Μια διδακτική πρόταση της έννοιας ενέργεια με τη βοήθεια ηλιακών κατασκευών

Η διδακτική πρόταση που ακολουθεί έχει εφαρμοστεί σε μαθητές της Γ' τάξης στο Γυμνάσιο Ευρωπού Κιλκίς. Οι μαθητές κατασκεύασαν μερικές ηλιακές κατασκευές οι οποίες αξιοποιήθηκαν στη συνέχεια για τη διδασκαλία των εννοιών ενέργεια, ισχύς, μεταφορά ενέργειας, μορφές ενέργειας, διατήρηση της ενέργειας και υποβάθμιση της ενέργειας, μέσα από στοχευμένες δραστηριότητες εποικοδομητικού χαρακτήρα.
Για να εφαρμόσετε το διδακτικό σενάριο δεν απαιτείται η κατασκευή των διατάξεων. Η εμπλοκή, ωστόσο, των μαθητών στην κατασκευή των διατάξεων τούς καθιστά περισσότερο ενεργούς και δεκτικούς σε ό,τι ακολουθεί, καθώς χειρίζονται τις δικές τους κατασκευές και όχι κάποια "μαύρα" κουτιά που τους παρέχει ο εκπαιδευτικός. Επιπλεόν, είναι πολύ πιθανό να εκπλαγείτε από τη μεταμόρφωση και την ενεργοποίηση των "αδύναμων" μαθητών!

Οι κατασκευές
Καταρχάς, δόθηκαν στους μαθητές συγκεκριμένα υλικά (πακέτο ανανεώσιμων πηγών της  LEGO, ηλεκτρικοί κινητήρες, φωτοβολταϊκά στοιχεία, ένας συσσωρευτής, μια λάμπα φωτισμού ισχύος 500W, φύλλα πλέξιγκλας) αλλά επιπλέον  παροτρύναμε τους μαθητές  να επιλέξουν και να χρησιμοποιήσουν όσα υλικά θεωρούσαν χρήσιμα από το εργαστήριο Φ.Ε. Οι μαθητές επέλεξαν μπαταρίες και καλώδια τα οποία χρησιμοποίησαν για να ελέγξουν αν μπορούν  να κινηθούν  τα  μοντέλα  των  αυτοκινήτων που κατασκεύασαν, χαρτοκιβώτια, καλώδια και λαμπτήρες για να φτιάξουν το μοντέλο του ηλιακού σπιτιού, και, τέλος,  φελιζόλ από τις συσκευασίες διάφορων οργάνων για να φτιάξουν δυο δίδυμους ηλιακούς φούρνους.
Επιπλέον, έφεραν από το σπίτι τους και χρησιμοποίησαν μηχάνημα κοπής για να τεμαχίσουν τα φύλλα πλέξιγκλας σε  επιθυμητές διαστάσεις,  έβαψαν με  μαύρη μπογιά το εσωτερικό των φούρνων, χρησιμοποίησαν σιλικόνη και πιστόλι σιλικόνης για να μονώσουν τα διάκενα μεταξύ των διάφορων κομματιών του φελιζόλ.

Εικόνα 1. Ένα μοντέλο ηλιακού αυτοκινήτου

Κατά τη διάρκεια  κατασκευής των μοντέλων συνάντησαν και έλυσαν διάφορα προβλήματα. Φτιάχνοντας τα αυτοκίνητα προσπάθησαν να ακολουθήσουν κάποιο έτοιμο σχέδιο που πρότεινε η LEGO. Όταν διαπίστωσαν ότι τα κομμάτια – τουβλάκια που είχαν στη διάθεσή τους δεν επαρκούσαν αποφάσισαν να σχεδιάσουν τα δικά τους μοντέλα. Κατά συνέπεια χρειάστηκε να λιμάρουν κάποια  «παξιμάδια», να κόψουν άξονες που μεταφέρουν κίνηση από τον κινητήρα στις ρόδες, να λύσουν  ένα  πρόβλημα ανισομερούς κατανομής βάρους στο μπροστινό μέρος του ενός αυτοκινήτου, λόγω της ιδιαιτερότητας του κινητήρα που συνόδευε το πακέτο της LEGO.
Φτιάχνοντας τους ηλιακούς φούρνους χρησιμοποίησαν αρχικά κόλλα γενικής χρήσης για να ενώσουν τα διάφορα κομμάτια του φελιζόλ, με αποτέλεσμα η κόλλα να «κάψει» το φελιζόλ καθιστώντας το άχρηστο. Στη συνέχεια, προσπαθώντας να καλύψουν τα κενά μεταξύ του φύλλου από πλέξιγκλας, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως καπάκι, και του κυρίως σώματος του φούρνου, τοποθέτησαν πλαστελίνη. Όταν όμως ο φούρνος εκτέθηκε στον Ήλιο λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύχθηκαν η πλαστελίνη έλιωσε λερώνοντας τόσο το φύλλο από πλέξιγκλας όσο και τα υποψήφια για ψήσιμο κουλουράκια!

Εικόνα 2. Φτιάχνοντας τον ηλιακό φούρνο.

Φτιάχνοντας το ηλιακό σπίτι, διαπιστώθηκε ότι η χρήση ενός μόνο φωτοβολταϊκού στοιχείου δεν ήταν ικανοποιητική. Προσπαθώντας λοιπόν να τοποθετήσουν τρία τέτοια στοιχεία βρέθηκαν αντιμέτωποι με το πρόβλημα της σύνδεσης των στοιχείων μεταξύ τους και με το λαμπτήρα.

Εικόνα 3. Φτιάχνοντας το ηλιακό σπίτι.

Στο παρακάτω βίντεο έχουν αποτυπωθεί οι προσπάθειες κατασκευής των ηλιακών μοντέλων αυτοκινήτων.

Στο βίντεο που ακολουθεί παρουσιάζεται η πορεία κατασκευής των υπόλοιπων ηλιακών κατασκευών.

Η μεθοδολογία της διδακτικής προσέγγισης
Οι κατασκευές, παρά τα διάφορα  αρχικά τους  προβλήματα, ολοκληρώθηκαν και ελέγχθηκε η κανονική λειτουργία τους. Από το σημείο αυτό και μετά  οι κατασκευές χρησιμοποιήθηκαν για την υποστήριξη της διδακτικής της έννοιας «ενέργεια» μέσα από τις στοχευμένες δραστηριότητες εποικοδομητικού χαρακτήρα που πραγματοποιήθηκαν.

Ανάδειξη των  προϋπάρχουσων ιδεών των μαθητών
To  καθένα από τα  μοντέλα  που παρουσιάσαμε παραπάνω  πραγματοποιήθηκε  στο εργαστήριο από διαφορετικές ομάδες μαθητών.  Κάθε ομάδα είχε την υποχρέωση να παρουσιάσει στις υπόλοιπες την  ολοκληρωμένη  κατασκευή της και να ενημερώσει για τον τρόπο λειτουργίας της. Με τον τρόπο αυτό οι μαθητές υποχρεώθηκαν να χρησιμοποιήσουν, άλλοτε σωστά, άλλοτε  λιγότερο σωστά, έννοιες σχετικές με την ενέργεια, τη μεταφορά της και τις μετατροπές της, αναδεικνύοντας  έτσι μερικές από τις προϋπάρχουσες ιδέες  τους για αυτές τις έννοιες.  

Η αναδόμηση των ιδεών των μαθητών
Στη  συνέχεια,  αξιοποιήσαμε τα μοντέλα του ηλιακού αυτοκινήτου και του ηλιακού σπιτιού για να πραγματοποιήσουμε  διατάξεις  οι οποίες  περιείχαν ένα αντικείμενο  –  πηγή (μπαταρία, συσσωρευτής, Ήλιος, λάμπα  ισχύος  500W) κι ένα αντικείμενο  – αποδέκτη/μετατροπέα (λαμπτήρας  στο μοντέλο ηλιακού σπιτιού, κινητήρας στο μοντέλο  ηλιακού αυτοκινήτου). Επιλέχτηκαν τέσσερα διαφορετικά αντικείμενα – πηγές που τροφοδοτούσαν τα ίδια αντικείμενα  –  αποδέκτες/μετατροπείς με σκοπό να διαπιστώσουν οι μαθητές ότι διαφορετικές ενεργειακές αποθήκες μπορούν να προκαλέσουν το ίδιο αποτέλεσμα. Μέσα από την διαφορετικότητα των καταστάσεων επιχειρήθηκε να εισαχθεί ως υπόθεση  η έννοια ενέργεια η οποία εμφανίζεται σε διάφορες μορφές και ενοποιεί την περιγραφή όλων των φαινόμενων που μελετήθηκαν. Οι διατάξεις ήταν οι εξής:

Α.
•  Μπαταρία → λαμπτήρας : τροφοδοτήσαμε τον λαμπτήρα του ηλιακού σπιτιού με μια μπαταρία, αποκόπτοντας από το κύκλωμα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. 

•  Συσσωρευτής → λαμπτήρας : τροφοδοτήσαμε τον λαμπτήρα του ηλιακού σπιτιού με έναν συσσωρευτή τον οποίο φορτίσαμε τοποθετώντας για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα σε συγκεκριμένη απόσταση από τη λάμπα ισχύος 500W.

•  Ήλιος → λαμπτήρας: εκθέσαμε το μοντέλο του ηλιακού σπιτιού στο ηλιακό φως.

•  Λάμπα  ισχύος 500W → λαμπτήρας : εκθέσαμε το μοντέλο του ηλιακού σπιτιού στο φως της λάμπας  ισχύος 500W, τοποθετώντας το για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα σε συγκεκριμένη απόσταση από τη λάμπα.

Β.
•  Μπαταρία → αυτοκίνητο : τροφοδοτήσαμε τον κινητήρα του μοντέλου του αυτοκινήτου με μια μπαταρία, παρακάμπτοντας την τροφοδοσία από το φωτοβολταϊκό στοιχείο.

•  Συσσωρευτής → αυτοκίνητο: τροφοδοτήσαμε τον κινητήρα του αυτοκινήτου με έναν συσσωρευτή τον οποίο φορτίσαμε τοποθετώντας  τον  για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα σε συγκεκριμένη απόσταση από τη λάμπα ισχύος 500W. 

•  Ήλιος → αυτοκίνητο : εκθέσαμε το μοντέλο του ηλιακού  αυτοκινήτου στο ηλιακό φως.

•  Λάμπα  ισχύος 500W → αυτοκίνητο: εκθέσαμε το μοντέλο του αυτοκινήτου στο φως της λάμπας  ισχύος  500W, τοποθετώντας το για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα σε συγκεκριμένη απόσταση από τη λάμπα.

Για κάθε μια διάταξη ζητήθηκε από τους μαθητές να πειραματιστούν αυτενεργώντας και να προβούν στις αναγκαίες επεμβάσεις ώστε:

1)  Ο λαμπτήρας να ανάβει πιο έντονα.
2)  Ο λαμπτήρας να ανάβει για περισσότερο χρόνο.
3)  Το αυτοκίνητο να κινείται πιο γρήγορα.
4)  Το αυτοκίνητο να κινείται για περισσότερο χρόνο.

Οι ερωτήσεις που αφορούσαν στη  διάρκεια («περισσότερο χρόνο») σκόπευαν να εισάγουν την ιδέα του ενεργειακού περιεχομένου, ενώ οι ερωτήσεις που αφορούσαν στην ένταση («πιο έντονα – πιο γρήγορα») σκόπευαν να εισάγουν την ιδέα της παροχής ενέργειας, δηλαδή της ισχύος.  

Η εφαρμογή των νέων εννοιών
Στη συνέχεια ζητήθηκε από τους μαθητές να  περιγράψουν τη λειτουργία των διατάξεων που πραγματοποίησαν χρησιμοποιώντας όμως αυτή τη φορά την έννοια ενέργεια. Οι μαθητές ρωτήθηκαν τι γίνεται με την ενέργεια όταν το αυτοκίνητο σταματάει ή όταν η λάμπα σβήνει με σκοπό να δημιουργήσουν μια συστημική εικόνα του περιβάλλοντος  την οποία αξιοποιήσαμε για να εισαχθεί ως υπόθεση η αρχή διατήρησης της ενέργειας. 

Κατόπιν, ζητήθηκε από τους μαθητές να περιγράψουν για άλλη μια φορά τη λειτουργία των διατάξεων χρησιμοποιώντας όμως πλέον ως εννοιολογικό εργαλείο την αρχή διατήρησης της ενέργειας. 

Τέλος, εισήχθη η έννοια της υποβάθμισης της ενέργειας. Ζητήσαμε αρχικά από τους μαθητές να πλησιάσουν το χέρι τους κοντά στην λάμπα  ισχύος  500W. Αφού όλοι διαπίστωσαν ότι το χέρι τους ζεστάθηκε τους ρωτήσαμε να εικάσουν αν το αυτοκίνητο κινείται εξαιτίας της  θερμότητας  ή λόγω της φωτεινής ενέργειας και να προσπαθήσουν πειραματικά να ελέγξουν τις απαντήσεις τους. 

Στη συνέχεια σβήσαμε τη  λάμπα  και τους καλέσαμε να πλησιάσουν και πάλι το χέρι τους κοντά της. Αφού όλοι διαπίστωσαν ότι το χέρι τους εξακολουθούσε να ζεσταίνεται, πλησιάσαμε τη λάμπα στο φωτοβολταϊκό στοιχείο του αυτοκινήτου, το  οποίο  φυσικά δεν κινήθηκε,  υποδεικνύοντας  ότι η  θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας ποιοτικά διαφορετική από τη φωτεινή. Έτσι εισήχθη ως πειραματικό πλέον δεδομένο η έννοια της υποβάθμισης της ενέργειας.

