Robotika és szimuláció az elemi iskolai fizikában

^[1]A cikk egy olyan tantervi programról számol be, amelyet természettudományt és informatikát tanító pedagógusok fejlesztettek ki három nyolcadik osztály mintegy száz tanulójával Rio de Janeiróban, egy magániskolában. Az volt a szándékuk, hogy a projekt segítségével erősítsék a kapcsolatokat a 14 és 16 év közötti tanulók spontán hiedelmei és tudományos gondolkodása között olyan tevékenységekkel, amelyek a konkrét megfigyeléseket a szóbeli vitákkal kombinálva rendszerezik az elvont ismereteket. A cikk szerzője bemutatja azt a robotikai kísérletekre épülő kinematikai tananyagot is, amelyet azért dolgoztak ki a projekt résztvevői, hogy adatokat gyűjtsenek, elemezzenek, olyan eredményeket és következtetéseket fogalmazzanak meg, amelyek virtuális szimulációra épülve megjelennek a tanulók képzeletében is.

A projekt témaválasztása

Témaválasztásunkat befolyásolta, hogy nálunk már sok ilyen kutatást végeztek (Arnay 1997), és a mi megállapításaink azt mutatták, hogy az iskola rendszerint képtelen kialakítani a tanulók „tudományos gondolkodását”: a tanulók leckéről leckére haladnak ugyan a tananyagban, „leegyszerűsített tudományos modellek” szerint, de a tetteiket és stratégiáikat – ha problémamegoldásra kerül sor – még mindig spontán hiedelmeik irányítják. Ez a probléma a 8. osztályban válik igazán komollyá; itt ugyanis a tananyag általában már különféle fizikai és kémiai témák általános áttekintését is megköveteli.

Problémafelvetés

Azzal kezdtük, hogy megkértük a tanulókat, mondják el spontán gondolataikat a mozgásokról. A válaszok igencsak intuitív módon fogalmazódtak meg, például: „egy könnyebb kocsi gyorsabban halad”, vagy „egy erős motor gyorsabban felgyorsul”. Megvitattuk ezeket a megállapításokat, finomítottunk rajtuk, bizonyítandó hipotéziseket fogalmaztunk meg, és megpróbáltunk összefüggéseket találni a különféle változatok között, mint például: „minél több terhet teszel egy kocsira, az annál lassabban fog mozogni”. A tanárok nem fűztek „magyarázatot” a témához vagy az adott javaslathoz, és nem erősködtek a helyes elképzelések megfogalmazása érdekében, inkább hagyták a tanulókat, hogy megalkossanak egy olyan módszert, amely úgy irányítja a spontán hiedelmeket, hogy azok elvezethetnek a hasznos és specifikus tudáshoz is.

A tanulók listát készítettek azokról a tényezőkről, amelyekről feltételezték, hogy befolyásolják egy kocsi sebességét, mint például a motor „ereje”, a kocsi teljes súlya, a kocsi súlyeloszlása, aerodinamikai kialakítása, a kerekek, a sebességváltók vagy a motortól a tengelyekhez való erőátvitel típusa. E faktorok mindegyikének a vizsgálatához néhány speciális eljárást is kigondoltak.

Ezután kollektív stratégiákat alkottunk abból a célból, hogy igazoljuk az elfogadott hipotézisek érvényességét; erre a kísérletek megkezdéséhez volt szükség (1. táblázat).

Miközben ezeket a kísérleteket terveztük, sok olyan lényeges témát is megvitattunk, amelyek a tanulók kérdéseiből következtek, például: „Hogyan lehetünk biztosak abban, hogy a sebesség csak a motor miatt változik?” vagy „Hány különféle értékre van szükségünk egy táblázatban ahhoz, hogy biztosak lehessünk a következtetéseinkben?” A tanulók meghatározták a saját módszerüket, miközben spontánul adaptáltak néhány olyan tudományos lépést is, amelyről addig még nem is tanultak.

Eszközépítés és kísérletek

Mindegyik csoport épített olyan eszközöket is, amelyek előre eltervezett módon és feladatkörben működtek: sebességmérőt, erő-, tömeg- és aerodinamikai szabályozót. Pontosan bemutatták az építményeket. Az egyik csoport például így fogalmazott: „Mi nagyon egyszerű kocsit építettünk azért, hogy megfigyeljük a súlynak a sebességre gyakorolt hatását. Könnyű anyagokat választottunk, hogy könnyebb legyen a kocsit túlsúllyal is mozgatni. Van egy üres dobozunk is. Ez ugyanazon a nyomvonalon fog haladni, különféle terhelésekkel, és ennek is mérni fogjuk a mozgását. Feltételezésünk szerint minél nagyobb a súly, a mozgás annál lassúbb lesz.”

