Undervisningsopplegg

Passer for

  • barnetrinn 5-7
  • ungdomstrinn 8-10

Tidsbruk

  • Tidsbruk for en enkel gjennomføring vil være ca 12 timer til planlegging, bygging og programmering. For registrering av veksten hos plantene vil hver gruppe bruke ca 15 minutter to ganger i uka over 3 uker. Til bearbeidelse av dataene og fremvisning og diskusjon bør det avsettes 2-4 timer alt etter hvor dypt man vil gå.

Datastyrt mikrodrivhus

Undervisningspplegget omhandler bygging av et datastyrt mikrodrivhus og inkluderer både den fysiske konstruksjonen av bygget og programmeringen av et digitalt styringssystem. Det meste av elevenes arbeid er av praktisk karakter, men opplegget åpner naturlig for å koble arbeid med faglig teori til de praktiske aktivitetene.

 

Datastyrt mikrodrivhus

 

Nettopp det å få til et naturlig samspill mellom praktisk arbeid for elevene og arbeid med faglig teori har vært viktig i utviklingen av opplegget. Naturfag er hovedfaget, men også matematikk er viktig. I tillegg kan kunst og håndverk bringes inn i betydelig grad.

Et annet hovedpoeng har vært å unngå å gi elevene oppskrifter på hvordan ting kan konstrueres. I stedet presenteres kravspesifikasjoner som beskriver krav til drivhusets funksjon når det er ferdig. Elevene står så fritt i å velge løsninger som fyller kravene. På denne måten er opplegget tenkt å gi kreative sykluser av problemanalyse, løsningsforslag og utprøvinger.

I tillegg gir opplegget elevene en klar illustrasjon på hvordan et dataprogram bygges opp og fungerer. Dette oppnås gjennom bruk av Lego Dacta sin Robolab som trolig er en av de beste muligheter vi har for å visualisere et dataprogram. Ved bruk av dette utstyret kan elevene sjøl bygge dataprogrammer til klimaanlegg, døråpnere, tyveri- og brannalarm osv. Alt dette er ting vi omgir oss med til daglig, men som da er de operasjonelle elementene vanligvis skjult inne i ulike bokser.

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i naturfag

  • Etter 7. årstrinn
    • Forskerspiren
      • formulere naturfaglige spørsmål om noe eleven lurer på, foreslå mulige forklaringer, lage en plan og gjennomføre undersøkelser
      • samtale om hvorfor det i naturvitenskapen er viktig å lage og teste hypoteser ved systematiske observasjoner og forsøk, og hvorfor det er viktig å sammenligne resultater
      • bruke digitale hjelpemidler til å registrere, bearbeide og publisere data fra eksperimentelt arbeid og feltarbeid
      • trekke ut og bearbeide naturfaglig informasjon fra tekster i ulike medier og lage en presentasjon
    • Mangfold i naturen
      • undersøke og beskrive blomsterplanter og forklare funksjonene til de ulike plantedelene med tekst og illustrasjon
      • undersøke og diskutere noen faktorer som kan påvirke frøspiring og vekst hos planter
    • Teknologi og design
      • planlegge, lage og teste enkle produkter som gjør bruk av elektrisk energi, og reklamere for ferdig framstilt produkt
  • Etter 10. årstrinn
    • Forskerspiren
      • formulere testbare hypoteser, planlegge og gjennomføre undersøkelser av dem og diskutere observasjoner og resultater i en rapport
      • forklare betydningen av å se etter sammenhenger mellom årsak og virkning og forklare hvorfor argumentering, uenighet og publisering er viktig i naturvitenskapen
    • Mangfold i naturen
      • undersøke og registrere biotiske og abiotiske faktorer i et økosystem i nærområdet og forklare sammenhenger mellom faktorene
    • Fenomener og stoffer
      • bruke begrepene strøm, spenning, resistans, effekt og induksjon til å forklare resultater fra forsøk med strømkretser
      • gjøre forsøk og enkle beregninger med arbeid, energi og effekt
    • Teknologi og design
      • utvikle produkter ut fra kravspesifikasjoner og vurdere produktenes funksjonalitet, brukervennlighet og livsløp i forhold til bærekraftig utvikling
      • teste og beskrive egenskaper ved materialer som brukes i en produksjonsprosess, og vurdere materialbruken ut fra miljøhensyn
      • beskrive et elektronisk kommunikasjonssystem, forklare hvordan informasjon overføres fra avsender til mottaker, og gjøre rede for positive og negative konsekvenser
Forsøk og praktisk arbeid

