Algodoo szakanyagok
Dinamika oktatási kísérlet
Algodoo szimulációkkal
Bevezetés
A dinamika hangsúlyos, diszciplináris tanítása Magyarországon évszázados hagyomány. A newtoni dinamika, s benne az erő és tömeg fogalmának bevezetése a fizikatanítás egyik legkritikusabb pontja. Ezekkel a fogalmakkal és törvényekkel kezdődik el a természeti jelenségek oksági törvényeinek mennyiségi leírása. A newtoni mechanika tanítását nehezíti, hogy a tanulók tapasztalatai és korábbi tanulmányai során szerzett előismeretei sok tekintetben ellentmondani látszanak a Newton-féle törvényrendszernek. A dinamika tanítását nehezíti, hogy a kulcsfogalmait a köznapi életben gyakran egészen más tartalommal használjuk, mint a fizikában. Az erő vagy a tömeg köznapi és fizikai fogalma közt természetesen van több-kevesebb kapcsolat, ez azonban, bár a tanítás során gyakran kell kiindulásként használni, sokszor még inkább nehezíti a fizikai tartalmak pontos kialakítását. A kisdiákok természetesen hozzák az iskolába a köznapi szóhasználatot, a tapasztalatokon alapuló fogalmakat, a környezeti jelenségekkel kapcsolatban magukban kialakított magyarázatokat, elképzeléseket. Ezek az ún. „prekoncepciók” szükségszerűen ütköznek a fizika azonos szóval jelölt fogalmaival. (Az erő a gyerekeknél elsődlegesen tulajdonságot, képességet jelent, erős a súlyemelő, de akkor is az, ha éppen nem emel mázsás súlyokat, a tömeg az anyagmennyiség mértéke és a súllyal kapcsolatos, stb.).
Köznapi tapasztalataik alapján a diákok ösztönösen az arisztotelészi mozgáselképzelést hozzák az iskolába, azaz a testek egyenletes mozgatásához állandó erő kell, a magukra hagyott mozgó testek megállnak. Az iskolai fizikatanítás igen fontos feladata, hogy ügyes kísérletekkel, jól megválasztott jelenségek tárgyalásával kognitív konfliktust teremtsen és elérje, hogy a diák korrigálja saját korábbi elképzeléseit és a fizika fogalmait építse be világképébe. Ehhez a hosszú távú, fontos feladathoz a fizikatanárnak ismernie kell lennie a tipikus prekoncepciókat és a fizikatanításnak azokat a kritikus pontjait, amikor a korábbi elképzelések akár csak részleteikben is társulnak a fizikatananyaghoz és sajátosan torzítják azt. Ez utóbbi esetben beszélünk a fizikai tévképzetekről, amiknek igazi veszélye az, hogy személyre szóló sajátos ellentmondásokkal nehezíthetik a fizika fogalomrendszerének bővítését akár évekkel a tévesen rögzült értelmezés után is.
A számítógépes mozgásszimulációs program hatékonyan hozzájárulhat a Newton-törvények eredményes elsajátításához. Szerepe a hagyományos módszerek – tantermi kísérletezés, mérés, tanári magyarázat, alkalmazás (feladatmegoldás) – kiegészítése. Akkor lehet igazán hatékony, ha a diákok a tanári bemutatás után, a program hiteles működéséről meggyőződve, saját maguk dolgoznak a programmal. A régiek bölcsessége szerint, ha valamit csak elmondanak nekünk, azt gyorsan elfelejtjük, ha megmutatják az emlékképek tovább élnek, de az igazi elsajátítást az adja, ha aktív cselekvéssel magunk győződünk meg az igazságról.
A számítógépes szimulációnak így komoly szerepe lehet az arisztotelészi mozgásszemlélet lecserélésében, a tehetetlenség törvényének elfogadtatásában. A diák itt maga próbálhatja ki a súrlódás döntő szerepét a mozgások lassításában, illetve a mozgás fennmaradásában, ha a súrlódás hatását kiiktatjuk. A program hasznos segítséget jelenthet Newton II. törvényének tanítása során is. Természetesen a tantermi kísérletezést teljes egészében nem válthatja ki, de a valóságban hosszadalmas és technikailag sem egyszerű méréseket és azok kiértékelését gyorsíthatja. Feltételezhető (és az oktatási kísérletünkkel reményeink szerint igazolható is lesz), hogy a szimulációs mérőkísérletek, ha a diákok maguk is elvégzik, azok hatékonyabban rögzülnek bennük, mintha csak látják a tanár bemutató mérését. A dinamika hagyományos feldolgozása során gyakran nem tudatosodik a diákokban, hogy a sebesség, gyorsulás, erő vektormennyiségek. A szimulációs program a mozgáskomponensek grafikus ábrázolásával ráirányítja a tanulók figyelmét erre is. Végezetül érdemes megemlíteni a program szerepét a dinamikai feladatmegoldás támogatásában is. Gyakori, hogy a diákokban nem tudatosul igazán, hogy a fizikafeladat lényegesen különbözik a matematika-példától. A lényegi különbség egyrészt az, hogy a fizikai feladat mindig egy valós problémából indul ki, annak „modellezését” jelenti. Másrészt a fizikai számítások eredménye akkor fogadható el, jól visszaadja a gyakorlati tapasztalatokat, kísérletileg is igazolható. A szimulációs programnak fontos szerepe lehet a feladat jelenséghez kötött indításában, és a számítással kapott végeredmény ellenőrzésében is.