Sokféle javaslat elhangzott azzal kapcsolatban is, hogyan mérjük a sebességet. Például: futtassuk a kocsit egy vonalzó mentén és figyeljük a mozgását, jelöljünk ki egy távot és mérjük a ráfordított időt, mozgassuk a kocsikat két vagy három másodpercen át, és mérjük le a megtett távolságot. Néhány csoport más eszközöket épített, közülük azonban nem mindegyik dolgozta ki jól azokat.

A kísérleteket úgy kezdtük el, hogy érzékelőkkel meghatároztuk a sebességet. Ezt az érzékelőt egyszerű robotikai csatlakozóval hozzákötöttük egy számítógéphez. Amikor a kocsi átment a fémérzékelőn, a számítógép jelezte a részidőt (óra, perc, másodperc és ezredmásodperc).

Mindegyik csoport vállalkozott adatgyűjtésre is, és azt is meghatározták, hogyan fogják ezt a feladatot elvégezni (2. táblázat). E táblázatok némelyikét később átalakították, mivel olyan információk hiányoztak belőle, mint például a mérőegység.

Amikor a program elkezdődött, a tanulók még kizárólag a mozgások közvetlen megfigyeléséből akartak következtetéseket levonni. Felvetették például azt, hogy építsünk teljesen egyforma kocsikat, amelyek egymás mellett haladnak, csak olyan kicsi különbség legyen közöttük, ami azért vizuálisan már összevethetővé teszi a teljesítményüket. Később azt találták ki, hogy a számszerű eredmények több részletét alaposabb elemzésnek vetik alá, így sokkal pontosabb következtetéseket tudnak megfogalmazni az egyes faktoroknak a sebességre gyakorolt hatásáról. Lépésről lépésre haladva azonban egy idő múlva a konkrét megfigyelések helyett már sokkal inkább az elvont gondolkodást választották.

A kapott adatokat kvalitatív és kvantitatív elemzéseknek egyaránt alávetettük, az összefüggéseket keresve közöttük.

Amikor belekezdtünk a vitákba, a tanulók mindegyike azt gondolta, hogy a saját elképzelése a helyes és a nyilvánvaló. Az elképzelések különbözősége és a társaik által ugyanarra a problémára javasolt eltérő megoldások azonban nagyon meglepték őket. Megértették, hogy nem mindegyik induló elképzelés volt helyes, néha maga a „szerző” is megtette ezt, és az érvelések hatására pontosították az ismereteiket, majd a megfigyelt jelenségekről közösen kialakítottunk egy kollektív mentális modellt.

Szimuláció számítógéppel

Az utolsó lépés e modell szimulációs „lefordítása” volt, az élő modellnek a lefordítása a számítógépes, virtuális modellre, amely megjelenítette a célokat és a módszereket, a mennyiségeket és azok összefüggéseit, és valós időben reagált bármelyik felhasználó beavatkozására. A szimuláció tehát egy „új gondolkodási stílust” teremtett meg, ami lehetővé teszi az értékek lehetséges ellenőrzését és az eredmények vizuális megjelenítését, a képzelet kitágítását (Levy 1990).

A tanulók a „virtuális kocsik” megalkotásával megkezdték a valóságban megépített kocsikat is megjeleníteni, és ezeket a képernyőn mozgatták az eredeti kísérleti eredményeknek megfelelően.

A tanulóknak valamennyire meg kellett tanulniuk programozni és rendszerbe integrálni a témáról megszerzett korábbi ismereteiket is, hogy megtervezzék a szimulációt. A szimuláció ugyanis a projekt során megszülető összes elvont gondolatnak is „konkrét” virtuális megjelenítője lett.

Megerősödtek tehát a tudományos ismeretek spontán gondolkodásban való megtestesülésével kapcsolatos elvárásaink azáltal, hogy a tanulók igen pontosan használták a fogalmakat akkor is, amikor meghatározták az értékek és a leírt kísérletek közötti összefüggéseket, amikor következtetéseket vontak le a kiválasztott tényezők elválasztásának és ellenőrzésének szükségességéről, és amikor meghatározták a feltételezések igazolására szolgáló módszereket.

Irodalom