STEM проект за 7. – 12. клас
Много учители споделят, че предмети като физика, химия и математика се възприемат от учениците като трудни за разбиране и усвояване. Често това се дължи на факта, че учениците не успяват да разберат връзката на тези изучавани дисциплини с реалните проблеми от ежедневния живот. Всъщност повечето ученици асоциират учебния материал по тези предмети с комбинация от букви и знаци, които трябва да бъдат научени наизуст, а мотивацията за учене е свързана единствено с получаването на високи оценки.
Прилагането на STEM проекти позволява един по-различен научно-изследователски подход към тези науки, който ги свързва с реални житейски ситуации и с работата на специалисти в различни научни сфери.
Същност на проекта
В този проект учениците създават дизайн, конструират и тестват автомобили, които трябва да могат да се движат по наклонена повърхност и да се придвижат по равнината възможно най-далеч. Предизвикателството тук е да се създаде превозното средство изцяло от паста, като отделните елементи са слепени с горещ силикон. На учениците се предоставят различни видове паста, които могат да използват за отделните части на автомобилите си, например кръгла паста за колела и лазаня за шасито. Учениците се запознават с принципите на гравитационната потенциална енергия, кинетичната енергия и силата на триене.
В края на проекта се организира състезание. Победител в него е екипа, чийто автомобил измине най-голямо разстояние извън рампата.
Връзка с инженерните науки
Дейността изисква учениците да обмислят по какъв начин могат да използват хранителни продукти като градивен материал. Освен това, трябва да се има предвид, че пастата е чуплива и съвсем не е създадена да бъде конструктивен материал за движещ се автомобил. По този начин учениците ще бъдат поставени в ролята на реалните инженери, които се сблъскват в работата си с подобни предизвикателства, свързани с ограниченията в материалите, теглото и стойността им. Например механо инженерите могат да имат за задача да създадат рамка за автомобил с най-лекия и здрав наличен материал. Това обаче може да се окаже толкова скъпо, че автомобилът да е на практика непродаваем. Такова предизвикателство инженерите решават, като намират баланс между различните променливи и създават рамки, които са здрави, безопасни и относително леки, като съобразяват цената на материалите с възможностите на производителите и крайните потребители.
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, моделиране на дизайна, повторно тестване и производство.
Учебни цели
След края на проекта учениците трябва да могат да:
- дефинират и правят разлика между гравитационна потенциална енергия и кинетична енергия;
- обясняват как автомобила увеличава скоростта си, благодарение на гравитационната сила;
- аргументират направени промени в дизайна на автомобила след тестването на прототипа;
- обяснят какво означава “ограничения в дизайна”;
- изчисляват гравитационна потенциална енергия и кинетична енергия;
- изчисляват средна скорост на движение на автомобилите.
Необходими материали
Всяка група трябва да има:
- различни видове паста, които учениците да използват като градивен материал за своя автомобил;
- пистолет с горещ силикон и пълнители;
- работен лист за оценяване на знанията преди/след проекта – по 2 копия за всеки ученик;
- правила за конструиране;
- правила за състезаване;
- брошура за въведение в проекта;
- теоретична рубрика за кинетичната и потенциалната енергия;
- работен лист за създаване на инженерен дизайн – по един за всеки ученик;
- формуляр за тестване на прототипите;
- формуляр за самооценка – по един за всеки ученик;
- молив и хартия за скициране на автомобилите.
Материали за обща употреба от целия клас:
- малък автомобил с колела, тип играчка, с която можете да направите демонстрация за скоростта на автомобила по рампата, в зависимост от тежестта му (по желание);
- компютър с достъп до интернет, на който учениците могат да потърсят примери за автомобили от паста (по желание);
- тестова рампа за изпробване на автомобилите от паста (фазер, мукава, поликарбонат или друга твърда плоскост с размери 91 х 61 cm, която трябва да повдигнете в единия край на височина 33 cm);
- хартиено тиксо;
- шивашки метър или рулетка;
- електронна везна.
Необходими знания и умения
- Да могат да използват рулетка или линия за измерване на разстояние;
- Да имат представа за основните стъпки в инженерния процес;
- Да имат основни познания за гравитация и енергия на движение.
Преди да започнете…
- имайте предвид, че ще имате нужда от 2-3 учебни часа за провеждането на проекта. Можете да го проведете съвместно с колеги, които преподават дисциплини, свързани с проекта. Например ако сте учител по физика, можете да работите съвместно с колегите по математика, изобразително изкуство или технологии и предприемачество.
- обмислете дали да приготвите по един еднакъв комплект от различни видове паста за всеки екип или да оставите наличния асортимент на достъпно за всички място;
- по желание можете да направите примерен автомобил от макарони, който да покажете на учениците;
- преценете дали да позволите на учениците да потърсят дизайни в интернет, да им представите избрани от вас модели или да оставите въображението на учениците да ги води в процеса;
- подгответе тестовата рампа. За изработването ѝ можете да използвате фазер, мукава, поликарбонат или друга твърда плоскост с размери 91 х 61 cm, която трябва да повдигнете в единия край на височина 33 cm. Можете да използвате книги или кутии за реализирането на необходимия наклон. Прикрепете рампата за кутиите с помощта на тиксо, за да не се размества при спускането на автомобилите;
- залепете две дълги ленти тиксо върху пода, от двете страни на рампата. По този начин ще оградите пространството, в което автомобилите ще се движат и ще спират, след пускането им по наклонената повърхност. Разграфете двете ленти тиксо през 2 cm, за да можете да измерите колко дълго са се движили автомобилите след напускане на рампата.
Теоретична постановка
Този проект има за цел да постави учениците в реална ситуация на проектиране, свързана с генериране на идеи, тестване, учене от грешките и моделиране на прототипа на база на наученото. Все пак някои основни научни знания могат да помогнат на учениците да създадат по-успешни прототипи. Разстоянието, което изминава автомобилът, е свързано с кинетичната енергия, която той получава при спускането си по рампата, както и със силата на триене.
Автомобилът увеличава скоростта си докато се спуска надолу по рампата. Това се обяснява с преобразуването на гравитационната потенциална енергия в кинетична енергия. От своя страна гравитационната потенциална енергия е свързана с гравитационната сила, която притегля всички обекти към земната повърхност. Колкото по-далеч от земята е обектът и колкото е по-голяма масата му, толкова по-голяма гравитационна потенциална енергия има.
Аналогично, ако поставите автомобила от паста по-високо на рампата или увеличите масата му, като добавите още материал, той ще се движи по-бързо и ще измине по-голямо разстояние.
Кинетичната енергия е енергия на движението и е свързана с масата и скоростта на движение на обекта. Колкото по-голяма кинетична енергия има автомобилът от паста, докато се спуска по рампата, толкова по-далеч ще отиде, след като достигне пода. Съгласно закона за запазване на енергията, енергията не се създава и не се губи, а само преминава от една форма в друга. Това означава, че кинетичната енергия, която получава автомобила докато се спуска по рампата е пряко свързана с потенциалната енергия, която той има в горната ѝ част. Ако височината, от която се пускат автомобилите по рампата е фиксирана, единственият начин за увеличаване на кинетичната енергия е да се увеличи теглото на автомобила.
Макар по-тежкият автомобил да изглежда като чисто предимство, съществуват и някои недостатъци. Силата на триене е свързана с начина на свързване на подвижните компоненти и действа в посока обратна на движението, като по този начин намалява скоростта ѝ. По-тежките автомобили обикновено имат по-голяма сила на триене и създават по-голям натиск върху крехките компоненти от паста. Следователно трябва да се намери компромисен вариант, така че автомобилът да бъде достатъчно тежък, за да създаде голямо количество кинетична енергия и същевременно да не бъде твърде тежък, за да не се счупи от собственото си тегло.
От инженерна гледна точка, последната точка от създаването на дизайна на автомобила е да се минимизира силата на триене. Това означава да се изберат колела, които се търкалят гладко, да се сглобят отделните елементи възможно най-плътно и да се ограничи контактът между движещите се части.
Безплатен бюлетин с ресурси
Запиши се, за да получаваш всяка седмица практични ресурси и идеи
Ход на проекта
Въведение
- Запознайте учениците с целите на проекта, след което раздайте на всеки по един формуляр за оценка на знанията преди/след проекта. В него учениците трябва да запишат какво вече знаят за кинетичната и потенциалната енергия.
- 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 дадените материали и експериментиране с тях. Търсене на примери за автомобили, направени от паста, в интернет;
- 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 за по-добро представяне на автомобила във финалното състезание.
- Разделете учениците в групи по трима или четирима. Формирайте групите, така че да имат равни шансове за успех.
- Раздайте на всяка група по една брошура за въведение в проекта. В нея учениците могат да намерят основните изисквания към предстоящата им работа, някои затруднения, с които ще се сблъскат, практически насоки и съвети.
Изследване
След като всички групи се запознаят с основните цели, изисквания и предизвикателства, които са включени в проекта, учениците трябва да изследват някои свързани с темата физични принципи. Получените знания ще им помогнат да създадат автомобил от макарони, който най-добре да изпълнява изискванията и да изведе отбора си на челно място във финалното състезание.
- Раздайте на всяка група по една теоретична рубрика за кинетичната и потенциалната енергия. Освен раздадените материали учениците могат да използват предпочитани от тях източници на информация например статии, видеа, справочници, образователни платформи и приложения в интернет, могат да задават въпроси и на учителя.
- Припомнете на учениците каква е целта на проекта, както и кои са основните предизвикателства, свързани с нея. Демонстрирайте колко е крехка пастата. Обяснете на учениците, че трябва да работят много внимателно и да вземат предвид физическите характеристики на материала, когато създават своите прототипи.
- Раздайте на всяка група по един формуляр с правила за конструиране. Разгледайте ги заедно и се уверете, че всички ги разбират добре.
- Покажете на учениците примерна количка от паста или им покажете изображения, които сте избрали от интернет пространството. Така те могат да придобият представа какво трябва да създадат. Тази стъпка не е задължителна. Можете да оставите въображението на учениците да ги насочва в процеса.
- Раздайте на всеки ученик по един работен лист за създаване на инженерен дизайн. Отделните полета в работния лист съответстват на основните стъпки в инженерния процес.
- Всеки ученик трябва да запише в работния си лист някои основни идеи, които има за дизайна на автомобила от паста, и да направи скица, представяща идеите му. 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.
- Следващата стъпка е учениците да определят какъв вид паста да използват за всеки от компонентите на автомобила.
- Раздайте по един комплект паста на всеки отбор или уведомете учениците откъде могат да си вземат необходимите детайли.
- На база направената скица учениците трябва да направят прототип на автомобил от паста, като слепват отделните елементи с горещ силикон. Уверете се, че всички ученици знаят как да работят с него безопасно. Наблюдавайте процеса и оказвайте подкрепа на учениците, които не са работили досега с такова лепило.
Тестване на прототипите
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.
- Посъветвайте учениците да тестват периодично движещия механизъм на автомобилите си, преди да са конструирали целия автомобил. Така ще ги предпазите от това да прекарат твърде много време в създаване на нефункциониращ автомобил.
- Раздайте на всеки екип по един формуляр за тестване на прототипите. В него учениците трябва да запишат теглото на автомобилите и да изчислят потенциалната им енергия в горната част на рампата.
- След това учениците трябва да тестват прототипите като ги пуснат по рампата няколко пъти и измерят разстоянието, което те изминават извън рампата. Разстоянието се отчита съгласно правилата за състезаване – от рампата до най-близката до нея част на спрелия автомобил. Освен разстоянието, учениците трябва да измерят теглото на автомобилите и да засекат времето им на движение. За целта те трябва да използват хронометър, който да стартират едновременно с пускането на прототипа по рампата.
- Учениците трябва да запишат резултатите от тестването и да пресметнат гравитационната потенциална енергия на автомобилите и скоростта, с която са се движили.
- Освен това учениците трябва да наблюдават дали всички компоненти на автомобилите им функционират правилно и да запишат в работните листове за създаване на инженерен дизайн кои елементи са добре поставени и кои имат нужда от корекция.
Подобряване на дизайна
Според направените тестове и забелязаните недостатъци на прототипа, учениците трябва да подобрят дизайна на автомобилите си като променят формата, теглото или начина на свързване на елементите му.
След направените корекции екипите имат право да тестват отново автомобилите си преди финалното състезание. Резултатите от вторичните тестове трябва да бъдат отбелязани във формуляра за тестване на прототипите.
Според правилата за състезаване, учениците нямат право да правят нови корекции в дизайна след вторичните тестове.
3…2…1… СТАРТ!
След всички направени тестове и подобрения идва време и за състезанието. Раздайте на всеки екип по един екземпляр от правилата за състезаване. Уверете се, че всички ученици ги разбират добре.
След това всеки екип трябва да представи своя автомобил от паста и да го пусне по рампата. Измерва се изминатото от автомобила разстояние и се записва на дъската. Когато всички ученици са представили работата си, трябва да излъчите победител.
За награда можете да връчите на най-добрите отбори значки за първо, второ и трето място, които можете да изработите от макарони или от картон.
Можете да предвидите и други категории, в които да оценявате автомобилите, например артистичност, аеродинамика, практичност.
Край на проекта
На базата на получените резултати разгледайте с класа автомобилите, които са се представили най-добре. Организирайте дискусия, с помощта на която учениците да установят по какъв начин тяхната конструкция им е дала предимство в състезанието.
Помолете всеки екип да разкаже как е използвал резултатите от тестовете на прототипа, за да подобри дизайна на автомобила си. Ако имаха право да направят още промени на автомобилите си, какви щяха да бъдат те?
Раздайте на всеки ученик по един формуляр за оценка на знанията преди/след проекта. Помолете учениците да го попълнят отново и да сравнят отговорите с дадените преди началото на проекта.
Обратна връзка
В края на проекта помолете всеки ученик да си направи самооценка, според скалата за успеваемост.
За статията са използвани следните ресурси, които са допълнени с личния опит на автора:
