Tvorivý učiteľ fyziky VIII, Smolenice apríl 2015

Transcription

1 BÁDATEĽSKÉ PRÍRODOVEDNÉ LABORATÓRIUM Mária Bilišňanská, Marián Kireš Ústav Fyzikálnych Vied PF UPJŠ v Košiciach Abstrakt: Príspevok je zameraný na Bádateľské prírodovedné laboratórium zriadené v októbri 2014 v rámci expozície SteelPARK Košice. Autori opisujú navrhnuté vzdelávacie aktivity, zamerané na rozvíjanie vybraných bádateľských zručností žiakov základných a stredných škôl. V úvode každej aktivity zisťujeme prekoncepty žiakov k danej téme. Po realizácii aktivity žiaci prostredníctvom sebahodnotiacej karty sumarizujú a hodnotia, čo sa počas aktivity naučili. Autori prezentujú vybrané výsledky získané pomocou navrhnutých spätnoväzbových nástrojov. Kľúčové slová: fyzika, Bádateľské prírodovedné laboratórium, vzdelávacie aktivity, vybrané bádateľské zručnosti žiakov Úvod Človek využíva prirodzený spôsob poznávania sveta výskumný proces, ktorého základom je tvorba predikcií a hypotéz a ich následné overovanie. Tento logický postup je súčasťou všetkých výskumne ladených koncepcií prírodovedného vzdelávania (Inquiry based science education IBSE). Nedostatok školských pomôcok, moderných vzdelávacích pomôcok alebo veľký počet žiakov v triedach bez delených hodín môže učiteľa brzdiť pri jeho snahe začleniť IBSE metódy do vyučovania. V tomto prípade je vhodné využiť exkurziu do centier vedy, univerzitných laboratórií alebo iných prírodovedne zameraných inštitúcií, v ktorých môžu žiaci pozorovať a zažiť prácu vedca. SteelPARK Exponáty v centrách vedy sú prevažne zamerané na zvýšenie motivácie návštevníkov pre vedu a techniku. Formou interaktívnych pokusov a hier sa zoznamujú so zákonmi prírody, sveta a vesmíru. Zábavným spôsobom sa najmä u detí prebúdza záujem o tajomstvá okolitého sveta, nezabudnuteľnými zážitkami objavujú úžasný svet fyziky. Perfektné 3D kiná, zaujímavo podávané prednášky, predstavenia s ohromujúcimi efektmi, možnosť pozrieť si vnútro objektov v životnej veľkosti, robiť fyzikálne pokusy sú už takmer v každej krajine absolútnou samozrejmosťou. Návštevníkom dávajú možnosť vidieť a zistiť, ako veci fungujú, objavovať, experimentovať. Obr.1: Budova kreatívnej fabriky SteelPARK Myšlienku kreatívnej fabriky priniesol do Košíc prezident košickej oceliarne George F. Babcoke, U.S.Steel Košice, ktorý sa stal iniciátorom a koordinátorom rozsiahlych prác na projekte SteelPark. Spoločnosť USS Košice v spolupráci s mestom Košice, Technickou Univerzitou Košice, 67

2 Prírodovedeckou fakultou UPJŠ a SAV v Košiciach spoločne pripravili stálu expozíciu SteelPark ( ako jedno z podujatí v rámci EHMK (Európske hlavné mesto kultúry) Kreatívna fabrika SteelPark je prevažne zameraná na prezentáciu zaujímavých vedeckých postupov a technických zariadení pri výrobe ocele a oceľových výrobkov. Návštevníci získavajú informácie z pozorovania experimentu či výrobného postupu a z priloženého popisu. Obmedzenie rozsahu však nedovoľuje dôkladné vysvetlenie fyzikálnej podstaty. Preto SteelPark v spolupráci s Oddelením didaktiky fyziky ÚFV PF UPJŠ zriadil v školskom roku 2014/2015 Bádateľské prírodovedné laboratórium. Hlavnou myšlienkou Science Labu bolo k