Παράδειγμα Μεθοδολογίας STEM (Ιστιοφόρο Όχημα)

Σε αυτήν την ανάρτηση θα παρουσιάσουμε ένα υποδειγματικό μάθημα ολοκληρωμένου STEM. 

Για πληροφορίες σχετικά με το τι είναι ολοκληρωμένο STEM αναφερόμαστε στην ανάρτησή μας: http://sv1ahh1.blogspot.com/2021/05/stem_11.html

Οι κατασκευές έγιναν από τον Blogger με μηδενικό κόστος με υλικά που υπάρχουν σε κάθε σπίτι. Με click στις φωτό μεγεθύνονται.

Σκέψεις για το μάθημα:

Πρόκειται να σχεδιάσουμε και να κατασκευάσουμε μία προσομοίωση ενός ιστιοφόρου οχήματος το οποίο θα κινείται με αιολική ενέργεια.

Είναι χρήσιμο, αλλά όχι απολύτως απαραίτητο, να έχουν διδαχθεί οι μαθητές τις ακόλουθες έννοιες:

Κινητική ενέργεια

Τριβή

Δύναμη          

Μάζα

Όπως θα διαπιστώσετε η εκπαιδευτική διαδικασία που θα ακολουθήσουμε είναι μεθοδολογία STEM γιατί συνδυάζει την Φυσική (S), την πληροφορική (T), την Μηχανική (Ε) και τα Μαθηματικά (Μ).

Σίγουρα, δεν υπάρχει ιστιοφόρο όχημα, γιατί δεν είναι εφικτή η κυκλοφορία του αφού η κίνηση του θα ήταν ζικ-ζακ, όπως των ιστιοφόρων πλοίων-σκαφών. Η κατασκευή ενός τέτοιου μοντέλου, υπό τη μορφή παιχνιδιού, είναι έργο τεχνολογίας και μηχανικής και προσφέρει πολλές γνώσεις στους μαθητές.

Όταν προσάγεται αέρας από έναν ανεμιστήρα, τότε ασκείται δύναμη στο πανί και το όχημα μετακινείται προς την κατεύθυνση του αέρα. Αυτή η δύναμη ωθεί το αυτοκίνητο προς τα εμπρός. Η δύναμη πρέπει να είναι ικανή να υπερνικήσει τις τριβές στους τροχούς και την αδράνεια του οχήματος για την εκκίνηση. Η τριβή μπορεί να είναι μεγαλύτερη αν οι τροχοί ταλαντεύονται και δεν περιστρέφονται σταθεροποιημένα. Ένα μεγαλύτερο ιστίο “πιάνει” περισσότερο αέρα, άρα θα ασκείται μεγαλύτερη δύναμη και θα κάνει το αυτοκίνητο να κινείται πιο γρήγορα. Αυτό όμως δεν είναι ο κανόνας, γιατί το μεγαλύτερο ιστίο είναι βαρύτερο (έχει μεγαλύτερη μάζα). Η μάζα χρειάζεται περισσότερη δύναμη για να μετακινηθεί και ένα βαρύτερο όχημα θα έχει μεγαλύτερη τριβή στους τροχούς και μεγαλύτερη αδράνεια. Εάν ένα πανί είναι πολύ μεγάλο, θα μπορούσε ακόμη και να κάνει το μοντέλο να αναποδογυρίσει. Το ερώτημα που δημιουργείται είναι: «Ποιο μέγεθος ιστίου λειτουργεί καλύτερα για να ταξιδέψει το όχημα πιο μακριά και πιο γρήγορα;» 

Οι μαθητές μπορούν να σχεδιάσουν τα δικά τους ιστιοφόρα οχήματα, στη συνέχεια να δοκιμάσουν αυτά και να τα βελτιώσουν με τροποποιήσεις έως ότου δημιουργηθεί το καλύτερο ιστιοφόρο υψηλότερης απόδοσης. Μπορεί να δοθεί ως κίνητρο ένας διαγωνισμός για να βρεθεί ποιος σχεδίασε το καλύτερο ιστιοφόρο. Θα πρέπει να ορισθούν όμως οι κανόνες. Θέλουμε να πάει πιο μακριά ή πιο γρήγορα;  

Η ιστιοπλοΐα ήταν σε χρήση χιλιάδες χρόνια πριν. Διαβάζουμε ότι οι ανεμόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν 1.500 χρόνια πριν για να αλέθουν τα δημητριακά αλλά και για άντληση νερού. 

Μπορούν να διατυπωθούν πολλά ερωτήματα, όπως για παράδειγμα: Ποιος είναι ο τύπος υπολογισμού της κινητικής ενέργειας; Τι είναι η κινητική ενέργεια; Μονάδες κ.λπ.

Χωρίζουμε τους μαθητές σε μικρές ομάδες όπως έχουμε αναφέρει στην ανάρτησή μας:

http://sv1ahh1.blogspot.com/2021/03/stem_21.html

Η διάρκεια του μαθήματος μπορεί να διαρκέσει και 10 ώρες. Ενδεχομένως να συμπεριλάβουμε και τον χρόνο στο διαγωνισμό όχι μόνο το  βεληνεκές.

Το πείραμα απαιτεί όπως έγινε αντιληπτό και ένα ανεμιστήρα που θα τοποθετηθεί στο πάτωμα και αφού καθορίσουμε τη διαδρομή θα μετρηθεί η απόσταση που έφτασε το όχημα. Σε αυτή τη φάση μπορούμε να εμπλέξουμε τα μαθηματικά για να σχηματίσουν οι μαθητές πίνακα με εμβαδά ιστίων και  αντίστοιχη απόσταση που έφτασε το όχημα. Κάθε φορά θα αλλάζουμε ιστίο με διαφορετικό μέγεθος ή και σχήμα. Θα πρέπει  να μπει περιορισμός στα υλικά για να γίνει πιο ενδιαφέρον.

Με ένα χρονόμετρο ακριβείας, μετράμε πόσο γρήγορα μπορεί να κάνει τη διαδρομή μιας συγκεκριμένη απόσταση με διαφορετικά μεγέθη ή / και σχήματα πανιών και από αυτό να υπολογισθεί η μέση ταχύτητα του οχήματος. Οι μαθητές δύνανται να συσχετίζουν σε πίνακα τα εμβαδά ιστίων με τον χρόνο.

Μπορούμε να βιντεοσκοπήσουμε την κίνηση και με εισαγωγή του βίντεο στον Tracker να μελετήσουμε την κίνηση. Αυτό όμως θα μπορούσε να γίνει σε μεγαλύτερες τάξεις. Για να μην αυξηθεί ο όγκος πληροφοριών του άρθρου αυτού παραπέμπουμε στην ανάρτηση μας: http://sv1ahh1.blogspot.com/2018/05/video-tracker-analysis-video-and.html

Στην Ανάρτηση αυτή δίδονται πληροφορίες χρήσης του Tracker.

Ο ανεμιστήρας θα πρέπει να είναι μικρός σχετικά για να προσομοιάζει με τον άνεμο.

Όλα αυτά είναι  οι προτάσεις μας για το συγκεκριμένο θέμα που επιλέξαμε να ασχοληθούμε. 

Ανάπτυξη μαθήματος

 Η μεγάλη ιδέα του μαθήματος είναι η αιολική ενέργεια.

Η επίλυση προβλήματος είναι: «Ποιο είναι το πιο αποτελεσματικό ιστιοφόρο όχημα». 

Οι μαθητές καλούνται να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν ιστιοφόρα οχήματα που να έχουν την μεγαλύτερη δυνατή εμβέλεια αυτό απαιτεί πολλές δοκιμές και έρευνα. Υπάρχουν όμως περιορισμοί στη χρήση υλικών.

Η κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια της κίνησης. Οτιδήποτε έχει μάζα και κινείται, συμπεριλαμβανομένου του αέρα που κινείται, έχει κινητική ενέργεια. 

