Ανάπτυξη Εκπαιδευτικού Λογισμικού και Ολοκληρωμένων Εκπαιδευτικών Πακέτων για τα Ελληνικά σχολεία της Πρωτοβάθμιας και Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης & Διάθεση Προϊόντων Εκπαιδευτικού Λογισμικού στα Σχολεία «Ανάπτυξη ολοκληρωμένων προϊόντων εκπαιδευτικού λογισμικού» : Εκπαιδευτικό Εργαλείο ανάπτυξης αλληλεπιδραστικών προσομοιώσεων και δραστηριοτήτων για το Ελληνικό Σχολείο Σενάριο 1 Το ηλεκτρικό ρεύμα και τα ηλεκτρικά κυκλώματα Τελική έκδοση ολοκληρωμένου προϊόντος εκπαιδευτικού λογισμικού Έκδοση 1 η Μάρτιος 2008 Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 1
Ανάδοχος Φορέας Έργου Tessera Συστήματα Πληροφορικής Α.Ε. Ομάδα Ανάπτυξης του Έργου «: Εκπαιδευτικό Εργαλείο ανάπτυξης αλληλεπιδραστικών προσομοιώσεων και δραστηριοτήτων για το Ελληνικό Σχολείο» Υπεύθυνος έργου: Βασίλης Εφόπουλος Σύμβουλοι Εκπαιδευτικού Περιεχομένου: Βίγκλας Λίνος, Σπυρόπουλος Χαράλαμπος Συγγραφική Ομάδα Εκπαιδευτικών Σεναρίων: Σπυρόπουλος Χαράλαμπος, Βίγκλας Λίνος, Παπαδόπουλος Ιωάννης, Κολτσιδόπουλος Ευριπίδης, Μαρίνη Κωνσταντίνα, Πετσούκα Τάνια Προγραμματισμός Λογισμικού: Σπυρόπουλος Χαράλαμπος, Ioannidou Andri, Πετσούκα Τάνια, Κωνσταντίνα Μαρίνη, Φώτης Αθανάσιος, Μπαλασάς Αντώνης Γραφικά: Κοτζαμανίδης Χρήστος, Μαρόγλου Σμαρώ Υπεύθυνος/οι παρακολούθησης εκ μέρους του ΕΑ.ΙΤΥ: Τρέχουσα Έκδοση Εκπαιδευτικού Πακέτου Ομάδα δοκιμών ελέγχου λογισμικού: Εφοπούλου Αναστασία, Κλεφτοδήμος Αλέξανδρος Δήμητρα Εγγάρχου Κώστας Διαμαντής Άρης Λούβρης Δώρα Μαζιώτη Τελική έκδοση ολοκληρωμένου προϊόντος εκπαιδευτικού λογισμικού Μάρτιος 2008 Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 2
Λίγα λόγια για το Το είναι ένα εργαλείο δημιουργίας προσομοιώσεων με πράκτορες που δίνει τη δυνατότητα σε μια ευρεία κλίμακα χρηστών (από παιδιά μέχρι επαγγελματίες) να κατασκευάσουν τις δικές τους αλληλεπιδραστικές προσομοιώσεις και παιχνίδια. Το πρόγραμμα συνοδεύεται από πλήρες εγχειρίδιο λειτουργιών καθώς και από οδηγό χρήσης, που εγκαθίστανται αυτόματα στον υπολογιστή σας ταυτόχρονα με την εγκατάσταση του προγράμματος. Επιπλέον, στο παρόν CD-ROM περιέχεται ένα βίντεο (Εκπαιδευτικός οδηγός.mpg), που παρουσιάζει βήμα προς βήμα τα βασικά στάδια κατασκευής ενός έργου. Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 3
