Επιστήμονες επί τω έργω: μηχανισμοί που αναπτύσσουν τις δεξιότητες της επιστημονικής μεθοδολογίας Teach article

Μετάφραση Θοδωρής Πιερράτος (Theodoros Pierratos). Στο δεύτερο από τα δυο άρθρα πάνω στην ανάπτυξη της μεθοδολογίας της διερεύνησης, της υπόθεσης και του ελέγχου, οι Alfredo…

Παίζοντας με γρανάζια

Για να ανακεφαλαιώσουμε, οι δεξιότητες της επιστημονικής μεθοδολογίας είναι θεμελιώδεις στην επιστήμη, επιτρέποντας στον καθένα να κάνει έρευνες και να καταλήγει σε συμπεράσματα. Είμαστε πεπεισμένοι ότι υπάρχει ένα σοβαρό εκπαιδευτικό κενό σε αυτό το σημείο, τόσο στο να φέρουμε αυτές τις δεξιότητες στην αίθουσα όσο και στο να εκπαιδεύσουμε τους καθηγητές να το κάνουν. Για να διευκολύνουμε την εισαγωγή των αρχών της επιστημονικής διερεύνησης στο σχολείο, αναπτύξαμε ένα σύνολο από εργαστηριακές δραστηριότητες για να χρησιμοποιηθούν στην πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Στο πρώτο από τα δυο άρθρα (Tifi κ.α., 2006), συζητήσαμε την ανάπτυξη αυτών των δραστηριοτήτων και περιγράψαμε παιχνίδια που περιλάμβαναν ‘μηχανές τρανσφόρμερ’. Παρακάτω περιγράφουμε μηχανισμούς – μαύρα κουτιά για να εμπνεύσουμε την εξερεύνηση, την διατύπωση υποθέσεων και τον έλεγχο τους.

Μηχανισμοί

Η αρχή πίσω από τους μηχανισμούς είναι παρόμοια με αυτή των λειτουργικών μηχανών που περιγράψαμε στο πρώτο άρθρο μας, αλλά αυτά είναι φυσικές μηχανές – μαύρα κουτιά που έχουν τουλάχιστον δυο εξωτερικά κινητά μέρη που δρουν ως είσοδος και έξοδος. Τα μέρη μπορεί να είναι έγχρωμα νήματα, περιστρεφόμενα κουμπιά ή στελέχη, ράβδοι ή μοχλοί στρέψης. Τα δυο μέρη συνδέονται μεταξύ τους διαμέσου ενός εσωτερικού μηχανισμού από γρανάζια, τροχαλίες και ιμάντες, τροχούς ή κομμάτια Technic Lego. Εναλλακτικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν καθημερινά αντικείμενα όπως  κύλινδροι –  ρόλερς που υπάρχουν σε στυλό διόρθωσης.

Οι μαθητές εξερευνούν τους μηχανισμούς και κάνουν πειράματα, χειρίζονται ένα από τα εξωτερικά μέρη (είσοδος) και παρατηρούν τη συμπεριφορά που προκύπτει (έξοδος) σε κάποιο άλλο εξωτερικό μέρος.

Μοντελοποιώντας γρανάζια

Γρανάζια και τροχαλίες μπορεί να έχουν δύο ή περισσότερους τροχούς ίδιας ή διαφορετικής διαμέτρου. Μπορούν να συνδεθούν χρησιμοποιώντας ένα απλό νήμα ή έναν ιμάντα, δημιουργώντας μια ευρεία συλλογή κρυμμένων μηχανισμών. Δείτε παρακάτω για ένα σχέδιο κατασκευής του μηχανισμού ταινίας.

Με ένα απλό καρούλι και δυο χρωματιστά νήματα τοποθετημένα σε αντίθετες κατευθύνσεις, όλα κρυμμένα μέσα σε ένα χάρτινο κουτί, μπορείτε να φτιάξετε μια μηχανή στην οποία το τράβηγμα ενός κόκκινου νήματος υποχρεώνει ένα λευκό νήμα στην αντίθετη πλευρά να τραβηχτεί στο εσωτερικό του. Εάν τα νήματα τυλιχτούν σε αντίθετες κατευθύνσεις πάνω σε δυο ομοαξονικά καρούλια πολύ διαφορετικών διαμέτρων, η έλξη και των δυο νημάτων προκαλεί τη μετακίνηση του ίδιου του κουτιού κατακόρυφα, ενώ το τράβηγμα ενός μόνο νήματος υποχρεώνει το άλλο νήμα να τραβηχτεί μέσα στο κουτί με διαφορετικό ρυθμό. Δείτε παρακάτω για ένα σχέδιο κατασκευής του μηχανισμού ανέλκυσης με νήματα.

Αυτές οι έρευνες ήταν οι πιο δημοφιλείς μεταξύ παιδιών Τετάρτης και Πέμπτης τάξης (ηλικίες 10-12 ετών): ιδέες μέσα στις “ερευνητικές ομάδες” (3-4 μαθητές) συζητήθηκαν και τα παιδιά αναζήτησαν με ενθουσιασμό για αποτελεσματικά μοντέλα, χρησιμοποιώντας κορδέλες, τροχούς, μολύβια σαν άξονες και χάρτινες λωρίδεςw1.

Ένα γκάτζετ για τη μητέρα

Όχι μόνο οι μαθητές παρατήρησαν προσεκτικά τη συμπεριφορά των μηχανών και κατέγραψαν τα πραγματικά γεγονότα, αλλά επίσης κατέληξαν σε συμπεράσματα, βελτίωσαν, διαφώνησαν και υπερασπίστηκαν  τα μοντέλα τους. Είχαν επίσης μια ισχυρά δημιουργική ανάγκη να φτιάξουν τα δικά τους πρωτότυπα των μοντέλων. Μια ομάδα χρησιμοποίησε την αρχή της μηχανής με τα νήματα για να φτιάξει όμορφα γκάτζετ για τις μητέρες τους, στα οποία διαφορετικές τρυφερές λέξεις εμφανίζονταν στην ίδια υφασμάτινη ζώνη,  ανάλογα με την πλευρά από την οποία η ζώνη τραβιόταν.

Ο χειρισμός αυτών των χειροπιαστών μηχανών ενθαρρύνει τη δημιουργία αναπαραστάσεων και την κιναισθητική αντίληψη, που και τα δυο είναι κρίσιμα για την ανάπτυξη επιστημονικής διαίσθησης και σκέψης. Επιπλέον, τα παιδιά αισθάνονται άνετα με αυτές τις έρευνες επειδή βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, αντιμετωπίζοντας μια εντελώς νέα εργασία με συμμαθητές ίσων ικανοτήτων. Αυτό βρίσκεται σε σαφή αντίθεση με τη χαμηλή αυτοεκτίμηση που έχουν συχνά τα παιδιά στα ανταγωνιστικά διδακτικά αντικείμενα. Δεν είναι ασυνήθιστο να βρεις παιδιά τα οποία ανταπεξέρχονται επιτυχώς και συμμετέχουν ενεργά σε αυτές τις μοντελοποιήσεις και τις δημιουργικές δραστηριότητες, αντίθετα με τις χαμηλές επιδόσεις τους στην παραδοσιακή σχολική εργασία.

Σχέδιο κατασκευής για το μηχανισμό ανέλκυσης με νήματα

Υλικά

  • Κουτί από χαρτόνι
  • Δυο κομμάτια δυνατού, χρωματιστού νήματος, μήκους 50-70 cm
  • Δυο κομμάτια συμπαγούς αφρού πολυστυρενίου κομμένα για να εφαρμόζουν στα απέναντι τοιχώματα του κουτιού, κάθε ένα με μια τρύπα στο κέντρο του
  • Ένας πλαστικός σωλήνας (για παράδειγμα από ένα στυλό) και ένας άξονα που θα τοποθετηθεί μέσα στον πλαστικό σωλήνα (ο τελευταίος έχει μήκος όσο απέχουν και οι απέναντι πλευρές του κουτιού και επιτρέπει στον εξωτερικό σωλήνα να γλιστράει και να περιστρέφεται ελεύθερα× ο σωλήνας είναι πιο κοντός από τον εσωτερικό άξονα ώστε να είναι ελεύθερος να περιστρέφεται από τη στιγμή που τοποθετείται στο κουτί)
  • Ένα καρούλι που μπορεί να τοποθετηθεί πάνω στο σωλήνα με τη μεγαλύτερη διάμετρο
  • Ένας ή δυο δίσκοι που μπορούν να προσαρμοστούν στον περιστρεφόμενο σωλήνα, ώστε να ελέγχει το τύλιγμα του νήματος
  • Δυο καρύδια.
Υλικά

 

Ενώνοντας το νήμα

 

Συναρμολογώντας το
μηχανισμό

 

Μέθοδος

Ο μηχανισμός σε λειτουργία
  1. Ανοίξτε έναν συνδετήρα και θερμάνετέ τον πάνω από μια φλόγα. Χρησιμοποιήστε την θερμή του άκρη για να κάνετε μια τρύπα στο πλαστικό καρούλι στο οποίο θέλετε να στερεώσετε το νήμα και όπου το νήμα θα τυλίγεται. Περάστε το νήμα μέσα από αυτή την τρύπα και στερεώστε την με έναν μεγάλο κόμπο.
  2. Ενώστε ένα ακόμη κομμάτι νήματος, δένοντάς το γερά κοντά στο κέντρο του σωλήνα.
  3. Φέρτε το καρούλι σχεδόν στο κέντρο του σωλήνα και τότε στερεώστε τον κόμπο με μια σταγόνα κόλας που στεγνώνει γρήγορα. Τα δυο νήματα θα πρέπει να τυλίγονται όσο πιο γρήγορα γίνεται κοντά στο κέντρο του σωλήνα.
  4. Εισάγετε το δίσκο στην αντίθετη πλευρά του μεγάλου καρουλιού (αυτό είναι προαιρετικό). Αν το αυλάκι του καρουλιού δεν είναι αρκετά βαθύ, χρησιμοποιήστε έναν άλλο δίσκο για να διαχωρίσετε τα δυο νήματα και να αποφύγετε να μπερδευτούν μεταξύ τους. Στερεώστε όλα τα κομμάτια γύρω από το σωλήνα με κόλα που στεγνώνει γρήγορα.
  5. Κόψτε 50-70 cm από το κάθε νήμα. Δημιουργήστε δυο στενές τρύπες στο κέντρο των δυο αντίθετων πλευρών του κουτιού σε ορθή γωνία ως προς τον άξονα περιστροφής, και περάστε τα νήματα μέσα από τις δυο τρύπες. Μόνο ένα νήμα πρέπει να τυλιχτεί εντελώς γύρω από τη θέση του. Δέστε δυο καρύδια στα ελεύθερα άκρα των νημάτων.
  6. Βάλτε τον άξονα μέσα στο σωλήνα και τοποθετήστε τον άξονα περιστροφής γύρω από τα δυο παραλληλόγραμμα από πολυστυρένιο, που βρίσκονται έξω από το κουτί.
  7. Τοποθετήστε το μηχανισμό μέσα στο κουτί, τραβώντας έξω τα νήματα ώστε να τα αφήσετε ελεύθερα να κινούνται μέσα και έξω. Κλείστε το κουτί και σφραγίστε το μόνο όταν είστε σίγουροι ότι δουλεύει καλά. Δώστε το τότε στα παιδιά!

Λειτουργία

Όταν και τα δυο νήματα τραβιούνται, το κουτί κινείται προς τα πάνω και προς το νήμα που τυλίγεται γύρω από τη μικρότερη τροχαλία. Μειώνοντας την δύναμη έλξης το κουτί πέφτει λόγω της βαρύτητας. Οι ρυθμοί εξαφάνισης και εμφάνισης των δυο νημάτων είναι ανάλογοι προς τη διάμετρο της τροχαλίας στην οποία είναι στερεωμένα.

Είναι επιθυμητό να ξεκινήσετε να παίζετε με μια παρόμοια μηχανή στην οποία η μεγάλη τροχαλία απουσιάζει και τα δυο νήματα τυλίγονται στο ίδιο καρούλι. Τα παιδιά θα επινοήσουν ένα απλούστερο μοντέλο. Έτσι θα είναι ευκολότερο για αυτά να μεταπηδήσουν στο μοντέλο των δυο τροχών.

Σχέδιο κατασκευής για το μηχανισμό ταινίας

Υλικά

 

Επανακολλήστε την ταινία
στον τροχό

 

Ο ολοκληρωμένος
μηχανισμός ταινίας

 

  1. Ανοίξτε μια παλιά κασέτα εγγραφής ταινίας.
  2. Ελευθερώστε το ένα άκρο της ταινίας, κόψτε το μεγαλύτερο μέρος της ταινίας, αφήνοντας 20-25 cm, και στερεώστε το ελεύθερο άκρο και πάλι στον τροχό.
  3. Κλείστε την κασέτα σε ένα κουτί, στερεώνοντάς τη με κολλητική ταινία.
  4. Ανοίξτε δυο μικρές τρύπες στο κουτί, οι οποίες αντιστοιχούν στους δυο τροχούς της κασέτας. Καλύψτε τα γρανάζια ώστε να μη φαίνονται από έξω και κλείστε το κουτί.
  5. Προσαρμόστε δυο κατάλληλα στυλό στα γρανάζια πίσω από τις τρύπες.

Αυτός ο μηχανισμός προβληματίζει ιδιαίτερα τα παιδιά και θα πρέπει να εισαχθεί μετά το απλό γρανάζι και τους μηχανισμούς με τροχαλίες. Ο μηχανισμός μπορεί να γίνει ακόμη πιο περίπλοκος αλλάζοντας τον ένα από τους δυο τροχούς με έναν μεγαλύτερο.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • Η Αμερικανική Ένωση για την Προώθηση των Επιστημών διατείνεται ότι βασικές έννοιες της επιστήμης πρέπει να δίνονται μέσα από το περιεχόμενο μιας αυθεντικής κατανόησης του πώς εργάζονται οι επιστήμονες για να καταλήξουν σε συμπεράσματα. Για παράδειγμα δείτε.

Author(s)

Ο Alfredo Tifi διδάσκει στο τεχνικό σχολείο E. Divini San Severino, Marche, MC, Ιταλία.

Η Natale Natale διδάσκει στο γυμνάσιο Caiatino, Chiazzo, CE, Ιταλία.

Η Antonietta Lombardi εργάζεται στο γραφείο εκπαίδευσης Bernalda, MT, Ιταλία.


Review

Το άρθρο αυτό διαπραγματεύεται τις επιστημονικές διαδικασίες μάθησης στο σχολείο, και το προτείνω σε όλους τους καθηγητές πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης. Υπάρχουν πρακτικές περιγραφές κατασκευής μαύρων κουτιών με κρυφά περιεχόμενα. Υπάρχουν καλά παραδείγματα διαφορετικών κουτιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από διαφορετικής ηλικίας μαθητές ανάλογα με την ικανότητά τους. Παρουσιάζονται φωτογραφίες που δείχνουν τα κουτιά και τα πειράματα για να βοηθήσουν τον καθηγητή να τα κατασκευάσει.


Sølve Marie Tegner Stenmark, Νορβηγία




License

CC-BY-NC-SA