Η φυσική στο νηπιαγωγείο και το δημοτικό σχολείο

Μετάφραση από Θοδωρής Πιερράτος (Theodoros Pierratos)

Η εικόνα προσφέρθηκε από Werner Stetzenbach

Οι Werner και Gabriele Stetzenbach περιγράφουν πώς παιδιά του νηπιαγωγείου και του δημοτικού ανακαλύπτουν τον κόσμο της φυσικής μαζί με μαθητές της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης που δρουν ως μέντορές τους. Γιατί να μην το δοκιμάσετε στο σχολείο σας;

Πολλά προγράμματα έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια με σκοπό να ενδυναμωθεί η περιέργεια των παιδιών στο νηπιαγωγείο και το δημοτικό σχολείο. Το 2001, αρχίσαμε μία τέτοια πρωτοβουλία^w1 στο Winnweiler, η οποία έκτοτε έχει επεκταθεί σε όλη την Γερμανία με τη βοήθεια πολλών χορηγών. Μαζί με τους μαθητές γυμνασίου του Werner από το Wilhelm Erb Gymnasium^w2 στο Winnweiler, έχουμε αναπτύξει εκπαιδευτικές δραστηριότητες φυσικής για παιδιά ηλικίας 4-10 ετών. Με τους μαθητές γυμνασίου ως μέντορες, επισκεφθήκαμε νηπιαγωγεία και δημοτικά σχολεία και εκτελέσαμε με επιτυχία πειράματα με τα παιδιά σε θέματα όπως ο αέρας, η ηλεκτρική ενέργεια, οι μαγνήτες, το φως, οι σκιές, η ακοή, η πλεύση και οι κεραυνοί.

Μια συλλογή των εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων, καθώς επίσης εμπειρίες και χρήσιμες πληροφορίες, έχουν δημοσιευτεί σε ένα φυλλάδιο στη Γερμανική γλώσσα (THINK ING, 2007). Τα περισσότερα από τα πειράματα, καθώς και μια γενική εισαγωγή στο πρόγραμμα, είναι επίσης διαθέσιμα για λήψη ως αρχεία τύπου PDF στην Αγγλική γλώσσα από το δικτυακό τόπο του Science on Stage Germany^w3. Παρακάτω παρατίθενται οδηγίες βήμα προς βήμα για ένα σύνολο πειραμάτων για την ακοή, κατάλληλο τόσο για παιδιά νηπιαγωγείου όσο και για δημοτικού σχολείου. Το διαθέσιμο προς λήψη αρχείο PDF περιέχει επίσης περισσότερα πειράματα από αυτήν την ενότητα.

Επίθεση στα τύμπανα των αυτιών

Στόχος είναι οι μαθητές να κατανοήσουν τη λειτουργία και τη σημασία του αυτιού, έτσι ώστε να χαμηλώσουν την ένταση του MP3 τους για να αποτραπεί βλάβη στο ακουστικό τους σύστημα. Μέσα από ένα ταξίδι που ξεκινά από μια πηγή ήχου και καταλήγει στο εσωτερικό αυτί, εξηγούνται η παραγωγή του ήχου και η ανατομία του αυτιού.

Ακουστικός περίπατος

Βάλτε τους μαθητές να περπατήσουν στους διαδρόμους του σχολείου ή του νηπιαγωγείου, μία φορά φορώντας ωτοασπίδες και μία φορά χωρίς ωτοασπίδες, για να βιώσουν την απώλεια των περιβαλλοντικών εντυπώσεων όταν εν μέρει «σβήνουν» την ακοή τους. Επίσης θα μάθουν σχετικά με τους κινδύνους στους οποίους εκτίθενται (μερικά) κωφοί άνθρωποι.

Ακούμε πραγματικά τα πάντα;

Το ανθρώπινο αυτί μπορεί να αντιλαμβάνεται ήχους από 20 έως 20000 ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο. Ο αριθμός των ταλαντώσεων ανά δευτερόλεπτο ονομάζεται συχνότητα. Όσο μεγαλώνουμε, χάνουμε την ικανότητα να ακούμε πολύ υψηλές συχνότητες. Τα σκυλιά μπορούν να ακούν ήχους μέχρι 35000 ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο (35 kHz), ενώ οι νυχτερίδες ακόμη υψηλότερης συχνότητας ήχους. Χρησιμοποιήστε μία συνηθισμένη σφυρίχτρα και μία σφυρίχτρα για σκύλους, για να κάνουν συγκρίσεις τα παιδιά. Συνήθως, μία σφυρίχτρα σκύλου παράγει ήχους εύρους συχνότητας 16-22 kHz, με μόνο τις συχνότητες κάτω από τα 20 kHz να είναι δυνατό να ακουστούν από το ανθρώπινο αυτί (και, ανάλογα με την κατάσταση της δικής σας ακοής, ίσως να μην μπορείτε να ακούσετε ούτε αυτές).

Ρυθμίσετε την ένταση μιας γεννήτριας συχνοτήτων συνδεμένης με ενισχυτή και μεγάφωνο σε μεσαίο επίπεδο σε μία ακουστική συχνότητα. Στη συνέχεια, αυξήστε τη συχνότητα στα 50 kHz και σιγά-σιγά αρχίστε να τη μειώνεται. Ζητήστε από το πρώτο παιδί που μπορεί να ακούσει κάτι, να περιγράψει τον ήχο (ένα σφύριγμα υψηλού τόνου).

Έχουν τα αυτιά μας αγαπημένους ήχους; Ένα ατομικό ακοόγραμμα

Ελέγχοντας το εύρος της δικής μας ακοής, μπορούμε να εκτιμήσουμε την κατάσταση της ακοής μας. Συνδέστε μια γεννήτρια συχνοτήτων με έναν παλμογράφο και ηχεία, όπως υποδεικνύεται στην εικόνα.

Χρησιμοποιώντας τη γεννήτρια συχνοτήτων, δημιουργήστε ήχους μεταξύ 250 και 16000 Hz, σύμφωνα με τον Πίνακα 1. Για να κάνετε συγκρίσιμους τους ήχους, βεβαιωθείτε ότι όλοι δημιουργούν μια κυματομορφή ίσου «ύψους» στον παλμογράφο. Ζητήστε από κάθε παιδί να συμπληρώσει τον πίνακα (τον οποίο μπορείτε επίσης να «κατεβάσετε» ως ένα φύλλο εργασίας από το δικτυακό τόπο του Science in School websitew4), καταγράφοντας πότε αντιλαμβάνονται κάθε ήχο ως πολύ δυνατό, δυνατό, μέτριο, ασθενή ή πολύ ασθενή. Αυτό μπορεί να είναι κάπως δύσκολο.

Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση Η εικόνα προσφέρθηκε από Nicola Graf

Για να το κάνετε ευκολότερο, ξεκινήστε με ήχο στα 16000 Hz και κάντε συγκρίσεις ανά δύο μεταξύ ήχων γειτονικών συχνοτήτων που πρόκειται να μετρήσετε. Για παράδειγμα: «Πώς αντιλαμβάνεστε τον ήχο στα 16000 Hz; Τώρα ακούστε τον ήχο στα 8000 Hz – πώς τον αντιλαμβάνεστε σε σχέση με τον προηγούμενο;» Και ούτω καθεξής. Κανονικά, το ανθρώπινο αυτί είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στις συχνότητες στις οποίες μιλάμε συνήθως (περίπου 200–3500 Hz).

Με τη βοήθεια ενός μαθητή γυμνασίου (ή του δασκάλου), κάθε παιδί θα πρέπει να σχεδιάζει την ένταση του ήχου που αντιλαμβάνεται (π.χ. δυνατά = 8) σε συνάρτηση με τη συχνότητα του ήχου.

Πώς αντιλαμβάνεσαι τον ήχο;	Ήχος 1	Ήχος 2	Ήχος 3	Ήχος 4	Ήχος 5	Ήχος 6	Ήχος 7
	16 000 Hz	8000 Hz	4000 Hz	2000 Hz	1000 Hz	500 Hz	250 Hz
Πολύ δυνατός (10)
Δυνατός (8)
Μέτριος (5)
Ασθενής (3)
Πολύ ασθενής (1)

Πίνακας 1: ατομικό ακοόγραμμα

Το ακοόγραμμα ενός οκτάχρονου κοριτσιού. Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση

Είναι χρήσιμο να κάνετε επίσης τις ίδιες μετρήσεις με ενήλικες (π.χ. με δασκάλους ή γονείς) γιατί καθώς μεγαλώνουμε, ακούμε τους υψηλών τόνων ήχους λιγότερο καλά. Ενδέχεται να το έχετε παρατηρήσει όταν είναι ανοικτή η τηλεόραση – μικρά παιδιά μπορεί να ακούν ένα υψηλού τόνου σφύριγμα ενώ οι ενήλικες όχι.

Πώς ο ήχος φτάνει στο αυτί; Το κερί που τρεμοπαίζει

Επειδή οι ήχοι μεταφέρονται από διακυμάνσεις της πίεσης του αέρα, ο ήχος μετακινεί σωματίδια αέρα. Η κίνηση της φλόγας ενός κεριού χρησιμοποιείται για να το καταδείξει. Ήχοι χαμηλής συχνότητας μπορούν ακόμη και να σβήσουν τη φλόγα ενός κεριού.

Υλικά Μία συσκευή αναπαραγωγής CD με ένα ηχείο μπάσων που παίζει μουσική techno Ένα κερί και σπίρτα Ένα χάρτινο χωνί Ένα (μπάσο) τύμπανο με μία τρύπα στο πίσω μέρος Μία γεννήτρια συχνοτήτων με ενισχυτή Ένα ηχείο κατάλληλο για χαμηλές συχνότητες (τουλάχιστον μέχρι 100 Hz) Καλώδια Διαδικασία Τοποθετήστε ένα αναμμένο κερί μπροστά από μία συσκευή αναπαραγωγής CD με ένα ηχείο μπάσων που παίζει μουσική techno. Η φλόγα θα τρεμοπαίζει σε συγχρονισμό με τη μουσική. Εάν το αποτέλεσμα δεν είναι πολύ ορατό, χρησιμοποιήστε ένα χάρτινο χωνί μεταξύ του ηχείου και του κεριού για να το κάνετε πιο εμφανές. Τοποθετήστε το αναμμένο κερί μπροστά από την οπή στο πίσω μέρος του τυμπάνου. Κτυπήστε το τύμπανο από την άλλη πλευρά και παρακολουθήστε την φλόγα να κινείται ή και να σβήνει ακόμη. Χρησιμοποιώντας τα καλώδια, συνδέστε το ηχείο στη γεννήτρια συχνοτήτων και ενεργοποιήστε την σε μια χαμηλή συχνότητα (100 Hz). Το κερί θα σβήσει. Για να κάνετε πιο εμφανές το φαινόμενο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα χάρτινο χωνί μεταξύ του ηχείου και του κεριού.

Οι εικόνες προσφέρθηκαν από Werner Stetzenbach

Τι συμβαίνει μέσα στο αυτί;

Η εικόνα προσφέρθηκε από Werner Stetzenbach

Χρησιμοποιήστε ένα πλαστικό ή χάρτινο μοντέλο του αυτιού (που μπορεί να είναι κατασκευασμένο στο σπίτι) για να απεικονίσετε τα διάφορα μέρη του αυτιού, τα οποία θα εξηγηθούν στα πειράματα που ακολουθούν.

Το εξωτερικό αυτί: το πτερύγιο και το τύμπανο

Το πτερύγιο συλλέγει ήχους όπως μία χοάνη. Χρησιμοποιήστε ένα χάρτινο χωνί ως ακουστικό κέρας (ακουστικό βαρηκοΐας) για να βελτιώσετε την ακοή: ψιθυρίστε μέσα σε αυτό και δείτε πώς ενισχύει τον ήχο. Το εξωτερικό αυτί δρα όπως ένας αυλός εκκλησιαστικού οργάνου που είναι κλειστός στη μία άκρη, έτσι ώστε ο αέρας να δονείται μέσα σε αυτόν. Αυτή η δόνηση μεταδίδεται στο τύμπανο του αυτιού, μια μεμβράνη που συμπεριφέρεται σαν ένα τύμπανο και στη συνέχεια, μέσω μηχανικής σύνδεσης, στα τρία οστάρια (μικρά οστά).

Η εικόνα προσφέρθηκε από Werner Stetzenbach

Υλικά

• Ένα ηχείο μπάσων
• Μία γεννήτρια συχνοτήτων ή μία συσκευή αναπαραγωγής CD με ενισχυτή
• Καλώδια
• Καραμέλες jelly babies

Η εικόνα προσφέρθηκε από Werner Stetzenbach

Διαδικασία Χρησιμοποιώντας τα καλώδια, συνδέστε το ηχείο μπάσων στη γεννήτρια συχνοτήτων ή στη συσκευή αναπαραγωγής CD. Τοποθετήστε μερικές καραμέλες jelly babies πάνω στο ηχείο. Παρακολουθήστε τις να «χορεύουν» με τους κραδασμούς της μεμβράνης του ηχείου, η οποία αναπαριστά το τύμπανο του αυτιού.