interaktívnym exponátom SteelPark zaradiť aj vzdelávacie aktivity v tesnejšej väzbe na štátny vzdelávací program a rozvíjať tak experimentálne zručnosti žiakov aj prostredníctvom exkurzie do Kreatívnej fabriky SteelPark. V podnetnom prostredí novozriadeného centra je snahou motivovať žiakov k aktívnemu poznávaniu a hlbšiemu pochopeniu vybraných javov. Bádateľské prírodovedné laboratórium Bádateľské prírodovedné laboratórium je určené pre učiteľov a ich žiakov na aktívne experimentovanie. Dostatočným počtom potrebných pomôcok pre jednotlivé skupiny žiakov, pripravenými pracovnými listami a metodikami k zaradeným experimentom sa podporuje rozvíjanie vedeckej gramotnosti žiakov základných i stredných škôl. Aktivita v bádateľskom prírodovednom laboratóriu trvá 60 min. Jej náplňou je žiacke fyzikálne experimentovanie v menších skupinách (max. 16 žiakov) pod vedením vyškoleného lektora. Pôvodne (od októbra 2014 do januára 2015) bolo možné prihlásiť sa len na jednu aktivitu, pričom ich náplň sa mesačne obmieňala. S dôrazom na aktívnu účasť všetkých žiakov a rozvoj ich experimentálnych zručností, maximálny počet žiakov v jednej skupine je 16. Preto sme od februára 2015 pripravili dve paralelne bežiace aktivity s rôznym zameraním, v dvoch oddelených miestnostiach. Učiteľ môže prísť s celou svojou triedou a žiakov rozdelíme do dvoch skupín. Bádateľské prírodovedné laboratórium zároveň využívame ako podporu pre študentov medziodborového a učiteľského štúdia v kombinácii s fyzikou. Lektorovaním sa pripravujú na svoje budúce povolanie. V učebni Science Lab získajú skúsenosti s bádateľskými aktivitami, ktoré môžu neskôr využívať pri svojej vlastnej výučbe, ale aj s rôznymi vekovými kategóriami žiakov zo škôl s rôznym zameraním. Obr.2: Bádateľské prírodovedné laboratórium Zriadenie špeciálneho, bádateľského laboratória v priestoroch SteelPARK bolo financované z projektu VVGS (vnútorný vedecký grantový systém) pre mladých vedeckých pracovníkov fakulty do 30 rokov a doktorandov v dennej forme doktorandského štúdia PF UPJŠ v Košiciach, č.: VVGS PF a projektu APVV 621 Lukáč. Riešiteľský kolektív VVGS PF tvorí: RNDr. Mária Bilišňanská (vedúci projektu), Mgr. Brigita Balogová, Mgr. Katarína Krišková, Mgr. Lucia Mišianiková (spoluriešitelia) a doc. RNDr. Marián Kireš, 68

3 PhD. (poradca projektu), ktorí zároveň pripravili sériu bádateľských aktivít zameraných na rozvoj experimentálnych zručností žiakov v laboratóriu SteelPARK. Prvá aktivita v Science Labe s názvom Dokážeme odvážiť vzduch? bola v termíne Určená bola pre druhý stupeň základnej školy (7. 9. ročník, príp. podľa zváženia učiteľa) a pre stredné školy. Fyzikálnym obsahom bolo meranie objemu vzduchu v pumpe pomocou odmerného valca a kvapaliny, a zisťovanie hustoty vzduchu na základe zisteného objemu vzduchu v pumpe a hmotnosti lopty (Calza G., 2010; Nováková M., 2011). Úlohou žiakov bolo nafukovať loptu pumpou, postupne ju vážiť a údaje o hmotnosti i objeme doplneného vzduchu zapisovať do tabuľky i grafu. Rozvíjali si tak nielen svoje experimentálne zručnosti s danými pomôckami a s používaním digitálnych váh, ale aj zaznačovať a analyzovať dáta z grafu. Prvú aktivitu v Bádateľskom prírodovednom laboratóriu navštívilo 18 skupín (7 zo základných a 11 zo stredných škôl a gymnázií). Celkovo si aktivitu Dokážeme odvážiť vzduch vyskúšalo 317 žiakov. Obr.3: Dokážeme odvážiť vzduch? Druhou aktivitou, ktorá prebiehala počas novembra, s názvom Čo všetko nám prezradí laserový diaľkomer sa žiaci na úvod presunuli do oblasti stavebníctva. S diaľkomerom merali rôzne vzdialenosti a pritom skúmali fyzikálny princíp tohto prístroja. Samotná aktivita bola zameraná na zisťovanie indexu lomu svetla vo vode (Ochoa, R.,2014). Žiaci sa pritom učili skupinovej práci (deľba práce v skupine, a pod.), rozvíjali svoju zručnosť zaznamenávať údaje do tabuľky a ďalej pracovať s týmito údajmi. Aktivitu si vyskúšalo 513 žiakov, z toho deväť skupín bolo zo základných škôl a 24 skupín zo stredných škôl a gymnázií. Obr.4: Čo všetko nám prezradí laserový diaľkomer 69

4 V decembri 2014 a v januári 2015 sme do Science Labu zaradili didaktickú hru s názvom Súboj na labilnej tácke. Hra je organizovaná ako turnaj s usmerňovanou priebežnou a záverečnou hodnotiacou diskusiou. Žiaci súťažia vyraďovacím spôsobom jeden proti jednému. Hráč, ktorý je na ťahu, priloží jedno teleso zo spoločného zásobníka na tácku vyváženú na guľovom podstavci. Kolo vyhráva hráč, ktorému ako poslednému sa tácka ešte neprevrhla / nedotkla stola (Haverlíková, V., 2010). Vyraďovacím spôsobom sme takto dospeli k jednému výhercovi, ktorí bol odmenený diplomom a malou drobnosťou. Súťaživou formou sme sa snažili stimulovať žiakov k poznávaniu zákonitostí rovnováhy na páke. Súboj na labilnej tácke si zahralo 137 žiakov, z toho 6 skupín zo základnej a jedna skupina zo strednej školy. Obr.5: Súboj na labilnej tácke Február a marec bol spojený s novinkou. Pripravili sme dve paralelne bežiace aktivity, aby do laboratória mohol prísť učiteľ s celou triedou. Jedna polovica zisťovala, ako človek dýcha žiaci skúmali biologické procesy, modelové znázornenie dýchania, z fyzikálneho hľadiska prostredníctvom počítačom podporovaného merania v prostredí Coach6 s prenosným zariadením VinciLab (Kľučárová, M., 2009). Druhá polovica vyšetrovala vraždu na základe chemickej analýzy vzoriek. Po hodine sa skupiny mohli vymeniť, alebo prišli na aktivity v inom termíne. Aktivitu Ako človek dýcha si vyskúšalo 34 skupín, 27 zo základnej a 7 zo strednej školy, spolu 424 žiakov. Aktivity Stala sa vražda sa zúčastnilo 42 skupín, 36 zo základnej a 6 zo strednej školy, spolu 513 žiakov. Obr.6: Ako funguje naše tela a Stala sa vražda Na apríl a máj máme opäť pripravené dve paralelne bežiace aktivity: Natankuj vodu a jazdi, Ako netopier zachytí náš pohyb. 70

5 Prvá aktivita má medzipredmetový charakter, prepája fyziku s chémiou a ekológiou. Náplňou aktivity je analýza autíčka, ktoré si vyrába vodík pomocou elektrolyzéra. Vyrobený vodík využíva palivový článok, ktorý dodáva elektromotoru elektrickú energiu. Jednoducho: autíčko sa pohybuje na základe energie získanej z rozkladu vody (Kukla, A. 2010). Na jeho chod nepotrebuje baterky, ani elektrickú energiu "zo zástrčky" = šetríme životné prostredie. Na konci aktivity budú jednotlivé družstvá súťažiť so svojimi autíčkami. Základom