Wszędobylskie elektrony czyli ostrożnie z prądem! Nauka podstaw elektryczności w gimnazjum w metodologii IBSME Dagmara Sokołowska, Mateusz Wojtaszek, Witold Zawadzki, Grzegorz Brzezinka 1 Metodologia IBSME (Inquiry Based Science and Maths Education) jest wyjątkowo trafna w przypadku nauczania fizyki, ze względu na fakt, że odzwierciedla pracę naukowców, sposób poznawania świata. Od lat można zauważyć, że podawczy sposób przekazu wiedzy z fizyki - przedmiotu charakteryzującego się wyjątkową złożonością - jedynie odstrasza od niego uczniów oraz zniechęca do dalszego dociekania praw przyrody w późniejszej edukacji. Metody IBSME stanowią nieodłączny element nauczania fizyki, który pominięty w toku nauki, pozbawia uczniów tego co najważniejsze i najbardziej fascynujące możliwości osobistego zastanowienia się nad problemem, jego poznania, wypróbowania teorii i ich przetestowania poprzez eksperymenty. Zrozumienie podstaw fizyki, szczególnie na początkowym etapie jej nauczania, tj. w gimnazjum, stanowi fundament, bez którego nie można zgłębić tego przedmiotu bardziej szczegółowo. Dodatkowo, subiektywna prostota treści nauczania na tym etapie, pozwala niemal na każdej lekcji użyć metodologii IBSE choćby w niewielkim wymiarze. Z drugiej strony nauczanie poprzez rozumowanie (czy też jak niektórzy wolą: dociekanie naukowe lub odkrywanie ) można idealnie połączyć z obecnymi wymaganiami podstawy programowej, sprawiając, że lekcje nie tylko staną się dla uczniów ciekawsze, ale będą także wymagały od nich większego zaangażowania co przekłada się na lepsze poznanie i zrozumienie materiału. Trzeba pamiętać, że wykorzystując tę metodologię należy zapewnić uczniom przede wszystkim odpowiednie materiały i wskazówki. Natomiast metoda odkrywania powinna zostać zgłębiona przez nich samych, aby tak, jak prawdziwi naukowcy samodzielnie potrafili ocenić, czy wyniki ich pracy, eksperymentów i wnioski z nich wyciągnięte są słuszne, a eksperymenty dobrze zaplanowane. Wymaga to więcej czasu niż w rzypadku podawczego nauczania, pozwala jednak bardziej zaangażować uczniów zarówno w szkole, jak i poza nią. Zachęcamy do zapoznania się z proponowanym opisem materiałów dydaktycznych, które mogą zostać wykorzystane w czasie przeprowadzania lekcji z elektryczności. W zajęciach, w przedstawionej poniżej formie warsztato- 1 Polska Grupa Projektu Fibonacci Projekt Fibonacci: http://www2.if.uj.edu.pl/fibonacci/ 76
Wszędobylskie elektrony czyli ostrożnie z prądem! Nauka podstaw elektryczności w gimnazjum w metodologii IBSME wej, do obecnej chwili wzięło udział parę tysięcy dzieci w grupach od 10 do 30 osób w wieku od 10 do 14 roku życia (dla dzieci ze szkół podstawowych część materiału przedstawionego poniżej jest pomijana). Zajęcia opierają się na podstawowym pytaniu, na które bardzo często z powodu niewiedzy uczniowie, jak i ludzie dorośli nie są w stanie poprawnie odpowiedzieć: Czy prąd elektryczny jest niebezpieczny? Ogólne cele zajęć: kształtowanie umiejętności projektowania i przeprowadzania eksperymentów [Cele kształcenia wymagania ogólne - II] 2, kształtowanie umiejętności obserwowania zjawisk fizycznych i wyciągania z nich poprawnych wniosków, kształtowanie umiejętność pracy z urządzeniami elektrycznymi, zbudowanie podstawowej wiedzy na temat elektryczności, wykształcenie umiejętności wskazywania w otaczającej rzeczywistości przykładów zjawisk opisywanych za pomocą poznanych prac i zależności fizycznych [Cele kształcenia wymagania ogólne - III]. Sposób prowadzenia zajęć W miarę możliwości uczniowie powinni pracować samodzielnie lub w dwuosobowych grupach. Ławki powinny być tak ustawione, by każda grupa miała łatwy dostęp do nauczyciela, a nauczyciel - do uczniów (preferowany układ podkowy ). Zajęcia zostały ułożone w taki sposób, aby można je było dowolnie rozwinąć/skrócić i podzielić na więcej lekcji w zależności od tego, jakim czasem dysponuje nauczyciel. Materiały wykorzystane podczas zajęć Wszystkie materiały dydaktyczne zastosowane w trakcie zajęć są materiałami łatwo dostępnymi. Ważne jest, by uczeń po powrocie do domu mógł znikomym kosztem sam przeprowadzić te same doświadczenia, które wprowadzono na lekcji. Daje to możliwość zgłębienia tematu przez zainteresowanych uczniów. Można również część doświadczeń przenieść do domu i polecić uczniom ich samodzielnie przeprowadzenie. Pozwala to także na nauczanie fizyki w odniesieniu do życia codziennego, co z kolei umożliwia przekonanie ich, że to, czego się uczą jest praktyczne, związane z ich życiem. Daje to również możliwość wyjaśnienia uczniom zjawisk, które od dawna obserwowali, a nad którymi się nie zastanawiali lub których nie potrafili wyjaśnić. Zajęcia można podzielić na kilka podstawowych części. Każda część rozpoczyna się od zebrania obserwacji uczniów z życia codziennego, budowaniu przez uczniów teorii, wykonania eksperymentów oraz wysnucia z nich wniosków. 2 W nawiasach kwadratowych podano wymagania z podstawy programowej MEN po reformie z roku 2009, z przedmiotu fizyka dla III etapu edukacji. 77
1. Z czego składa się świat? Celem tej części jest podsumowanie wiedzy uczniów na temat atomów, a także uświadomienie im, że to elektrony oderwane z atomów poruszające się ruchem uporządkowanym, stanowią prąd elektryczny. Powszechnie znane eksperymenty łatwe, do przeprowadzenia na lekcjach w bardzo prosty sposób ukazujące możliwość elektryzowania ciał przez pocieranie, to: elektryzowanie słomek do napojów poprzez pocieranie, elektryzowanie baloników przez pocieranie, elektryzowanie taśm izolacyjnych poprzez odrywanie. 3 Te proste eksperymenty dobrze poprowadzone przez nauczyciela i starannie wykonane przez uczniów prowadzą do wyciągnięcia przez nich wielu istotnych wniosków dotyczących ładunków elektrycznych [Treści nauczania wymagania szczegółowe (TN-WS) 4.1, 4.2, 9.6]. Zdobycie przez uczniów wiedzy o ładunkach elektrycznych pozwala w dość prosty sposób przejść do opisu przepływu prądu elektrycznego [TN-WS 4.6]. Chodzi w tym wypadku o odniesienie się do potocznych sformułowań typu: ściągając sweter kopnął mnie prąd. Stąd natomiast jest już krótka droga, poprzez opis krótkotrwałego przepływu ładunku, do opisu samego przepływu prądu elektrycznego. Po wykonaniu tych paru eksperymentów uczniowie sami potrafią wskazać mnóstwo przykładów z życia codziennego, w których dochodzi do elektryzowania się przedmiotów [(TN-WS) 4.4]. Potrafią także wytłumaczyć, dlaczego tak się dzieje. Czy przepływ ładunku elektrycznego jest zatem niebezpieczny? Na pewno nie ten z naelektryzowanego balonika, ani nie ten, który kopie nas podczas ściągania swetra, czy dotykania metalowej klamki lub obudowy urządzeń wtedy, gdy jest się naelektryzowanym. 2. Dlaczego prąd płynie? Celem tej części jest określenie warunków koniecznych przepływu prądu. Ponownie, rozpoczynając od zebrania od uczniów informacji dotyczących obserwacji z życia codziennego, dochodzimy do wniosków, że aby w obwodzie płynął prąd, to obwód musi być zamknięty, powinien przewodzić prąd oraz niezbędne jest podpięcie do niego źródła zasilania. Eksperymenty, polegające na budowie różnego typu obwodów elektrycznych z działającymi żarówkami oraz bateriami, pozwalają nie tylko sprawdzić te hipotezy, ale także przekonać się, że prąd z baterii nie jest niebezpieczny. Bardzo kształcące jest tutaj podrzucenie uczniom paru baterii, które są rozładowane oraz 3 Opisy tych jak i kolejnych eksperymentów można znaleźć między innymi na stronie Ogólnopolskiego Konkursu Nauk Przyrodniczych Świetlik http://www.swietlik. edu.pl/jak-sie-przygotowac/laboratorium 78
Wszędobylskie elektrony czyli ostrożnie z prądem! Nauka podstaw elektryczności w gimnazjum w metodologii IBSME popsutych żarówek. To właśnie kontakt z niedziałającymi elementami jest pewnego rodzaju wyzwalaczem, który mobilizuje do zadania pytania: dlaczego i rozpoczęcia eksperymentowania w celu sprawdzenia swoich hipotez z powodu nieświecącej żarówki w układzie [(TN-WS) 4.12, 9.7]. 3. Co przewodzi prąd? Wcześniejsze dwie części szczególnie odnosiły się do codziennych obserwacji uczniów oraz do ich wiedzy zgromadzonej w toku nauczania. W tej części celem jest samodzielne zaprojektowanie przez uczniów prostego eksperymentu, wykonanie go oraz wyciągnięcie wniosków. Badaniu zostają poddane różne przedmioty, a celem eksperymentów jest określenie, które z przedmiotów (materiałów) przewodzą prąd, a które nie. Przed sprawdzeniem materiałów ważne jest poznanie hipotez uczniów, czy dany materiał przewodzi czy nie przewodzi prądu elektrycznego [(TN-WS) 4.3]. Pozwoli to na skonfrontowanie ich wiedzy potocznej z doświadczeniem, a także zmusi do zastanowienia się nad podstawami - przyczynami ich pierwotnych (intuicyjnych) przewidywań. Przewodność materiałów wytworzonych z pospolitych tworzyw sztucznych czy też metalu jest prosta do określenia. Problem stanowią natomiast: grafit (z ołówka automatycznego lub zwykłego) czy woda. Aby lepiej przyjrzeć się metodologii IBSME i określić proces odkrywania skupmy się na przykładzie przewodności wody. Czy woda jest elektrolitem, czy izolatorem? Tak zwana mądrość ludowa sprawia, że uczniowie są przekonani, że woda bardzo dobrze przewodzi prąd w każdym przypadku. Przekonania są tak mocno zakorzenione, że pomimo, iż nie boją się dotknąć baterii suchymi palcami, obawiają się jej dotknąć mokrą ręką twierdząc, że wtedy kopnie ich prąd. Jednakże wykonując prosty eksperyment (identyczny, jak te powyżej) od razu przekonują się, że coś tu się nie zgadza. Obserwacja uczniów jest następująca: włączając do obwodu z baterią i żarówką wodę, żarówka nie świeci. Jest to impuls, który powoduje, że uczniowie zaczynają tworzyć hipotezy i stawiać pytania: jak zmodyfikować eksperyment lub użyte materiały, by sprawdzić, czy i kiedy woda przewodzi prąd? Przykładowe pytania uczniów: Czy woda zacznie przewodzić, gdy podepniemy kilka baterii? Czy woda będzie przewodzić, gdy zastosujemy mniejszą żarówkę? Może przewodność wody zależy od tego czy woda jest ciepła, czy zimna? Może przewodność wody zależy od tego, jak bardzo jest czysta? Na tej podstawie łatwo wysnuć parę teorii, które uczniowie mogą przetestować. Posługując się wynikami tych eksperymentów mogą wykluczyć hipotezy lub zmodyfikować je. Niezbędna staje się tutaj rola nauczyciela, który musi pokierować tokiem rozumowania i naprowadzić uczniów poprzez dodatkowe pytania na poprawne wnioski czy też poprawne przeprowadzenie 79
doświadczeń. Mamy więc do czynienia z ograniczonym dociekaniem naukowym. Czy zatem woda przewodzi prąd elektryczny? Oczywiście tak, ale tak jak w przypadkach innych materiałów, natężenie tego prądu zależy od wartości przyłożonego napięcia. Warto tutaj wspomnieć, że należy zachować szczególną ostrożność i ograniczyć liczbę baterii, łączonych szeregowo przez uczniów, w celu uzyskania wyższego napięcia w obwodzie. 4. Oto skutki przepływu prądu! W ciągu roku wszyscy zużywamy ogromne ilości energii elektrycznej. Jaki jest natomiast skutek tego, że prąd przepływa przez różnego typu urządzenia? Jak możemy ograniczyć zużycie prądu? Czy prąd płynący w kablach wysokiego napięcia jest dla nas niebezpieczny? Wybierając odpowiednie pytania można poprowadzić wiele lekcji związanych z bezpieczeństwem, ekologią, wytwarzaniem prądu. Skupmy się jednak na dwóch skutkach przepływu prądu. Pierwszy, co może się stać z człowiekiem, gdy przepłynie przez niego prąd z sieci elektrycznej? Drugi czy przepływ prądu w kablu wpływa na to, co się dzieje w jego otoczeniu? Nie wszystkie eksperymenty możliwe są do przeprowadzenia przez uczniów ze względu na to, że są niebezpieczne. Szczególnie eksperyment związany ze sprawdzeniem, co stanie się z człowiekiem, gdy przepłynie przez niego prąd. Jednakże i w takim przypadku można poprowadzić lekcję w metodologii IBSME przeprowadzając doświadczenie pokazowe. Po stworzeniu teorii przez uczniów na temat tego, co może się stać z porażonym przez prąd człowiekiem, można przeprowadzić eksperyment (pokazać film) tzw. świecący ogórek 4. Przepuszczając przez kiszony ogórek prąd z sieci elektrycznej uczniowie wysnuwają wnioski, jakie są skutki przepływu prądu [(TN-WS) 4.13] oraz czy takich samych skutków możemy spodziewać się w przypadku człowieka. Czy prąd elektryczny płynący przez kabel oddziałuje na przedmioty? Pomimo iż używamy wielu urządzeń elektrycznych wykorzystujących elektromagnesy, zwykle są one na tyle ukryte, że nie zauważamy ich istnienia. Przeprowadzenie eksperymentu z kompasem i kablem pozwala uczniom odkryć, że prąd elektryczny płynący w kablu wytwarza pole magnetyczne wokół niego [(TN-WS) 5.4, 9.10]. Czy i w jaki sposób można to pole wykorzystać? Budując elektromagnes, owijając śrubę kablem połączonym z baterią, uczniowie nie tylko mogą poznać budowę elektromagnesu, ale także sprawdzić, jak silne jest jego pole magnetyczne. 4 Eksperyment ten, znany także pod nazwą: Jak zrobić z ogórka żarówkę? polega na zasileniu kiszonego ogórka prądem z gniazdka elektrycznego. Film z eksperymentem jest dostępny na wielu portalach internetowych. Nauczyciel przeprowadzający ten eksperyment musi zwrócić szczególną uwagę na bezpieczeństwo swoje i uczniów, a także na wytłumaczenie uczniom wszystkich zagrożeń wynikających z przeprowadzania tego typu eksperymentów. 80
Wszędobylskie elektrony czyli ostrożnie z prądem! Nauka podstaw elektryczności w gimnazjum w metodologii IBSME Po wykonaniu wymienionych powyżej eksperymentów związanych z oddziaływaniem prądu elektrycznego na przedmioty, dobrze jest wprowadzić pojęcie prądu stałego i zmiennego w sposób pojęciowy. Pozwoli to na zadanie pytań badawczych uczniom dotyczących tego, jak zmieni się zachowanie układu badawczego lub wyniku eksperymentu gdy prąd stały zastąpimy zmiennym. Nie potrzeba tutaj dysponować źródłem prądu zmiennego o niskiej częstotliwości. Najprościej jest użyć źródła prądu stałego w postaci baterii i w sposób ciągły zmieniać podłączenie baterii do układu. W przypadku oddziaływania kompasu z kablem, igła kompasu powinna obracać się gdy kierunek przepływu prądu w kablu zmieni się. Podobnie można wytłumaczyć oddziaływanie elektromagnesu z magnesem w przypadku prądu zmiennego. Jako dodatek dla uczniów zainteresowanych lub w miarę dostępnego czasu można postarać się wyjaśnić działanie prostych urządzeń takich, jak dzwonek szkolny, głośnik czy zamek domofonu. We wszystkich tych urządzeniach występują elektromagnesy działające z prądem zmiennym lub stałym. Skutki przepływu prądu przez ciało człowieka też będą inne dla prądu stałego i zmiennego. W przypadku porażenia człowieka prądem zmiennym mamy do czynienia z kurczeniem się i rozkurczaniem mięśni, co nie jest obserwowane gdy człowiek zostanie porażony prądem stałym. Czy zatem prąd elektryczny jest niebezpieczny? Niebezpieczeństwo stanowi dla człowieka zbyt duże natężenie prądu elektrycznego płynącego przez jego ciało, co w praktyce oznacza, że niebezpieczne jest zbyt duże napięcie. Dlatego osoby pracujące z urządzeniami podpiętymi do wysokiego napięcia muszą uważać, by prąd nie przepłynął przez ich ciało. Powyżej przedstawiono pewien zarys cyklu lekcji na temat elektryczności. W zależności od zainteresowania uczniów, możliwości czasowych oraz tego, jaki temat będzie realizowany jako następny, można podane wyżej tematy rozwijać i łączyć z wieloma innymi. Znajduje się tam wiele elementów obowiązkowych w podstawie programowej, ale i wiele zagadnień dających możliwość rozwinięcia lekcji. Podsumowanie Poniżej przedstawiono w skrócie omówione powyżej tematy: 1. Z czego składa się Świat? [(TN-WS) 4.1; 4.2, 4.4, 4.6 9.6] a) Obserwacja: niektóre przedmioty elektryzują się przez pocieranie. b) Pytanie badawcze: dlaczego przedmioty się elektryzują? elektryzowanie przedmiotów przez pocieranie. 81
2. Dlaczego prąd płynie? [(TN-WS) 4.12, 9.7] a) Obserwacja: urządzenia elektryczne działają po podłączeniu do źródła zasilania, wykonując pracę lub wydzielając ciepło. b) Pytanie badawcze: co trzeba zrobić by prąd zaczął płynąć w obwodzie? łączenie obwodu elektrycznego bateria-żarówka. 3. Co przewodzi prąd? [(TN-WS) 4.3] a) Obserwacja: w kablach i w urządzeniach elektrycznych przepływa prąd. b) Pytanie badawcze: czy przez wszystkie przedmioty może płynąć prąd? sprawdzanie przewodności różnego typu materiałów. 4. Oto skutki przepływu prądu! [(TN-WS) 4.13, 5.4, 9.10] a) Obserwacja: urządzenia domowe, przez które przepływa prąd mogą świecić, grzać, wykonywać pracę. b) Pytanie badawcze: czy człowiek przewodzi prąd elektryczny i jakie są tego skutki? Czy i jak prąd przepływający w kablach może oddziaływać na przedmioty? świecący ogórek (doświadczenie pokazowe, wykonywane wyłącznie przez nauczyciela), oddziaływanie kompasu z kablem, przez który płynie prąd, budowanie elektromagnesu ze śruby. Przedstawiony scenariusz zajęć został stworzony w ramach europejskiego projektu The Fibonacci Project, celem którego jest tworzenie, wdrażanie, testowanie oraz sformalizowanie procesu upowszechniania w Europie nauczania matematyki i przedmiotów przyrodniczych opartego na rozumowaniu (tzw. metodologia IBSME) na wszystkich czterech etapach edukacji szkolnej. Projekt finansowany przez Unię Europejską w ramach 7. Programu Ramowego (The Fibonacci Project: http://www.fibonacci- -project.eu/ ) 82