STEM предизвикателство – да построим мост

Примерен проект по физика за 7. – 12. клас

Случвало ли ви се е понякога учениците да ви гледат с неразбиращ поглед, отегчение или досада? Ако сте учител по физика, вероятно отговорът е “да”. Поради липсата на достатъчно практически занимания в часовете по тази дисциплина, тя често остава неразбрана и неоценена от учениците. Това е причината все повече учители да използват STEM проекти в класната си стая, с което да провокират интереса на учениците си и да подобрят учебния процес. Използването на STEM проекти позволява един по-различен научно-изследователски подход към различните науки, който ги свързва с реални житейски ситуации и с работата на специалисти в различни научни сфери.

Същност на проекта

В този проект учениците трябва да създадат дизайн и да конструират мост, който да отговаря на точно определени изисквания. Запознават се с различните типове мостове и физичните сили, които действат върху тях. На базата на получените знания проектират и изграждат подходящи дизайни с подръчни материали.

В края на проекта се организира представяне на мостовете. Всеки екип трябва да направи демонстрация, с която да покаже предимствата на своя дизайн.

За провеждането на този STEM проект ще имате нужда от 3-4 учебни часа, като можете да работите съвместно с колегите си по изобразително изкуство и по технологии и предприемачество. Мостовете са конструкции, които трябва да имат определена здравина и устойчивост, но също така трябва да отговарят на определени икономически и естетически критерии. При изграждането им инженерите трябва да се съобразяват с определен бюджет, избор на подходящи материали и външен вид, който да съответства на околния ландшафт.

Връзка с инженерните науки

Дейността изисква учениците да влязат в ролята на инженери, които се сблъскват с подобни предизвикателства, свързани с ограниченията в материалите, теглото и стойността им в работата си. Те трябва да намерят баланс между различните променливи и да създадат мостове, които са здрави, безопасни, устойчиви на различните климатични условия, съобразени с нуждите и изискванията на общността.

В процеса на работа учениците следват същия алгоритъм от действия, който инженерите използват в работата си – генериране на идеи, създаване на прототип, тестване, оценка на качеството на пробния модел, дефиниране на слабите страни, модифициране на дизайна, повторно тестване и производство.

Учебни цели

Работата на учениците по този STEM проект е свързана със следните учебни цели:

• изследване на третия закон на Нютон за силите на действие и противодействие;
• изследване на движението на обектите, в резултат от сборното действие на различните сили, влияещи върху него, и в зависимост от неговата маса;
• изграждане и представяне на аргументи в подкрепа на твърдението, че гравитационните взаимодействия са сили на привличане и зависят от масите на взаимодействащите си обекти;
• осигуряване на инженерно решение, вземайки предвид съответните научни принципи и ограничения в инженерния дизайн като потенциални въздействия върху хората и природната среда;
• оценяване на дизайнерските решения, чрез използване на систематичен процес, за да се определи колко добре отговарят на критериите и ограниченията в дизайна;
• анализиране на данни от тестове с цел определяне на приликите и разликите между няколко дизайнерски решения, за да се идентифицират най-добрите характеристики и недостатъците на всяко от тях;
• комбиниране на характеристиките на различни дизайни в ново инженерно решение, което отговаря по-добре на критериите за успех;
• разработване на модел за генериране на данни за цялостно тестване и модификация на предложен обект, инструмент или процес, така че да може да се постигне оптимален дизайн.

Необходими материали

Всяка група трябва да има:

• пластмасови сламки;
• ножица;
• тиксо;
• 1 лист картон, размер А4;
• конец;
• формуляр за проследяване на процеса – по 1 за всеки ученик;
• теоретична рубрика за мостовете;
• работен лист за типовете мостове – по 1 за всеки ученик;
• формуляр за създаване на инженерен дизайн – по 1 за всеки ученик;
• формуляр за тестване на прототипите;
• формуляр за самооценка на представянето – по 1 за всеки ученик;

Материали за обща употреба от целия клас:

• презентация с различните типове мостове;
• основни стъпки в инженерния процес;
• електронна везна (незадължително);
• хронометър;
• чашка със 100 монети от 1 стотинка.

Теоретична постановка

Какво е мост?

Мостовете са конструкции, които осигуряват безопасното преминаване на пешеходци, моторни превозни средства или влакове над физически препятствия. Такива са проходите, долините, пътищата и железопътните линии, както и различните водни басейни. Мостовете са едно от най-старите инженерни изобретения на човечеството. Конструкциите им варират в зависимост от градивния материал, формата на терена и функциите, които изпълняват.

Различните мостове са направени от различни материали и всеки вид материал има определена еластичност. Еластичността е способността му да променя формата си, докато върху него действа сила, и след това да се връща в първоначалната си форма. Освен това всеки материал има определена граница за това доколко формата му може да бъде променена, преди да има трайно увреждане. Тази еластичност позволява на различни части на моста да изпитат напрежение, без да се счупят. Това е една от причините мостовете да се правят от различни материали в зависимост от силите, които ще въздействат върху тях.

В зависимост от използвания конструктивен материал, мостовете могат да бъдат дървени, каменни, стоманени, железни и стоманобетонови. Дървото се използва при по-сложни конструкции като рамкови, висящи и фермови мостове. Сводовите мостове пък са изградени от каменна зидария. Такива са били голяма част от римските мостове. Някои от тях са запазени и до днес и са на повече от 2000 години. Стоманата притежава много по-голяма здравина на опън и натиск и се използва основно при строителството на мостове под формата на въжета, профили или ламарини. Използват се и стоманени отливки. Стоманата се използва основно при строителството висящи мостове, фермени мостове и други. С появата на стоманата и стоманобетона през 20 век започват да се строят много по-големи мостове. Стоманобетонът обединява предимствата на бетона и стоманата. При това бетонът обхваща стоманата от всички страни и го предпазва от корозия, а стоманата придава якостта си на конструкцията. Стоманобетонът се използва при по-голямата част от съвременните мостове.

Според предназначението си мостовете могат да бъдат пешеходни, велосипедни, пътни и железопътни, мостове-канали, мостове-тръбопроводи, екологични – за преминаване на различни животни през пътнотранспортни магистрали.

Преди да определят размера, формата и цялостния вид на моста, инженерите трябва да обмислят много неща – разстоянието, което трябва да се премине, видовете налични материали, условията на средата, предназначението и евентуалните проблеми, които могат да възникнат. Макар разнообразието да е голямо, от древни времена инженерите са проектирали четири основни вида мостове, които са способни да устоят на различните природни сили. 

1. Гредови мост – състои се от хоризонтална греда, поддържана от всеки край от колони. Тежестта на гредата натиска право надолу стълбовете. Колкото по-отдалечени са колоните му, толкова по-слаб става мостът. Ето защо мостовете с греди се използват предимно на малки разстояния и обикновено са предназначени за пешеходци и велосипедисти. При голямо натоварване на моста, гредата се огъва надолу, а краищата ѝ – нагоре. 
2. Фермов мост – състои от набор от триъгълници. Мостовете с ферми обикновено се правят от поредица от прави стоманени пръти. Твърдите рамена се простират от двете страни на два стълба. Диагонални стоманени тръби, стърчащи от горната и долната част на всеки стълб, държат рамената на място. Всяка греда в този конзолен мост изпитва или изтласкваща сила, или сила на опън. Решетките рядко се огъват. Ето защо фермовите мостове могат да се изграждат на по-големи разстояния от мостовете с греди.
3. Сводови мостове – имат опори във всеки край и са оформени като извита арка. Конструкцията на сводовите мостове позволява да се  прехвърли теглото на моста и неговите натоварвания частично в хоризонтална тяга, ограничена от опорите от двете страни. Виадукт (дълъг мост) може да бъде направен от поредица от арки.
4. Висящи мостове – могат да имат много по-голяма дължина от всеки друг тип мост. Повечето висящи мостове имат система от ферми под пътното платно, за да издържат на огъване и усукване. При всички висящи мостове пътното платно виси на масивни стоманени кабели, които са захванати в твърди бетонни блокове в горната част на две кули в двата края на моста. Колите натискат пътното платно надолу, но тъй като платното е окачено, кабелите прехвърлят натоварването в двете кули. Те издържат по-голямата част от тежестта на моста.

Какви сили действат върху един мост?

Трите закона на Нютон за движение помагат да се обяснят силите и общите закони, на които те се подчиняват.

1. Обект в покой или с постоянна скорост ще остане такъв, освен ако върху него не действат небалансирани сили.
2. Съвместните сили, действащи върху тяло, ще предизвикат пропорционално ускорение в тази посока, регулирано от уравнението: F=ma (В това уравнение F е сила, m е маса и a е ускорение).
3. За всяко действие има равно по големина, но обратно по посока противодействие.

Има няколко основни вътрешни и външни сили, които действат върху мостовете и трябва да се вземат предвид при изграждането им.

Преди началото на проекта

1. В зависимост от възрастта на учениците ви и техните знания, преценете трудността на проекта и изберете съответстващо задание;
2. Раздайте на учениците списък с необходимите материали, с които трябва да разполагат;
3. Подгответе кратка картинна презентация с различни модели мостове.

Ход на проекта

Въведение (10-15 минути)

1. Представете проблема. Това може да бъде толкова просто или толкова сложно, колкото искате. Можете да създадете история въз основа на книга или филм, да създадете своя собствена история или просто да представите проекта като необходимост от изграждане на мост между две населени места. Можете да използвате и реален сюжет. В някои части на страната ни често има наводнения, които разрушат мостове и пътища и откъсват населените места от близките градове, което поставя жителите им в ситуация на недостиг на хранителни продукти и лекарска помощ. Можете да потърсите решение на този проблем с вашите ученици.
2. Ключов момент във въведението на учениците в темата на проекта е да помогнете на децата да свържат това, което вече знаят за мостовете, с това, което предстои да научат и направят. Раздайте на всеки ученик по един работен лист за проследяване на процеса.
3. Представете на учениците презентация с различните видове мостове. Презентацията  трябва да бъде проектирана през целия час, като най-подходящо би било снимките да се сменят автоматично. Това ще даде ясна представа на учениците за това как са конструирани различните мостове, както и кои решения са най-подходящи в конкретния контекст. Ще породи също така и много въпроси: “Защо мостовете имат различни форми?”, “Защо са изградени от такива материали?”, “Защо някои от тях са подвижни и как е постигнат този ефект?”, “Кой от тези мостове ще е най-подходящ в конкретния контекст?”. Учениците трябва да запишат въпросите си в работния лист за проследяване на процеса. 
4. Представете на учениците таблото с основните стъпки в инженерния процес на създаване на нов дизайн или го проектирайте на дъската. На базата на тези стъпки разпределете работата по проекта в няколко етапа:

• изследване на характеристиките на дадените материали и експериментиране с тях;
• дискусия на генерираните идеи между членовете на екипа;
• избор на дизайн на екипа;
• изработване на прототип;
• тестване на прототипите. Изследване на работата на отделните компоненти;
• внасяне на подобрения в дизайна.

     5. Разделете учениците в групи по трима или четирима. Формирайте групите, така че да имат равни шансове за успех, т.е. във всяка група да има деца с разнородни умения и на различни нива.

Изследване (30 минути)

Не е нужно да обяснявате защо даден модел е изграден по съответния начин, нито в каква ситуация е най-подходящ. Оставете учениците сами да открият отговорите на тези въпроси. Това ще развие тяхната наблюдателност и критическо мислене. 

1. Раздайте на екипите по една теоретична рубрика за мостовете. В нея учениците ще открият основна информация за някои от най-често използваните видове мостове – от какви материали са изградени, каква е препоръчителната им дължина и за какви условия са подходящи. Можете да позволите на учениците да използват също различни видеа, образователни ресурси и платформи в интернет, за да открият отговорите на въпросите си.
2. Раздайте на всеки ученик по един работен лист за типовете мостове. В нея трябва да бъдат записани най-важните характеристики на четирите основни типа мостове.
3. Отделете няколко минути, в които да дадете допълнителни обяснения на учениците за силите, които действат върху различните видове мостове, както и да отговорите на въпросите, които са затруднили учениците.
4. Учениците трябва да запишат във формуляра за проследяване на процеса отговорите на въпросите, които са си поставили, както и всякакви нови въпроси, които са им хрумнали.
5. Преди да започнат изграждането на мостовете, учениците трябва да могат да преценят какъв тип мост ще отговаря най-добре на конкретни условия – дължина, особености на релефа, воден транспорт, натовареност на движението по моста, изисквания за естетичност и цена за изграждане. Предложете на учениците примерна задача за избор на подходящ мост при зададени определени условия. Така те ще развият критическото си мислене и ще придобият знания за това как да изберат подходящ дизайн, отговарящ на дадените условия и ограничения. ТУК можете да намерите примерна задача, в която учениците трябва да преценят какви мостове трябва да бъдат изградени на 4 локации с различни характеристики и изисквания към дизайна. Под всеки предоставен избор има вградена връзка, с помощта на която учениците могат да разберат дали са направили правилен или грешен избор, както и причините за това.

Експериментиране и планиране (30 – 60 минути)

След като учениците са разбрали добре устройството и функциите на мостовете, те могат да започнат да обмислят кой от тези типове мостове може да им свърши работа в поставения от вас контекст.

1. На базата на определените от вас изисквания и ограничения, те трябва да определят кой от основните видове мостове ще използват и какъв дизайн ще бъде най-подходящ. Задължително условие трябва да бъде мостът да може да издържи натоварване от 100 монети от 1 стотинка за 30 секунди. Преди да започнат с изграждането на прототипите, екипите трябва да определят вида, посоката и големината на силата, която чашката ще упражни върху моста. Предварително премерете теглото на чашката с монетите или осигурете електронна везна, с която учениците да го измерят сами.
2. Раздайте на учениците по един формуляр за създаване на инженерен дизайн. В него всеки трябва сам да попълни какви са изискванията към неговия мост, какви идеи има за изграждането му, какви материали планира да използва и как ще ги прикрепи един към друг. Генерираните идеи трябва да бъдат представени под формата на скица в съответното поле във формуляра.
3. След това учениците от всяка група трябва да дискутират идеите и скиците си, да ги комбинират и да изготвят вариант за дизайн, който да удовлетворява целия екип.
4. Следващата стъпка от проекта е изработването на прототип.  Можете да използвате сламки, кламери, листове картон и тиксо като строителни материали. Те са достъпни, евтини, осигуряват голяма гъвкавост и позволяват най-голямо разнообразие от дизайни на мостове. Тук можете да видите няколко примера за мостове, направени с посочените материали.

Тестване на прототипите (10 минути)

Много важен момент в работата по проекта е тестването на прототипите. Важно е да подготвите учениците си за вероятността от незадоволително представяне или дори счупване на пробните модели. Обяснете им, че това е напълно нормално и се случва на всички инженери. Тестването на прототипите има за цел да покаже слабите места на изделието и възможностите за подобряването му.

1. Раздайте на всеки екип по един формуляр за тестване на прототипите. Когато екипите са готови с прототипите си, всеки от тях трябва да постави чашка със 100 монети от 1 стотинка върху своя мост. Засечете с хронометър колко време ще издържи мостът преди да се счупи. Екипите трябва да наблюдават внимателно отделните елементи на мостовете си – кои от тях работят добре и кои имат нужда от подобрение. 
2. Във формулярите за тестване на прототипите учениците трябва да отбележат колко дълго е издържал мостът им и, ако се е счупил, кои части от него са се счупили първи и кои характеристики трябва да бъдат подобрени.

Подобряване на дизайна (15 минути)

Според направените тестове и забелязаните недостатъци на прототипа, учениците трябва да подобрят дизайна на мостовете си като променят формата, дължината или начина на свързване на елементите му. 

1. Във формуляра за тестване на прототипите екипите трябва да отбележат силните и слабите страни на мостовете си, както и възможните решения за установените недостатъци.
2. След направените корекции екипите имат право да тестват отново мостовете си преди финалното им представяне. Резултатите от вторичните тестове също трябва да бъдат отбелязани във формуляра за тестване на прототипите.

Край на проекта (20 минути)

Помолете всеки екип да обясни причините за избора на дизайна на своя мост и да докаже пред класа, че той отговаря на всички поставени изисквания. Трябва също да разкаже как  е използвал резултатите от тестовете на прототипа, за да подобри дизайна на моста си.

На базата на представените дизайни разгледайте с класа мостовете, които най-добре отговарят на поставените изисквания. Организирайте дискусия, с помощта на която учениците да установят по какъв начин конструкцията на тези мостове им е дала предимство.

Можете да предвидите и други категории, в които да оценявате мостовете –  артистичност, практичност, екологичност, цена за изграждане и др.

Обратна връзка (5 минути)

Чудесен завършек на всеки проект е анализирането от страна на учениците на тяхната собствена работа и проявените емоции по време на процеса. Това помага на учениците да подобряват ученето си, да откриват своите силни и слаби страни, да развиват емоционалната си интелигентност, а също и да откриват подходящи за тяхната индивидуалност методи за справяне с трудностите.

Помолете всеки ученик да си направи самооценка, според скалата за успеваемост, която можете да изтеглите от ТУК. 

 

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

BUILDING BIG: The Bridge Challenge

Straw Bridges – The Stem Laboratory