ISSN : 2241-4665

Αρχική σελίδα περιοδικού C.V.P. Παιδαγωγικής & Εκπαίδευσης

Σύντομη βιογραφία των συγγραφέων

Κριτικές του άρθρου

ISSN : 2241-4665

Ημερομηνία έκδοσης: Αθήνα 11 Δεκεμβρίου 2024

‘’ Αξιοποίηση καινοτόμων εκπαιδευτικών πρακτικών μέσω της διδασκαλίας STEM στις θετικές επιστήμες για την εύκολη κατανόηση της φυσικής του ηλεκτρισμού. Σύνδεση αντιστάσεων. Υποδειγματικό μοντέλο με την χρήση λογισμικού Phet. ‘’

‘’ Utilization of innovative educational practices through STEM teaching in science for easy understanding of the physics of electricity. Connection of resistors. Exemplary model using Phet software.’’

ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ

ΣΑΧΙΝΙΔΗΣ ΣΥΜΕΩΝ ΣΑΧΙΝΙΔΟΥ ΧΡΥΣΗ

Καθηγητής Πυρηνικός Φυσικός Δασκάλα

ΚΑΝΣΙΖΟΓΛΟΥ ΙΩΣΗΦ ΚΥΡΙΑΖΊΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ

Μηχανολόγος Μηχανικός Ηλεκτρολόγος μηχανικός ΤΕ

ΣΠΗΛΙΩΤΗς ΙΩΑΝΝΗΣ

Ηλεκτρολόγος μηχανικός ΤΕ

Sachinidis Simeon Sachinidou Chrisi

Professor Nuclear Physicist Teacher

  Kansizoglou Iosif       Kyriazidis Georgios   Mechanical Engineer  Εlectrical Engineer
Technological Education  Technological Education

Spiliotis Ioannis

Εlectrical Engineer  Technological Education

Περίληψη

Η εργασία αυτή διερευνά τη χρήση καινοτόμων εκπαιδευτικών πρακτικών μέσω της μεθοδολογίας STEM για τη διδασκαλία της φυσικής του ηλεκτρισμού, με έμφαση στις συνδεσμολογίες αντιστάσεων. Μέσω του διαδραστικού λογισμικού PhET, οι μαθητές μπορούν να προσομοιώσουν κυκλώματα, να εξετάσουν τη συμπεριφορά της τάσης και του ρεύματος στις συνδέσεις σειράς και παράλληλης και να αναπτύξουν δεξιότητες πειραματισμού και επίλυσης προβλημάτων. Το μοντέλο αυτό όχι μόνο ενισχύει την κατανόηση των μαθητών, αλλά και προάγει την αυτονομία τους στη μάθηση, καθιστώντας τη διαδικασία πιο ενδιαφέρουσα και αποτελεσματική

Summary

This paper explores the use of innovative educational practices through STEM methodology for teaching the physics of electricity, with emphasis on resistor connections. Through the PhET interactive software, students can simulate circuits, examine the behavior of voltage and current in series and parallel connections, and develop experimentation and problem-solving skills. This model not only enhances students' understanding, but also promotes their autonomy in learning, making the process more interesting and effective

Εισαγωγή

Η διδασκαλία των θετικών επιστημών, όπως η φυσική, συχνά απαιτεί δημιουργικές προσεγγίσεις για την ενίσχυση της κατανόησης εννοιών που θεωρούνται δύσκολες από τους μαθητές. Η μεθοδολογία STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) παρέχει ένα καινοτόμο πλαίσιο που συνδέει τη θεωρία με την πράξη, ενισχύοντας την ενεργό συμμετοχή των μαθητών. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα εφαρμογής της μεθοδολογίας αυτής είναι η αξιοποίηση διαδραστικών λογισμικών, όπως το PhET, για την κατανόηση θεμελιωδών αρχών του ηλεκτρισμού, όπως οι συνδεσμολογίες αντιστάσεων. Τα εργαλεία αυτά προσφέρουν ευκαιρίες για πειραματισμό και εξερεύνηση σε ένα ασφαλές και ελκυστικό περιβάλλον, βοηθώντας τους μαθητές να αποκτήσουν βαθύτερη κατανόηση μέσα από την εμπειρική μάθηση.

Κυρίως θέμα

Το STEM αποτελεί μια προσέγγιση στην εκπαίδευση η οποία σχεδιάζεται με τέτοιο τρόπο, ώστε η διδασκαλία των Μαθηματικών και των Φυσικών Επιστημών, να καθίστανται απαραίτητες για την κατανόηση των κλάδων των επιστημών που σχετίζονται με τις επιστήμες των Τεχνολογιών.

Η εκπαίδευση STEM διδάσκει την ανεξάρτητη καινοτομία και επιτρέπει στους μαθητές να εξερευνήσουν καλύτερα και εις βάθος όλα τα μαθήματα, χρησιμοποιώντας τις δεξιότητες που αποκτήθηκαν μέσω αυτής. Αυτό θα αποτελέσει ένα σοβαρό εφόδιο για το μέλλον, καθώς όλα τα επαγγέλματα απαιτούν πλέον εργαζόμενους οι οποίοι θα έχουν την ικανότητα να σκέφτονται κριτικά, να δουλεύουν ως μέλη μιας ομάδας και συγχρόνως ανεξάρτητα και να διαθέτουν δεξιότητες STEM (Fioriello.,2015).

Ο σκοπός, λοιπόν, της εκπαίδευσης STEM είναι να προετοιμάσει τους μαθητές της πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης να μπορούν να προσαρμόζονται, να διαχειρίζονται και να αναπτύσσουν καινοτόμες δραστηριότητες, τις οποίες θα έχουν την δυνατότητα να τις διαχειριστούν ως πραγματικά πλαίσια γνώσεων.

Με τις καινοτόμες δραστηριότητες μπορούν να διαχειριστούν και να προσεγγίζουν πραγματικές καταστάσεις που συμβαίνουν σε πραγματικούς χρόνους.

Με αυτό τον τρόπο οι μαθητές:

v Εξοικειώνονται με τη μεθοδολογία STEM.

v Κατανοούν τη μεθοδολογία STEM.

v Υιοθετούν μια στάση καινοτομίας και ανανέωσης στο έργο τους.

v Κατανοούν τις βασικές αρχές, τις αξίες και τους στόχους του STEM στην εκπαίδευση.

Κύριος στόχος των εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων STEM οι οποίες θα αναπτυχθούν, θα είναι η κατανόηση συγκεκριμένων εννοιών που θα αναδυθούν από κάθε δραστηριότητα. Το συγκεκριμένο θέμα άπτεται διεπιστημονικής προσέγγισης STEM, καθώς περιλαμβάνει θεωρητικές έννοιες αρκετών επιστημών όπως, της Φυσικής, Βιολογίας, των Μαθηματικών κ. ά., επιδρώντας ταυτόχρονα σε θέματα επιστημονικής και κριτικής σκέψης και διερευνητικής μάθησης.(Σαχινίδης Σ.,Σαλής & Σαχινίδης., 2022)

Η ενσωμάτωση της STEM μάθησης με την πραγματική ζωή στηρίζεται σε δύο βασικές λέξεις-κλειδιά: περιέργεια και παρατήρηση. Αυτές οι έννοιες είναι το θεμέλιο για την ανάπτυξη της κριτικής σκέψης και της επίλυσης προβλημάτων, ειδικά σε δραστηριότητες όπως οι συνδέσεις αντιστάσεων.

Η περιέργεια οδηγεί τους μαθητές να θέσουν ερωτήματα όπως:

v Τι συμβαίνει αν συνδέσουμε αντιστάσεις με διαφορετικό τρόπο;

v Πώς αλλάζει το ρεύμα και η τάση όταν προσθέτουμε ή αφαιρούμε μια αντίσταση;

v Γιατί σε παράλληλη σύνδεση το συνολικό ρεύμα είναι μεγαλύτερο ενώ η τάση παραμένει σταθερή;

Μέσα από την εξερεύνηση και τη διερεύνηση, οι μαθητές κατανοούν βαθύτερα τη λειτουργία των κυκλωμάτων και βλέπουν πώς οι συνδέσεις αντιστάσεων επηρεάζουν καθημερινές συσκευές, όπως λαμπτήρες ή ηλεκτρικές συσκευές.

Η παρατήρηση αποτελεί την επιστημονική βάση για την κατανόηση φαινομένων. Στη STEM μάθηση, οι μαθητές παρατηρούν:

v Τις αλλαγές στα όργανα μέτρησης, όπως το αμπερόμετρο και το βολτόμετρο.

v Την κατανομή της τάσης σε σειρά σύνδεση ή την κατανομή του ρεύματος σε παράλληλη σύνδεση.

v Πώς η θερμότητα ή το φως (σε πειράματα με λαμπτήρες) συνδέεται με την ισχύ που καταναλώνουν τα κυκλώματα.

Η παρατήρηση ενισχύεται όταν οι μαθητές χρησιμοποιούν λογισμικά όπως το PhET, όπου μπορούν να πειραματιστούν με ασφάλεια, να μετρήσουν δεδομένα και να βγάλουν συμπεράσματα.

Σύνδεση με τον πραγματικό κόσμο

v Η περιέργεια τους εμπνέει να συνδέσουν όσα μαθαίνουν με ερωτήματα της καθημερινής ζωής, όπως: «Γιατί οι λαμπτήρες έχουν διαφορετική φωτεινότητα όταν συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα;»

v Η παρατήρηση τους βοηθά να εντοπίσουν πώς σχεδιάζονται οι ηλεκτρικές εγκαταστάσεις στο σπίτι ή γιατί οι αντιστάσεις είναι απαραίτητες στη ρύθμιση ρεύματος σε ηλεκτρονικές συσκευές.

Η ανάπτυξη αυτών των δεξιοτήτων μέσω STEM μαθήσεων προετοιμάζει τους μαθητές για να προσεγγίζουν τη φυσική και την τεχνολογία ως εργαλεία επίλυσης πραγματικών προβλημάτων.

Η συνδεσμολογία αντιστάσεων είναι ένα ενδιαφέρον θέμα που μπορεί να διδαχθεί με τη χρήση της μεθοδολογίας STEM μέσω του διαδραστικού προγράμματος PhET. (Ιντερνετ 1).Με τη χρήση αυτού του εργαλείου, οι μαθητές μπορούν να εξερευνήσουν πειραματικά τις βασικές αρχές των ηλεκτρικών κυκλωμάτων και να κατανοήσουν τις ιδιότητες των αντιστάσεων σε σειριακή και παράλληλη συνδεσμολογία.

Δραστηριότητα πάνω στην συνδεσμολογία αντιστάσεων με τη χρήση της μεθοδολογίας STEM μέσω του διαδραστικού προγράμματος PhET:

1. Σκοπός

Να κατανοήσουν οι μαθητές:

ü Τι είναι η αντίσταση.

ü Τι συμβαίνει στη συνολική αντίσταση όταν οι αντιστάσεις συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα.

ü Πώς μεταβάλλεται το ρεύμα και η τάση στο κύκλωμα με βάση τις συνδέσεις.

2. Υλικά

ü Υπολογιστής ή tablet.

ü Πρόσβαση στην πλατφόρμα PhET Interactive Simulations (PhET).

ü Εργαλείο προσομοίωσης: "Κατασκευάστε ένα Κύκλωμα: DC (Kit)".

3. Διαδικασία

Μέρος Α: Θεωρία (15 λεπτά)

Παρουσιάστε τη θεωρία για τη συνδεσμολογία αντιστάσεων (σειριακή και παράλληλη).

ü Εξηγήστε τη διαφορά ανάμεσα στη συνολική αντίσταση

ü Σε σειρά: Rολ=R1+R2+R3+…R

ü Σε παράλληλη σύνδεση: 1/Rολ=1/R1+1/R2+1/R3

Μέρος Β: Πειραματική εφαρμογή μέσω PhET (30 λεπτά)

Στόχος: Κατανόηση της κατανομής τάσης και του σταθερού ρεύματος στη σειρά σύνδεση.

1. Είσοδος στην προσομοίωση:

☞ Ανοίξτε την εφαρμογή "Κατασκευάστε ένα Κύκλωμα: DC" στο PhET.

☞ Προσθέστε μια πηγή τάσης και αντιστάσεις.

2. Σειριακή συνδεσμολογία:

☞ Συνδέστε δύο αντιστάσεις σε σειρά.

☞ Μετρήστε τη συνολική αντίσταση, την τάση και το ρεύμα.

Καταγράψτε παρατηρήσεις. Εικόνα 1.

Εικόνα 1. Σειριακή συνδεσμολογία.

1. Ρεύμα (I): Το ρεύμα είναι ίδιο σε όλες τις αντιστάσεις, καθώς περνά διαδοχικά από κάθε αντίσταση. I_ολ=I₁=I₂

2. Τάση (V): Η συνολική τάση της πηγής κατανέμεται στις αντιστάσεις ανάλογα με τις τιμές τους. V_ολ=V₁+V₂

3. Συνολική Αντίσταση Rολ. Είναι το άθροισμα των επιμέρους αντιστάσεων. Rολ=R₁+R₂

Παρατήρηση: Στη σειρά, καθώς προστίθενται περισσότερες αντιστάσεις, αυξάνεται η συνολική αντίσταση, με αποτέλεσμα το ρεύμα στο κύκλωμα να μειώνεται.

3. Παράλληλη συνδεσμολογία:

• Συνδέστε τις ίδιες αντιστάσεις σε παράλληλη σύνδεση.
• Μετρήστε ξανά τις τιμές.

Εικόνα 2. Παράλληλη συνδεσμολογία.

Παράλληλη Συνδεσμολογία.

Στόχος: Κατανόηση της κατανομής του ρεύματος και της σταθερής τάσης στην παράλληλη σύνδεση.Εικόνα2.

1. Ρεύμα (I): Το ρεύμα διαμοιράζεται μεταξύ των αντιστάσεων. Η συνολική ένταση του ρεύματος είναι το άθροισμα των εντάσεων που διαρρέουν κάθε αντίσταση. Iολ=I₁+I₂

2. Τάση (V): Η τάση είναι ίδια σε όλες τις αντιστάσεις, καθώς όλες συνδέονται απευθείας με τους ίδιους πόλους της πηγής. Vολ=V₁=V₂

3. Συνολική Αντίσταση Rολ. Υπολογίζεται από τον τύπο: 1/Rολ=1/R₁+1/R₂

Προσομοίωση Βλάβης (Διακοπή Αντίστασης)

Στόχος: Ανάλυση της συμπεριφοράς του κυκλώματος σε περιπτώσεις βλάβης.
Δραστηριότητα:

☞ Σε ένα παράλληλο κύκλωμα, αφαιρέστε μια αντίσταση και παρατηρήστε πώς μεταβάλλεται το ρεύμα και η συνολική αντίσταση.

☞ Συζητήστε την εφαρμογή της δραστηριότητας σε πραγματικά κυκλώματα, όπως τα ηλεκτρικά συστήματα στο σπίτι

Παρατήρηση:

Στην παράλληλη συνδεσμολογία, η συνολική αντίσταση είναι πάντα μικρότερη από την μικρότερη επιμέρους αντίσταση. Καθώς προστίθενται περισσότερες αντιστάσεις, μειώνεται η συνολική αντίσταση και αυξάνεται το συνολικό ρεύμα. Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των δύο συνδέσεων.

Πίνακας 2. Χαρακτηριστικά των δύο συνδέσεων για την τάση και το ρεύμα.

Επεξηγηματικά Σχόλια

1. Σειρά σύνδεση αντιστάσεων

☞ Παρατήρηση τάσης: Η συνολική τάση στο κύκλωμα ισούται με το άθροισμα των επιμέρους τάσεων στις αντιστάσεις. Αυτό δίνει στους μαθητές τη δυνατότητα να κατανοήσουν τη διαίρεση της τάσης στις επιμέρους αντιστάσεις, ανάλογα με την τιμή τους.

