Super Suger Design af en indretning til at fjerne papirafklip

Transkript

1 Super Suger Design af en indretning til at fjerne papirafklip Elektroteknik Elektricitet Enhed for årige elever OVERSAT AF: Scientix-belønnet ressource 1

2 Introduktion Dette er én af ti INGENIØR enheder for grundskolen som er udviklet til at understøtte læring i naturfag inden for en kontekst af en række ingeniørmæssige designudfordringer. Baseret på den succesfulde model: Engineering is Elementary fra Boston Museum of Science for spørgsmålsbaseret læring fokuserer hver enhed på et specifikt videnskabeligt/teknisk område og kræver ikke kostbare materialer for at bane vejen for elevstyret videnskabsbaseret udforskning og problemløsende design. Enhederne er udviklet til at appellere til en bred vifte af elever og at udfordre stereotyper om teknik og ingeniører og derved fremme både drenges og pigers involvering i videnskab, teknologi og teknik. Vores pædagogiske tilgang Centralt i hver enhed står den tekniske designcyklus: Spørg, Forestil dig, Planlæg, Frembring, Gør bedre. Understregning af denne cyklus hjælper lærere med at fremme elevernes spørgelyst og kreativitet, og giver plads til at eleverne kan udvikle deres problemløsningsfærdigheder, herunder afprøvning af alternative muligheder, fortolkning af resultater og evaluering af deres egne løsninger. Opgaver og udfordringer er blevet designede, så de er så åbne som muligt og så "rigtige svar" undgås; især har udviklerne af enheden haft til formål at undgå konkurrence, der kan fremmedgøre nogle elever, samtidigt med at man ønsker at bevare motivationen til løsning af problemer. Et vigtigt mål for alle enheder er at maksimere mulighederne for gruppearbejde og at støtte eleverne i at lære at arbejde sammen og kommunikere deres ideer effektivt. Eleverne har brug for at diskutere deres ideer, når de udforsker et nyt problem, finde ud af hvad de har brug for at vide og at dele deres resultater, designløsninger og derefter deres forbedringer. Enhederne er organiserede på følgende måde Hver enhed begynder med lektion 0, som er en generel, forberedende enhed, der er fælles for alle enheder. Lærere, der vælger at bruge mere end én enhed, vil have brug for at starte med denne lektion den første gang de bruger enhederne og begynde på Lektion 1 i de efterfølgende enheder. Lektion 1 introducerer en fortællemæssig kontekst eller et problem, der igangsætter det, der derefter sker: Lektion 2 fokuserer på udforskning af den del af naturfagene eleverne har brug for til løsning af problemet, mens de i Lektion 3 designer og bygger deres bud på en løsning. Endelig er Lektion 4 en mulighed for at de kan evaluere, præsentere og diskutere det, de har produceret. Hver enhed er dog unik, og nogle enheder er mere krævende med hensyn til videnskabelig forståelse, ligesom der er variationer i den mængde tid, der kræves til en given enhed. Sandsynlig timing og aldersgrupper er angivet i sammenfatningen af de enkelte enheder. Enhederne er designede til at være fleksible, men lærerne kan vælge, hvilke aktiviteter de ønsker at medtage, og der er muligheder for at differentiere aktiviteter for at kunne tage højde for en række færdigheder og evner. Lærersupport Hver enhedsguide er skrevet for at give passende videnskabelig, teknisk og pædagogisk støtte til lærere med en bred vifte af erfaringer og ekspertiser. Hver lektion indeholder forslag og tips til at støtte spørgsmålsbaseret læring, klasseværelsesorganisation og forberedelse. Der er fotografier til illustrering af videnskabelige og konstruktionsmæssige forhold. Der er pædagogiske noter 2

3 vedrørende videnskab i tillægget, der forklarer og diskuterer videnskabelige forhold i enheden, og hvordan man kan støtte forståelse af de centrale begreber for elever i den relevante aldersgruppe. Til kopiering findes der også arbejdsark med tilhørende svarnøgler. 3

4 Indeks Introduktion... 2 Overblik over enheden... 5 Ressourcer... 6 Lektion 0 Fremstilling af en kuvert Indledning 10 minutter diskussion i mindre grupper og med hele klassen Aktivitet 1: Hvad er en kuvert? 5 minutter, mindre grupper Aktivitet 2: At få kuverter til at passe til genstande 15 minutter diskussion i mindre grupper og med hele klassen Uddybende arbejde valgfrit minutter mindre grupper Konklusion 10 minutter diskussion med hele klassen Læringsresultater supplerende evaluering Lektion 1 Hvad er det tekniske problem? Introduktionsaktivitet hele klassen 10 minutter Ingeniørens udfordring hele klassen 10 minutter "Spørgefasen" i en teknisk designproces (TDP) mindre grupper 20 minutter Konklusion plenum 10 minutter Lektion 2 Hvad har vi brug for at vide? Introduktionsaktivitet en hårtørrer mindre grupper 20 minutter Få motoren til at arbejde individuel aktivitet 10 minutter Lav en ventilator individuel aktivitet 20 minutter Lav en kontakt mindre grupper 20 minutter (uddybende aktivitet) Konklusion plenum 10 minutter Lektion 3 Så bygger vi! Introduktionsaktivitet hele klassen 5 minutter Ingeniørens designudfordring Spørg, Forestil dig, Planlæg mindre grupper 15 minutter Design og byg mindre grupper 60 minutter Konklusion plenum 15 minutter Lektion 4 Hvordan gik det? Introduktionsaktivitet hele klassen 5 minutter Fremlæggelse af arbejdet 60 minutter Konklusion plenum 10 minutter Tillæg Den tekniske designcyklus En beretning, der sætter i sammenhæng Arbejdsark 1, lektion 0 ingeniørarbejde? Arbejdsark 2, lektion 0 ingeniørarbejde? Lærerens noter Arbejdsark 1, lektion 1 4 dokumentation af TDP-processen Arbejdsark 1, lektion 3 design og byg din egen støvsuger Naturfag lærerens noter om elektricitet og støvsugere Nogle elevers ideer om elektricitet og simple, elektriske kredsløb Partnere

5 Overblik over enheden Varighed: 4 timer, 45 minutter plus 35 minutters uddybende aktiviteter Målgruppe: elever mellem 11 og 12 år Beskrivelse: ved at reagere på opfordringen "Lad os lige få gjort rent her vi designer en støvsuger" vil eleverne lære om elektroteknik. Naturfagslæseplan: denne enhed knytter sig til læseplanen for elektricitet. Ingeniørområdet: enheden introducerer til området elektroteknik. Formål: i denne enhed skal eleverne lære at ingeniører benytter sig af en række trin, kaldet den tekniske designproces (TDP) når de designer løsninger på problemer; at identificere problemer og behov som kan løses ved hjælp af teknologi og at planlægge løsninger ved at bruge den tekniske designproces; at forstå elektriske kredsløb og den videnskab, der ligger til grund for dem; at bruge batterier, små motorer og blæsere; at designe og frembringe en lille støvsuger gennem en forståelse af hvordan den virker. Lektionerne i denne enhed: A Den forberedende lektion tager sigte på at øge opmærksomheden om hvordan ingeniørers arbejde bidrager til vores dagligliv på måder, som ikke altid er indlysende. Lektion 1 introducerer det tekniske problem, dets kontekst og den tekniske proces. I lektion 2, elementet "spørg" i den tekniske proces fører frem mod en undersøgelse af elektricitet. Lektion 3 involverer eleverne i at bruge den tekniske proces til at klare opgaven. Opgaven er at designe små støvsugere. I lektion 4, er det tid til at evaluere processen med at bygge støvsugerne. Det er også den fase, hvor eleverne kan vise, om de var i stand til at opfylde alle kriterier og hvor de kan fortælle om, hvordan de foretog forbedringer. 5

6 Ressourcer Liste over alle de materialer og styktal, der er nødvendige til 30 elever. Materiale Samlet mængde Lektion 0 Lektion 1 Hårtørrer 1 6 X Lektion 2 Lektion 3 Lektion 4 Små motorer 1,5 3V X X Batterier, 4,5 V eller 3 x 1,5 V eller X X 3 x AA Batterikasse X X Tråd med massiv kerne 1 X X Plasticflasker fra 0,5 l 2 l 15 X Papirsplitter 1 æske (X) X Papirclips 1 æske (X) X 6