Η κινητική ενέργεια του ιστιοφόρου οχήματος εκφράζεται σε Joule και δίδεται από τη σχέση (½) m.U², όπου m είναι η μάζα του ιστιοφόρου (σε kg) και U είναι η ταχύτητα του ιστιοφόρου (σε m/s). 

 

Υλικά που θα απαιτηθούν:

Χαρτόνι γκοφρέ ή κάποιο άλλο ελαφρύ υλικό.

Χαρτί Α4

Ξύλινα καλαμάκια από σουβλάκια

Πλαστικά καλαμάκια

Οκτώ πλαστικά καπάκια από μπουκαλάκια νερού για τους τροχούς

Ταινία

Ψαλίδια

Μαχαίρι

Ανεμιστήρας

Κόλλα στιγμής

Θερμοσυστελλόμενο μακαρόνι

 Όταν ενεργοποιείται ο ανεμιστήρας, ο αέρας ωθεί το πανί του οχήματος. Αυτό 

αναγκάζει το αυτοκίνητο να κινηθεί προς τα εμπρός. 

Για να κυλήσει ομαλά το αυτοκίνητο, οι άξονες πρέπει να είναι παράλληλοι (ευθυγραμμισμένοι μεταξύ τους) και οι τροχοί πρέπει να είναι κεντραρισμένοι
στους άξονες και να μην ταλαντεύονται στην έδρασή τους. 

Οι τροχοί για να συγκρατηθούν σταθερά χωρίς ταλαντεύσεις στη θέση τους δεξια και αριστερά περιορίζονται από θερμοσυστελλόμενα μακαρόνια. 

Θέλει λίγο προσοχή το τρύπημα για να περάσει ο άξονας οριακά. Τρυπήσαμε με κολλητήρι. Κολλήσαμε τα καπάκια αντικριστά με κόλα στιγμής για να έχουν καλλίτερη σταθερότητα στον άξονα που περιστρέφονται και να μην ταλαντεύονται πάνω σε αυτόν καθώς κινείται το όχημα. Αν το ιστίο δεν είναι σταθερό με την ροή του αέρα μπορεί μα δεύτερο ξύλινο καλαμάκι υπό κλίση να σταθεροποιηθεί. 

       

Κατασκευάσαμε δύο οχήματα ίδια. Το ένα έχει τροχούς από πλαστικά καπάκια και το άλλο ξύλινους από κέδρο. Οι δεύτεροι είχαν μεγαλύτερο βάρος με αποτέλεσμα τη δυσκολότερη κίνηση του οχήματος.

Με την παρούσα ανάρτησή δώσαμε ιδέες για μια εξαιρετική κατασκευή που συνδυάζει όλους τους κλάδους STEM. Αν αναρωτηθήκατε που μπορεί να χρησιμοποιηθεί η εφαρμογή αυτή, σε ποια τάξη ή σε ποιο μάθημα, η απάντηση είναι απλή, στο Γυμνάσιο ή Λύκειο (ΓΕΛ/ΕΠΑΛ), στη φυσική, στην τεχνολογία κ.α.. 

Για τις εφαρμογές που σχεδιάζουμε και αναπτύσσουμε στη σελίδα μας, καθώς επίσης για τα ελεύθερα λογισμικά που παρουσιάζουμε, δίνουμε ιδέες και γνώσεις γι΄ αυτό που καθυστερεί να έρθει στη χώρα μας, είναι σίγουρο μετά βεβαιότητας ότι θα έρθει και αναφερόμαστε στο STEM. 

Παγκοσμίως έχει καθιερωθεί η προσέγγιση αυτή, είτε ως ξεχωριστό μάθημα, είτε έχει ενσωματωθεί στην ύλη των μαθημάτων. 

Πολύδωρος Σταυρόπουλος. Μηχανολόγος Εκπαιδευτικός, MSc STEM in education, Παιδαγωγικό Τμήμα ΑΣΠΑΙΤΕ. 

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