☞ Παρατήρηση ρεύματος: Το ρεύμα είναι σταθερό σε όλο το κύκλωμα. Αυτή η σταθερότητα βοηθά τους μαθητές να κατανοήσουν τη διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου.

2. Παράλληλη σύνδεση αντιστάσεων

☞ Παρατήρηση τάσης: Η τάση παραμένει σταθερή σε κάθε παράλληλο κλάδο. Αυτή η ιδιότητα είναι σημαντική για την κατανόηση κυκλωμάτων που περιλαμβάνουν πολλαπλές διατάξεις.

☞ Παρατήρηση ρεύματος: Το συνολικό ρεύμα κατανέμεται στους κλάδους ανάλογα με την αντίσταση του κάθε κλάδου. Αυτό βοηθά στην κατανόηση της "διαίρεσης του ρεύματος" και της σχέσης μεταξύ ρεύματος και αντίστασης.

Με αυτές τις παρατηρήσεις, γίνεται φανερό πώς η φύση της συνδεσμολογίας επηρεάζει τη λειτουργία και την αποδοτικότητα του κυκλώματος!

Ενίσχυση της Κατανόησης μέσω Πειραματισμού

Με τη χρήση διαδραστικών εργαλείων, όπως το PhET, οι μαθητές μπορούν να αλλάζουν εύκολα τιμές αντιστάσεων και να παρακολουθούν τις επιπτώσεις στο ρεύμα και την τάση. Αυτό ενισχύει την εννοιολογική κατανόηση και ενθαρρύνει τη διερεύνηση. Επίσης, μέσω πειραμάτων με πραγματικά κυκλώματα, οι μαθητές μαθαίνουν τη σωστή συνδεσμολογία, τη μέτρηση με πολύμετρο και τη σημασία της ακρίβειας στις μετρήσεις.

Συμπεράσματα

Τα παραπάνω πειράματα όχι μόνο ενισχύουν την κατανόηση του ηλεκτρισμού, αλλά προσφέρουν και μια ελκυστική και πρακτική προσέγγιση μέσω της βιωματικής μάθησης, που είναι απαραίτητη για τη STEM εκπαίδευση.

☞ Το STEM παρέχει ευκαιρίες για την ανάπτυξη δεξιοτήτων ενθαρρύνοντας τα παιδιά να απαντούν σε ερωτήματα και να εμπλέκονται σε παιγνιώδεις δραστηριότητες με θέματα την επιστήμη, τα μαθηματικά, τη μηχανική και την τεχνολογία.

☞ Είναι πραγματικά εντυπωσιακή η αλλαγή της εμπλοκής και του ενδιαφέροντος που εμφανίζουν  τα παιδιά με τα επιστημονικά πεδία του STEM.

☞ Ο σκοπός της αξιοποίησης καινοτόμων εκπαιδευτικών πρακτικών, όπως η χρήση ενός laser, είναι η ενίσχυση της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών, της βιολογίας και της φυσικής ακτινοβολιών μέσω της μεθοδολογίας STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics). Η ενσωμάτωση αυτών των τεχνολογιών στη διδακτική διαδικασία συμβάλλει στην καλύτερη κατανόηση των εννοιών και των φαινομένων και καθιστά την εκπαίδευση πιο διαδραστική και αποτελεσματική.

Βιβλιογραφία

Fioriello,P.(2015). Understanding the Basics of STEM Education. https://drpfconsults.com/understanding-the-basics-of-stem-education/

Orue I et al. (2018) Configuration of the magnetosome chain: a natural magnetic nanoarchitecture. Nanoscale,10: 7407-7419 doi: 10.1039/c7nr08493e

Ιντερνετ 1.https://phet.colorado.edu/en/simulations/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab

Σαχινίδης Συμεών Σαλής Αναστάσιος Σαχινίδης Ελευθέριος. Η σημασία των ΣΤΕΜ στην εκπαιδευτική διαδικασία. Υποδειγματικό μάθημα ολοκληρωμένου ΣΤΕΜ. ISSN:2241-4665.. 14-6-22

© Copyright-VIPAPHARM. All rights reserved