General Info
The present work related to the teaching & learning of the characteristics and applications of gears, through educational robotics activities. The practice was applied in High School students.
To carry out this experimental work, which aims to present a proposal for teaching the concept of gears through educational robotics, the Lego EV3-Mindstorms robot was used, which is an easily programmable robot, which through a suitable program development environment can be programmed to perform specific actions. The programmable robot was utilized in three different combinations (Basic robot, robot gear up and robot gear down), and according to worksheets that have been designed. The design and teaching of the courses was implemented using the online platform: www.graasp.eu, an Inquiry Learning Space (ILS) for the creation of digital learning scenarios that include instructions and applications used by students.
During the teaching intervention, a theoretical reference is made first to the concept of torque and then to the concept of the gears (applications and combinations). Then the EV3-Mindstorms robots are assembled and the experimental investigation of the required targets follows.
Στην παρούσα εργασία γίνεται μια διεπιστημονική προσέγγιση των μαθηματικών, φυσικής και μηχανικής, στηριζόμενη στη διερευνητική μάθηση μέσω της εκπαιδευτικής ρομποτικής και με τη βοήθεια καθοδηγούμενης (μέσω Φύλλου Εργασίας) πειραματικής διερεύνησης.
Έχει ως αντικείμενο τη διδασκαλία των χαρακτηριστικών και της χρήσης των γραναζιών μέσα από δραστηριότητες εκπαιδευτικής ρομποτικής, δεδομένου του ότι τα γρανάζια μαζί με τα τουβλάκια αποτελούν το κύριο κατασκευαστικό μέρος ενός ρομπότ. Ενσωματώνουν βασικές έννοιες της φυσικής και οι συνδυασμοί τους ξεπερνούν εμπόδια κατά την κατασκευή ρομπότ με συγκεκριμένους στόχους και σκοπούς.
Για την πραγματοποίηση αυτής της πειραματικής εργασίας, που σκοπό έχει να παρουσιάσει μια πρόταση διδασκαλίας της έννοιας του γραναζιού μέσα από την εκπαιδευτική ρομποτική, χρησιμοποιήθηκε το ρομπότ EV3-Mindstorms της Lego, το οποίο είναι ένα εύκολα προγραμματιζόμενο ρομπότ, που μέσα από κατάλληλο περιβάλλον ανάπτυξης προγραμμάτων μπορεί να προγραμματιστεί ώστε να εκτελεί συγκεκριμένες ενέργειες. Το προγραμματιζόμενο ρομπότ αξιοποιήθηκε σε τρεις διαφορετικούς συνδυασμούς (Basicrobot, robotgearup και robotgeardown), και σύμφωνα με φύλλα εργασίας που έχουν σχεδιαστεί. Η σχεδίαση και η διδασκαλία των μαθημάτων υλοποιήθηκε με τη χρήση της ηλεκτρονικής πλατφόρμας: www.graasp.eu, έναν Χώρο Διερευνητικής Μάθησης (ΧΔΜ) για τη δημιουργία ψηφιακών εκπαιδευτικών σεναρίων, που περιλαμβάνει οδηγίες και εφαρμογές που χρησιμοποιούνται από τους μαθητές.
Στη διδακτική παρέμβαση που ακολουθήθηκε γίνεται μια αναφορά αρχικά στη έννοια της ροπής και στη συνέχεια στην έννοια του γραναζιού, τις χρήσεις του και στον συνδυασμό αυτών σε συστοιχίες, ανάλογα με τον επιθυμητό στόχο.
Audience and Educational Framework
Educational Details
Η Διδακτική σειρά αποτελείται από 3 μαθήματα διάρκειας 2 ωρών το καθένα, τα οποία περιλαμβάνουν τα παρακάτω θέματα:
Α μέρος - 1η παρέμβαση (διάρκειας 2 ωρών):
Οι μαθητές/τριες, δούλεψαν ανά ομάδες με τη χρήση φορητού υπολογιστή, που διαθέτει το εργαστήριο ρομποτικής. Οι ομάδες ήταν στο σύνολο πέντε, από τις οποίες τρεις αποτελούνταν από 3 μαθητες/τριες και δυο ομάδες από 2 μαθητές/τριες. Οι ομάδες δεν ήταν απαραίτητα μεικτές, δηλαδή σε κάθε ομάδα δεν επιλέχθηκαν να υπάρχουν και αγόρια και κορίτσια. Στη συνέχεια ακλούθησε εκπαιδευτική παρέμβαση με τη βοήθεια ενός Χώρου Διερευνητικής Μάθησης(ΧΔΜ), με τoν οποίo υλοποιήθηκε το κομμάτι της παρέμβασης που αναφέρεται στη ροπή δύναμης, στη δοκό στήριξης και την ισορροπία αυτής. Οι μαθητές/τριες, μέσω της πλατφόρμας αυτής, είχαν τη δυνατότητα περνώνταςαπό τις διάφορες φάσεις της διερεύνησης (προσανατολισμός, εννοιολόγηση, διερεύνηση, συμπέρασμα και συζήτηση) να αποκτήσουν σημαντικές δεξιότητες για την εκτέλεση μιας επιστημονικής διερεύνησης.
Ο 1ος Χώρος Διερευνητικής Μάθησης αναφέρεται στη ροπή δύναμης και την ισορροπία δοκού στήριξης, μέσα από το οποίο δόθηκαν οι παραπάνω έννοιες, αλλά και η σχέση μεταξύ δύναμης και απόστασης. Με τη βοήθεια του φύλλου αυτού, οι μαθητές πειραματιστήκαν με το εργαστήριο ισορροπίας ροπής, εξέφρασαν τις δικές τους υποθέσεις και διεξήγαν τα δικά τους συμπεράσματα. Τα συμπεράσματα αυτά έπρεπε στο τέλος είτε να τα αποδεχθούν, είτε να τα καταρρίψουν, είτε να τα αναδιατυπώσουν, ώστε να μπορούν να συνεχίσουν τη διδακτική διαδικασία.
Β μέρος - 2η παρέμβαση (διάρκειας 2 ωρών):
Στη διάρκεια της 2ης συνάντησης και στο πρώτο μέρος αυτής συνεχίσαμε τη διδακτική παρέμβαση με θέμα τα γρανάζια και τα χαρακτηριστικά αυτών με τη χρήση του 2ου ΧΔΜ.
Ο 2ος αυτός Χώρος Διερευνητικής Μάθησης περιέχει ένα αρχείο PowerPoint, το οποίο αναφέρεται στη λειτουργία τους, τα χαρακτηριστικά φυσικά μεγέθη τους, τη σχέση με το μέγεθός τους, την αναλογία γραναζιών και η σχέση τους με την ταχύτητα και τη μετάδοση της δύναμης.
Είχαν επίσης την ευκαιρία οι μαθητές/τριες να πειραματιστούν με το εργαστήριο: http://go-lab.gw.utwente.nl/production/gearsketch/... που αναφέρεται στην συστοιχία των γραναζιών, ενώ στον ίδιο χώρο περιέχονται οδηγίες και κατάλληλοι πίνακες για να σημειώσουν τις μετρήσεις τους από το πείραμα που έκαναν με τη βοήθεια ρομπότ.
Σ’ αυτήν τη διδακτική παρέμβαση και σε συνέχεια του 2ου Χώρου Διερευνητικής Μάθησης οι μαθητές κατασκεύασαν τα ρομπότ με τα οποία πειραματίστηκαν, έχοντας ως οδηγό αντίστοιχο φύλλο εργασιών.
Γ Μέρος - 3η παρέμβαση (διάρκειας 2 ωρών): διεξαγωγή πειράματος - συμπεράσματα
Οι μαθητές/τριες κλ, έχοντας στη διάθεση τους τις τρείς ρομποτικές κατασκευές ev3 mindstorms (UltraBasic, Gearup και Geardown), τις οποίες οι ίδιοι έχουν κατασκευάσει με τη βοήθεια κατάλληλου φύλλου εργασιών, σε προηγούμενα μαθήματα, μπόρεσαν να παρατηρήσουν ποιο από τα τρία αυτά ρομπότ ανεβαίνει σε ελάχιστο ζητούμενο χρόνο σε ειδικά κατασκευασμένο κεκλιμένο επίπεδο.
Οι μετρήσεις αυτής της παρατηρήσεις καταχωρήθηκαν σε ειδικό πίνακα στον 2ο αυτόν χώρο, ο οποίος περιέχει συνδυαστικά στοιχεία από τις προηγούμενες ενότητες και ταυτόχρονα έχει αξιολογικό χαρακτήρα. Αφού παρατηρήσουν την συμπεριφορά των οχημάτων με γρανάζια και χωρίς γρανάζια αλλά και την συστοιχία των γραναζιών, όπου αυτή χρησιμοποιείται, θα ζητηθεί από τους μαθητές να διατυπώσουν συμπεράσματα σχετικά με:
- Συσχέτιση της σχέσης μετάδοσης με το λόγο των διαμέτρων των γραναζιών
- Τη φορά περιστροφής κινητήριου και κινούμενου γραναζιού.
- Τη μεταβολής της ταχύτητας μεταξύ κινητήριου και κινούμενου γραναζιού.
Ολοκληρώνουμε τη διδακτική παρέμβαση με μια σύντομη ανακεφαλαίωση, μέσα από συζήτηση και με εξαγωγή συμπερασμάτων.
Με την παρούσα διδακτική παρέμβαση, αναμένονταν να εμπλακούν πιο ενεργά οι μαθητές/τριες με τις θετικές επιστήμες και την τεχνολογία, και μέσα από την εκπαιδευτική ρομποτική να αναπτύξουν στάσεις και δεξιότητες. Μέσα από αυτενέργεια και εμπλοκή τους σε δραστηριότητες επίλυσης προβλημάτων να επέλθει αλλαγή των αρχικών ιδεών των μαθητών για θέματα της φυσικής, που σχετίζονται με τα γρανάζια. Ιδιαίτερα, να αποσαφηνιστούν η σχέση μεταξύ των φυσικών μεγεθών που τα χαρακτηρίζουν, η αλλαγή της κατεύθυνσης στροφής, η χρησιμότητά τους και η λειτουργία τους γενικότερα.
Μέσα από αυτή τη δραστηριότητα επιτεύχθηκε η κατανόηση της έννοια της δοκού ισορροπίας, πως αυτή ισορροπεί και πως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανύψωση σωμάτων; η κατανόηση της έννοια της γωνιακής ταχύτητας, της ροπής και τη μετάδοση αυτής από γρανάζι σε γρανάζι; η κατανόηση της εξάρτηση της ροπής δύναμης με την απόσταση της δύναμης από το σημείο περιστροφής έως το σημείο εφαρμογής αυτής.
Implementation
(where and how the practice was implemented)
Η αξιολόγηση επιτεύχθηκε με ερωτηματολόγια, ένα αρχικό (pre-test) και ένα τελικό (post-test)ερωτηματολόγιο, και με συνεντεύξεις Σκοπός του pre-test ερωτηματολογίου ήταν να ελέγξουμε τις αρχικές απόψεις των μαθητών σε έννοιες που αφορούν τη μεταβολή της ταχύτητας, τη δύναμη και τη ροπή αυτής. Μετά από τη διδακτική παρέμβαση, τη νέα γνώση των μαθητών διερευνήθηκε με το διερευνούμε τη νέα γνώση των μαθητών με το post- test ενώ οι συνεντεύξεις των μαθητών έδωσαν επιπλέον συμπεράσματα.
Μετά από ανάλυση των αποτελεσμάτων και συγκρίνοντας την επίδοση πριν και μετά την παρέμβαση, διαπιστώθηκε ότι οι μαθητές/τριες είχαν:
- Κατανοήσει την έννοια της δοκού ισορροπίας, πώς αυτή ισορροπεί και πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανύψωση σωμάτων.
- Κατανοήσει την έννοια της γωνιακής ταχύτητας, της ροπής και τη μετάδοση αυτής από γρανάζι σε γρανάζι καθώς στις αντίστοιχες ερωτήσεις υπήρξε θετική μεταβολή του ποσοστού των σωστών απαντήσεων.
- Κατανοήσει την εξάρτηση της ροπής δύναμης με την απόσταση της δύναμης από το σημείο περιστροφής έως το σημείο εφαρμογής αυτής.
Μετά από την ανάλυση των συνεντεύξεων και τις παρατηρήσεις του διδάσκοντα προέκυψαν επιπλέον συμπεράσματα για τους μαθητές/τριες, τα οποία έχουν ως εξής:
- Παρουσίασαν θετική στάση απέναντι στην εκπαιδευτική ρομποτική και έδειξαν ενδιαφέρον στο να συντελείται η εκπαιδευτική διαδικασία του μαθήματος της φυσικής με τη χρήση της εκπαιδευτικής ρομποτικής.
- Ανέπτυξαν δεξιότητες συνεργασίας, επιλέγοντας κάθε φορά την αποτελεσματικότερη στρατηγική επίλυσης με σκοπό την επίτευξη των στόχων τους.
- Ανέπτυξαν δεξιότητες στις μηχανικές κατασκευές και χρησιμοποίησαν γρανάζια για τη συναρμολόγηση του ρομπότ.
- Ανέπτυξαν κριτική σκέψη για την αποτελεσματικότερη επίλυση προβλημάτων σε θέματα σύνδεσης γραναζιών.
Educational material/resources (file/URL) accompanying the practice
Greek
Greek