Dinamika tanítása interaktív eszközökkel az általános iskola felső tagozatán

digitális pedagógiai-módszertani csomag a természettudományos megismerés támogatására

Célcsoport

Felső tagozat

Rövid leírás

Az általános iskolai fizika tananyag 7. osztályos fejezete a dinamika. Amikor a tanulók ezzel a fejezettel találkoznak már számos, a fizikával kapcsolatos alapkészséggel rendelkezniük kell. Fontos azonban, hogy már fizika tanulmányaik elején hozzászokjanak ahhoz, hogy a természettudományos törvények nem puszta kinyilatkoztatások vagy vélemények, hanem kísérletekből származó tapasztalatok elemzésén alapuló következtetések. A csomagban ajánlott Fizika és LabCamera elnevezésű szoftverek segítségével az adott témakört tanító pedagógus egy virtuális kutatócsoport vezetőjeként szervezheti tanulóinak felfedező tevékenységét.

Részletes ismertető

Az oktatócsomag alkalmazásával a fizika (dinamika) tanítása digitális pedagógiai eszközökkel, jelenségközpontú módon, a tanulók aktív közreműködésével és személyes megfigyeléseik által valósítható meg. A csomag két oktatószoftverre épít, amely megfelelő támogatás mellett megengedi, hogy a pedagógus a tanulók igényei szerint, a tanulási és készségfejlesztési célok figyelembe vételével dolgozzon. Ez a két szoftver a LabCamera és a Fizika.

LabCamera

1. ábra: LabCamera
                                                               1. ábra: LabCamera

A szoftver ingyenesen elérhető pedagógusok számára (ezen a linken a Nemzeti Köznevelési Portálon regisztrált pedagógusok tölthetik le a szoftvert). A LabCamera saját oldalán is lehetőséget biztosít tanári regisztráció kezdeményezésére. Ez az oldal jelenleg angol nyelvű, de a fejlesztő ígéretet tett arra, hogy hamarosan magyar nyelvű regisztrációs felület is segíti majd a magyar pedagógusok munkáját.

A LabCamera nevű, magyar nyelvű szoftver digitális osztálytermi, esetleg otthoni körülmények között teszi lehetővé tudományos megfigyelések és mérések elvégzését egy webkamerával felszerelt számítógép segítségével. A webkamerával készült felvételen, de akár korábban készített videófelvételen lehet mérni és a mérési eredményeket kezelni. A szoftver hatékony eszközöket biztosít a mérési adatok rögzítéséhez, feldolgozásához és a következtetések levonásához, történjenek ezek a mérések elvégzésével egy időben vagy utána. A felvételek rögzíthetők, a mérési adatok elmenthetők, így a későbbi adatfeldolgozásra is lehetőség nyílik. Sőt korábban rögzített videófelvételek is elemezhetők a szoftver segítségével.

A fejlesztő könnyen használható, kész anyagokkal  mon is futtatható laptopon és táblagépen is.

2 ábra: LabCamera
                                                                2 ábra: LabCamera

Hazai tapasztalatok

Az Intellisense Zrt. az Eötvös Loránd Tudományegyetemmel együttműködve 160 tanulóból álló mintán végzett kutatást annak igazolására, hogy a LabCamera jótékony hatással van a tanulók eredményeire. A kutatás eredményei azt mutatták, hogy az újszerű tantermi megoldás és módszer alkalmazása 10–15%-os javulást eredményezett a tanulók teljesítményében, továbbá pozitív hatással volt a természettudományok iránt nem kifejezetten nyitott tanulók motivációjára is.

A szoftver tanárok számára ingyenesen elérhető, iskolai felhasználásért a felhasználószámtól függően kalkulált árat kell fizetni. A Nemzeti Köznevelési Portál regisztrált felhasználói számára a szoftver használata ingyenes.

A LabCamera szoftver az alábbi megfigyelési és adatfeldolgozási modulokat kínálja:

  • Gyorskamera
  • Kinematika
  • Kémkamera
  • Mikroszkóp
  • Univerzális naplózás
  • Nyomkövető
  • Grafikon játék

A Gyorskamera segítségével a természetben lassan zajló folyamatokról készíthetünk felvételeket, majd ezeket a képeket egy folyamatosan lejátszható videóvá lehet alakítani.

A Kinematika modulban egyszerre három test függőleges és vízszintes mozgását követhetjük nyomon. Adatokat gyűjthetünk és elemezhetünk a testek helyzetéről sebességéről és gyorsulásáról.

A Kémkamera működését egy mozgásérzékelővel ellátott kamera működéséhez tudnánk hasonlítani, így automatikusan akkor készít felvételt, ha mozgás történik a kamera előtt.

A Mikroszkóp modul referencia távolság megadásával a nagyon kis mérettartományba eső tárgyak, minták vizsgálatát könnyíti meg.

Az Univerzális naplózás modul egy olyan valós idejű adatgyűjtésre alkalmas eszköz, amely képes digitális vagy analóg műszerekről adatokat leolvasni.

A Nyomkövető tulajdonképen egy speciális térképszerkesztő alkalmazás. Segítségével egy térképen színezéssel ábrázolható, hogy a térkép mely pontjaiban volt több mozgás.

A Grafikon játékban válassz egy objektumot és egy görbét! Az objektum választott görbe mentén történő mozgatása közben az alkalmazás információt ad arról, hogy mennyire volt sikeres a görbe követése.

Az Intellisense Zrt. az alábbi, dinamika témakörébe tartozó tananyagegységeket ajánlja a felhasználóknak. A közzétett anyagok angol nyelvűek, de a letölthető videók használatához semmilyen nyelvtudásra nincsen szükség.

  • Dinamikus tömegmérés
  • Gyorsuló mozgás
  • Lassuló mozgás
  • Lejtő
  • Newton II. törvénye
  • Rugalmas ütközések
  • Rugalmatlan ütközések
  • Súrlódás

Fizika

A szoftver, a LabCamera programhoz hasonlóan, ingyenesen elérhető pedagógusok számára (ezen a linken a Nemzeti Köznevelési Portálon regisztrált pedagógusok tölthetik le a szoftvert). A LabCamera saját oldalán is lehetőséget biztosít tanári regisztráció kezdeményezésére. Ez az oldal jelenleg angol nyelvű, de a fejlesztő ígéretet tett arra, hogy hamarosan magyar nyelvű regisztrációs felület is segíti majd a magyar pedagógusok munkáját.

A Fizika névre keresztelt szimulációs szoftver interaktív módon teremt lehet lehetőséget arra, hogy a szoftver saját eszközkészletének és objektumainak felhasználásával megépített kísérleti elrendezésekkel modellezzék a tanulók a valós folyamatokat. A kiindulási feltételek és adatok szabad megváltoztatásával olyan újszerű szimulációs eszközt adhatunk a tanulók kezébe, melynek segítségével digitális osztálytermi, vagy akár otthoni körülmények között tudnak valós természettudományos problémákat vizsgálni, illetve kérdésekre választ találni. A felhasználóknak lehetősége nyílik arra, hogy a fejlesztők által készített kísérleti elrendezések kipróbálásával ismerkedjenek meg a szoftver használatával, mielőtt saját modellek építésébe fognának.

A szoftver rajzoló és szerkesztő eszközöket ad a felhasználó kezébe, amelyekkel kísérleti helyzetek állíthatók elő, majd a mérőeszközök segítségével a mozgások, jelenségek tanulmányozhatók. Lehetőség van saját tervek megvalósítására, illetve a regisztrált felhasználók letölthetnek kész összeállításokat angol nyelvű óravázlatokkal.

A Fizika felhasználási lehetőségei:
  • tanári magyarázat támogatása szimulációkhoz kapcsolt feladatok feldolgozása 10-15 percben (ez megvalósulhat tanulói bemutató formájában is)
  • kinematikai problémákhoz kapcsolódó gyakorló feladatok
  • tanórán kívüli kiegészítő problémák, feladatok
3. ábra: Digitális tananyag
                                                              3. ábra: Digitális tananyag

Az Intellisense Zrt. az alábbi, dinamika témakörébe tartozó tananyagegységeket ajánlja a felhasználóknak. A közzétett anyagok angol nyelvűek, de a letölthető modellek használatához csak a szoftver használatához szükséges minimális angol nyelvtudásra van szükség.

  • Egyensúly
  • Egyszerű gépek
  • Erő és lendület
  • Erők
  • Hatás-ellenhatás
  • Kényszererő
  • Lendület
  • Mechanikai energia
  • Munka
  • Munkatétel
  • Newton II. törvénye
  • Rugó
  • Statika
  • Súrlódás
  • Tehetetlenség
  • Tömegközéppont
  • ütközések

Nemzetközi elismerések

2011 Parent’s Choice Silver Award
2011 Magyar Innovációs Techshow – „Leginnovatívabb megoldás
2012 ComputEd Gazette Bessie Award Winner
2013 Magyar Innovációs Techshow – Közönségdíj
2015 Nemzetgazdasági Minisztérium – „Március hónap startup vállalkozása”
2015 Bett Awards Finalist
2011 Parent’s Choice Silver Award (http://www.parents-choice.org/product.cfm?product_id=29748)

Pedagógiai-módszertani elemek

Az alábbiak vélhetően minden érdeklődőt meggyőznek arról, hogy az ismertetett eszköz használata, a tanórai vagy szakköri munkába való beépítése – a fizika oktatására felkészített pedagógusoktól – nem vár el a számítógép használatán túlmutató informatikai ismereteket, illetve a szükséges gyakorlati tapasztalat megszerzésében számíthatnak az alábbiakban megadott elérhetőségek mögött állókra.

Célok

A csomagban javasolt tevékenységek a NAT kulcskompetenciái közül elsősorban az alábbiakat fejlesztik:

  • Matematikai kompetencia
  • Természettudományos és technikai kompetencia

Azonban a javasolt tevékenységi formák sokoldalúsága miatt további kompetenciák fejlesztésére is lehetőséget nyújt a csomag használata:

  • Anyanyelvi kommunikáció
  • Szociális és állampolgári kompetencia
  • Kezdeményezőképesség és vállalkozói kompetencia
  • A hatékony, önálló tanulás

A csomag keretein belül feldolgozható tananyag tartalmai elemeinek elsajátítása, és különösen a tanulási folyamatban használt tevékenységek jól támogatják az alábbi 21. századi készségek fejlesztését:

Tanulási és innovációs készségek

Kreativitás és innováció

  • Eredetiség és találékonyság demonstrálása a munkában
  • új ötletek felvetése, megvalósítása és másokkal való megosztása
  • Nyitottság és fogékonyság az újszerű és sokoldalú megközelítésekre
  • Kreatív hozzájárulás, kézzelfogható és hasznos közreműködés az innovatív területen

Kritikus gondolkodás és problémamegoldás

  • Gyakorlottság a világos érvelés megértésében
  • Döntési, választási képesség összetett feladatokban
  • Rendszerek közötti összefüggések megértése
  • Célravezető, tisztázó kérdések megfogalmazása egy adott probléma jobb megoldása érdekében
  • Az információ rendszerezése, elemzése, szintetizálása a problémamegoldásban, kérdések megválaszolásában

Kommunikáció és együttműködés

  • Gondolatok, ötletek világos, hatékony kifejtése szóban és írásban
  • Hatékony munkavégzés képessége különböző munkacsoportokkal
  • Rugalmasság és segítőkészség, a szükséges kompromisszumokra való hajlandóság a közös célok elérése érdekében
  • Felelősségvállalás az együttműködésben végzett munka eredményessége érdekében

Információs, média és technológiai készségek

Információs műveltség

  • Az információhoz való hatékony és eredményes hozzáférés, az információ kritikus és kompetens értékelése, kreatív és szakszerű alkalmazása a kérdéses területen vagy problémakörben

Médiaműveltség

  • Az információhoz való hozzáférés körüli etikai, jogi kérdések megértésére való képesség

IKT (Információ, kommunikáció, technológia)

  • A digitális technológia, kommunikációs eszközök és/vagy hálózatok hatékony alkalmazása az információ elérésére, kezelésére, értékelésére és létrehozása a tudásalapú gazdaságban
  • A technológia eszközként való alkalmazása az információ felkutatásában, szervezésében, értékelésében, közvetítésében és az információhoz való hozzáférés körüli etikai, jogi kérdések megértésére való képesség

Életmód és karrier készségek

Rugalmasság és alkalmazkodó készség

  • Alkalmazkodás a különféle szabályokhoz és felelősségekhez
  • Eredményes munkavégzés nem egyértelmű, változó prioritások mellett is

Kezdeményezés és önirányítás

  • önmegfigyelési készség a tanulási folyamat nyomon követésére, a saját tanulási igények azonosítására
  • Túllépés az alapvető készségek és/vagy tananyag elsajátításán, saját tanulásunk és lehetőségeink felfedezése és kiterjesztése a szakértelem megszerzése érdekében
  • A készségek folyamatos fejlesztésére, a professzionális szint elérésére irányuló kezdeményezés demonstrálása
  • Feladatok meghatározása, rangsorolása, végrehajtása közvetlen felügyelet nélkül
  • Hatékony időgazdálkodás, a munkaterhelés menedzselése
  • Elkötelezettség a tanulás, mint élethosszig tartó folyamat iránt

Társadalmi és kultúrák közötti készségek

  • Eredményes és megfelelő munka másokkal
  • Csoportok kollektív intelligenciájának kihasználása adott esetben
  • Kulturális különbségek áthidalása és különböző perspektívák felhasználása az innováció és a munka minőségének javulásáért

Produktivitás és számonkérhetőség

  • Magas szintű követelmények és célok felállítása a minőségi munka határidőre való elvégzése érdekében
  • Szorgalom és pozitív munkamorál demonstrálása (pontosság és megbízhatóság)

Vezetés és felelősségvállalás

  • Interperszonális és problémamegoldó készségek felhasználása mások befolyásolására egy adott cél érdekében
  • Mások erősségeinek kihasználása a közös célok elérése érdekében
  • Becsületesség és etikus viselkedésmód demonstrálása

Felelősségvállalás a nagyobb közösség érdekében A Kerettantervi (az A típusú kerettanterv szerint) megfelelés a fogalmak szintjén:

  • tér, idő, koordináta, vonatkoztatási rendszer, kinematikai alapfogalmak: út, hely, sebesség, átlagsebesség, a sebesség különböző mértékegységei, a gyorsulás fogalma, mértékegysége, az egyenletes és az egyenletesen változó mozgás, az egyenletes körmozgást leíró kinematikai jellemzők (pályasugár, kerületi sebesség, fordulatszám, keringési idő, szögsebesség, centripetális gyorsulás)

A Kerettantervi (az A típusú kerettanterv szerint) megfelelés a fejlesztési követelmények szintjén:

  • a gravitációs kölcsönhatás vizsgálata,
  • Eötvös Loránd munkásságának megismerése,
  • különböző testek súlyának meghatározása becsléssel és méréssel, a becsült és mért értékek összehasonlítása,
  • a súlytalanság értelmezése, a tömeg és a súly kapcsolatának használata egyszerű számítási feladatokban,
  • az erő értelmezése hatásainak áttekintése révén, a rugós erőmérő használata,
  • különböző kölcsönhatásokban fellépő erők vizsgálata (súrlódás, mágneses kölcsönhatás, ütközés),
  • egyszerű egyensúlyi helyzetek kísérleti vizsgálata, mozgó testek sebességváltozásának kísérleti vizsgálata, a sebességváltozás okának elemzése, az erő és a sebességváltozás kapcsolatának gyakorlati kimutatása, a járművek sebességváltozásakor (kanyarodás, gyorsítás, fékezés) fellépő jelenségek vizsgálata,
  • különböző súlyú és alakú testek talajra gyakorolt hatásának kísérleti vizsgálata.

A LabCamera Kinematika moduljának kapcsolódási pontjai más tantárgyakhoz:

  • Matematika: függvény fogalma, grafikus ábrázolás, egyenletrendezés, -megoldás
  • Informatika: alkalmazói és mérő szoftverek használata, digitális adatfeldologzás
  • Földrajz: távolságmérés
  • Testnevelés és sport: érdekes sebességadatok
  • Biológia-egészségtan: élőlények mozgása, sebességei, reakcióidő

Pedagógiai-módszertani környezet

A fenti célok eléréséhez elengedhetetlen, a tanári és tanulói szerep újragondolása. A tanulók számára jelentsen személyes élményt, felfedezést a tananyag feldolgozása! A hagyományos értelemben vett kísérletezés, tanulókísérlet a modern digitális technikai háttérrel is ezt szolgálja. Azonban a kompetenciák hatékony fejlesztése csak akkor valósulhat meg, ha a tanórák jelentős részében tevékenykedtető, kooperatív, illetve projektmódszerek hatják át az aktív tanulói feladatvállalást. A tanári szerep is új alakot ölt. A korábban megkérdőjelezhetetlen tudás forrásaként működő pedagógus ebben az új tanulási környezetben facilitátori szerepben tűnik fel, motivál, segít, irányit, visszajelez és értékel. A hagyományos frontális munkaforma helyett a tanórák jelentős részében az alábbi tanulásszervezési formák javasoltak:

  • egyéni feladatvégzés (pl.: önértékelés)
  • páros munkaformák (pl.: kísérlet elvégzése)
  • kiscsoportos munkaformák (pl.: tervezés)
  • osztályszintű feladatok (pl.: ötletroham)

A fenti tevékenységi formák időarányára nehéz általános elvárást megfogalmazni. Az ideális részarány függ a tananyag típusától, a tananyag feldolgozásának módjától, a tanulók motivációjától és képességétől, továbbá a tanár felkészültségétől. Azonban mind az intézménynek, mind a pedagógusnak mindent el kell követni azért, hogy a frontális módszer csak a legszükségesebb esetekben jelenjen meg a tanórán.

A digitális eszközökkel és alkalmazásokkal támogatott tevékenységek jelenjenek meg a témát feldolgozó tanórák időkeretének legalább 40%-ában, illetve az otthoni feladatokban is!

A fentiekben részletezett módszerek kiválóan támogatják a tanulócsoporton belüli differenciálást. Hangsúlyozni kell azonban, hogy a differenciálás problémáját csak tudatos odafigyeléssel és óraszervezéssel lehet hatékonyan kezelni.

A digitális pedagógia fontos jellemzője, hogy az értékelés, a tanulók számára adott visszajelzés is épít a digitális technológiára. érdemes kiemelni a formatív értékelést, amely forma számos módon megnyilvánulhat a számítógépes eszközökkel támogatott fizikai kísérletezésben:

  • ellenőrzőlisták használata a feladat végrehajtásához
  • adott projektek, bemutatók, elvégzett feladatok szöveges, online formában történő visszajelzése a tanár és/vagy a tanulótársak részéről
  • játékosított pontozás és online jutalmazás

A fizika tantárgy oktatására képesített pedagógusok számára a megadott specifikációval rendelkező eszközökön a csomagban felsorolt szoftverek csak alapfokú számítógép-használói ismereteket és némi gyakorlást igényelnek. A gyakorláshoz megfelelő támogatást nyújtanak a megjelölt elérhetőségeken található mintatevékenységek.

