A tudomány drámája Teach article

Fordította: Adorjánné Farkas Magdolna. Ugye élvezi a tudomány drámáját? A színeket, a szagokat, a szövevényes összefüggéseket?Érdemes követni Bernhard Sturm természettudomány-tanár javaslatait: hagyjuk, hogy a tanulóink még több drámát hozzanak be az osztályterembe,…

Joseph Wright of Derby, An
Experiment on a Bird in the
Air Pump
, 1768, olajfestmény
National Gallery, London, UK

The Yorck Project: 10.000
Meisterwerke der Malerei The
Yorck Project: 10.000
Meisterwerke der Malerei
szíves hozzájárulásával. A kép
forrása: Wikimedia Commons

A dráma a képzőművészet, a zene, és a sport elemeit is magába foglalhatja, fejleszti a tanulók kreativitását, növeli a fittségüket, és emellett érzelmi és esztétikai értékeket is közvetít. Mivel ez csoporttevékenység, fejleszti a tanulók kommunikációs és együttműködési képességét is. Miért ne használnánk akkor a drámát a természettudomány tanítása során?

Ez a cikk különböző dráma-alapú tevékenységeket ajánl, amelyek során fizikai és kémiai jelenségeket lehet eljátszani a tanítási órákon.

Kémia

Redoxi reakciók

A következő jelenettel meg tudjuk mutatni, hogy hogyan adja át az oxigén atomot az egyik fajta fém atomja egy másik fajta fém atomjának (Lavoisier alapján). A tanulók viseljenek háromféle színű polót, az oxigén és a két különböző fém atomjainak jelölésére (mindegyik színből azonos számú legyen). 8-10 fős csoportokban játszanak el egyszerű redoxi reakciókat, ahol a sztöhiometriai arány 1:1, például a CuO + Fe → Cu + FeO folyamatot, és azután mutassák be az egész osztálynak. A tanulóknak gyakran támadnak kreatív ötletei arra, hogy hogyan érzékeltessék a reakcióknál az aktivációs energiát és a kibocsátott energiát.

Kémiai kötés: a víz elektromos vezetőképessége (Grotthuss mechanizmus)

A Grotthuss mechanizmus eljátszása:
Piros: hidrogénatomok (térdelnek)
Kék: oxigénatomok (állnak) Behajlított karok/ lábak: nemkötő elektronpárok az oxigéntomban Kinyújtott karok/ lábak: kötő elektronpárok A pozitív töltés gyorsan végighalad a vízmolekula-sor jobboldali végétől (a H3O+) oxónium iontól) a baloldali végéig azáltal, hogy az elektronpárok átrendeződnek, így a vízmolekulákhoz egymás után kapcsolódik egy extra proton (H+).

Bernhard Sturm szíves hozzájárulásával

A következő jelenettel azt mutathatjuk be, hogy hogyan halad a vízen keresztül az elektromos áram. Bár a protonok nem mozdulnak el a helyükről, a pozitív töltés mégis keresztülhalad a vízen. A tanulók viseljenek kétféle színű pólót (2:1 arányban), az egyik színnel a hidrogénatomokat, míg a másik színnel az oxigénatomokat jelöljük. Rendezzük el egy sorban a vízmolekulákat: minden molekula két (térdelő) hidrogénatomot és egy (álló) oxigénatomot tartalmaz. Az oxigénatom érintse meg az egyik hidrogénatomot a jobb kezével, a másik hidrogénatomot pedig a jobb lábával (ld. a jobb oldali ábrát). A hidrogénatomok karjainak és lábainak nincs szerepe. Az oxigénatomot megszemélyesítő tanulók karjai és lábai a kötést létesítő elektronpároknak felelnek meg. A sor egyik végén kapcsoljunk egy extra hidrogénatomot a vízmolekula oxigénatomjához (a hidrogénatom bal karjának érintésével), így H3O+ oxónium-ion jön létre. Ezután az oxónium-ion egyik hidrogénatomjához a szomszédos vízmolekula oxigénatomja kapcsolódik a bal kezével, miközben annak oxigénatomja elengedi a hidrogéniont. És ez így megy tovább végig a sorban.

Az etén teljes polimerizációja polietilénné

Az etén gyökös
polimerizációja. Kattintson a
képre a nagyobb változatért
A buta-1,3-dién
polimerizációja. Kattintson a
képre a nagyobb változatért

Az ábra Pöpping-adaptáció
(2003)

A következő jelenettel meg lehet magyarázni a polimerizáció mechanizmusát és világossá lehet tenni a különbséget a lieáris és a térhálós polimerek képződése között. Az etén polimerizációját a következőképpen mutathatjuk be: a tanulók teste egy szénatomnak felel meg, a lábuk egy hidrogénatomnak, a karjuk pedig egy kötő elektronpárnak. Az egyik tanuló (egy metilcsoportot személyesít meg) integet a karjával (egy páratlan elektron). Két tanuló mindkét kézzel kezet fog egymással (kettős kötés), ők egy etén molekulát szemléltetnek. Az etén molekulában a szénatomok elengedik az egyik kézfogást (felbomlik az egyik kötés), majd az egyik szénatom az így páratlanná vált elektronjával kötést létesít a metilgyök szabad elektronjával (új kézfogás). Az így létrejövő három szénatomot tartalmazó részecske is egy gyök. Ez összekapcsolódhat egy másik etén molekulával, és így tovább (ld. a balodali ábrát).

A modell továbbfejlesztésével megmutathatjuk, hogy hogyan megy végbe a buta-1,3-dién térhálós polimerizációja: a molekula C2 és C3 atomjait megszemélyesítő tanulók érintsék össze a lábukat, ezzel érzékeltetve az egyszeres kötést (ld. a balodali ábrát). Ha egy metilgyök közel kerül a buta-1,3-dién molekulához, az egyik kettős kötés (kettős kézfogás) felbomlik és egy új egyszeres kötés (egyszeres kézfogás) jön létre, például az eredeti molekula C4atomja és a metilgyök között. Az újonnan képződött részecske is egy gyök, szabad elektronnal a C3 atomnál. Ezután ezzel a szénatommal egy másik buta-1,3-dién molekula C1 atomja kötést létesíthet (egyszeres kézfogás), miután a második molekulában felbomlott a kettős kötés. Így egy elágazás jön létre. A keletkezett, kilenc szénatomot tartalmazó kémiai részecske szintén gyök, amely szabad elektront tartalmaz a második buta-1,3-dién molekula C2 atomjánál.

A víz halmazállapotai

A vízmolekulák térbeli elhelyezkedése és mozgásának sebessége egymástól eltérő szilárd, folyadék és gáz halmazállapotban. Ennél a jelenetnél a tanulók vízmolekulákat személyesítenek meg. Tapasztalataim szerint a legjobb, ha ezt a gyakorlatot a szabadban végezzük el, ahol elegendő hely áll rendelkezésre és a fiúkat és a lányokat külön csoportba tudjuk osztani – az egyik csoport dolgozik, a másik pedig figyeli. A tanulók a tanár irányítása alapján mozognak: kezdjük el a téllel (0 °C), a tanulók nyugodtan állnak, szabályos rendben. Múlik az idő, tavasz lesz, majd nyár (akár 40 °C), a molekulák gyorsabban mozognak, de közöttük most is megmarad a kapcsolat.Végül a molekulák egy vízforraló edénybe kerülnek, a víz felforr (100 °C).

A tanár minden fázisról készít egy pillanatfelvétel úgy, hogy “megállj”-t kiált. A feladatban résztvevők (pl. a lányok) és a megfigyelők (pl. a fiúk) egyaránt leírják, hogy mit láttak.
Azután a játékosok és a megfigyelők szerepet cserélnek, a molekulák lelassulnak, végül a víz 0 °C-ra hűl le.

A feladatot úgy is módosíthatjuk, hogy be tudjuk vele mutatni a benzol termikus hőtágulását. Nyolc tanuló vegyen körül körülbelül 20 ‘benzol’ tanulót egy laza kötéllel. Amikor a nyomás a ‘melegítés’ következtében túl nagy lesz, a tanulók kénytelenek lesznek elengedni a kötelet.

Fizika

Légüres tér

A Joseph Wright of Derby (1768) An Experiment on a Bird in the Air Pumpw1 (Légszivattyúval végzett kísérlet egy madáron) című festményét érdemes felhasználni a vákuum történetének tárgyalásánál.
Osszuk az osztályt 3 csoportra, és adjunk minden csoportnak egy másolatot a festményről és egy feladatlapot, amelyen a festmény legfontosabb eszközeinek és szereplőinek körvonalai láthatók (ld. a jobboldali, letölthető ábrátw2). A következő kérdések segíthetnek a beszélgetés elindításában:

  1. Miről szól a kísérlet?
  2. Hogyan végződik?
  3. Mi a szerepük a főbb szereplőknek és hogyan viselkednek?
Joseph Wright of Derby, An
Experiment on a Bird in the
Air Pump
, 1768, olajfestmény
National Gallery, London, UK

The Yorck Project: 10.000
Meisterwerke der Malerei The
Yorck Project: 10.000
Meisterwerke der Malerei
szíves hozzájárulásával. A kép
forrása: Wikimedia Commons
A festményen ábrázolt
jelenetet 13-14 éves tanulók
adják elő

Bernhard Sturm szíves
hozzájárulásával
A festmény vázlatos képe, a
szereplők jól látható sziluettjével

 

 

 

 

 

 

A megbeszélés után a tanulók előadhatják az egész jelenetet egy légritkító felhasználásával. Egy csokoládával bevont krémes süteménnyel helyettesíthetik a madarat.

Elektromos áramkör

Ez a jelenet alkalmas arra, hogy bemutassuk vele, hogy az elektronok, mint töltéssel rendelkező részecskék energiát szállítanak. Az egyik tanuló játssza az áramforrás (elem) szerepét: a terem egyik végében áll, és cukorkát ad tovább kis csomagokban (energia). A terem másik végében álló tanuló a ‘fogyasztó’: összegyűjti a csomagokat. Néhány asztalt is elhelyezhetünk a terem közepén, amelyekkel kijelöljük az áramkört.

A többi tanuló személyesíti meg az elektronokat: sorbaállnak az áramforrásnál, egyenként átvesznek egy-egy cukorka-csomagot, majd belépnek az áramkörbe és odasétálnak/ szaladnak a ‘fogyasztóhoz’, odaadják neki a cukorkát (energia). Ezután visszamennek az áramforráshoz és újra sorbaállnak. Addig folyik az ‘elektromos áram’, amíg el nem fogynak a cukorka-csomagok (lemerül az elem). A kísérlet továbbfejlesztésével szemléltetni lehet a párhuzamos és a soros kapcsolást is.

A vezetőképesség hőmérsékletfüggése

Ezzel a jelenettel meg tudjuk mutatni, hogy a fémek vezetőképessége csökken a hőmérséklet emelkedésével. Ezt egyébként csak kísérlettel lehet igazolni. Az iskolaudvaron a tanár rajzoljon krétával egy 2×5 méteres téglalapot, amely egy elektromos kábel keresztmetszetének felel meg. Kérjen meg kb. 20 tanulót, hogy helyezkedjen el a téglalapban, ők a fématomok. Kb. 10 tanuló játssza el az elektronok szerepét: szaladjanak keresztül a téglalapon, míg az atomok nyugodtan állnak (alacsony hőmérséklet), vagy oda-vissza mozognak, ‘rezgőmozgást végeznek’ (magas hőmérséklet). Stopperrel megmérhetjük, hogy mennyi idő alatt haladtak át az elektronok a ‘kábelen’.

alilei törvénye a szabadesésről

Annak a jelenetnek az
eljátszása, amikor Galilei
felfedezte a szabadesés
törvényét

Bernhard Sturm szíves
hozzájárulásával

A téma bevezetéseként kérje meg az egyik tanulót (1.tanuló), hogy hangosan olvassa fel a szabadesés törvénye felfedezésének történetétw3. Ezalatt Galilei asszisztense (2.tanuló) szabályos gitárhúr-pengetéssel jelzi az időtartamokat, maga Galilei (3.tanuló) pedig a második asszisztens (4.tanuló) segítségével elvégzi a kísérletet egy asztali-tenisz vagy más labdával (tömörebb labdával jobb eredmény érhető el), és egy ferdén elhelyezett sík lappal, amelyen különböző magasságokat jelölünk be keresztbe elhelyezett (fém) huzalokkal (ld. a baloldali ábrát).

A labdát engedjük legurulni a sík lapon különböző magasságokból. A 4. tanuló feljegyzi az eredményeket:

  • A gitár-húr pendítések számát, mialatt legurul a labda a ferde lapon
  • A labda által megtett távolságot (pl. 0, 4, 16, 36, 64 cm).

Nukleáris bomlás és felezési idő

Ezzel a modellkísérlettel egyetlen tanítási óra alatt meg lehet értetni a felezési idő fogalmát anélkül, hogy bonyolult apparátust igénylő, veszélyes kísérletet végeznénk el.

