BÁDATEĽSKÉ AKTIVITY V TÉME JEDNOSMERNÝ ELEKTRICKÝ PRÚD V PROJEKTE ESTABLISH Zuzana Ješková, Marián Kireš, Ľudmila Onderová Oddelenie didaktiky fyziky Ústav fyzikálnych vied Prírodovedecká fakulta UPJŠ v Košiciach Abstrakt: Príspevok predstavuje jeden z výstupov medzinárodného projektu ESTABLISH, zameraného na široké uplatnenie metód aktívneho žiackeho bádania v oblasti prírodných vied, ktorý smeruje k tvorbe výučbových materiálov (metodických materiálov pre učiteľa a pracovných listov a ďalších materiálov pre žiaka) zahŕňajúcich rozličné témy z fyziky, chémie a biológie. Séria bádateľských aktivít zameraných na tému Jednosmerný elektrický prúd je koncipovaná s dôrazným uplatnením prvkov aktívneho žiackeho bádania. Príspevok prezentuje prehľad aktivít a konkrétnych ukážok. Kľúčové slová: aktívne prírodovedné bádanie, jednosmerný elektrický prúd Úvod Aktívne prírodovedné bádanie predstavuje už niekoľko rokov trvajúce trendy vo vzdelávaní, ktoré smerujú k učeniu skúmaním sveta okolo nás a k väčšej zapojenosti žiaka do tohto procesu. Tieto trendy v Európe sa odrážajú v mnohých medzinárodných a národných projektoch, ako napr. S Team Science Teacher Education Advanced Methods (2010 13), Fibonacci (2010 13), Pollen (2006 09), INSPIRE Innovative Science pedagogy in Research and Education (2007 09), Pathway to inquiry based Science Teaching (2011 13), Profiles Professional Reflection oriented Focus on Inquirybased Learning and Education through Science (2011 14). Medzinárodný projekt 7. rámcového programu ESTABLISH (2010 13, http://establish fp7.eu/) so zapojením 11 európskych partnerov je orientovaný na šírenie a využívanie metód aktívneho prírodovedného bádania u žiakov II. stupňa základných škúl a žiakov stredných škôl. Hlavnými cieľmi štvorročného projektu je príprava učebných materiálov orientovaných na aktívne prírodovedné bádanie v oblasti fyziky, chémie a biológie, adaptovať ich na národné kurikulum a pripraviť učiteľov a budúcich učiteľov na tento spôsob výučby prostredníctvom kurzov ďalšieho vzdelávania. Aktívne prírodovedné bádanie v európskych vzdelávacích programoch a na Slovensku Existuje mnoho definícií čo je aktívne prírodovedné bádanie. Ide o komplexný pojem, ktorý zahŕňa systematický proces spojený so skúmaním sveta okolo nás a pochopením ako funguje. Projekt Establish prijal definíciu bádania podľa M. Linnovej, E. Davisovej, B. Eylonovej (2004), podľa ktorej bádanie z pohľadu žiaka v sebe zahŕňa zámerný proces spojený s rozpoznaním problému, návrhom vhodných experimentov a posúdením alternatívnych možností, plánovaním postupu skúmania, tvorbou hypotéz, vyhľadávaním informácií, tvorbou modelov, diskusiou s kolegami a formulovaním logických argumentov. V rámci projektu bola uskutočnená analýza zastúpenia jednotlivých elementov bádania vo vzdelávacích programoch partnerských krajín projektu (tab.1). 154
Tab. 1 Prvky aktívneho prírodovedného bádania v európskych vzdelávacích programoch (CY Cyprus, CZ Česká republika, DE Nemecko, EE Estónsko, IE Írsko, MT Malta, NL Holandsko, PL Poľsko, SK Slovensko, SE Švédsko) Prvky bádania CY CZ DE EE IE IT MT NL PL SK SE Rozpoznať problém Navrhnúť vhodné experimenty Posúdiť alternatívne možnosti Plánovať postup skúmania Vyhľadávať informácie Tvoriť modely Diskutovať so spolužiakmi Formulovať závery a argumentovať Z tabuľky vidieť, že Česká republika, Nemecko, Estónsko, Holandsko, Švédsko ale aj Slovensko má vo svojich vzdelávacích programoch zastúpené všetky prvky aktívneho prírodovedného bádania. Otázkou však zostáva, do akej miery sú napr. na Slovensku jednotlivé elementy uplatňované v samotnej výučbe. Dôsledné uplatňovanie vyžaduje totiž metodicky pripraveného učiteľa a dostatok takto orientovaných učebných materiálov. V rámci projektu Establish sú vytvárané učebné materiály pre fyziku (Zvuk, Tepelne izolovaný dom, Svetlo, Jednosmerný elektrický prúd, Zobrazovacie metódy), chémiu (Vyšetrovanie dier, Plasty a odpady z plastov, Pracie a čistiace prostriedky, Kozmetika, Fotochémia), biológiu (Darcovstvo krvi, Voda v živote človeka, Znevýhodnenia, Ekobiológia). Tieto materiály obsahujú bádateľské aktivity na rozličnej úrovni bádania od jednoduchých aktivít riadených v plnej miere učiteľom cez bádateľské aktivity s väčšou mierou samostatnosti žiaka až po aktivity, pri ktorých výskumný problém formulujú samotní žiaci. Vybrané materiály sú transformované do slovenčiny a adaptované na podmienky slovenského vzdelávacieho programu v oblasti prírodných vied (Ješková, 2012, Ganajová, 2012). Výučbové materiály na tému JEDNOSMERNÝ ELEKTRICKÝ PRÚD V rámci témy Jednosmerný elektrický prúd je vytvorená séria 17 aktivít s dôrazom na samostatnú žiacku činnosť orientovanú predovšetkým na experimentovanie na rozličnej úrovni bádania (v hierarchii: interaktívna demonštrácia/ diskusia, riadené objaovanie, ríadené bádanie, viazané bádanie, otvorené bádanie) aj s podporou digitálnych technológií v závislosti od miery zapojenosti žiaka, resp. učiteľa a podpory učebnými materiálmi (http://establish fp7.eu, Wenning, 2005). Každá z aktivít je doplnená metodickým materiálom pre učiteľa s podrobným popisom činností na vyučovacej hodine a tiež pracovným listom pre žiaka. Mnohé aktivity využívajú digitálne technológie pri reálnom meraní s pomocou meracieho panela a senzorov spojených s počítačom a pri spracovaní a analýze dát. K týmto aktvitám sú pripravené súbory v systéme COACH, ktoré obsahujú všetky potrebné nastavenia a inštrukcie k meraniu a spracovaniu dát. V ďalšom uvedieme konkrétne príklady bádateľských aktivít. 155
Tab.2 Štruktúra vyučovacej jednotky Jednosmerný elektrický prúd Aktivita Typ bádateľskej aktivity Aktivita 1. Elektrický prúd, batéria a 10. Zostavme si svoju vlastnú žiarovka batériu 1.1. Ako funguje ručné svietidlo riadené 10.1. Mince v roztoku 1.2. Zostavte jednoduché objavovanie/bádanie 10.2. Ovocný alebo zeleninový elektrické zariadenie viazané bádanie článok 10.3. Olovená batéria 2. Aké látky vedú elektrický prúd? 3. Objavte štruktúru čiernej skrinky 4. Meranie elektrického prúdu a napätia 11. Batéria a jej základné parametre 11.1. Svorkové napätie 11.2. Výkon elektrického prúdu Riadené objavovanie/bádanie vo vonkajšej časti obvodu 11.3. Účinnosť zdroja 11.4. Zostavme model správania batérie v jednosmernom elektrickom obvode Typ bádateľskej aktivity Interaktívna demonštrácia Riadené objavovanie 5. Ako sa správajú rozličné prvky v jednosmernom elektrickom obvode? 