Engineering i Skolen Undervisningsforløb Eng ne ring i Sk len Undervisningsforløb: Varm kakao
Engineering i Skolen Undervisningsforløb Varm Kakao Isolering bruger vi, når en ønsket temperatur skal opretholdes i et lokale, selv om temperaturerne i omgivelserne skifter. Vi lever i et land, hvor vi i mange måneder om året er nødt til at opvarme de bygninger, vi opholder os i, herunder vores huse. Det er en meget tung post, både økonomisk og ressourcemæssigt, og det isoleringsmateriale, man benytter i Danmark, er derfor nødt til at være af høj kvalitet. I forløbet får eleverne kendskab til de egenskaber, gode isoleringsmaterialer har. Isolerings egenskab defineres som det, der karakteriserer et materiale i forhold til styrke, varmeledning, absorption og viskositet. Graden af isoleringsevne afhænger altså af varmeledningsevnen, men også af materialets tykkelse. Hvor velegnet et isoleringsmateriale er, afhænger også af andre faktorer, her er nogle eksempler: Brandsikkert - er det brandhæmmende? Absorptionen - opsuger det fugt, eller transporterer det fugt? Det skal ikke holde på fugtigheden. Angreb - kommer der nemt skadedyr, insekter eller svampe i isoleringsmaterialet? Giftigt indhold - indeholder det giftige stoffer? Bæredygtighed - er produktionen bæredygtig, herunder CO2-belastningen? Installering - er det nemt at installere? Holdbarhed - hvor lang er den? Udseende - skæmmer det ens hus? Lugt - lugter/dufter materialet af noget? Målgruppe 4.-5. klasse Kompetenceområde Undersøgelseskompetence Eleven kan gennemføre en enkel undersøgelse af isoleringsmaterialers funktion på baggrund af egne forventninger om valgte materialer og tykkelse. Modelleringskompetence Eleven kan lave en model af isoleringsmateriale. Perspektiveringskompetence Eleven kan relatere isoleringsmaterialer til deres egen hverdag, fx i huse. Kommunikationskompetence Eleven kan formidle og har viden om isoleringsmaterialers egenskaber. Faglige søjler Teknologi og ressourcer 12 lektioner Artikel om bæredygtige isoleringsprodukter (hør, papiruld, træfiber, søgræs, perlite): https://groenforskel.dk/ baeredygtig-isolering/ I andre lande, fx i Mellemøsten, er de også nødt til være opmærksomme på isolering af bygninger, men af den modsatte årsag - her skal de undgå, at der bliver for varmt i bygningerne. Eleverne gennemfører en Varm kakao-udfordring, hvor de skal producere en beholder, der kan holde kakao varm i lang tid. 1
splan Varm kakao Forstå Vejledning til delprocessen forstå Se videoerne: Sådan laver du sund varm kakao: www.youtube. com/watch?v=wd0zylbyvpw Papiruld som isolering, en bæredygtig løsning: www.youtube.com/watch?v=rho1_zxemdg Få ideer Aktivitet: Associationsbrainstorm varm kakao - Eleverne får ideer til deres isoleringsmateriale. Design Aktivitet: Design beholder til varm kakao - Eleverne designer, hvordan deres isoleringsmateriale til beholderen skal se ud. Konstruer Vejledning til delprocessen konstruer Aktivitet: Konstruer beholder til varm kakao Test Vejledning til delprocessen test Undersøg Vejledning til delprocessen undersøg Aktivitet: Styrke til varm kakao - Eleverne arbejder med styrke Aktivitet: Varmeledning til varm kakao - Eleverne arbejder med varmeledning Aktivitet: Absorption til varm kakao - Eleverne arbejder med absorption Gør bedre Aktivitet: Gør din beholder til varm kakao bedre Test Aktivitet: Test 2 beholder til varm kakao Fremlæg Aktivitet: Fremlæg jeres beholder til varm kakao Aktivitet: Test 1 - beholder til varm kakao 2
Engineering i skolen Engineering-udfordringen Varm kakao Engineering-udfordringen I skal lave isolering til en beholder, der kan holde en væske varm. Hvilke materialer vil I bruge, og hvordan vil I sætte dem sammen? Beholderen skal isolere så godt, at væsken er mindst 50 C varm efter 30 minutter Isoleringslaget omkring beholderen må højst være 3 cm tykt. Hvad skal I tænke på, når I laver ny isolering? Hvad er god isolering? Hvilket materiale vil I vælge? Hvilken tykkelse skal det have? Hvilken sammensætning vil være den bedste? Først laver I en prototype og tester den, hvor varm er kakaoen efter 30 minutter? Så laver I en række aktiviteter, og udvider jeres viden om hvad godt isoleringsmateriale er. Derefter optimerer I jeres prototype og tester igen. Når I er tilfredse med jeres nyudviklede beholder, laver I datablade på produktet og præsenterer det for andre elever. 3
er Akt vite er Undervisningsforløb Varm kakao Aktiviteter Associationsbrainstorm varm kakao Design beholder til varm kakao Konstruer beholdet til varm kakao Test 1 - beholder til varm kakao Styrke til varm kakao Varmeledning til varm kakap Absorption til varm kakao Gør din beholder til varm kakao bedre Test 2 beholder til varm kakao Fremlæg jeres beholder til varm kakao 4
Få ideer Associationsbrainstorm: Varm kakao Der er mange aspekter, der skal tænkes ind, når eleverne skal kunne lave deres eget isoleringsmateriale til en beholder, der kan holde kakao varmt. Eleverne associationsbrainstormer - hvad tror de, de skal tænke på, når de skal vælge isoleringsmaterialer, og hvor tykt det skal være? Eleverne arbejder i grupper. De skyder helt umiddelbart fra hoften og laver en associationsbrainstorm. Hvad tror de, man skal tænke på, når man skal vurdere et isoleringsmateriales kvalitet? Find vejledning til associationsbrainstorm her: https://tinyurl.com/astrabrainstorm Brainstormen skal eleverne bruge senere, når de skal til at designe deres beholder til varm kakao. Forklaring Graden af isoleringsevne afhænger af varmeledningsevnen, men også af materialets tykkelse. Der er flere faktorer, der spiller ind, når man skal bedømme, hvor godt et isoleringsmateriale er: Brandsikkert - er det brandhæmmende? Absorptionen - opsuger det fugt, eller transporterer det fugt? Det skal ikke holde på fugtigheden. Angreb - kommer der nemt skadedyr, insekter eller svampe i isoleringsmaterialet? Giftigt indhold - Indeholder det giftige stoffer? Bæredygtighed - er produktionen bæredygtig, herunder CO2-belastningen? Installering - er det nemt at installere? Holdbarhed - hvor lang er den? Udseende - skæmmer det ens hus? Lugt - lugter/dufter materialet af noget? Mellemtrin 1-2 lektioner 5
Design beholder til varm kakao I skal arbejde sammen i grupper på 4-5 elever. Det er i disse grupper, I fortsætter det videre arbejde. I skal tage udgangspunkt i den brainstorm, I lavede i første lektion. Læs udfordringsteksten igen. Hvilke krav er der til beholderen? Hvad skal den kunne, og hvordan? Mellemtrin 2 lektioner I skal nu til at designe jeres isoleringsmateriale til beholderen. Kig på det materiale, I har til rådighed, og snak sammen om, hvad der er, og hvordan det mon kan isolere. Er det godt eller dårligt - og hvorfor? De materialer, I kan vælge mellem er: Skumklude (dem man bruge til at vaske babyer) Gulvklude Engangsklude Små plastposer Store plastposer Stanniol Husholdningsfilm Pap Vat Flamingo (1 cm tykt) Tape Snak sammen om, hvad I vil lægge vægt på i jeres design af isoleringsmaterialet til beholderen. Vælg de fem pointer ud, I synes er vigtigst, og skriv dem ned. Lav en tegning af, hvordan jeres isoleringsmateriale skal se ud. 6
Konstruer beholder til varm kakao I skal nu til at konstruere jeres isoleringsmateriale til beholderen. I har fordelt jeres roller i selve konstruktionsfasen og forholdt jer til det praktiske, når I skal konstruere (Vejledning Hvem har hvilke roller og Hvilken praktik skal I tænke over ). Mellemtrin 1 lektion Tag nu jeres fem vigtigste pointer og tegning frem. Kig på tegningen, og følg planen: Find jeres materialer frem. Find beholderen frem - et jumbo-reagensglas fungerer rigtig godt. Sæt materialet sammen om beholderen, sådan som I har planlagt det og tegnet det. OBS: Det er jeres lærer, der fylder kogende kakao eller vand i beholderen. 7
Test Test 1 - beholder til varm kakao Læs kravet til jeres beholder igen, hvad står der i udfordringsteksten? Jeres lærer har fyldt kogende vand eller kakao i beholderen. Nu skal beholderen testes - kan den holde på varmen i 30 minutter, så jeres vand eller kakao er mindst 50 grader varmt efter de 30 minutter? Mellemtrin og udskoling 2 lektioner Læreren fylder kolber med kogende vand eller kakao og propper dem til. I sætter et termometer i og aflæser temperaturen. Skriv temperaturen ned. I venter 30 minutter (hold måske frikvarter). I aflæs temperaturen igen og skriver den ned. Kunne jeres beholder holde på varmen, sådan som den skulle? Nogle skoler har en datalogger, som kan bruges til at måle temperaturen løbende. Jeres lærer kan sætte sådan en datalogger ned i en af jeres beholdere, så I løbende kan registrere, hvad der sker. I kan eventuelt tegne et koordinatsystem på tavlen, hvor I plotter aflæsningerne ind. På den måde kan I vise, hvordan temperaturen udvikler sig i beholderen over tid. 8
Styrke til varm kakao Et materiales styrke måles på materialets evne til at modstå fysiske påvirkninger. Hvor meget kan materialet strækkes, rives, trækkes, vrides, slås på eller lægges vægt på - uden at det går i stykker? Vi taler om to former for styrke: Flydestyrke (ændrer materialet form) og brudstyrke (går materialet i stykker). Eleverne får kendskab til metoder, hvorpå de kan teste styrke med udgangspunkt i metal og papir. Vi har fundet inspiration til aktiviteten i forløbet Materialernes Fantastiske Verden, et forløb udviklet af DTU. Du kan finde uddybende forklaringer til aktiviteten i forløbsvejledningen udviklet til forløbet. Til forløbet kan du bestille en materialekasse, der indeholder mange af de materialer, du skal bruge for at gennemføre forløbet. Materialekassen er gratis, og du bestiller den hos dit lokale Center for Undervisningsmidler, CFU. Du finder forløbsvejledning og link til bestilling af materialekassen her: bornenesuniversitet.dk/materialekasse/ undervisningsmateriale Eleverne arbejder sammen i mindre grupper, men de skal hver især registrere i deres logbog: Eleverne planlægger selv deres undersøgelse - hvilke egenskaber vil de teste? De stiller en hypotese for hvert materiale - vil det være egnet som isoleringsmateriale? Eleverne registrerer resultaterne i hver sin logbog. Du kan foreslå dem, at de laver et skema de registrerer i - hvor de materialer de har testet står listet med registrering af resultater i kolonner). 1. Flydestyrke, brudstyrke og trykstyrke (se side 15-17 i forløbsvejledningen fra DTU): Hav et bredt udvalg af materialetyper klar. I udvalget skal der være noget metal (fx en metaldåse) og noget kridt. Tænk også på, at der i udvalget er materialer, der er relevante i forhold til isolering, fx flamingo. Lad eleverne selv komme på, hvilke egenskaber de vil teste. Inspiration til egenskaber, eleverne kan teste: Hvad sker der når, eleverne håndterer materialet: Trækker i, trykker på, vrider, bøjer, river i, slår på, taber eller lægger vægt på? 2. Papirs styrke ud fra dets vægt (se side 19-20 i forløbsvejledningen fra DTU): Hav et bredt udvalg af papir klar. Alt fra aviser til karton og bølgepap. Med udgangspunkt i materialets vægt skal eleverne selv designe en undersøgelse - hvilke egenskaber vil de teste? Vigtigt: Eleverne skal inddrage papirets vægt som den ene af parametrene i deres undersøgelse. Inspiration til egenskaber, eleverne kan teste: Hvad sker der når, eleverne håndterer materialet: Trækker i, river, laver hul i... 3. Papirs brudstyrke (se side 21-25 i forløbsvejledningen fra DTU): Sketesten og kugletesten er test, som industrien ofte bruger, når de skal teste et papirs brudstyrke. Forklaring Egenskaben styrke er ikke den, der tæller mest, når man skal vurdere et isoleringsmateriales kvalitet. Det er dog vigtigt, at byggemateriale generelt har en egnet styrke. Materialer med en meget lav brudstyrke, fx kridt, vil være helt uegnet som isoleringsmateriale, da det vil knuses, når man arbejder med det. Flydestyrke/brudstyrke Flydestyrke er et udtryk for, om et materiale ændrer form, når det fx bliver udsat for slag. Det gør mange metaller, eksempelvis vil metaldåsen få buler, når man slår på den, men den går ikke i stykker. Brudstyrke er et udtryk for, om materialet går i stykker, når man slår på det. Kridt går i stykker, når man slår på det - men det ændrer ikke form - får ikke buler. Altså har metal en lav flydestyrke, men en høj brudstyrke. Og kridt har en høj flydestyrke, men en lav brudstyrke. Papirs styrke Rivetesten er almindeligt brugt i industrien som et mål for, hvor stærkt papir er. Generelt er det sådan, at jo større vægt, desto sværere er det at rive papiret over. Der er altså en sammenhæng mellem papirs styrke og papirs vægt. Sketesten og kugletesten fortæller også noget om papirs styrke. Fx går avispapir let i stykker. Jo højere oppe, skeen falder fra, før materialet går i stykker, desto stærkere er materialet. Jo flere kugler der skal i beholderen, før den falder ned, desto stærkere er papiret. Mellemtrin og udskoling 2 lektioner 9
Varmeledning til varm kakao Mellemtrin 1 lektion Varmeledning er et udtryk for, hvor hurtigt eller hvor langsomt et materiale tillader varme at forsvinde. Varmer du den ene ende af en metalstang op, vil den anden ende efter noget tid blive varm. Varmeledningsevnen siger altså noget om, hvor hurtigt varmeudvekslingen sker. Gode varmeledere afgiver og optager hurtigt varme fra deres omgivelser, mens dårlige varmeledere udveksler varme med deres omgivelser langsomt. Dårlige varmeledere, siger vi, er gode isolatorer. Ikke alle stoffer leder varme lige godt. Luft er for eksempel en dårlig varmeleder (og altså en god isolator), mens metaller er gode varmeledere (og dårlige isolatorer). Eleverne undersøger, hvad der har betydning for varmeledningen. Dels materialet, dels tykkelsen af materialet. De arbejder med forskellige typer af kopper og tester, hvor varm kakaoen holder sig over tid. Vi har fundet inspiration til aktiviteten i forløbet Materialernes Fantastiske Verden, et forløb udviklet af DTU. Du kan finde uddybende forklaringer til aktiviteten i forløbsvejledningen på side 33. Til forløbet kan du bestille en materialekasse, der indeholder mange af de materialer, du skal bruge for at gennemføre forløbet. Materialekassen er gratis, og du bestiller den hos dit lokale Center for Undervisningsmidler (CFU). Du finder forløbsvejledning og link til bestilling af materialekassen her: www.bornenesuniversitet.dk/ materialekasse/undervisningsmateriale Test varmeledningen i kopper Hav et bredt udvalg af kopper klar. Lav eleverne vælge fem kopper, som de skal teste. Indholdet i koppen kan være kogt vand, men I kan også vælge at have varm kakao i kopperne - og så slutte aktiviteten af med at drikke den varme kakao. :-) Inspiration til udvalg af kopper Tykke plastkopper, tynde plastkopper, flamingokopper (kan købes i supermarked), keramikkopper, keramikkopper med isolerende mellemrum (fx fra producenten Menu), metalkopper (den type, mange har med i bilen til kørekaffe ), papkopper og papkopper med isolerende mellemrum (fx fra tankstation). OBS: Lad eleverne selv byde ind - har de kopper, de kan medbringe hjemmefra? Eleverne arbejder sammen i mindre grupper, men de skal hver især registrere i deres egen logbog. Eleverne planlægger selv deres undersøgelse: Hvilket materiale er kopperne lavet af, hvor tykke er koppernes sider, og hvordan vil de teste varmetabet (lad dem føle på koppen over tid eller måle temperaturen i væsken over tid)? Eleverne stiller en hypotese for hver kop - hvor god er den til at holde kakaoen varm? Over hvor lang tid skal de teste? I kan evt. teste ved undervisningens afslutning, ved skoledagens afslutning og igen dagen efter. Eleverne registrerer resultaterne i hver sin logbog - foreslå dem, at de laver et skema, de registrerer i (hvilke kopper har de testet, hvilket materiale er kopperne lavet af, er der et isolerende mellemrum i siderne af koppen, og hvor tykke er siderne på koppen). Holder deres hypoteser - hvilken kop tror de er bedst til at holde på varmen, og hvorfor? Forklaring Varmeledning er en vigtig egenskab for isoleringsmateriale. Et godt isoleringsmateriale har en dårlig varmeledningsevne - det sikrer, at varmen holder sig på den ene side af materialet - varmen bliver ikke udvekslet over materialet. Luft er en meget dårlig varmeleder og derfor en meget god komponent i isoleringsmateriale. Papir og pap er ligeledes meget dårlige varmeledere og således gode komponenter i isoleringsmateriale. Velegnede isoleringsmaterialer indeholder derfor altid meget luft (som Rockwool og flamingo) - andre en blanding af papir og luft (som papiruld og træfiber). Prøv også at teste varmekapacitet med en lille aktivitet: www.testoteket.dk/tildinundervisning/m%c3%b8nt-redder-papir-fra-ilden Kilder www.bornenesuniversitet.dk/materialekasse/undervisningsmateriale www.fysikleksikon.nbi.ku.dk/v/varmeledning/ 10
Absorption til varm kakao Absorption kan defineres som en proces, hvor væske trænger ind i et materiale og optages (absorberes) af det. En høj og lav absorptionsevne beskriver, hvor meget væske et materiale kan opsuge, men siger ikke nødvendigvis noget om, hvor hurtigt væsken absorberes. Absorption har betydning for isoleringsmaterialers kvalitet. Er absorptionsevnen høj, er materialet uegnet som isoleringsmateriale, fordi det kan holde på fugtigheden - som igen kan danne grobund for fx svampe. Eleverne undersøger, hvad der har betydning for absorptionen. Dels materialet, dels indholdet af luft i materialet. De arbejder med forskellige typer af køkkenrulle, papirhåndklæder og bleer, og de tester disses absorptionsevne. Test absorption i nogle af de materialer, I har til rådighed, når I laver jeres isoleringsmateriale til beholderen. Eleverne arbejder sammen i mindre grupper, men de skal hver især registrere i deres egen logbog. Alle grupperne tester materialerne: Skumklude, gulvklude, engangsklude, pap, vat og flamingo. OBS: Skumklude skal gøre våde først. Forklaring Porøsitet og absorptionsevne hænger sammen. Porøse materialer har et højt indhold af lufthuller og dermed en høj absorptionsevne, fordi vandet kan trænge ind i alle lufthullerne. I processen fortrænges luften. Porøsitet er en af de vigtigste faktorer for et materiales absorptionsevne. Et materiales absorptionsevne afgør, hvad materialet kan bruges til, fx fugtspærrer under et hus eller et blemateriale. Det er en vigtig pointe, at både materialer med lav absorptionsevne og materialer med høj absorptionsevne kan være gode. Det afhænger af, hvad materialerne skal bruges til. I forhold til isolering er det en god egenskab, at materialet har en lav absorptionsevne - isoleringsmaterialet skal ikke holde på fugt. Så er der risiko for svampeangreb, fx skimmelsvamp, der er sundhedsskadelig. Mellemtrin 1 lektion Eleverne gør klar til undersøgelsen. De undrer sig - hvilket materiale tror de har den største absorptionsevne? Materialerne