Vakgroep technologische opvoeding Opleiding bachelor in het onderwijs: secundair onderwijs Arteveldehogeschool Gent
Vakdidactisch verrijken van practica algemeen vormende techniek Bijdrage aan het vervolgproject TOS21- overbruggingstraject Experimenteerschool: Benedictuspoort Gent
Auteur: Didier Van de Velde Externe techniek coach januari 2010
Inhoud 1
ACTIEF TECHNIEK LEREN ........................................................................................................................... - 3 1.1 1.2
2
DOEL VAN DE BROCHURE ................................................................................................................................ - 3 OVERZICHT PRACTICA ..................................................................................................................................... - 3 -
BEGRIJPEN EN DUIDEN: TECHNIEK ONDERZOEKEN .................................................................................. - 5 2.1 ONDERZOEKEND LEREN IN TECHNIEK ................................................................................................................. - 5 2.1.1 Betekenis van het onderzoekend leren in techniek............................................................................ - 5 2.1.2 Stappenplan ‘onderzoeken’ ............................................................................................................... - 5 2.1.3 Leeractiviteiten bij het onderzoekend practicum .............................................................................. - 5 2.2 TECHNISCHE SYSTEMEN ONDERZOEKEN .............................................................................................................. - 6 2.2.1 Kenmerken van het practicum systeemonderzoek ............................................................................ - 6 2.2.2 Systemen onderzoeken: een spel van vraag en antwoord ................................................................ - 6 2.2.3 Mogelijke onderzoeksvragen............................................................................................................. - 7 2.2.4 Dynamische systemen onderzoeken.................................................................................................. - 9 2.3 EFFECTENONDERZOEK .................................................................................................................................. - 11 2.3.1 Kenmerken van het effectenonderzoek ........................................................................................... - 11 2.3.2 Stappenplan voor practicum effectenonderzoek ............................................................................ - 11 2.3.3 Leeractiviteiten bij het practicum effectenonderzoek ..................................................................... - 11 2.4 BEHOEFTENONDERZOEK ............................................................................................................................... - 12 -
3
TECHNIEK HANTEREN ............................................................................................................................. - 12 3.1 ONTWERPEN .............................................................................................................................................. - 12 3.1.1 Kenmerken van het practicum ontwerpen ...................................................................................... - 12 3.1.2 Stappenplan voor het practicum ontwerpen................................................................................... - 12 3.1.1 Leeractiviteiten bij het practicum ontwerpen ................................................................................. - 12 3.1.2 Didactische mogelijkheden bij een practicum ontwerpen .............................................................. - 12 3.2 MAKEN: PRODUCTIEF PRACTICUM .................................................................................................................. - 16 3.2.1 Kenmerken van het productief practicum ....................................................................................... - 16 3.2.1 Stappenplan productief practicum .................................................................................................. - 16 3.2.2 Leeractiviteiten bij het productief practicum .................................................................................. - 16 3.2.3 Vakdidactische aandachtspunten bij het productief practicum ...................................................... - 16 3.3 GEBRUIKEN EN ONDERHOUDEN ...................................................................................................................... - 19 3.3.1 Instrumenteel practicum ................................................................................................................. - 19 3.3.1 Gebruiks- en onderhoudsproblemen ............................................................................................... - 19 -
4
VALIDERING ........................................................................................................................................... - 19 -
-2-
1 Actief techniek leren 1.1
Doel van de brochure
Deze brochure is bedoeld als hulpmiddel om de voornaamste leeropdrachten in algemeen vormende techniek te verrijken. De vele didactische werkvormen om het actief en samenwerkend leren vorm te geven worden in deze tekst buiten beschouwing gelaten. Zij kunnen benut worden in de diverse stadia binnen de beschreven practica. Vanuit de bekommernis om deze tekst beknopt te houden kunnen bepaalde elementen ongenuanceerd overkomen. Het immers niet mogelijk om in een beperkte kijkwijzer de zeer rijke waaier aan methodologie in techniek in alle mogelijke nuanceringen aan bod te laten komen. In het geheel van actieve leeropdrachten voor techniek kunnen we twee grote groepen onderscheiden: practica die zeer contextspecifiek zijn zoals deze rond het gebruiken en onderhouden van technische systemen en practica zoals onderzoeken van systemen, ontwerpen en maken van systemen. In het laatste geval kunnen we een aantal processen herkennen die terugkeren doorheen verschillende contexten. Zo zal het ontwerpen van een kledingstuk procesmatig gelijkenissen vertonen met het ontwerpen van een gebouw. Het bereiden van brood zal gelijkenissen vertonen met het brouwen van bier of het bouwen van een brug. Je merkt het: op het eerst zicht totaal verschillende situaties kunnen methodologisch met elkaar verbonden worden. Deze transfer kan ons bekwamer maken in nieuwe technische situaties of uitdagingen. We kunnen ook onze leerlingen leren de kernmethoden in techniek beter te beheersen door ankerpunten te geven doorheen verschillende contexten/toepassingsgebieden via stappenplannen en de daaraan gekoppelde werkwijzen1. Op deze manier is het mogelijk om binnen lessen techniek sneller tot fundamenteel leren te komen: het niveau van de feiten en begrippen overstijgen om de niveaus ‘relaties’, ‘structuren’ en ‘toepassen’ te bereiken2.