5.1. Rezistor a Ohmov zákon 5.2. Žiarovka a Ohmov zákon 5.3. Ďalšie prvky v jednosmernom elektrickom obvode 5.4. Aký prvok je ukrytý v čiernej skrinke? Riadené objavovanie 12. Sériové a paralelné správanie batérií 13. Ako elektrický úhor zabíja svoju korisť 14. Koľko energie dodáva batéria? 15. Batérie a ich rozumné využívanie Otvorené bádanie 6. Elektrický odpor a teplota (zhotovme si svoj vlastný teplomer) 6.1. Kovový vodič 6.2. Termistor 7. Model elektrického obvodu (prečo kladie väčší alebo menší odpor) Interaktívna diskusia 16. Ďalšie alternatívne elektrické zdroje fotovoltický článok 16.1. Ako funguje fotovoltický článok? 16.2. Kedy bude výkon elektrického prúdu maximálny? 16.3. Aká je účinnosť solárneho článku? 8. 9. Ľudské telo a Ohmov zákon Ako sa správajú žiarovky v jednosmernom 17. Ďalšie alternatívne elektrické zdroje vodíkový palivový článok elektrickom obvode 9.1. Dve identické žiarovky v sérii 9.2. Dve rozličné žiarovky v sérii 9.3. Zapnime obvod so žiarovkami 9.4. Dve žiarovky s rovnakým Riadené/viazané bádanie 17.1. Princíp vodíkového článku 17.2. Energetická účinnosť PEM elektrolyzéru 17.3. VA charakteristika a krivka výkonu PEM palivového článku 17.4. Energetická účinnosť PEM palivového článku označením Interaktívna diskusia Riadené bádanie/interaktívna diskusia 156
Objavte štruktúru čiernej skrinky Cieľom tejto aktivity na úrovni riadeného objavovania/bádania je prehĺbiť vedomosti o jednoduchých elektrických obvodoch. Žiaci dostanú čierne skrinky so 4 svorkami navzájom prepojenými rozličným spôsobom pomocou vodičov a rezistorov. Úlohou žiakov je navrhnúť experimenty, ktoré by odhalili ako je čierna skrinka vnútri prepojená. Môžu pritom použiť zdroj napätia, vodiče a žiarovku na indikáciu prúdu (tečie, netečie, väčší alebo menší prúd). Obr.1 Možné vnútorné zapojenia čiernej skrinky Zhotovme si svoj vlastný teplomer Cieľom tejto aktivity je zistiť rozdiel medzi kovovým vodičom a polovodičom ma základe rozličnej teplotnej závislosti elektrického odporu a pochopiť princíp fungovania odporového teplomera. Žiaci pritom postupujú na úrovni riadeného bádania, pričom pomocou senzora prúdu a napätia merajú a určujú elektrický odpor a teplotným senzorom odpovedajúcu teplotu pri postupnom ohrievaní vodiča, resp. polovodiča vo vodnom kúpeli. Namerané dáta fitujú a elektrický prvok okalibrujú na meranie teploty. Dáta získané meraním pomocou svojho vlastného teplomera porovnajú s dátami získanými pomocou teplotného senzora. Obr. 2 Kalibrácia polovodičového teplomera Záhadné správanie žiaroviek Táto aktivita je zameraná na konceptuálne pochopenie veličiny výkon a elektrická energia. Pri experimentovaní so žiarovkami sa môžu objaviť nové problémy na riešenie. Problém 1: ak spojíme dve identické žiarovky do série, svietia rovnako jasne. Rovnako svietia aj dve iné do série spojené ale tiež identické žiarovky. Ak však spojíme dve rozličné žiarovky do série, môže nastať situácia, že jedna svieti a druhá svieti veľmi slabo alebo takmer vôbec. Problém 2: v okamihu pripojenia dvoch rozličných žiaroviek do jednosmerného obvodu sa jedna rozsvieti výrazne neskôr ako druhá. 157
Žiaci pracujúci v skupinách sú vedení inštrukciami v pracovnom liste na úrovni riadeného bádania. V závislosti od úrovne žiakov môžu žiaci príp. realizovať aj viazané bádanie, kedy dostanú problém a experiment ako aj postup skúmania (ktoré veličiny merať) a analýzu dát navrhujú a realizujú samostatne bez výraznej pomoci učiteľa. Obr.3 Výsledok merania dvoch rozličných žiaroviek pripojených k 6V zdroju samostatne a v sérii. V sériovom zapojení sa rozsvieti tá žiarovka, ktorá je bližšie k svojim štandardným parametrom Obr.4 Výsledok merania pre dve rozličné žiarovky pripojené k 8V zdroju v sérii v prechodovom stave zobrazuje postupné prerozdeľovanie výkonu elektrického prúdu na jednotlivých žiarovkách v dôsledku teplotnej závislosti elektrického odporu ich vlákna Ako elektrický úhor zabíja svoju korisť V tejto aktivite na úrovni viazaného bádania žiaci aplikujú vedomosti o batériách a ich sériovom a paralelnom spojení v reálnej situácii živočíšnej ríše. Žiaci vyhľadávajú informácie o elektrickom úhore a na základe získaných informácií pripravia prezentáciu, ktorá vysvetlí ako je to možné, že elektrický úhor usmrtí korisť elektrickým prúdom ale sám sa pritom nezraní. Táto aktivita umožňuje spájať poznatky z biológie s fyzikálnymi poznatkami o vlastnostiach elektrických batérií (obr.5). 158
Obr. 5 Schéma orgánov elektrického úhora 1 Batérie a ich rozumné využívanie Ak žiaci dobre rozumejú princípu a vlastnostiam batérií, môžu sa zaoberať ich priemyselnými a environmentálnymi aspektmi. Táto aktivita predstavuje prácu na projekte v podobe domáceho zadania na úrovni otvoreného bádania. Žiaci môžu formulovať svoj vlastný výskumný problém, na ktorom pracujú za pomoci online informačných zdrojov a ďalšej dostupnej literatúry. Možné výskumné problémy zahŕňajú: Vyhľadajte informácie o nenabíjateľných batériách, ktoré sú dostupné v našich obchodoch. Zistite, z akých materiálov sú zostavené, aké napätia produkujú a akú energiu sú schopné do obvodu dodať, resp. na aké využitie sú najvhodnejšie. Vyhľadajte informácie o nabíjateľných batériách, napr. batéria do auta. Popíšte ich vlastnosti a vymenujte najčastejšie problémy, s ktorými sa užívateľ pri ich pravidelnom používaní môže stretnúť. Vyhľadajte informácie o nabíjateľných batériách, ktorú sú dostupné v našich obchodoch. Zistite, z akých materiálov sú zostavené, aké napätia produkujú a akú energiu sú schopné do obvodu dodať, resp. na aké využitie sú najvhodnejšie. Porovnajte batérie rovnakej veľkosti a rovnakého elektromotorického napätia od rozličných výrobcov. Elektromobil a jeho perspektívy. Aké zásady by mali užívatelia dodržiavať pri odstraňovaní batérií a ich recyklácii (kde sa nachádza najbližšie recyklačné centrum pri vašej škole?) Aká sú environmentálne nebezpečenstvá batérií? Na základe vyhľadaných informácií žiaci pripravia prezentáciu na zvolenú tému a predstavia ju pred triedou, čo môže viesť k širšej diskusii a argumentovaniu. Záver Výučbové materiály vytvorené v rámci projektu Establish sú vytvorené s uplatnením elementov bádateľsky orientovanej výučby. Taktiež sú podporené digitálnymi technológiami, ktorých využitie je už vo vedeckom výskume samozrejmosťou a tak je len prirodzené, že sa dostávajú aj do prírodovedného vzdelávania, kde zohrávajú významnú úlohu. Mnohé z týchto materiálov už boli testované v podmienkach slovenských škôl v rokoch 2011 13. Žiaci vyslovili pozitívny postoj k realizovaným aktivitám, aj keď mnohé žiacke názory smerom k prírodným vedám a výberu kariéry v oblasti prírodných vied a techniky zostali aj po výučbe nezmenené (Ješková, 2012). Ich ďalšie overovanie bude pokračovať aj v školskom roku 2013/14. Vplyv tohto spôsobu výučby bude sledovaný pri súčasnej aplikácii metód aktívneho prírodovedného bádanie cez viaceré prírodovedné 1 Obrázok je prevzatý z www.chm.bris.ac.uk/webprojects2001/riis/electr2.gif 159
predmety prostredníctvom učiteľov, ktorí absolvovali alebo absolvujú kurz ďalšieho vzdelávania v tejto oblasti. Predpokladáme, že systematické a dôsledné uplatňovanie týchto metód prostredníctvom viacerých vyškolených učiteľov (chemik, biológ, fyzik) bude viesť k vytvoreniu pozitívnej atmosféry na školách smerom k uplatňovaniu metód aktívneho bádania a tým aj k napĺňaniu cieľov súčasného vzdelávacieho programu. Poďakovanie Príspevok vznikol ako súčasť riešenia projektu ESTABLISH (projekt 7.rámcového programu EÚ, FP7/2007 201, na základe zmluvy n 244749). Literatúra Ganajová, M., Kimáková, K., Ješková, Z., Kireš, M., Kristofová, M. Implementácia IBSE metódy do prírodovedného vzdelávania na Slovensku, Zborník z konferencie Badania w dydaktykach nauk przyrodniczych (Research in didactics of the sciences). Kraków : Pedagogical University of Kraków, 2012. ISBN 97883727176772, s. 28 31 Ješková, Z., Kireš, M., Fazio, C., McLoughlin, E., Kedzierska, E., Žák, V., Kekule, M. Impact of IBSE methods and IBSE materials on student/teacher learning, Zborník z konferencie GIREP, Istanbul, 1 6.júl 2012, v tlači Ješková, Z., Kireš, M., Kedzierska, E. Výučbové materiály na tému Zvuk v projekte Establish, Zborník zo seminára Tvorivý učiteľ fyziky, 15 18.apríl 2012, Smolenice, Košice Equilibria, 2012, ISBN 978809706276, s. 147 152 Linn, M.C., Davis, E., A., Eylon, B., S.: The scaffolded knowledge integration framework for instruction, Zdroj: Linn, M.C., David, E.A., Bell, P.: Internet environments for science education, 2004, Lawrence Erlbaum Associates: Mahwah, NJ, 47 72 Wenning, C.: Levels of Inquiry: Hierarchies of pedagogical practices and inquiry processes. 2005 Journal of Physics Teacher Education Online, 2(3), 3 11 Štátny vzdelávací program Fyzika, Príloha ISCED 3, dostupné na <http://www.statpedu.sk/files/documents/svp/gymnazia/vzdelavacie_oblasti/fyzika_isced3.pdf> Projekt ESTABLISH, dostupné na <www.establish fp7.eu> Projekt S team, dostupné na <http://www.s teamproject.eu> Projekt Fibonacci, dostupné na <http://www.fibonacci project.eu> Projekt Pathway to inquiry based Science Teaching, dostupné na http://www.pathwayproject.eu/ Projekt INSPIRE Innovative Science pedagogy in Research and Education <http://inspire.eun.org> Projekt Pollen, dostupné na <http://pollen europa.net> Projekt Profiles, dostupné na <http://www.profiles project.eu/> Projekt Profiles, dostupné na <http://www.profiles project.eu/> Adresa autorov Zuzana Ješková, Marián Kireš, Ľudmila Onderová Prírodovedecká fakulta UPJŠ Košice Jesenná 5 040 01 Košice zuzana.jeskova@upjs.sk, marian.kires@upjs.sk, ludmila.onderova@upjs.sk 160