Το μέσο αυτί: τα οστάρια

Υλικά Δύο ντέφια Μία μπαγκέτα Μία μπάλα πινγκ πονγκ ή μπάλα από φελιζόλ, δεμένη σε ένα νήμα Ένα ταψί Ένα ξύλινο σφυρί ή κάποιο παρόμοιο ξύλινο εργαλείο Ένα μπολ Φύλλο αλουμινίου ή διαφανή μεμβράνη περιτύλιξης τροφίμων Κόκκοι ρυζιού ή ζάχαρη Διαδικασία Κρεμάστε τη μπάλα του πινγκ πονγκ ή του φελιζόλ (που αντιπροσωπεύει τα οστάρια) μπροστά από ένα από τα ντέφια, ακουμπώντας την επιφάνειά του (T2 στην παρακάτω εικόνα). Κτυπήστε το άλλο ντέφι (T1, η ηχητική πηγή) με την μπαγκέτα και παρακολουθήστε την μπάλα να μετακινείται, καθώς τα ηχητικά κύματα φθάνουν στο T2. Καλύψτε το μπολ με αλουμινόχαρτο ή μεμβράνη που τα τραβάτε ώστε να είναι τεντωμένα και τοποθετήστε κόκκους ρυζιού ή ζάχαρη στο πάνω μέρος. Κρατήστε το ταψί κοντά, κτυπήστε το με το ξύλινο σφυρί και παρακολουθήστε το ρύζι ή τη ζάχαρη (που αντιπροσωπεύουν τα οστάρια) να χοροπηδούν.

Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση Οι εικόνες προσφέρθηκαν από Nicola Graf

Το εσωτερικό αυτί: ο κοχλίας

Υπάρχουν ακουστικά νεύρα στα τριχωτά κύτταρα του κοχλία. Ο ήχος (αλλαγές στην πίεση του αέρα) τα υποχρεώνει να κινηθούν, γεγονός που ενεργοποιεί τις πληροφορίες που διαβιβάζονται στον εγκέφαλο. Όσο ισχυρότερος ο ήχος, τόσο περισσότερο τα τριχωτά κύτταρα κινούνται. Πολύ ισχυροί θόρυβοι ακόμη μπορεί και να καταστρέψουν τα τριχωτά κύτταρα.

Ένας γυάλινος σωλήνας χρησιμοποιείται ως μοντέλο ενός αποσυσπειρωμένου κοχλία. Τρίμματα φελλού ή σκόνη ταλκ στο εσωτερικό του σωλήνα αντιπροσωπεύει τα τριχωτά κύτταρα.

Υλικά

• Ένας γυάλινος σωλήνας
• Τρίμματα φελλού ή σκόνη ταλκ
• Δύο στατήρες (δείτε την εικόνα)
• Μία γεννήτρια συχνοτήτων
• Ένα ηχείο
• Καλώδια

Διαδικασία

Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση Η εικόνα προσφέρθηκε από Werner Stetzenbach

Γεμίστε το κάτω μέρος του γυάλινου σωλήνα με τρίμματα φελλού ή σκόνη ταλκ και στερεώστε τον οριζόντια στους στατήρες. Χρησιμοποιώντας τα καλώδια, συνδέστε το ηχείο με τη γεννήτρια συχνοτήτων και τοποθετήστε το μπροστά από το ένα άνοιγμα του γυάλινου σωλήνα. Ρυθμίστε τη συχνότητα του ήχου (ανάλογα με το μήκος του σωλήνα) έως ότου ο σωλήνας να συντονιστεί (για οποιαδήποτε δεδομένο μήκος, υπάρχουν πολλές συχνότητες στις οποίες θα συντονιστεί), καθιστώντας ορατή τη σκόνη που δονείται. Αυτή η δόνηση αντιπροσωπεύει την κίνηση των τριχωτών κυττάρων.

Προετοιμάζοντας ένα παρόμοιο σχέδιο εργασίας με τους μαθητές σας

Οι μαθητές γυμνασίου βλέπουν διαφορετικά τα πράγματα σε σχέση με τους δασκάλους και τους εκπαιδευτές, γεγονός που μπορεί να είναι πολύ χρήσιμο όταν ενδιαφερόμαστε να προσεγγίσουμε μικρά παιδιά, καθώς οι μαθητές αυτοί μπορούν να γίνουν εύκολα αποδεκτοί ως «μεγάλοι αδελφοί ή αδελφές». Οι μαθητές γυμνασίου που ενεπλάκησαν στο έργο μας επωφελήθηκαν σε μεγάλο βαθμό από την εμπειρία: έμαθαν να κάνουν παρουσιάσεις, απέκτησαν μεγαλύτερη αυτοπεποίθηση και ανέπτυξαν τις οργανωτικές δεξιότητές τους – όλα αυτά χωρίς την πίεση μιας τυπικής σχολικής τάξης. Επιπλέον, είδαν από πρώτο χέρι πώς εργάζονται οι δάσκαλοι, οι εκπαιδευτές, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί.

