Εκπαιδευτικό υλικό στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού Προγράμματος Chain Reaction: Α sustainable approach to inquiry based Science Education

Transcript

1 Εκπαιδευτικό υλικό στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού Προγράμματος Chain Reaction: Α sustainable approach to inquiry based Science Education «Πράσινη» Θέρμανση Μετάφραση-επιμέλεια: Κάλλια Κατσαμποξάκη-Hodgetts Μαρία Φουσκάκη Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας Τμήμα Χημείας Παν/μιο Κρήτης Ηράκλειο 2014

2 «Πράσινη» Θέρμανση Σημειώσεις Καθηγητή ΚΑΛΥΨΗ ΎΛΗΣ ΕΙΔΙΚΟ ΓΝΩΣΤΙΚΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ & ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ Όλοι οι τύποι της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σχηματίζουν ένα συνεχές φάσμα Η ενέργεια που μεταφέρει η ηλιακή ακτινοβολία καθιστά την ουσία που την απορροφά θερμότερη Η υπέρυθρη ακτινοβολία που απορροφάται εκλαμβάνεται από το δέρμα ως θερμότητα Τα διαφορετικά μήκη κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αντανακλώνται, απορροφώνται ή μεταδίδονται με διαφορετικό τρόπο από διαφορετικές ουσίες ή τύπους επιφανειών Οι σκούρες, ματ επιφάνειες απορροφούν σημαντικά την ακτινοβολία Οι φωτεινές λείες επιφάνειες ανακλούν την ακτινοβολία Η θερμική ενέργεια (θερμότητα) μεταδίδεται μέσω κυμάτων. Τα σωματίδια που συγκροτούν ένα σώμα (την ύλη) δε συμμετέχουν. Εισαγωγή. Σε αυτή την εργασία, οι μαθητές εκτελούν απλές ερευνητικές δραστηριότητες για να μάθουν ποια χρώματα και τύποι επιφανειών απορροφούν καλύτερα την υπέρυθρη ακτινοβολία και να τα χρησιμοποιήσουν σε ένα ηλιακό πάνελ. Τους παρέχονται βασικές πληροφορίες σχετικά με τους ηλιακούς συλλέκτες και την υπέρυθρη ακτινοβολία από τον ήλιο, και τους παρέχονται πληροφορίες σχετικά με το πώς διεξάγεται η επιστημονική έρευνα. Θα πρέπει να σχεδιάσουν πειράματα και να διεξάγουν έρευνα για να απαντήσουν το ερώτημα που τίθεται στην 3, να επιβεβαιώσουν ή να απορρίψουν την υπόθεση που τίθεται στην Πράσινη Θέρμανση 4, ή να ανακαλύψουν αν η πρόβλεψη που γίνεται στην Πράσινη Θέρμανση 5 τεκμηριώνεται ή όχι. Θα πρέπει να υποβάλουν τα σχέδιά τους για έγκριση και στη συνέχεια να φέρουν εις πέρας την έρευνα. Στη συνέχεια, μετά τη διεξαγωγή της έρευνας, θα πρέπει να συντάξουν γραπτή έκθεση/αναφορά.

3 Συνέχεια σημειώσεων Καθηγητή Πειραματικές και ερευνητικές δεξιότητες Οι μαθητές σχεδιάζουν ένα πείραμα, συγκεντρώνουν και αναλύουν τα αποδεικτικά στοιχεία πριν την εξαγωγή συμπερασμάτων και την αξιολόγηση των ευρημάτων τους. Προηγούμενη γνώση Πριν επιχειρήσουν αυτή την ερευνητική εργασία, οι μαθητές θα πρέπει να έχουν μάθει για τη διάδοση θερμότητας με αγωγή, συναγωγή (μέσω ρευμάτων) και ακτινοβολία. Θα ήταν επίσης χρήσιμο να γνωρίζουν για το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και για την ανάκλαση του φωτός από επίπεδες επιφάνειες. Ομαδοποίηση μαθητών. Οι μαθητές μπορούν να εργαστούν σε μια σειρά από ομάδες κατά τη διάρκεια της ερευνητικής εργασίας. Προτείνουμε τα εξής: Αρχική ενημέρωση από τον εκπαιδευτικό Ανάγνωση ερευνητικής δημοσίευσης «1» Διεξαγωγή έρευνας Ανάλυση των αποτελεσμάτων Ανακοίνωση Παρουσίαση Χρονική Διάρκεια Αυτή η ερευνητική εργασία αναμένεται να έχει διάρκεια περίπου 4 μήνες. Η γραπτή έκθεση-αναφορά μπορεί να οριστεί και ως εργασία για το σπίτι. Δραστηριότητες Ο εκπαιδευτικός θα πρέπει να παραδώσει τους μαθητές το Φύλλο Δραστηριοτήτων του Μαθητή, το οποίο τους παρέχει μια περίληψη του τι θα πρέπει να παράγουν σε αυτή την εργασία. Το φύλλο δραστηριοτήτων του μαθητή μπορεί επίσης να λειτουργήσει ως μια λίστα ελέγχου για τους ίδιους τους μαθητές ώστε να παρακολουθούν τους δική τους πρόοδο. Στη συνέχεια, δώστε στους μαθητές σας το φύλλο «1». Αυτό περιέχει πληροφορίες σχετικά με το πώς οι ηλιακοί συλλέκτες χρησιμοποιούν την υπέρυθρη ηλιακή ακτινοβολία για να ζεσταθεί το νερό. Το φύλλο αυτό απαιτεί από τους μαθητές τη διεξαγωγή έρευνας σχετικά με τους τύπους επιφανειών που απορροφούν καλύτερα την υπέρυθρη ακτινοβολία. Σε όλη την τάξη. Εισαγωγή στο θέμα και προετοιμασία δραστηριοτήτων για έρευνα Ατομικά ή σε ζεύγη Σε ζεύγη ή σε μικρές ομάδες Σε ζεύγη ή μικρές ομάδες, ή ατομικά εάν η εργασία πρόκειται να αξιολογηθεί Ολοκλήρωση των γραπτών εκθέσεων (ατομικά ή σε μικρές ομάδες). Σε μικρές ομάδες για όλη την τάξη Το φύλλο «2» δίνει στους μαθητές πληροφορίες σχετικά με διαδικασίες που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες κατά τη διεξαγωγή μιας ερευνητικής εργασίας. Υπάρχουν 3 φύλλα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τους μαθητές ως σημεία εκκίνησης της έρευνάς τους. Η «3» απαιτεί από τους μαθητές να σχεδιάσουν ένα πείραμα για να απαντήσουν το ερώτημα «τι χρώμα επιφάνειας είναι το καλύτερο για την απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας;». Η «4» υποθέτει ότι «ένα ηλιακό πάνελ με μαύρη ματ επιφάνεια είναι καλύτερο για τη θέρμανση νερού από ένα πάνελ με μία ελαφρώς γυαλιστερή επιφάνεια, δεδομένου ότι οι σκούρες επιφάνειες απορροφούν περισσότερη θερμότητα». Οι μαθητές πρέπει να σχεδιάσουν ένα πείραμα για να ελέγξουν την εγκυρότητα της υπόθεσης αυτής. Η «5» περιέχει την πρόβλεψη ότι "Εάν η υπέρυθρη

4 ακτινοβολία είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως το φως, τότε οι επιφάνειες που αντανακλούν το φως θα αντανακλούν και την υπέρυθρη ακτινοβολία". Οι μαθητές πρέπει να σχεδιάσουν ένα πείραμα για να ελέγξουν εάν η πρόβλεψη είναι σωστή ή όχι. Για να σχεδιάσουν τα πειράματά τους, οι μαθητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν το Διάγραμμα Ροής της Ερευνητικής Διαδικασίας που βρίσκεται στις Διδακτικές Σημειώσεις στην ιστοσελίδα του προγράμματος. ( Προβλέπεται ότι οι μαθητές θα χρησιμοποιήσουν μόνο ένα φύλλο έρευνας (απαντώντας σε ερώτηση, δοκιμή, υπόθεση, επιβεβαιώνοντας ή διαψεύδοντας μία πρόβλεψη), αν και γενικά εξαρτάται από τον κάθε καθηγητή/τρια ποια από τα τρία φύλλα θα επιλέξει να χρησιμοποιήσει και με πόσες ομάδες μαθητών. Δεδομένου ότι οι μαθητές καλούνται να σχεδιάσουν το δικό τους πείραμα, είναι απαραίτητη η καθοδήγηση ως προς το τι είναι δυνατόν να γίνει με τον διαθέσιμο εξοπλισμό στο σχολικό εργαστήριο. Μπορεί να είναι χρήσιμο να στήσετε έναν πάγκο με ένα ευρύ φάσμα υλικών και συσκευές και να ζητήσετε από τους μαθητές σας να επιλέξουν μόνο αυτά που είναι απαραίτητα για την εκτέλεση των ερευνών τους. Θέματα ασφάλειας ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Είναι επίσης σημαντικό να κάνετε τις δικές σας εκτιμήσεις κινδύνου για την πρακτική εξάσκηση των μαθητών με τον τρόπο που συνηθίζετε κάθε φορά. Ζεστές και ακτινοβολούσες επιφάνειες: Κίνδυνος εγκαυμάτων Σε περίπτωση εγκαύματος: κρατήστε την πληγείσα περιοχή κάτω από τρεχούμενο κρύο νερό για τουλάχιστον 10 λεπτά. Για σοβαρότερα εκτός από τα πολύ μικρά εγκαύματα (ρηχά και με λιγότερο από 5mm διάμετρο), ζητήστε ιατρική φροντίδα. Περαιτέρω ευκαιρίες έρευνας για τους μαθητές Οι μαθητές σας θα μπορούσαν να προσπαθήσουν να κατασκευάσουν ένα μοντέλο ηλιακού πάνελ. ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΙΑΚΟΥ ΠΑΝΕΛ Χρησιμοποιήστε ένα ρηχό κουτί επενδεδυμένο με φύλλο αλουμινίου και πλαστική σωλήνωση τυλιγμένη γύρω από καρφιά, σε σχήμα σερπαντίνας ή φιδιού σε όλο το μήκος του κουτιού. Η σωλήνωση πρέπει να καλύπτεται με μαύρο χαρτί και ένα φύλλο πλεξιγκλάς (Perspex) ή γυαλί που πρέπει να τοποθετηθεί στην κορυφή. Το νερό πρέπει τροφοδοτείται από τον πυθμένα και να αφήνεται να ρέει έξω από την κορυφή. Αν η κατασκευή σας είναι υπό γωνία προς τον ήλιο σε μια ζεστή, ηλιόλουστη μέρα, η θερμοκρασία του νερού που βγαίνει από τον πίνακα θα πρέπει να είναι αρκετούς βαθμούς θερμότερη από ό, τι ήταν όταν εισχώρησε στον πίνακα.

5 Σε αυτή την ερευνητική εργασία θα μάθετε πώς λειτουργούν τα ηλιακά πάνελ. Θα διεξάγεται έρευνα που βασίζεται σε ένα ερώτημα, μία υπόθεση ή/και μία πρόβλεψη σχετικά με την επιστήμη των ηλιακών πάνελ. ΚΑΛΥΨΗ ΎΛΗΣ ΕΙΔΙΚΟ ΓΝΩΣΤΙΚΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ & ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ Όλοι οι τύποι της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σχηματίζουν ένα συνεχές φάσμα Η ενέργεια που μεταφέρει η ηλιακή ακτινοβολία καθιστά την ουσία που την απορροφά θερμότερη Η υπέρυθρη ακτινοβολία που απορροφάται εκλαμβάνεται από το δέρμα ως θερμότητα Τα διαφορετικά μήκη κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αντανακλώνται, απορροφώνται ή μεταδίδονται με διαφορετικό τρόπο από διαφορετικές ουσίες ή τύπους επιφανειών Οι σκούρες, ματ επιφάνειες απορροφούν σημαντικά την ακτινοβολία Οι φωτεινές λείες επιφάνειες ανακλούν την ακτινοβολία Η θερμική ενέργεια (θερμότητα) μεταδίδεται μέσω κυμάτων. Τα σωματίδια που συγκροτούν ένα σώμα (την ύλη) δε συμμετέχουν. Κατάλογος με προσδοκώμενα αποτελέσματα Θα διεξάγετε έρευνα που βασίζεται σε μια ερώτηση, μια υπόθεση ή μια πρόβλεψη και θα γράψετε μια έκθεση με τα ευρήματα σας. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα οργανόγραμμα για να σας βοηθήσει να σχεδιάσετε την πορεία της έρευνας σας. Τέλος, θα πρέπει να ολοκληρώσετε τα παρακάτω στάδια κατά τη διάρκεια της ερευνητικής εργασίας: 2 - διάγραμμα ροής της πορείας της έρευνάς σας 3, 4 ή 5 - υποβολή έκθεσης /αναφοράς σχετικά με την έρευνα

