Szuperszívó Egy takarító készülék megtervezése és elkészítése

Szuperszívó Egy takarító készülék megtervezése és elkészítése Elektrotechnika Elekromosság 11-12 éves diákok számára kidolgozott tanulási egység

FORDÍTÁS: 1 Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra. Díjazott Scientix Segédanyag

Bevezető Ez az anyag egyike azon tíz általános iskolai diákok számára kidolgozott ENGINEER tanulási egységeknek, amelyek célja egy sor különböző műszaki és mérnöki tervezési feladat végrehajtásának keretében előmozdítani a természettudományok tanulását. A Boston Museum of Science (Bostoni Természettudományi Múzeum) sikeres Engineering is Elementary elnevezésű kutatás alapú tanulást alkalmazó modelljére építve minden egység a természettudományok és a műszaki tudományok egy-egy különböző ágával foglalkozik, és kizárólag olcsó anyagok felhasználásával támogatja a diákok által vezetett természettudományos felfedezések és problémamegoldó stratégiák kidolgozását. A tanulási egységeket úgy dolgozták ki, hogy azok a diákok széles körének érdeklődését keltsék fel, továbbá megkérdőjelezzék a műszaki tudományokhoz és a mérnöki szakmához kapcsolódó sztereotípiákat, és ez által előmozdítsák a fiúk és a lányok részvételét a természettudományok, a technológia és a műszaki tudományok terén. Pedagógiai szemléletmódunk Mindegyik tanulási egység középpontjában a mérnöki tervezési ciklus áll: kérdésfeltevés, elképzelés, terv, megvalósítás, továbbfejlesztés. A ciklus hangsúlyos szerepe segít a tanároknak fejleszteni a diákok kérdésfeltevési készségeit és kreativitását, továbbá lehetőséget ad a diákoknak problémamegoldó készségeik fejlesztésére, többek között az alternatív megoldások kipróbálására, az eredmények értelmezésére és megoldásaik kiértékelésére. Az egység által tartalmazott feladatok és kihívások a lehető leginkább nyílt végűek annak érdekében, hogy ne legyenek „helyes válaszok”, különösen azért, hogy ne alakuljon ki versenyhelyzet, amely bizonyos diákokat elidegeníthet, illetve azért, hogy fennmaradjon a motiváció a probléma megoldására. A tanulási egységek egy másik fontos célja a lehető legtöbb lehetőséget nyújtani a csoportmunkára és abban támogatni a diákokat, hogy megtanuljanak közösen dolgozni, illetve gondolataikat hatékonyan kifejezni. A diákoknak egy probléma körüljárása során meg kell beszélniük elképzeléseiket, ki kell találniuk, hogy milyen ismeretekre van szükségük, és meg kell osztaniuk egymással eredményeiket, tervezési megoldásaikat, majd később a továbbfejlesztésekre vonatkozó ötleteiket. A tanulási egységek felépítése Mindegyik tanulási egység a 0. tanórával kezdődik, amely egy előkészületi tanóra. Ez mind a tíz tanulási egység esetében azonos. Azon tanároknak, akik több tanulási egységet is végre szeretnének hajtani, csak az első tanulási egység előtt kell végrehajtania a 0. tanórát, a többi tanulási egységet az 1. tanórával kezdhetik meg. Az 1. tanóra kontextusként ismertet egy történetet vagy egy problémát, amely a későbbi tevékenységek kiindulópontjaként szolgál. A 2. tanóra középpontjában a probléma megoldásához szükséges tudományos ismeretek beazonosítása és vizsgálata áll, míg a 3. tanóra során a diákok kidolgozzák és megvalósítják a probléma megoldását szolgáló terveiket. Végül, a 4. tanóra lehetőséget ad arra, hogy a diákok kiértékeljék, bemutassák és megbeszéljék az általuk elvégzett munkát. Azonban mindegyik tanulási egység egyedi, és némelyik mélyebb tudományos megértést igényel, továbbá az egyes egységek végrehajtásához szükséges idő is változó. Az egyes tanulási egységek áttekintésében ismertetjük a várható időtartamot és a korosztályt, amely számára az adott egység kidolgozásra került. A tanulási egységek azonban rugalmasak - a tanárok kiválaszthatják, hogy melyik tevékenységeket szeretnék végrehajtani, és az egységek olyan különböző lehetőségeket is 2 Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra.

tartalmaznak, amelyek segítségével a tevékenységek differenciálhatók a diákok különböző képességeinek megfelelően. Támogatás a tanárok számára A tanulási egységekhez kapcsolódó tanári útmutatók természettudományos, technikai és pedagógiai támogatást tartalmaznak a különböző szintű tapasztalatokkal és szakértelemmel rendelkező tanárok számára. Minden tanóra leírása különböző javaslatokat és tanácsokat tartalmaz a kutatáson alapú tanuláshoz, a tanóra-szervezéshez és a tanórára való felkészüléshez. A természettudományos és az alkotó tevékenységeket fényképekkel illusztráltuk. A függelékben ismertetett természettudományos pedagógiai megjegyzések ismertetik és elmagyarázzák a tanulási egység tudományos hátterét, illetve azt, hogy hogyan lehet hozzásegíteni az adott korosztályú diákokat a központi fogalmak megértéséhez. A tanulási egységek emellett feladatlapokat és megoldókulcsokat is tartalmaznak.

3 Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra.

Tartalomjegyzék Bevezető ......................................................................................................................................................... 2 A tanulási egység áttekintése......................................................................................................................... 5 Kellékek és anyagok ....................................................................................................................................... 6 0. tanóra – Egy boríték megtervezése és elkészítése ..................................................................................... 8 0.1 Bevezető - 10 perc - kiscsoportos és az egész osztály részvételével zajló megbeszélés ........................... 9 0.2 1. tevékenység - Mi a boríték? - 5 perc, kiscsoportos munka ................................................................... 9 0.3 2. tevékenység - Borítékok párosítása tárgyakkal - 15 perc - kiscsoportos és az egész osztály részvételével zajló megbeszélés ............................................................................................................................... 10 0.4 Kiegészítő feladat - választható - 10-30 perc - kiscsoportos munka ....................................................... 10 0.5 Összegzés - 10 perc - az egész osztály részvételével zajló megbeszélés ................................................. 11 0.6 Tanulási eredmények - opcionális kiértékeléshez................................................................................... 12 1. tanóra – Mi a mérnöki probléma? ............................................................................................................. 13 1.1 Bevezető tevékenység - teljes osztály - 10 perc...................................................................................... 14 1.2 A mérnöki feladat - teljes osztály - 10 perc ............................................................................................. 14 1.3 A mérnöki tervezési munkafolyamat „KÉRDÉSFELTEVÉS” szakasza - kiscsoportos munka 20 perc ....... 14 1.4 Összegzés - teljes osztály - 10 perc ......................................................................................................... 15 2. tanóra – Milyen ismeretekre van szükségünk? ......................................................................................... 16 2.1 Bevezető tevékenység - a hajszárító - kiscsoportos munka - 20 perc ..................................................... 17 2.2 A motor beindítása - egyéni munka - 10 perc ......................................................................................... 18 2.3 Légcsavar készítése - egyéni munka - 20 perc ........................................................................................ 19 2.4 Kapcsoló készítése - kiscsoportos munka - 20 perc (kiegészítő tevékenység) ........................................ 20 2.5 Összegzés - teljes osztály - 10 perc ......................................................................................................... 20 3. tanóra – Szereljünk! .................................................................................................................................. 22 3.1 Bevezető tevékenység - teljes osztály - 5 perc........................................................................................ 23 3.2 Mérnöki tervezési feladat - A kérdésfeltevés, elképzelés és tervezés lépései - kiscsoportos munka - 15 perc ........................................................................................................................................................ 23 3.3 Tervezés és megvalósítás - kiscsoportos munka - 60 perc ...................................................................... 24 3.4 Összegzés – teljes osztály - 15 perc ........................................................................................................ 27 4. tanóra – Hogyan teljesítettünk? ............................................................................................................... 28 4.1 Bevezető tevékenység - teljes osztály - 5 perc........................................................................................ 29 4.2 A munkafolyamat bemutatása - teljes osztály - 60 perc ......................................................................... 29 4.3 Összegzés - teljes osztály - 10 perc ......................................................................................................... 29 Függelékek .................................................................................................................................................... 30 A mérnöki tervezési ciklus .............................................................................................................................................. 30 A kontextust megadó történet ...................................................................................................................................... 31 0. tanóra, 1. feladatlap – Mérnöki munka? ...................................................................................................... 32 0. tanóra, 1. feladatlap – Mérnöki munka? – Megjegyzések a tanárok számára ............................................. 33 1-4. tanóra, 1. feladatlap – A mérnöki tervezési munkafolyamat dokumentálása .......................................... 34 3. tanóra, 2. feladatlap – Tervezd meg és készítsd el saját porszívódat .......................................................... 37 Természettudományos megjegyzések a tanárok számára az elektromosságról és a porszívókról ................................. 39 Egyes diákok elképzelései az elektromosságról és az egyszerű áramkörökről ................................................................ 42 Partnerek ...................................................................................................................................................................... 45


A tanulási egység áttekintése Időtartam:: 4 óra 45 perc, plusz 35 perc a kiegészítő tevékenységekre Célcsoport: 11-12 éves diákok Ismertető: A „Takarítsunk ki – egy porszívó megtervezése és elkészítése” című feladatban való részvétel által a diákok tanulnak az elektromosságról és az elektrotechnikáról. Kapcsolódás a természettudományos tantervhez: ez a tanulási egység a természettudományos tanterv elektromossággal foglalkozó részéhez kapcsolódik. Kapcsolódó műszaki tudományos terület: ez a tanulási egység bevezetésül szolgál az elektrotechnika területéhez. Célok: a tanulási egység során a diákok  megtanulják, hogy a mérnökök egy sor lépésen keresztül dolgoznak ki megoldásokat bizonyos problémákra - ezeket a lépéseket mérnöki tervezési munkafolyamatnak nevezzük;  megtanulják beazonosítani a problémákat és igényeket, amelyek megoldhatók a technológia segítségével, továbbá megtanulnak megoldásokat kidolgozni a mérnöki tervezési munkafolyamat segítségével;  megismerik és megértik az áramköröket, valamint ezeknek a tudományos hátterét;  megtanulnak elemeket, kisebb motorokat és légcsavarokat használni;  megtanulnak megtervezni és elkészíteni egy kis porszívót, és megértik annak működését. A tanulási egységben foglalt tanórák: Az előkészületi tanóra célja felhívni a figyelmet arra, hogy milyen szerepet játszanak a műszaki és mérnöki tudományok mindennapi életünkben, még olyan területeken is, ahol ez nem feltétlenül nyilvánvaló. Az 1. tanórán a diákok megismerkednek a mérnöki problémával, annak kontextusával, és a mérnöki munkafolyamattal. A 2. tanórán a mérnöki munkafolyamat „kérdésfeltevés” eleme az elektromosság vizsgálatához vezeti el a diákokat. A 3. tanórán a diákok egy feladat megoldása érdekében alkalmazzák a mérnöki tervezési munkafolyamatot. A feladat egy kis porszívó megtervezése és elkészítése. A 4. tanórán elérkezik az idő a porszívók készítésének munkafolyamatának kiértékelésére. Ugyanekkor a diákok bemutathatják, hogy képesek voltak-e megfelelni minden követelménynek, és beszélhetnek az általuk megvalósított továbbfejlesztésekről.


Kellékek és anyagok A felhasználandó anyagok listája, és ezek szükséges mennyisége 30 diák esetében. Anyag Teljes 0. 1. tanóra 2. tanóra mennyis tanóra ég Hajszárító 1-6 X

3. tanóra

Kis motor 1,5-3V

15-30

X

X

Elemek 4,5V vagy 3x1,5V vagy

15-30

X

X

Elemtartály 3db AA elemhez

15-30

X

X

Tömör vezeték

1

X

X

Műanyag palack, űrtartalom 0,5l-2l

15

Milton kapocs

1 doboz

(X)

X

Gemkapocs

1 doboz

(X)

X

4. tanóra

X


10x10 cm méretű kartondarabok

15

(X)

X

Oldal csípőfogó

2-3

(X)

X

Kábelcsupaszító fogó

2-3

(X)

X

Habgumi

X

Gumigyűrű (széles)

10

X

X

Papírlyukasztóból származó papírhulladék

Fűrész Ragasztópisztoly

1 1

X X

Ragasztószalag Olló Nyalóka pálcikák

1 tekercs 6 10

X X X

A4-es papír

50

X

X


0. tanóra - Egy boríték megtervezése és elkészítése Mi a mérnöki tudomány? Időtartam: A tanárok szabadon eldönthetik, hogy mennyi időt szeretnének erre a tanórára fordítani, például attól függően, hogy a diákoknak milyen előzetes ismereteik vannak a témáról. A bevezető és a fő tevékenységek, valamint az összegzés legfeljebb 40 percig tart, a kiegészítő tevékenységekhez további 10-30 perc szükséges. Célok - ezen a tanórán a tanulók megtanulják, hogy:  a mérnökök különböző technológiák segítségével megoldásokat dolgoznak ki különböző problémákra;  egy bizonyos probléma megoldására alkalmas technológiák az adott kontextustól és a rendelkezésre álló anyagoktól függenek;  az emberek által készített tárgyak kidolgozásának célja különböző problémák megoldása;  a mérnökök férfiak és nők is lehetnek. Kellékek, anyagok (30 diák számára)  8 post-it öntapadós jegyzettömb  8 boríték csomag, mely legalább 5 különböző típusú borítékból áll  8 db, 5 különböző tárgyból álló készlet Előkészületek  Gyűjtsön össze egy sor különböző borítékot és csomagolóanyagot.  Amennyiben fel kívánja használni, nyomtassa ki az 1. feladatlapot megfelelő számú példányban.  Gyűjtsön össze képeket a bevezető tevékenységhez.

 

8, csomagolási anyagokból álló készlet az opcionális kiegészítő tevékenységhez Kártya, papír, ragasztó, olló az opcionális kiegészítő tevékenységhez

Munkamódszer  Kiscsoportos munka  Az egész osztály megbeszélés

részvételével

zajló

Kontextus és háttér Ez a tanóra az összes tanulási egység esetében azonos, a célja arra ösztönözni a diákokat, hogy gondolkodjanak el azon, hogy mi a technológia, továbbá megkérdőjelezni a mérnöki tudományokkal és a mérnökökkel kapcsolatos sztereotípiákat (különösen a nemekre vonatkozóakat). A tanóra további célja hozzásegíteni a diákokat annak megértéséhez, hogy az emberek által létrehozott tárgyakat mind valamilyen cél érdekében hozták létre, továbbá hogy a legtágabb értelemben véve a technológia fogalma magában foglal minden olyan tárgyat, rendszert vagy folyamatot, amit egy bizonyos probléma megoldására vagy egy bizonyos igény kielégítésére dolgoztak ki és fejlesztettek tovább. A diákok erről elgondolkodhatnak úgy, hogy megbeszélik, hogy egy bizonyos tárgy (ebben az esetben egy boríték) technológiája milyen probléma megoldását szolgálja. Ezen a tanórán a diákok beszélgetnek a különböző technológiákról, amelyek alkalmazása bizonyos célokat betöltő borítékok elkészítéséhez szükséges. A tanóra egy másik célja eloszlatni a „csúcstechnika” („high tech”) és az „egyszerű technika” („low tech”) között különbséget tevő értékítéletet, illetve arra ösztönözni a diákokat, hogy felismerjék, hogy a lényeg az egy bizonyos kontextusban megfelelő technológia: a rendelkezésre álló anyagok köre határozza meg, hogy a mérnökök milyen technológiákat alkalmaznak egy adott probléma megoldására.

Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra.

0.1 Bevezető - 10 perc - kiscsoportos és az egész osztály részvételével zajló megbeszélés Alakítson ki 4 fős csoportokat, és mindegyik csoportnak adjon egy tömb öntapadós jegyzetlapot. Kérje meg a csoportokat, hogy beszélgessenek arról, hogy mi minden jut eszükbe a „mérnöki tudományok” és a „technológia” fogalmával kapcsolatban. Gondoskodjon róla, hogy a beszélgetés közben a csoport minden tagja írjon le legalább egy gondolatot egy jegyzetlapra. Kérje meg a csoportokat, hogy öntapadós jegyzetlapjaikat helyezzék el egy nagyméretű papírlapon, és röviden magyarázzák el, miért írták le az adott gondolatot. A gondolatok listáját őrizze meg a tanóra végén végrehajtandó összegzéshez. További támogatás a megbeszéléshez A tanórának ezt a részét kiegészíthetik például azzal, hogy a tanár képeket mutat a mérnöki tevékenységek sztereotipikus és szokatlan példáiról, és megkéri a diákokat, hogy csoportosítsák ezeket a képeket aszerint, hogy melyikeket társítják a mérnöki tudományokhoz, és melyikeket nem. Ehhez a tevékenységhez felhasználhatja az 1. feladatlapot, vagy az azon megtalálható képeket az egész osztály részvételével is végigvehetik. Kérje meg a diákokat, hogy páros munkával döntsék el, hogy szerintük mely képek kapcsolódnak a mérnöki tudományokhoz, és érvekkel is támasszák alá válaszaikat. Mindegyik pár megbeszélheti egy másik párral az eredményeit, és megbeszélhetik a válaszaik közötti különbségeket és hasonlóságokat. Ezeket a válaszokat egy, az egész osztály részvételével folytatott megbeszéléshez is felhasználhatják. A tevékenység során ösztönözze a diákokat, hogy nyitott gondolkodással fontolják meg, hogy mi számít mérnöki tevékenységnek, és ki vehet részt benne. 0.2 1. tevékenység - Mi a boríték? - 5 perc, kiscsoportos munka A diákok alakítsanak kiscsoportokat, és így beszéljék meg, mi is egy boríték, és mi minden számíthat borítéknak. A megbeszélés elősegítéséhez bemutathat egy sor példát olyan tárgyakról, amelyek bizonyos konkrét célok érdekében betakarnak és/vagy védelmet

nyújtanak más tárgyaknak vagy anyagoknak (ahogyan a képeken látható). Ennek a tevékenységnek egy fontos eleme arra ösztönözni a diákokat, hogy felismerjék, hogy a „boríték” fogalma számos különböző módon értelmezhető. A képeken látható néhány olyan példa, amely megkérdőjelezheti a diákok értelmezését a boríték fogalmáról: a példák a boríték


fogalmát tágabban értelmezik, nevezetesen úgy, hogy a boríték olyasmi, ami különböző tárgyakat „magában foglal”, „megvéd”, „helyben tart”, „beborít”, „elrejt” vagy éppen „felfed”. 0.3 2. tevékenység - Borítékok párosítása tárgyakkal - 15 perc - kiscsoportos és az egész osztály részvételével zajló megbeszélés Alakítson ki 4 fős csoportokat a diákokból és mutasson be nekik egy sor különböző „borítékot”, valamint olyan tárgyakat, amelyek ezekbe kerülhetnek. Kérje meg a diákokat, hogy válasszák ki, hogy melyik boríték lenne a legalkalmasabb az egyes tárgyak számára, és magyarázzák is meg, hogy miért. A tárgyak lehetnek például: egy szemüveg; egy bizonyítvány vagy fénykép, aminek nem szabad meggyűrődnie; egy kényes ékszer; egy kölcsönzött DVD; néhány bizalmas irat; egy olló. A tárgyak és a hozzájuk tartozó „borítékok” eltérhetnek a fentiekben javasoltaktól, attól függően, hogy milyen kontextusban dolgoznak, és milyen tárgyak állnak a rendelkezésükre. A megbeszéléshez segítséget is nyújthat például a következő kérdésekkel: ─ Milyen anyagból készült a boríték? ─ Milyen rögzítésekkel és megerősítésekkel készült a boríték? ─ Milyen típusú, vagy milyen konkrét tárgyakhoz lehetne felhasználni a borítékot? ─ Milyen más anyagokból készíthették volna még a borítékot? A csoportok megbeszélésük után osszák meg az egész osztállyal is gondolataikat. A tevékenységnek ebben a szakaszában a tanárnak lehetősége van irányítani a megbeszélést, továbbá ismertetni az egyes borítékok elkészítéséhez alkalmazott technológiákat, beleértve a különböző felhasznált struktúrákat, rögzítéseket és megerősítéseket (pl. újrahasználható vagy végleges rögzítések; megerősített területek; felhasznált belső és külső anyagok; a szélek lezárása). Ez egy kiértékelő jellegű tevékenység, ami összekapcsolható a mérnöki tervezési munkafolyamattal: a megbeszélés során elgondolkodhatnak arról is, hogy a mérnökök milyen folyamatokon mennek keresztül, amikor egy bizonyos probléma megoldását szolgáló tárgyat terveznek meg. 0.4 Kiegészítő tevékenység - opcionális - 10-30 perc - kiscsoportos munka 1. Mutasson meg a diákoknak egy sor különböző típusú borítékot, és kérje meg őket, hogy értékeljék a borítékok kialakítását aszerint, hogy mennyire felelnek meg funkciójuknak (l. a képet). A borítékokat összehasonlíthatják például az alkalmazott rögzítési és megerősítési megoldások vagy a különböző felhasznált anyagok alapján (pl. buborékfólia, nedvesség szívóképesség, tartósság vagy szilárdság - pl. az eltépés nehézsége). Ezt a tevékenységet kiterjeszthetik még úgy is, hogy a különböző típusú csomagolóanyagokat 10 Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra.

olyan szempontból vizsgálják meg, hogy hány hajtást tartalmaznak, és ezek hogyan segítenek csökkenteni (vagy megszűntetni) a ragasztóanyagok használatának szükségességét a gyártási folyamatban. Az alábbi 3 képen olyan csomagolóanyagok láthatók, amelyek esetében semmilyen ragasztóanyagot nem használtak fel; a teljes csomagolóanyag egy fajta anyagból áll, és a rögzítéseket és a megerősítéseket vágások és hajtások segítségével oldották meg.

2. Alakítson ki kiscsoportokat a diákokból, és kérje meg őket, hogy tervezzenek meg és/vagy készítsenek egy olyan borítékot, amely alkalmas egy bizonyos tárgy befoglalására és szállítására. A különböző tervek kidolgozásához a diákoknak fel kell majd használniuk új ismereteiket az anyagokról és a tervezési folyamatokról. Munkájuk eredményét a tanóra végén kiértékelhetik az egész osztály részvételével zajló megbeszélés keretében. 0.5 Összegzés - 10 perc - az egész osztály részvételével zajló megbeszélés A teljes osztály részvételével zajló megbeszélést a tanár vezeti. Induljon ki a jegyzetlapokból, amelyekre a diákok eredeti elképzeléseiket írták a mérnöki tudományokról, továbbá, amennyiben elvégezték a képek csoportosítását, ezt is felidézheti kiindulópontként annak érdekében, hogy a diákok elgondolkodhassanak azon, hogy eredeti elképzeléseik megváltoztak-e, és ha igen, hogyan. Kérje meg a diákokat, hogy gondolkodjanak el azon, hogy milyen tevékenységeket végez egy mérnök, továbbá azon, hogy mi is a technológia. ─ Hangsúlyozza ki a diákok számára, hogy az általunk használt tárgyak nagy része egy bizonyos cél érdekében készült, illetve azt, hogy a mérnökök egy sor különböző készséget alkalmaznak, amikor megoldásokat keresnek egy problémára. 11 Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra.

─

─

─

Ezek többek között magukban foglalják a különböző problémák megoldási lehetőségeinek végiggondolását - ezek közül némelyik alkalmas a probléma megoldására, mások kevésbé. A mérnöki tervezési munkafolyamat része a kiértékelés és a továbbfejlesztés is. Nem az a fontos, hogy valami „csúcstechnológiás” vagy „egyszerű technológiai” megoldás - a lényeg az, hogy a technológia megfelelő legyen. Fontos tehát, hogy a mérnökök figyelembe vegyék munkájuk kontextusát és a rendelkezésükre álló anyagokat, erőforrásokat is. A mérnöki tudománynak számos ága van, és a mérnökök között rengeteg különböző embert találunk a világ minden tájáról, nőket és férfiakat egyaránt.

A „mérnöki tudomány/munka” és a „technológia” fogalmára számos különböző egyformán elfogadható definíció létezik, sőt ezek a fogalmak gyakran helyettesíthetik is egymást - pl. a mérnöki munkát úgy is felfoghatjuk, mint a technológia alkalmazását egy bizonyos probléma megoldása érdekében. Amikor a mérnöki tudományok, a természettudományok és a technológia összefüggéseiről beszélgetnek, ösztönözze a diákokat arra, hogy gondolják végig, hogy amikor egy probléma megoldása érdekében különböző tárgyakat készítenek, a mérnökök milyen módon alkalmaznak különböző technológiákat (pl. rögzítések és megerősítések, különböző típusú anyagok, különböző rendszerek különböző elemei stb.), illetve milyen módon támaszkodnak különböző tudományos ismeretekre. Ez a megbeszélés alkalmat nyújt arra, hogy arról is beszélgessenek a diákokkal, hogy hogyan készülnek a dolgok, és kik állítják őket elő, továbbá arról, hogy mi mindent foglal magában az egyes problémákra adható megoldási lehetőségek végiggondolásának folyamata. 0.6 Tanulási eredmények - opcionális kiértékeléshez A tanóra végére a diákoktól elvárható tanulási eredmények:: ─ Annak megértése, hogy a különböző rendszereket, mechanizmusokat, struktúrákat, rögzítéseket és megerősítéseket az egyes tárgyak esetében különböző módokon alkalmazzák annak érdekében, hogy bizonyos problémákra különböző megoldási lehetőségeket dolgozzanak ki. ─ Annak megértése, hogy a megfelelő technológia gyakran az adott kontextustól és a rendelkezésre álló anyagoktól függ. ─ Annak megértése, hogy a mérnökök egy sor különböző készséget alkalmaznak, amikor megoldási lehetőségeket dolgoznak ki egy problémára. ─ Annak felismerése, hogy számos különböző típusú, különböző érdeklődési körű, és különböző készségekkel rendelkező ember is lehet mérnök.


1. tanóra – Mi a mérnöki probléma? A feladat megismerése Időtartam: 55 perc Célok: ezen a tanórán a diákok megtanulják:  az elektrotechnikai termékek egyik példájaként bemutatott porszívók fő funkcióit;  hogy a mérnöki tervezési munkafolyamat hogyan ad struktúrát egy tervezési feladatnak vagy kihívásnak;  hogy az elektromosság az energia egyik formája. Kellékek, anyagok (30 diák számára)  Iskolai tábla  A tervezési kihívás vagy feladat története (l. a függeléket) Előkészületek  Olvasson az elektrotechnikáról és a mérnöki tervezési munkafolyamatról.  Készítsen másolatokat az 1. feladatlapról.

Munkamódszerek  Egyéni munka és csoportmunka

A tanóra központi témái  Milyen tevékenységeket végeznek, és hogyan dolgoznak a mérnökök  A tervezési kihívás vagy feladat ismertetése

Kontextus és háttér A diákok megismerkednek a feladattal, a kontextussal és a tervezési ciklussal. A diákoknak végig kell gondolnia, hogy milyen ismeretekre van szükségük a feladat végrehajtásához.


1.1 Bevezető tevékenység - teljes osztály - 10 perc Tájékoztassa a diákokat, hogy ez a tanulási egység bevezetést nyújt az elektrotechnikai terület alapismereteibe. Kérje meg a diákokat, hogy nevezzenek meg a tanteremben vagy otthonaikban található elektronikus eszközöket. Kérdezze meg, szerintük ki dolgozta ki ezeket? Beszélgessenek az elektromosság és az elektronikus eszközök mindennapi életünkben betöltött szerepéről. Milyen lenne egy nap elektromosság nélkül? Az elektrotechnika fizikai elméletekre épül. Az elektrotechnika területe számos dolgot magában foglal, a számítógépekben és a mobiltelefonokban megtalálható legapróbb elektronikus elemektől az elektromos ellátórendszerünk működtetéséig és felhasználásáig. Az elektromos technológia területébe tartozik a telekommunikáció, az elektronika, a rádiótechnika és az elektrotechnika vagy villamosságtan. Az elektromosság felhasználható az energia átadására, azaz az elektromosság energiahordozóként is felfogható, mint az elektromos hálózat vagy az elektromos motorok. 1.2 A mérnöki feladat - teljes osztály - 10 perc Olvassák el a mérnöki feladatról szóló történetet, amely a függelékben található. Kérdezze meg a diákokat, hogy szerintük képesek lennének-e megoldani a problémát? Milyen ismeretekre van szükségük ennek a problémának a megoldásához? Írja fel a problémát a táblára. A probléma: „egy kis porszívó megtervezése és elkészítése”. Mondja meg a diákoknak, hogy mostantól ugyanúgy fognak dolgozni, mint az igazi mérnökök. Tipp - Információk a tanár részére. A „porszívó” elnevezés már önmagában is kicsit árulkodó a szerkezet működésének megértése szempontjából - a porszívók működési elve a szívóhatás. (Valójában a „szívó tisztító” jobb elnevezés lenne a porszívónál, hiszen pontosabban körülírja a szerkezet működését.) A porszívó mechanikus / elektromos eleme valójában egy igen erős motor, amely levegőt fúj ki rendszerint a porszívó tetején vagy hátulján keresztül, és ez által szívóhatást hoz létre a porszívó alsó részén (ott, ahol a port beszívja a gép). Minden porszívó ugyanazon az elven működik: ha egy (pl. egy légcsavar, azaz ventilátor segítségével) levegőt fújó motort hozzáerősítünk egy olyan tárgy egyik végéhez, amelynek a másik végén is nyílás található, a létrehozott szerkezet ugyanúgy fog működni, mint egy porszívó - a levegő az elülső nyíláson beáramlik a szerkezetbe, majd a hátulsón távozik a ventilátoron keresztül. Tipp: Amennyiben többet is szeretne megtudni a porszívók működéséről, tekintse meg az alábbi weboldalakat: http://home.howstuffworks.com/vacuum-cleaner.htm http://www.explainthatstuff.com/vacuumcleaner.html

1.3 A mérnöki tervezési munkafolyamat „KÉRDÉSFELTEVÉS” szakasza - kiscsoportos munka 20 perc 1. lépés „KÉRDÉSFELTEVÉS” a mérnöki tervezési munkafolyamatban Használják az 1. tanóra 1. feladatlapját (mérnöki tervezési munkafolyamat vázlat). Hangsúlyozza ki a 14 Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra.

diákok számára, hogy minden mérnöki feladat kérdések feltevésével kezdődik. Először kérdezze meg a diákokat, hogy milyen ismeretekre lesz szükségük egy kis porszívó megtervezéséhez és elkészítéséhez? A diákok 4-5 fős kiscsoportokban dolgozzanak. Törekedjen rá, hogy a csoportok vegyesek legyenek a diákok neme és tudásszintje tekintetében. Adjon hozzávetőleg 5 percet a csoportoknak, hogy megbeszélhessék, hogy milyen ismeretekre lesz szükségük a probléma megoldásához. Kérje meg a diákokat, hogy írják le a csoportjuk által összegyűjtött kérdéseket az 1. feladatlapra a KÉRDÉSFELTEVÉS szakaszba. Írja fel az összes csoport összes kérdését a táblára. Néhány kérdés, amely várhatóan előkerül:  Hogyan idézhetünk elő szívóerőt?  Megnézhetünk egy igazi porszívót?  Milyen anyagokat használhatunk?  Milyen alkatrészekre lesz szükségünk?  Milyen típusú por vagy szennyeződés felszívására lesz alkalmas a porszívónk?  Milyen követelmények teljesítése biztosítja a feladat sikeres elvégzését?  Hogyan lehet légcsavart készíteni?  Milyen méretű legyen a porszívó?  Legyenek kerekei a porszívónak?  Hogyan lehet kapcsolót készíteni?

1.4 Összegzés - teljes osztály - 10 perc Foglalják össze a tanulási célokat. Beszélgessenek a diákokkal a következőkről: Mit tanultak az elektrotechnikáról? Tudják ismertetni a tervezési munkafolyamat különböző fázisait? Megtanulták, hogy hogyan is működik a porszívó? Mondja el a diákoknak, hogy a következő tanórán elkezdik majd megválaszolni az általuk feltett kérdéseket, és megtudják majd, hogy milyen ismeretekre lesz szükségük a probléma megoldásához - azaz a porszívó megtervezéséhez és elkészítéséhez. Kérje meg a diákokat, hogy a következő tanórára hozzanak magukkal egy hajszárítót. A hajszárítókat nem fogják szétszerelni, csak tanulmányozni.


2. tanóra – Milyen ismeretekre van szükségünk? Az elektromosság megismerése Időtartam:: 60 perc (a kiegészítő tevékenységgel együtt 80 perc) Célok: ezen a tanórán a diákok  tanulnak az áramkörökről és az elektromos áram áramlásának irányáról;  megtanulnak elemeket, kisebb motorokat és légcsavarokat használni;  megismerik a hajszárítók különböző alkatrészeit (a porszívó tervezésének bevezetéseként). Kellékek, anyagok (30 diák számára)  1-6 hajszárító  30 kis motor 1,5-3V  30 elem 4,5V vagy 3x1,5V  Papír  Kartonpapír (opcionális)  Milton kapocs (opcionális)

     

2-3 oldal csípőfogó (opcionális) 2-3 drótvágó (opcionális) Drót Gemkapocs Hosszabbító Gumigyűrű

Előkészületek Munkamódszer  Készítse össze az anyagokat.  Egyéni munka és csoportmunka  Ellenőrizze az elemeket.  Kérje meg a diákokat, hogy hozzanak magukkal hajszárítókat. A tanóra központi témái  A porszívó alapvető fontosságú alkatrészeinek megismerése.  Annak megértése, hogy az alkatrészek miért és hogyan kapcsolhatók egymáshoz.