7 Papstykker, 10 x10 cm 15 (X) X skævbider 2 3 (X) X Afisoleringstænger 2 3 (X) X Skumgummi X Brede elastikker 10 X X Papirstumper fra en hullemaskine Sav 1 X Limpistol 1 X Klæbebånd/Gaffatape 1 rulle X Sakse 6 X Pinde til slikkepinde 10 X A4 papir 50 X X 7

8 Lektion 0 Fremstilling af en kuvert Hvad er ingeniørarbejde? Varighed: lærerne kan vælge hvor lang tid man vil bruge på denne lektion afhængigt af, hvor meget erfaring eleverne allerede har. Introduktionen, hovedaktiviteterne og konklusionen varer 40 minutter; ekstra uddybende arbejde kan lægge minutter til. Målene med denne lektion er, at eleverne bliver klar over følgende: ingeniører udvikler løsninger på problemer ved hjælp af en lang række teknologier; de teknologier, der egner sig til løsning af et særligt problem afhænger af konteksten og de tilgængelige materialer. fremstillede genstande er blevet udviklet for at løse et problem; ingeniører kan lige så godt være kvinder som mænd. Materialer (til 30 elever) 8 pakker med "post-it" noter 8 sæt med mindst fem forskellige kuverttyper 8 sæt med mindst fem forskellige genstande 8 sæt med emballageeksempler til uddybende arbejde Pap, papir, lim, sakse til supplerende uddybende arbejde Forberedelse Saml en række forskellige kuverter og emballager Udskriv kopier af arbejdsark 1, hvis det bruges Indsaml billeder til introduktionsaktiviteten Arbejdsgang Mindre grupper Diskussion i hele klassen Kontekst og baggrund Denne lektion er ens for alle enheder, og formålet er at fremme overvejelser over, hvad teknologi er og at udfordre stereotyper om ingeniører (især dem, der knytter sig til køn) og ingeniørarbejde. Den har til formål at udvikle en forståelse af, at genstande i verden omkring os er designede med et formål og at teknologi i den bredest mulige forstand refererer til enhver genstand, system eller proces som er designet eller modificeret for at adressere et særligt problem eller behov. Elever kan overveje dette ved at diskutere, hvilket problem teknologien i en bestemt tilvirket genstand (i dette tilfælde en kuvert), har til formål at løse. I denne lektion diskuterer de den vifte af teknologier, der bruges ved fremstillingen af en kuvert til et bestemt formål. Lektionen har også til formål at undgå værdidomme i stil med "højteknologisk" versus "lavteknologisk" og tilskynde eleverne til at forstå, at det er brug af en passende teknologi i en bestemt sammenhæng, der er vigtig: de tilgængelige materialer vil bestemme den teknologi, ingeniøren bruger for at løse problemet.

9 0.1 Indledning 10 minutter diskussion i mindre grupper og med hele klassen Del klassen i grupper på 4 og udlevér en pakke "Post it" til hver gruppe. Bed gruppen om at diskutere alle de ting de forbinder med betegnelserne "ingeniørarbejde" og "teknologi". Sørg for at hvert enkelt medlem af gruppen noterer mindst én ide ned på en "Post-it" med henblik på diskussionen. Bed hver gruppe om at sætte deres Post-it notater op på et passende ark og at forklare deres valg for resten af klassen. Noter hele den samlede liste for hele klassen ned med henblik på gennemgang i slutningen af lektionen. Yderligere stof til diskussion Denne del af lektionen kan udvides ved at vise billeder der eksemplificerer stereotyper og usædvanlig brug af teknologi og bede eleverne om at gruppere billederne i forhold til om de forbinder dem med teknologi eller ikke. Man kan bruge arbejdsark 1 til dette formål, eller man kan bruge billederne der og vise dem for hele klassen. Bed eleverne om at arbejde parvis for at afgøre hvilke af billederne de synes har tilknytning til ingeniørarbejde og samtidigt at begrunde hvorfor de synes nogle har denne forbindelse og andre ikke har den. Hvert elevpar bør udveksle og diskutere ligheder og forskelle i deres ideer med et andet par. Man kan bruge disse ideer som basis for en diskussion i hele klassen, opfordre eleverne til at tænke mere fordomsfrit om hvad der kan anses for at være ingeniørarbejde og hvad der ikke kan. 0.2 Aktivitet1: Hvad er en kuvert? 5 minutter, mindre grupper Organisér eleverne i mindre grupper for at diskutere hvad en kuvert er og hvad man kan anse for at være en kuvert. Til støtte for diskussionen kan man vise en række eksempler på kuverter til særlige formål som dækker og/eller beskytter genstande eller materialer (som på billederne). En vigtig del af denne aktivitet er at opfordre eleverne til at være opmærksomme på, at der er mange måder at fortolke idéen om en kuvert på. På billederne er der en række eksempler, som kan udfordre elevernes forestillinger om, hvad en kuvert kan være: de omfatter en bredere fortolkning af hvad en kuvert er, den kan 'indeholde', 'beskytte', 'holde på plads', 'tildække', 'skjule' eller endog 'fremvise' en lang række forskellige genstande.

10 0.3 Aktivitet 2: At få kuverter til at passe til genstande 15 minutter diskussion i mindre grupper og med hele klassen Del klassen i grupper på 4 og del en række 'kuverter' ud sammen med genstande, der kunne puttes i dem. Bed eleverne om at vælge hvilke kuverter der er bedst egnede til genstandene og at forklare hvorfor. Genstandene kunne omfatte: et par briller, et certifikat eller et fotografi, der ikke må blive bøjet, et kostbart smykke, en cd, der skal kunne returneres, en samling fortrolige dokumenter, en saks. Rækken af objekter og kuverter kan varieres alt efter kontekst og hvad der er for hånden. Følgende spørgsmål kan hjælpe med til at styre diskussionen: Hvilket materiale er brugt til en given kuvert? Hvilke fikserings- og lukkeanordninger bruges i kuverten? Hvilken række af genstande ville kuverten være egnet til? Hvilke andre materialer kan den evt. fremstilles af? Hver gruppe skal fortælle klassen om, hvad den finder ud af. Der er her mulighed for at læreren kan styre diskussionen og at tale om de forskellige teknologier der bruges i hver kuverttype, herunder strukturer, fikserings- og lukkeanordninger (fx genbrugelige eller permanente lukkeanordninger, forstærkede områder, interne og eksterne materialevalg, kantforseglinger). Dette er en evaluerende aktivitet og kan relateres til den tekniske designproces: diskussionen kunne også dreje sig om den proces ingeniører skal kunne indgå i, når de er beskæftigede med at fremstille noget til løsningen af et særligt problem. 0.4 Uddybende arbejde valgfrit minutter mindre grupper Vis eleverne en række kuverter og bed dem om at evaluere deres design i forhold til deres egnethed til et bestemt formål (se billedet). Kuverter kan sammenlignes med hensyn til lukkeanordning og forstærkninger og blandingen af de forskellige materialer, der er brugt (fx bobleplastic, absorberende materiale, styrkeindlæg der giver rivefasthed) Denne aktivitet kan udvides til at se på forskellige typer af emballage i relation antallet af foldninger og hvordan de bruges til at reducere (eller eliminere) behovet for klæbestoffer i fremstillingsprocessen. De følgende tre billeder viser emballage, der ikke bruger nogen form for klæbemiddel, fremstillingen indebærer kun brug af én type materiale som tilskæres og foldes, hvorved emballagen kan lukkes.. 10

11 2. Organisér eleverne i mindre grupper der skal designe og/eller fremstille en kuvert der kan bruges til forsendelse af en given, valgt genstand. Grupperne bliver nødt til at trække på deres materialeforståelse og forståelse af designprocessen, så de kan fremstille en række alternative designs. De kan så blive evaluerede i en klassediskussion. 0.5 Konklusion 10 minutter diskussion med hele klassen Kør en plenumdiskussion, der trækker på de oprindelige 'Post-it' fra grupperne (og hvis det er formålstjenligt, kan man referere til deres oprindelige gruppering af ingenørfotografierne). Man kan minde eleverne om at deres måde at se tingene på nu er anderledes end deres oprindelige. Bed eleverne om at reflektere over, hvad en ingeniør beskæftiger sig med og hvad teknologi er. Understreg at de fleste ting vi bruger er lavet med et formål for øje, og at ingeniører bruger en række færdigheder for at kunne finde løsninger på problemer. Det involverer at man kan overveje løsninger på forskellige problemer, nogle af disse virker og andre virker mindre godt i den tekniske designproces indgår evaluering og forbedring. Det er ikke et spørgsmål om 'høj'- eller 'lav'-teknologi, men velegnet teknologi der har betydning ingeniører skal kunne tage både sammenhæng og ressourcer i betragtning. Der er mange typer af produktfrembringelse og mange forskellig mennesker fra hele verden og både kvinder og mænd er ingeniører Der kan være en række forskellige, lige gode definitioner på betegnelsen: 'ingeniør' og 'teknologi'. Disse betegnelser bruges ofte mellem hinanden, ingeniørarbejde kan derfor 11