6 1 Η ενέργεια από τον ήλιο μπορεί να αξιοποιηθεί και να χρησιμοποιηθεί παραγωγικά για εγχώριους και βιομηχανικούς σκοπούς. Δύο από τους πιο κοινούς τρόπους «συλλογής» της ηλιακής ενέργειας χρησιμοποιούν ηλιακούς συλλέκτες (που παράγουν ζεστό νερό) και φωτοβολταϊκά στοιχεία (τα οποία παράγουν ηλεκτρική ενέργεια). Οι επιστήμονες ερευνούν τρόπους συνδυασμού ηλιακών συλλεκτών με φωτοβολταϊκά στοιχεία σε μία συσκευή με σκοπό την πιο αποτελεσματική χρήση ηλιακής ενέργειας. Ωστόσο, σε αυτή την ερευνητική εργασία μπορείτε να επικεντρωθείτε μόνο στους ηλιακούς συλλέκτες. Η ενέργεια που φθάνει στη γη από τον ήλιο μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα από ηλιακούς συλλέκτες και να θερμάνει το νερό που κινείται στο εσωτερικό τους. Αυτή η ηλιακή ενέργεια ονομάζεται υπέρυθρη ακτινοβολία. Η ακτινοβολία που φθάνει στην εξωτερική επιφάνεια του πάνελ απορροφάται από αυτό και στη συνέχεια η ενέργεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του νερού μέσα στη μονάδα του ηλιακού πάνελ. Η ενέργεια από αυτό το νερό μεταφέρεται στο σύστημα ζεστού νερού μέσω του εναλλάκτη θερμότητας. Αυτό το ζεστό νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακή χρήση, νοσοκομεία, γραφεία ή εργοστάσια. Όσο περισσότερη ηλιακή ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί στο νερό, τόσο καλύτερο είναι το ηλιακό πάνελ. Εμείς λέμε ότι έχει μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση. Αν μάθουμε πώς να κάνουμε τους ηλιακούς συλλέκτες πιο αποδοτικούς, μπορούμε να μειώσουμε το ποσό ενέργειας που προέρχεται από την καύση ορυκτών καυσίμων όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο και φυσικό αέριο. Διαβάστε το φύλλο «2» που περιγράφει πώς οι επιστήμονες σκέφτονται πριν και κατά τη διάρκεια της διεξαγωγής επιστημονικών ερευνών.

7 2 Οι επιστήμονες κάνουν πειράματα και έρευνες. Χρησιμοποιούν τις γνώσεις τους για να σκεφτούν νέες ιδέες που μπορούν να ελέγξουν και να δοκιμάσουν την εγκυρότητά τους. Κάθε ιδέα θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες γνώσεις σχετικά με θέμα της έρευνας. Ερευνητικά Στάδια Σημείο εκκίνησης της έρευνας Αυτό θα μπορούσε να είναι μια ερώτηση - η έρευνα θα μπορούσε να οδηγήσει στην απάντηση του ερωτήματος - προσπαθήστε να απαντήσετε την ερώτηση στο φύλλο «Πράσινη θέρμανση 3». Αυτό θα μπορούσε να είναι μια επεξήγηση για κάτι που έχει παρατηρηθεί - η έρευνα μπορεί να δείξει κατά πόσον η εξήγηση είναι έγκυρη ή όχι. Μια εξήγηση μερικές φορές ονομάζεται και υπόθεση. Δοκιμάστε τον έλεγχο της υπόθεσης στο φύλλο «4». Αυτό θα μπορούσε να είναι μία πρόβλεψη για το τι μπορεί να συμβεί στο μέλλον. Η έρευνά σας μπορεί να δείξει κατά πόσον η πρόβλεψη σας είναι έγκυρη ή όχι. Δοκιμάστε τον έλεγχο της πρόβλεψης στο φύλλο «5». Αυτό θα μπορούσε να είναι σημείο εκκίνησης για μία νέα έρευνα, για να αποκτήσετε ακόμη περισσότερες νέες γνώσεις. Μία γραπτή έκθεση/αναφορά, μια συζήτηση, μια αφίσα, μία πρόταση για ένα νέο πρόγραμμα

8 3 Κάνοντας ερωτήματα

9 4 Κάνοντας υποθέσεις

10 5 Κάνοντας προβλέψεις