Παράδειγμα Μαθήματος Φυσικής με Ολοκληρωμένο STEM

Η Εκπαίδευση STEM, στον πυρήνα της, σημαίνει απλώς την εκπαίδευση μαθητών, φοιτητών σε τέσσερις ειδικούς κλάδους συνδυασμένα: Επιστήμη, Τεχνολογία,   Μηχανική και Μαθηματικά. Αντί να εκπαιδεύουμε τους μαθητές, σε οποιονδήποτε και ξεχωριστά, από αυτούς τους τομείς, το STEM συνδυάζει και τους τέσσερις σε μία διεπιστημονική και εφαρμοσμένη προσέγγιση. Περισσότερα σε επίπεδο διδακτικού σεναρίου θα βρείτε στη διεύθυνση: http://sv1ahh1.blogspot.com/2021/11/blog-post.html

Η μεθοδολογία αυτή εξοπλίζει καλύτερα τους μαθητές, ώστε να έχουν μια εξαιρετική επαγγελματική καριέρα και να εξετάζουν τις εφαρμογές του πραγματικού κόσμου με άλλη θεώρηση. Παραδεκτό είναι ότι υπάρχει STEM ακόμη και αν ένας κλάδος, από αυτούς απουσιάζει, σε πολύ μικρές ηλικίες. Όμως όταν συνυπάρχουν και οι τέσσερις, τότε προκύπτει ολοκληρωμένο STEM.

Έχουμε αναφερθεί πολλές φορές στο Blog μας πότε ένα μάθημα είναι STEM. Θα το επαναλάβουμε ακόμη μία φορά: «θα πρέπει να ενσωματώνει και τους τέσσερις αυτούς κλάδους στη μεθοδολογία αυτής της διδακτικής διαδικασίας». Αν όμως έχουμε δυσκολία να ενσωματώσουμε τον τέταρτο κλάδο (τομέα) τότε έχουμε εν μέρει STEM. Δηλαδή, περιλαμβάνει τρεις κλάδους από τους: Επιστήμη (S), Τεχνολογία (T), Μηχανική (Ε), Μαθηματικά (Μ).

Είναι πολλοί αυτοί που γράφουν και ευαγγελίζονται υπέρ ή κατά του STEM αλλά όταν ερωτηθούν:

• Tι είναι STEM;
• Πείτε μας ένα παράδειγμα μαθήματος που να έχει αναπτυχθεί με προσέγγιση STEM;
• Τι είναι ολοκληρωμένο STEM;

αδυνατούν να απαντήσουν, γιατί απλά δεν έχουν γνώση του τι ακριβώς είναι…

Υπάρχει όμως και η άλλη κατηγορία συναδέλφων «ειδικών» που παρουσιάζουν απλές κατασκευές, από χαρτί ή ξύλο ως προσέγγιση STEM που καμία σχέση δεν έχουν με αυτό.

Όταν όλα τα κράτη εφαρμόζουν καινοτόμες τεχνικές, με μετρήσιμα θετικά αποτελέσματα, εμείς συζητάμε αν πρέπει ή δεν πρέπει να τις υιοθετήσουμε. Δεν χρειάζεται να τους αφυπνίσουμε όλους αυτούς... δεν υπάρχει λόγος…

Τελευταία είδαμε από ομάδα ερασιτεχνών αστρονόμων που έκαναν, όπως λένε οι ίδιοι "μαθήματα STEM". Πάνω σε ένα χαρτόνι είχαν κολλήσει μερικά μπαλάκια που υποτίθεται ότι ήταν οι πλανήτες του πλανητικού μας συστήματος και αυτό το παρουσίαζαν ως STEM μάθημα. Αυτό μόνο γέλιο μπορεί να προκαλέσει … παρέλειψαν να συμπεριλάβουν άλλους τρεις κλάδους. Μόνο με Engineering δεν έχουμε STEM.

