Intromateriale til mobil lab
Isoleret kasse IndHold - TEMPERATUR, LUFTFUGTIGHED OG EFFEKT Coach Assistent Rytter Operatør CykelraCe - PULS, EFFEKT OG HASTIGHED Indledning Baggrund for projektet Beskrivelse af projektets opbygning Tre uger inden trailerbesøg kan skolerne låne en kasse med datalogningsudstyr kondicykel Rytter - ILT, ÅNDEDRÆT OG ENERGI AssistentForsøgsperson Coach Operatør Traileren står på skolen i 1 eller uger 5 Tiden efter trailerbesøg 5 Krop og energi som undervisningstema 6 Forsøgsperson i folkeskolen gps - POSITION, BEVÆGELSE OG PULS Kort faglig beskrivelse af 7 undervisningstemaet min. + 1 min. 5 watt Forsøgsperson Forsøgsperson Datalogning i folkeskolen 10 Didaktiske fokuspunkter 11 1 min. + 1 min. Forsøgsperson Forsøgsperson 15 watt min. + 1 min. 5 watt 1 1 Forsøgsperson Kolofon min. + 1 min. VIA University College, Læreruddannelsen i Århus Printed in Denmark 009 min. + 1 min. 5 watt 15 watt 1 1 1
Indledning Mobil lab er en lastbiltrailer med færdige øvelser baseret på datalogning. Mobil lab tager afsæt i temaet Krop og energi og lader eleverne måle, hvordan deres egen krop reagerer i forskellige situationer. I denne mappe findes information henvendt til lærere, om hvordan projektet er tænkt gennemført på skolen. Skolen er velkommen til at beholde mappen med tilhørende undervisningsmateriale efter trailerbesøget. For at sikre, at et besøg i traileren bliver mere end et par timers underholdning, er konceptet lavet sådan, at der kommer udstyrskasser ud til skolerne allerede uger inden trailerens ankomst. På denne måde forberedes eleverne på, hvad der skal ske i traileren, og besøget bliver en kulmination på et længere forløb og dermed integreret i den daglige undervisning. For at sikre denne forankring, er traileren ubemandet. Det har været vores ønske at fremme motiverende oplevelser med naturfag, og derfor har vi valgt at tage udgangspunkt i et tema, vi har erfaring med, at mange elever finder interessant. Det har samtidig været vores mål, at lærere skulle synes, at forløbet var både interessant, lærerigt (for eleverne) og relevant i forhold til den øvrige undervisning og ikke mindst i forhold til de nye Fælles Mål. Vi har fokuseret på nogle af de nye punkter i fælles mål, der handler om tværfaglighed i naturfagene og om at kunne anvende informationsteknologi i forbindelse med dataopsamling. Forløbet tager udgangspunkt i elevernes egne kroppe, og dette bliver brugt som afsæt til at komme omkring begreber som: Energiomdannelse, energiomsætning, nyttevirkning, CO, iltindhold i udåndings- og indåndingsluft, luft, puls, kondital, positionslogning (GPS), fotosyntese, respiration, fordampning, fordampningsvarme, luftfugtighed mm. Forløbet er tænkt som tværfagligt mellem Fysik/Kemi, Biologi og Geografi. Forløbet er udarbejdet med 7.-8. klasse i tankerne, men mange af øvelserne vil også kunne bruges i 5.-6. klasse. Århus, 9. oktober 009
Baggrund for projektet Ideen om et mobilt laboratorium opstod i forbindelse med Kick-Off-dagen i november 008. EnergiHorsens havde inviteret undervisere, erhvervsliv og kommunerne til at drøfte spørgsmålet: Hvordan kan vi øge interessen for de naturvidenskabelige fag i lokalområdet? Et af svarene blev, at man kunne sende en lastbiltrailer med naturfaglige øvelser rundt til skolerne i området. Mobil lab er et forsøg på at føre denne idé ud i praksis. VIA University College står for udviklingen af konceptet og indholdet. Fokus er på at bruge datalogning som løftestang til at lave et forløb, som eleverne vil opfatte som motiverende, lærerne vil opfatte som fremmende for læring og undervisning, og som vil bidrage til brugen af it i naturfagene. Projektet er finansieret af EnergiHorsens. Se mere på www.enho.dk/mobillab. Beskrivelse af projektets opbygning Projektet er bygget op som en tre-trinsraket, der starter tre uger inden traileren kommer til skolen, og som afsluttes med bearbejdning af de data, eleverne har genereret, mens de arbejdede i traileren. Traileren vil komme ud på skolen i enten 1 eller uger, og i denne periode foregår øvelserne inde i traileren. Der er her tale om større og mere komplicerede setups, som forudsætter, at man har arbejdet med de små øvelser, inden man kommer i traileren.
Tre uger inden trailerbesøg kan skolerne låne en kasse med datalogningsudstyr Det er en forudsætning for et vellykket besøg af traileren, at eleverne har arbejdet med temaet Krop og energi og datalogning inden traileren kommer til skolen, så de på denne måde er blevet klædt på til trailerbesøget. Det vil sige, at eleverne dels har en grundlæggende indsigt i, hvad der sker fysiologisk med kroppen, når der udføres et arbejde, og dels har en indsigt i, hvad datalogning er. Kasserne indeholder seks håndholdte dataloggere, samt en lille bærbar computer med databehandlingsprogram installeret (se vedlagt inventarliste bagerst i mappen). Skolen skal, når man booker traileren, samtidig bestemme om man vi låne udstyr fra Pasco eller Vernier (se omtale af de to systemer senere). Kasserne indeholder også seks mapper med elevvejledninger til otte øvelser. Øvelserne findes bagerst i denne mappe med tilhørende lærervejledninger. Øvelserne giver eksempler på hvordan datalogning kan bruges af eleverne i forbindelse med praktiske øvelser, der handler om kroppen. Øvelserne skal ses som et supplement til de øvrige aktiviteter (hvor der ikke anvendes datalogning), der med fordel kan arbejdes med i et sådan tema. Vi ser altså øvelserne som en del af et forløb om krop og energi og dermed ikke som hele forløbet. Samtidig vil det være nødvendigt at plukke i øvelserne, da nogle af dem overlapper hinanden. Fase l - uger Eleverne arbejder med krop og energi på skolen. Skolen kan låne datalogningsudstyr til seks grupper i uger inden traileren kommer til skolen Fase ll - uger Eleverne arbejder i traileren med større og mere komplicerede øvelser med temaet Krop og energi Traileren står på skolen i 1 eller uger Fase lll - valgfri varighed Eleverne efterbehandler data opsamlet i traileren
Traileren står på skolen i 1 eller uger Traileren vil stå på skolen i enten 1 eller uger, afhængig af hvad skolen har booket. I traileren befinder der sig i alt større og mere komplicerede øvelser, der bygger videre på de erfaringer eleverne har gjort med de simple øvelser i kasserne. Den ene øvelse (virtual trainer) findes i to arbejdsstationer, så eleverne skal i alt arbejde i fem grupper. 1. Isoleret kasse: Eleverne skal beregne deres basale energiomsætning i en isoleret kasse ved at måle temperaturændring og relativ luftfugtighed samt måle hvordan sammensætningen af ilt og kuldioxid ændres.. Respiration - Iltoptagelse på kondicykel: Eleverne kan her beregne iltforbrug ved forskellig belastning ved at måle iltkoncentrationen i udåndingsluften samt lungeventilationen.. Cykle om kap - virtuel cykeltrainer: Eleverne kan her cykle om kap i deleaf en etape i Tour de France og opleve, hvordan kroppen reagerer forskelligt på belastningen.. Ud på tur - med GPS- og pulsur. Eleverne bliver her udstyret med hvert sit gps- og pulsur og sendt ud på tur for at løse forskellige opgaver. Til hver arbejdsstation findes der: 1. En poster, der giver en introduktion til, hvad øvelsen går ud på - både fagligt og teknisk.. Piktogrammer, der illustrerer, hvordan øvelsen skal gennemføres.. Trykfølsom skærm, der guider eleverne gennem dataopsamlingen. Tiden efter trailerbesøg Eleverne vil efter at have gennemført øvelserne i traileren, få mulighed for at downloade de data de har indsamlet. Som efterbehandling af trailerbesøget, er det derfor muligt at bearbejde dataene i regneark som Excel eller Calc. Det vil være muligt at lave farveprint af grafer i traileren. 5
Krop og energi som undervisningstema i folkeskolen Mobil lab sætter fokus på temaet Krop og energi som et tværfagligt forløb i biologi, fysik/kemi og geografi. I Fælles mål 009 kan man blandt andet finde flg. trinmål: Undervisningen skal lede frem mod, at eleverne har tilegnet sig kundskaber og færdigheder, der sætter dem i stand til at: Gøre rede for hovedtræk ved fotosyntese og respiration, herunder disse processers betydning i økosystemer (fælles for biologi og fysik/kemi, trinmål efter 8. klasse) Redegør for vigtige funktioner af indre organer og deres indbyrdes samspil, herunder optagelse af næringsstoffer og energi samt bortskaffelse af affaldsstoffer (biologi, trinmål efter 8. klasse.) Forklare den biologiske baggrund for sundhedsproblemer knyttet til livsstil og levevilkår (biologi, trinmål efter 8. klasse) Beskrive og forklare udvalgte eksempler på energioverførsel i hverdagen og teknik (fysik/kemi, trinmål efter 8. klasse) Forklare fødens sammensætning, dens energiindhold og sundhedsmæssige betydning, herunder proteiner, kulhydrater og fedtstoffer (biologi og fysik/kemi, trinmål efter 9. klasse) Forklare sammenhænge mellem muskler, lunger og blodskredsløb under fysisk aktivitet samt væsentlige træk ved kroppens energiomsætning (biologi, trinmål efter 9. klasse) Det findes en række lærebogssystemer, der behandler emnet Krop og energi. For eksempel: Kosmos B (Fysik/kemi): Krop og energi (side 6 67), Gyldendal. Ny fysik/kemi Tema: Det er sport i fysik. Gyldendal BIOS, Grundbog A: Kroppen, Gyldendal Ind i Biologien 7. klasse, Alinea Vedlagt mappen findes der også 10 eksemplarer af Menneskekroppen som motor. Undervisningsmaterialet fra Fysikforlaget er skrevet til det Naturfaglige fællesforløb i gymnasiet (006). Hæftet er primært tænkt som baggrundsviden til læreren, men uddrag af hæftet egner sig ligeledes fint som baggrundsviden til eleverne. Hæftet kan for øvrigt downloades på projektets hjemmeside (http://fys.dk/nfa/0/). På hjemmesiden findes der også andre gode eksempler på elevøvelser - også øvelser der kan laves i 7. - 9. klasse. 6
Kort faglig beskrivelse af undervisningstemaet Undervisningstemaet sætter fokus på, hvad der sker med kroppen, når kroppen udfører fysisk arbejde, fx at cykle eller løbe. Kroppens fysiske aktivitet kræver energi til musklernes funktion. Energien til muskelcellernes energikrævende processer kommer fra den energi, der er bundet i de kemiske bindinger, der er i føden, vi indtager. Og energien omsættes ved hjælp af cellens respirationsproces. Når energiomsætningen i musklerne øges, involveres også andre af kroppens funktioner. Det er vigtigt, at eleverne forstår sammenhængen mellem de ting, der sker i kroppen, når musklerne arbejder. Muskler - energiomsætning kondition - motion Fordøjelsessystem - mad Cellerespiration C 6 H O 6 + 6O --> 6CO + 6H O + energi mad + ilt --> kuldioxid + vand + energi Hud - sved og fordampning Lunger - åndedræt Hjerte - blodkredsløb 7
Kort faglig beskrivelse af undervisningstemaet Muskler - energiomsætning: Muskelcellerne skaffer sig energi, ved at nedbryde fødens grundbestanddele ved respiration (forbrænding) i cellernes mitokondrier. Slutproduktet bliver kuldioxid (CO ) og vand (H O). Energien, der frigøres ved processen, benyttes til musklernes arbejde - men til slut bliver størstedelen af den frigjorte energi omdannet til varmeenergi i kroppen. Det er vigtigt at forstå, at energien ikke bruges op, men omdannes fra en energiform til en anden. Det vil sige, at hvis musklerne skal kunne udføre et stykke arbejde, skal de have tilført energirige næringsstoffer (fx glukose) fra den indtagne føde og ilt fra luften. Og samtidigt skal der fjernes kuldioxid, vand og overskydende varme fra muskelcellerne. Fordøjelsessystem - mad: Føden, vi indtager, indeholder kemisk energi. Det er denne energi, der udnyttes af alle kroppens celler - også kroppens muskelceller. I fordøjelsessystemet nedbrydes føden til små bestanddele, som kan transporteres fra tarmen over i blodbanen. De forskellige dele af fordøjelsessystemet har forskellige roller i denne proces. De næringsstoffer, som giver kroppen energi, er fedt, kulhydrater og protein. Det er dog primært fedt og kulhydrater, som kroppen bruger som energikilde. Kulhydrater er det næringsstof, som både muskler og hjerne foretrækker. Protein bruges primært til opbygningen af musklerne. Lunger - åndedræt: Man trækker vejret for at optage ilt fra og afgive kuldioxid til den omgivende luft. I lungens alveoler foregår udveksling af luftarterne ved diffusion med blodet i hårkarrene. Ved forøget fysisk aktivitet forøges diffusionens effektivitet, således at der diffunderer mere ilt fra alveolerne over i blodet og mere kuldioxid fra blodet over i alveolerne. Samtidig vil lungeventilationen og åndingsdybden forøges under fysisk aktivitet. Hjerte - blodkredsløb: Blodet transporterer ilt, fra den luft der trækkes ind i lungerne, ud til alle kroppens celler, og kuldioxiden transporteres fra cellerne tilbage til lungerne. Blodet henter også næring fra maden i tarmene og fører dem til leveren. Leveren opbevarer noget af næringen og sender resten med blodet ud til alle cellerne i kroppen. Blodet løber også gennem nyrerne og udskiller de affaldsstoffer, som det har hentet rundt om i kroppen. Blodet har desuden den funktion at transportere varmeenergi fra muskelcellerne til huden, så varmeenergien kan afleveres til omgivelserne. Det er hjertets opgave at pumpe blodet rundt i blodkarrene. Jo mere musklerne arbejder, jo hurtigere må hjertet pumpe blodet rundt i kroppen - pulsen stiger. 8
Kort faglig beskrivelse af undervisningstemaet Hjerte - blodkredsløb: Blodet transporterer ilt, fra den luft der trækkes ind i lungerne, ud til alle kroppens celler, og kuldioxiden transporteres fra cellerne tilbage til lungerne. Blodet henter også næring fra maden i tarmene og fører dem til leveren. Leveren opbevarer noget af næringen og sender resten med blodet ud til alle cellerne i kroppen. Blodet løber også gennem nyrerne og udskiller de affaldsstoffer, som det har hentet rundt om i kroppen. Blodet har desuden den funktion at transportere varmeenergi fra muskelcellerne til huden, så varmeenergien kan afleveres til omgivelserne. Det er hjertets opgave at pumpe blodet rundt i blodkarrene. Jo mere musklerne arbejder, jo hurtigere må hjertet pumpe blodet rundt i kroppen - pulsen stiger. Hud - sved og fordampningsvarme: Ligesom andre pattedyr og fugle er mennesket nødt til hele tiden at holde kropstemperaturen nogenlunde konstant. Menneskets kropstemperatur ligger på ca. 7 C. Mennesker kan kun overleve inden for et snævert temperaturområde - bare fem grader over eller under vil være kritisk. Hårkarrene i huden medvirker til kroppens temperaturregulering. Stiger kropstemperaturen udvides de små blodkar nær hudens overflade og blodet afgiver energi til omgivelserne ved varme. Falder kropstemperaturen, trækker musklerne sig sammen og karrene lukkes næsten af, så blodgennemstrømningen i huden nedsættes. Det varme blod bliver inde i kroppen og afkølingen nedsættes. I huden findes der svedporer, som kan producere sved. For at øge varmeafgivelsen til omgivelserne, forøger hudens svedkirtler svedproduktionen. Fordampningen af sveden øger kroppens afgivelse af varmeenergi til omgivelserne. Når temperaturen er høj, eller når det enkelte menneskes muskler bliver opvarmet på grund af fysisk udfoldelse, bliver der produceret mere sved. Hvis man befinder sig i et miljø med stor luftfugtighed, vil fordampningen af sved blive begrænset og afkøling af huden bliver ligeledes begrænset. Kondition og motion: De fleste elever ved, at motion er godt, og at kondition er et udtryk for, hvor hurtigt man bliver forpustet, når man løber eller på anden måde udfolder sig fysisk. Men elevernes viden, om hvad motion og opbygningen af en god kondition betyder for kroppen, kan variere meget. I daglig tale bruges udtrykket kondition som udtryk for, hvor meget man kan præstere rent fysisk. Bedre kondition indebærer således forandringer både i lunger, hjerte, blodkar og selvfølgelig i musklerne. Overordnet set vil mere motion være ensbetydende med en bedre kondition, da kroppen vil forsøge at tilpasse sig til de krav, der stilles til den. 9
Datalogning i folkeskolen Blandt de fælles trinmål for Biologi, Fysik/ kemi og Geografi i Fælles mål 009 hedder det, at Undervisningen skal lede frem mod, at eleverne har tilegnet sig kundskaber og færdigheder, der sætter dem i stand til at anvende it-teknologi til informationssøgning, dataopsamling, kommunikation og formidling. Datalogning kan i denne sammenhæng defineres som brug af elektroniske sensorer til at indsamle og registrere data over tid i forbindelse med praktisk, eksperimentelt arbejde. Dataene kan enten læses mens de indsamles, eller gemmes på dataloggeren eller en computer. Sensorerne kan f.eks. bruges til at foretage følgende målinger: Iltindhold i vand Temperatur i luft og i vand/væsker ph (surhedsgrad) Pulsslag (hjerterytme) Lydstyrke Elektrisk strømstyrke Spændingsforskel Tryk Det vil sige, at der kan anskaffes sensorer til de fleste typer målinger, der udføres med måleinstrumenter, som vi normalt bruger i naturfagsundervisningen. Der findes to muligheder for at anskue sine opsamlede data på. Den ene er på en håndholdt datalogger, som på sit display giver mulighed for at vise den aktuelle måling. En anden måde er ved at forbinde sensorerne direkte til en computer eller forbinde dataloggeren til computeren, hvorved man kan se de indsamlede data afbilledet på computerskærmen som tal eller som grafer og eventuelt bearbejde disse. Hvis man ikke ønsker at være koblet til en computer f.eks. i forbindelse med feltarbejde, kan dataloggeren opsamle flere sæt data til senere behandling i computeren. Betegnelsen dataloggerudstyr bliver brugt som en samlebetegnelse for selve dataloggeren, sensorer og den tilhørende software. Det findes flere forskellige systemer på markedet, og skolerne kan i dette projekt vælge mellem de to mest anvendte systemer, som kommer fra Pasco og Vernier. GLX Explorer fra Pasco LabQuest fra Vernier 10
Didaktiske fokuspunkter Det er tanken, at øvelserne i de kasser, der kommer ud til skolerne, gerne skulle ses som ret åbne og lægge op til, at eleverne selv skal stille spørgsmål og udvide undersøgelserne i den retning, der interesserer dem. Det er hermed målet at understøtte en undersøgende og eksperimenterende tilgang, men dette er i høj grad op til, hvordan øvelserne bliver brugt. Vi ser gerne, at lærere laver øvelserne endnu mere åbne end de er skrevet, sådan at eleverne efter et par øvelser, hvor de har vænnet sig til apparaturet, fx selv er med til at formulere, hvad de gerne vil undersøge og hvordan. Vi har valgt at lave øvelsesvejledninger til eleverne, for at være sikre på, at alle ville kunne komme i gang med datalogning og med temaet. Øvelserne skal ses som et supplement til de øvrige øvelser (hvor der ikke anvendes dataloggere) eleverne kan arbejde med i forbindelse med et tema, som handler om kroppens arbejde. Øvelserne i traileren er derimod mere specialiserede og er derfor ret styrede med få frihedsgrader, om end eleverne stadig selv skal gennemføre øvelserne og dermed mærke effekterne på deres egen krop (hands on - minds in). 11