1.2
Overzicht practica
Een practicum3 is een didactisch vereenvoudigde simulatie4 van een levensechte werkwijze. Aan deze vereenvoudiging wordt structuur gegeven door opsplitsing in 5 kenmerkende stappen. Deze stappen bespreken we verder in deze tekst. Er wordt steeds uitgegaan van een concrete probleemstelling. De stappen verlopen in werkelijkheid iteratief: dit wil zeggen dat ze soms gelijktijdig aanwezig zijn of door elkaar lopen. Dat vraagt wat aandacht in de onderwijspraktijk. Er wordt rekening gehouden met de aard van de probleemstelling en de leerstijl van de leerling. Zo is het is niet de bedoeling om met deze stappenplannen het leerproces dwangmatig in vaste patronen te gieten (ritualiseren). Ze worden gebruikt als ankerpunten waarbij de leerstijl van de leerlingen dient gerespecteerd te worden. Elke leerling pakt technische problemen anders aan: sommige beginnen onmiddellijk met uitvoeren (= de uitvoerder), anderen beginnen te organiseren (=de beslisser), nog anderen zoeken eerst informatie op (= de denkers) of proberen goed waar te nemen wat er gebeurt (=de dromers). Voor het practicum ‘ontwerpen’ en ‘maken’ is het van groot belang om voor uitvoeringsgerichte leerlingen de aandacht voor de analytische stappen in een stappenplan (stap 1&2) in te perken. Zo kan bij het maken van een technisch systeem de technische tekening wel vooraf globaal bekeken worden (onderzoeken van de maakopdracht). Het gebruik van de
1
Het aspect ‘procedurele kennis’ speelt het een belangrijke vorm in het meer fundamenteel leren. Taxonomie in het didactisch model van De Block en Heene (1987). 3 In de betekenis zoals deze binnen de vakgroep TO van de opleiding bachelor in het onderwijs – secundair onderwijs aan de Arteveldehogeschool gebruikt wordt. 4 Betekenis van simulatie in de tekst: een probleemstelling wordt opgelost vanuit een rijke levensechte context via het gebruik van allerlei zo authentiek mogelijke hulpmiddelen. 2
-3-
tekening zal echter tijdens het maken zelf gedoseerd worden aangebracht. Dit geldt ook voor het ontwerpen: de analyse van de behoefte en het opstellen van het eisenprogramma (stap 1&2) kan ook na enkele eerste experimenten met materialen en vormschetsen verder verfijnd worden. Deze voorbeelden illustreren dat het iteratieve karakter van het maak- en ontwerpproces ook in de didactische uitwerking van belang is. Bepaalde ontwerpproblemen vragen echter wel dat stappen sequentieel verlopen (opeenvolgend): bijv. bij het ontwerpen van een elektrische schakeling teken je eerst het schema en daarna voer je uit om vervolgens te testen. Tot slot willen we nog aangeven dat deze practica niet op zichzelf staan maar deel uitmaken van een reeks doelgericht gekozen practica binnen een lesproject.
-4-
2 Begrijpen en duiden: techniek onderzoeken 2.1
Onderzoekend leren in techniek
2.1.1
Betekenis van het onderzoekend leren in techniek
Het onderzoekend leren is een didactische benadering om leerlingen actief, gestructureerd en vaak coöperatief kennis te laten opbouwen. Het is hierbij boeiend om inspiratie te vinden bij wetenschappelijke onderzoeksmethoden. Zo kan in diverse onderzoekende practica de nadruk gelegd worden op bepaalde aspecten van onderzoek. Zo ontstaat na enige tijd een beter beeld over onderzoeksmethoden. Leerlingen koppelen deze leerfragmenten aan elkaar door een herkenbaar raamwerk te hanteren: het stappenplan. Het onderzoeken van verschijnselen wordt in deze tekst niet besproken. Dit is typisch voor natuurwetenschappen. We werken de methoden voor dit soort practicum hier niet verder uit en verwijzen naar gespecialiseerde vakdidactische literatuur daaromtrent. Voor het onderwijs in natuurwetenschappen is het verhelderen en verrijken van leerlingendenkbeelden zeer belangrijk. Voor techniek is vooral de bruikbaarheid van de inzichten in concrete toepassingen interessant. Voorbeeld: eenzelfde technische schakeling onderzoeken is voor de lessen natuurwetenschappen anders dan voor techniek: In de les natuurwetenschappen wordt de elektrische kring gebruikt om de algemene eigenschappen van de elektriciteit te bestuderen. De resultaten van het onderzoek kunnen dan in andere situaties gebruikt worden om verschijnselen te verklaren. Voor de lessen techniek zijn de eigenschappen van de kring ‘als technisch systeem’ zelf belangrijk en is er vooral belangstelling voor verdere toepassingen van die kring.
2.1.2 Stap Stap Stap Stap Stap
2.1.3
Stappenplan ‘onderzoeken’ 1) 2) 3) 4) 5)
Wat gaan we onderzoeken? (onderzoeksvraag) Hoe gaan we dit onderzoeken? We voeren het onderzoek uit Wat besluit je? Nadenken over het onderzoek
Leeractiviteiten bij het onderzoekend practicum
Bij het onderzoeken van een technisch systeem, een hulpmiddel, een behoefte, een werkwijze of de effecten van techniek kunnen volgende stappen een betekenisvolle inhoud krijgen: -
onderzoeksvraag afleiden uit een probleemstelling;
-
werkwijze volgen of vastleggen en plannen;
-
onderzoek uitvoeren: vb. raadplegen van geschikte informatiebronnen, waarnemen met zintuigen of instrumenten, feiten vaststellen, meningen registreren, meten van een grootheid, aanduiden van de onderdelen van een technisch systeem;
-
besluiten formuleren die betrekking hebben op de onderzoeksvraag;
-
nadenken over het onderzoek: geven bvb. verbanden met toepassingsgebieden in techniek, andere practica binnen het lesproject, toepassingen in technische systemen, effecten van techniek op natuur en samenleving…
-5-
2.2
Technische systemen onderzoeken
2.2.1
Kenmerken van het practicum systeemonderzoek
Om een technisch systeem5 te realiseren, te onderhouden en te gebruiken is een grote hoeveelheid kennis nodig. Dit kan kennis zijn over achterliggende behoeften, ontwerpkennis, kennis om het te maken, te distribueren, te gebruiken, kennis over achterliggende natuurlijke verschijnselen waarop het voorwerp ingrijpt, toepassing van diverse technische principes, …… Het practicum ‘systeemonderzoek’ is gericht op het in kaart brengen en verzamelen van deze vaak ‘stilzwijgende’ kennis over technische systemen. Dit practicum is dus gericht op: • • • •
het verzamelen van kennis over de gebruikte materialen, de verbindingstechnieken, de afwerktechnieken; kennis over de gebruikte onderdelen, deelsystemen en de relaties ertussen; het ontdekken van de kenmerken van de aanwezige deelsystemen en de sturing/regeling ervan kan deel uitmaken van het practicum; het identificeren van invoer, uitvoer, transport, opslag en verwerking van materie, energie en informatie binnen het systeem.