Συμπεράσματα
(1) Η διδακτική αξιοποίηση των κατασκευών στην εισαγωγή της έννοιας ενέργεια, των διάφορων μορφών της, των μετατροπών της και της διατήρησής της, κρίνεται ιδιαίτερα ενθαρρυντική. Αν μάλιστα ληφθεί υπόψη η ευκολία κατασκευής των συγκεκριμένων ηλιακών διατάξεων και το μικρό τους κόστος, παράγοντες που ευνοούν τη δυνατότητα αναπαραγωγής τους από άλλους εκπαιδευτικούς, θεωρούμε ότι μπορούν να συνδράμουν αποτελεσματικά στη διδασκαλία των αφηρημένων αυτών εννοιών  στο Γυμνάσιο  με τρόπο πρωτότυπο και δημιουργικό.
Ας σημειωθεί ότι, οι διατάξεις που πραγματοποιήθηκαν θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν διδακτικά για τη διδασκαλία και άλλων εννοιών, όπως για παράδειγμα  της έντασης ακτινοβολίας, της φοράς του ηλεκτρικού ρεύματος, της σύνδεσης πηγών. Επιπλέον, η αξιοποίηση των ηλιακών φούρνων θα μπορούσε να προσλάβει διαθεματικό χαρακτήρα, επιτρέποντας την εισαγωγή εννοιών όπως για παράδειγμα το φαινόμενο του θερμοκηπίου, οι ενδόθερμες χημικές αντιδράσεις, η αύξηση του πληθυσμού μικροοργανισμών με την αύξηση της θερμοκρασίας κ.α.

(2) Το κατασκευαστικό μέρος της εργασίας ανέδειξε τις ψυχοκινητικές δεξιότητες και τη φαντασία των μαθητών. Ιδιαίτερα σημαντική κρίνεται η ενεργοποίηση των θεωρούμενων«αδύναμων» μαθητών οι οποίοι αντί να είναι παθητικοί δέκτες φαινομενικά αδιάφορων γι' αυτούς  πληροφοριών, πρωταγωνίστησαν στη δημιουργία των κατασκευών, βίωσαν τις έννοιες που θελήσαμε να τους διδάξουμε, και εξέφρασαν χωρίς ενδοιασμούς τις ιδέες τους για τους μηχανισμούς λειτουργίας των διατάξεων. 

(3) Η ενασχόληση των μαθητών με την ηλιακή  ενέργεια, συνέβαλλε στην ανάπτυξη της περιβαλλοντικής συνείδησής τους, γεγονός που αποτυπώθηκε σε εννοιολογικούς χάρτες που συμπλήρωσαν τόσο πριν όσο και μετά  την εκπόνηση της εργασίας, αλλά και σε ημερολόγιο εντυπώσεων που συμπλήρωσαν μετά το τέλος της εργασίας.

Βιβλιογραφία  

• Driver, R., Squires, A., Rushworth, P., Wood-Robinson, V. (2000).  Στο Κόκκοτας, Π., (Επιμ.), Οικο-δομώντας τις έννοιες των Φυσικών Επιστημών. Αθήνα, τυπωθήτω.
• Lemeignan G., Weil-Barais A. (1997). Η οικοδόμηση των εννοιών στη Φυσική. Η διδασκαλία της μηχανικής. Αθήνα, τυπωθήτω.  
• Κασσέτας, Α., (2000).  Το μακρόν ΦΥΣΙΚΗ προ του βραχέως ΔΙΔΑΣΚΩ, (2η   έκδ.). Aθήνα:Σαββάλας.
• Κασσέτας, Α., (2004). Το Μήλο και το Κουάρκ. Aθήνα: Σαββάλας.
• Κόκκοτας, Π., (2002). Διδακτική των Φυσικών Επιστημών, Μέρος ΙΙ, (3η  έκδ.). Aθήνα: Ιδίου.
• Κολιόπουλος, Δ. (2001). Σχεδιασμός διδακτικού υλικού για την έννοια της ενέργειας. Στο Κουλαϊδής, Β. (Επιμ.), Διδακτική των Φυσικών Επιστημών, τόμος Β΄,  (μέρος Γ, κεφάλαιο 13, σελ. 367-410). Πάτρα: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο.  
• Χρηστίδου, Β. (2001). Ενέργεια. Στο Κουλαϊδής, Β. (Επιμ.),  Διδακτική των Φυσικών Επιστημών,  τόμος Β΄,  (μέρος Α, κεφάλαιο 2, σελ. 51-78). Πάτρα: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο.