Μετάφραση από Θοδωρής Πιερράτος (Theodoros Pierratos)

Το ολοκληρωμένο μαύρο κουτί Η εικόνα προσφέρθηκε από Ľudmila Onderová

H Ľudmila Onderová από το Πανεπιστήμιο PJ Šafárik, Košice, στη Σλοβακία, μας εισάγει στη χρήση των μαύρων κουτιών στην τάξη της φυσικής.

Η ιδέα που βρίσκεται πίσω από τη χρήση ενός μαύρου κουτιού στην τάξη είναι να προσπαθήσουν οι μαθητές να προσδιορίσουν το περιεχόμενό του – το οποίο έχει προετοιμαστεί εκ των προτέρων από το δάσκαλο- χωρίς να το ανοίξουν. Αφού προσδιορίσουν πειραματικά τι υπάρχει στο εσωτερικό, οι μαθητές μπορούν να ανοίξουν το κουτί για να επιβεβαιώσουν τις υποθέσεις τους. Παρακάτω περιγράφεται ένα παράδειγμα του πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα μαύρο κουτί για τη διδασκαλία ηλεκτρικών κυκλωμάτων, σε μαθητές 15-18 ετών. Πάντως υπάρχουν πολλές πιθανές χρήσεις των μαύρων κουτιών μέσα στην τάξη και σε άλλες περιοχές της φυσικής^w1.

Έχω καλές εμπειρίες από τη χρήση αυτής της μεθόδου τόσο μέσα στην τάξη όσο και στην εκπαίδευση μελλοντικών δασκάλων φυσικής. Πολλοί δάσκαλοι δεν φαίνεται να είναι εξοικειωμένοι με αυτή, παρόλο που στην πραγματικότητα είναι παρόμοια με προβλήματα που πρέπει να λύσει κανείς στην καθημερινή ζωή.

Φτιάχνοντας το μαύρο κουτί

Υλικά Ένα πλαστικό σωληνάριο χαπιών (π.χ. αναβράζουσας βιταμίνης C) Ένα τρυπάνι Δύο κροκοδειλάκια (π.χ. τα άκρα των καλωδίων που συνδέουν τον ενισχυτή με τα ηχεία ενός στερεοφωνικού συστήματος ήχου) Ηλεκτρονικά εξαρτήματα (λόγου χάρη, αντιστάτες, πυκνωτές, δίοδοι, κτλ) που να χωράνε μέσα στο σωληνάριο Εύκαμπτα καλώδια. Διαδικασία Τρυπήστε τα δύο άκρα του σωληνάριου. Τοποθετήστε τα κροκοδειλάκια μέσα στις τρύπες. Συνδέστε τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα στα κροκοδειλάκια χρησιμοποιώντας τα καλώδια (δείτε την Εικόνα 2). Βάλτε τα όλα μέσα στο σωληνάριο και κλείστε το.

Εικόνα 1: Υλικά που απαιτούνται για το μαύρο κουτί Εικόνα 2: Κατασκευή ενός μαύρου κουτιού Εικόνα 3: Το ολοκληρωμένο μαύρο κουτί Οι εικόνες προσφέρθηκαν από Ľudmila Onderová

Ένα καπάκι που ανοιγοκλείνει και εύκαμπτα καλώδια καθιστούν εύκολο να τοποθετήσουμε τα εξαρτήματα και το κύκλωμα μέσα στο μαύρο κουτί. Θα πρέπει να εξασφαλίσετε ότι η σύνδεση των διάφορων στοιχείων μέσα στο κουτί είναι απλή και εύκολο να προσδιοριστεί από τους μαθητές. Η εξωτερική εμφάνιση του κουτιού εξαρτάται από εσάς: εγώ τυλίγω τα σωληνάρια με ένα φύλλο μαύρο χαρτί.

Μπορείτε να φτιάξετε μαύρα κουτιά διαφορετικής περιπλοκότητας – μερικά από αυτά περιλαμβάνουν ένα μόνο ηλεκτρονικό εξάρτημα (αντιστάτη, πυκνωτή, δίοδο, πηνίο, κτλ), άλλα περιλαμβάνουν διάφορα εξαρτήματα που συνδέονται για να σχηματίσουν απλά κυκλώματα (δείτε την εικόνα 4).

Πειράματα με μαύρα κουτιά

Αφού οι μαθητές διδαχθούν τις βασικές έννοιες των συνεχών και εναλλασσομένων ηλεκτρικών κυκλωμάτων, μπορούν να αρχίσουν να πειραματίζονται με μαύρα κουτιά ώστε να εφαρμόσουν ό,τι έχουν μάθει για να λύσουν ένα πρακτικό πρόβλημα. Τους δίνουμε υλικά (παρατίθενται παρακάτω) που θα χρησιμοποιήσουν για να προσδιορίσουν κάθε στοιχείο που περιέχεται στο μαύρο κουτί. Τους πληροφορούμε εκ των προτέρων για όλες τις πιθανές διατάξεις μέσα στα κουτιά. Στην πρώτη φάση, κάθε ομάδα μαθητών λαμβάνει πέντε μαύρα κουτιά που περιέχουν ένα μόνο ηλεκτρονικό στοιχείο σε κάθε κουτί. Στην επόμενη φάση (όχι απαραίτητα στο ίδιο μάθημα), λαμβάνουν οκτώ μαύρα κουτιά με απλή ή πιο περίπλοκη διάταξη στο εσωτερικό του καθενός. Σκοπός τους είναι να βρουν τα περιεχόμενα χρησιμοποιώντας την εμπειρία τους και έναν αλγόριθμο που αναπτύσσουν για την ανάλυση των κουτιών.

Υλικά για κάθε ομάδα

Εικόνα 4: Ηλεκτρικά κυκλώματα που περιέχονται μέσα στα μαύρα κουτιά. Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση Η εικόνα προσφέρθηκε από Ľudmila Onderová

Πέντε αριθμημένα μαύρα κουτιά που περιέχουν μεμονωμένα ηλεκτρονικά στοιχεία (αντιστάτη, πηνίο, πυκνωτή, δίοδο, μονωτή) Οκτώ αριθμημένα μαύρα κουτιά που περιέχουν τόσο απλά όσο και πιο περίπλοκα κυκλώματα (δείτε την Εικόνα 4) Καλώδια Ένα αμπερόμετρο Ένα βολτόμετρο

• Μία πηγή συνεχούς και εναλλασσόμενης τάσης


• Ένα σκίτσο με όλες τις πιθανές διατάξεις στο εσωτερικό του κουτιού.

Διαδικασία

1. Χωρίστε τους μαθητές σε ομάδες 2-3 ατόμων.


2. Μοιράστε όλα τα υλικά.


3. Οι μαθητές έχουν στη διάθεσή τους 30 λεπτά για να μετρήσουν τα πέντε απλά κουτιά και να προσδιορίσουν το περιεχόμενό τους.


4. Κάθε ομάδα αναφέρει τα αποτελέσματά της.


5. Συγκρίνετε τα αποτελέσματα και επιβεβαιώστε ανοίγοντας τα κουτιά.


6. Εάν η υπόθεση ήταν λανθασμένη, προσδιορίστε την αιτία του λάθους. Σύμφωνα με την εμπειρία μου οι μαθητές έχουν ποσοστό επιτυχίας 80%. Συνήθως δυσκολεύονται να ξεχωρίσουν ένα πηνίο από έναν αντιστάτη καθώς συνήθως ικανοποιούνται με την ανακάλυψη ότι το κουτί διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα και δεν αναλύουν την τιμή του.


7. Προσπαθήστε να αναπτύξετε το βέλτιστο αλγόριθμο για να προσδιορίσετε τα στοιχεία μέσα στο κουτί. Ένας πιθανός αλγόριθμος θα μπορούσε να είναι ο εξής:
   1. Σχηματίστε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από ένα μαύρο κουτί, μία πηγή τάσης, ένα αμπερόμετρο και ένα βολτόμετρο.
   2. Χρησιμοποιήστε μια πηγή συνεχούς τάσης, φτιάξτε το κύκλωμα, μετρήστε το ρεύμα και την τάση και καταγράψτε τα αποτελέσματα.
   3. Αλλάξτε την πολικότητα της συνεχούς πηγής, μετρήστε το ρεύμα και την τάση ξανά, καταγράψτε τα αποτελέσματα και συγκρίνετέ τα με τα προηγούμενα.
   4. Χρησιμοποιήστε μία πηγή εναλλασσόμενης τάσης, μετρήστε το ρεύμα και την τάση και συγκρίνετε τα αποτελέσματα με τις προηγούμενες δύο μετρήσεις.
   5. Κάντε μία υπόθεση σχετικά με τη δομή του μαύρου κουτιού.
   6. Επιβεβαιώστε την υπόθεση κάνοντας επιπλέον μετρήσεις.
   7. Προσδιορίστε τα περιεχόμενα του μαύρου κουτιού.


8. Στη συνέχεια, οι μαθητές έχουν 40 λεπτά για να προσδιορίσουν τα περιεχόμενα των οκτώ απλών και περίπλοκων κουτιών.


9. Επαναλάβετε την ίδια μέθοδο αξιολόγησης. Σύμφωνα με την εμπειρία μου, οι μαθητές βρίσκουν πιο δύσκολο αυτό το εγχείρημα και δεν μπορούν όλες οι ομάδες να προσδιορίσουν τα περιεχόμενα όλων των κουτιών στο χρόνο που τους δίνεται. Το ποσοστό επιτυχίας είναι επίσης μικρότερο, περίπου 70%. Εξακολουθεί ακόμη να είναι ένα καλό αποτέλεσμα, το οποίο πιθανό δεν θα είχε επιτευχθεί εάν οι μαθητές επιχειρούσαν να λύσουν το πρόβλημα μόνοι τους, παρά σε ομάδες.

Στο δεύτερο τεστ, οι μαθητές φαίνεται να έχουν προβλήματα όχι με τον προσδιορισμό απλών στοιχείων, αλλά με τον προσδιορισμό πιο περίπλοκων κυκλωμάτων και να διαχωρίσουν έναν αντιστάτη, ένα θερμίστορ και μία λάμπα. Χρειάζεται να εφαρμόσουν τις θεωρητικές τους γνώσεις και πρέπει να αντιληφθούν ότι είναι αναγκαίο να μεταβάλλουν την τάση και ουσιαστικά να σχεδιάσουν έναν διάγραμμα ώστε να είναι ικανοί να προσδιορίσουν τα στοιχεία μέσα στο κουτί σωστά.

Τι κερδίζουν οι μαθητές από αυτά τα πειράματα;

Η ενασχόληση με τα μαύρα κουτιά είναι ένα ελκυστικό εγχείρημα για τους μαθητές για να ελέγξουν τις γνώσεις τους και να απολαύσουν την επιτυχία τους. Μερικοί προσπαθούν ακόμη να βρουν επιπλέον ευκαιρίες για να χρησιμοποιήσουν αυτή τη μέθοδο για να διδαχθούν μόνοι τους φυσική. Το πιο σημαντικό είναι ότι οι μαθητές μαθαίνουν να χρησιμοποιούν μια συστηματική μέθοδο έρευνας. Το πείραμα του μαύρου κουτιού ενθαρρύνει τους μαθητές να θέσουν και να απαντήσουν στις δικές τους ερωτήσεις, να διατυπώσουν τις προβλέψεις τους, να ελέγξουν τις υποθέσεις τους και να παρουσιάσουν τα αποτελέσματά τους στους συμμαθητές τους. Μία τέτοια ενεργή μέθοδος βοηθάει επίσης στην καλύτερη κατανόηση της επιστήμης. Επιπλέον, αυτός είναι ένας καλός τρόπος για να λύσεις προβλήματα της πραγματικής ζωής, για παράδειγμα πώς μπορείς να λειτουργήσεις μια συσκευή (μαύρο κουτί) όταν έχεις χάσει το εγχειρίδιο χρήσης.

Ένα κρίσιμο σημείο στο σχεδιασμό του εγχειρήματος είναι η ποσότητα πληροφορίας που δίνεται σχετικά με τις πιθανές διατάξεις του εσωτερικού του κουτιού. Ο καθηγητής πρέπει να εξασφαλίσει ότι οι μαθητές έχουν ικανοποιητικές γνώσεις από προηγούμενα μαθήματα και να τους παράσχει ξεκάθαρες οδηγίες για το τι πρέπει να κάνουν. Λιγότερες οδηγίες προωθούν περισσότερο τη δημιουργική σκέψη, αλλά αν δεν δοθεί ικανοποιητική ποσότητα πληροφορίας μπορεί οι μαθητές να αισθανθούν ότι δεν μπορούν να ανταπεξέλθουν και να χάσουν το ενδιαφέρον τους.

Αναφορές στο διαδίκτυο

w1 – Για περισσότερα παραδείγματα για τη χρήση μαύρων κουτιών στη διδασκαλία της φυσικής, δείτε:

Το οπτικό μαύρο κουτί στο δικτυακό τόπο της Ολυμπιάδας Επιστημών (www.physics.uwo.ca/science_olympics) ή εδώ: http://tinyurl.com/kkbze6

Το μυστήριο του μαύρου κουτιού στο δικτυακό τόπο της Ολυμπιάδας Επιστημών (www.physics.uwo.ca/science_olympics) ή εδώ: http://tinyurl.com/kwc6jx

Δύο πειράματα με μαύρα κουτιά (ερώτηση πειραματικού προβλήματος στο IphO 2004 και 2002 ερώτηση 2 πειραματικού προβλήματος στο IphO) στο δικτυακό τόπο της Διεθνούς Ολυμπιάδας Φυσικής www.jyu.fi/ipho

‘Αρχιμήδης: Ένα Εργαστήριο Μηχανικής με Μαύρα Κουτιά’ στο δικτυακό τόπο του Πανεπιστημίου Colgate, στις ΗΠΑ: http://departments.colgate.edu/physics/research/PhysicsEd/labs.htm

Πηγές

Για περισσότερα παραδείγματα της χρήσης διερευνητικών μεθόδων στην τάξη των φυσικών επιστημών, δείτε:

Tifi A, Natale N, Lombardi A (2006) Scientists at play: teaching science process skills. Science in School 1: 37-40. www.scienceinschool.org/2006/issue1/play

Tifi A, Natale N, Lombardi A (2006) Επιστήμονες επί τω έργω: μηχανισμοί που αναπτύσσουν τις δεξιότητες της επιστημονικής μεθοδολογίας. Science in School 2. www.scienceinschool.org/2006/issue2/play/greek

Για περεταίρω διάβασμα πάνω στη χρήση των μαύρων κουτιών μέσα στην τάξη:

Amato JC, Williams RE, Helm H (1995) A “black box” moment of inertia apparatus. American Journal of Physics 63: 891-894.

Barney DM (1955) A “black box” laboratory assignment. American Journal of Physics 23: 546.

Burling RL (1957) Black boxes in the instructional laboratory. American Journal of Physics 25: 492.

Singh VA, Khaperde RB (2005) The mechanical black box: a challenge from the 35th International Physics Olympiad. Resonance, 10(4): 75-82. www.ias.ac.in/resonance/Apr2005/pdf/Apr2005Classroom2.pdf

Terry C (1995) Black-box electrical circuits. Physics Teacher 33: 386-387.

Η Ľudmila Onderová εργάζεται στο Ινστιτούτο Φυσικής, Τμήμα Θετικών Επιστημών, στο Πανεπιστήμιο PJ Šafárik στο Košice της Σλοβακίας, και είναι υπεύθυνη για την εκπαίδευση σχολικών δασκάλων φυσικής. Τα κύρια ενδιαφέροντά της αφορούν τα διαδραστικά πειράματα και δραστηριότητες που σκοπεύουν στην ανάπτυξη της δημιουργικότητας και δεξιοτήτων επεξεργασίας από τους μαθητές.