Je kan stellen dat een technisch systeem deze kennis op een of andere manier ‘vertegenwoordigt’. Maar deze kennis is vaak ‘stilzwijgend’ aanwezig en de meeste mensen beseffen alleen de gebruikskennis. Een technisch bekwaam persoon is in staat een deel van deze kennis terug te ‘lezen’ door het systeem te onderzoeken. Voorbeelden • • • • •
Het onderzoeken van een kogelpen, de Ijzertoren, een fiets, een brood, tandpasta…. In kaart brengen van de samenstellende delen van een systeem: zoek de energieomvormer in een toestel, gebruiksvoorwerp, … de werking van een energieomzetter onderzoeken: vb. hoe werkt een fietsalternator, hoe werkt een fietsrem, hoe werkt een fietslamp, …. . De relatie tussen input en output onderzoeken; voor een bepaalde omvormer: wat komt erin en wat komt eruit? De evolutie van een systeem in de tijd: transportmiddelen zeilboot-fiets-motorfiets-elektrische auto-…
2.2.2
Systemen onderzoeken: een spel van vraag en antwoord
Voor dit practicum kan het stappenplan ‘onderzoeken’ gebruikt worden. Dit is evenwel niet altijd aangewezen. Het spel van vraag en antwoord en het proces om vanuit de delen het geheel beter te begrijpen (en omgekeerd) is het belangrijkst6. Dit spel van vraag en antwoord kan didactisch op heel verschillende manieren ingevuld worden. Verschillende didactische werkvormen kunnen hier een rol spelen. Om de mogelijkheden van dit practicum te illustreren beperken we ons tot een oplijsting van mogelijke onderzoeksvragen. Deze vragen werden verder niet ingedeeld in rubrieken. De volgorde evolueert van algemene vragen (die voor de meeste systemen relevant zijn) naar meer specifieke (waarvan de relevantie afhangt van het soort systeem).
5
Het begrip ‘technisch systeem’ dient hier te worden begrepen als het materieel resultaat van het ingrijpen van de mens op zijn omgeving: een toestel, gebruiksvoorwerp, een bereiding, een voedingsproduct, infrastructuur, kledij…. 6 Deze aanpak stemt overeen met het onderzoek van cultuurproducten (hermeneutiek). Het doel is tot een meer diepgaand begrip en zelfs een rijkere beleving te komen. Technische systemen zijn cultuurproducten want zij zijn ‘gefixeerde levensuitingen’ van mensen. -6-
Om een systeemonderzoek uit te voeren kan ondermeer gebruik gemaakt worden van hulpmiddelen zoals blokschema’s, plannen, identiteitskaarten (om de variatie in bepaalde technische systemen duidelijk te maken), schetsen, beschrijvingen, handleidingen en werkwijzen zoals gebruiken, demonteren en ontleden van het systeem ….
2.2.3
Mogelijke onderzoeksvragen
Prioriteit: 1: essentieel voor een onderzoekend practicum; 2: aanvullend naargelang het technisch systeem; 3: uitbreiding in functie van het leerprogramma of de concrete lessituatie. Pr
Leerdoel: mogelijke onderzoeksvragen
Voorbeelden of aandachtspunten bij de onderzoeksvragen
1
Waarvoor wordt het systeem gebruikt?
Dit is de hoofdfunctie (zie ook kijkwijzer ‘ontwerpen’)
1
Hoe wordt het systeem gebruikt?
1
Door wie wordt het systeem gebruikt.
1
Is het een natuurlijk systeem of is het door mensen gemaakt?
1
Door wie is het systeem ontworpen/gemaakt?
1
Waarom is het systeem gerealiseerd: vanuit welke behoeften?
1
Hoe ziet de vorm/structuur er uit? En hoe zorgen deze elementen voor je gewenste eigenschappen?
Bogen, platen, driehoeksverbindingen, kabels, stapelingen van stenen, profielen, plooien, ribben, bogen, steunvlak, soepele delen, puntige delen …
1
Uit welke grondstoffen is het technisch systeem opgebouwd?
Hout, kunststof, metaal, wol, katoen, zand, klei melk…
2
Heeft het systeem nog steeds zijn oorspronkelijke functie?
Oude piano die niet meer werkt kan een meubelstuk geworden zijn. Bij erfgoedstukken komt dit vaak voor: oude molen is museum geworden.
2
Heeft het systeem in de loop van de tijd nieuwe functies gekregen.
Vb. bestaande verbrandingsoven maakt nu ook elektriciteit. Een stort maakt nu ook biogas. Fabrieksgebouw is loft geworden.
2-3
Welke gevoelens roept het systeem op?
De Eifelftoren kan indrukwekkend zijn. Een erfstuk kan herinneringen oproepen. Een zelfgemaakt systeem. Een ruïne kan mysterieus zijn.
1
Uit welke verschillende onderdelen/ingrediënten bestaat het systeem?
Vertrek van typische gebruiksvoorwerpen (pen, fiets, stoel….)en demonteer/monteer ze indien mogelijk.
1
Hoe kan je de vorm van de onderdelen beschrijven?
Afgerond of hoekig, plat of hoog, groot of klein, strak of grillig, gelaagd of massief, ijl of dicht, schuimig, vezelig…
1
Hoe zijn ze met elkaar verbonden/samengebracht?
Vb. scharnieren, lassen, schroeven, klinken, touwen, stikken, velcro, rits, lijm…
1-2
Hoe zijn ze afgewerkt?
Schilderen, schuren, polijsten, boenen,
Denk aan typische technische systemen zoals brandweerauto, ceremoniekledij, laarzen, verrekijker….
Smid, andere cultuur, architect…
-7-
voegen, plastificeren, metaliseren… 1-2
Wat is het doel van bepaalde materialen in het technisch systeem?
Glas in een bril, een metalen veer in een kogelpen, rubber in banden, klei voor baksteen, leisteen voor daken, eiwit voor schuim, tarwe voor brood….
1-2
Hoe zorgen eigenschappen van de materialen voor de gewenste functies
Stijfheid voor een overbrugging, wasbaarheid van een kledingstof, samenhang in confituur, waterdichtheid van een paraplu…
2
Welke variaties bestaan er in het technisch systeem en op welke achterliggende behoeften proberen ze in te spelen.
Verschillende soorten balpennen, racefiets versus mountainbike, jongens of meisjesjas, villa of woonwagen
2-3
Hoe hebben de materiaalkeuze, de toegepaste verbindingen en afwerking geleid tot de goede werking van het systeem?
