Λέξεις κλειδιά : Νόµοι αερίων, διασύνδεση Η/Υ µε αισθητήρες, µικρόκοσµος.

Transcript

1

2 ΠΟΛΥΜΟΡΦΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΑΠΤΗΡΩΝ ΣΕ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΤΗΣ Β ΛΥΚΕΙΟΥ. ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ, ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΝΟΜΟΙ ΑΕΡΙΩΝ - ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ Ματθ. Πατρινόπουλος, Αθαν. Βελέντζας, Σαρ. Οικονοµίδης, Σαβ. Οβαδίας, Βασ. ηµόπουλος, Εµµ. Καντζανός, Ζωή Ξένου, Γεωργ. Θεοφ. Καλκάνης Εργαστήριο Φυσικών Επιστηµών Τεχνολογίας και Περιβάλλοντος, Παιδαγωγικό Τµήµα Ε, Πανεπιστήµιο Αθηνών Ναυαρίνου 13 α, 4 ος όροφος, Τηλ: / fax: , ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εκπαιδευτική πρόταση που παρουσιάζεται, αποτελεί εφαρµογή σύνθετων και ευέλικτων, πολυµορφικών, εργαστηριακών ασκήσεων της Β Λυκείου, µε χρήση διατάξεων αισθητήρων απτήρων σε διασύνδεση µε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η εκπαιδευτική µέθοδος, οι συσκευές που κατασκευάζονται και τα όργανα µέτρησης που απαιτούνται, έχουν τη δυνατότητα προσαρµογής και χρήσης σε εργαστηριακές ασκήσεις από διαφορετικές θεµατικές ενότητες. Λέξεις κλειδιά : Νόµοι αερίων, διασύνδεση Η/Υ µε αισθητήρες, µικρόκοσµος. EKΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ ΕΝ ΙΑΦΕΡΟΝ Οι εφαρµογές που παρουσιάζονται έχουν επιλεγεί από το αναλυτικό πρόγραµµα της Β Ενιαίου Λυκείου µε κριτήριο τη δυνατότητα άµεσης αξιοποίησής τους και καλύπτουν ενότητες από την εξεταστέα ύλη αυτής της τάξης. Η εκπαιδευτική προσέγγιση βασισµένη στο επιστηµονικό πρότυπο υποστηρίζει τη διερευνητική και συνεργατική µάθηση µε βάση τον πειραµατικό χαρακτήρα των µαθηµάτων των Φυσικών Επιστηµών. Η πειραµατική διαδικασία στηρίζεται στη χρήση πολυµορφικών εργαστηριακών διατάξεων, σε συνδυασµό µε πολλαπλή / πολύµορφη χρήση των τεχνολογιών πληροφόρησης. Οι Η/Υ µε τις εφαρµογές που παρουσιάζονται, αξιοποιούνται κατά την εργαστηριακή πρακτική για την λήψη και επεξεργασία των µετρήσεων αλλά και σε όλη τη διάρκεια της διδασκαλίας ως

3 εργαλεία που επιτρέπουν στον εκπαιδευτικό να δοµήσει την διδασκαλία του αλλά και να την προσαρµόσει στις ιδιαίτερες ανάγκες της τάξης του, µε ένα µαθησιακό περιβάλλον, που χαρακτηριστικά του είναι: η απλότητα πλοήγησης, η επεκτασιµότητα και ο υψηλός βαθµός αλληλεπίδρασης µε τον µαθητή. Το λογισµικό της εφαρµογής έχει σχεδιαστεί ώστε να υποστηρίζει και να καθοδηγεί τους µαθητές και τους εκπαιδευτικούς σε όλα τα βήµατα της εκπαιδευτικής διαδικασίας. Οι δραστηριότητες που σχεδιάστηκαν και παρουσιάζονται, ξεκινούν από την κατασκευή απλών µοντέλων εργαστηριακών συσκευών, χρησιµοποιώντας σχετικά απλά υλικά, που µας επιτρέπουν να πραγµατοποιήσουµε σειρά πειραµατικών ασκήσεων σε επιµέρους θεµατικές ενότητες µε τις ίδιες διατάξεις. Η Ι ΙΑΙΤΕΡΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΠΡΟΤΑΣΗΣ Οι προτεινόµενες εφαρµογές παρουσιάζουν 3 καινοτοµίες: α. Για τη λήψη και επεξεργασία των µετρήσεων χρησιµοποιούνται αισθητήρες και απτήρες συνδεδεµένοι µε Η/Υ. Η χρήση αισθητήρων και απτήρων που ελέγχονται από ηλεκτρονικό υπολογιστή δίνει την δυνατότητα συνεχούς και ταυτόχρονης παρακολούθησης των τιµών πολλαπλών παραµέτρων, ελέγχου των συσκευών, παρουσίασης και επεξεργασίας των µετρήσεων µε επιλογή του τρόπου απεικόνισης για παράδειγµα. παρουσίαση τιµών, γραφικές παραστάσεις, απεικονίσεις µε µορφή οργάνων µέτρησης, πίνακες τιµών ) ή/και τον έµµεσο υπολογισµό µεγεθών σε συνάρτηση µε αυτά που µετρούνται άµεσα. Επίσης καθίσταται δυνατή η παράλληλη παρουσίαση προσοµοιώσεων των διαδικασιών στο επίπεδο του µικρόκοσµου, η παρουσίαση βιντεοσκοπηµένων των διαδικασιών ή και η αναπαράσταση ανάλογων πειραµατικών διαδικασιών ή φαινοµένων, επιτρέποντάς την καθοδήγηση της διδασκαλίας σύµφωνα µε τις ιδιαιτερότητες της τάξης. Θα πρέπει να επισηµανθεί ότι ορισµένα από τα πειράµατα που παρουσιάζονται είναι δυνατόν να πραγµατοποιηθούν και µε συµβατικές διατάξεις που όµως απαιτούν πολύ περισσότερο χρόνο για τη λήψη των µετρήσεων, έχουν περιορισµένη ακρίβεια και δεν παρέχουν δυνατότητες επεξεργασίας µετρήσεων. Αντίθετα, πειραµατικές ασκήσεις όπως η µέτρηση του λόγου των ειδικών θερµοτήτων ενός αερίου είναι εξαιρετικά δύσκολο να πραγµατοποιηθούν σε σχολικά εργαστήρια µε συµβατικά όργανα µέτρησης. Για παράδειγµα η µέτρηση του λόγου γ γίνεται µε µέτρηση τριών πιέσεων. Η πίεση καταγράφεται µε τον αισθητήρα πίεσης (µε συχνότητα µεγαλύτερη από 50 µετρήσεις το δευτερόλεπτο) οπότε η κατώτερη τιµή της καταγράφεται και µπορεί να διαβαστεί εκ των υστέρων από το διάγραµµα ή τον πίνακα µετρήσεων, ενώ είναι αδύνατη η καταγραφή της µε συµβατικές διατάξεις (µανόµετρο) λόγω της ταχύτητας µεταβολής της τιµής της. β. Οι διατάξεις που χρησιµοποιούνται είναι κατασκευασµένες µε απλά υλικά και προβλέπεται να χρησιµοποιηθούν σε ικανό αριθµό πειραµάτων. Οι δραστηριότητες που

4 σχεδιάστηκαν ξεκινούν από την κατασκευή µοντέλων πραγµατικών εργαστηριακών συσκευών που χρησιµοποιούνται σε πειραµατικές διαδικασίες που συνδέουν επιµέρους θεµατικές ενότητες και την παρουσίασή τους µε ενιαίο τρόπο και µε τις ίδιες διατάξεις στα πλαίσια ενός εργαστηρίου ενταγµένου στην καθηµερινή διδασκαλία. Για παράδειγµα η διάταξη που χρησιµοποιείται για τη µελέτη των νόµων των αερίων χρησιµοποιείται η ίδια και στο νόµο του Joule. Η πρόκληση της κατασκευής από του µαθητές µε την καθοδήγηση των εκπαιδευτικών, µε απλά υλικά των διατάξεων που χρησιµοποιούνται και σε συνδυασµό µε παράλληλες δραστηριότητες, ενθαρρύνει την ενεργή συµµετοχή των µαθητών και την δραστηριοποίησή τους, µετατρέποντάς τους από παθητικούς δέκτες, σε κοινωνούς και ενεργά συµµετέχοντες στην ερευνητική / εκπαιδευτική διαδικασία. γ. Η ταυτόχρονη λειτουργία της εκτέλεσης των πειραµατικών διαδικασιών από τους µαθητές µε την παρουσίαση των διαδικασιών του µικρόκοσµου βοηθάει στην καλύτερη κατανόηση και την δηµιουργία νοητικών µοντέλων από τους µαθητές που θα τους επιτρέψουν να ερµηνεύσουν και να κατανοήσουν τα φαινόµενα επεκτείνοντας τις ερµηνείες τους σε ευρύτερο πλαίσιο από αυτό των άµεσα εκτελέσιµων πειραµάτων. Η ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΣ Η εφαρµογή είναι δοµηµένη µε βάση την επιστηµονική µέθοδο και το ερευνητικά εξελισσόµενο µοντέλο. Με πολύ σηµαντικά αποτελέσµατα στην εκπαιδευτική διαδικασία: α. την εξοικείωση του µαθητή µε τον επιστηµονικό τρόπο σκέψης β. την απόκτηση ερευνητικών δεξιοτήτων τόσο σε πρακτικό επίπεδο όσο και συλλογιστικό.

5 Το επιστηµονικά εξελισσόµενο ερευνητικό µοντέλο ακολουθεί τα εξής βήµατα: α. έναυσµα β. διατύπωση υποθέσεων γ. πειραµατισµός δ. διατύπωση θεωρίας ε. συνεχής έλεγχος Το επιστηµονικά εξελισσόµενο ερευνητικό µοντέλο ενταγµένο στην εκπαιδευτική διαδικασία ακολουθεί τα εξής βήµατα: α. έναυσµα-πρόκληση ενδιαφέροντος µαθητή. Σε αυτή το βήµα προκαλούµε το ενδιαφέρον του µαθητή για τα φαινόµενα που θέλουµε να µελετήσουµε χρησιµοποιώντας εµπειρίες τους ή εστιάζοντας στα σηµεία που θέλουµε ξεκινώντας από επιλεγµένα βίντεο. β. διατύπωση υποθέσεων Οι προβληµατισµοί που δηµιουργήθηκαν από το προηγούµενο βήµα χρησιµοποιούνται για την διατύπωση υποθέσεων. γ. πειραµατισµός (σχεδιασµός-εκτέλεση) Ο πειραµατισµός αφορά κυρίως την ερευνητική εργασία, στη συγκεκριµένη εφαρµογή αφορά την κατασκευή των συσκευών που απαιτούνται, την εκτέλεση πειραµάτων, τη λήψη µετρήσεων, την επεξεργασία την αξιολόγηση τους και το συσχετισµό τους µε τις µικροσκοπικές διαδικασίες. δ. Εξαγωγή συµπερασµάτων (διατύπωση θεωρίας). Η µελέτη και αξιοποίηση των µετρήσεων οδηγεί στη εξαγωγή των συµπερασµάτων που προκύπτουν από αυτές. ε. Γενικεύσεις - εφαρµογές (συνεχής έλεγχος) Η επέκταση των συµπερασµάτων σε διαδικασίες και φαινόµενα που επηρεάζονται από αυτά που µελετήσαµε εδραιώνει τα αποτελέσµατα της διδασκαλίας. ΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ Τα τεχνολογικά εργαλεία που χρησιµοποιήθηκαν είναι: Για τη λήψη και επεξεργασία των µετρήσεων, το πρόγραµµα Coach 5 στην Ελληνική του έκδοση Για την κατασκευή των προσοµοιώσεων χρησιµοποιήθηκε το πρόγραµµα 3D STUDIO ΜΑΧ Για το µοντάζ και την επεξεργασία Video το πρόγραµµα Adobe Premier. Για την κατασκευή των ιστοσελίδων το πρόγραµµα Front Page Για τη διασύνδεση του υπολογιστή µε τους αισθητήρες η κονσόλα CoachLabII και αισθητήρες των εταιριών Vernier και CMA. Οι εφαρµογές σε λειτουργική µορφή µαζί µε την πρόταση υπάρχουν δηµοσιευµένες, στο δικτυακό τόπο του Εργαστηρίου Φυσικών Επιστηµών Τεχνολογίας και Περιβάλλοντος, του Π.Τ..Ε. του Πανεπιστηµίου Αθηνών