Μια ομάδα θα πρέπει να αποτελείται από 4-5 μαθητές γυμνασίου και έναν επιβλέποντα εκπαιδευτικό. Σε μια πρώτη φάση ανταλλαγής ιδεών, επιτρέψτε τους μαθητές να διατυπώσουν τις δικές τους ιδέες: αυτό θα τους παρακινήσει να είναι πολύ δημιουργικοί. Μπορεί να τους φανεί χρήσιμο να συμβουλευτούν βιβλία και δικτυακούς τόπους με εκπαιδευτικές δραστηριότητες. Επιτρέποντας σε κάθε μαθητή να εργάζεται σε ένα ξεχωριστό θέμα, δίνετε τη δυνατότητα να συμμετέχουν μαθητές με διαφορετικές ικανότητες. Ο εκπαιδευτικός θα πρέπει να διευθύνει τις συνεδριάσεις, να παρέχει τα υλικά για τα πειράματα και να βοηθάει να στηθούν τα πειράματα.

Προκειμένου τα πειράματα να είναι διασκεδαστικά και να εξάπτουν την περιέργεια, θα πρέπει να είναι εύκολο να στηθούν και, στην ιδανική περίπτωση, θα πρέπει να απευθύνονται σε πολλές αισθήσεις ταυτόχρονα. Όταν τα μικρότερα παιδιά είναι σε θέση να πειραματιστούν μόνα τους, τότε συχνά εκφράζουν και δοκιμάζουν τις δικές τους ιδέες.

Είναι σημαντικό να επικοινωνήσετε με ενδεχόμενους εταίρους του έργου (νηπιαγωγεία ή δημοτικά σχολεία) στα αρχικά στάδια του έργου. Αν και τα νηπιαγωγεία τείνουν να είναι ανοικτά σε πολλά επιστημονικά θέματα, τα πειράματα για τα δημοτικά σχολεία ίσως χρειαστεί να συσχετιστούν με αντικείμενα του αναλυτικού προγράμματος σπουδών που διδάσκονται στα μαθήματα της επιστήμης ή της μελέτης περιβάλλοντος, εάν βέβαια τέτοια θέματα υπάρχουν.

Ζητήστε από τους μαθητές γυμνασίου να παρουσιάσουν τα έργα τους στους συμμαθητές τους, ώστε να λάβουν υπόψη τους υποδείξεις για βελτιώσεις από τα μέλη όλης της ομάδας. Θυμηθείτε να ελέγξετε εκ των προτέρων τα πειράματα με παιδιά της ηλικίας στην οποία αναφέρονται, για να εκτιμήσετε τον απαιτούμενο χρόνο. Μέχρι επτά μικρά παιδιά συνιστούν μια ομάδα ικανοποιητικού μεγέθους. Σύμφωνα με την εμπειρία μας, κάθε δραστηριότητα διαρκεί περίπου 25-60 λεπτά, παρόλο που δεν θέσαμε κάποιο χρονικό περιορισμό.

Οι δραστηριότητες μπορεί να απαιτήσουν περισσότερο χρόνο από τον αναμενόμενο, δεδομένου ότι τα παιδιά μερικές φορές ζητούν να επαναλάβετε μια ενότητα που τους άρεσε ιδιαίτερα. Να θυμάστε ότι στα μικρά παιδιά αρέσει να μπορούν να παίρνουν μικρά πειράματα στο σπίτι, ή να λαμβάνουν μέρος σε ένα μικρό διαγωνισμό που μπορούν να κερδίσουν βραβεία, όπως για παράδειγμα μία καραμέλα jelly baby μέσα σε ένα φουσκωμένο μπαλόνι.
Ειδικά όταν πειραματίζονται τα ίδια, τα παιδιά του δημοτικού σχολείου δεν έχουν κανένα πρόβλημα να συγκεντρωθούν για δύο ώρες χωρίς διακοπή. Πριν από την αναδιοργάνωση των ομάδων ή προτού αρχίσετε ένα νέο πείραμα, προσφέρετε κεράσματα ή αναψυκτικά στα μικρά παιδιά για να επισημάνετε το διάλειμμα.

Και μην ξεχνάτε, εάν πρόκειται για μια νέα εμπειρία για όλους όσοι συμμετέχουν, μπορεί να υπάρχουν επιφυλάξεις και από τις δύο πλευρές (το νηπιαγωγείο ή το δημοτικό σχολείο και την ομάδα του γυμνασίου). Ωστόσο, εάν συζητήσετε για πιθανά προβλήματα που μπορεί να προκύψουν κατά την προπαρασκευαστική φάση, θα μπορέσετε εύκολα να τα ξεπεράσετε.