Een systeem kan uit éénzelfde materiaal of uit verschillende materialen bestaan.
2-3
Welke sfeer straalt het systeem uit7?
Antieke kast of moderne kast. Ceremoniekledij of vrijetijdskledij, pakje frieten of gastronomische maaltijd, kaarlicht of TL-lampen. Kerkgebouw of dancing. Flatgebouw of fermette, sjaal of boerka, leren schoen of sportschoen, laarzen of stilleto’s.
2-3
Wanneer is het systeem ontworpen/gemaakt?
Voor veel systemen is het jaar van realisatie belangrijk om hun typische kenmerken te verklaren.
2-3
Is het systeem ambachtelijk of industrieel gemaakt?
Maatkast van schrijnwerker of Ikea-kast. Eigen pizza of diepvriespizza, gemetselde muur of prefabconstructie….
2
Welke kenmerken maken het systeem minder of meer milieuvriendelijk?
Gebruik van al dan niet duurzame grondstoffen, energiegebruik om het systeem te vervaardigen. De nodige energie om de onderdelen en het eindproduct te transporteren. Het energieverlies bij gebruik van het systeem.
2
Hoe beïnvloeden de eigenschappen van materialen de keuze ervan?
Brandbaarheid, houdbaarheid, sterkte…
1-2
Hoe kunnen verbindingstechnieken het ontwerp beïnvloeden?
Velcro-sluitingen in schoenen zorgen voor andere vormgevingsmogelijkheden.
2
Hoe kunnen afwerkingstechnieken het ontwerp beïnvloeden?
Een gezeept, geboend, geverfd, gepolitoerd meubel zorgt voor een andere uitstraling…
2-3
Waarom zijn materiaaltesten nodig bij het ontwerpen van systemen?
Waterdichtheid testen van stoffen voor regenkledij, kleurvastheid van verven testen die buiten gebruikt worden, duurzaamheidsklasse van hout bepalen…
7
Deze vraag speelt in op het duiden van de sociaal-culturele waarde van techniek. Techniek speelt een rol in de menselijke zin- en betekenisgeving. -8-
2
Welke materiaaltesten zijn nodig voor een goed gebruik, onderhoud en afvalverwerking van een technisch systeem?
Een stoel testen op het aantal buigingen, afbreekbaarheid van de gebruikte materialen, demonteerbaarheid van onderdelen….
2-3
Hoe werden de gebruikte materialen/onderdelen afgestemd op de context (plaats, tijd, cultuur….)
In de woestijn moeten andere materialen gebruikt worden dan in het hoge Noorden. Auto’s hebben een andere vormgeving in Europa dan in de Verenigde staten…
2-3
Wat is de rol van materiaalinnovatie in het systeem, in het verleden en in de toekomst?
Vervanging van metalen door composietmaterialen in fietsen en auto’s, gebruik van bio-afbreekbare kunststoffen voor verpakkingen
2-3
Welke aanpassingen kunnen aan het systeem gedaan worden om het duurzamer/milieuvriendelijker te maken?
Lokale aanvoer van materialen en grondstoffen om transport te beperken. Duurzaam gekweekte grondstoffen gebruiken in plaats van eindige grondstoffen, minder afval bij productie of gebruik, zorgen voor een duurzaam ontwerp, zorgen voor een emotionele band met de gebruiker zodat die het product niet vlug weggooit….
2.2.4
Dynamische systemen onderzoeken
Dynamische systemen vormen op een of andere manier energie om. De reeds aangegeven onderzoeksvragen kunnen zeker ook op deze systemen van toepassing zijn. Specifiek voor dynamische systemen kunnen bijkomende vragen relevant zijn. Pr
Leerdoel: mogelijke onderzoeksvragen voor dynamische systemen
Voorbeelden of aandachtspunten bij de onderzoeksvragen
1
Wat verwerkt het systeem: energie en/of materie en/of informatie?
Omvormen van energie: elektrische energie wordt lichtenergie; Omvormen van materie: meel wordt brood; Omvormen van informatie: gegevens worden informatie …
1
Welke invoer en uitvoer nemen we waar?
Materie (vaste stoffen, vloeistoffen, gas), informatie (digitaal of analoog), energie (beweging, warmte, straling, geluid …)
1
Welke verschillen zijn er tussen de invoer en de uitvoer in het systeem?
Melk (invoer van materie) is binnen een yoghurtmachine veranderd in yoghurt (uitvoer van materie), elektrische energie (invoer) is binnen een luidspreker omgevormd naar akoestische energie (uitvoer).
13
Welke onderdelen van het systeem staan in voor de omvorming van innaar uitvoer?
Motor in bromfiets, oven in een fornuis, fotocel in rekenmachine …
1
Van welke deelsystemen ken je de werking van de onderdelen niet maar begrijp je toch de werking van het geheel (door te kijken naar de invoer en de uitvoer)?
Een beeldscherm, een chip, een harde schijf … is een black box: je bestudeert alleen wat er in of uitgaat en niet het werkingsproces binnen de black box.
1-
Wordt er energie, informatie of
Harde schijf als deelsysteem in een PC, accu in -9-
2
materie opgeslagen in het systeem (=bufferfunctie)?
een auto, waterreservoir in koffiemachine, benzinetank in een motorfiets …
13
Welk schema kan gemaakt worden van het technisch systeem om de werking van de onderdelen te verduidelijken?
Blokschema, schakelschema…
13
Is er een sturing of regeling aanwezig in het systeem?
13
Hoe laat deze sturing of regeling het systeem beter werken?
Werkt gedurende een zekere tijd, functioneert automatisch …
12
Welke deelsystemen omvat het systeem?
Aandrijfsysteem, draagstructuur, stuurinrichting, voeding, dak …
23
Welke voor- en nadelen hebben de gebruikte deelsystemen?
23
Welke eigenschappen hebben deze deelsystemen?
2
Hoe werken deze deelsystemen samen?
Interface.
23
Welke voor- en nadelen heeft de aanwezigheid van een deelsysteem8 dat werkt als een “black box” in het systeem?
Eenvoudig te herstellen door het deelsysteem in zijn geheel te vervangen. Je hoeft alleen de goede werking van het deelsysteem na te gaan omdat de wisselwerking met de andere deelsystemen overzichtelijker is.
23
Hoe kunnen sturingen, regelingen en feedback het systeem automatisch laten werken?
