας. Οι ηλεκτρολόγοι-εγκαταστάτες αντιμετωπίζουν το πρόβλημα να ελέγχουν π.χ. ένα φωτιστικό από περισσότερους από ένα διακόπτες πολύ συχνά. Παράλληλα οι διακόπτες αυτοί μπορεί να είναι αρκετά μακριά μεταξύ τους και το κλείσιμο κυκλώματος να επιτυγχάνεται μέσω πολύπλοκων διαδρομών στα κουτιά και τα κανάλια της ηλεκτρικής εγκατάστασης. Μέσω υποθετικών απαιτήσεων που θα μπορούσε να αντιμετωπίσει και ένας πραγματικός ηλεκτρολόγος εγκαταστάτης, οι μαθητές θα αναλάβουν αυτό το ρόλο και θα ολοκληρώσουν τις γνώσεις τους για τη δημιουργία κυκλωμάτων, σύνδεση διακοπτών ενώ θα ανακαλύψουν και τις λογικές πράξεις μέσω της λογικής πράξης OR. Ανακαλυπτική/διερευνητική μάθηση Οι μαθητές θα κληθούν να ανακαλύψουν τη λύση του προβλήματος συνδυάζοντας τις προηγούμενες γνώσεις τους για το ηλεκτρικό ρεύμα. Βασικό ζητούμενο είναι να εδραιωθεί μέσω

8 της ανακάλυψης της λύσης, η έννοια του κυκλώματος, δηλ ότι θα πρέπει να υπάρχει τουλάχιστον μια κλειστή διαδρομή για τα ηλεκτρόνια από τον ένα πόλο της πηγής στον άλλο προκειμένου να υπάρξει ηλεκτρικό ρεύμα και άρα να ανάψει το led. Για τη διερεύνηση, οι μαθητές θα χρησιμοποιήσουν πλακέτα δοκιμών, αντιστάτη, led, δυο διακόπτες και μια μπαταρία. Επιλέχθηκε να μην χρησιμοποιηθούν τα υπάρχοντα εξαρτήματα του εργαστηρίου φυσικών επιστημών, αλλά εξοπλισμός που θα μπορούσε να έχει μαζί του ένας εγκαταστάτης ηλεκτρολόγος. Αυτό αφενός προσθέτει στην αληθοφάνεια του σεναρίου και τη σύνδεσή του με το χώρο εργασίας αλλά επιπλέον δίνει στους μαθητές εμπειρία από πραγματικό εξοπλισμό που μπορούν να προμηθευτούν στο εμπόριο (και ίσως κάνουν τις δικές τους διερευνήσεις), αντίθετα με τον εξοπλισμό του εργαστηρίου που είναι ειδικά κατασκευασμένος για σχολικό εργαστηριο. Οι μαθητές θα πρέπει να έχουν μια μικρή προηγούμενη εμπειρία στα υλικά που θα παραλάβουν, προκειμένου να μην αντιμετωπίσουν προβλήματα στη συνδεσμολογία. Για το σκοπό αυτό προτείνεται να έχουν εκτελέσει προηγουμένως με τα ίδια υλικά μια εργαστηριακή άσκηση του προγράμματος σπουδών (π.χ. χαρακτηριστική καμπύλη αντιστάτη). Επίσης θα πρέπει να γίνει σε προηγούμενο χρόνο επεξήγηση όρων που θα χρησιμοποιηθούν, όπως κανάλια Οι μαθητές χωρίζονται σε ομάδες. Οι ομάδες προτείνεται να είναι έως 4 έως 5 ατόμων (ανάλογα και με τη διαθεσιμότητα των υλικών). Στις ομάδες δίνονται φύλλα εργασίας και τα απαραίτητα υλικά (καλώδια, πλακέτες, led, αντιστάσεις, διακόπτες) χωρίς να είναι συναρμολογημένα και ζητείται να μελετήσουν το φύλλο εργασίας και 1. να δημιουργήσουν τον πίνακα αλήθειας 2. να σχεδιάσουν πρόχειρα το θεωρητικό κύκλωμα που υλοποιεί τον παραπάνω πίνακα 3. να κατασκευάσουν το κύκλωμα στην πλακέτα δοκιμών και να δοκιμάσουν 4. να ενώσουν τις γραμμές στο κουτί και στον διακόπτη (σχηματικά-οχι ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ) προκειμένου να προκύψει το επιθυμητό κύκλωμα στην ηλεκτρική εγκατάσταση Ο εκπαιδευτικός παρεμβαίνει υποστηρικτικά και εξηγεί αλλά δεν δίνει άμεσα λύσεις. Η αξιολόγηση της δραστηριότητας γίνεται από τον εκπαιδευτικό ανάλογα με το πόσοι και ποιοι από τους διδακτικούς στόχους επετεύχθησαν από κάθε ομάδα και συνολικά από το τμήμα. Εμπειρίες Από την εφαρμογή του σεναρίου στο Γενικό Λύκειο Καστριτσίου το σχολικό έτος , μπορούν να αναφερθούν τα ακόλουθα σημεία Οι μαθητές όλων των ομάδων δυσκολεύτηκαν με τον πίνακα αλήθειας. Οι περισσότεροι δεν αναγνώρισαν την λειτουργία του και χρειάστηκε να δοθούν σε όλες τις ομάδες διευκρινήσεις. Αυτό δημιούργησε μια αρχική καθυστέρηση στην πρόοδο της παρέμβασης.

9 Αντίθετα όλες οι ομάδες σχεδίασαν σε πρόχειρο χαρτί σχετικά γρήγορα το σωστό κύκλωμα με δυο διακόπτες που υλοποιεί την λογική πράξη OR. Η κατασκευή των δοκιμαστικών κυκλωμάτων στις πλακέτες δοκιμών έγινε με μικρή σχετικά υποστήριξη. Από τις τέσσερεις ομάδες 2 υλοποίησαν το κύκλωμα αυτόνομα και χωρίς υποστήριξη, μία δέχθηκε περιορισμένη υποστήριξη και μία χρειάστηκε εκτεταμένη υποστήριξη. Στην τελευταία, το κύκλωμα έγινε με βήμα-βήμα υποστήριξη του εκπαιδευτικού Η προετοιμασία στη χρήση του εξοπλισμού που είχε προηγηθεί φάνηκε επαρκής. Οι μαθητές των ομάδων που έδρασαν αυτόνομα, έκαναν τελείως διαφορετικές υλοποιήσεις και οι μαθητές της ομάδας που δέχθηκε τη μέγιστη υποστήριξη, τροποποίησαν μόνοι στη συνέχεια το κύκλωμα στην πλακέτα δοκιμών ώστε να έχει τρεις διακόπτες. Τρεις από τις τέσσερεις ομάδες σχεδίασαν το κύκλωμα που θα έπρεπε να υλοποιήσει ο «ηλεκτρολόγος-εγκαταστάτης» (παραδοτέο των ομάδων) αυτόνομα και χωρίς ιδιαίτερη στήριξη από τον εκπαιδευτικό. Όμως χρειάστηκε περισσότερος χρόνος από τον διαθέσιμο της μια διδακτικής ώρας. Χρησιμοποιήθηκε ο χρόνος του διαλείμματος (10 λεπτά) και ελάχιστος χρόνος από την επόμενη ώρα (3-4 λεπτά) με ανοχή του εκπαιδευτικού που είχε μάθημα την επόμενη ώρα. Γεγονός είναι όμως ότι στο τέλος της παρέμβασης υπήρξε σχετική χρόνου. Μία ομάδα χρειάστηκε να υποστηριχθεί σε μεγαλύτερο βαθμό στη σχεδίαση του κυκλώματος της πραγματικής εγκατάστασης (τελικό παραδοτέο). Βασικό πρόβλημα εδώ ήταν η έλλειψη εμπειρίας/γνώσεων των μαθητών σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, πράγμα φυσιολογικό αφού πρόκειται για Γενικό Λύκειο. Εάν υπάρχει χρόνος καλό θα ήταν πριν την εφαρμογή του συγκεκριμένου σεναρίου και με άλλη αφορμή, να επιδεικνύεται κάποιο βίντεο (π.χ. από το youtube), με κάποιες βασικές αρχές. Οι μαθητές του τμήματος είχαν ιδιαίτερη συμπεριφορά σε σχέση με την καθημερινότητα. Ήταν περισσότερο σοβαροί και υπεύθυνοι καθ όλη τη διάρκεια από ότι συνήθως. Η ύπαρξη επισκεπτών/παρατηρητών έδρασε ευεργετικά αλλά επιβεβαιώνει ότι η ύπαρξη δεύτερου εκπαιδευτικού στα εργαστηριακά μαθήματα βελτιώνει ουσιαστικά την ποιότητα του μαθήματος. CC By-SA MASCIL 2013 Συγγραφέας: Ιωάννης Κάτσενος, Φυσικός MSc, Γενικό Λύκειο Καστριτσίου