A tanulás színterei ma már nem csupán az iskolára korlátozódnak. Az iskolán kívüli tanulás is, valamint az otthoni tanulás is rendkívül lényeges. Az oktatási csomag elemei lehetővé teszik, hogy a témakörök jól kapcsolódjanak a külvilág jelenségeihez és kellő mennyiségű lehetőséget, feladatot és támogatást adjanak a diákok otthoni tanulásához.

Infrastrukturális elemek

Az oktatócsomag alkalmazásához szükséges infrastruktúra az iskolai tanulási környezet kialakításától is függ. Mindenképpen tanulóközpontú módszerek javasoltak, mert a passzív részvételt jelentő frontális megoldások nem eredményeznek személyes élményt és tapasztalatokat. A tanulóközpontú megközelítés az alábbiak közül az egyik környezetet jelenti, ahol az eszköz kifejezés táblagépet és laptopot is jelenthet:

  • tanári eszköz és kivetítés + tanulónként egy eszköz
  • tanári eszköz és kivetítés + tanulópáronként egy eszköz
  • tanári eszköz és kivetítés + 4 fős tanulócsoportonként egy eszköz

A LabCamera és a Fizika szoftverek nagyon sokféle eszközön működőképesek, azonban egy beszerzés esetén érdemes jó grafikai képességű (laptop esetén 2 GB dedikált grafikus vezérlő) eszközöket vásárolni.

A tanári eszköz lehet laptop és táblagép is, de mindkét esetben meg kell oldani a kivetítést egyszerű esetben nagy fényerejű projektorral, haladóbb szintű felhasználás esetén interaktív panellel.

A LabCamera alkalmazásának központi eleme a webkamera használata. Ehhez használható a készülékek beépített kamerája is, azonban a szélesebb kísérleti lehetőségekhez külső, USB csatlakozású webkamera ajánlott, mégpedig olyan típus, amelynek a fókuszpontja kézzel állítható.

Az eszközök ajánlott paraméterei:

  • laptop: min. Core i3 vagy azzal egyenértékű processzor, 4 GB RAM, min. 500 GB HDD/SSD, dedikált videokártya 2 GB, 3 db USB kimenet, beépített HD webkamera, mikrofon, ajánlott legalább 2 év garancia
  • táblagép: min. 9–10” kijelzőméret, min. 16 GB belső memória, elülső és hátsó kamera, min. Android 6.0 operációs rendszer
  • projektor: legalább 2000 ANSI lumen fényerejű, rögzített helyzetű projektor
  • interaktív panel: legalább 70” méretű képátló, full HD felbontás, 16:9-es képarány, min. 8 érintéses multitouch, tollak, min. 2 év garancia

Támogató szolgáltatások

A Kinematika tanítása interaktív eszközökkel című csomag megvalósítói az alábbiakban részletezett támogatási formák közül választhatnak.

Kapcsolódó dokumentumok, források

A LabCamera és a Fizika szoftverhez letölthető mintafájlok:
http://intellisense.education/resources/

 4. ábra: LabCamera és a Fizika szoftverhez
4. ábra: LabCamera és a Fizika szoftverhez

Juhász András – Szegeczky Tibor: Kinematikai feladatok grafikus értelmezése és megoldása

A Digitális környezet a köznevelésben (EFOP-3.2.3–17 és VEKOP-7.3.3–17) pályázatokhoz ajánlott digitális pedagógiai módszertani csomagok. Egy-egy összeállítás termékmegjelenítést tartalmaz ugyan, de az adott termékkel egyenértékű megoldásokat felhasználó fejlesztési terv is elfogadható. A módszertani csomagok DFT-ben való megnevezése, kiválasztása nem mentesít a beszerzési szabályok betartása alól, nem alapozza meg a beszerzés kizárólagosságát.