aktivity Ako netopier zachytí náš pohyb je práca so senzorom polohy, ktorý zaznamenáva pohyb človeka alebo iných telies prostredníctvom meracieho panela LabQuest. Žiaci sa pohybujú od a ku senzoru podľa zadaných inštrukcií (Sokoloff, D., 2004). V závere aktivity každá skupina naznačí graf, podľa ktorého sa majú ostatné skupinky pohybovať. Svoju správnosť si overia senzorom polohy. Vybrané bádateľské zručnosti žiakov Na Slovensku sa pojem bádanie interpretuje v rôznych podobách: skúmanie, objavovanie, pátranie, hľadanie, získavanie, a pod. Pozitívnou stránkou je fakt, že odborná komunita učiteľov má s aktívnym poznávaním skúsenosť. Terminologickou aj didaktickou otázkou ostáva, v akej šírke chápať bádanie ako súčasť poznávacieho procesu. Na základe miery samostatnosti žiaka, resp. intenzívnosti podpory učiteľa, sa bádateľské aktivity navzájom odlišujú a tvoria hierarchiu s postupne rastúcou mierou samostatnej práce žiaka. Hierarchia bádateľských aktivít (podľa projektu ESTABLISH, 2010) je nasledovná: Interaktívna diskusia / interaktívna demonštrácia; Riadené objavovanie; Riadené bádanie; Viazané bádanie; Otvorené bádanie. V Bádateľskom prírodovednom laboratóriu sme sa zamerali na rozvoj zručností žiakov prostredníctvom Riadeného bádania, ktoré môžeme definovať nasledovne: - Žiak postupuje podľa návodu v pracovnom liste s jasne vymedzenými krokmi, získava pritom zručnosti vedeckej práce počas pozorovania, hodnotenia, merania, zberu a vyhodnotenia údajov. Pridanú hodnotu pre žiaka má v nových poznatkoch, ktoré v sebe skrýva. Na širokej vzorke návštevníkov sme v rámci jednotlivých aktivít realizovali didaktický experiment skúmajúci prekoncepty žiakov a rozvoj ich vybraných zručností a prvkov vedeckej gramotnosti. V úvode aktivity dostal každý účastník krátku písomku zameranú na prekoncepty žiakov. Nasledovala skupinová práca podľa pokynov v pracovnom liste pod vedením lektora. V závere aktivity sa žiaci zamýšľali nad tým, čo sa naučili, čo bolo pre nich najviac zaujímavé, čomu stále nerozumejú a nakoniec hodnotia výsledok svojej práce prostredníctvom zadanej tabuľky. Počas prvej aktivity Dokážeme odvážiť vzduch sme sa rozhodli zistiť žiacke prekoncepty na otázku: 1. Odhadnite, alebo určte, koľko váži vzduch v miestnosti, kde sa práve nachádzate. Približné rozmery miestnosti sú 10m x 4m x 2,5 m, (t. j. 100 m3). - otázka s voľnou odpoveďou Opis výskumnej vzorky: Výskumu sa zúčastnilo 144 žiakov z deviatich rôznych gymnázií so štvorročným štúdiom a žiaci ročníka gymnázií s osemročným štúdiom. Zber informácií sa uskutočnil v Bádateľskom prírodovednom laboratóriu SteelPARK na základe úvodnej písomky zameranej na prekoncepty žiakov a záverečnej spätnej väzby. Údaje zbieral lektor, ktorý aktuálne aktivitu viedol. Výsledky k otázke týkajúcej sa žiackych odhadov hmotnosti vzduchu v danej miestnosti: Zo 144 žiakov odovzdalo úvodnú písomku 41% bez odpovede na prvú otázku. 39% žiakov napísalo nesprávne číslo, z toho 57% uviedlo veľmi malé číslo. Na začiatku aktivity si 13% žiakov myslelo, že vzduch nemá hmotnosť a nedá sa zvážiť. 4% žiakov napísalo správny vzťah na výpočet hmotnosti 71