Rajzoljunk egy 6 x 6 -os táblát, és helyezzünk el minden mezőn egy-egy piros játékos-bábut! Két jól megkülönböztethető dobókockával dobjunk: a dobások X (1. dobókocka) és Y (2. dobókocka) koordináta értékeit adják meg. Azon a mezőn történik bomlás, amelynek X,Y koordinátáit dobtuk a kockával (ilyenkor az ezen a mezőn elhelyezett piros játékost kékkel cseréljük le). Ha újra dobjuk ugyanazt a számpárt, nem történik semmi, de a dobást beszámítjuk. Egy-egy 10 dupla-dobásból álló sorozat után írjuk fel a kettős dobásokra fordított teljes időtartamot (t), és a megmaradó piros bábuk számát (N). A grafikonon ábrázoljuk az N-et a t függvényében, és ennek segítségével meg tudjuk határozni a felezési időt.

Ha azt akarjuk érzékeltetni, hogy különböző felezési idők léteznek, érdemes 8 oldalú dobókockát használni és egy 8 x 8-as táblát, vagy pl. érdemes úgy megváltoztatni a játékszabályokat, hogy kétszer kell dobni egy mező koordinátáit ahhoz, hogy a piros bábu átalakuljon.

Köszönetnyilvánítás

A cikkben leírt tevékenységek közül néhányhoz az ötletet mások munkája adta. Ezért a szerző szeretne köszönetet mondani a következőknek: Pöpping (2003; Radical polymerisation of ethene to polyethylene), Schreiber (2004; Physical states of water), Fallscheer (2006; Electric circuit), Bührke (2003), Drake (1975), Hepp (2004) és Riess et al. (2005; Galileo’s law of free fall), és Barke & Harsch (2001; Nuclear disintegration and half-life).

Download

Download this article as a PDF

References

  • Barke HD, Harsch G (2001) Chemiedidaktik heute. Lernprozesse in Theorie und Praxis. Berlin/Heidelberg, Germany: Springer. ISBN: 9783540417255
  • Bührke T (2003) Sternstunden der Physik: Von Galilei bis Lise Meitner. München, Germany: Beck. ISBN: 9783406494932
  • Drake S (1975) The Role of Music in Galileo’s Experiments. Scientific American 6: 98-104
  • Fallscheer H (2006) Der Gummibärchen-Stromkreis. Unterricht Physik 17: 38-41
  • Hepp R (2004) Mit dem freien Fall beginnen. Unterricht Physik 15: 23-26
  • Pöpping W (2003) Lineare und vernetzte Kunststoffe bilden. Unterricht Chemie 14: 39-40
  • Riess F, Heering P, Nawrath D (2005) Reconstructing Galileo’s Inclined Plane Experiments for Teaching Purposes. www.ihpst2005.leeds.ac.uk/papers/Riess_Heering_Nawrath.pdf
  • Schreiber S (2004) Lebendiges Teilchenmodell. Unterricht Chemie 15: 15-17

Web References

Author(s)

Bernhard Sturm kémiából szerzett PhD fokozatot a németországi Geesthachtban található GKSS Research Centre-ben. Jelenleg a németországi Oldenburgban a Neues Gymnasiumban tanít kémiát és fizikát. Az utóbbi néhány évben a tanítványai sokszor nyertek természettudományos tanulmányi versenyeken, különösen geoanalitika és klíma témakörökben. Főként az olyan interdiszciplináris területek érdeklik, amelyeknél kapcsolat alakítható ki a tudomány, valamint a művészet, a nyelv és a sportok között.


Review

Ez a cikk különleges és könnyen követhető ötletekkel mutatja meg, hogyan használhatja a tanár a dráma eszközét arra, hogy megkönnyítse a fizika és a kémia elvont témáinak a megértését. Ezeknek a tevékenységeknek a segítségével a tanulók könnyebben megbirkónak a tananyaggal.

A javasolt tevékenységek nem igényelnek bonyolult vagy drága eszközöket, ezért könnyű ezeket a tanítási órákon alkalmazni. A szerző tömör, világos útmutatást ad arra, hogyan lehet beépíteni a fogalmazást és a szerepjátékot ezeknek az óráknak a menetébe. Ezek a tevékenységek nemcsak érdekesebbé és szórakoztatóbbá teszik az órákat, hanem jobban belevonják a tanulókat a tanulási folyamatba, így a tanulók nagyobb felelősséget éreznek a tanulással kapcsolatban. Azoknak a tanulóknak is fel lehet így kelteni az érdeklődését a természettudomány iránt, akiket inkább a nyelvek vagy a művészetek érdekelnek, ugyanis használhatják a képzelőtehetségüket és a kreativitásukat. Ráadásul, ez a cikk segít a tanárokat abban, hogy változtassanak a módszereiken, de azoknak a tanároknak is ad új ötleteket , akik saját maguk is alkalmaznak hasonló módszereket.


Catherine Cutajar, Málta




License

CC-BY-NC-SA