Door in- en uitvoer te meten en met elkaar te vergelijken. Door storingen weg te werken. Door geprogrammeerde instructies …
23
Hoe meet het technisch systeem de grootheid die het controleert (=feedbacklus)
Thermostaat in centrale verwarming of strijkijzer.
23
Hoe wordt de energie overgebracht: door elektriciteit, lucht (pneumatisch), olie (hydraulisch), bewegende onderdelen (mechanisch)?
Pneumatisch: productiemachine, persluchtpistool om te nieten, om verf te spuiten … Hydraulisch: kraan, attractie op de kermis, heftruck, afvalpers op containerpark …
23
Hoe is het systeem betrouwbaar gemaakt?
Dubbele bedieningsystemen in een vliegtuig; als een schakelaar defect is kan het toestel niet meer starten …
23
Wat is de invloed van de werkingsparameters (energiegebruik, uitstoot van afval, toleranties, betrouwbaarheid …) op het ontwerp en het onderhoud van het systeem?
Toestellen die veel energieverlies vertonen worden groter en moeten gekoeld worden. Toestellen kunnen een uitlaatfilter bevatten. Een nauwkeurig apparaat zal robuuster gebouwd worden om trillingen te verminderen …
8
Deelsysteem: een deel van het systeem dat een functie van het totale systeem te vervult. Vb. een aandrijfsysteem, een draagstructuur, een stuurinrichting, een voeding in een elektrische toestel, een dak… Een deelsysteem kan op zijn beurt bestaan uit kleinere deelsystemen. Onderaan de schakel vinden we alleen onderdelen. - 10 -
2.3
Effectenonderzoek
2.3.1
Kenmerken van het effectenonderzoek
Het duiden van effecten van techniek hoeft niet altijd zeer uitgebreid aan bod te komen. Af en toe en vanaf het secundair onderwijs is het zeker nuttig om de effecten van techniek grondig in kaart te brengen. In het practicum ‘effectenonderzoek’ onderzoeken leerlingen effecten van technische ontwikkelingen op mens/maatschappij en milieu. Er worden ook suggesties gedaan voor bijsturing van de techniekontwikkeling of de maatschappelijke context.
2.3.2 Stap Stap Stap Stap Stap
2.3.3 •
Stappenplan voor practicum effectenonderzoek 1) 2) 3) 4) 5)
Onderzoeksvraag Verkenning van de techniek Inschatten van de gevolgen op maatschappij Beoordelen van de gevolgen Voorstellen voor bijsturing
Leeractiviteiten bij het practicum effectenonderzoek
Stap 2: verkenning van de techniekontwikkeling: Leerlingen verzamelen informatie over de techniek. Er wordt bvb. een collage of webschema opgesteld over de techniek. …..
•
Stap 3: inschatten van de gevolgen Leerlingen zoeken op: welke bevolkingsgroepen, (sub)culturen, regio’s of landen zijn betrokken bij het gebruik en/of de effecten van de techniek? (sociale kaart) Leerlingen zoeken zo veel mogelijk effecten van de technologie op en dit op verschillende terreinen: sociaal, milieu, economie, vrede en veiligheid, individu of maatschappij. Er is een verschil tussen nadelen of voordelen die op de korte termijn ontstaan en nadelen of voordelen die pas na langere tijd ontstaan, bijvoorbeeld na een wisselwerking met andere elementen).
•
Stap 4: beoordelen van de gevolgen Leerlingen proberen een positief of negatief oordeel te vellen over de gevonden effecten. Dit gebeurt niet zomaar: er wordt rekening gehouden met de ernst van de gevolgen, bepaalde principes en morele deugden.
•
Stap 5: Voorstellen voor bijsturing Leerlingen doen voorstellen om negatieve gevolgen uit te sluiten of te beperkten. Wat moet er aan de techniek zelf veranderen? Moet het gedrag van mensen veranderen? • • • • • • •
Moeten mensen meer informatie krijgen? Hoe kunnen betere keuzes mogelijk gemaakt worden (aanbod, betaalbaarheid…)? Hoe kan beter gedrag aangemoedigd worden (bewust maken, kostprijs van keuzes beïnvloeden…)? Hoe kunnen grotere groepen mensen betrokken worden: gezamenlijke actie via bvb. verenigingen opzetten…. Hoe kunnen goede voorbeelden gegeven worden: bijvoorbeeld in overheidsdiensten? Welke afspraken, regels en wetten moeten gemaakt worden? Moeten er aanpassingen aan infrastructuur, voorzieningen gebeuren? - 11 -
2.4
Behoeftenonderzoek
Dit practicum is gericht op het onderzoeken van behoeften ter ondersteuning van het ontwerpen. Deze activiteit kan apart uitgevoerd worden of als eerste stap van het ontwerpen.
3 Techniek hanteren 3.1
Ontwerpen
3.1.1
Kenmerken van het practicum ontwerpen
Dit practicum gericht op het ontwerpen van een technisch systeem waarbij rekening gehouden wordt met behoeften en beperkingen van mens/maatschappij/milieu en de beschikbare hulpmiddelen. Afhankelijk van de situatie en de noden kan het ontwerpproces ondersteund worden door wetenschappelijke inzichten van diverse aard. Voorbeeld: ontwerpen van een grondplan van een woning, ontwerpen van een maquette van een bijgebouw, het ontwerpen van een vaartuig, een brug, een gezond ontbijt, een kledingstuk ….
3.1.2 Stap Stap Stap Stap Stap
3.1.1
Stappenplan voor het practicum ontwerpen 1) 2) 3) 4) 5)
De behoefte onderzoeken Waarmee moet je rekening houden? Oplossingen zoeken en kiezen Een model of prototype maken Het ontwerp evalueren/bijsturen
Leeractiviteiten bij het practicum ontwerpen
Bij het ontwerpen een technisch systeem komen meestal volgende aspecten aan bod: -
ontwerpopdracht onderzoeken om de vereisten te bepalen (stap 1&2): behoeften, beperkingen, beschikbare hulpmiddelen, normen en criteria, …
-
stap 3: genereren van verschillende oplossingen voor alle onderdelen van het ontwerpprobleem; ideeën met woorden en/of met schetsen en modellen visualiseren;
-
kiezen en verder uitwerken van oplossingen zodat een ontwerp ontstaat;
-
stap 4: een verzorgde tekening, proefmodel, prototype of recept maken met geschikt materiaal om het ontwerp verder te optimaliseren en te presenteren;
-
stap 5: evalueren of het ontwerp aan de vereisten voldoet.
3.1.2
Didactische mogelijkheden bij een practicum ontwerpen Leerdoel: mogelijke ontwerpactiviteiten
Stap 1: behoefte onderzoeken
Voorbeelden of aandachtspunten bij de leerdoelen
Via een verhaal wordt een probleemstelling omschreven. Het verhaal beschrijft een levensechte situatie. Om het probleem op te lossen moet er een technisch systeem ontworpen worden. Het verhaal moet noodzakelijke gegevens bevatten maar kan ook minder belangrijke elementen bevatten.
De moeilijkheid van het behoeftenonderzoek bij het ontwerpen kan afhangen van de relationele ‘nabijheid’ van de opdrachtgever: ontwerpen voor jezelf, ontwerpen voor iemand die je goed kent, ontwerpen voor een vreemd persoon, ontwerpen voor een doelgroep die je goed kent, ontwerpen voor een doelgroep die je helemaal niet kent.
- 12 -
Mogelijkheden om de behoeften te onderzoeken: Afleiden uit een tekst of verhaal waarin het behoefteprobleem verhaald wordt. Bevragen van de persoon of groep voor wie de oplossing bestemd is (interview, enquête, ….). De -
Stap 2: waarmee moet je rekening houden = eisenprogramma (PVE)
moeilijkheidsgraad van de analyse in deze stap wordt ondermeer bepaald door: De complexiteit van het behoefteprobleem De complexiteit van de beperkingen Tegengestelde belangen bij de stakeholders (iedereen die gevolgen van het technisch systeem kan ondervinden) Diversiteit of homogeniteit in de doelgroep. Complexiteit van de marktsituatie waarin het systeem een succes moet worden (innovatie, bestaande, verzadigde behoeften, gewijzigde behoeften, nieuwe behoeften prikkelen)
Het eisenprogramma is het geheel van eisen waarmee de ontwerper rekening moet houden. Het eindontwerp moet steeds kunnen geëvalueerd worden vanuit deze eisen. De eisen worden afgeleid vanuit een grondige analyse van het behoeftenprobleem. Overzicht van mogelijke eisen: eisen vanuit de klant of gebruiker klantwensen (budget, levensduur, …) gebruiksfuncties. technische eisen functionaliteit kwaliteit veiligheid betrouwbaarheid technische duurzaamheid onderhoudbaarheid economische eisen prijs van het ontwerp winst die kan gerealiseerd worden met het ontwerp bio-ecologische eisen ecologische duurzaamheid (uitputting van grondstoffen vermijden) afvalproblematiek gezondheid (hygiëne, schadelijke toevoegingen in het product, …) sociale en ethische eisen maatschappelijke betekenis van het ontwerp (vb. gemeenschapszin bevorderend) ethische aanwending van het product maatschappelijke en sociale betrokkenheid van grondstofleveranciers (vb. respect voor sociale regels, arbeidsomstandigheden, …. eerlijke verhandeling van grondstoffen eisen vanuit de omgeving materiaaleisen levensduur veiligheid ergonomie milieueisen i.v.m. materiaalgebruik, verantwoorde productie, recycleerbaar wettelijke voorschriften esthetische eisen politieke eisen omgevingscondities. beheer: . afmetingen, gewicht, verpakking, vervoer en installatie. - 13 -
eisen vanuit produceerbaarheid realiseerbaarheid via productieprocessen aanwezigheid van productiefaciliteiten gewenste productaantallen esthetische eisen het betekenisgevend aspect het stilistisch aspect
Stap 3: oplossingen zoeken en kiezen
eisen van ruimte en tijd planningsaspecten Onderstaande acties zijn niet steeds opeenvolgend en kunnen door elkaar heen lopen. 3.1 Inspiratie verzamelen Bestaande systemen die aan gelijkaardige probleemstellingen voldoen onderzoeken: het systeem zelf, afbeeldingen ervan, documentatie erover, handleidingen…. Hier gaat het ondermeer over het bepalen van de deelfuncties, de gebruikte hulpmiddelen, de gebruiksaspecten, de afwerkingstechnieken, specifieke werkingsprincipes, veiligheidsaspecten…….(zie items ‘systeemonderzoek’). Door analyse van goede praktijkvoorbeelden van leerlingen/studenten die de opdracht reeds gedaan hebben. Hier kan een bespreking aan gekoppeld worden rond de gebruikte materialen, technieken, modellering….. Systemen onderzoeken die bepaalde deelaspecten van het probleem oplossen of interessante invalshoeken genereren (vb. een specifieke afwerkingstechniek, energiebron, werkingsprincipe…..) De context (sfeer, typische technische systemen, belangstellingsgebieden van de doelgroep…) verkennen (vb. een sfeerlamp ontwerpen die past in een kinderkamer). Inspiratie-elementen kunnen beschreven worden op de volgende manieren: ideeën beschrijven of tekenen in een boekje of werkblad. Binnen een groep leerlingen ideeën uitwisselen en ideeën door anderen laten toevoegen. Ideeën verder ontwikkelen door te experimenteren met materialen. Een stemmingsbord maken. Zo’n bord is een collage van beelden en inspiratie-elementen die passen bij het te realiseren ontwerp (vb. originele invalshoeken). 3.2 Vastleggen van het CONCEPT Vanuit het eisenprogramma en eerste inspiratie-elementen de grote lijnen van het ontwerp beschrijven, berekenen, schetsen, verbeelden.
- 14 -
3.3 Functies uitwerken en documenteren Verder in detail nagaan wat het systeem moet kunnen of waarvoor het moet dienen (hoofdfunctie) Nagaan wat het systeem nog allemaal moet kunnen (=deelfuncties) om de hoofdfunctie optimaal te laten verlopen. Voor alle deelfuncties een aantal verschillende oplossingen bedenken (ideeën kunnen in woorden, in schetsen, schema’s, tekeningen, in beelden….. weergegeven worden). Documentatie verzamelen over het ontwerpproces (tekeningen, foto’s…) 3.4 Creativiteitstechnieken toepassen om ideeën te genereren Aan de hand van creativiteitstechnieken het genereren van ideeën versterken. Hiervoor gebruik maken van de feedback van derden: Medeleerlingen Doelgroep Experten (leerkrachten, ouders, technici, oudere leerlingen….) Ook sterktes en zwaktes van tussentijdse ontwerpen kunnen in groep besproken worden. 3.5 Hulpmiddelen onderzoeken Informatie opzoeken (vb. in documentatie, controlelijsten….) over eigenschappen van hulpmiddelen (materialen, ….) die kunnen gebruikt worden in het ontwerp (of deze onderzoeken dmv testen—liefst op voorhand). 3.6 Oplossingen kiezen Zelf keuzes maken om vanuit de ideeën tot één (of meerdere) ontwerpen te komen. Creativiteitstechnieken (selectietechnieken) gebruiken om tot goede keuzes te komen. Bepaalde keuzes testen, berekenen, simuleren…. Stap 4: een prototype maken
Nadenken over materialen, middelen en methode. De hulpmiddelen om het prototype te maken bepalen en voorbereidenlaarleggen, nadenken over de werkwijze van het maakproces, de stappen omschrijven die ze reeds gedaan hebben en nog moeten doen, de werkpost organiseren, de kwaliteitseisen bepalen, veilig maken.
Stap 5: het model testen en evalueren
Het eigen prototype of proefmodel testen en evalueren. Hiervoor gebruik maken van het eisenprogramma, testmethoden, presentatietechnieken en de feedback van derden: Medeleerlingen Doelgroep (voor wie het ontwerp bestemd is) Experten (leerkrachten, ouders, technici, oudere leerlingen….) Vaktaal en woordenschat voor een evaluatie gebruiken. Voorstellen doen voor het verbeteren van het prototype en de aanpassingen doorvoeren. Ontwerpen van anderen evalueren en voorstellen doen voor verbetering.
- 15 -
Een sjabloon gebruiken om de ontwerpstappen van de leerlingen te documenteren. Evalueer elke stap in het ontwerpproces tegenover de vooropgestelde criteria.
3.2
Maken: productief practicum
3.2.1
Kenmerken van het productief practicum
Dit soort practicum vinden we veel in het klassieke technisch onderwijs. Practicum gericht op het gecontroleerd voortbrengen van een product/systeem/omgeving9 vertrekkende van een gegeven ontwerp en vastgelegde eisen. Er is aandacht voor het voorbereiden en het voortdurend verbeteren van het maakproces (5M’s: mens-middelen-methode-materiaalmilieu). Het maakproces verloopt onder strikte voorwaarden rond veiligheid, kwaliteit, ergonomie, …
3.2.1 Stap Stap Stap Stap Stap
Stappenplan productief practicum 1) 2) 3) 4) 5)
3.2.2
opdracht analyseren: wat moet je maken? werkvoorbereiding: hoe, waar, wanneer en met wie maak je dat? uitvoering: je maakt/produceert het producttest: is het resultaat goed? procesevaluatie: is er goed gewerkt?
Leeractiviteiten bij het productief practicum
Het maken van een technisch systeem door een aantal stappen te volgen. Het maakproces wordt verrijkt door het simuleren van levensechte maakprocessen zoals bijvoorbeeld industriële productiewijzen en –organisatievormen. -
Stap 1: maakopdracht analyseren: bijv. lezen van een eenvoudig constructieplan, stuklijst, receptuur, kwaliteitseisen, ….
-
Stap 2: werkvoorbereiding: bijv. vastleggen of onderzoeken van de werkwijze en de te gebruiken hulpmiddelen, plannen van de uit te voeren activiteiten, …
-
Stap 3: uitvoeren: stapsgewijze en gecontroleerd maken of cultiveren rekening houdend met kwaliteit, veiligheid, ergonomie, milieu;
-
Stap 4: testen van het eindproduct op basis van de vooropgestelde kwaliteitseisen;
-
Stap 5: nadenken over voortdurend verbeteren van het maakproces; eigen werkwijzen vergelijken met die van anderen.
3.2.3
Stap 1: de maakopdracht analyseren
Vakdidactische aandachtspunten bij het productief practicum Leerdoel: mogelijke ontwerpactiviteiten
Aandachtspunten voorbeelden
Lezen van een technische schets of tekening, schema, receptuur…. Nagaan van de opgelegde kwaliteitseisen. Nagaan hoe de kwaliteitseisen moeten gemeten, gecontroleerd en getest worden.
We denken na over WAT er moet gemaakt worden.
De kostprijs van het maakproces berekenen (kostprijs van de onderdelen, grondstoffen….)
9
of
Kwaliteitseisen zijn niet gelijk aan het eisenprogramma in een ontwerpopdracht. Werken met meetbare of testbare kwaliteitseisen (specificaties).
Omgeving: bedoeld wordt hier: het aanleggen van bvb. een tuin of landschap uitgaande van een bestaand ontwerp, het opzetten van teelt in de land- en tuinbouw… - 16 -
Stap 2: de werkvoorbereiding
Stap 3: uitvoeren
Middelen en Materiaal Een lijst met de benodigde hulpmiddelen raadplegen. Informatie opzoeken over de hulpmiddelen. Hulpmiddelen zoals materialen (grondstoffen) zelf kiezen. Hulpmiddelen zoals gereedschappen en meetapparaten zelf kiezen en toelichten. Methode Info verzamelen over de werkmethode en werkvolgorde via een demonstratie of geleide instructie. De werkmethode zelf of in groep kiezen en toelichten.. De werkvolgorde zelf of in groep bepalen (werkmethode en werkvolgorde). De productievorm bepalen/voorbereiden: Individueel stukwerk Serieproductie Productieteams Een flowchart maken van de werkvolgorde. De werkvoorbereiding in de opdracht vergelijken met werkwijzen in productiebedrijven. Mens Nagaan welke bekwaamheden in de opdracht nodig zijn en linken aan beroepen. Informatie opzoeken over beroepen in productiebedrijven en productie-omgevingen. Milieu De werkposten bepalen en rekening houden met voldoende verlichting, verwarming, ventilatie, afvoer van afval, aanvoer van hulpmiddelen en grondstoffen
We denken na over HOE het systeem kan gemaakt worden. Rekening houden met de 5 procesparameters
Persoonlijke hygiëne en veiligheidsmaatregelen nemen alvorens te starten met de maakopdracht.
Bijv. handen wassen, ringen uitdoen, beschermende kledij aandoen….
Werkpost organiseren. De nodige zones aanbrengen in de werkpost. Veiligheidsafstanden afbakenen rond gevaarlijke zones.
Bijv. zones voor aanvoer en afvoer, koude en warme zone (keukens), stofarme ICTzone, soldeerzone….
Kwaliteitscontrole op de gebruikte hulpmiddelen zoals grondstoffen.
Houdbaarheidsdatum, beschadigingen, afmetingen, vlakheid, rechtheid, samenstelling….
- 17 -
-
Materiaal Middelen Methode Mens Milieu
De maakopdracht stap voor stap uitvoeren rekening houdend met kwaliteit, veiligheid, hygiëne, ergonomisch gebruik van hulpmiddelen, efficiënte werkmethoden, een aangepaste werkomgeving (licht, temperatuur, verluchting…) Voor elke stap in het maakproces de kritische punten verwoorden (veiligheid, kwaliteit). Waar nodig tussentijdse controles en tests uitvoeren op de gebruikte hulpmiddelen of het technisch systeem dat gemaakt wordt.
De zogenaamde 5 M’s: materiaal, middelen, methode, milieu, mens.
De productie laten verlopen volgens Individueel stukwerk Seriewerk (met aandacht voor opbouw en organisatie op de productielijn, verdeling van de productietaken…) Productieteams Stap 4: producttest
De kwaliteitseisen (zie stap 1) van het gemaakte technische systeem testen. De benodigde testtoestellen kiezen, gebruiken, afstellen of zelf maken. Informatie opzoeken over testen die uitgevoerd worden in productiebedrijven.
Stap 5: procesevaluatie
Nadenken over het verloop van het maakproces: is er goed gewerkt? Over de invloed van het gebruikte materiaal op het eindresultaat en het maakproces. Over de invloed van het menselijk handelen op eindresultaat en maakproces. Over de invloed van de gebruikte hulpmiddelen. Over de gebruikte methode Over de invloed van de maakomgeving: milieu Zelf of in groep de 5 M’s analyseren door middel van bvb. een visgraatdiagramma10. Nadenken over het nut van kwaliteitsopvolging in een productieproces en vergelijkingen maken met werkwijzen in bedrijfsindustriële productieomgevingen.
10
Te hard hout, de gebruikte schroeven waren niet geschikt. Nauwkeurigheid, tempo, inzet… Geschiktheid van apparaten (handboor versus kolomboor, garde of mixer, …. Vb. voorboren of niet, gebruik van lijmklemmen, … Vb. verlichting, verwarming, aanwezig stof bij het schilderen...
Geldt als voorbeeld van een analyse-instrument uit de kwaliteitszorg. Een visgraatdiagramma helpt om de oorzaken voor bepaalde gevolgen te analyseren. In dit geval de invloed van procesparameters op het productieresultaat waarbij we hier vooral oog hebben voor kwaliteit. - 18 -
3.3
Gebruiken en onderhouden
3.3.1
Instrumenteel practicum
Dit practicum is gericht op het gebruiken van technische systemen en is gericht op het het verwerven van gebruikscompetentie. Bij dit practicum is demonstratie en het geven van informatie over een ergonomisch en veilig gebruik heel belangrijk. Een typisch hulpmiddel is de handleiding. Voorbeelden: het leren werken met tangen, soldeerbout, drukpers, computer, fornuis, .…
3.3.1
Gebruiks- en onderhoudsproblemen
Gebruiks- en onderhoudsproblemen kunnen een ietwat onduidelijk profiel hebben: een defect herstellen, een product onderhouden, een diagnose stellen…. Het zijn niet echt ontwerpproblemen, niet echt onderzoeksproblemen, niet echt maakopdrachten….Dit soort probleemoplossing kan dan ook benaderd worden via een minder geprofileerd stappenplan. Er is aandacht voor het identificeren van het problemen door het opsplitsen in deelproblemen, vergelijking met probleemsituaties waarvoor men oplossingen heeft, transformeren van de probleemsituatie naar situaties waarvan men de oplossing kent, controleren en evalueren van de gekozen oplossingen. Mogelijk stappenplan voor het benaderen van gebruiks- en onderhoudsproblemen: 1) probleemstelling onderzoeken 2) oplossingen zoeken en kiezen 3) uitvoeren 4) testen 5) evalueren Voorbeelden: leerlingen zoeken een storing in een elektrische kring, een moeilijk te demonteren schroef loskrijgen, een batterij vervangen in een toestel, een alarm programmeren…. Naargelang de aard van de probleemstelling kunnen acties uit de stappenplannen voor onderzoeken, ontwerpen of maken gebruikt worden om het practicum te verrijken.
4 Validering Voornaamste bronnen: •
• •
Hantson, P. en Van de Velde, D. (2009). Vakdidactiek technologische opvoeding 1. Gent. Arteveldehogeschool. Dit werk omvat talloze referenties die benut werden om tot dit nieuwe synthesedocument te komen met onder andere studies over diverse internationale curricula (USA, UK, Frankrijk, Nieuw Zeeland…), publicaties, tijdschriften en bijdragen op gespecialiseerde congressen… The New Zeeland curriculum. (2009) Technology Curriculum Support: Strategies for Engaging Students. Internet: www.techlink.org.nz/curriculum-support/strategies. Van Dijk, G. (2009) Ontwerpen met handen en hoofd. Ecent. Internet: www.ecent.nl
Dit document werd in de loop van december 2009 nagelezen, becommentarieerd en aangevuld door volgende personen: Peter Hantson, lector technologische opvoeding Arteveldehogeschool Gent Bart Huyghe, lector technologische opvoeding Arteveldehogeschool Gent Daniel De Vriendt, Pedagogisch adviseur SO begeleidingsdienst Gemeenschapsonderwijs Katrijn Pools, lector technologische opvoeding Arteveldehogeschool Gent Kaat Cuvelier, leekracht basisonderwijs en interne techniekcoach TOS21-experimenteerschool Benedictuspoort Gent Stephanie Verzelen, oud-studente technologische opvoeding Arteveldehogeschool Gent Sofie Bosch en Maaike Dewulf, studenten technologische opvoeding Arteveldehogeschool Gent 2009-2010
- 19 -