klippes i stykker på 10 x 10 cm fra samme område midt på materialet, og stykkerne vejes. Eleverne drypper materialerne med vand fra en engangssprøjte. Eleverne registrerer løbende udviklingen, hvor meget vand kan de dryppe på materialet (mål fra engangssprøjten), før materialet er mættet (der løber vand ud igen). Eleverne registrerer resultaterne i hver sin logbog - de laver et skema, hvor de registrerer, hvilket materiale de testede, og hvor meget vand materialet kunne optage. TIP: Farv vandet med frugtfarve - så er det lettere at registrere, hvordan vandet spreder sig i materialet. 11
Gør din beholder til varm kakao bedre Start med at se videoen Hold varmen på vandet : www.testoteket.dk/tildinundervisning/hold-varmen-paavandet I skal hver især notere mindst tre pointer fra videoen - hvad kan have betydning for kvaliteten af isoleringsmateriale? Mellemtrin 1 lektion Så går I sammen i jeres grupper igen. Hør hinandens pointer fra videoen. Hvor god var jeres beholder til at holde på varmen? I har nu fået noget ny viden om varmeledning og absorption, ligesom I har fået en fortælling om luft i isoleringsmateriale (Kasper brugte i videoen Sørens dunjakke, der er fyldt med luft). Hvordan kan I gøre jeres isoleringsmateriale bedre? Brug samme fremgangsmåde, som da I konstruerede første gang. Og lad læreren hælde nyt varmt vand eller kakao i beholderen, når I er færdige med at konstruere jeres nye, forbedrede isoleringsmateriale. 12
Test Test 2 - beholder til varm kakao Jeres lærer har fyldt kogende vand eller kakao i den nye beholder. Nu skal beholderen testes igen - hvor høj er temperaturen på det varme vand eller kakaoen efter de 30 minutter? Mellemtrin og udskoling 2 lektioner Læreren fylder kolber med kogende vand eller kakao og propper dem til. I sætter et termometer i og aflæser temperaturen. Skriv temperaturen ned. I venter 30 minutter (hold måske frikvarter). I aflæser temperaturen igen og skriver den ned. Hvad var forskellen på jeres første test og anden test - målt i grader? Saml op med hele klassen. Skriv jeres resultater op på tavlen: Hvilket materiale valgte jeres gruppe? Hvad var temperaturen efter første test? Hvad var temperaturen efter anden test? Hvilken beholder var bedst til at holde på temperaturen - og hvorfor, tror I? Hvilket hold var bedst til at forbedre deres isoleringsmateriale - og hvorfor, tror I? 13
Fremlæg jeres isolerende beholder Eleverne udarbejder et produktdatablad til præsentation af deres nyudviklede isoleringsmateriale til en beholder til varm kakao og præsenterer det for resten af klassen. Hvert hold vender tilbage til deres brainstorm og ser på design og resultater. Hvert hold udarbejder et produktdatablad til deres beholder. Produktdatabladet fungerer som en præsentation af beholderen, og holdene beslutter, hvilke elementer produktdatabladet for deres isoleringsmateriale skal indeholde, og hvilke oplysninger de gerne vil have med. Holdene kan finde inspiration i eksisterende produktblade, fx: Forklaring Et produktdatablad er et ark med oplysninger om produktet og dets bestanddele. Her finder forbrugeren oplysninger om produktets sammensætning og hvilke materialer, der indgår. Derudover kan være anført CE-mærkning, holdbarhed og miljøoplysninger samt anbefalinger til affaldshåndtering. Produktdatablade indeholder også detaljerede oplysninger om produktfordele og sortiment. Mellemtrin 1 lektion Isover facadeisolering https://www.isover.dk/sites/isover.dk/files/assets/documents/ db_facadeisolering32.pdf Papiruld produktdatablad www.papiruld.dk/media/6069/produktdatablad_papiruld.pdf Holdene fremlægger deres produkter, herunder deres produktblade, for resten af klassen. De kan inddrage fotodokumentation og film i deres fremlæggelse. 14