A tudomány drámája Teach article

Fordította: Adorjánné Farkas Magdolna. Ugye élvezi a tudomány drámáját? A színeket, a szagokat, a szövevényes összefüggéseket?Érdemes követni Bernhard Sturm természettudomány-tanár javaslatait: hagyjuk, hogy a tanulóink még több drámát hozzanak be az osztályterembe,…

A dráma a képzőművészet, a zene, és a sport elemeit is magába foglalhatja, fejleszti a tanulók kreativitását, növeli a fittségüket, és emellett érzelmi és esztétikai értékeket is közvetít. Mivel ez csoporttevékenység, fejleszti a tanulók kommunikációs és együttműködési képességét is. Miért ne használnánk akkor a drámát a természettudomány tanítása során?

Ez a cikk különböző dráma-alapú tevékenységeket ajánl, amelyek során fizikai és kémiai jelenségeket lehet eljátszani a tanítási órákon.

Kémia

Redoxi reakciók

A következő jelenettel meg tudjuk mutatni, hogy hogyan adja át az oxigén atomot az egyik fajta fém atomja egy másik fajta fém atomjának (Lavoisier alapján). A tanulók viseljenek háromféle színű polót, az oxigén és a két különböző fém atomjainak jelölésére (mindegyik színből azonos számú legyen). 8-10 fős csoportokban játszanak el egyszerű redoxi reakciókat, ahol a sztöhiometriai arány 1:1, például a CuO + Fe → Cu + FeO folyamatot, és azután mutassák be az egész osztálynak. A tanulóknak gyakran támadnak kreatív ötletei arra, hogy hogyan érzékeltessék a reakcióknál az aktivációs energiát és a kibocsátott energiát.

Kémiai kötés: a víz elektromos vezetőképessége (Grotthuss mechanizmus)

A következő jelenettel azt mutathatjuk be, hogy hogyan halad a vízen keresztül az elektromos áram. Bár a protonok nem mozdulnak el a helyükről, a pozitív töltés mégis keresztülhalad a vízen. A tanulók viseljenek kétféle színű pólót (2:1 arányban), az egyik színnel a hidrogénatomokat, míg a másik színnel az oxigénatomokat jelöljük. Rendezzük el egy sorban a vízmolekulákat: minden molekula két (térdelő) hidrogénatomot és egy (álló) oxigénatomot tartalmaz. Az oxigénatom érintse meg az egyik hidrogénatomot a jobb kezével, a másik hidrogénatomot pedig a jobb lábával (ld. a jobb oldali ábrát). A hidrogénatomok karjainak és lábainak nincs szerepe. Az oxigénatomot megszemélyesítő tanulók karjai és lábai a kötést létesítő elektronpároknak felelnek meg. A sor egyik végén kapcsoljunk egy extra hidrogénatomot a vízmolekula oxigénatomjához (a hidrogénatom bal karjának érintésével), így H₃O⁺ oxónium-ion jön létre. Ezután az oxónium-ion egyik hidrogénatomjához a szomszédos vízmolekula oxigénatomja kapcsolódik a bal kezével, miközben annak oxigénatomja elengedi a hidrogéniont. És ez így megy tovább végig a sorban.

Az etén teljes polimerizációja polietilénné

A következő jelenettel meg lehet magyarázni a polimerizáció mechanizmusát és világossá lehet tenni a különbséget a lieáris és a térhálós polimerek képződése között. Az etén polimerizációját a következőképpen mutathatjuk be: a tanulók teste egy szénatomnak felel meg, a lábuk egy hidrogénatomnak, a karjuk pedig egy kötő elektronpárnak. Az egyik tanuló (egy metilcsoportot személyesít meg) integet a karjával (egy páratlan elektron). Két tanuló mindkét kézzel kezet fog egymással (kettős kötés), ők egy etén molekulát szemléltetnek. Az etén molekulában a szénatomok elengedik az egyik kézfogást (felbomlik az egyik kötés), majd az egyik szénatom az így páratlanná vált elektronjával kötést létesít a metilgyök szabad elektronjával (új kézfogás). Az így létrejövő három szénatomot tartalmazó részecske is egy gyök. Ez összekapcsolódhat egy másik etén molekulával, és így tovább (ld. a balodali ábrát).