Kontextus és háttér A mérnöki munkafolyamat „kérdésfeltevés” szakasza a hajszárítók megvizsgálásához vezet. Ezen vizsgálat során a diákok felfedezik, hogy hogyan működnek a motorok az elektromosság segítségével, tanulnak az elektromos áramlásról, és megtanulják, hogyan kell megtervezni egy légcsavart. Ezeket az ismereteket később felhasználják majd, amikor meg kell tervezniük és létre kell hozniuk egy porszívót.


2.1 Bevezető tevékenység - a hajszárító - kiscsoportos munka - 20 perc Először magyarázza el a diákoknak, hogy miért egy hajszárítót fognak megvizsgálni, ha a tervezési feladat egy porszívó elkészítése. (Praktikusabb, mivel kisebb méretű, azonban némely műszaki elemei hasonlítanak a porszívók egyes elemeihez.) Adjon mindegyik csoportnak egy hajszárítót, de egyet tartson meg magának is, amin be tudja mutatni a készülék legfontosabb jellemzőit. Adjon egy kis időt a 4-5 fős kiscsoportokban dolgozó diákoknak, hogy tanulmányozzák és megvizsgálják a hajszárítót (anélkül, hogy szétszerelnék), és tegyen fel nekik az alábbiakhoz hasonló kérdéseket:  Mit láttok?  Mely alkatrészek nélkülözhetetlenek a hajszárító működéséhez? Hívja fel a diákok figyelmét az alábbi alkatrészekre, és tegyen fel róluk kérdéseket, például azt, hogy az adott alkatrész milyen funkciót tölt be. Hol helyezkedik el?  Melegítő egység - mire való? A melegítő egység hőt termel, és ez a hő a levegőbe áramlik.  Légcsavar / ventilátor - mire való? A légcsavar / ventilátor légáramlást hoz létre a hajszárítóban.  Motor - mire való? Hol helyezkedik el? A kisméretű elektromos motor forog, és forgatja a légcsavart.  Kábelek - mire valók? A kábelek vezetik az elektromos áramot.  Kapcsoló - mire való? Az egyszerűbb típusokon két kapcsoló található, az egyik a be- és kikapcsolásra, a másik a légáramlás erősségének szabályozására használható. Némely hajszárító típusokon egy harmadik kapcsoló is található, amellyel a légáramlat hőmérsékletét lehet szabályozni.  Elektromosság - mire való? Az elektromosság szolgáltatja az áramot, amely a légcsavart forgató motor működéséhez szükséges.  Külső burkolat - mire való? Minden hajszárítóba beleszerelnek valamilyen hőérzékelőt, amelyik megszakítja az áramkört és leállítja a motort, ha a hajszárító túlságosan felmelegszik. Ez azonban kívülről nem látható. Írjon fel minden olyan alkatrészt a táblára, amit a diákok mondanak.

Ábra: hajszárító.

Ábra: egy hajszárító hátulja.

Alább látható néhány kép egy szétszerelt hajszárítóról, és annak alkatrészeiről - a motorról és a motorhoz erősített légcsavarról, azaz a ventilátorról.


Ábra: a hajszárító belsejében található légcsavar / ventilátor

Ábra: a hajszárító belsejében található motor.

2.2 A motor beindítása - egyéni munka - 10 perc Fontos! Mielőtt hozzákezdenének A tanár magyarázza el a hálózati áram használata és az elemek által szolgáltatott áram használata közötti különbséget, és egyértelműen hangsúlyozza ki a lényeget: a diákok számára minden esetben tilos a falban futó hálózati árammal kísérletezni. Az elemek mindössze 4,5V feszültségűek, míg a hálózati áram feszültsége 230V. Tehát az elektromossággal folytatott munka esetén mindennél fontosabb a biztonság szem előtt tartása. Az elemekkel folytatott munka azonban nem veszélyes. Minden diáknak adjon egy motort és egy elemet. Kérdezze meg őket, hogy meg tudják-e forgatni a motort. Az elem csatlakozási pontjait össze kell kapcsolni a motor érintkezési pólusaival egy zárt áramkör létrehozásához.

Ábra: Az összekapcsolt elem és motor.

Ábra: a motor érintkezési pontjaira csatlakoztatott vezetékek.

Amikor a tanár látja, hogy minden diáknak forog a motorja, ezzel megbizonyosodik arról, hogy a diákok megtanulták, hogyan kell összekapcsolni az elemet a motorral. Kérdezze meg a diákokat, miért kezd el a motor működni, amikor az elemhez csatlakoztatják. Világosan foglalja össze a diákoknak a következőket: Az elemeknek két végződése van, egy negatív és egy pozitív.


Amikor a motort és az elemet helyesen csatlakoztatják egymáshoz, az áram átáramlik a motorba, és az elkezd működni. A diákok az elem és a motor csatlakoztatásával egy zárt áramkört hoztak létre. Egy zárt áramkör egy zárt pálya, amelyen belül az elektromos áram áramlik. Amennyiben az áramkör megszakad, az áramkör semelyik eleme nem jut elektromos áramhoz. Történelmileg az elektromos áram áramlásának irányát úgy határozták meg, hogy az a pozitív pólustól (végződéstől) a negatív pólus felé áramlik. (A negatív töltésű elektronok az ellenkező irányban áramlanak egy áramkörben.) Egyszerűbben fogalmazva az elektromosság a pozitív végződéstől/pólustól a negatív végződés/pólus felé halad.

2.3 Légcsavar készítése - egyéni munka - 20 perc A tanár most adjon minden diáknak egy A4-es lap felét. Kérje meg a diákokat, hogy egy légcsavar készítésével hozzanak létre szívóhatást. (A papírt meghajtogathatják vagy darabokra is vághatják, majd a légcsavart rögzítsék a motorhoz.) Nem fontos, hogy pontosan milyen a légcsavar, a lényeg az, hogy alkalmas legyen a légáramlás megteremtésére. Lásd az alábbi képeket. Engedje meg a diákoknak, hogy megtekinthessék a többi csoport munkáját is, ha ötletekre van szükségük ahhoz, hogy pontosan milyen formátumú légcsavarokat lehet létrehozni.

Ábra: egy példa egy légcsavarra.

Ábra: az elemhez csatlakoztatott motor.

Amennyiben a papír légcsavart nem sikerül tartósan a motorhoz erősíteni, vegyenek két gumigyűrűt, az elsőbe lyukasszanak egy kis lyukat egy tűvel, majd ezt rögzítsék a motorhoz, a másik gumigyűrűvel pedig rögzítsék a légcsavart. Ehhez a feladathoz a diákok csak papírt használnak alapanyagként. Figyeljék meg, hogy miben különböznek egymástól a különböző típusú légcsavarok a hatékonyság tekintetében. A porszívó elkészítésekor a diákok egyéb alapanyagokat is használhatnak majd. A motor mind a két irányban képes elektromosságot vezetni, azonban ha a pólusokat megfordítják, a motor forgásának iránya is megváltozik. Kérje meg a diákokat, hogy próbálják meg az ellenkező irányban megforgatni a motort. Adhat a diákoknak egy tippet: cseréljék meg a pólusokat, hogy az áram az ellenkező irányban folyjon.


2.4 Kapcsoló készítése - kiscsoportos munka - 20 perc (kiegészítő tevékenység) Kellékek, anyagok (30 diák számára) o o o o o o o o

6-8 Kis motor 1,5-3V (csoportonként egy) 6-8 elem 4,5V vagy 3x1,5V Kartonpapír darabok Drót Gemkapocs Milton kapocs 2-3 oldal csípőfogó 2-3 Kábelcsupaszító fogó

A diákok mostanra már megtanulták, hogy hogyan kell egy motort és elemet is tartalmazó zárt áramkört létrehozni. Először adjon időt a diákoknak arra, hogy az elem, a drótok és a motor felhasználásával elkészítsék a zárt áramkört. Ez után készíthetnek egy „kapcsolót”, amelynek segítségével be- és kikapcsolhatják a motort. Vegyék elő a kartonpapír darabokat. Lyukasszák ki két helyen a kartonpapírt, ezekbe a lyukakba kerülnek majd a gemkapcsok és a milton kapcsok. Nézzék meg a képet. A drótok szabadon lógó végét erősítsék hozzá a gemkapcsokhoz (egy gemkapocshoz egy drótvéget). Mozgassák el a gemkapcsokat úgy, hogy érintkezzenek / ne érintkezzenek egymással. Ilyen módon képesek lesznek be- és kikapcsolni a motort.

Ábra: a kapcsoló a zárt áramkörben. Ezen a képen az áramkör egy motor helyett egy izzót tartalmaz.

2.5 Összegzés - teljes osztály - 10 perc

Foglalják össze a tanulási célokat. Beszélgessenek a diákokkal a következőkről: Megtanulták, hogyan kell az elemeket, a kis motorokat és a légcsavarokat használni? Be tudják azonosítani, és tudják jellemezni a porszívó különböző alkatrészeit? Foglalják össze, hogy hogyan kell egy zárt áramkört készíteni, és azt, hogy milyen irányban áramlik az áram. A tanár bemutathatja azokat a jeleket is, amelyeket az áramkörök különböző elektromos elemeinek jelzésére használunk. Íme néhány szimbólum:


M

Motor

Ez az ábra a motorból, elemből és kapcsolóból összeállított áramkört ábrázolja.

Izzó

Energiaforrás

Kapcsoló


3. tanóra – Szereljünk! Tervezzék meg, és szereljék össze saját porszívójukat. Időtartam: 95 perc (a kiegészítő tevékenységgel együtt 110) Célok: ezen a tanórán a diákok megtanulják:  hogy egy légcsavarral ellátott motor (azaz a ventilátor) alkalmas a levegőnek egy csövön át való mozgatására;  milyen fontos a csoportmunka egy nehéz probléma kreatív megoldásának kidolgozásához;  hogyan alkalmazzák hatékonyan a mérnöki tervezési munkafolyamatot egy működőképes porszívó elkészítése érdekében. Kellékek, anyagok (30 diák számára)  10 motor (1,5V-3V)  10 elem (4,5V vagy 3x1,5V)  Elemtartály (attól függően, hogy milyen elemeket használnak) 1. feladatlap Mérnöki tervezési munkafolyamat vázlat  2. feladatlap  Vezeték (tömör)  10 műanyag palack  Különböző vastagságú és külsejű kartonpapír darabok  Nyalóka pálcikák Előkészületek  Készítsen másolatokat a 2. feladatlapról.  Készítse elő a szereléshez szükséges alapanyagokat.

         

Habgumi Gemkapocs Gumigyűrű (széles) Papírlyukasztóból származó papírhulladék 1 fűrész 1 ragasztópisztoly 1-2 Kábelcsupaszító fogó 1-2 oldal csípőfogó Ragasztószalag 6 olló

Munkamódszer  2-3 fős kiscsoportos munka

A tanóra központi témái  A mérnöki tervezési munkafolyamat alkalmazása egy porszívó készítése érdekében. Kontextus és háttér A diákok kiscsoportokban dolgozva az úgynevezett mérnöki tervezési munkafolyamat lépéseit követve dolgoznak egy porszívó elkészítésén. Ennek a tanórának a lényege az, hogy a diákok készítsenek egy terméket egy probléma megoldása érdekében. Idézzék fel ismét az 1. tanórán megismert történetet / képregényt. A tanóra során a diákok a munkafolyamat „elképzelés”, „tervezés”, „megvalósítás” és „továbbfejlesztés” lépéseit hajtják végre. A feladat végrehajtásához a 2. tanórán elsajátított ismereteiket alkalmazzák.


3.1 Bevezető tevékenység - teljes osztály - 5 perc Kérdezze meg a diákokat: Hogyan tudjuk felhasználni az elektromosságról, az elemekről, a motorokról és a légcsavarokról megtanult ismereteinket és saját kreativitásunkat ahhoz, hogy megtervezzük és elkészítsük saját porszívónkat? A tanóra a mérnöki tervezési munkafolyamatra épül fel, ezért biztosítsa, hogy a diákok elhozzák magukkal az előző két órán használt mérnöki tervezési munkafolyamat vázlatot. Idézzék fel az 1. tanórán megismert történetet és problémát. Mondja el a diákoknak, hogy eljött az ideje a mérnöki feladat megoldásának. Ez után ismertesse a mérnöki feladatot. A feladat a következő: a diákok csoportokban dolgozva tervezzenek meg, és készítsenek el egy porszívót. Alakítson ki 4-5 fős csoportokat a diákokból. Törekedjen rá, hogy a csoportok vegyesek legyenek a diákok neme és tudásszintje tekintetében. A feladat akkor tekinthető elvégzettnek, ha a porszívó sikeresen felszív valamilyen hulladékot. Ismertesse a diákokkal a mérnöki feladatot, majd kezdjék el a munkát a mérnöki tervezési munkafolyamat lépéseit követve, a vázlat segítségével. Fontos, hogy a diákok dokumentálják munkájukat a mérnöki tervezési munkafolyamat vázlaton. A porszívó elkészítésének munkafolyamata során fényképeket is készíthetnek előmenetelükről.

3.2 Mérnöki tervezési feladat - A kérdésfeltevés, elképzelés és tervezés lépései - kiscsoportos munka - 15 perc Kérdésfeltevés - milyen ismeretekre van szüksége a diákoknak? Például:  Milyen anyagokat használhatnak fel?  Milyen típusú hulladékot lesz képes porszívójuk összegyűjteni? Kritériumok: A porszívót a motor és az elemek segítségével kell működtetni, de a diákok ezek mellett más anyagokat is felhasználhatnak, például műanyag palackokat. A feladat sikeres megoldásának kritériuma: Ha a porszívó fel tud szívni port, vagy a papírlyukasztóból származó hulladékot, akkor a munka sikeres volt. Elképzelés - kérje meg a diákokat, hogy képzeljenek el különböző megoldásokat, például a porszívó méretét vagy tároló rendszerét tekintve, esetleg az elemek elhelyezése szempontjából stb. Adjon nekik egy listát a felhasználható anyagokról. A tanóra megbeszélésre fordított szakasza nagyon fontos. Tervezés - a diákok válasszanak ki egy-egy elképzelést, és kezdjék el megtervezni eszerint a porszívó elkészítését. Tájékoztassa a diákokat, hogy nem kell szűrőt vagy porzsákot készíteniük, elég, ha a porszívó képes a hulladékot a külső burkolaton belülre juttatni. Tipp és figyelmeztetés! - A porszívó tényleges elkészítése meglehetősen nehéz feladat lehet a diákok számára. A tanárnak érdemes a tanóra előtt elkészíteni egy porszívót, és magával vinnie erre a tanórára, hogy a diákok láthassák, hogyan néz ki egy befejezett munkadarab. Hangsúlyozza ki azonban, hogy fontos, hogy lehetőség szerint a saját elképzeléseik szerint hajtsák végre a feladatot. A porszívókat többféleképpen is el lehet készíteni. Mielőtt hozzákezdenének a feladat elvégzéséhez, a tanár mutassa be, hogyan lehet egymáshoz rögzíteni a különböző anyagokat. Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra.

Javasoljuk, hogy azt is mutassa be, hogy a motort hogyan lehet a helyére erősíteni. A 4. pont alatt megtekinthető néhány példa erre.A tanár emellett mutassa be a szerszámok helyes és biztonságos használatát is. Mutassa be a diákoknak, hogyan kell elvágni a műanyag palackot. Az olló és a fűrész használatakor legyenek óvatosak. Mindkét eszköznek éles a vágófelülete. A diákokkal együtt ismételjék át az oldal csípőfogó és a kábelcsupaszító fogó helyes használatát is.

3.3 Tervezés és megvalósítás - kiscsoportos munka - 60 perc Megvalósítás - minden csoportnak meg kell terveznie és el kell készítenie egy porszívót. Emlékeztesse a diákokat, hogy munkájukat és előmenetelüket fényképekkel is dokumentálhatják. A külső borítás A külső borítást különböző típusú palackokból készíthetik el. A diákok önállóan tervezzék meg a külső borítást. A késsel vagy ollóval legegyszerűbben a puha műanyag palackokat lehet vágni, például vizes- vagy üdítős palackokat. Azonban bármilyen más hengeres műanyag palackot is használhatnak. A diákok az ollóval vagy a fűrésszel vágják el a palackot.

Ábra: a palack formára vágása.

 Tervezzenek meg egy légcsavart, készítsék el, majd rögzítsék azt a motorhoz. A légcsavart számos különböző anyagból elkészíthetik. A kartonpapírral könnyű dolgozni, és egyszerű módosításokat végrehajtani rajta. Használhatnak különböző vastagságú és külsejű kartonpapírokat: felhasználhatnak például müzlis dobozokat vagy egyéb csomagolóanyagokat stb. Adjon időt a diákoknak a légcsavar megtervezésére és a motorhoz való rögzítésére. Amennyiben a légcsavart nem sikerül szilárdan a motorhoz rögzíteni, a rögzítéshez használjanak gumigyűrűket vagy ragasztószalagot. 

Teszteljék a légcsavart / ventilátort.


Adjon időt a diákoknak a ventilátor tesztelésére, mielőtt elkezdenék hozzáerősíteni a motort a külső burkolathoz. A munkafolyamatnak ezen a pontján a diákok felhasználhatják korábban elsajátított ismereteiket a motor és az elemek összekapcsolásáról. Amennyiben a teszt során a légcsavar belefér a külső burkolatba, és elkezdi fölszívni a port vagy a hulladékot, a diákok folytathatják a munkát. Amennyiben a porszívó nem szívja a levegőt, hanem fújja, próbálják meg megcserélni az elem pólusaihoz csatlakoztatott drótokat. Ez által a motor a másik irányban fog forogni, és ennek köszönhetően a légfúvás helyett szívóhatás jön létre. Amennyiben a légcsavar túl nagy, a diákoknak módosítania kell annak méretét, mielőtt továbbléphetnének. Ha a kezüket ráteszik a burkolat hátuljára, érezhetik, mi is zajlik a porszívó belsejében.

Ábra: a porszívó tesztelése.

 A motor fölerősítése A motort több különböző módon is a helyére erősíthetik. A csoport valamelyik tagja a kezével is helyén tarthatja a motort, de ha szeretnék, a külső burkolathoz is rögzíthetik azt. Alább látható néhány példa a motor rögzítésének lehetséges módjaira:

Ábra: nyalóka pálcikák és ragasztó segítségével rögzített motor.

Ábra: habgumi segítségével rögzített motor.


Tipp - Ne feledjék, hogy a levegőnek át kell haladnia a külső burkolaton: amennyiben szükséges, ezt lehetővé tehetik kisebb lyukak fúrásával is.

Ábra: a levegő szabad áramlását lehetővé tevő kis lyukak.

 Az elem vagy az elemtartály fölerősítése Az elemet vagy az elemtartályt a palack külsejére erősíthetik fel. A munkafolyamatnak ezen a pontján a diákok felhasználhatják korábban elsajátított ismereteiket a vezetékek csupaszításáról, valamint a motor és az elemek összekapcsolásáról.

Ábra: az elemet a palack külsejére erősíthetik fel.

 Kapcsoló készítése (opcionális, plusz 15 perc) A diákok megtervezhetnek egy kapcsolót, amivel be- és kikapcsolhatják a porszívót. Ezzel a feladattal kapcsolatban a diákok felhasználhatják korábban elsajátított ismereteiket az áramkörökről (zárt vagy nyitott), továbbá az elektromosságot vezető és nem vezető anyagokról.

Ábra: kapcsolóval ellátott porszívó.


Továbbfejlesztés - kérje meg a csoportokat, hogy beszéljék meg, milyen sikereket értek el, de azt is, hogy még milyen kézenfekvő továbbfejlesztéseket hajthatnának végre porszívójukon. Emlékeztesse a diákokat, hogy töltsék ki az 1. feladatlapot, valamint a mérnöki tervezési munkafolyamat vázlatot, és írják be az esetleges továbbfejlesztési ötleteiket vagy kérdéseiket is.

3.4 Összegzés – teljes osztály – 15 perc Foglalják össze a tanulási célokat. Beszélgessenek a diákokkal arról, hogy mit tanultak arról, hogy hogyan működik egy porszívó, hogyan használható egy légcsavarral ellátott motor arra, hogy levegőt mozgassanak át egy csövön, továbbá arról, hogy hogyan tudnak különböző típusú porszívókat elkészíteni és tesztelni. Miután a diákok befejezték munkájukat, kérje meg őket, hogy takarítsák ki a tantermet. Ez után tájékoztassa őket, hogy a következő tanórán be kell mutatniuk saját tervezésű porszívójukat a teljes osztálynak.


4. tanóra – Hogyan teljesítettünk? Sikerült elvégezni a feladatot? Időtartam: 75 perc Célok: ezen a tanórán a diákok megtanulják, hogy:  egy mérnöki feladatot több különböző módon is meg lehet oldani;  a munkafolyamat áttekintése és kiértékelése az előzetes kritériumok szempontjából fontos elemei a mérnöki tervezési munkafolyamatnak;  a sikeres mérnöki munka a szilárd természettudományos tudáson alapul. Kellékek, anyagok (30 diák számára)  Az elkészült porszívók. Előkészületek  Előre szóljon a diákoknak, hogy hozzák magukkal az előző órán készített porszívóikat.

Munkamódszer  Kiscsoportos munka, az részvételével zajló munka

egész

osztály

A tanóra központi témái  Ezen a tanórán a diákok a mérnöki tervezési folyamatot járják körül és elemzik, továbbá megvizsgálják, hogy az általuk készített termékek megfelelnek-e az előzetes kritériumoknak. Emellett átismétlik az általuk felhasznált természettudományos ismereteket. Kontextus és háttér Ennek a tanórának a középpontjában a munkafolyamat és a termékek kiértékelése áll. Sikerült elvégezni a feladatot? Hogyan alkalmazták a gyakorlatban a diákok a korábban elsajátított természettudományos ismereteket, illetve a mérnöki tervezési munkafolyamatot? Mindemellett ezen a tanórán a diákok lehetőséget kapnak arra, hogy bemutassák a problémára kidolgozott megoldásaikat, és átélhessék a büszkeséget, amit az elsajátított ismeretek és az elkészített termékek miatt érezhetnek.


4.1 Bevezető tevékenység - teljes osztály - 5 perc Minden csoport egy-egy porszívót tervezett meg és készített el. Ezen a tanórán az osztály megbeszélést tart a csoportok különböző megoldásairól, és kiértékelik az elkészült termékeket. A tanár tájékoztassa a diákokat, hogy milyen módon mutassák be munkájukat az osztálynak, továbbá hogy ehhez mennyi idő áll a rendelkezésükre.

4.2 A munkafolyamat bemutatása - teljes osztály - 60 perc Mindegyik csoport mutassa be a porszívóját a teljes osztálynak. A tanár beszélgetést indíthat a következő kérdések segítségével:  Van még valami, amit tovább tudnátok fejleszteni a porszívón?  Szembesült valaki olyan problémával, hogy nem jutott be elegendő levegő a porszívóba? Hol áramlik be- és ki a levegő a porszívóból? Fontos, hogy a levegő kiáramolhasson?  Hogyan kerül be a por vagy a hulladék a porszívó belsejébe?  Akadt valakinek problémája a légáramlás irányával? Ha igen, hogyan oldották meg? Mi a különbség a hajszárító és a porszívó között?  Hogyan lehet be- és kikapcsolni a porszívót? Mindenki ugyanazt a megoldást dolgozta ki, vagy voltak különböző megoldások? Miért kapcsolódik be és ki a porszívó?  Miért van a legtöbb porszívóban porzsák és szűrő? A diákok által használandó helyes szavak és kifejezések:  Kapcsoló  Motor  Légcsavar / ventilátor  Elektromos kábel / vezeték  Elem  Áramkör

4.3 Összegzés - teljes osztály - 10 perc Foglalják össze a tanulási célokat. Beszélgessenek a diákokkal arról, hogy mit tanultak arról, hogy hogyan lehet a mérnöki tervezési munkafolyamat alkalmazásával különböző megoldásokat kidolgozni egy problémára. Mit tanultak az által, hogy ők maguk készítettek egy porszívót? Megértettek valami olyasmit, amit korábban nem értettek? Beszéljék meg, hogy milyen természettudományos ismereteket sajátítottak el és alkalmaztak a porszívó elkészítésének munkafolyamata során. Végül, ez a tanulási egység felkeltette az érdeklődésüket az iránt, hogy villamosmérnöki pályát válasszanak a későbbiekben?


Függelékek A műszaki tervezési ciklus


A kontextust megadó történet Az osztállyal éppen most tartottak egy csodás tanévzáró ünnepséget. Sajnos az ünnepség során sok konfettit használtak, és a tanteremben nagy a rendetlenség. Az iskolai takarító szabadságra ment, és magával vitte az összes takarító eszközét. Nincs egy seprű és egy lapát sem, és úgy tűnik a takarítás igen sokáig fog tartani. A természettudományos szertárban azonban találtak néhány motort, elektromos vezetéket, elemeket, és papírt. A buli után pedig számos üres műanyag palack maradt. Az egyik diák azt javasolta, hogy egy hajszárítóval fújják el a konfettit, ettől azonban még nagyobb rendetlenség keletkezne! Képesek vagytok villamosmérnökké válni, és így megtervezni, előkészíteni és letesztelni egy takarítóeszközt, ami alkalmas a sok szemét összegyűjtésére, hogy minél hamarabb hazamehessetek?


0. tanóra, 1. feladatlap – Mérnöki munka?


0. tanóra, 1. feladatlap – Mérnöki munka? – Megjegyzések a tanárok számára A feladatlapon látható képek célja arra ösztönözni a diákokat, hogy beszélgessenek arról, hogy mi is a mérnöki munka, milyen tevékenységeket végeznek a mérnökök, és milyen emberek foglalkoznak a mérnöki tudományok különböző területeivel. A pókot és a csigát ábrázoló képek érdekes kérdéseket vethetnek fel. A diákok például arra juthatnak, hogy a pók tulajdonképpen mérnöki munkát végez, amikor a hálóját szövi, ezt pedig összekapcsolhatják az állatvilágból vett néhány egyéb példával, ami a mérnöki munkához köthető (pl. a hódok gátépítése). Érdemes kihangsúlyozni, hogy amikor a mérnöki tevékenységekről beszélünk, akkor rendszerint az ember által alkotott világra utalunk. Ennek ellenére sokat tanulhatunk a természet tanulmányozásából. Például azt az anyagot, amit a pókok a hálójuk szövésére használnak, az emberek lemásolták, és ez által egy nagyon erős anyagot hoztak létre (kevlar), aminek rengeteg hasznos tulajdonsága van. Hasonlóképpen a csigák kidolgoztak egy hasznos stratégiát az érdes felületeken való mozgáshoz annak érdekében, hogy megvédjék puha testüket a sérülésektől. Érdekes kérdés lehet, hogy hasznos lenne-e ezt a problémát az emberi világban is megoldani (erre egy jó példa a tépőzár, amit a bojtorján növény fészekpikkelyei alapján hoztak létre). A játékok mérnöki munka eredményeinek tekinthetők, hiszen létrehozásukhoz emeltyűk alkalmazására volt szükség, ugyanakkor érdekes lehet feltenni a kérdést, hogy milyen anyagból lehet ezeket elkészíteni, és ki az, aki játékok készítésével foglalkozik. Ezek a kérdések valószínűleg elvezetnek a nemi egyenlőség témájához (előfordulhat, hogy a diákok jelentős része úgy gondolja, hogy a gyerekjátékokat férfiak készítik). Hasonlóképpen a kötött ruhadarab és az étel esetében is felmerülhet a diákok körében ez a kérdés előfordulhat, hogy a diákok úgy gondolják, hogy ilyesmit kizárólag nők készítenek, és ezek a termékek nem mérnöki tevékenységek eredményei. A szobrokat és egyéb művészeti alkotásokat bemutató képek esetében azt gondolhatják, hogy ezek a tárgyak nem tartoznak a mérnöki tevékenységek körébe, és nem szolgálnak semmilyen gyakorlati célt. Ezzel kapcsolatban felmerül a kérdés a mérnöki tudományok és művészetek közötti összefüggésekről, illetve arról, hogy vajon szükséges-e, hogy egy tárgy gyakorlati célt töltsön be ahhoz, hogy a mérnöki tudományokhoz kapcsoljuk. A képek célja bevonni a diákokat a közös gondolkodásba, és párbeszédet indítani a mérnöki tudományokról és tevékenységekről. Mindez elvezethet egy megbeszéléshez arról, hogy mi mindent foglalnak magukban a mérnöki tudományok. Ennek a kérdésnek a vizsgálata alkalmat nyújt a mérnöki tervezési munkafolyamat ismertetésére.


1-4. tanóra, 1. feladatlap - A mérnöki tervezési munkafolyamat dokumentálása Név: Dátum:

Kérdésfeltevés Kérdésfeltevés

Mi a probléma? Mik szükségletek? Mi aaprobléma? Mit csináltak mások? Mik a szükségletek? Mit csináltak mások?

Elképzelés

Mik a külső feltételek, meghatározó tényezők? Milyen lehetséges megoldások lehetnek? Mik a külső feltételek, meghatározó tényezők? Szabad ötletelés. Milyen lehetséges megoldások lehetnek? Válasszátok ki a legjobb ötletet. Szabad ötletelés. Válasszátok ki a legjobb ötletet.

Tervezés

Rajzoljatok egy ábrát vagy vázlatot, vagy írjátok le gondolataitokat. Rajzoljatok egy ábrát vagy vázlatot, vagy írjátok le Írjatok egy listát a szükséges anyagokról. gondolataitokat. Írjatok egy listát a szükséges anyagokról.

Megvalósítás

Továbbfejlesztés

Kövessétek az általatok kidolgozott tervet, és készítsétek el a terméket. Kövessétek az általatok kidolgozott tervet, és készítsétek el a terméket.

Teszteljétek a terméket. Teszteljétek a terméket.

Fejlesszétek tovább terméketeket, javítsatok Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. tovább Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra. minőségén. Teszteljétek a terméket.

34

Kérdésfeltevés Írjátok le az összes kérdéseteket és válaszotokat.

Elképzelés Szabad ötletelés. Milyen megoldásokat találtatok ki? Hogyan fogjátok megtervezni porszívótokat? Milyen alkatrészekre lesz szükségetek? Hogyan fogjátok egymáshoz erősíteni az alkatrészeket? Méret? Gyakorlati megoldások? stb. Írjátok le vagy rajzoljátok le ötleteiteket.


Tervezés Rajzoljatok egy képet vagy egy vázlatot az „Elképzelés” lépés során kitalált legjobb ötletetekről. Írjátok le a részleteket, és készítsetek egy listát a termék elkészítéséhez szükséges eszközökről.

Megvalósítás

Tipp! Készítsetek fényképeket a termék készítése közben. Teszteljétek a terméket. Mi történt, amikor teszteltétek a terméketeket? Mely alkatrészek működtek megfelelően? Ezt mi alapján állapítottátok meg? Mely alkatrészek nem működtek? Miért? Hogyan tudnátok továbbfejleszteni terméketeket?

Továbbfejlesztés

Terméketek mely részeit kellett továbbfejleszteni? Ezt mi alapján állapítottátok meg? Rajzoljátok le, vagy írásban ismertessétek a továbbfejlesztett termék tervét. Ismertessétek a továbbfejlesztéseket.


3. tanóra, 2. feladatlap - Tervezd meg és hozd létre saját porszívódat Név: Dátum:

a. Vedd elő a mérnöki tervezési munkafolyamat vázlatát, amin már kitöltötted a kérdésfeltevés, az elképzelés és a tervezés szakaszokat. b. Most eljött az ideje a megvalósításnak, azaz annak, hogy elkészítsd saját porszívódat. Alább találsz egy leírást, amelyben követheted az elvégzendő lépéseket. De ha van saját ötleted, bátran használd a saját elképzeléseidet. c. Ne feledd el dokumentálni a megvalósítási munkafolyamat minden lépését - vagy írásban, vagy fényképek segítségével. d. Ha szeretnél valamit megváltoztatni, új ötleteid támadtak a tervezést illetően vagy eszedbe jutottak még olyan kérdések, amikre szeretnél választ kapni, mielőtt folytatnád a porszívód elkészítését, vedd elő a mérnöki tervezési munkafolyamat vázlatodat, és a megfelelő szakaszba írd le ezeket (dokumentálás). e. A feladat akkor tekinthető elvégzettnek, ha a porszívó sikeresen felszív valamilyen hulladékot. 1. A külső borítás A külső borítást különböző típusú palackokból készíthetitek el. Csoportoddal vegyetek elő egy olyan típusú palackot, amit a tervezés szakaszában közösen kiválasztottatok, és kezdjétek el elkészíteni a porszívót. A palack elvágásához használhattok fűrészt vagy ollót. Csak óvatosan! Az ollók és a fűrészek vágófelülete éles.


2. Tervezzetek meg és készítsetek egy légcsavart, majd rögzítsétek azt a motorhoz. Tervezzetek meg és készítsetek egy légcsavart, majd rögzítsétek azt a motorhoz. Amennyiben a légcsavart nem sikerül szilárdan a motorhoz rögzíteni, a rögzítést erősítsétek meg gumigyűrűkkel a légcsavar mindkét oldalán. 3. Teszteljétek a légcsavart / ventilátort. Mielőtt elkezdenétek hozzáerősíteni a motort a külső borításhoz, teszteljétek a légcsavar működését. Csatlakoztassátok az elemet a motorhoz. Amennyiben a teszt során a légcsavar belefér a külső burkolatba, és elkezdi fölszívni a port vagy a konfetti darabokat, folytathatjátok a munkát a 4. lépéssel. Amennyiben a porszívó nem szívja a levegőt, hanem fújja, próbáljátok meg megcserélni az elem pólusaihoz csatlakoztatott drótokat. Amennyiben a légcsavar túl nagy, módosítsátok a méretét, mielőtt továbblépnétek. 4. A motor fölerősítése A motort több különböző módon is a helyére erősíthetitek. A csoportotok valamelyik tagja a kezével is helyén tarthatja a motort, de ha szeretnétek, a külső burkolathoz is rögzíthetitek azt. Ne feledjétek, hogy a levegőnek képesnek kell lennie áthaladni a palackon, ezért lehet, hogy néhány kisebb lyukat kell majd fúrnotok ennek elősegítéséhez. Tartsátok oda a kezeteket a palack hátuljához, és figyeljétek meg, mi történik. 5. Az elem vagy elemtartály fölerősítése Az elemet vagy az elemtartályt a palack külsejére erősíthetitek fel. A korábban tanultak alapján csatlakoztassátok a drótokat. Ne feledjétek folyamatosan dokumentálni munkátokat, és kitölteni az 1. feladatlapot, valamint a mérnöki tervezési munkafolyamat vázlatot, valahányszor egy új ötletetek támad, vagy egy másik megoldás, esetleg egy továbbfejlesztési lehetőség jut eszetekbe. Ha elégedettek vagytok munkátok eredményével, elkezdhettek egy kapcsolót készíteni porszívótokhoz. 6. Kapcsoló készítése (választható) A kapcsolókról tanultak alapján készítsetek egy kapcsolót porszívótokhoz.


Természettudományos megjegyzések a tanárok számára az elektromosságról és a porszívókról A 2. tanórához kapcsolódó központi természettudományos fogalmak, ismeretek és készségek          

Egy elemet, vezetékeket, egy motort (és egy légcsavart) és egy kapcsolót tartalmazó egyszerű áramkör összeállítása. Az elektromos áram áramlásához egy zárt áramkört kell összeállítani. Az elem végződéseit a motor csatlakozási pólusaihoz kell csatlakoztatni a zárt áramkör létrehozásához. Az elemeknek két pólusa van: egy negatív és egy pozitív. Egy motort tartalmazó egyszerű áramkör készítése egy papír légcsavar megforgatásához. Különböző típusú légcsavarok eltérő hatékonysággal működhetnek. A motorban mindkét irányban folyhat az áram, és a pólusok megcserélése esetén a motor az ellenkező irányban forog. Amennyiben az áramkör nem zárt, az áramkör egyik eleme sem jut elektromossághoz, így egyik sem fog működni. A hálózati feszültség (230V) különbözik ez elemek feszültségétől (4,5V). Az egyszerű áramkörök szimbólumok és ábrák segítségével ábrázolhatók.

. Mi az elektromosság, és milyen anyagok vezetik az elektromosságot? A borostyánkő görög elnevezése „elektron”, ebből a szóból származik az elektromosság szó. A görögök szórakozásként borostyánkő darabokat dörzsöltek egy darab szövettel, ez után a borostyánkővel képesek voltak tollakat és leveleket stb. felemelni - arról azonban nem volt tudomásuk, hogy ennek a jelenségnek mi az oka. Az elektromosság az energia egyik formája. Az elektromosság nem más, mint a negatív töltés áramlása, melyet az elektronok mozgása vált ki. Minden anyag atomokból áll. Az atomok középpontjában az atommag áll, melyet elektronburok vagy elektronfelhő vesz körül. Az atommag pozitív töltésű protonokból és semleges töltésű neutronokból (közös nevük: nukleonok) áll. Az atommagot úgynevezett „héjakra” felosztható elektronburok veszi körül, mely mozgó negatív töltésű elektronokból áll. Amennyiben részletesebben is szeretné megismerni az atomok felépítését, tekintse meg az alábbi weboldalt: http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/add_aqa_pre_2011/atomic/atomstrucrev1.shtml Egy atomban a protonok száma megegyezik az elektronok számával, ezért az atom töltése semleges. Amennyiben egy külső hatás felborítja a protonok és az elektronok közötti egyensúlyt, az atomok leadhatnak vagy felvehetnek elektronokat. Amikor egy atom lead elektronokat, ezen elektronok szabadon mozognak, azaz negatív töltéssel rendelkező részecskék áramlása jön létre, ezt nevezzük elektromos áramnak. Némely anyagokban - például a vízben vagy a fémekben - az elektronok könnyebben áramlanak. Ezek az anyagok jó elektromos vezetők. A réz drótókban például néhány elektron nem kötődik konkrét atomokhoz és szabadon mozog. A rézből készült vezetékek ezért alkalmasak különösen az áramkörök létrehozásához. Más anyagokban - például a műanyagokban és a borostyánkőben - az elektronok nem képesek olyan egyszerűen mozogni, ezért ezek az anyagok nem képesek az elektromosság vezetésére. Az elektromosság átalakítható hővé, fénnyé és mozgási energiává. Az elektromosság felhasználható a technológiai eszközök működtetésére. Kapcsolók segítségével fel- és lekapcsolható, és még nagy távolságokban is képes az energia szállítására. Azonban elméletben az elektromosság nem tárolható.


Az egyszerű áramkörökről Egy egyszerű áramkör egy zárt pálya, amelyen belül elektronok áramlanak. Képzeljünk el egy egyszerű áramkört, amit egy vezetékek által összekapcsolt elem és egy készülék vagy alkatrész (pl. egy motor vagy egy izzó) alkot. Mi okozza az elektronok mozgását? Az elemekben egy kémiai reakció hatására az elektronok az egyik pólushoz vonzódnak, és itt összegyűlnek (ezt a pólust anódnak nevezzük). A másik póluson így az elektronok viszonylagos hiánya jön létre (ezt a pólust katódnak nevezzük). Ennek következményeképpen a két pólus között eltérés jön létre az elektromosság tekintetében (elektromos potenciálkülönbség). Az elemben kialakult ezen különbség eredményeképpen az áramkör bezárása esetén megindul a negatív töltésű részecskék áramlása az egyik pólustól a másik irányába (az anód felől a katód felé). Ez az áramlás annak hatására jön létre, hogy az elektronok negatív töltésűek, és ennek következtében taszítják egymást, olyannyira, hogy olyan irányban mozognak, ahol kisebb a negatív töltés (ez végsősoron a katód lesz, amely pozitív töltésű). Az áramkörökön belül minden berendezés vagy eszköz ellenállást fejt ki a negatív töltésű részecskék áramlására. Amikor a negatív töltés átáramlik az elektromos berendezéseken, energiaátadásra kerül sor (az izzó felgyullad, a motor elkezd forogni, és mind a kettő elkezd felmelegedni). Az elem az áramkör áramforrása vagy hajtóereje, ami a negatív töltést szolgáltatja. Egy bizonyos idő elteltével a kémiai anyagok, amelyek az elemben a töltéskülönbség kialakulását okozták, elfogynak, ekkor az elem „lemerül”. Áramerősség, feszültség, ellenállás és teljesítmény Az elektromos áram nem más, mint az elektronok áramlása, és ebből kifolyólag egy áramkörben a negatív töltésű részecskék áramlása. Minél nagyobb az elektronok mozgásának a mértéke, annál erősebb az áram. Az áramerősség mértékegysége az amper (A), melyet az áram mennyiségi jellemzésére használjuk. Definíció szerint áramerősségen az áramvezető keresztmetszetén időegység alatt áthaladó elektromos töltés nagyságát értjük. Történelmi okokból azt mondjuk, hogy az áram a pozitív pontból a negatív felé halad, valójában azonban a negatív töltésű elektronok az áramkörökben éppen ellenkező irányban haladnak (a negatív pólustól a pozitív felé). Az áramlás abban a pillanatban elindul, hogy az elemet csatlakoztatjuk, és a kapcsolóval bezárjuk az áramkört. Ha bármely pillanatban az áramkör bármely pontján megmérjük az áramerősséget, mindig azonos eredményt fogunk kapni. A feszültség alatt a töltések közötti különbséget értjük. Mértékegysége a volt (V). Minden elem egy bizonyos mértékű feszültséggel jellemezhető (a 2. tanórán 1,5 és 4,5 voltos elemeket használtunk). Az elektromos feszültség nagysága az elem két pólusán mérhető töltés közötti különbséget jelöli. Minél nagyobb a különbség, annál nagyobb „erőt” képes az elem kifejteni (a 4,5 voltos elem háromszor akkora „erőt” képes kifejteni, mint a 1,5 voltos elem). Ennek a különbségnek, vagyis az „erőnek” a hatására mozognak az elektronok annak érdekében, hogy csökkentsék a két pólus között fennálló különbséget. A feszültség egy pontosabb megnevezése a potenciálkülönbség. Az egy áramkörön belüli ellenállás gátolja az áram folyását, és lelassítja az elektronok mozgását. Bármilyen elektromos berendezés vagy alkatrész (pl. egy izzó vagy egy motor) ellenállást fejt ki az áram folyására. Ahhoz, hogy az elektromos berendezések működjenek, az áramforrás által kifejtett „erőnek” elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy legyőzze az elektromos berendezés által kifejtett ellenállást. Ezért az elektromos berendezéseken rendszerint feltüntetnek egy adott mértékű feszültséget, ezzel jelezve, hogy a berendezésnek milyen feszültséggel rendelkező áramforrásra van szüksége a működéshez. Az ellenállás mértékegysége az ohm (Ω). A teljesítmény az energiaátvitel sebességét jelzi, mértékegysége a watt (W). Az otthonainkban használt villanykörtéken feltüntetik azok teljesítményét. Egy watt az egy másodperc alatt végzett munkával (mértékegysége: joule, J) egyenlő.


A porszívókról A „porszívó” elnevezés már önmagában is kicsit árulkodó a szerkezet működésének megértése szempontjából - a porszívók működési elve a szívóhatás. (Valójában a „szívó tisztító” jobb elnevezés lenne a porszívónál, hiszen pontosabban körülírja a szerkezet működését.) A porszívó mechanikus / elektromos eleme egy igen erős motor, amely levegőt fúj ki, rendszerint a porszívó tetején vagy hátulján keresztül. Ez által a motor szívóhatást hoz létre a porszívó alsó részén (ott, ahol a port beszívja a gép). Minden porszívó ugyanazon az elven működik: ha egy (pl. egy légcsavar, azaz ventilátor segítségével) levegőt fújó motort hozzáerősítünk egy olyan tárgy egyik végéhez, amelynek a másik végén is nyílás található, a létrehozott szerkezet ugyanúgy fog működni, mint egy porszívó. A motor forgása hatására levegő áramlik át a ventillátoron, majd tovább haladva a készülék hátulján vagy tetején keresztül távozik abból. Amennyiben többet is szeretne megtudni a porszívók működéséről, tekintse meg az alábbi weboldalakat: http://home.howstuffworks.com/vacuum-cleaner.htm http://www.explainthatstuff.com/vacuumcleaner.html A szívó hatáson alapuló működéssel járó egyik lehetséges probléma a szűrők gyakori eltömődése. A modern porszívók ezt a problémát az örvénylés elvének alkalmazásával oldják meg. Erről többet is megtudhat a következő weboldalon: http://home.howstuffworks.com/vacuum-cleaner4.htm


Egyes diákok elképzelései az elektromosságról és az egyszerű áramkörökről A gyerekek elképzelései a természeti világról mindennapi tapasztalataikra épülnek. Ezek nem feltétlenül felelnek meg a korszerű természettudományos elméleteknek, azonban rendszerint megfigyelésen és interakciókon alapuló ésszerű érvelés áll mögöttük. Azzal, hogy lehetőségeket nyújtunk a gyerekeknek a gyakorlati tevékenységeken alapuló gondolkodásra, jobb eséllyel sikerül hatást gyakorolnunk elképzeléseikre, mint ha csak egyszerű tényeket tudatnánk velük. Ez azonban nem egyszerű pedagógiai feladat. A diákok számára, bármilyen korúak legyenek is, rendkívüli nehézséget okoz egy bizonyos jelenséggel kapcsolatban új gondolatokat befogadni, különösen akkor, ha ezek látszólag ellentmondanak a józan ész által diktált érvelésnek. Noha különböző kutatásoknak köszönhetően van némi rálátásunk arra, hogy a diákoknak hozzávetőleg milyen elképzelései lehetnek a természettudományok egyes fogalmi területeivel kapcsolatban, a gyerekek gyakran nehezen fejezik ki gondolataikat, ezért érdemes óvatosan kezelnünk az érvelésükkel kapcsolatos előzetes elképzeléseinket. Emiatt különösen fontos lehetőséget adni a diákoknak arra, hogy kifejezhessék gondolataikat és ismertethessék elképzeléseiket. Az elektromossággal kapcsolatos elképzelések A gyerekek általában pontosan tisztában vannak a hálózati elektromosság mindennapi felhasználási lehetőségeivel, különösen ami a hő, a fény és a mozgási energia termelését illeti. (1) Nagy valószínűséggel vannak bizonyos ismereteik a hálózati elektromosság veszélyeiről, azonban ezeket az ismereteket fontos megerősíteni a 2. tanóra keretében. Elképzelhető, hogy némely diák csupán a hálózati elektromosságot tekinti az elektromosság forrásának, és az elemeket például nem, azonban legtöbbjük tudja, hogy az elemek szükségesek bizonyos készülékek (pl. játékok) működtetéséhez. Allen (2) szerint a gyerekek a felnőttekéhez hasonló elképzeléseket alkotnak az energiáról. Szerintük az elemek kibocsátanak valamit a „tartalmukból” (amit a diákok különböző elnevezésekkel illetnek, pl. elektromosság, energia, erő, „kakaó”) a készülékbe, és így hozzák azt működésbe. A készülék elhasználja az elem „tartalmát”, és amikor ez elfogy, az elem lemerül, többé nem működik. A Nuffield Primary Science Teachers' Guide (1) egy sor példát ismertet arra, hogy az általános iskolás korú gyerekeknek milyen elképzelései vannak az elektromosság tulajdonságairól. Ilyenek többek között azok az elképzelések, hogy az elektromosság láthatatlan, nagyon gyorsan mozog és áramlik. Az egyik gyerek szerint: „Az elektromosság olyan, mint a varázslat”. Az elektronok és a negatív töltés fogalma valószínűleg igen nehezen értelmezhető az ilyen korú diákok számára, ezért a tanár dönthet úgy, hogy tolerálja ezeket a gondolatokat az elektromosság lényegéről, ugyanakkor azonban kihangsúlyozza az elektromosság áramkörökben való áramlásának jelenségét. Az egyszerű áramkörökkel kapcsolatos elképzelések A tanulási egység által tartalmazott feladat elvégzéséhez szükséges, hogy a diákok tisztában legyenek azzal, hogy egy elektromos berendezés (a motor) működésének biztosításához egy zárt áramkört kell létrehozni. Ehhez gyakorlati tapasztalatokat kell szerezniük az áramkörök kialakításáról és a megfelelő csatlakozások biztosításáról, és meg kell figyelniük az eredményeket. Noha némely diákok tudják, hogy az elemeknek két pólusa van, mások talán nincsenek azzal tisztában, hogy a motorhoz hasonló elektromos berendezéseknek is két csatlakozási pontjuk van, vagy azzal, hogy ha megcserélik vezetékeket, amelyek a motort az elemhez csatlakoztatják, akkor a motor az ellenkező irányban fog forogni. Ezen ismeretek mellett fel kell ismerniük és meg kell vizsgálniuk azt is, hogy hogyan lehet megszakítani az áramköröket. A 2. tanóra során a diákok lehetőséget kapnak az egyszerű áramkörök létrehozásához szükséges készségek elsajátításához. Természetesen a képesség a megfelelő alkatrészek összekapcsolásával egy zárt áramkör létrehozására nem egyenlő annak megértésével, hogy az hogyan is működik. Az áramkör működésének megértése sokkal nehezebb feladat. Egyes kutatások kimutatták, hogy a diákok több különböző magyarázattal értelmezik az egyszerű áramkörök működését (3). Az 1. ábra bemutatja, hogy milyen csatlakozások szükségesek egy izzó működtetésére alkalmas zárt áramkör létrehozásához.


1. ábra Egy izzó működtetésére alkalmas zárt áramkör. elem

_

+ A vezeték

B vezeték

Izzó Előfordul, hogy a gyerekek egy „unipoláris modellben” gondolkodnak, mely szerint az áramkörben csupán egy vezeték aktív. Valóban, a hálózati elektromosság látszólag tényleg csak egy vezetékkel működik, így érthető, hogyan juthatnak erre a gondolatra. Eszerint a gondolkodás szerint az 1. ábrán látható A vezeték fogható fel az aktív vezetékként, és a diákok érvelése szerint az „elektromosság” az elem pozitív pólusából származik. Még ha meg is tudják, hogy a második vezetékre is szükség van a zárt áramkör létrehozásához, még mindig gondolhatják azt, hogy az nem játszik aktív szerepet az izzó működtetésében. Egyes diákok szerint az „elektromosság” az elem mindkét pólusából áramlik az áramkörbe. Ők úgy gondolkodhatnak, hogy a két pólusból különböző típusú „elektromosságok” áramlanak ki, amelyek az izzónál találkozva hozzák azt működésbe („ütköző áram” modell). Mások az úgynevezett „felhasznált áram” modell szerint gondolkodhatnak, mely szerint a visszatérő vezeték kevesebb „elektromosságot” hordoz, mivel az izzó valamennyit felhasznált abból (azaz a B vezetékben kevesebb „elektromosság” folyik, mint az A vezetékben). A tudományos modell szerint az áram megőrződik az áramkörön belül, mivel mind a két vezetékben azonos mértékű áram folyik (A vezeték = B vezeték). Számos diák számára ez értelmezhetetlen, mivel szerintük az izzó biztosan felhasznál valamennyit az áramból. Ahhoz, hogy megértsék, hogy miért őrződik meg az áram, a diákoknak meg kell értenie, hogy az energia átfolyik az elektromos berendezéseken (izzó, motor stb.). A negatív töltésű részecskék áramlása által termelt energia mozgásként, fényként és hőként jelentkezhet az elektromos berendezés működése közben. Az izzó felgyullad, a motor elkezd forogni, és mindkettő melegszik. Ennek az ösztönös elképzeléseknek ellentmondó és absztrakt elképzelésnek a megértése és elfogadása igen nehéz feladat. A természettudományokat oktató tanárok gyakran analógiák segítségével próbálják elmagyarázni a diákoknak a megfigyelt jelenségeket. Asoko és de Bóo (4) több analógiát is javasol, többek között a biciklilánc analógiáját, mely szerint az elemet a biciklit hajtó ember jelképezi, az izzót (vagy motort) pedig a bicikli kereke. A kerék forog, és az izzó felgyullad. Az áram megőrzését a mozgó biciklilánc jelképezi, amely a mozgás ellenére nem fogy el. Azonban az analógiáknak is vannak határaik, amelyeket a tanároknak szem előtt kell tartania. A bicikli analógiájában például nem szerepel a vezetékeket vagy az energiát jelképező elem. A tanároknak szakmai ítéletükre kell hagyatkozniuk ahhoz, hogy meghatározzák, melyik megközelítési mód a leginkább megfelelő diákjaik számára. Az ebben a tanulási egységben ismertetett feladat esetében megfelelő az is, ha a tanár az áramkör létrehozásának technikai vonatkozásaira koncentrál. Egyes diákoknak sok gyakorlati tapasztalatot kell gyűjtenie a különböző elemeket tartalmazó áramkörök építése terén, mielőtt képesek lennének általánosítani a zárt áramkör fogalmát. A 2. tanóra lehetőséget nyújt az áramkörben megvalósuló elektromos áramlás, valamint a motoron való áthaladáskor a mozgási energia és a hő formájában megvalósuló energiaátvitel fogalmának bevezetésére. Emellett a kapcsoló beillesztésére való lehetőség tovább bővítheti a diákoknak a zárt áramkörökkel kapcsolatos ismereteit.

Források (1) Nuffield Primary Science: Teachers’ Guides (Ages 7-12): Electricity and Magnetism (1995) HarperCollins Publishers: London 43 Ezt a dokumentumot a № 288989 EC szerződés keretében hozták létre. Ez a munka a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International licensz alatt kerül kiadásra.

(2) Allen, M. ( 2010) Misconceptions in Primary Science. Open Univesrity Press: Berkshire, England (3) Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V.(1994) Making Sense of Secondary Science. Routledge : London. (4) Asoko, H. & de Bóo, M. (2001) Analogies & Illustrations: representing ideas in primary science. Association for Science Education: Hertfordshire.


Partnerek Bloomfield Science Museum, Jeruzsálem The National Museum of Science and Technology “Leonardo da Vinci” Science Centre NEMO Teknikens hus Techmania Science Center Experimentarium The Eugenides foundation Condervatoire National des Art et Métiers- muse des arts et métiers Science Oxford Deutsches Museum, Bonn Boston’s Museum of Science

Netiv Zvulun – School Istituto Comprensivo Copernico Daltonschool Neptunus Gränsskolan School The 21st Elementary School Maglegårdsskolen The Moraitis school EE. PU. CHAPTAL Pegasus Primary School KGS Donatusschule

MAGLEGÅRDSSKOLEN Gentofte Kommunes skolevæsen

ECSITE – European Network of Science Centres and Museums ICASE – International Council of Associations for Science Education ARTTIC Manchester Metropolitan University University of the West of England Az alábbi nyelveken tíz tanórai segédanyag elérhető:

A tanulási egységek 2015-től folyamatosan elérhetők a www.engineer-project.eu, valamint a www.scientix.eu weboldalon.


Szuperszívó Egy takarító készülék megtervezése és elkészítése

Recommend Documents