Science on Stage 2019

 

Η εργασία παρουσιάστηκε στο Science on Stage τo 2019.

Φυσική σημαίνει μετρώ

Μαθητές: Γκιολάι Φραντζέσκα,  Καλογεροπούλου Θεοδώρα, Καλύβας Βαγγέλης, Καμίτση Αγγελίνα, Κόλλια Ελπίδα, Κορδαλής Γιώργος, Κουρούπη Κωνσταντίνα και Λέναρτ Λούκας

15^ο Γενικό Λύκειο Αθηνών

Υπεύθυνοι καθηγητές

Μαυρουδή Μαγδαληνή, ΠΕ03, mavroudimagdalini@gmail.com

Σύλβια Κατσαμένη, ΠΕ03, sylfekat@yahoo.gr

Κωνσταντίνος Μαΐστρος, ΠΕ04.01, cmaistros@yahoo.gr

Περίληψη

Ακολουθώντας την παρότρυνση του Γαλιλαίου να αποδεικνύεται με πείραμα ό,τι υποστηρίζουμε στη Φυσική εκπονήσαμε την εργασία μας προσπαθώντας να μυήσουμε τους μαθητές της Α γυμνασίου στη μέτρηση μεγεθών από τη Φυσική και στην κατανόηση των ανάλογων ποσών από τα Μαθηματικά βασιζόμενοι σε προγενέστερες γνώσεις του Δημοτικού.

Τα μεγέθη που επιλέξαμε είναι το μήκος και ο χρόνος στην ομαλή ευθύγραμμη κίνηση που είναι ανάλογα ποσά και τονίσαμε τη σπουδαιότητα του σταθερού τους πηλίκου, την ταχύτητα.

Για να κάνουμε πιο ενδιαφέρουσα την παρουσία και πάλι ακολουθήσαμε τον Γαλιλαίο, ώστε το μάθημα να γίνει με διάλογο μεταξύ μαθητών (Μ) – εκπαιδευτικού (Ε) μέσα σε έξι το πολύ διδακτικές ώρες με τρία πειράματα.

Στο πρώτο πείραμα χρησιμοποιούμε ένα χαμηλού κόστους αμαξίδιο, μια μετροταινία και ένα χρονόμετρο. Με δεδομένο ότι τα περισσότερα σχολεία είναι εξοπλισμένα με ρομποτάκια εκτελέσαμε το πείραμα και με ρομπότ.

Στο δεύτερο πείραμα σειρά έχει το Arduino με πομποδέκτη υπερήχων και πάλι διάταξη χαμηλού κόστους και πολύ μεγάλης διαδικτυακής υποστήριξης.

Το τρίτο πείραμα εκτελείται με τρία καθρεφτάκια κολλημένα κάθετα μεταξύ τους και ένα απλό L.A.S.E.R. ώστε να αντιληφθούν τη ρετροανάκλαση.

Τρία απλά πειράματα  που ευνοούν την ανάπτυξη δεξιοτήτων, την αλλαγή μαθησιακής στάσης και τη διαμόρφωση ορθολογικού τρόπου σκέψης.

Τα εκθέματα είναι διαδραστικά, στοχεύουν στην έκπληξη και στη διερευνητική κατάκτηση της γνώσης.

Ακούτε να δείτε τι έπ(μ)αθα.

Ρώτησα ένα Φυσικό:

13. Γιατί όταν φωνάζουμε το όνομά μας σε ανοιχτό χώρο, ξανακούμε να μας φωνάζουν από απέναντι;

5. Πόσος χρόνος πέρασε μέχρι να το ξανακούσεις;

13. Περίπου 3 δευτερόλεπτα.

5. Α, τότε σίγουρα θα υπήρχε κάποιος τοίχος – εμπόδιο στα 500 μέτρα περίπου.

13. Δηλαδή;

5. Να, όπως πετάς μια μπάλα σε ένα τοίχο κι αυτή επιστρέφει, έτσι κι ο ήχος ανακλώμενος επιστρέφει.

13. Και τα 500 μέτρα πως προέκυψαν;

5. Γνωρίζοντας δε ότι ταξιδεύει με ταχύτητα περίπου 350 m/s, σε 3 δευτερόλεπτα διανύει 1050 m κι επειδή πάει κι έρχεται η απόσταση του τοίχου θα είναι η μισή.

Μέχρι εδώ όλα καλά. Την άλλη μέρα όμως με περίμενε με ένα αυτοκινητάκι λίγο περίεργο και με έβαλε να μετρώ το χρόνο που χρειαζόταν για να πάει και να έρθει μεταξύ δύο εμποδίων φτιάχνοντας τον αντίστοιχο πίνακα τιμών απόστασης – χρόνου και μετά τη γραφική τους παράσταση.

Ακολούθησαν οι ερωτήσεις του τύπου Τι ποσά είναι η απόσταση με το χρόνο; Ανάλογα. Κι εφόσον είναι ανάλογα τι φανερώνει το σταθερό τους πηλίκο; Την ταχύτητα του κινητού. Κι αν βάλω σε τυχαία θέση τα δύο εμπόδια πως θα υπολογίσουμε την απόστασή τους; Το αυτοκινητάκι θα μας δώσει το χρόνο πήγαινε – έλα και θα τον πολλαπλασιάσουμε επί την ταχύτητα που βρήκαμε. Ξέχασες το πήγαινε – έλα. Α, ναι και μετά δια δύο. Καλό είναι να επαναλάβεις το κεφάλαιο των ανάλογων ποσών στο βιβλίο «Μαθηματικά της Στ΄ Δημοτικού». Καλά καλά, αλλά το αυτοκινητάκι πως λειτουργεί; Όπως βλέπεις έχει ένα κινητήρα και δύο πιεστικούς διακόπτες, ένα μπροστά κι ένα πίσω, ενώ από πάνω έχει ένα «τουβλάκι» όπως λέγεται. Τουβλάκι; Ναι έτσι το ονόμασαν οι κατασκευαστές του. Brick κατά τη διεθνή ορολογία κι έχει δύο τμήματα. Το κάτω περιέχει επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που παρέχουν ενέργεια στην κατασκευή και το πάνω είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που ελέγχει θύρες εισόδου και εξόδου, βάσει προγράμματος. Δηλαδή; Να, στη συγκεκριμένη κατασκευή του είπαμε: 1.               Μηδένισε το χρονόμετρό σου 2.               προχώρα συνέχεια μπροστά μέχρι να πατηθεί ο μπροστινός διακόπτης 3.               σταμάτα και πήγαινε συνέχεια πίσω μέχρι να πατηθεί ο πίσω διακόπτης 4.               σταμάτα και δείξε μου το χρόνο. M. Ακούγεται πολύ εύκολο. E.     Και είναι με λίγη εξάσκηση. Περιμένω τώρα στην επόμενη συνάντησή μας να μου πεις πώς θα το πείσουμε να μας λέει απευθείας την απόσταση ενός αντικειμένου από ένα σημείο αφετηρία.

 

Φύλλο εργασίας 1.

Πίνακας 1 Μετρήσεις για όχημα

x    (cm)	2x   (cm)	t   (s)	v   (cm/s)

 

 

Στο επόμενο μάθημα νάτος πάλι με το αυτοκινητάκι, μόνο που τώρα φορούσε και δυο κόκκινα μάτια.

13. Τι είναι αυτά τα μάτια;

5. Μοιάζουν με μάτια αλλά είναι πομποδέκτης υπερήχων.

13. Α! βλέπει σαν τη νυχτερίδα, με υπέρηχους.

5. Ωραία, βλέπω ότι θυμάσαι τα του ήχου που μάθατε στο βιβλίο «Φυσικής της Ε΄ Δημοτικού».

13. Άντε πάλι με τα βιβλία, αυτό όμως πώς λειτουργεί;

5. Ο πομπός εκπέμπει υπέρηχο των 40.000 Hz επί 10 μs, δημιουργεί δηλαδή ένα ‘πακετάκι’ ενέργειας που ταξιδεύει με την ταχύτητα του ήχου στον αέρα και αν βρει εμπόδιο ανακλώμενο διεγείρει τον δέκτη.

13. Η όλη κατάσταση μου θυμίζει το αυτοκινητάκι, πήγαινε – έλα.

5. Κι έχεις απόλυτο δίκιο, βλέπεις η Φυσική εκτός από την ύλη, ασχολείται και με την ενέργεια όπως είναι και τα μηχανικά κύματα.

13. Να υποθέσω ότι ακολουθεί πείραμα;

5. Τι θα πρότεινες να κάνουμε;

13. Κάτι έχω στο μυαλό μου αλλά με μπερδεύει ο κινητήρας και οι ρόδες.

5. Να θυμάσαι ότι στην κατανόηση της Φύσης, η αφαίρεση παίζει σπουδαίο ρόλο.

13. Ε, τότε θα κάνουμε το ίδιο. Με ακίνητο το αυτοκινητάκι θα μετρώ το χρόνο που χρειάζεται το ‘πακετάκι’ ενέργειας να ανακλαστεί σε ένα εμπόδιο και να επιστρέψει. Ακολουθεί πίνακας τιμών απόστασης – χρόνου και μετά η γραφική τους παράσταση και ο υπολογισμός της ταχύτητας του ήχου.

5. Και πώς θα το πείσουμε να μας λέει απευθείας την απόσταση ενός αντικειμένου;

13. Α ναι κι αυτό, ή να μου λέει το ύψος μου.

5. Βέβαια και πολλές ακόμη εφαρμογές όπως η καταγραφή του πυθμένα των θαλασσών ή του εμβρύου με SONAR.

 

 

 

 Φύλλο εργασίας 2.

 

 

 Στο επόμενο μάθημα η έδρα ήταν άδεια και είχε μόνο τρία μικρά καθρεφτάκια κολλημένα κάθετα μεταξύ τους. Έκανα πως δεν τα είδα και περίμενα να αρχίσει το μάθημα κι άρχισε:

5. Φυσική σημαίνει μετρώ, αλλά τι σημαίνει μετρώ;

13. Μετρώ σημαίνει συγκρίνω ένα μέγεθος με ένα άλλο ομοειδές του που το θεωρώ ως μονάδα μέτρησης.

5. Σωστά και για να μην έχει ο καθένας τις δικές του μονάδες μέτρησης χρησιμοποιούμε το διεθνές σύστημα μονάδων γνωστό ως S.I.

13. Αλλά πως δημιουργήθηκε το S.I.

5. Το 1788 ο Λουδοβίκος ο ΙΣΤ διαπίστωσε δυσαρέσκεια στις επαρχίες της Γαλλίας και κάλεσε εκπροσώπους από όλη την επικράτεια να διατυπώσουν τι φταίει. Το πρόβλημα ήταν τα διαφορετικά μέτρα και σταθμά που χρησιμοποιούσαν σε διαφορετικές επαρχίες κατά τη διακίνηση προϊόντων.

13. Αποφάσισαν λοιπόν να δημιουργήσουν ενιαία  μέτρα και σταθμά;

5. Σωστά, δεν ήταν όμως τόσο εύκολο, χρειαζόταν κάτι πιο ριζοσπαστικό.

Μ. Έτσι ξεκίνησε η Γαλλική επανάσταση το 1789;

Ε.   Ναι αλλάζοντας όχι μόνο τα μέτρα και σταθμά αλλά κι ολόκληρη την κοινωνική ζωή στον πλανήτη μας.

Μ. Και σήμερα τι θα μετρήσουμε;

Ε.   Μέχρι τώρα μετρήσαμε αποστάσεις χρησιμοποιώντας υπέρηχους. Θα μπορούσαμε να     μετρήσουμε με υπέρηχους και πολύ μεγάλες αποστάσεις όπως ας πούμε Γης –     Σελήνης;

Μ. Ε όχι βέβαια γιατί τα μηχανικά κύματα δε διαδίδονται στο κενό.

Ε.   Ωραία και τι θα προτείνατε;

Μ. Θα έλεγα το φως αλλά μου φαίνεται κομμάτι δύσκολο.

Ε.   Μα βέβαια το φως, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που διαδίδεται και στο κενό.

Μ. Α κατάλαβα, στέλνουμε ένα «πακετάκι» ενέργειας προς την επιφάνεια της Σελήνης  όπου έχουμε εγκαταστήσει ένα τεράστιο καθρέφτη και μετράμε το χρόνο πήγαινε –  έλα, τον πολλαπλασιάζουμε επί την ταχύτητα του φωτός που τη γνωρίζουμε 300.000 km/s και δε ξεχνάμε να διαιρέσουμε με το δύο, τα ξέρουμε τώρα αυτά.

Ε.   Υπάρχουν κάποια προβλήματα ως προς το μέγεθος του καθρέφτη και την καθετότητα της δέσμης πάνω σε αυτόν.

Μ. Και τι κάνουμε γι’ αυτό;

Ε.   Χρησιμοποιούμε το φαινόμενο της ρετροανάκλασης.

Μ. Ρετρό; Επιστροφή στα παλιά;

Ε.   Όχι ρετρό επιστροφή προς τα πίσω. Μπορούμε να αποδείξουμε ότι φως που      προσπίπτει σε μια κυβογωνιά καθρεφτών επιστρέφει προς το σημείο εκπομπής του.

Μ. Κι έλεγα τι να είναι αυτό πάνω στην έδρα.

Ε.   Σωστά, οι αστροναύτες των Apollo 11, 12 και 15 εγκατέστησαν σε τρία διαφορετικά σημεία του δορυφόρου μας συστοιχίες των 100 ρετροανακλαστήρων. Στέλνουμε ένα παλμό L.A.S.E.R. προς έναν από αυτούς κάθε φορά και αυτός επιστρέφει μετά από 2,51 δευτερόλεπτα.

Μ. Άρα η επιφάνεια της Σελήνης βρίσκεται 2,51x300.000=753.000 km και δια δύο μας κάνουν 376.500 km μακριά από την επιφάνεια της Γης.

Ε.   Μπράβο, προσθέτοντας και τις ακτίνες Σελήνης (~1.600 km) και Γης (~6.400 km) υπολογίζουμε την απόσταση κέντρου Σελήνης - Γης σε 384.500 km. Αξίζει πάντως να ψάξετε και να βρείτε πως υπολόγισαν αυτή την απόσταση οι Αρχαίοι Έλληνες και αιώνες μετά ο Νεύτωνας.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Συμπεράσματα:

Η διδασκαλία με πειράματα έδωσε την ευκαιρία στους μαθητές να συνεργαστούν μεταξύ τους, να αναλάβουν δράση και ρόλους, να έρθουν σε επαφή με τον προγραμματισμό, να αξιοποιήσουν τα κινητά τους τηλέφωνα (χρονόμετρο και κομπιουτεράκι) στη διαδικασία του πειράματος, να κάνουν μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο, να ανακαλύψουν την ουσιαστική σχέση που συνδέει τη θεωρία με το πείραμα, έτσι:

–       Αναπτύσσουν δεξιότητες στην κατασκευή ηλεκτρικών κυκλωμάτων.

–       Εξοικειώνονται με ηλεκτρονικές διατάξεις.

–       Πραγματοποιούν ιδιοκατασκευές συνεργαζόμενοι.

–       Ερμηνεύουν τα γραφήματα.

–       Αποτυπώνουν τα συμπεράσματά τους σε φύλλα εργασίας.

–       Συνειδητοποιούν την αξία της ακρίβειας των μετρήσεων και τη μείωση του σφάλματος με την εξαγωγή μέσου όρου των μετρήσεων ή τη γραφική παράσταση.

–       Ευνοείται σημαντικά η ομαδική εργασία των μαθητών.

            Οι μικροελεγκτές και κατ’ επέκταση η ρομποτική είναι σήμερα ό,τι υπήρξε η πληροφορική πριν τριάντα χρόνια, το παρελθόν και η εξέλιξη του τομέα της πληροφορικής, τόσο στο δημόσιο βίο όσο και στην εκπαίδευση μας προϊδεάζει για το μέλλον. Ήδη η ρομποτική χτυπάει την πόρτα του σύγχρονου πολίτη, δεν μπορεί η εκπαίδευση να αγνοήσει τα σημεία των καιρών. 

Παράρτημα

Προγράμματα των πειραμάτων.

 Πρόγραμμα μέτρηση απόστασης με όχημα Lego EV3

Πρόγραμμα μέτρηση απόστασης με υπέρηχο με Arduino

const int vccPin = 11;

const int trigPin = 12;

const int echoPin = 13;

long duration;

long distance;

void setup() {

  Serial.begin(9600);

  pinMode(vccPin, OUTPUT);

  pinMode(trigPin, OUTPUT);

  pinMode(echoPin, INPUT);

  digitalWrite(vccPin, 1);

}

void loop() {

  digitalWrite(trigPin, LOW);

  delayMicroseconds(2);

  digitalWrite(trigPin, HIGH);

  delayMicroseconds(10);

  digitalWrite(trigPin, LOW);

  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

  distance = 0.017*duration;

  Serial.print(duration);Serial.print(" ");Serial.println("microseconds");

  Serial.print(distance);Serial.print(" ");Serial.println("cm");

  delay(1000);

}

Βιβλιογραφία:

1. Φυσικά Δημοτικού: Ε΄ Δημοτικού, ΙΤΥΕ  «ΔΙΟΦΑΝΤΟΣ», 2014. 
2. Μαθηματικά: Στ΄ Δημοτικού, ΙΤΥΕ «ΔΙΟΦΑΝΤΟΣ», 2013.
3. Ματσαγγούρας Η.: Ομαδοσυνεργατική διδασκαλία και μάθηση (Γρηγόρης, Αθήνα, 2000).:.