12 betragtes som brug af teknologi til løsning af et problem. Når man taler om relationen mellem ingeniørarbejde, videnskab og teknologi, kan eleverne blive opfordret til at overveje, hvordan ingeniører i selve processen med at fremstille genstande til løsning af problemer benytter sig af en række teknologier (herunder fastholdelses- og lukkeanordninger, forskellige typer af materialer og forskellige komponenter i en række af systemer) hertil kommer forskellige forståelser af, hvad videnskab er. Dette er en lejlighed til at indlede en diskussion om, hvordan tingene bliver fremstillet og af hvem, og hvad er involveret i processen med at tænke på løsninger på problemer. 0.6 Læringsresultater valgfri evaluering I slutningen af denne lektion skal eleverne kunne: Erkende hvordan en række systemer, mekanismer, strukturer, fastgørelser og lukninger anvendes på forskellige måder i genstande så man kan levere en række løsninger på problemer Vær klar over, at den velegnede teknologi ofte afhænger af sammenhæng og af de tilgængelige materialer. Vær opmærksom på, at ingeniører bruger en lang række færdigheder når de skal udvikle løsninger på et problem. Vær også klar over, at mange forskellige typer af mennesker med forskellige interesser og færdigheder kan være ingeniører. 12

13 Lektion 1 Hvad er et ingeniørmæssigt problem? At blive klar over udfordringen Varighed: 55 minutter Mål: i denne lektion vil eleverne lære om de vigtigste funktioner i en støvsuger som eksempler på elektroteknik; hvordan den tekniske designproces strukturerer en designmæssig udfordring; at elektricitet er en energiform. Materialer (til 30 elever) whiteboard historien om den designmæssige udfordring (se tillægget) Forberedelse Læs om elektroteknik og tekniske Lav kopier af arbejdsark 1 Arbejdsmetoder Individuelt og i grupper Hovedpunkter i denne lektion Hvad ingeniører laver og hvor de arbejder. Introduktion af konteksten for den designmæssige opgave Kontekst og baggrund Introduktion af udfordringen, konteksten og designcyklussen. Eleverne overvejer hvilken viden de er nødt til at have, for at kunne klare udfordringen. 13

14 1.1 Introducerende aktivitet hele klassen 10 minutter Fortæl eleverne at denne enhed er en introduktion til det elektrotekniske område. Bed eleverne om at udpege elektriske genstande i klassen eller i deres hjem. Hvem tror de har udviklet dem? Diskutér den rolle elektricitet og elektriske produkter har i hverdagen. Hvordan ville en dag uden elektricitet mon forløbe? Elektroteknik er baseret på forskellige fysiske forhold. Elektroteknik spænder vidt, fra de mindste elektroniske komponenter i computere og mobiltelefoner til fremstilling og distribution af vores el gennem forsyningssystemerne. Elektroteknik omfatter telekommunikation, elektronik, radioteknik og elproduktion. Med elektricitet kan man overføre energi, dvs. man bruger elektricitet til at overføre energi gennem elnettet til fx drift af elmotorer. 1.2 Den tekniske udfordring hele klassen 10 minutter Læs i tillægget historien om den tekniske udfordring. Spørg eleverne om de tror, de kan løse problemet. Hvad har de brug for at vide for at kunne løse dette problem? Skriv problemet ned på et whiteboard. Opgaven er at designe en lille støvsuger. Fortæl eleverne, at de nu skal til at arbejde på den samme måde som ingeniører. Tip - information til læreren. Betegnelsen 'en støvsuger' afslører lidt med hensyn til forståelsen af hvordan apparatet virker: støvsugere virker ved at skabe en sugeeffekt. (rent faktisk er den danske betegnelse 'støvsuger' udmærket med hensyn til at forstå, at sugevirkningen er det afgørende princip). Den mekaniske/elektriske del er en ret kraftig motor, der blæser luft ud, enten bagud eller opad på apparatet, hvorved der skabes en sugevirkning nederst, hvor støvet bliver trukket ind. Alle støvsugere arbejder efter det samme princip. Hvis man fastgør en motor, der blæser luft bagud i den ene ende af en indretning, der er åben i begge ender, vil den fungere på samme måde og få luft til at strømme ind i suge-enden og ud af den anden ende. Tip: hvis du vil vide mere om hvordan støvsugere virker kan du gå til disse hjemmesider: 'Spørge'-fasen i TDP mindre grupper 20 minutter Trin 1 'SPØRG' i TDP. Brug arbejdsark 1, lektion 1 (TDP-plan). Understreg at alle tekniske opgaver begynder med spørgsmål. Begynd med at spørge eleverne om, hvad de har brug for at vide for at kunne designe og bygge en lille støvsuger? Arbejdet foregår i mindre grupper på 4-5 elever. Sørg for at eleverne er blandede med hensyn til køn og standpunkt. Lad dem diskutere i ca. 5 minutter hvad de har brug for at vide for at kunne løse problemet. Bed eleverne om at skrive alle spørgsmål fra deres gruppe ned på arbejdsark 1 på siden med SPØRG-fasen. Skriv spørgsmålene fra alle grupper på whiteboardet. Spørgsmål som kan dukke op: Hvordan kan vi skabe en sugekraft? Kan vi se på en rigtig støvsuger? Hvilke materialer kan vi bruge? 14

15 Hvilke komponenter skal vi bruge? Hvilken slags støv vil vores støvsuger kunne suge op? Hvad er succeskriterierne? Hvordan kan vi lave en blæser? Hvor stor skal støvsugeren være? Skal den have hjul? Hvordan kan vi lave en kontakt? 1.4 Konklusion plenum 10 minutter Sammenfatning af læringsmålene. Diskutér flg. med eleverne: hvad har I lært om elektroteknik? Kan I beskrive de forskellige trin i designprocessen? Har I lært hvad en støvsuger kan? Fortæl eleverne at de i den næste lektion vil begynde at besvare de spørgsmål de har stillet, og at de vil blive introduceret til de ting, de har brug for at vide for at kunne løse opgaven med at designe og bygge en støvsuger. Bed eleverne om at medbringe hårtørrere til næste lektion. De skal kun se på hårtørrerne, de skal ikke skille dem ad. 15

16 Lektion 2 Hvad har vi brug for at vide? At få noget at vide om elektricitet Varighed: 60 minutter (80 minutter med uddybende aktivitet) Mål: i denne lektion vil eleverne lære om elektriske kredsløb og strømretning; at bruge batterier, små motorer og ventilatorer/blæsere; om de forskellige dele i en hårtørrer som optakt til design af en støvsuger. Materialer (til 30 elever) 1 6 hårtørrere 30 små motorer 1,5 3V 30 batterier, 4,5 V eller 3 x 1,5 V Papir Pap (valgfrit) Papirsplitter (valgfrit) 2-3 skævbidere (valgfrit) 2 3 trådsakse (valgfrit) Tråd Papirclips Forlængerledning Gummibånd Forberedelse Forbered materialer Kontrollér batterierne Bed eleverne om at bringe hårtørrere med Arbejdsgang Individuelt og i grupper Hovedpunkter i denne lektion Forståelse af hvilke komponenter der er essentielle i en støvsuger Forståelse af hvorfor og hvordan komponenterne kan forbindes Kontekst og baggrund Spørge-elementet i TDP-processen leder hen til en undersøgelse af en hårtørrer. Ved denne undersøgelse opdager eleverne, hvordan el-motorer virker, om strøm og hvordan de kan designe en blæser. Denne viden kan de senere tilpasse, når de skal udvikle deres eget design til en støvsuger. Denne viden kan de senere tilpasse, når de skal udvikle deres støvsugerdesign. 16

17 2.1 Indledende aktivitet - hårtørrer - små grupper - 20 minutter Begynd med at forklare, hvorfor de skal se på en hårtørrer, når designopgaven er at bygge en støvsuger. (Det er mere praktisk at arbejde i mindre målestok, men den har nogle af de tekniske elementer tilfælles med en støvsuger). Lad hver gruppe arbejde med en hårtørrer, men hold én i reserve til at vise eleverne de vigtigste funktioner. Lad eleverne i grupper af 4-5 undersøge hårtørrerren (uden at skille den ad), undersøge den og stil dem spørgsmål som: Hvad lægger de mærke til? Hvilke dele er nødvendige for at en hårtørrer kan fungere? Læreren skal påpege følgende komponenter, og stille spørgsmål som f. eks.: hvad er formålet med...? Hvor sidder den? Varmelegeme hvad skal det bruges til? Varme udvikles i varmelegemet og overføres til luften. Blæseren hvad skal den bruges til? Blæseren bruges til at skabe luftgennemstrømning i hårtørreren. Motoren hvad skal den bruges til? Hvor sidder den? Den lille elmotor drejer rundt og drejer blæseren med. Kabler - hvad skal de bruges til? Overførsel af elektrisk strøm. Kontakten hvad skal den bruges til? Simplere modeller har to knapper, en til at tænde og slukke for hårtørreren, og én til regulering af luftstrømmen. Nogle modeller har en ekstra kontakt, som man kan bruge til at regulere temperaturen på luftstrømmen. Elektricitet hvad skal den bruges til? Den leverer strømmen, der får den lille elektrisk motor til at dreje, som derefter drejer blæseren. Indkapslingen hvad skal den bruges til? Alle hårtørrere har en eller anden type af varmeføler, der afbryder kredsløbet og slukker motoren, hvis temperaturen stiger for meget. Men man kan ikke se den udefra. Læreren noterer alle elevforslag til komponenter ned på whiteboard'et. Figur: hårtørrer. Figur: en hårtørrer set bagfra. Her er nogle billeder af en adskilt hårtørrer og komponenterne motor og blæser, der er monteret på motoren.

18 Figur :blæser i en hårtørrer. Figur: motor i en hårtørrer. 2.2 Få motoren til at arbejde individuelt 10 minutter Vigtigt! Før vi begynder Læreren forklarer forskellen mellem at bruge spændingen fra vægstikket og fra et batteri og det vigtige budskab er, at: elever må aldrig eksperimentere med strømmen fra lysnettet. Batterierne er kun på 4,5 V og i væggen er spændingen 230 V. Så sikkerheden er af stor betydning ved arbejde med elektricitet. Men når de arbejder med batterier er der ingen fare. Give en motor og et batteri til alle elever. Spørg dem, om de kan få motoren til at rotere. Batteripolerne skal være tilsluttet motorens kontaktterminaler for at få et komplet elektrisk kredsløb. Figur: forbundet batteri og motor. Figur: motor med ledninger på kontaktterminaler. Når læreren ser, at alle elever har fået motoren til at køre fremgår det, at eleverne har lært at forbinde batterier til motoren. Spørg eleverne om hvorfor motoren starter, når den forbindes til batteriet. Gør det klart for eleverne at: Batteriet har to poler, én negativ og én positiv. Når motor og batteri er tilsluttet korrekt, kan en strøm sendes til motoren, så den begynder at arbejde. De har nu et komplet kredsløb. Et komplet kredsløb er en lukket vej ad hvilken en elektrisk strøm flyder eller kan bringes til at flyde. Hvis strømkredsen brydes vil ingen af komponenterne modtager strøm. Historisk set er strømmen blevet defineret som gående fra den positive til den negative pol/terminal. (Men flytning af negativt ladede elektroner i et 18

19 elektrisk kredsløb går i den modsatte retning). Af hensyn til forenklingen siges det, at elektricitet går fra den positive til den negative terminal. 2.3 En blæser individuelt 20 minutter Læreren giver nu hver enkelt elev et halvt A4-ark. Bed eleverne om at skabe en kraft ved at fremstille en papirblæser. (De kan folde eller rive papiret og fastgøre det til motoren.) Designet af blæseren ikke er vigtigt, så længe den blæser luft.. Se billederne nedenfor. Lad eleverne se på andre gruppers design for at få ideer til, hvordan blæseren kunne se ud. Figur: Den ene blæsertype. Figur: motoren i kontakt med batteriet. Hvis papirblæservingerne falder af, tager man to små elastikker, prikker et lille hul med en nål i det første gummibånd og fastgør det til motoren, fastgør blæseren med et andet gummibånd, der også er prikket hul i. I denne øvelse bruger eleverne kun papir som materiale. Fokus er på, hvordan forskelle i design ændrer effektiviteten af ventilatoren. I design af støvsugeren kan eleverne bruge andre materialer. Der kan ledes strøm i begge retninger gennem motoren, men den drejer med/mod uret alt efter hvordan polerne bliver forbundet. Spørg eleverne, om de kan vende motorens omdrejningsretning. Giv dem evt. et tip: byt polerne om, så strømmen går den anden vej. 2.4 Lav en kontakt mindre grupper 20 minutter (supplerende aktivitet) Materialer (til 30 elever) o 6 8 små motorer 1,5 3V (én pr. gruppe) o 6 8 batterier 4,5 V eller 3x1,5 V o Papstykker o Tråd o Papirclips o Papirsplitter o 2 3 bidetænger o 2 3 afisoleringstænger 19

20 Eleverne ved nu, hvordan man opbygger et komplet kredsløb med motor og batteri. Lad dem først lave et komplet kredsløb med batterier, ledninger og motoren. De kan nu lave en "kontakt", så de kan tænde og slukke for motoren. Tag papstykkerne. Lav huller i papstykkerne så papirclips og papirsplitter kan monteres. Se på billedet. Forbind de løse ender af ledningerne, én til hver papirclips. Drej papirclipsene så de enten berører eller ikke berører hinanden. På denne måde kan man enten tænde eller slukke for motoren. Figur: en kontakt i et komplet kredsløb. I billedet har vi brugt en pære i stedet for en motor. 2.5 Konklusion plenum 10 minutter Sammenfatning af læringsmål. Diskutér flg. med eleverne: Har de lært at bruge batterier, små motorer og blæsere? Kan de identificere og beskrive de forskellige dele i en støvsuger? Opsummér hvordan man laver et komplet kredsløb og hvilken retning strømmen går i. Læreren kan også demonstrere, hvordan man bruger symboler til at beskrive kredsløb med forskellige elektriske komponenter: Her er nogle symboler: M Motor Her er diagrammet for motor, batteri og kontakt: Pære Strømforsyning Kontakt 20

21 Lektion 3 Så bygger vi! Design og byg din egen støvsuger. Varighed: 95 minutter (110 hvis den valgfri aktivitet inkluderes) Mål: i denne lektion vil eleverne lære om hvordan en motor med en blæser kan bruges til at flytte luft igennem et rør; betydningen af gruppearbejde for at nå frem til kreative løsninger på et udfordrende problem; bruge tekniske til at bygge en velfungerende støvsuger. Materialer (til 30 elever) 10 motorer (1,5V 3V) 10 batterier (3 * 1,5 V eller 4,5 V) Batterikasse (afhængigt af batteritypen) Arbejdsark 1. TDP-plan. Arbejdsark 2 Ledning (massiv kerne) 10 plastflasker Pap med forskelligt udseende og tykkelse Pinde til slikkepinde Skumgummi Papirclips Brede elastikker Papirklip fra hullemaskine 1 sav 1 limpistol 1 2 afisoleringstænger 1 2 bidetænger Klæbebånd/Gaffatape 5 sakse Forberedelse Lav kopier af arbejdsark 2 Hav materialerne til fremstillingen klar Arbejdsgang I mindre grupper af 2 3 elever Hovedpunkter i denne lektion Brug af TDP ved fremstillingen af en støvsuger Kontekst og baggrund Eleverne arbejder i grupper med at designe en støvsuger ved at støtte sig til en fremgangsmåde kaldet tekniske (teknisk designproces). Hovedfokus i denne lektion er at eleverne skal frembringe et produkt, der kan løse et givet problem. Der henvises til historien/tegneserien i Lektion 1. I denne lektion gennemgår eleverne trinnene Forestil dig, Planlæg, Frembring og Gør bedre. De bruger den videnskab de undersøgte i Lektion 2 til denne opgave. 21

22 3.1 Indledende aktivitet - hele klassen - 5 minutter Spørg eleverne om: Hvordan kan vi bruge det, vi ved om elektricitet, batterier, motorer og blæsere, og vores egen kreativitet til at designe og bygge vores egen støvsuger? Undervisningen er struktureret omkring den tekniske designproces, således at eleverne har deres TDP-plan klar fra de to foregående lektioner. Gå tilbage til historien og problemet fra Lektion 1. Fortæl eleverne, at det nu er tid til at gå i gang med de designmæssige udfordringer. Fortæl dem om den designmæssige opgave. I aktiviteten skal eleverne gruppevis opbygge og designe en støvsuger. Inddel klassen i grupper à 4 5 elever idet man sørger for at eleverne er blandede med hensyn til køn og standpunkt. Opgaven er afsluttet når støvsugeren suger "snavs". Fortæl eleverne om design-opgaven hvorefter de begynder at arbejde ud fra trinnene i den tekniske designproces, TDP-planen. Det er vigtigt, at eleverne noterer deres arbejde i TDPplanen. De kan også tage billeder af deres fremgang efterhånden som de konstruerer støvsugeren. 3.2 Ingeniørens designudfordring Spørg, Forestil dig, Planlæg mindre grupper 15 minutter Spørg- hvad skal eleverne vide? For eksempel: Hvilke materialer kan de bruge? Hvilken slags støv vil deres støvsuger kunne suge op? Kriterier: Støvsugeren skal kunne bruge batterier og motoren, men eleverne kan bruge andre materialer, såsom plastflasker osv. Kriterierne for succes er: Hvis den kan opsuge støv eller papirstykker fra hullemaskinen, så er det en succes. At forestille sig bed eleverne om at forestille sig forskellige løsninger som størrelsen af støvsugeren, opbevaring, placering af batteriet etc. Giv dem en liste over materialer de kan bruge. Diskussionstrinnet er vigtigt. Planlæg lad hvert hold træffe beslutning om en løsning og derefter gå i gang med planlægningen af konstruktionen. Fortæl eleverne, at de ikke behøver at fremstille filtre og støvpose; det er nok, hvis de kan få støv ind i støvsugerhuset. Tips og advarsel! - Byggetrinnet kan være ret udfordrende for eleverne. Det er en god idé, at læreren bygger en støvsuger forud for lektionen. Den kan være klar, så eleverne kan se, hvordan det færdige produkt kan se ud. Men det er vigtigt at understrege, at det er deres egen løsning, der er vigtig. Der er mere end én måde at bygge en støvsuger på. Før aktiviteten bør læreren vise, hvordan man fastgør materialer/komponenter til hinanden. Vores forslag er, at læreren demonstrerer, hvordan man fastgør motoren. Se eksempler nedenfor under punkt 4. Læreren skal også vise, hvordan man bruger værktøjet sikkert: Vis hvordan eleverne kan skære i en plastflaske. Vær forsigtig ved brug af saks og sav. Begge har skarpe blade/klinger. Mind eleverne om hvordan man bruger en skævbider og en afisoleringstang

23 3.3 Design og byg mindre grupper 60 minutter Byg hver gruppe skal designe og fremstille en støvsuger. Mind eleverne om at de kan dokumentere deres fremskridt med fotos. Indkapslingen/kappen/huset Indkapslingen kan fremstilles af forskellige slags flasker. Lad eleverne beslutte sig for hvordan indkapslingen skal udformes. De nemmeste flasketyper at klippe i med en saks eller en kniv er bløde plastflasker, som fx brugte vand-/sodavandsflasker. Men enhver rund plasticflaske kan bruges. Eleverne kan bruge en saks eller sav til at lave huller. Figur: at skære flasken over. Konstruér en blæser og gør den fast til motoren. Blæseren kan fremstilles af mange forskellige materialer. Pap er nemt at arbejde med og det er nemt at tilpasse. Pappet kan have forskellig tykkelse og udseende: Det kan være fra emballage som fx fra morgenmadsprodukter. Lad eleverne designe blæseren og derefter gøre den fast til motoren. Hvis blæseren løsner sig fra motorakslen, kan man bruge gummibånd eller klæbebånd/gaffatape til at fastgøre den med. Test blæseren Lad eleverne prøve blæseren og motoren, før de begynder at fastgøre motoren til indkapslingen. Her eleverne kan bruge deres forudgående kendskab til hvordan man forbinder motoren til batterierne. Hvis blæseren passer i indkapslingen og starter opsugning af støv eller partikler, kan de fortsætte. Hvis den ikke suger, men i stedet blæser, prøv så at bytte om på i forbindelsen til batteriet. Så vil motoren dreje i modsat retning, og forhåbentlig vil den suge i stedet for at blæse. Hvis blæseren er for stor, bliver eleverne nødt 23

24 til at tilpasse blæseren, inden arbejdet fortsættes. Hold en hånd mod bagsiden af indkapslingen så man kan føle, hvad der sker. Figur: afprøvning af støvsugeren. Fastgørelse af motoren Der er mange måder, hvorpå man kan fastgøre motoren. Gruppen kan sådan set holde på motoren med fingrene, men de kan også vælge at fastgøre motoren til indkapslingen. Her er der nogle eksempler på, hvordan det kan gøres. Figur: støvsuger med slikkepinde og lim. Figur: støvsuger med skumgummi. Tip husk, at luften skal være i stand til at passere gennem indkapslingen: Om nødvendigt kan man lave nogle huller, så det kan lade sig gøre. Figur: huller luften kan passere igennem. Fastgørelse af batterikassen Batteriet/batterikassen kan fastgøres til ydersiden af indkapslingen. Eleverne kan bruge deres viden om hvordan man afisolerer ledninger og tilslutter batteriet til motoren. 24

25 Figur: batteriet kan fastgøres uden på flasken. Fremstilling af en kontakt (15 minutter ekstra) Eleverne kan designe en kontakt, der kan bruges til at slukke/tænde for støvsugeren. Her skal eleverne kan bruge deres tidligere viden om kredsløb (fuldstændig eller ufuldstændig) og materialer, som kan /ikke kan lede elektricitet). Figur: støvsuger med kontakt. Forbedring bed grupperne om at diskutere, hvor succesfulde de har været, og om er der nogen indlysende forbedringer, de kunne foretage. Mind eleverne om at færdiggøre arbejdsark 1 og TDP-planen, hvis de har nogen forbedringer eller nye ideer eller spørgsmål. 3.4 Konklusion plenum 15 minutter Sammenfatning af læringsmål. Diskutér med eleverne det, de har lært om, hvordan en støvsuger fungerer, hvordan en motor med en blæser kan bruges til at flytte luft gennem et rør, og hvordan man kan bygge og afprøve forskellige løsninger for en støvsuger. Når eleverne er færdige med deres konstruktioner, kan de gøre rent i klasselokalet. Fortæl dem så, at i de den næste lektion skal fremvise deres designs for resten af klassen. 25

26 Lektion 4 Hvordan gik det? Er opgaven blevet løst? Varighed : 75 minutter Målsætning for denne lektion: her vil eleverne lære, at der er forskellige måder hvorpå et teknisk problem kan løses; at gennemgang og evaluering i forhold til givne kriterier er vigtige aspekter i TDP; at succesfuldt ingeniørarbejde afhænger af solid videnskabelig viden. Materialer (til 30 elever) deres fremstillede støvsugere Forberedelse Eleverne skal medbringe deres støvsugere fra den foregående lektion Arbejdsgang Arbejde i grupper og i hele klassen Hovedpunkter i denne lektion I denne lektion reflekterer og analysere eleverne i relation til tekniske og deres frembragte apparater i forhold til de aftalte kriterier. De reflekterer også over de videnskabelige idéer, de har benyttet sig af. Kontekst og baggrund I denne lektion evalueres processen og produktet. Er opgaven blevet løst? Og hvordan anvendte eleverne den den indlærte videnskab, og hvordan arbejdede de med design-cyklussen. Det er også i denne fase, de skal fremlægge deres problemløsning og få mulighed for at være stolte af det, de har lært og frembragt. 26

27 4.1 Indledende aktivitet - hele klassen - 5 minutter Hver gruppe medbringer den støvsuger, de har designet og bygget. I denne lektion drøfter klassen deres forskellige løsninger og vurderer produkterne. Læreren skal gøre klassen opmærksom på, hvordan der skal fremlægges for klassen og hvor meget tid der er til hver gruppe. 4.2 Fremlæggelse af arbejdet hele klassen 60 minutter Hver gruppe skal fortælle resten af klassen om deres støvsuger. Læreren kan fremme debatten med følgende spørgsmål: Er der noget, der fortsat kunne forbedres? Var der nogen, der havde problemer med, at der ikke kom luft nok ind i støvsugeren? Hvor kommer luften ind og ud? Skal luften kunne komme ud? Hvorfor kommer der støv ind i støvsugeren? Var der nogen, der havde problemer med luftstrømmens retning? Hvordan løste I det? Hvad er den største forskel mellem en hårtørrer og en støvsuger? Hvordan vil du slukke og tænde for støvsugeren? Har alle den samme løsning eller er der forskellige løsninger? Hvorfor starter og standser støvsugeren? Hvorfor har de fleste støvsugere en støvsugerpose og filtre? De korrekte ord og begreber, eleverne bør bruge: Kontakt Motor Blæser Elektriske ledninger Batteri Kredsløb 4.3 Konklusion plenum 10 minutter Sammenfatning af læringsmål. Diskutér med eleverne hvad de har lært om forskellige måder at løse problemer på ved hjælp af TDP. Hvad har de lært gennem frembringelsen af deres støvsuger? Har de forstået noget, de ikke har forstået før? Diskutér hvilken kendskab til videnskab de har fået og anvendt under fremstillingen af deres støvsuger. Afslutningsvis: har denne læringsenhed inspireret dem til at arbejde som elektroingeniører? 27

28 Tillæg Den tekniske designcyklus 28

29 En beretning, der sætter i sammenhæng I har lige netop holdt en sej afslutning på en skolefest i klasselokalet. Der blev desværre brugt en masse konfetti og lokalet er noget rod. Rengøringspersonalet er på ferie og har låst al rengøringsudstyr inde. Der er hverken kost eller fejeblad og det ser ud som om rengøringen vil tage en evighed. I har fundet nogle motorer, elektriske ledninger, batterier og papir i skabet i naturfagslokalet. Der er også en masse tomme plasticflasker fra festen. Et af børnene foreslog at blæse al konfetti væk ved hjælp af en hårtørrer, men det vil kun skabe endnu mere rod! Kan du påtage dig rollen som elektroingeniør, der kan designe, teste en egnet rengøringsenhed, der kan opsuge al konfettien og give dig mulighed for at tage hjem inden det bliver for sent? 29

30 Arbejdsark 1, lektion 0 ingeniørarbejde? 30

31 Arbejdsark 1 Lektion 0 Ingeniørarbejde? Lærerens noter Billederne på arbejdsarket er beregnet til at fremme elevernes diskussion om, hvad teknik er, hvad ingeniører arbejder med og hvem der kunne være involveret i forskellige former for ingeniørarbejde. Billederne af edderkoppen og sneglen præsenterer nogle interessante problemstillinger. Eleverne kan for eksempel mene, at edderkoppen 'fremstiller' et spind og det kan relateres til andre eksempler på dyr, der 'fremstiller' noget (fx bævere, der bygger en dæmning). Det er værd at bemærke, at det er mere almindeligt at tænke på teknik som være knyttet til de fremstillede genstandes verden. Vi kan imidlertid lære meget af at studere naturen og miljøet. fx er det materiale, som edderkopper bruge til at lave deres spind blevet kopieret ved fremstilling af et meget stærkt materiale (Kevlar), der har mange nyttige egenskaber. Ligeledes har sneglen udviklet en nyttig strategi til beskyttelse af dens bløde krop fra at blive beskadiget når den bevæger sig hen over ujævne overflader. Et interessant spørgsmål er, om dette kunne udnyttes ved løsning af problemer i den menneskelige verden (et godt eksempel er Velcro, der blev udviklet ved at se på burrer fra planten Lægeburre). Legetøjet kan betragtes som en teknisk konstruktion, da det viser brugen af knaster, men det er interessant at spørge, hvilke materialer der kan bruges, og hvem der faktisk fremstiller dem. Det fører sandsynligvis til nogle kønsaspektet (mange i klassen kan mene, at legetøj til børn er udtænkt af mandlige legetøjsdesignere). Et lignende problem kan opstå, når eleverne diskuterer strikkede beklædningsgenstande og færdigretter eleverne kan mene, at disse udelukkende er frembragt af kvinder, og at de ikke er tekniske produkter som sådan. Nogle af de andre billeder af skulpturer og kunstværker kunne opfattes som ikke-tekniske og uden noget reelt praktisk formål. Det vil rejse diskussionen om sammenhængen mellem teknologi og kunst og om et givet objekt skal have et praktisk formål for at tælle som en konstruktion. Billederne er beregnet til at stimulere engagement og dialog om teknik. Dette kan føre til en diskussion om, hvad der er involveret i ingeniørarbejde, hvor man kan vælge at introducere den tekniske designcyklus. 31

32 Arbejdsark 1, lektion 1 4 dokumentation af TDP-processen Navn: Dato: Spørg Hvad er problemet? Hvad er behovet? Hvad har andre gjort? At forestille sig Hvilke begrænsninger er der? Hvilke mulige løsninger findes? Idé-brainstorm. Vælg den bedste. Planlæg Tegn et diagram/billede/tegning eller skriv dine tanker ned. Lav en liste over de nødvendige materialer. Byg Følg din plan og byg det. Forbedring Test løsningen. Lav forbedringer, gør dit design endnu bedre. Test løsningen. 32

33 Spørg Skriv alle dine spørgsmål og svar ned. At forestille sig Brainstorming. Hvilke løsninger har vi? Hvordan vil du designe din støvsuger? Hvilke komponenter har du brug for? Hvordan vil du forbinde komponenterne? Størrelse? Praktiske løsninger? osv. beskriv/tegn dine ideer. 33

34 Planlæg Tegn et billede/skitse/diagram af din bedste idé i trinnet: Forestil dig. Forklare detaljerne og skriv en liste over de materialer der skal bruges for at konstruere den. Byg Tip! Tag billeder mens du bygger. Test! Hvad skete der, da du testede dit design? Hvilke komponenter virkede efter hensigten? Hvordan kan du vide det? Hvilke komponenter virkede ikke? Hvorfor? Hvordan kan du forbedre din konstruktion? Forbedring Hvilke komponenter i din konstruktion skal forbedres? Hvordan kan du vide det? Tegn/notér eller tag billeder af dit forbedrede design. Beskriv forbedringerne 34

35 Arbejdsark 1, lektion 3 design og byg din egen støvsuger Navn: Dato: a. Du skal have din TDP-plan klar i forbindelse med trinnene Spørg, Forestil dig, Planlæg. b. Nu er det tid til at fremstille din egen støvsuger. Nedenfor er der en beskrivelse, som du kan følge. Men du kan også lave dit eget design. c. Husk at dokumentere hvert trin under konstruktionen ved enten at skrive det ned eller at tage et foto. d. Hvis du har behov for at foretage ændringer, har nye ideer om designet, eller du har flere spørgsmål, der skal besvares, før du kan gå videre med at konstruere, eller der er spørgsmål under selve konstruktionen, kan du gå til TDP-planen og gå tilbage til det trin og skrive det ned (dokumentér). e. Opgaven er afsluttet når støvsugeren suger "fnuller". 1. Indkapslingen/kappen/huset Indkapslingen kan fremstilles af forskellige slags flasker. Vælg den flaske gruppen blev enig om under planlægningen og begynd at konstruere. For at lave det første hul kan man også bruge en sav, og siden en saks. Vær forsigtig! Sakse og save har skarpe klinger/blade. 35

36 2. Konstruér en blæser og gør den fast til motoren. Konstruér en blæser og gør den så fast til motoren. Hvis blæseren løsner sig fra motorakslen, kan man fastgøre den med gummibånd på begge sider af blæseren. 3. Test blæseren Prøv blæseren og motoren, før du begynder at fastgøre motoren til indkapslingen. Forbind batterierne til motoren. Hvis blæseren passer i indkapslingen og begynder at suge de små papirstykker op, kan du fortsætte til punkt 4. Hvis den ikke suger, men i stedet blæser, prøv så at bytte om på i forbindelserne til batteriet. Hvis blæseren er for stor, bliver du nødt til at tilpasse blæseren, inden arbejdet fortsættes. 4. Fastgørelse af motoren Der er mange måder, hvorpå man kan fastgøre motoren. Gruppen kan sådan set holde på motoren med fingrene, men I kan også vælge at fastgøre motoren til indkapslingen. Husk på, at luften skal kunne passere gennem flasken, forbi motoren, og det kan være nødvendigt at lave nogle små huller. Prøv at holde hånden på bagsiden af indkapslingen og se, hvad der sker. 5. Fastgørelse af batterikassen Batteriet/batterikassen kan fastgøres på ydersiden af indkapslingen. Brug din viden om hvordan ledninger skal tilsluttes. Husk at dokumentere dit arbejde og at udfylde arbejdsark 1 og din TDP-plan hver gang du får en ny idé, finde en anden løsning og/eller forbedring. Når du er tilfreds med dit arbejde kan du udvikle/fremstille en kontakt til din støvsuger. 6. Fremstil en kontakt (valgfrit) Brug din viden om kontakter og lave en til din egen støvsuger. 36

37 Naturfag lærerens noter om elektricitet og støvsugere Nogle af de vigtigste videnskabelige begreber, kundskaber og færdigheder i Lektion 2 opbygningen af et simpelt elektrisk kredsløb indeholdende batteri, kabler, en motor (og blæser) og en kontakt et komplet kredsløb er nødvendig for at en elektrisk strøm kan opstå batteripolerne skal være tilsluttet motorens kontaktterminaler for at få et komplet elektrisk kredsløb. batteriet har to poler, én negativ og én positiv. med et simpelt elektrisk kredsløb med en motor kan man få en papirblæser til at rotere selve blæserens design kan ændre dens effektivitet der kan ledes strøm i begge retninger gennem motoren, men den drejer med/mod uret alt efter hvordan polerne bliver forbundet. hvis strømkredsen brydes, vil ingen af komponenterne modtager strøm og de vil så ikke virke. der er forskel på netspændingen (230 V) og på batterispændingen (4,5 V) symboler og diagrammer bruges til at beskrive simple elektriske kredsløb. Hvad er elektricitet og hvilke materiale leder elektricitet? Det græske ord for rav er 'elektron', hvorfra ordet elektricitet er afledt. Grækerne morede sig ved at gnide en stang af rav med en klud og derefter samle fjer, blade, osv. op; de vidste ikke noget om, hvorfor det skete. Elektricitet er en energiform. Det er en strøm af negativ ladning forårsaget af elektroners bevægelse. Alt stof består af atomer. Et atom består af en kerne (nukleus) og "skaller" udenom kernen. Kernen består af positivt ladede protoner og neutrale neutroner. Omkring kernen er der "skaller" af negativt ladede elektroner, der bevæger sig inden for deres "skaller". Hvis du ønsker at vide mere om dette, kan du gå til denne engelske hjemmeside: I et atom er der lige så mange protoner som der er elektroner, hvilket betyder, at det er neutralt. Når balancen mellem protoner og elektroner påvirkes af en ydre kraft, kan et atom vinde eller tabe en elektron. Når et atom "mister" elektroner, opstår der en elektrisk strøm på grund af elektronerne, der bevæger sig frit omkring. I visse materialer, f. eks. vand og metaller, bevæger elektronerne sig let gennem materialet. De er gode ledere af elektricitet. I kobbertråd fx er visse elektroner ikke bundet til bestemte atomer og kan bevæge sig frit i et "hav" af elektroner. Derfor er kobbertråd velegnet til opbygning af elektriske kredsløb. I andre materialer, såsom plastic og rav, bevæger elektronerne sig ikke nær så let, og derfor er de ikke gode ledere af elektrisk strøm. Elektricitet kan omdannes til varme, lys og bevægelse. Elektricitet kan bruges til at styre tekniske anlæg. Elektriciteten kan slås til og fra via kontakter og elektriciteten kan også overføre energi over lange afstande. Men i princippet kan man ikke gemme elektricitet. Om simple elektriske kredsløb Et simpelt elektrisk kredsløb er en lukket vej, som elektroner bevæger sig ad. Forestil dig et simpelt kredsløb, der er fremstillet af et batteri, en enhed eller komponent (som fx en motor eller en pære) der er forbundet med ledninger. Hvad får elektroner til at bevæge sig? 37

38 Inde i et batterisker der en kemisk reaktion, der skaber en ophobning af elektroner i den ene terminal (anoden), og et relativt underskud af elektroner i den anden terminal (katoden). Dette resulterer i en elektrisk forskel mellem de to terminaler (spændingsforskel). Når batteriet tilsluttes, bevirker denne forskel, at en strøm af negative ladninger bevæger sig fra den ene terminal til den anden (anode til katode). Denne elektriske strøm er en konsekvens af, at elektroner er negativt ladede og de vil derfor frastøder hinanden, sådan at de bevæger sig hen mod et sted, hvor der er mindre negativ ladning (dvs. katoden, som er positivt ladet). Enhver komponent eller enhed i et kredsløb vil skabe en modstand mod denne strøm af negative ladninger. Flytning af negativ opladning gennem komponenterne vil forårsage energioverførsel (pæren lyser, en motor drejer rundt, og begge bliver varme). Batteriet er den drivende kraft i kredsløbet. På et tidspunkt vil de kemikalier, der skaber adskillelse mellem ladningerne inde i batteriet, være opbrugt og batteriet "løber ud". Strøm, spænding, modstand og effekt Strømmen har med elektronernes bevægelse at gøre og dermed den strøm af negative ladninger, der bevæger sig i et kredsløb; jo flere elektroner der bevæger sig, desto kraftigere er strømmen. Elektrisk strøm måles i ampere (A). Det er et mål for den mængde elektrisk ladning, der pr. tidsenhed passerer et punkt i et elektrisk kredsløb. Historisk set regnede man med, at strømmen bevægede sig fra den positive pol i et kredsløb til den negative pol. Men flytningen af negativt ladede elektroner i et elektrisk kredsløb går faktisk i den modsatte retning, (fra negativ til positiv). Strømmen begynder at flyde i det øjeblik batteriet tilsluttes og kontakten er lukket. Uanset hvor i kredsløbet man måler strømmen, vil den være den samme. Spænding er forskellen mellem ladninger. Spændingen måles i volt (V). På alle batterier er der en nominel spænding (i Lektion 2 brugte vi 1,5 V og 4,5 V batterier). Den nominelle spænding angiver forskellen på ladningerne mellem batteriets terminaler. Jo større forskel, jo større "tryk" kan batteriet yde (4,5 V batteri leverer 3 gange så kraftigt et "tryk" som et 1,5 V batteri). Denne forskel (eller "tryk") får elektronerne til at flytte sig for at forsøge at kompensere for disse forskelle. En mere passende betegnelse for spænding er potentialforskel. Modstand i et kredsløb hæmmer strømmens bevægelse og bevirker, at elektronerne bevæger sig langsommere. Alle anordninger eller komponenter (f. eks. en pære eller motor) skaber modstand mod strømmens bevægelse. Hvis en enhed skal kunne arbejde, må "trykket" fra batteriet være stærkt nok til at kunne overvinde modstanden fra enheden. Dette betyder, at enheder normalt er mærket med en spænding, der skal til spændingen på batteriet. Modstanden måles i ohm (Ω). Effekt er et mål for hvor hurtigt energi overføres. De el-pærer vi bruger i husholdningerne har en effektangivelse i watt (W). En watt svarer til det arbejde 1 joule pr. sekund. kan udføre Om støvsugere Betegnelsen 'en støvsuger' afslører lidt med hensyn til forståelsen af hvordan apparatet virker: støvsugere virker ved at skabe en sugeeffekt. Den danske betegnelse 'støvsuger' er udmærket med hensyn til at forstå, at sugevirkningen er det afgørende princip. Den mekaniske / elektriske del er en virkelig kraftig motor, som blæser luft ud, som regel i toppen af eller bagerst i støvsugeren. Dette skaber en sugekraft i den anden ende, (hvor støvet bliver trukket ind). Støvsugere arbejder alle efter det samme princip... hvis man fastgør en motor, som blæser luft (en blæser) i den ene ende af en indretning, som har en åbning i den anden ende, kan den fungere på samme måde. Det får luft til at strømme, først ind i enheden ved hjælp af en blæser, og derefter ud gennem bagsiden/toppen af enheden. Tip: hvis du vil vide mere om hvordan støvsugere virker kan du gå til disse hjemmesider:

39 Det er et problem med sugning, at filtre på et eller andet tidspunkt bliver blokeret. Moderne støvsugere overvinder dette ved designs baseret på et hvirvelstrømsprincip. Læs mere om dette på: 39

40 Nogle elevers ideer om elektricitet og simple, elektriske kredsløb Børns tanker om den fysiske verden kommer fra deres dagligdags oplevelser. De er ikke udtryk for den etablerede videnskabelige opfattelse, men de viser oftest fornuftig argumentation baseret på observation og interaktion. At give muligheder for at børn kan få udfordret deres forestillinger gennem aktiviteter, vil snarere ændre deres opfattelser, end hvis man blot serverer kendsgerninger for dem. Dette udgør en betydelig pædagogisk opgave. Det er meget krævende for elever uanset niveau og alder at rumme nye forestillinger om et bestemt fænomen, især når disse synes at modsige, hvad der synes at være sund fornuft. Selvom vi gennem forskning har et vist indblik i de forestillinger elever forventes at have inden for specifikke begrebsmæssige videnskabelige områder, har eleverne ofte svært ved at formulere deres forestillinger, så der er god grund til at være forsigtig med antagelser om deres ræsonnementer. Dette understreger vigtigheden af at give mulighed for at børn kan drøfte deres forestillinger. Forestillinger om elektricitet Generelt er børn er udmærkede klar over de mangfoldige måder vi bruger elektricitet på i hverdagen, især ved frembringelse af varme, lys og bevægelse (1). De kan have en viden om farerne ved netspænding men det er vigtigt at udbygge denne viden i Lektion 2. Nogle vil måske knytte elektricitet til lysnettet i stedet for til batterier, men de fleste ved, at batterier er vigtige i enheder (såsom legetøj). Allen (2) antyder, at eleverne opbygger forestillinger, der ligner den voksne forestilling om energi. Batteriet afgiver noget af sit "indhold" (eleverne bruger forskellige navne som: elektricitet, energi, effekt, strøm, til enheden for at få den til at fungere. "strømmen" bliver opbrugt af enheden, og når batteriet løber tør for "strøm", virker det ikke længere og er dødt. The Nuffield Primary Science Teachers Guide (1) viser en række grundskoleelevers ideer om, hvad elektricitet er. Disse omfatter forestillinger om at den er usynlig, bevæger sig meget hurtigt og strømmende. Ét barns kommentar: "Elektricitet er som trylleri". Da forestillinger om elektroner og negative ladninger sandsynligvis vil være for krævende for elever på dette alderstrin, kan læreren vælge at acceptere viften af idéer om, hvad elektricitet er, mens man understreger forestillingen om strømmens bevægelse i kredsløbet. Forestillinger om et simpelt kredsløb Opgaven kræver, at eleverne ved, at et komplet kredsløb er nødvendigt for at få en enhed (motor) til at arbejde. Dette indebærer konkrete erfaringer med at opbygge kredsløb, og at man sikrer sig, at forbindelser laves omhyggelig og resultaterne observeres. Mens nogle elever ved, at et batteri har to poler, vil andre ikke være klar over, at komponenter som fx en motor også har to tilslutninger, eller at motoren drejer i den modsatte retning, hvis man bytter om på forbindelserne mellem motor og batteri. De skal også opleve og undersøge virkningen af afbrydelser i kredsløbet. Lektion 2 giver mulighed for udvikling af tekniske færdigheder i bygningen af simple kredsløb. Der er forskel på at vide hvordan man skal tilslutte komponenter for at lave et komplet kredsløb og en forståelse af, hvorfor dette sker. Forståelse af årsagen er langt mere udfordrende. Forskning viser, at eleverne har en række forklaringer på enkle kredsløbs opførsel (3). Figur 1 viser de forbindelser, der er nødvendige for at lave et komplet kredsløb, der kan få en pære til at lyse. Figur 1. Et komplet kredsløb til en pære + batteri _ Tråd A Tråd B Pære 40

41 Nogle gange bruger børn en "unipolær model", hvor de mener, at kun én ledning er aktiv. El fra lysnettet har tilsyneladende kun én ledning, så det er forståeligt. På skitsen bliver ledningen A (Figur 1) ofte betragtet som den aktive ledning, da eleverne ræsonnerer, at "elektriciteten" kommer fra den positive terminal på batteriet. Selvom det kan ske, at de finder ud af, at den anden ledning er nødvendig i et komplet kredsløb, kan de stadig mene, at den ikke spiller en aktiv rolle i at få pæren til at lyse. Nogle elever betragter "elektricitet" som strømmende fra begge batteriets poler. De kan have den opfattelse, at det er to forskellige typer af "elektricitet", der mødes i pæren og får den til at lyse modellen kunne kaldes ("kolliderende strømme". Andre kan have en idé om en "strømforbruger" -model, hvor de mener, at returledningen transporterer mindre "elektricitet", da noget er blevet forbrugt i pæren (ledning B indeholder mindre "elektricitet" end ledning A). I den videnskabelige model er strømmen bevaret i kredsløbet og begge ledninger indeholder den samme strøm (ledning A = ledning B). For mange elever giver det ikke nogen mening, da de ræsonnerer, at noget skal forbruges i pæren. For at forstå, hvorfor strømmen bevares, skal eleverne forstå, at energi overføres til enheden (pære, motor osv.). Energien der stammer fra transport af negativ ladninger overføres som bevægelse, lys og varme, i og med at enheden fungerer. Pæren lyser eller motoren drejer rundt og de bliver begge varme. Det er en kontraintuitiv og abstrakt forestilling, som er ret krævende. Naturfagslærere benytter ofte analogier til forklaring af elevernes observationer. Asoko og de Bóo (4) foreslår en række analogier som f. eks. en cykelkæde, hvor batteriet er repræsenteret ved en person, der med pedalerne bevæger cyklen, og pæren (eller motoren) er repræsenteret ved cyklens baghjul. Hjulet kører rundt og pæren lyser. Strømbevaring er illustreret ved kæden, der bevæger sig, og som ikke "bruges op". Alle analogier har begrænsninger, som lærerne skal være opmærksomme på. I cykelanalogien har hverken ledningerne eller energien nogen fysisk repræsentation. Læreren bliver nødt til at bruge deres faglige skøn ved afgørelsen af, hvad der er velegnet til deres elever. I forbindelse med denne opgave kan læreren koncentrere sig om det tekniske aspekt i opbygning af strømkredse. Nogle elever har brug for en masse erfaringer i at bygge kredsløb med forskellige komponenter, før de er i stand til at generalisere forestillingen om et komplet kredsløb. Lektion 2 åbner mulighed for udvikling af idéer om strømme i kredsløb og energioverførsel i form af motorens bevægelse og varmeudvikling deri. Muligheden for at bygge og integrere kontakter bevirker, at der opbygges yderligere viden om komplette kredsløb. Referencer (1) Nuffield Primary Science: Teachers Guides (Ages 7-12): Electricity and Magnetism (1995) HarperCollins Publishers: London (2) Allen, M. ( 2010) Misconceptions in Primary Science. Open Univesrity Press: Berkshire, England (3) Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V.(1994) Making Sense of Secondary Science. Routledge : London. (4) Asoko, H. & de Bóo, M. (2001) Analogies & Illustrations: representing ideas in primary science. Association for Science Education: Hertfordshire. 41

42 Partnere Bloomfield science Museum Jerusalem The National Museum of Science and Technology Leonardo da Vinci Science Centre NEMO Teknikens hus Techmania Science Center Experimentarium The Eugenides foundation Conservatoire National des Art et Métiers- Musée des Arts et Métiers Science Oxford Deutsches Museum, Bonn Boston s Museum of Science Netiv Zvulun School Istituto Comprensivo Copernico Daltonschool Neptunus Gränsskolan Skola The 21st Elementary School Maglegårdsskolen The Moraitis school EE. PU. CHAPTAL Pegasus Primary School KGS Donatusschule MAGLEGÅRDSSKOLEN Gentofte Kommunes skolevæsen ECSITE European Network of Science Centres and Museums ICASE International Council of Associations for Science Education ARTTIC Manchester Metropolitan University University of the West of England Der er materialer til 10 lektion på følgende sprog: Enhederne er tilgængelige på fra 2015 og frem 42