A modell továbbfejlesztésével megmutathatjuk, hogy hogyan megy végbe a buta-1,3-dién térhálós polimerizációja: a molekula C₂ és C₃ atomjait megszemélyesítő tanulók érintsék össze a lábukat, ezzel érzékeltetve az egyszeres kötést (ld. a balodali ábrát). Ha egy metilgyök közel kerül a buta-1,3-dién molekulához, az egyik kettős kötés (kettős kézfogás) felbomlik és egy új egyszeres kötés (egyszeres kézfogás) jön létre, például az eredeti molekula C₄atomja és a metilgyök között. Az újonnan képződött részecske is egy gyök, szabad elektronnal a C₃ atomnál. Ezután ezzel a szénatommal egy másik buta-1,3-dién molekula C₁ atomja kötést létesíthet (egyszeres kézfogás), miután a második molekulában felbomlott a kettős kötés. Így egy elágazás jön létre. A keletkezett, kilenc szénatomot tartalmazó kémiai részecske szintén gyök, amely szabad elektront tartalmaz a második buta-1,3-dién molekula C₂ atomjánál.

A víz halmazállapotai

A vízmolekulák térbeli elhelyezkedése és mozgásának sebessége egymástól eltérő szilárd, folyadék és gáz halmazállapotban. Ennél a jelenetnél a tanulók vízmolekulákat személyesítenek meg. Tapasztalataim szerint a legjobb, ha ezt a gyakorlatot a szabadban végezzük el, ahol elegendő hely áll rendelkezésre és a fiúkat és a lányokat külön csoportba tudjuk osztani – az egyik csoport dolgozik, a másik pedig figyeli. A tanulók a tanár irányítása alapján mozognak: kezdjük el a téllel (0 °C), a tanulók nyugodtan állnak, szabályos rendben. Múlik az idő, tavasz lesz, majd nyár (akár 40 °C), a molekulák gyorsabban mozognak, de közöttük most is megmarad a kapcsolat.Végül a molekulák egy vízforraló edénybe kerülnek, a víz felforr (100 °C).

A tanár minden fázisról készít egy pillanatfelvétel úgy, hogy “megállj”-t kiált. A feladatban résztvevők (pl. a lányok) és a megfigyelők (pl. a fiúk) egyaránt leírják, hogy mit láttak.
Azután a játékosok és a megfigyelők szerepet cserélnek, a molekulák lelassulnak, végül a víz 0 °C-ra hűl le.

A feladatot úgy is módosíthatjuk, hogy be tudjuk vele mutatni a benzol termikus hőtágulását. Nyolc tanuló vegyen körül körülbelül 20 ‘benzol’ tanulót egy laza kötéllel. Amikor a nyomás a ‘melegítés’ következtében túl nagy lesz, a tanulók kénytelenek lesznek elengedni a kötelet.

Fizika

Légüres tér

A Joseph Wright of Derby (1768) An Experiment on a Bird in the Air Pump^w1 (Légszivattyúval végzett kísérlet egy madáron) című festményét érdemes felhasználni a vákuum történetének tárgyalásánál.
Osszuk az osztályt 3 csoportra, és adjunk minden csoportnak egy másolatot a festményről és egy feladatlapot, amelyen a festmény legfontosabb eszközeinek és szereplőinek körvonalai láthatók (ld. a jobboldali, letölthető ábrát^w2). A következő kérdések segíthetnek a beszélgetés elindításában:

1. Miről szól a kísérlet?
2. Hogyan végződik?
3. Mi a szerepük a főbb szereplőknek és hogyan viselkednek?

A megbeszélés után a tanulók előadhatják az egész jelenetet egy légritkító felhasználásával. Egy csokoládával bevont krémes süteménnyel helyettesíthetik a madarat.

Elektromos áramkör

Ez a jelenet alkalmas arra, hogy bemutassuk vele, hogy az elektronok, mint töltéssel rendelkező részecskék energiát szállítanak. Az egyik tanuló játssza az áramforrás (elem) szerepét: a terem egyik végében áll, és cukorkát ad tovább kis csomagokban (energia). A terem másik végében álló tanuló a ‘fogyasztó’: összegyűjti a csomagokat. Néhány asztalt is elhelyezhetünk a terem közepén, amelyekkel kijelöljük az áramkört.

A többi tanuló személyesíti meg az elektronokat: sorbaállnak az áramforrásnál, egyenként átvesznek egy-egy cukorka-csomagot, majd belépnek az áramkörbe és odasétálnak/ szaladnak a ‘fogyasztóhoz’, odaadják neki a cukorkát (energia). Ezután visszamennek az áramforráshoz és újra sorbaállnak. Addig folyik az ‘elektromos áram’, amíg el nem fogynak a cukorka-csomagok (lemerül az elem). A kísérlet továbbfejlesztésével szemléltetni lehet a párhuzamos és a soros kapcsolást is.

A vezetőképesség hőmérsékletfüggése

Ezzel a jelenettel meg tudjuk mutatni, hogy a fémek vezetőképessége csökken a hőmérséklet emelkedésével. Ezt egyébként csak kísérlettel lehet igazolni. Az iskolaudvaron a tanár rajzoljon krétával egy 2×5 méteres téglalapot, amely egy elektromos kábel keresztmetszetének felel meg. Kérjen meg kb. 20 tanulót, hogy helyezkedjen el a téglalapban, ők a fématomok. Kb. 10 tanuló játssza el az elektronok szerepét: szaladjanak keresztül a téglalapon, míg az atomok nyugodtan állnak (alacsony hőmérséklet), vagy oda-vissza mozognak, ‘rezgőmozgást végeznek’ (magas hőmérséklet). Stopperrel megmérhetjük, hogy mennyi idő alatt haladtak át az elektronok a ‘kábelen’.

alilei törvénye a szabadesésről

A téma bevezetéseként kérje meg az egyik tanulót (1.tanuló), hogy hangosan olvassa fel a szabadesés törvénye felfedezésének történetét^w3. Ezalatt Galilei asszisztense (2.tanuló) szabályos gitárhúr-pengetéssel jelzi az időtartamokat, maga Galilei (3.tanuló) pedig a második asszisztens (4.tanuló) segítségével elvégzi a kísérletet egy asztali-tenisz vagy más labdával (tömörebb labdával jobb eredmény érhető el), és egy ferdén elhelyezett sík lappal, amelyen különböző magasságokat jelölünk be keresztbe elhelyezett (fém) huzalokkal (ld. a baloldali ábrát).

A labdát engedjük legurulni a sík lapon különböző magasságokból. A 4. tanuló feljegyzi az eredményeket:

• A gitár-húr pendítések számát, mialatt legurul a labda a ferde lapon
• A labda által megtett távolságot (pl. 0, 4, 16, 36, 64 cm).

Nukleáris bomlás és felezési idő

Ezzel a modellkísérlettel egyetlen tanítási óra alatt meg lehet értetni a felezési idő fogalmát anélkül, hogy bonyolult apparátust igénylő, veszélyes kísérletet végeznénk el.

Rajzoljunk egy 6 x 6 -os táblát, és helyezzünk el minden mezőn egy-egy piros játékos-bábut! Két jól megkülönböztethető dobókockával dobjunk: a dobások X (1. dobókocka) és Y (2. dobókocka) koordináta értékeit adják meg. Azon a mezőn történik bomlás, amelynek X,Y koordinátáit dobtuk a kockával (ilyenkor az ezen a mezőn elhelyezett piros játékost kékkel cseréljük le). Ha újra dobjuk ugyanazt a számpárt, nem történik semmi, de a dobást beszámítjuk. Egy-egy 10 dupla-dobásból álló sorozat után írjuk fel a kettős dobásokra fordított teljes időtartamot (t), és a megmaradó piros bábuk számát (N). A grafikonon ábrázoljuk az N-et a t függvényében, és ennek segítségével meg tudjuk határozni a felezési időt.

Ha azt akarjuk érzékeltetni, hogy különböző felezési idők léteznek, érdemes 8 oldalú dobókockát használni és egy 8 x 8-as táblát, vagy pl. érdemes úgy megváltoztatni a játékszabályokat, hogy kétszer kell dobni egy mező koordinátáit ahhoz, hogy a piros bábu átalakuljon.

Köszönetnyilvánítás

A cikkben leírt tevékenységek közül néhányhoz az ötletet mások munkája adta. Ezért a szerző szeretne köszönetet mondani a következőknek: Pöpping (2003; Radical polymerisation of ethene to polyethylene), Schreiber (2004; Physical states of water), Fallscheer (2006; Electric circuit), Bührke (2003), Drake (1975), Hepp (2004) és Riess et al. (2005; Galileo’s law of free fall), és Barke & Harsch (2001; Nuclear disintegration and half-life).