6 vzduchu, ktorý nebol dopočítaný kvôli neznalosti hustoty vzduchu. 3% žiakov uviedli, že odpoveď na danú otázku nevedia. Obr.7: Žiacke prekoncepty týkajúce sa odhadu hmotnosti vzduchu v danej miestnosti V závere aktivity Dokážeme odvážiť vzduch sme sa spýtali žiakov, čo sa pri dnešnej aktivite s vážením vzduchu naučili. - otázka s voľnou odpoveďou - odpovede s viacerými možnosťami Výsledky: 76 žiakov uviedlo, že sa naučili odmerať hmotnosť vzduchu, resp. že vzduch má hmotnosť. Druhou a treťou najpočetnejšou odpoveďou, v počte 28 a 25, bolo ako zistiť hustotu a objem vzduchu. Desať žiakov odpoveď neuviedlo. Deväť žiakov sa naučilo veľa zaujímavých informácií. Siedmi žiaci uviedli, že so stúpajúcim objemom vzduchu hmotnosť vzduchu lineárne rastie. Menej početné odpovede sa týkali používania digitálnych váh, zaznamenávania údajov do grafu, sklonu grafu a používania pomôcok. Obr.8: Žiacke odpovede na otázku, čo sa pri dnešnej aktivite s vážením vzduchu naučili 72

7 Záver Bádateľské prírodovedné laboratórium v SteelPARKu, ktoré k aktuálnemu dátumu funguje 6 mesiacov, navštívilo už 134 skupín. Päť rôznych aktivít si zatiaľ vyskúšalo 1904 žiakov zo 44 rôznych škôl, z toho 26 základných škôl a 18 stredných škôl a gymnázií. Pozitívna spätná väzba od učiteľov a žiakov i návštevnosť na jednotlivé aktivity nás motivuje pokračovať v príprave a realizácii ďalších aktivít podporujúcich tvorivé a aktívne poznávanie aj budúci školský rok 2015/2016. Veríme, že v tomto neformálnom prostredí podporujeme školské fyzikálne vzdelávanie a inšpirujeme mladých ľudí k prírodovednému vzdelávaniu. Poďakovanie Príspevok vznikol v rámci projektu VVGS (vnútorný vedecký grantový systém) pre mladých vedeckých pracovníkov a doktorandov v dennej forme doktorandského štúdia PF UPJŠ v Košiciach, č.: VVGS PF a projektu APVV : Výskum efektívnosti metód inovácie výučby matematiky, fyziky a informatiky. Použitá literatúra CALZA, G., GRATTON, L. M., LOPÉZ ARIAS, T., OSS, S Measuring Air Density in the Introductory Lab. In: The Physics Teacher [online]. 2010, vol. 48, Issue 3, pp [cit ]. Dostupné na internete: < HAVERLÍKOVÁ, V Stimulácia poznávania fyzikálnou hrou Súboj na labilnej tácke. In Tvorivý učiteľ fyziky III, Národný festival fyziky [online]. Košice : Equilibira, s.r.o., s [cit ]. Dostupné na internete: < ISBN KĽUČÁROVÁ, Marta Počítačom podporované laboratórium so zameraním na biologické experimenty : diplomová práca. Košice : UPJŠ, s. KUKLA, Adam Sprístupňovanie vybraných fyzikálnych problémov : bakalárska práca. Košice : UPJŠ, s. NOVÁKOVÁ, Mária Popularizačné a vzdelávacie aktivity Veda na Scéne Slovensko : diplomová práca. Košice : UPJŠ, s. OCHOA, R., FIORILLO, R., OCHOA, C Index of Refraction Measurements Using a Laser Distance Meter. In: The Physics Teacher [online]. 2014, vol. 52, Issue 3, pp [cit ]. Dostupné na internete: < Projekt ESTABLISH, [online]. [cit ]. Dostupné na internete: < SOKOLOFF, D., THORNTON, R Interactive Lecture Demonstrations. New York : John Wiley & Sons, p. ISBN : Adresa autorov RNDr. Mária Bilišňanská, doc. RNDr. Marián Kireš, PhD. ODF ÚFV PF UPJŠ Par, Angelinum 9, Košice E mail: maria.bilisnanska@student.upjs.sk, marian.kires@upjs.sk 73