Ένα άλλο παράδειγμα λάθους εφαρμογής και αναφοράς είναι ο προγραμματισμός ενός robot. Αυτό είναι μόνο Τεχνολογία (Τ του STEM) λόγω της πληροφορικής που χρησιμοποιήθηκε. Αν το έχουμε συναρμολογήσει, τότε υπεισέρχεται και η Μηχανική (E του Engineering). Απουσιάζουν όμως δύο ακόμη κλάδοι, κάποια Επιστήμη και τα Μαθηματικά, ώστε να υπάρξουν οι τέσσερις κλάδοι.

Τώρα γνωρίζουμε… δεν μπορούν πλέον να μας κοροϊδεύουν.

Προκύπτει ολοκληρωμένο STEM όταν έχουν αξιοποιηθεί και οι τέσσερεις κλάδοι (S.T.E.M.) σε ένα μάθημα, δηλαδή να ενσωματώνει κάποια Επιστήμη, Τεχνολογία, Μηχανική και τα Μαθηματικά. Στη μεθοδολογία αυτή είναι απαραίτητο να υπάρχει μεγάλη ιδέα, επίλυση προβλήματος και αυτενέργεια των μαθητών. Έτσι λοιπόν αν καταφέρουμε και εντάξουμε τους 4 κλάδους, τότε το STEM είναι ολοκληρωμένο.  

Στην ανάρτηση αυτή θα παρουσιάσουμε μια υποδειγματική εφαρμογή ολοκληρωμένου STEM. 

Δηλαδή θα συμπεριλάβουμε και τους 4 κλάδους.

Μεγάλη ιδέα του μαθήματος μας είναι η «Ρύπανση του Περιβάλλοντος».

Το πρόβλημα που τίθεται προς επίλυση είναι πως μπορούμε από την ηλιακή ενέργεια να πάρουμε κίνηση - έργο.

Ο εκπαιδευτικός παίζει το ρόλο του παρατηρητή κατά τη διάρκεια της εφαρμογής και βοηθάει μόνο αν απαιτηθεί ώστε να μην ξεφύγουν οι μαθητές από τον κεντρικό στόχο.

Οι μαθητές αυτενεργούν, κατασκευάζουν, ερευνούν.

Το πλεονέκτημα χρήσης της ηλιακής ενέργειας αποτρέπει την κατανάλωση ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και κατά συνέπεια εξασφαλίζεται η μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) που προκαλούν τις παγκόσμιες κλιματικές αλλαγές. Έτσι χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια για κίνηση περιορίζουμε τη χρήση ορυκτών καυσίμων και συμβάλουμε στη μείωση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Δεν θα ανακαλύψουμε κάτι καινούργιο, ούτε αυτό επιδιώκεται από αυτήν την ανάρτηση. Στόχος μας είναι να παρουσιάσουμε ένα πιλοτικό μάθημα ολοκληρωμένου STEM. 

Το μάθημα αυτό μπορεί να προσαρτηθεί στο αναλυτικό πρόγραμμα της τεχνολογίας ή της φυσικής. Το μοντέλο με το οποίο θα πραγματοποιηθεί το μάθημα είναι ένα ποδήλατο που κινείται με ηλεκτρική ενέργεια. Η προσομοίωση αυτή θα μελετηθεί από τους μαθητές διεξοδικά. Ο «ηλεκτρισμός» ανήκει στο μάθημα της Φυσικής επομένως έχουμε εντάξει στην εφαρμογή μας τον πρώτο κλάδο των Επιστημών (Science). Η συναρμολόγηση του ποδηλάτου, με τον ποδηλάτη, είναι κατασκευασμένα από κόντρα πλακέ και έτσι προσθέτουμε τον δεύτερο κλάδο της Μηχανικής (Engineering), μας υπολείπονται δύο ακόμη κλάδοι, η Τεχνολογία και τα Μαθηματικά.

Η Τεχνολογία πως ορίζεται;

ορίζεται ως η εφαρμογή της επιστημονικής γνώσης για πρακτικούς σκοπούς. Άλλη έννοια που τις αποδίδεται, αφορά την ανάπτυξη συσκευών και μηχανισμών για επιστημονικούς σκοπούς και άμεσα σχετίζεται με τις εφαρμοσμένες τέχνες, εφαρμοσμένες επιστήμες ή τη Μηχανολογία. Γι’ αυτό αρκετές φορές στο Blog μας αντί να αναφερόμαστε στη Μηχανική χρησιμοποιούμε τη λέξη Μηχανολογία στον αντίστοιχο κλάδο Engineering (Ε) του STEM. Επομένως η μελέτη, η ανάπτυξη και κατασκευή ενός μοντέλου ποδηλάτη είναι Τεχνολογικό επίτευγμα (Technology). 

Στην τεχνολογία, όπως θα αναφέρουμε στη συνέχεια, μπορούμε να εντάξουμε και την υπολογιστική σκέψη (Computanional Thinking)

Απέμεινε να εμπλέξουμε τα Μαθηματικά. Θα υπολογίσουμε με μαθηματικές πράξεις την μέγιστη ισχύ που παρέχεται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο προς τον ηλεκτροκινητήρα του ποδηλάτου. Σε αυτόν τον κλάδο μπορούμε να προσθέσουμε πολλά επί μέρους θέματα, όπως για παράδειγμα, αφού μετρήσουν την τάση που παράγεται, την ένταση που διαρρέει τον ηλεκτροκινητήρα να υπολογίσουν την ισχύ αυτού. Ακόμη να μετρήσουν τις στροφές του τροχού στη μονάδα του χρόνου σε σχέση με την τάση που παράγεται ή την ηλιοφάνεια και να προσπαθήσουν οι μαθητές για βελτιώσεις της μετάδοσης. Για μεγαλύτερους μαθητές μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο Tracker και να υπολογίσουν τα επίπεδα της ηλιοφάνειας ή την ταχύτητα του ποδηλάτου.

Η προσομοίωση αυτή παρέχει τεράστιες δυνατότητες χρήσης των μαθηματικών, χρειάζεται όμως φαντασία από τον εκπαιδευτικό.

Μία διερεύνηση στην αγορά, μέσω του διαδικτύου, μας παρέχει όλα τα εξαρτήματα που απαιτούνται σε πολύ χαμηλές τιμές, προσιτές, για την κατασκευή αυτή.

Για εξοικονόμηση χρόνου αγοράσαμε το κιτ του μοντέλου από γνωστή ελληνική εταιρεία, μέσω διαδικτύου και το συναρμολογήσαμε, επίσης το χρωματίσαμε για καλαισθησία.

Βασικά Υλικά που θα χρειαστούμε για την ανάπτυξη του μοντέλου:

Κόντρα πλακέ,

Τεμάχιο ξύλου

Ένα λαστιχάκι να περιβάλει τον τροχό για να αυξηθεί η τριβή με τον άξονα του μοτέρ.

Έναν μικρό ηλεκτροκινητήρα συνεχούς ρεύματος

Ένα μικρό φωτοβολταϊκό στοιχείο, λίγο καλώδιο.

Προσοχή!!! Θα πρέπει να προσέξουμε την τάση λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα να είναι λίγο μεγαλύτερη από αυτήν που αποδίδει το φωτοβολταϊκό. Η τάση που παράγεται είναι DC (συνεχής) έτσι θα επιλεγεί ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος.

Στην περίπτωσή μας τα στοιχεία του φωτοβολταϊκού είναι:

Διαστάσεις: 10 X 6,5cm

Μέγιστη τάση που μετρήσαμε: 0,52 volt

Μέγιστο ρεύμα: 800 mA

Μπορούμε να συνδέσουμε σε σειρά ή παράλληλα περισσότερα φωτοβολταϊκά για μεγαλύτερες τιμές τάσης ή ρεύματος αντίστοιχα. όπως ακριβώς γίνεται με τις μπαταρίες.

Τα χαρακτηριστικά του ηλεκτροκινητήρα είναι:

Τάση τροφοδοσίας συνεχούς ρεύματος από: 0,5 volt έως 5 volt.

Στα 0,52 Volt λειτουργεί το μοτέρ αλλά οι στροφές του είναι πολύ λίγες όπως φαίνεται και στο παρακάτω βίντεο.

Στις μετρήσεις μας παρατηρήσαμε ότι η παραγόμενη τάση κατά το απόγευμα, με όχι ιδιαίτερη ηλιοφάνεια, ήταν 0,52 Volt περίπου. Το ρεύμα που μετρήθηκε ήταν 0,8 A. Επομένως η ισχύς είναι P=V.I   

H δε ισχύς του μοτέρ σε αυτήν την τάση είναι: P= 0,52x0.8= 0,42 Watt.

Στη διεύθυνση https://youtu.be/wjsi4O5a1EA υπάρχει το video του ποδηλάτη μας...

Μπορούμε να αναθέσουμε στους μαθητές να υπολογίσουν την ταχύτητα του ποδηλάτου από την περίμετρο του τροχού. Αυτό επιτυγχάνεται με μέτρηση των στροφών σε συγκεκριμένο χρόνο, πολλαπλασιάζοντας με την περίμετρο του τροχού και αναγωγή στην ώρα.

Για να έχει επιτυχία η μεθοδολογία STEM ο εκπαιδευτικός παίζει το ρόλο του παρατηρητή.

Δείτε πόσα σπουδαία πράγματα μπορεί να ανακαλύψει μόνος του ο μαθητής χρησιμοποιώντας τον υπολογιστή του εμπλέκοντας ακόμη περισσότερο τον κλάδο της Τεχνολογίας (Τ) στο μάθημά μας.

Αν αποφασίσουμε ότι οι μαθητές θα εργαστούν ως μικρές ομάδες θα πρέπει να σχηματιστούν:

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

Κλείνοντας την ανάρτηση αυτή θέλουμε να σκεφθείτε πως συνηθίζουμε να διδάσκουμε το μάθημα αυτό χωρίς την προσέγγιση STEM.

Στο διαδίκτυο βρίσκουμε κατασκευές οχημάτων με μικρά CD και με άλλα υλικά που υπάρχουν στο σπίτι χωρίς κόστος.

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει να αναπτυχθεί το μάθημα αυτό σε ψηφιακό διδακτικό σενάριο στο ISE που παρέχει διαδραστική χρήση: 

https://sv1ahh1.blogspot.com/2018/03/blog-post_18.html

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

ΟΠΩΣ ΚΑΤΑΛΑΒΑΤΕ ΤΟ STEM ΑΠΑΙΤΕΙ ΠΟΛΥ ΔΟΥΛΕΙΑ... 

ΕΙΜΑΣΤΕ ΔΙΑΤΕΘΕΙΜΕΝΟΙ ?

Διαβάζουμε ότι ένα φωτοβολταϊκό παράγει κάθε μέρα την ονοματική ισχύ του επί 6 το καλοκαίρι, και επί 3,5 το χειμώνα. Έτσι, από ένα φωτοβολταϊκό 100Wp* μπορούμε να αναμένουμε 550-600 Watt/h (0,6 KWh-κιλοβατώρες) το καλοκαίρι και περίπου 350 Wh (0,35 KWh) το χειμώνα, ανά ημέρα και κατά μέσο όρο. 

*Το Watt αιχμής (Wp) προσδιορίζει την ισχύ παραγωγής μιας φωτοβολταϊκής μονάδας σε θερμοκρασία 25°C και υπό ηλιακή ακτινοβολία 1kW/m² (ακτινοβολία που λαμβάνεται το μεσημέρι σε επιφάνεια κάθετη προς τις ακτίνες του ήλιου).

Για παρατηρήσεις, βελτιώσεις και διορθώσεις στο email: sv1ahh@yahoo.gr

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