1. Το ηλεκτρικό ρεύμα και τα ηλεκτρικά κυκλώματα Ταυτότητα Σεναρίου Τίτλος: Το ηλεκτρικό ρεύμα και τα ηλεκτρικά κυκλώματα Γνωστικό Αντικείμενο: Ερευνώ το Φυσικό Κόσμο Διδακτική Ενότητα: Ηλεκτρισμός Τάξη: Ε' Δημοτικού Εκτιμώμενη Διάρκεια: 6 ώρες Σύντομη ανασκόπηση σεναρίου Ιδέα που διέπει το σενάριο Στη διάρκεια των έξι διδακτικών ωρών οι μαθητές αρχικά θα ασχοληθούν με την κατασκευή απλών κυκλωμάτων και το ρόλο που παίζει κάθε στοιχείο ενός τέτοιου κυκλώματος. Θα μελετήσουν πώς η μεταβολή των βολτ της μπαταρίας επιδρά στη φωτεινότητα των λαμπτήρων, ή πώς αυτή επηρεάζεται όταν προστεθούν λαμπτήρες στο κύκλωμα. Θα εκτιμήσουν τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να επιδράσει ένας μονωτής ή μια ασφάλεια. Επίσης, θα προχωρήσουν στην κατασκευή κυκλωμάτων, όπου θα υπάρχει σύνδεση σε σειρά και παράλληλη σύνδεση προκειμένου να κατανοήσουν την κίνηση του ρεύματος στην κάθε περίπτωση. Θα μελετήσουν τις μεταβολές που λαμβάνουν χώρα κάνοντας χρήση εικονικού βολτόμετρου αμπερόμετρου και μετρώντας τα βολτ (ή τα αμπέρ) σε διάφορα σημεία του κυκλώματος (για παράδειγμα πριν, κατά και μετά τη διακλάδωση σε μια παράλληλη σύνδεση). Τεχνολογικά εργαλεία που προτείνονται προς χρήση: Internet Explorer Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 4
Για να είναι δυνατή η λειτουργία της προσομοίωσης, θα πρέπει να εγκατασταθεί πρώτα το Java Runtime Environment που διατίθεται δωρεάν από την εταιρεία SUN στην ιστοσελίδα: http://java.sun.com/javase/downloads/index.jsp. Οδηγίες για τη χρήση του λογισμικού Οι προσομοιώσεις προσφέρονται σε δύο διαφορετικές εκδόσεις: Η μία έκδοση, η οποία περιέχει και τον πηγαίο κώδικα, αποτελεί έργο του και λειτουργεί μόνο στο περιβάλλον της εφαρμογής. Η δεύτερη έκδοση είναι σε μορφή applet και λειτουργεί μέσω ενός οποιουδήποτε φυλλομετρητή (Internet Browser), όπως ο Internet Explorer ή ο Mozilla Firefox. Στα σενάρια επισημαίνεται κάθε φορά αναλυτικά, ποια έκδοση θα πρέπει να χρησιμοποιήσει ο εκπαιδευτικός και πού ακριβώς θα τη βρει. Για να λειτουργήσουν ορθά τα applets θα πρέπει ο υπολογιστής να έχει εγκατεστημένο το Java Runtime Environment (JRE) και ο φυλλομετρητής να είναι ενεργοποιημένος ως προς την εκτέλεση εντολών Java (Java enabled). To JRE μπορείτε να το κατεβάσετε από το Internet (http://www. java. com), αλλά για ευκολία εγκαθίσταται αυτόματα και κατά την εγκατάσταση του. Αν έχετε εγκαταστήσει το ή έχετε κατεβάσει το JRE στον υπολογιστή σας και παρόλα αυτά δεν μπορείτε να δείτε τις προσομοιώσεις στα applets, τότε θα πρέπει να ελέγξετε τις ρυθμίσεις του φυλλομετρητή που χρησιμοποιείτε. Στον I.E. επιλέξτε Εργαλεία -> Επιλογές Internet. Στο παράθυρο που ανοίγει επιλέξτε Ασφάλεια -> Προσαρμοσμένο Επίπεδο και εκεί κάντε κλικ στην επιλογή Ενεργοποίηση κάτω από την περιγραφή Εκτέλεση βοηθητικών εφαρμογών της Java. Αντίστοιχα, στο Mozilla Firefox επιλέξτε Εργαλεία -> Επιλογές. Στο παράθυρο που ανοίγει επιλέξτε Περιεχόμενο και κάντε κλικ στο πεδίο Ενεργοποίηση Java. Συσχέτιση γνωστικού αντικειμένου και Σεναρίου Στα πλαίσια του Διαθεματικού Ενιαίου Πλαισίου Προγράμματος Σπουδών για το μάθημα Ερευνώ το Φυσικό Κόσμο της Ε Δημοτικού, τονίζεται στη σχετική ενότητα για το ηλεκτρικό ρεύμα ότι οι μαθητές θα πρέπει να μπορούν να περιγράφουν τον Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 5
τρόπο δημιουργίας ενός ηλεκτρικού κυκλώματος και το ρόλο κάθε στοιχείου σε αυτό. Θα πρέπει επίσης να αναγνωρίζουν το ρόλο της μπαταρίας ως πηγής ενέργειας σε ένα απλό κύκλωμα. Μέσα από τις προτεινόμενες δραστηριότητες οι μαθητές θα έχουν την ευκαιρία να διατυπώσουν υποθέσεις για το τι μπορεί να συμβεί στις περιπτώσεις που γίνεται μια επέμβαση σε ένα κύκλωμα (σε κάποιο από τα στοιχεία του και πώς αυτό επηρεάζει την όλη εικόνα του κυκλώματος) και στη συνέχεια μέσα από τις προσομοιώσεις να υλοποιήσουν συγκεκριμένες περιπτώσεις κυκλωμάτων και να εξάγουν συμπεράσματα. Θα μπορούν να αντιληφθούν τη συσχέτιση των διάφορων στοιχείων μέσα από τις αριθμητικές τους τιμές και να επιβεβαιώσουν ή να απορρίψουν υποθέσεις. Αυτό θα γίνει εφικτό με τη χρήση εικονικών μετρητών που θα προσομοιώνουν πραγματικές πληροφορίες για εσωτερικές παραμέτρους που δε γίνονται αντιληπτές με γυμνό μάτι. Οι πληροφορίες αυτές ενισχύουν την απόκτηση γνώσης σχετικής με τους σκοπούς της ενότητας. Εκπαιδευτικές Δραστηριότητες ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ Προκειμένου να προσθέσετε οποιοδήποτε στοιχείο ώστε να κατασκευάσετε ή να τροποποιήσετε ένα κύκλωμα, σύρετε με το ποντίκι πατημένο το στοιχείο που θέλετε στη θέση που επιθυμείτε. Για να απομακρύνετε οποιοδήποτε στοιχείο του κυκλώματος, σύρετέ το με το ποντίκι πατημένο στον κάδο ανακύκλωσης. Για να τρέξει η προσομοίωση πατήστε RUN στο κάτω μέρος του πεδίου εργασίας. Με το Stop μπορείτε να τη σταματήσετε. Για να κλείσει ή να ανοίξει ο διακόπτης του κυκλώματος κάντε κλικ πάνω του. Το βολτόμετρο-αμπερόμετρο, αφού το σύρετε στην επιθυμητή θέση, κινείται χρησιμοποιώντας τα βελάκια στο πληκτρολόγιο (ή πιάνοντας και σύροντάς το με το ποντίκι) και είναι ρυθμισμένο να κάνει αυτόματα μετρήσεις κάθε 5 δευτερόλεπτα, οι οποίες φαίνονται στο διαθέσιμο χώρο πάνω από το Run ( περιοχή μηνυμάτων του πεδίου εργασίας). Το κόκκινο βελάκι πρέπει να είναι πάντα στραμμένο προς τη συσκευή ή το καλώδιο όπου θέλετε να πραγματοποιήσετε τη μέτρηση. Το κόκκινο βελάκι αλλάζει κατεύθυνση με το πλήκτρο U (ώστε να δείχνει προς τα πάνω), με το D (ώστε να δείχνει προς τα κάτω), με το L (ώστε να δείχνει προς τα αριστερά) και με το R (ώστε να δείχνει προς τα δεξιά). Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 6
ΣΗΜΑΝΤΙΚΗ ΔΙΕΥΚΡΙΝΙΣΗ: Όταν το κόκκινο βελάκι είναι προσανατολισμένο σε συσκευή (πχ λαμπτήρας), δείχνει ένταση. Όταν είναι προσανατολισμένο σε καλώδιο, δείχνει τάση. Επαναφορά της προσομοίωσης στην αρχική της κατάσταση γίνεται με το Reset. Εμφάνιση των αριθμητικών στοιχείων σχετικά με τα βολτ της μπαταρίας ή των λαμπτήρων, γίνεται από το τριγωνάκι πάνω δεξιά, αφού επιλέξετε «Ιδιότητες προσομοίωσης». ΚΑΝΟΝΕΣ ΠΟΥ ΔΙΕΠΟΥΝ ΤΗ ΣΩΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ 1. Μην τοποθετείτε λαμπτήρα αμέσως μετά την μπαταρία (πρέπει να παρεμβάλλεται καλώδιο) 2. Μη βάζετε διαδοχικά δυο λαμπτήρες. Πρέπει να παρεμβάλλεται μεταξύ τους καλώδιο. 3. Μην κατασκευάζετε κυκλώματα με κενά μεταξύ των καλωδίων. 4. Τα καλώδια πριν και μετά από κάθε λαμπτήρα να είναι προς την ίδια κατεύθυνση (και τα δυο οριζόντια ή και τα δυο κατακόρυφα) 5. Μην τοποθετείτε ένα διακόπτη αμέσως μετά από ένα λαμπτήρα ή την μπαταρία. Πρέπει να παρεμβάλλεται καλώδιο. Δραστηριότητα: Το ηλεκτρικό ρεύμα και τα ηλεκτρικά κυκλώματα Γενικοί διδακτικοί στόχοι: Απόκτηση γνώσεων και ανάπτυξη δεξιοτήτων αναφορικά με τις σχέσεις που διέπουν τα στοιχεία ενός κυκλώματος. Ανάπτυξη της ικανότητας του μαθητή να παρατηρεί, να περιγράφει και εν μέρει να προβλέπει. Ειδικοί διδακτικοί στόχοι: Να κατανοήσουν τη φύση της σχέσης μεταξύ των διαφόρων στοιχείων ενός κυκλώματος. Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 7
Να κατανοήσουν πως οποιαδήποτε αλλαγή μπορεί να επιδράσει με ποικίλους τρόπους στη γενική εικόνα του κυκλώματος, μέσα από στοιχεία αντιληπτά με γυμνό μάτι, όπως η φωτεινότητα των λαμπτήρων. Να κατανοήσουν τη διαφορετική λειτουργία του ηλεκτρικού ρεύματος στην περίπτωση που έχουμε σύνδεση σε σειρά ή παράλληλη σύνδεση. Να κατανοήσουν τη λειτουργία του μονωτή, της ασφάλειας και τη χρήση του βολτόμετρου-αμπερόμετρου. Προαπαιτούμενα Μια μικρή εξοικείωση του εκπαιδευτικού με το περιβάλλον του Internet Explorer. Χρονισμός εφαρμογής Η εκτιμώμενη διάρκεια υλοποίησης της δραστηριότητας υπολογίζεται στις 6 διδακτικές ώρες που πρέπει να γίνουν στο περιβάλλον του εργαστηρίου. Θεωρείται απαραίτητη η προηγούμενη γνώση, όπως αυτή παρουσιάζεται στο βιβλίο του μαθητή, για το στατικό ηλεκτρισμό, το άτομο και τη δομή του. Προετοιμασία Για την υλοποίηση της δραστηριότητας θα πρέπει να υπάρχει στο σχολικό εργαστήριο εγκατεστημένος ο Internet Explorer. Για να εμφανίζονται ορθά τα applets των προσομοιώσεων, η ανάλυση της οθόνης θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 1024Χ768. Επίσης, το παράθυρο του φυλλομετρητή θα ήταν καλό να μεγιστοποιηθεί με τη χρήση του πλήκτρου F11. Αν, λόγω περιορισμένου αριθμού υπολογιστών στο εργαστήριο, οι μαθητές βρίσκονται ανά 2 ή 3 μπροστά σε κάθε οθόνη, μπορούν να εναλλάσσονται στις επαναλήψεις των προσομοιώσεων ώστε να υλοποιούνται κάθε φορά από διαφορετικό μαθητή. Επίσης, η χρήση του βιντεοπροβολέα για την επίδειξη της υλοποιημένης λύσης του κάθε προβλήματος από τον εκπαιδευτικό, θα βοηθούσε στην αποτελεσματικότερη ροή της δραστηριότητας μέσα στα πλαίσια της μιας διδακτικής ώρας. Τέλος, το Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 8
βοηθητικό υλικό για την υλοποίηση της δραστηριότητας από τους μαθητές βρίσκεται στο Φάκελο Σενάριο_1_Μαθητής που θα πρέπει να αντιγράψει ο εκπαιδευτικός στο Φάκελο Τα Έγγραφα μου του κάθε υπολογιστή που θα χρησιμοποιήσουν οι μαθητές. Το αντίστοιχο βοηθητικό υλικό για τον εκπαιδευτικό βρίσκεται στο Φάκελο Σενάριο_1_Εκπαιδευτικός που θα πρέπει να αντιγράψει ο εκπαιδευτικός στο Φάκελο Τα Έγγραφα μου στον υπολογιστή τον οποίο θα χρησιμοποιεί σε συνδυασμό με τον βιντεοπροβολέα. Ροή της δραστηριότητας Βήμα 1 ο (Διάρκεια 2 διδακτικές ώρες) Στο πρώτο δίωρο η δραστηριότητα ξεκινά με ένα έτοιμα απλό κύκλωμα (Εικόνα 1-1). Οι μαθητές ανοίγουν το αρχείο προσομοίωσης Τα Έγγραφα μου\ Σενάριο_1_Μαθητής\ electricity simple Applet\ index.html και καλούνται να απαντήσουν στο τι θα συμβεί, αν κλείσουν τον έναν από τους δυο ή και τους δύο διακόπτες ταυτόχρονα και επαληθεύουν την υπόθεσή τους. Ζητούμε να σκεφτούν τι θα συνέβαινε αν αντί για το λαμπτήρα υπήρχε ένα κουδούνι και στη συνέχεια το υλοποιούν. Εμφανίζουμε τον πίνακα με τις ιδιότητες της προσομοίωσης και κάνοντας κλικ στο κελί με τα βολτ της μπαταρίας (Βολτ_Μπαταρίας) που έχει αρχική τιμή 12V, τους ζητούμε να κάνουν σταδιακές μειώσεις και να παρατηρήσουν τις επιπτώσεις στη λειτουργία του κυκλώματος (η εφαρμογή κάθε μείωσης γίνεται με Enter στο πληκτρολόγιο). Επαναλαμβάνουμε την προηγούμενη διαδικασία αυξάνοντας τώρα σταδιακά την τάση της μπαταρίας (από 12 στα 15, 18, 20, 22, 25 Volt) για να διαπιστώσουν ότι, όταν αυτή υπερβεί ένα συγκεκριμένο όριο που έχει να κάνει με την αντοχή της κάθε λάμπας, η λάμπα καίγεται. Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 9
Εικόνα 1-1 Αρχικοποιούμε την προσομοίωση (Reset) και στη συνέχεια προσθέτουμε σταδιακά 4 λαμπτήρες στο κύκλωμα, κρατώντας σταθερά τα Volt της μπαταρίας. Παρατηρούμε τη συνέπεια αυτής της ενέργειας στη λειτουργία του κυκλώματος. Κατόπιν, αρχίζουμε να αυξάνουμε την τάση της μπαταρίας στον πίνακα για να παρατηρήσουμε πώς σταδιακά αυξάνεται η φωτεινότητα, μέχρι του ορίου, πέραν του οποίου, παρουσιάζεται βλάβη στους λαμπτήρες. Στο σημείο αυτό κάνουμε σύγκριση με την αντίστοιχη περίπτωση του αρχικού απλού κυκλώματος και δίνουμε πιθανές εξηγήσεις. Βήμα 2 ο (Διάρκεια 2 διδακτικές ώρες) Το δίωρο αυτό θα αναλωθεί σε μια σειρά από πιο πολύπλοκα κυκλώματα (με σταδιακά αυξανόμενο βαθμό πολυπλοκότητας). Οι μαθητές καλούνται να ανοίξουν το αρχείο Τα Έγγραφα μου\σενάριο_1_μαθητής\electricity empty Applet\index.html, που είναι ένα εικονικό εργαστήριο και να κατασκευάσουν - βλέποντας τις εικόνες στο φύλλο εργασίας (Εικόνες 1-2, 1-3, 1-4, 1-5) - μια σειρά από κυκλώματα. Αρχικά, οι διακόπτες θα είναι όλοι ανοικτοί. Ζητούμε από τους μαθητές να προβλέψουν και να επιχειρηματολογήσουν για το τι θα συμβεί με το Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 10
κλείσιμο του κάθε διακόπτη. Στη συνέχεια τρέχουν την προσομοίωση για να ελέγξουν την ορθότητα των υποθέσεών τους. Ενδεικτικά παρατίθεται μια σειρά από τέτοια κυκλώματα. Ο δάσκαλος μπορεί βέβαια να ζητήσει όποια άλλη κατασκευή κρίνει κατάλληλη. Εικόνα 1-2 A B Γ Εικόνα 1-3 Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 11
Α Δ Γ Β Εικόνα 1-4 Α Ζ Β Δ Γ Ε Εικόνα 1-5 Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 12
Βήμα 3 ο (Διάρκεια 2 διδακτικές ώρες) Σύνδεση σε σειρά και παράλληλη σύνδεση Οι μαθητές ανοίγουν το αρχείο προσομοίωσης Τα Έγγραφα μου\σενάριο_1_μαθητής\electricity compare Applet\index.html που δείχνει δυο κυκλώματα. Το ένα περιλαμβάνει λαμπτήρες συνδεδεμένους σε σειρά και το άλλο λαμπτήρες συνδεδεμένους παράλληλα (Εικόνα 1-6). Εικόνα 1-6 Παρουσιάζουμε στα παιδιά τις ιδιαιτερότητες (σε κατασκευαστικό επίπεδο και επίπεδο δομής και όχι σε επίπεδο ιδιοτήτων) που έχει το καθένα από τα δυο κυκλώματα σε σύγκριση με το άλλο. Σύνδεση σε σειρά: Το τέλος της μιας αντίστασης (πχ το σύρμα του λαμπτήρα) είναι η αρχή της άλλης Όλες οι αντιστάσεις διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα. Παράλληλη σύνδεση: Όλοι οι θετικοί ακροδέκτες των συσκευών (πχ όλων των λαμπτήρων) συνδέονται μέσω ενός κοινού σημείου με το θετικό πόλο της πηγής και οι αρνητικοί μέσω άλλου κοινού σημείου με τον αρνητικό πόλο της πηγής. Στη σύνδεση αυτή δημιουργούνται διαφορετικές διαδρομές για το ρεύμα και μπορεί το ρεύμα να μην περνά από έναν κλάδο, χωρίς αυτό όμως να το εμποδίζει να περνά από κάποιον άλλο. Στη δραστηριότητα αυτή θα κάνουμε μετρήσεις με το αμπερόμετρο, γι αυτό είναι σημαντικό οι μαθητές να κατανοήσουν την έννοια της έντασης και τη χρήση του Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 13
αμπερόμετρου ως οργάνου για τη μέτρησή της, στα σημεία του κυκλώματος όπου έχουν συνδεθεί συσκευές (πχ λαμπτήρες). Εξίσου σημαντικό είναι να κατανοήσουν και την έννοια της τάσης που είναι πιο σύνθετη. Ένα παράδειγμα που θα βοηθούσε προς την κατεύθυνση αυτή είναι να παρομοιάσουμε το κύκλωμα με ένα βαρέλι γεμάτο νερό. Για το παράλληλο κύκλωμα ανοίγουμε δυο τρύπες στα πλευρικά τοιχώματα του βαρελιού, λίγο πάνω από τον πυθμένα και στο ίδιο ύψος. Για τη σειριακή σύνδεση ανοίγουμε μια τρύπα στην οποία βάζουμε έναν οριζόντιο σωλήνα για να βγαίνει το νερό, ο οποίος έχει δυο τρύπες σε απόσταση κάποιων εκατοστών μεταξύ τους. Είναι φυσικό ότι στην πρώτη περίπτωση το νερό θα εκτινάσσεται με την ίδια πίεση και από τις δυο τρύπες, ενώ στη δεύτερη περίπτωση το νερό θα εκτινάσσεται με μεγαλύτερη πίεση από την τρύπα που είναι πιο κοντά στο βαρέλι σε σύγκριση με την τρύπα που βρίσκεται πιο μακριά. Το παράδειγμα αυτό θα δώσει, εκ των υστέρων, μια ικανοποιητική εξήγηση γιατί έσπασε ο πρώτος από τους 4 λαμπτήρες στο πρώτο δίωρο, όπου είχαμε σειριακό κύκλωμα και αυξάναμε σταδιακά την τάση της μπαταρίας. Εικόνα 1-7 Ζητούμε από τους μαθητές να προσθέσουν έναν ακόμη λαμπτήρα στο δεύτερο κύκλωμα (Εικόνα 1-7) και να κάνουν μια σειρά από μετρήσεις με το αμπερόμετρο και στα δυο κυκλώματα προκειμένου να οδηγηθούν στα συμπεράσματα ότι: Στη σύνδεση σε σειρά: Οι λαμπτήρες διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα (η ένταση είναι ίδια σε όλες τις συσκευές) Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 14
Στην παράλληλη σύνδεση: Έχουν την ίδια τάση στα άκρα και το ολικό ρεύμα (ένταση) είναι το άθροισμα των επιμέρους ρευμάτων (εντάσεων). Στη μεν σειριακή σύνδεση οι μετρήσεις με το αμπερόμετρο γίνονται στον πρώτο και στο δεύτερο λαμπτήρα, ενώ στην παράλληλη στον πρώτο, δεύτερο και τρίτο λαμπτήρα. Γίνεται συζήτηση και δίνονται εξηγήσεις για τα αποτελέσματα των μετρήσεων (θυμίζουμε στους μαθητές ότι το κόκκινο βελάκι του αμπερόμετρου πρέπει να είναι στραμμένο προς τη συσκευή όπου γίνεται η μέτρηση και ότι αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση των πλήκτρων U (πάνω), D (κάτω), L (αριστερά), R (δεξιά)). Στην περίπτωση της παράλληλης σύνδεσης θα πρέπει να οδηγήσουμε τους μαθητές στο συμπέρασμα ότι το άθροισμα των εντάσεων στους δυο παράλληλους κλάδους ισούται με την ένταση του ρεύματος στον τρίτο λαμπτήρα. Στη συνέχεια ζητείται από τους μαθητές, αφού αρχικοποιήσουν το κύκλωμα, να ανοίξουν τις ιδιότητες της προσομοίωσης, να μειώσουν σταδιακά τα βολτ της μπαταρίας και να περιγράψουν τι παρατηρούν (θα γίνει μια σύγκριση ανάμεσα στα δυο κυκλώματα. Θα επικεντρωθούμε στην ομοιογενή φωτεινότητα των λαμπτήρων στην παράλληλη σύνδεση και στην ανομοιογενή φωτεινότητα στη σύνδεση σε σειρά). Το πείραμα επαναλαμβάνεται με σταδιακή αύξηση της τάσης της μπαταρίας (από τα 12 βολτ στα 15, 20, 25). Εδώ, το πρώτο κύκλωμα που θα παρουσιάσει τις συνέπειες θα είναι το παράλληλο όπου θα καούν ταυτόχρονα οι δυο λάμπες. Οι μαθητές κάνουν μετρήσεις με το βολτόμετρο για μεν την παράλληλη σύνδεση στο σύρμα πριν τη διακλάδωση, στο σύρμα πριν τον πάνω και πριν τον κάτω λαμπτήρα, ενώ για τη σύνδεση σε σειρά στο σύρμα πριν τον πρώτο και πριν το δεύτερο λαμπτήρα. Παρατηρούν τα εξαγόμενα και δίνουν εξηγήσεις. Κατόπιν συνεχίζουν να αυξάνουν τα βολτ στη μπαταρία (30, 35, 40 βολτ), οπότε θα παρατηρήσουν τις συνέπειες και στο άλλο κύκλωμα, όπου όμως θα δουν να σπάει μόνο ο πρώτος λαμπτήρας. Με αυτόν τον τρόπο θα κατανοήσουν την έννοια της τάσης. Στο παράλληλο κύκλωμα, σπάνε και οι δυο λαμπτήρες ταυτόχρονα γιατί βρίσκονται στην ίδια «απόσταση» από την πηγή και δέχονται την ίδια «πίεση». Αντίθετα, στο σειριακό κύκλωμα, μεγαλύτερη «πίεση» δέχεται ο πρώτος λαμπτήρας αφού βρίσκεται πιο «κοντά» στην πηγή και λιγότερη ο δεύτερος που βρίσκεται πιο μακριά. Αυτό επιβεβαιώνεται από τις μετρήσεις που θα γίνουν με το βολτόμετρο και εξηγεί γιατί σπάει ο πρώτος λαμπτήρας (Εικόνα 1-8). Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 15
Εικόνα 1-8 Προτάσεις για επεκτάσεις ή διαφοροποιήσεις Ο εκπαιδευτικός μπορεί να αξιοποιήσει τις δυνατότητες που του δίνει το εικονικό εργαστήριο για να σχεδιάσει δραστηριότητες που να περιλαμβάνουν αντιστάσεις ή ασφάλειες, προσαρμόζοντας το βαθμό δυσκολίας και πολυπλοκότητας στο επίπεδο των μαθητών του. Επίσης, στο φάκελο «Σενάριο 1_Ηλεκτρικό Ρεύμα - Ηλεκτρικά Κυκλώματα \ Σενάριο_1_Εκπαιδευτικός \ Προσομοίωση Ηλεκτρισμός» παρατίθεται η προσομοίωση σε μορφή πηγαίου προγράμματος. Ο εκπαιδευτικός μπορεί να επέμβει δημιουργώντας τις δικές του παραλλαγές επεκτάσεις στην παρούσα δραστηριότητα. Διευθύνσεις στο Διαδίκτυο http://scifiles.larc.nasa.gov/text/kids/problem_board/problems/electricity/ circuits2.html Σελίδα της NASA που απευθύνεται σε μαθητές, γονείς και δασκάλους και περιέχει πληροφορίες για τα ηλεκτρικά κυκλώματα και τη συνδεσμολογία σε αυτά όπως επίσης και οδηγίες για την αποφυγή ατυχημάτων. http://www.learningcircuits.co.uk/flashmain.htm Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 16
Στη σελίδα αυτή μπορούν οι μαθητές να παίξουν online ένα παιχνίδι γνώσεων σχετικά με βασικές έννοιες του ηλεκτρισμού, με απλά κυκλώματα, διακόπτες, μονωτές κλπ http://www.andythelwell.com/blobz/guide.html Σελίδα που παρέχει πληροφορίες για τα ηλεκτρικά κυκλώματα και μέσω ενός παιχνιδιού γνώσης δίνει την ευκαιρία στους μαθητές να διαπιστώσουν αν έχουν αντιληφθεί σωστά τις σχετικές έννοιες Έργο ΠΛΕΙΑΔΕΣ/ Χρυσαλλίδες, Γ ΚΠΣ Σελίδα 17