A feladatmegoldás a fizikatanítás egyik legfontosabb eszköze. Szerepe egyaránt fontos az ismeretek megértetésében a rögzítést segítő gyakorlás során, de a tanulói teljesítmény értékelésében is. Fontos hangsúlyozni, hogy a törvények alapján végzett számítások segítségével egy-egy konkrét jelenségre vonatkozóan, kísérletileg is igazolható mennyiségi következtetésekre, eredményekre juthatunk. A számítások helyességét a kísérletek igazolják. Sok esetben nem lehet, vagy nagyon problémás kézzelfogható méréseket végezni. Ilyenkor lehet segítségünkre egy szimulációs kísérletet. Természetesen ennek előfeltétele, hogy a programot élő kísérletekkel összehasonlítsuk, bizonyítsuk, hogy ami a számítógép képernyőjén látható az a valóságos folyamatokat, mozgásokat jól imitálja. Ekkor válik élővé és elfogadhatóvá, azaz igazi kísérleti eszközzé a program.
Érdemes megjegyezni, hogy bár a programok képi világa nagyban hasonlít a fizika feladatok idealizált, modelljeihez, azonban sok esetben sokkal realisztikusabbak annál. Eltérést jelenthet, hogy a szimulált testek nem pontszerűek, az összekapcsoló elemek kissé rugalmasak, stb. Ezek kisebb differenciákat okozhatnak a számításokhoz képest, melyek azonban fizikailag valósak, a modelljeink pontosságára jellemzőek. Ezeknek az eltéréseknek fizikai tartalmú elemzése rendkívül tanulságos lehet.
Szakanyagok szerkezete
A dinamika tananyagot rendkívül sokféle módszerrel és sorrendben tanítják a tanárok. Fontos kihangsúlyozni, hogy nem kívánunk beleszólni a tananyag feldolgozásának menetébe. Szimulációink az órák néhány perces kiegészítéseként használhatóak fel, valamint házi feladatként adhatók ki. A sokféleséghez úgy alkalmazkodunk, hogy a hatályos fizika kerettantervhez illesztjük a szimulációinkat, hiszen a kerettanterv egységeit már minden résztvevő könnyen tudja illeszteni saját oktatási gyakorlatához.
Az oktatási kísérletünkben a felhasználás három szintjére ajánlunk segédanyagokat.
Az első csoportba tartoznak a frontális feldolgozásra ajánlott szimulációk, és azokhoz kapcsolt feladatok. Ezek feldolgozása tanári vezetéssel 10-15 percet jelent a tanórából. A tanórán az idővel történő takarékosságból egyetlen számítógépet használjunk, aminek képernyőjét kivetítjük. Természetesen ez nem tanári előadást jelent, azaz a munka tartalmi részében az osztály egésze részt vesz, a tanár irányításával. Néhány kezdeti alkalommal (illetve később is, ha az didaktikailag indokolt) a tanár kezeli a gépet. Miután a diákok kellő rutint szereztek a program használatához, a számítógépkezelés feladatát is diák veheti át. A csoportba a tartalmilag legfontosabbnak ítélt feladatokat soroltuk. A feladatokhoz részletes leírást és feldolgozási ajánlást mellékelünk.
A második csoportba tartoznak az órán feldolgozott problémákhoz közvetlenül kapcsolódó gyakorló, házi feladatok. Ezek szerepe a tananyag megértésének elmélyítése, és a sokoldalú készségfejlesztés (szövegértés, grafikonolvasás, számolás, számítógépkezelés, számítógépes dokumentálás, valamint elektronikus feladatlap kitöltése). E feladatcsoportba tartozó feladatokat kötelező vagy fakultatív házi feladatként ajánljuk. A második feladatcsoportba tartozó feladatokhoz a diákok számára előre elkészített, elektronikusan letölthető feladatlapokat mellékelünk (valamint ezek megoldását). Ajánljuk, hogy a kitöltött feladatlapot a diákok e-mailben küldjék meg a tanárnak. Alternatív lehetőség egy google drive mappa létrehozása, melybe a diákok feltölthetik a kitöltött feladatlapokat. A beküldött anyagok ismeretében a tanár indokoltnak tarthatja a házi feladat frontális megbeszélését. Ezt a következő óra számonkérési részében ajánljuk, a diákok fakultatív jelentkezése, vagy tanári kijelölés alapján. Itt jegyezzük meg, hogy a FIZIKA program a számonkérésben, akár az órai feleltetésben is szerepet kaphat.
A harmadik csoportba tartoznak a kiegészítő problémák, feladatok. Ezek feldolgozását frontálisan ajánljuk, de tanórán kívül, fakultatív formában is feldolgozható érdeklődő diákokkal. Ez lehet egyéni vagy kiscsoportos munka, alkalmi tanári segítséggel, megbeszéléssel, de történhet szakköri keretekben is. Olyan érdekesebb problémákat soroltunk ebbe a csoportba, amik kiegészítik, szemléletformálóan bővítik a tananyagot, a finomabb részletek vizsgálatával segítik a jobb megértést. Ebben a feladatkörben számítunk leginkább a diákok önálló munkájára, kreativitására. A feladatokhoz több esetben elektronikus feladatlapokat is mellékelünk.
Tematikai egység |
Okok és okozatok (Arisztotelésztől Newtonig) ‑ |
Órakeret 24 óra |
|
Előzetes tudás |
Erő, az erő mértékegysége, erőmérő, gyorsulás, tömeg. |
||
A tematikai egység nevelési-fejlesztési céljai |
Az ösztönös arisztotelészi mozgásszemlélet tudatos lecserélése a newtoni dinamikus szemléletre. Az új szemléletű gondolkodásmód kiépítése. Az általános iskolában megismert sztatikus erőfogalom felcserélése a dinamikai szemléletűvel, rámutatva a két szemlélet összhangjára. |
||
|
|
|
|
Problémák, jelenségek, gyakorlati alkalmazások, ismeretek |
Szimulációs program ajánlott alkalmazása |
||
1. A tehetetlenség törvénye (Newton I. axiómája). Mindennapos közlekedési tapasztalatok hirtelen fékezésnél, a biztonsági öv szerepe. Az űrben, űrhajóban szabadon mozgó testek. |
Frontális feldolgozásra ajánlott feladat: 1.1. Galilei gondolatkísérletének szimulációja 1.2. Miért nem szembetűnő a tehetetlenség törvénye Kiegészítő feladatok: 1.3. Biztonsági öv szerepe ütközéskor 1.4. Fejtámla szerepe |
||
2. Az erő fogalma. Az erő alak- és mozgásállapot-változtató hatása. Erőmérés rugós erőmérővel. |
Frontális feldolgozásra ajánlott feladat: 2.1. Az erő tulajdonságai (támadáspont, hatásvonal, stb) 2.2. Erők összeadása
Kiegészítő feladat: 2.3. Szimulált rugós erőmérő |
||
3. Az erő mozgásállapot-változtató (gyorsító) hatása – Newton II. axiómája.
A tömeg, mint a tehetetlenség mértéke, a tömegközéppont fogalma. |
Frontális feldolgozásra ajánlott feladat: 3.1. Newton II. axiómája sztatikus erőfogalom bevezetése esetén 3.2. Newton II dinamikus erőfogalom bevezetés esetén
Kiegészítő feladat: 3.3: Newton II. törvényének igazolása, az erő – gyorsulás arányosság kimérésével (a rugó megnyúlásával bevezetett erőskála felhasználásával) |
||
4. Erőtörvények, a dinamika alapegyenlete. A rugó erőtörvénye. A nehézségi erő és hatása. Tapadási és csúszási súrlódás. Alkalmazások: A súrlódás szerepe az autó gyorsításában, fékezésében. Szabadon eső testek súlytalansága. |
4.1. Módszertani bevezetés az erőtörvényekhez
Frontális feldolgozásra ajánlott feladat: 4.2. Nehézségi erő 4.3. Rugó erőtörvénye 4.4. Csúszási súrlódási erő 4.5. A tapadási súrlódási erő
Kiegészítő feladat: 4.6. Mekkora erő hat pattanáskor a labdára 4.7. Sorosan és párhuzamosan kapcsolt rugók 4.8. Autó indulása 4.9. Lejtőn súrlódással lecsúszó láda 4.10. Teherautó rakfelületén megcsúszó láda 4.11: Csúszó test lassuló mozgása súrlódás hatására |
||
5. Az egyenletes körmozgás dinamikája. Jelenségek, gyakorlati alkalmazások: vezetés kanyarban, út megdöntése kanyarban, hullámvasút; függőleges síkban átforduló kocsi; műrepülés, körhinta, centrifuga. |
Frontális feldolgozásra ajánlott feladat: 5.1. Egyenletes körmozgás dinamikája
|
||
6. A kölcsönhatás törvénye (Newton III. axiómája). |
Frontális feldolgozásra ajánlott feladat: 6.1. Hatás – ellenhatás törvényének kvalitatív tárgyalása 6.2. Hatás - ellenhatás törvényének kvantitatív demonstrációja 6.3. A hatás-ellenhatás törvényének interaktív szimulációs vizsgálata |
||
Kulcsfogalmak/ fogalmak |
Erő, párkölcsönhatás, lendület, lendületmegmaradás, erőtörvény, mozgásegyenlet, pontrendszer, rakétamozgás, ütközés. |
||
A teljes szakanyag letölthető itt
Tweet