Няма нищо по-хубаво от горещ душ и топла вкусна храна след игра навън!

А как водата в банята става топла и откъде идва енергията, която използват електроуредите? А ако се намирате на Луната? Как може да се снабдите с енергия за вашите нужди?

Изпробвайте този STEM проект, за да разберете как слънчевата енергия може да бъде използвана за отопление, стерилизиране на вода или готвене.

Същност на проекта

В този STEM проект учениците изследват слънчевата светлина като източник на енергия. Те проектират и изграждат слънчева фурна, с която могат да затоплят вода или храна, като използват уловената слънчева енергия. За целта учениците използват ограничен набор от материали, с които трябва да изработят дизайн, отговарящ на определени изисквания:

  1. Фурната трябва да има размери не по-големи от 40 см. x 40 см.
  2. След 10 минути температурата във фурната трябва да се увеличи с 10∘ C

Учениците изследват на практика процеса на инженерно проектиране, докато използват различните етапи за успешно изпълнение на екипното предизвикателство. На база получените резултати и направените наблюдения при работата с моделите, те подобряват дизайна и правят измервания, за да анализират представянето на готовите изделия. Като контролни показатели се използват температурата във вътрешността на фурната и времето, необходимо за затопляне на водата или храната, поставени в нея. Получените резултати от различните модели на дизайна се отразяват в обща линейна графика, като всеки дизайн се изобразява с различен цвят линия.

Цели по предметно знание

В работата по този STEM проект са заложени следните учебни цели:

  • назоваване и описване на основни видове енергийни източници;
  • дефиниране на понятията слънчева енергия, оранжерия, отразена светлина, система за охлаждане, изолация;
  • измерване на температура;
  • създаване на модел на слънчева фурна, отговаряща на определени ограничения в дизайна и изисквания за експлоатация;
  • графично представяне на данни;
  • анализ на данни.

Цели по ключови умения

  • развиване на творческото, критичното и аналитичното мислене на учениците, чрез създаване на дизайн, отговарящ на определени изисквания;
  • повишаване наблюдателността на учениците, посредством откриване на причинно-следствените връзки между дизайна на модела и неговото представяне;
  • конструктивна екипна работа в творческия процес.

Времетраене

Работата по проекта може да бъде осъществена в рамките на една седмица, като основните дейности могат да бъдат направени в рамките на 3-4 учебни часа.

Необходими материали

За този STEM проект всяка от работните групи ще има нужда от следните материали:

  • термометър;
  • таймер;
  • алуминиево фолио;
  • алуминиева тавичка;
  • найлонови пликове в три различни цвята (достатъчно големи, за да покрият кутията);
  • ярка слънчева светлина или настолна лампа с мощност на крушката 100 W;
  • шоколад, бонбони маршмелоу или друг вид хранителни стоки, които се повлияват бързо от промени в температурата;
  • ръкавици или щипки;
  • по две картонени кутии за всяка група: 
    • Вътрешната кутия трябва да има отвор около 35 см. × 35 см. и да бъде достатъчно голяма, за да може в нея да се постави алуминиевата тавичка. Височината на кутията трябва да бъде с около 2,5 см. по-голяма от тавичката;
    • Външната кутия трябва да е по-голяма от всички страни, като остава най-малко 1,5 см. въздушно пространство между двете кутии от всяка страна. Височината на външната кутия трябва да е с около 2,5 - 5,0 см. по-голяма от вътрешната кутия;
  • шивашки метър;
  • дълга линия;
  • макетно ножче;
  • един голям лист картон за капака на слънчевата фурна (с ширина и дължина около 10 см. по-големи от тези на външната кутия);
  • дървени шишчета;
  • листове картон със същия размер като долната част на вътрешната кутия;
  • листове вестник или рекламни брошури;
  • лепило C 200;
  • плик за готвене;
  • Работен лист за изследване на Слънцето като източник на енергия;
  • Работен лист за създаване на инженерен дизайн.

Теоретична постановка

На астронавтите се налага да вземат почти всичко със себе си, за да си създадат местообитание на Луната, но има едно нещо, от което няма да се нуждаят - слънчева енергия. Голяма част от Луната е изложена на слънчева светлина постоянно, освен за кратко по време на лунно затъмнение. Ако тази енергия може да бъде използвана, тя може да захранва почти всичко в лунното местообитание, включително бойлер или фурна!

Енергията на Слънцето е едновременно свободна и възобновяема, което означава, че може да се използва отново и никога не се изчерпва. Други енергийни източници, като природен газ или въглища, са невъзобновяеми. Тяхното количество е ограничено и в някакъв момент ще се изчерпи. Освен това техния добив и употреба причиняват замърсяване на околната среда.

Инженери от цял свят работят усилено за създаването на слънчеви колектори, които постепенно да изместят традиционните източници на енергия. С помощта на соларни панели, много домакинства успяват да генерират достатъчно енергия за загряване на вода за битови нужди, както и за захранване на електроуреди.

Разработени са много устройства, които използват слънчева енергия. В соларните фурни може да се приготвя храна, да се пастьоризира вода или дори да се стерилизират инструменти. Те са изградени по такъв начин, че да абсорбират повече топлина, отколкото освобождават. В изработената от учениците фурна например, вътрешната кутия е покрита с пластмасов прозорец от плик за печене, който работи като парников покрив, покрития с фолио черен рафт играе ролята на „радиатор“, а вестниците между двете картонени кутии представяват изолатор, който възпрепятства отделянето на топлина извън фурната. Цвета на прозореца също оказва влияние върху генерираната топлина във фурната, тъй като различните цветове поглъщат и отразяват различно количество светлина.

Подготовка

  1. Уверете се, че сте избрали слънчев и топъл ден, в който да опитате този проект, като имате предвид, че за провеждането на тестовете ще имате нужда от най-горещата част на деня с най-пряката слънчева светлина. Ако проектът ви отнеме няколко дни, опитайте се да провеждате тестовете по едно и също време на деня на едно и също място всеки път.
  2. Препоръчително е да отделите няколко минути в началото на часа, за да запознаете учениците с правилата за безопасност при работа с хранителните продукти и със слънчевата фурна:
    • Учениците трябва да измият добре ръцете си със сапун, преди да докосват храната;
    • Когато се изважда или поставя тавичката във фурната, трябва да се поставят защитни ръкавици или да се използват щипки.

Ангажиращо въведение

  • Дискутирайте какви източници на енергия използваме за ежедневните си нужди. Откъде идва енергията? Как се произвежда и транспортира до нашите домове? Какви са ползите и недостатъците при използването на различните енергийни източници? Генерираните изводи и идеи се записват в работния лист за изследване на алтернативните източници на енергия.
  • Разделете класа на четири работни групи и раздайте на всяка от тях по един работен лист за създаване на инженерен дизайн. Представете на учениците целите на настоящия STEM проект. Запознайте ги с ограниченията в дизайна и изискванията към крайния продукт.
  • Разгледайте основните стъпки в инженерния процес. Подгответе децата за възможността техните устройства да не функционират по най-добрия начин от първия опит.

Изпълнение

След като учениците се запознаят с целите и изискванията по проекта, групите могат да започнат създаването на своите прототипи.

  • Капакът на външната кутия се затваря, след което централно върху него се поставя по-малката вътрешна кутия. Контурите й се очертават с маркер. С макетно ножче се изрязва отвор по контура.
  • След това учениците отбелязват каква ще бъде височината на вътрешната кутия. Тя трябва да бъде около 2,5 см. по-висока от алуминиевата тавичка и около 2,5 - 5,0 см. по-ниска от външната кутия. На всяка от страните на кутията се начертава линия, оказваща необходимата височина. С макетното ножче се изрязва внимателно по контура.
  • От вътрешната страна на голямата кутия се залепва алуминиево фолио.
  • На дъното се поставят няколко листа смачкан вестник, така че когато вътрешната кутия се постави в отвора на външната, техните горни ръбове да се изравнят. Количеството смачкани вестници трябва да бъде достатъчно голямо, за да не потъва надолу вътрешната кутия при добавяне на тавичката с храна/вода. Смачкани вестници се поставят и в страничните пространства между двете кутии - това ще помогне за изолиране на фурната и намаляване на загубата на топлина.
  • След това учениците трябва да залепят алуминиево фолио от вътрешната страна и на малката кутия.
  • Горният ръб на вътрешната кутия се залепва към външната кутия с C 200, като е добре да се фиксира на места и с тиксо, докато лепилото изсъхне.
  • От парче картон със същите размери като дъното на вътрешната кутия, се изработва нагревател. За целта учениците залепват от едната му страна алуминиево фолио, след което върху него се поставят два слоя черен найлон.
  • Нагревателят се поставя на дъното на вътрешната кутия с черната страна нагоре. С това основната част на фурната е готова.
  • От големия лист картон се прави подвижен капак за слънчевата фурна. Вече готовата фурна се поставя централно върху листа картон и се очертават нейните граници. Картонът се прегъва по направените очертания, така че капакът да захлупва плътно фурната. Капакът не се залепва за фурната! Той трябва да е подвижен, за да се поставя и изважда тавичката от фурната.
  • След това учениците трябва да очертаят върху капака контурите на вътрешната кутия. Три от страните на получения правоъгълник се прорязват с макетно ножче. Последната страна се прегъва нагоре, образувайки отразяваща плоскост, която насочва слънчевите лъчи към фурната. За да може да изпълнява добре функциите си, тя трябва да бъде облепена с алуминиево фолио.
  • Когато този рефлектор е отворен, пряката и отразената слънчева светлина попадат във фурната и затоплят поставените в нея храна или вода. За да се задържи топлината вътре във фурната, изрязания в капака отвор трябва да бъде покрит. От долната страна на капака учениците трябва да залепят по един голям плик за печене, покриващ целия отвор. Пликът се залепва във вида, в който е, без да се разтваря.
  • Върху плика за готвене три от групите трябва да поставят плътен слой найлон, например от торби за смет. Всяка група трябва да използва различен цвят, например черен, бял и син. Останалата фурна без цветен найлон ще служи за контрола.
  • Капакът се поставя обратно върху фурната. С помощта на дървено шишче рефлектора се застопорява да стои отворен по време на готвенето.
  • След като прототипите са вече готови, учениците трябва да тестват тяхната  производителност. Можете да направите това, като изпробвате колко време отнема да се затопли вода до определена температура или чрез измерване на температурата във фурната след определен период от време.
  • Измерете температурата във фурната преди началото на експеримента и я запишете в работния лист за изследване на Слънцето като източник на енергия. След това поставете всички фурни на добре огрято място, ориентирани към Слънцето. Поставете вътре тавичките с храна/вода и затворете капака. Отворете рефлектора и го застопорете с дървеното шишче, за да стои отворен.
  • В единия ъгъл на отвора на капака се пробива малка дупчица, в която се поставя термометъра. В продължение на 10 минути, учениците трябва да отчитат температурата във фурните на всеки 30 секунди. Получените резултати се записват в работните листове.
  • След изтичане на зададеното време, анализирайте представянето на слънчевите фурни. Успяха ли всички да повишат температурата си с 10 градуса за 10 минути? Каква е максималната измерена температура и при кой от моделите е достигната тя?
  • На база получените резултати, всяка от работните групи трябва да помисли как може да подобри своя дизайн. 
  • След като направят нужните модификации, учениците трябва да повторят тестовете и да запишат получените резултати в работните листове. Новите дизайни представиха ли се по-добре от прототипите?
  • Представете данните от тестовете графично. Направете линейна графика, като върху оста х се записва времето, а на оста у - отчетената температура. За различните фурни използвайте различен цвят линия.

Заключителна част

Всички работни групи представят изработените слънчеви фурни, показват получените резултати и обясняват какви подобрения са направили в дизайна, за да получат по-висока температура при крайния продукт. 

Анализирайте коя фурна достигна най-високата температура и каква е максималната температура, която учениците успяха да получат. Какви особености в дизайна обуславят по-доброто представяне? От какво зависи количеството на генерираната топлинна енергия?

Възможности за надграждане на проекта

  • Проследете температурата в соларните фурни в различно време през деня. В кои часове на деня температурата е най-висока?
  • Опитайте различни видове изолация между вътрешната и външната кутия и сравнете резултатите.
  • Изчислете скоростта, с която водата се загрява, в градуси в минута. Отразете данните графично, според цвета на отвора на фурната. Проверете колко бързо могат да бъдат затоплени 2 литра вода, ако се използва единствено слънчевата енергия.
  • Би било забавно да опитате да използвате слънчевата фурна, за да приготвите храна. Имайте предвид, че ще имате нужда от около два пъти повече време, за да приготвите храна със слънчева фурна, отколкото в конвенционална фурна, така че ще трябва да планирате предварително времето за тази дейност.

За какво да внимаваме

  • След нагряването си слънчевата фурна може да стане много гореща. Уверете се, че учениците използват ръкохватки или щипки при изваждането и поставянето на тавичките в нагретите фурни.

В този интересен STEM проект учениците изследват как слънчевата светлина може да бъде използвана като алтернативен източник на енергия за задоволяване на ежедневни битови нужди. В процеса на работа те се сблъскват с различни ограничения в дизайна и подобно на инженерите търсят научно обосновани решения за тяхното преодоляване. По този начин те развиват своето критично, аналитично и творческо мислене. И не на последно място - откриват практическо приложение на изучаваните в училище научни принципи. Не се чудете повече, сгответе на открито с този STEM проект!

За статията са използвани следните ресурси, които са допълнени с личния опит на автора: