• About Science in School
  • About EIROforum
  • Submit an article
Science in School
Science in School
  • Understand
    • Recent research and science topics
      • Astronomy / space
      • Biology
      • Chemistry
      • Earth science
      • Engineering
      • General science
      • Health
      • History
      • Mathematics
      • Physics
      • News from the EIROs
      • Science and society
  • Inspire
    • People, events and resources
      • Advertorials
      • Career focus
      • Competitions and events
      • Education focus
      • Resource reviews
      • Science and society
      • Science miscellany
      • Scientist profiles
      • Teacher profiles
  • Teach
    • Activities and projects
      • Astronomy / space
      • Biology
      • Chemistry
      • Earth science
      • Engineering
      • General science
      • Health
      • History
      • Mathematics
      • Physics
      • Science and society
  • Archive
  • Login
  • Contact
Vek:
14-16, 16-19
Issue 12
 -  21/01/2010

Fyzika: čierna skrinka?

Ľudmila Onderová

Preložila Ľudmila Onderová.

Ľudmila Onderová z Univerzity P.J.Šafárika, v Košiciach nám predstavuje využitie čiernych skriniek vo vyučovaní fyziky.

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 fyzikyw1.

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.


Obrázok 1: Materiál potrebný
na zhotovenie čiernej skrinky


Obrázok 2: Konštrukcia
čiernej skrinky


Obrázok 3: Vytvorená čierna
skrinka

Autor obrázkov: Ľudmila
Onderová

 

 

 

 

 

 

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.

Obrázok 4: Elektrické obvody
umiestnené v čiernych
skrinkách. Klikni na
zväčšenie obrázku

Autor obrázkov: Ľudmila
Onderová

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.

 

Odkazy na web

  • w1 – Ďalšie príklady použitia čiernych skriniek vo vyučovaní fyziky, viď:
  • Čierna skrinka z optiky na stránke Science Olympics (www.physics.uwo.ca/science_olympics) alebo tu: http://tinyurl.com/kkbze6
  • Záhada čiernej skrinky na stránke Science Olympics (www.physics.uwo.ca/science_olympics) alebo tu: http://tinyurl.com/kwc6jx
  • Dva experimenty s čiernymi skrinkami (MFO 2004 experimentálna úloha a MFO 2002 experimentálna úloha 2) na stránke Medzinárodnej fyzikálnej olympiády www.jyu.fi/ipho
  • Archimedes: Čierna skrinka z mechaniky na webstránke Univerzity v Colgate, USA: http://departments.colgate.edu/physics/research/PhysicsEd/labs.htm

Zdroje

  • Ďalšie príklady využitia bádateľských metód vo vyučovaní prírodných vied, viď:
  • 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) Znanstvenici u igri: izumi za razvoj vještina u znanstvenim postupcima. Science in School 2: 20-23. www.scienceinschool.org/2006/issue2/play/croatian
  • Ďalšia literatúra o použití čiernych skriniek vo vyučovaní:
  • 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.

Autor

Ľudmila Onderová pracuje na Ústave fyzikálnych vied Prírodovedeckej fakulty Univerzity P. J. Šafárika v Košiciach a venuje sa príprave budúcich učiteľov fyziky. Zaujíma sa hlavne o jednoduché experimenty a aktivity zamerané na rozvoj tvorivosti a zručností študentov.

CC-BY-NC-SA
Log in to post a comment

Issues

  • Current issue
  • Archive

Tools

  • Download article (PDF)
  • Print
  • Share

Recenzia

Je to zaujímavá aktivita pre stredoškolákov, ktorá je užitočná na precvičenie mnohých fyzikálnych pojmov didaktickým spôsobom.

Amador Menéndez Velázquez, Španielsko

Vek:
14-16, 16-19

Príbuzné články

  • Viac než by sa zdalo na prvý pohľad: elektromagnetické spektrum
  • Viac než by sa zdalo na prvý pohľad: odkrývanie vesmíru pri najvyšších energiách
  • Rozhovor a Alecom Jeffreys, priekopníkom na poli ľudskej diverzity
  • Neutrína: úvod
  • Viac než by sa zdalo na prvý pohľad: exotický, vysokoenergetický Vesmír

Login / My account

Create new account
Forgot password


Contact us

Please contact us via our email address editor@scienceinschool.org.

  • More contact details

Get involved

  • Submit an article
  • Review articles
  • Translate articles

Support Science in School


EIROforum members:
CERN European Molecular Biology Laboratory European Space Agency European Southern Observatory
European Synchrotron Radiation Facility EUROfusion European XFEL Institut Laue-Langevin


EIROforum
Published and funded by EIROforum


  • About Science in School
  • About EIROforum
  • Imprint
  • Copyright
  • Safety note
  • Disclaimer
  • Archive
  • Donate
  • Contact
  • Facebook
  • Twitter
ISSN 1818-0361

CERN
European Molecular Biology Laboratory
European Space Agency
European Southern Observatory
European Synchrotron Radiation Facility
EUROfusion
European XFEL
Institut Laue-Langevin
EIROforum

Published and funded by EIROforum
  • About Science in School
  • About EIROforum
  • Imprint
  • Copyright
  • Safety note
  • Disclaimer
  • Archive
  • Donate
  • Contact
  • Facebook
  • Twitter
ISSN 1818-0361