Fyzika: čierna skrinka?

Úlohou študentov, pri použití čiernych skriniek vo vyučovaní, je pokúsiť sa odhaliť ich obsah – vopred pripravený učiteľom – bez toho, aby ich otvorili. Akonáhle experimentovaním určia, čo sa nachádza vo vnútri, môžu čiernu skrinku otvoriť, aby verifikovali svoju hypotézu. Nižšie je uvedený príklad ako možno využiť čierne skrinky pri vyučovaní elektrických obvodov vhodný pre 15 – 18 ročných študentov. Existuje však mnoho ďalších spôsobov použitia čiernych skriniek vo vyučovaní, aj u mladších žiakov resp. v iných oblastiach fyziky^w1.

Mala som dobré skúsenosti s využitím tejto metódy ako v samotnom vyučovaní, tak v príprave budúcich učiteľov fyziky. Mnoho učiteľov ešte nemá skúsenosti s použitím tejto metódy, hoci v skutočnosti je podobná problémom, s ktorými sa stretávame v bežnom živote. Naviac, experimentovanie prispieva k rozvoju tvorivosti študentov a čierne skrinky je možné zhotoviť jednoducho a lacno.

Zhotovenie čiernej skrinky

Materiál

• Plastová tuba od liekov (napr. od šumivého celaskonu)
• Vŕtačka
• 2 zdierky (napr. zástrčky zodpovedajúce konektorom používaným na pripojenie slúchadiel k hi-fi veži)
• Elektrické súčiastky (napr. rezistory, kondenzátory, diódy a pod.) vhodné na umiestnenie vo vnútri tuby.
• Pružné spojovacie vodiče

Postup

1. Vyvŕtajte otvory na oboch koncoch tuby.
2. Zatlačte zdierky do vyvŕtaných otvorov
3. Pripojte elektronickú súčiastku(y) k zdierkam pomocou vodičov (viď Obrázok 2).
4. Všetko to umiestnite dovnútra tuby a uzavrite ju.

Odnímateľný uzáver a pružné vodiče umožnia jednoduché odhalenie jednotlivých prvkov a zapojenie vnútri skrinky. Dbáme na to, aby zapojenie prvkov vnútri skrinky bolo prehľadné a jednoduché, čo je potrebné pri otvorení a odhalení vnútornej štruktúry. Vonkajší vzhľad skrinky závisí od vás - ja som ju obalila do čierneho papiera.

Môžete vytvoriť rôzne zložité čierne skrinky – niektoré z nich obsahujúce len jednu elektrickú súčiastku (rezistor, kondenzátor, diódu, cievku atď.), ďalšie obsahujúce niekoľko súčiastok spojených do jednoduchých elektrických obvodov (viď Obrázok 4).

Experimenty s čiernymi skrinkami

Akonáhle sú študenti oboznámení so základmi elektrických obvodov jednosmerného a striedavého prúdu môžu začať experimentovať s čiernymi skrinkami, aby to, čo sa naučili, aplikovali pri riešení praktických problémov. Dostanú pomôcky (ich zoznam je uvedený ďalej), ktoré použijú na určenie jednotlivých prvkov obsiahnutých v čiernej skrinke. Vopred sú oboznámení so všetkými možnými zapojeniami vnútri skrinky. V prvej etape každá skupina dostane päť skriniek obsahujúcich iba jednu elektrickú súčiastku. V nasledujúcej etape (nie nevyhnutne na tej istej vyučovacej hodine) dostanú osem čiernych skriniek obsahujúcich jednoduché alebo zložitejšie zapojenie vo vnútri každej skrinky. Ich úlohou je zistiť obsah skriniek pričom využijú svoje skúsenosti a algoritmus pre analýzu skriniek, ktorý si vytvorili.

Pomôcky pre skupiny

• Päť očíslovaných čiernych skriniek obsahujúcich jednotlivé elektrické súčiastky (rezistor, cievka, kondenzátor, dióda, izolátor)
• Osem očíslovaných čiernych skriniek obsahujúcich ako jednoduché, tak zložitejšie elektrické obvody (viď Obrázok 4)
• Vodiče
• Ampérmeter
• Voltmeter
• Zdroj jednosmerného a striedavého napätia
• Schémy všetkých možných vnútorných zapojení.

Postup

1. Rozdeľte študentov do skupín po 2-3 študentoch.
2. Rozdajte všetky pomôcky.
3. Študenti majú 30 minút na premeranie piatich jednoduchých skriniek a určenie ich obsahu.
4. Každá zo skupín oznámi svoje výsledky.
5. Porovnajte výsledky a verifikujte ich otvorením skriniek.
6. Ak bola hypotéza nesprávna, určite príčinu chyby. V mojom prípade dosiahli študenti úspešnosť okolo 80%. Obvykle im spôsobovalo problémy rozlíšiť cievku a rezistor, nakoľko obvykle sa uspokojili so zistením, že čiernou skrinkou elektrický prúd prechádza a neanalyzovali jeho hodnotu.
7. Pokúste sa zostaviť optimálny algoritmus na určenie prvkov obsiahnutých v čiernej skrinke. Vhodný algoritmus by mohol vyzerať nasledovne:
   1. Zostav elektrický obvod pozostávajúci z čiernej skrinky, zdroja napätia, ampérmetra a voltmetra.
   2. Pripoj zdroj jednosmerného napätia, zmeraj prúd a napätie a zaznamenaj si výsledky.
   3. Zmeň polaritu zdroja napätia, opäť zmeraj prúd a napätie, zaznamenaj si výsledky a porovnaj ich s výsledkami predchádzajúceho merania.
   4. Pripoj zdroj striedavého napätia, zmeraj prúd a napätie a porovnaj výsledky s výsledkami predchádzajúcich dvoch meraní.
   5. Vytvor hypotézu o štruktúre čiernej skrinky.
   6. Over hypotézu ďalšími meraniami.
   7. Urči obsah čiernej skrinky.
8. Následne študenti majú 40 minút na určenie obsahu ôsmich jednoduchých aj zložitejších čiernych skriniek.
9. Zopakujte zhodnotenie výsledkov ako predtým. Podľa mojej skúsenosti študenti pokladali túto úlohu za zložitejšiu a nie všetky skupiny boli schopné určiť obsah všetkých skriniek v stanovenom čase. Rovnako úspešnosť bola nižšia, približne 70%. To je stále veľmi dobrý výsledok a pravdepodobne by sa nedosiahol, ak by úlohu študenti riešili samostatne a nie v skupinách.

V druhom prípade študenti nemali problémy v určovaní jednoduchých zapojení, ale problémy im spôsobovalo určovanie zložitejších zapojení a rozlíšenie medzi rezistorom, termistorom a žiarovkou. Museli využiť svoje teoretické vedomosti a uvedomiť si, že je nutné meniť hodnoty napätia a prúdu a prípadne si nakresliť aj graf, aby boli schopní správne určiť prvky obsiahnuté v skrinkách.

Aký je prínos týchto experimentov pre študentov?

Manipulácia s čiernymi skrinkami je pre študentov príťažlivý spôsob ako si otestovať svoje vedomosti a tešiť sa z vlastného úspechu. Niektorí sa dokonca sami snažia nájsť ďalšie možnosti využitia tejto metódy vo vyučovaní fyziky. Najdôležitejšie je, že študenti sa systematicky učia využívať metódu vedeckého bádania. Experimenty s čiernymi skrinkami povzbudzujú študentov k tomu, aby kládli otázky a hľadali na ne vlastné odpovede, formulovali predpovede, testovali svoje hypotézy a diskutovali o výsledkoch so svojimi spolužiakmi. Takáto aktívna metóda zároveň napomáha lepšie pochopiť podstatu vedy a vedeckého bádania. Zároveň je to aj dobrý spôsob ako riešiť problémy v reálnom živote, napríklad ak potrebujete zistiť ako funguje prístroj (čierna skrinka) ak ste stratili návod na jeho používanie.

Kritickým bodom v zadaní úlohy je množstvo poskytnutých informácií o možných štruktúrach obsahu skriniek. Učiteľ si musí byť istý, že študenti majú dostatočné predchádzajúce vedomosti a dať jasné inštrukcie ako postupovať. Menej informácií podporuje tvorivé myslenie, ale ak neposkytneme študentom dostatok informácií môže sa im zdať úloha nezvládnuteľná a stratia záujem.