6 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1]-Γ.Θ. Καλκάνης,. Κωστόπουλος, "Φυσική: Από το µικρόκοσµο στο µακρόκοσµο", Πανεπιστήµιο Αθηνών, Αθήνα 1998 [2]-Γ.Θ. Καλκάνης, "Εκπαιδευτική Τεχνολογία", Πανεπιστήµιο Αθηνών, Αθήνα 1998 [3]-Γ.Θ. Καλκάνης, "Ενέργεια / Επιστήµη Τεχνολογία Περιβάλλον", Πανεπιστήµιο Αθηνών, Αθήνα 1998 [4]-Μιχαηλίδης Π. Πολυµορφικές Ασκήσεις Φυσικής 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο " ιδακτική των Φυσικών Επιστηµών και Εφαρµογή Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση" Θεσσαλονίκη 1998 [5]-G. Kalkanis et al, "A Research (and an Appeal) for a Radical Reform of the Content, the Instructional Approach and the Supporting Technology of Science Education: From Relativistic / Probabilistic Microkosmos to the Mechanistic / Almost Certain Macrokosmos The case of Science Teachers", (accepted for presentation), Third International Conference of the EUROPEAN Science Education Research Association E.S.E.R.A., Science Education Research in the knowledge based society, Thessaloniki, Greece, 2001 [6]-George Kalkanis WHICH (AND HOW) SCIENCE AND TECHNOLOGY EDUCATION FOR FUTURE CITIZENS? IOSTE 2001 [7]-L. Harasim, "The virtual university: New approaches to Higher Education in the 21st Cenctury". Proc. ASCILETE95: Australian Society for Computers in Learning in Tertiary Eduation Conference. Dec. 3-7, Melbourne, Australia, 1995 [8]-Kalkanis G., "The Monte Carlo Techniques as a tool in Physics Education Applications to microcosmos processes", Workshop in 1996 GIREP-ICPE Conference: "New ways of teaching Physics", Ljubliana, Slovenia, [9]- ηµητριάδης Π., Παπατσίµπα Λ., Αντωνίου Ν. ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ (Μια διδακτική προσέγγιση για τη Φυσική στη Β Γυµνασίου) 1ο ιεθνές Συνέδριο ιδακτικής των Φυσικών Επιστηµών, Λευκωσία, 1999 [10]- Sarris M.M., Kalkanis G., "Simulating Moving Particles in Atmospheric Air and Animation / Display their Detection for Educational Purposes", GIREP-ICPE Conference: "New ways of teaching Physics", Ljubliana, Slovenia, [11]- Patrinopoulos M Ιmvrioti D., Dimopoulos V. Sotiropoulos D., Tsagogeorga A., Papatsimba L., Dimitriadis P., Kalkanis G., Visualizing and measuring by the computer the operation of hands-on educational devices. - The case of solar heater 6th Workshop on Multimedia in Physics Teaching and Learning of the European Physical Society (Division of Education), Ghent, 2001 [12]- Kyriaki E., Dendrinos K., Kalkanis G., "Metal(lo)-Microkosmos phenomena, using elements of MONTE CARLO Techniques", [13]- Tsakonas P., Kalkanis G., "Teaching Diffusion and Osmotic phenomena through MONTE CARLO Simulation / Animation". [14]- G. Kalkanis, M. Sarris, "An Educational Monte Carlo Simulation / Animation Program for the Cosmic Rays Muons and a Prototype Computer-Driven Hardware Display", Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching, 18(1), (1999) [15]- Ράπτης Αρ., Ράπτη Αθ., "Πληροφορική και Εκπαίδευση. Συνολική Προσέγγιση", Αθήνα (1999)

7 [16]- Vossen P., Maquire M., Graham R., Heim J., Design Guide for Multimedia 2nd Edition, Version 2.1 INUSE, European Usibility Support Centres (1997) [17]- R. Justi, J. Gilbert, "History and Philosophy of science through models: some challenges in the case of the atom ", Int.J.Sci.Educ., vol. 22, n. 9, 2000 [18]- Tsakonas P., Imvrioti D., Patrinopoulos M., Kalkanis G., "The Kyndalon or Xiliki in Greek Tradition as a Toy and an Experiment its Construction, mode of Operation, Simulation, Physics and our Teaching Methodology", ICPE and GIREP International Conference Duisburg - Germany, 1998 [19]- Kalkanis G,Tsakonas P, Patrinopoulos M, Dendrinos K., "Science Education by playing traditional ancient and modern greek games (as well) -Physics and Methodology", 1ο ιεθνές Συνέδριο ιδακτικής των Φυσικών Επιστηµών, Λευκωσία, 1999 [20]- Harrison A.G., Treagust D.F., A typology of school science models, Int.J.Sci.Educ., vol. 22, n. 9, 2000 [21]- Gobert J.D., Buckley B.C., Introduction to model-based teaching and learning in science education, Int.J.Sci.Educ., vol. 22, n. 9, 2000 [22]- Horwood R.H., Explanation and Description in science teaching, Science Education, 72, 1988 [23]- Clement J., Model Based learning as a key research area for science education, Int.J.Sci.Educ., vol. 22, n. 9, 2000 [24]- Dimitriadis P., Papatsiba L., Imvrioti D., Skalohoritis M., Kalkanis G., An experiment, modelling and simulation-based integrated approach of teaching interactions at primary school, International conference of GIREP-ICPE Physics Teacher Education beyond 2000, Barcelona, Spain, 2000 [25]- ηµητριάδης Π., Παπατσίµπα Λ., Ιµβριώτη., Καλκάνης Γ.Θ., Πείραµα, Προσοµοίωση και Μοντελοποίηση: Μια διδακτική προσέγγιση της έννοιας της βαρυτικής δύναµης, 2ο Πανελλήνιο Συνέδριο "Η διδακτική των Φυσικών Επιστηµών και η εφαρµογή Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση", Λευκωσία, Κύπρος, 2000 [26]- Πατρινόπουλος Μ., Οβαδίας Σ. ηµόπουλος Β., Καλκάνης Γ.Θ. Μια εκπαιδευτική πρόταση για τη διδασκαλία / εργαστηριακή πρακτική της τριβής µεταξύ στερεών σωµάτων µε προσοµοίωση του µικρόκοσµου και διασύνδεσης της εργαστηριακής διάταξης µε τον Η/Υ µέσω αισθητήρων, 3 ο Πανελλήνιο Συνέδριο "Η διδακτική των Φυσικών Επιστηµών και η εφαρµογή Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση", Ρέθυµνο 2002 [27]- ΕΠΠΣ Ενιαίο Λύκειο, Ενιαίο Πλαίσιο Προγραµµάτων Σπουδών Π.Ι. ΥΠΕΠΘ 1998 [28]- Εργαστηριακοί οδηγοί Φυσικής Β Λυκείου ΟΕΒ 2000