Παράδειγμα STEM μαθήματος με πυκνωτή

Σε συνεργασία με τον συνάδελφο εκπαιδευτικό κ. Σαράντο Οικονομίδη (Ph.D) σχεδιάσαμε μία εξαιρετική εφαρμογή ολοκληρωμένου STEM. Η εφαρμογή αυτή μπορεί να εκτελεστεί είτε στο μάθημα της Φυσικής, είτε σε μαθήματα ηλεκτρολογικών ειδικοτήτων των ΕΠΑΛ. 

Εκτός των όσων προτείνουμε, το εκπαιδευτικό πεδίο των πυκνωτών προσφέρει πληθώρα υλικού, για να προστεθεί στην εφαρμογή μας.

Η μεγάλη ιδέα είναι ο ηλεκτρισμός. 

Η επίλυση προβλήματος είναι πως μπορούμε να κατασκευάσουμε έναν πυκνωτή και από ποιους παράγοντες επηρεάζεται η χωρητικότητά του, επίσης ενδιαφέρον έχει η φόρτιση και εκφόρτιση αυτού.

Χρειάζεται να εντάξουμε Επιστήμη, Τεχνολογία, Μηχανική και Μαθηματικά για να υπάρχει ολοκληρωμένη προσέγγιση STEM στην εκπαιδευτική διαδικασία.

Η Επιστήμη είναι η Φυσική (S), Τεχνολογία είναι η Πληροφορική (T), Μηχανική η κατασκευή του πυκνωτή (E) και Μαθηματικά (M) διάφοροι υπολογισμοί που θα κάνουν οι μαθητές. Ο εκπαιδευτικός είναι παρατηρητής όσο οι μαθητές εργάζονται μόνοι τους  ή σε μικρές ομάδες. Αν χρειαστεί, παρεμβαίνει για να μην απομακρυνθούν από τους στόχους του μαθήματος και διευκολύνει αυτούς, αν απαιτηθεί, κάτω από αυτές τις συνθήκες.

Υλικά που απαιτούνται:

Κόλλα σχεδίασης (ή πλαστικό φύλλο)

Χαρτόνι

Κόλλα για συγκόλληση χαρτιών

Ψαλίδι

Αλουνινόχαρτο (foil)

Πολύμετρο που να διαθέτει καπασιτόμετρο

Κροκοδειλάκια σύνδεσης

Για τη δημιουργία του πυκνωτή θα κολλήσουμε και στις δυο πλευρές του χαρτιού ή άλλου μονωτικού υλικού δυο φύλλα αλουμινόχαρτου. Θα κόψουμε το χαρτόνι σε λίγο μεγαλύτερες διαστάσεις από το αλουμινόχαρτο, ώστε όταν κολληθούν να μην υπάρχει περίπτωση να έρθουν σε επαφή τα δύο αλουμινόχαρτα και «βραχυκυκλώσουν». 

Μπορεί επίσης να γίνουν πειραματισμοί, με τα χοντρά μπεζ χαρτόνια συσκευασίας (φωτογραφίες) σε μικρό μέγεθος. προτείνεται να κολλήσουμε από ένα αλουμινόχαρτο στη μία πλευρά τους μόνο. Έτσι μπορούν να γίνουν μετρήσεις χωρητικότητας με διαφορετικό πάχος χαρτονιού και μικρής επιφάνειας. 

Τη μία φορά τα αλουμινόχαρτα είναι και τα δύο προς την επάνω πλευρά και σχηματίζεται ο πυκνωτής. Την άλλη φορά περιστρέφουμε το ένα χαρτόνι ώστε να απομακρυνθεί το ένα αλουμινόχαρτο από το άλλο, όσο είναι το πάχος του χαρτονιού. 

Στην περίπτωση που βρίσκονται κοντά τα αλουμινόχαρτα μετράμε 0,15nF στην άλλη περίπτωση που απομακρύνονται μετράμε 0,13nF, όπως φαίνεται καθαρά και στις φωτογραφίες. Από αυτό συμπεραίνει ο μαθητής ότι όσο απομακρύνονται οι οπλισμοί μειώνεται η χωρητικότητα.

Διαφοροποίηση επέρχεται αν αυξήσουμε τις διαστάσεις των χαρτονιών σε Α4. Σε αυτήν την περίπτωση έχουν κολληθεί δύο αλουμινόχαρτα στις πλευρές της Α4. Η ένδειξη του καπασιτομέτρου είναι τώρα 2,55nF, ο μαθητής βγάζει συμπέρασμα, ότι όσο αυξάνεται η επιφάνεια των οπλισμών αυξάνεται και η χωρητικότητα. 

Αν χρησιμοποιηθεί η χρωματιστή κόλλα Α4 και την τυλίξουμε μαζί με το χαρτόνι που φέρει επάνω του τα αλουμινόχαρτα σε ρολό, ώστε να μην έρθει σε επαφή το αλουμινόχαρτο κατά το τύλιγμα και προκληθεί βραχυκύκλωμα, τότε η ένδειξη γίνεται 8,17nF. Αυτό δίνει κίνητρα για επιπρόσθετα συμπεράσματα στο μαθητή.

Καταχωρεί τα αποτελέσματα, μειώνει στο μισό τις διαστάσεις του πυκνωτή και συγκρίνει αυτά. Ενδεχομένως να γίνει καταγραφή σε πίνακα με διάφορες περιπτώσεις όπως μεγεθών  αλουμινόχαρτου, μονωτικών υλικών, αποστάσεων κ.λπ. 

Για να προσαρτήσουμε τα μαθηματικά στη μεθοδολογία υπάρχουν πάρα πολλές δυνατότητες: υπολογισμός χωρητικότητας από τις διαστάσεις των αλουμινόχαρτων, υπολογισμός Φορτίου κ.λπ. Υπάρχουν πολλές δυνατότητες ένταξης των μαθηματικών.

Για να εντάξουμε την υπολογιστική επιστήμη η σκέψη μας πηγαίνει στο να χρησιμοποιήσουμε το ελεύθερο λογισμικό LTSpice για την εξαγωγή της γραφικής παράστασης φόρτισης-εκφόρτισης του πυκνωτή. Στο βίντεο που παραθέτουμε https://www.youtube.com/watch?v=Ebjw5ZAKTQY

στη συνέχεια παρουσιάζεται όλη η διαδικασία ανάπτυξης λεπτομερώς.

Έτσι έχουμε εντάξει την φυσική (Επιστήμη – S), Τεχνολογία (πληροφορική - Τ), Μηχανική (κατασκευή –Ε) και τέλος τα Μαθηματικά.

Αυτή η ανάρτηση δίνει μια ιδιαίτερη παιδαγωγική προσέγγιση της πρακτικής μάθησης. Ο μαθητής κατασκευάζει, δημιουργεί, ερευνά και μαθαίνει από την εμπειρία του και το πείραμα. Αυξάνονται οι κομβικές του δεξιότητες και αισθάνεται την ικανοποίηση μιας επιτυχημένης κατασκευής.

 Θέλει προσοχή η χρήση του καπασιτομέτρου λόγω της ιδιαιτερότητάς του, ώστε η χωρητικότητα που θα μετρήσουμε να είναι μέσα στα όρια μέτρησης που δίνει ο κατασκευαστής του οργάνου. Αν δεν είναι μπορεί να χρησιμοποιηθεί παράλληλα πυκνωτής εμπορίου ώστε να την αυξήσουμε και οι μετρήσεις μας να έχουν ακρίβεια.

Ιστοσελίδα μετατροπής μονάδων χωρητικότητας: https://www.convertworld.com/el/choritikotita-pyknoti/mikrofarant.html που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τους μαθητές.

Πως θα γινόταν το μάθημα αυτό με τον παραδοσιακό καθιερωμένο τρόπο ;

Καμία σχέση με αυτό που παρουσιάσαμε. 

Έχουμε πει ότι θέλει πολύ δουλειά και διάθεση, από τον εκπαιδευτικό, το STEM. Τα διαθέτουμε? 

Για τον καλλίτερο σχεδιασμό του μαθήματος θα μπορούσε να αναπτυχθεί και το σχέδιο μαθήματος. Παραθέτουμε τη διεύθυνση ανάρτησής μας που αφορά το σχέδιο μαθήματος: 

http://sv1ahh1.blogspot.com/2018/03/blog-post.html

Στη διεύθυνση: 

https://www.youtube.com/watch?v=se-K_rYKh80  υπάρχει και δεύτερο σχετικό βίντεο:

Πολύδωρος Σταυρόπουλος, Μηχανολόγος Εκπαιδευτικός, MSc STEM in Education (Παιδαγωγικό Τμήμα ΑΣΠΑΙΤΕ), Επιθεωρητής Ασφάλειας, Υγείας και Ποιοτικού Ελέγχου, Συγγραφέας, Αmbassador STEM Scientix.