Forberedende øvelser: Programmering av et kjøretøy

Her er noen øvelser som elevene kan bruke for å trene seg i å bygge ulike konstruksjoner i Lego Robolab og å lage programmer til robothjernen. Øvelsene egner seg godt som forberedelse til byggingen av det datastyrte mikrodrivhuset.

Bygg først et kjøretøy med to motorer koblet til to av utgangene (A,B eller C). Lag så programmer som får kjøretøyet til å gjøre følgende ting:

  1. Få kjøretøyet til å kjøre 2 m. rett frem og returnere til utgangspunktet.
  2. Få kjøretøyet til å kjøre 3 m. rett frem, så snu helt rundt og kjøre tilbake til utgangspunktet.
  3. Få kjøretøyet til å kjøre 1,5 m. rett frem, svinge 90 grader, kjøre 1,5 m. rett frem, svinge nye 90 grader i samme retning som første gangen, kjøre 1,5 m. rett frem igjen, svinge nye 90 grader og kjøre nye 1,5 m. rett frem.

Koble så en trykksensor til inngang nr 1, og fortsett med følgende:

  1. Få kjøretøyet til å kjøre rett frem inntil trykksensoren trykkes inn, da skal det stoppe, rygge ca ½ m. rett bakover, snu helt rundt og deretter fortsette rett frem i 2 m og så stoppe.
  2. Få kjøretøyet til å kjøre rett frem inntil trykksensoren trykkes inn, da skal det stoppe, rygge ca ½ m. rett bakover, dreie 90 grader og fortsette rett frem inntil trykksensoren trykkes inn. Da skal det igjen rygge ca ½ m. rett bakover, dreie 90 grader og deretter fortsette rett frem osv.

Koble så en lyssensor til inngang nr. 2, og fortsett med følgende:

  1. Få kjøretøyet til å kjøre rett frem inntil det treffer et hvitt ark, da skal det stoppe, rygge ca ½ m. rett bakover, dreie 90 grader og deretter fortsette rett frem i 1,5 m.

Så en nøtt til slutt:

  1. Bygg en bil som greier å gå rundt i klasserommet uten å kjøre seg fast.

Kjøretøy laget med Robolego

 

Materialer og utstyr

Robolego

Forsøk og praktisk arbeid

Planlegging av mikrodrivhuset

Når elevene skal bygge et mikrodrivhus, er det viktig å ha en grundig planleggingsfase hvor elevene diksuterer hvordan veksthuset skal se ut. I tillegg må plantene sås slik at de er klar til vekstforsøkene skal starte. Planleggingsfasen gir rom for å dekke mange av målene i forskerspiren.

Planlegging av veksthus ut fra plantenes vekstfaktorer

Planleggingen bør inkludere en diskusjon av hvilke betingelser planter trenger for å vokse. Da er det viktig at elevene arbeider med hypoteseformuleringer ut fra vekstfaktorer. Her er det muligheter for gode diskusjoner av og øvelse innenfor den prosessorienterte delen av naturfaget der naturvitenskaplige metoder/forskerspiren er fokusert.

  • I forbindelse med såing av frøene kan hypoteseformuleringer diskuteres i tilknytning til hvilke faktorer som er viktige for at planter skal spire og vokse.
  • Krav til regelmessige og mest mulig like observasjoner/registreringer (nøyaktighet) over tid kan bli godt belyst gjennom diskusjoner av hvordan man kan utføre observasjonene med hensyn til målefrekvens og til personaspektet for at dataene blir mest mulig pålitelige.
  • Hvilke metoder skal brukes for å gjøre estimatene best mulige? Ett eksempel er arealberegningen av bladene. Dette kan gjøres gjennom å relatere bladformen til en geometrisk form, for eksempel trekant, som man lett kan ta vitale mål for og regne ut areal på. En helt annen metode er å klippe ut bladene i full størrelse i papir eller papp og så veie dette på brevvekt. Når man så kjenner vekten på en cm2 av papiret eller pappen kan man regne ut bladarealet.
  • Videre kan det bringes opp diskusjoner på hvordan datainnsamlingers omfang må være for å kunne se generelle mønstre i en datamengde som alltid vil inneha variasjon.
  • Diskusjoner av usikkerheter og muligheter ved bruk av kontrollgrupper (plantene utenfor drivhuset) er også viktig for å kunne uttale seg om ulike faktorers effekt i et bestemt forsøk.

Planter

Deretter må frøene såes. Hver gruppe planter minst 25 frø individuelt i potter.

 

Elever sår frø

 

Planlegging av byggefasen

Til byggefasen av drivhuset har vi brukt åpne oppgaver som beskriver design- og funksjonskrav for sluttproduktet, men som samtidig gir stor frihet til å velge ulike konstruksjonsløsninger. Her er eksempel på kravspesifikasjon til det datastyrte drivhuset som passer for elever på ungdomstrinnet.

  • Drivhuset skal bygges i Lego med vindusflater av plastfolie.
  • Det skal være estetisk tiltalende.
  • Det skal ha plass til 8 planter som kan ha en høyde på inntil 20 cm.
  • Drivhuset skal kunne temperaturstyres ved hjelp av Robolab systemet. Dvs. at huset må ha muligheter for lufting og elektrisk oppvarming.
  • Huset skal ha automatisk vanning som styres av robothjernen.
  • I tillegg skal drivhuset ha en port som åpnes når en traktor nærmer seg.
  • Det skal også være innbruddsalarm på huset.
  • Styringsprogrammet for Lego-roboten skal i tillegg registrere variasjon i temperatur og lys i drivhuset over tid.

Drivhuset kan bygges av mange typer materiale. Av praktiske årsaker bør kravspesifikasjonen sette noen rammebetingelser med hensyn til materialbruk. Til styringssystem mener vi at Lego Robolab pr. i dag er det beste å bruke i grunnopplæringen.

Vi anbefaler å legge fokus på skissetegning som første del av konstruksjonsarbeidet, helst som en del av arbeidet med emner i kunst og håndverk. Dette stimulerer til tankeprosesser hos elevene knyttet til design, materialvalg og konstruksjon ut fra funksjon og estetikk. Skissene bør gi en tredimensjonal fremstilling av konstruksjonen. Med bakgrunn i skissetegningene kan man også arbeide med areal, volum, målestokk og vinkelbegrepet innenfor matematikk.

 

Elevene bør ha et digitalt kamera for å ta bilder av arbeidet som de så kan bruke i en prosjektfremvisningen seinere.

Materialer og utstyr

Vekster:

  • blomkarse eller erter
  • blomsterjord i små potter (ca. 5x5 cm). Hver gruppe trenger ca. 25 potter
Forsøk og praktisk arbeid

Bygging og programmering av mikrodrivhuset

Byggingen og programmeringen av mikrodrivhuset kan utføres med Robolab.

Bygging av drivhuset

Bygging

Opplegget fungerer best dersom man kan bygge inn fleksibilitet i tidsbruken, både i bygge- og programmeringsfasen. Dette fordi elever jobber i ulikt tempo, det vil være variasjon mellom gruppene i grad av prøving og feiling, og det vil være variasjon mellom gruppene med tanke på hvor dypt de ønsker å gå.

Bygging av drivhuset

Programmering

Elevene bygger opp et enkelt dataprogram på en PC før dette overføres til Legoroboten. Prosedyrene for dette er godt beskrevet i heftene som følger med Robolab. Det kan være formålstjenlig å bruke det øverste nivået innenfor programmeringen. Temperatur vil være den enkleste klimafaktoren å lage styringsprogrammer for. Da bør både lufting og oppvarming inkluderes i programmet. For mer avanserte prosedyrer kan man inkludere kontroll av lysregimet og av fuktighet, sistnevnte ved hjelp av vanning etter en tidsskala eller etter sensorrespons. Dersom det er ønskelig å skape diskusjoner om effekten av variasjon innenfor ulike faktorer, som for eksempel temperatur, kan ulike grupper lage programmer for ulikt klima i drivhuset slik at noen drivhus blir varme, mens andre blir kjøligere.

Foruten programmering som styrer klimaet, kan også tyveri- og brannalarm inngå sammen med nøkkelkort (farge på klosse) og automatisk døråpning når et kjøretøy nærmer seg en port. I tillegg til styringsfunksjonene kan Robolab også settes opp for å logge variasjon i lys, fuktighet og temperatur over tid.

Programmering

Kommentarer/praktiske tips

For å redusere utstyrsbehovet har vi god erfaring med å kjøre 4 grupper a tre elever, totalt tolv elever, som en del av et større prosjektoppsett. Elevene skifter over tid mellom ulike prosjektstasjoner etter en rullering slik at alle til slutt har deltatt på alle stasjonene. Alternativt kan gruppene velge hvilke stasjoner de vil bruke tiden på.

Gruppestørrelsen bør være på 2 – 3 elever. Erfaring viser at fire personer på en gruppe blir for mange i og med at mye av arbeidet foregår sekvensielt der det er vanskelig å løfte ut deler som noen kan jobbe med separat. Det har også vist seg at man bør vurdere kjønnsperspektivet i sammensetningen av gruppene. Det krever sterke jenter dersom de skal være i gruppe med to gutter.

Materialer og utstyr

Styringssystemet bygges med Robolego:

  • datahjerne (RCX)
  • motorer
  • byggeklosser
  • programvare

Reisverk bygges med:

  • Lego (Technics eller Basic)
  • Mange andre typer materiale kan imidlertid brukes: tre, stål, plastlister, pleksiglassplater osv.
  • Vinduene kan lages av plastfolie i ulik tykkelse

Vanningssystem: (ikke nødvendig)

  • Fuelpumper til hobbyfly

Minst en PC pr. to grupper

Programvare som følger Robolab

Nettressurser

(modellers.com)
Forsøk og praktisk arbeid

Bruk av drivhuset, registreringer og bearbeidelse av datamateriale

I dette vekstforsøket skal elevene studere planter mens de vokser inne i det datastyrte mikroveksthuset.

Når frøene har spirt, velger man ut ti planter som er mest mulig jevnstore. Fra disse ti trekkes to planter tilfeldig for plassering på utsida av drivhuset (utgjør en kontrollgruppe), mens de resterende åtte plantene settes inne i drivhuset. Så må både drivhuset og plantene på yttersida settes i et rom med god utlufting og helst med sørvendte vinduer. Tanken er at plantene på yttersida av drivhuset skal utsettes for et klima som varierer med temperaturen ute i friluft, mens plantene inne i drivhuset skal ha et mer stabilt og varmt klima.

Veksten hos alle planter observeres og loggføres så to ganger hver uke i tre uker. Man bør diskutere med elevene hva som skal registres, men aktuelle kandidater er lengdevekst, bladareal (største og minste blad), antall blad osv. Her bør man også gjennomføre diskusjoner med elevene rundt observasjonsmetodikk og pålitelighet i datamaterialet.

Bruk av drivhuset

Etter en forsøksperiode på ca tre uker bearbeides, fremstilles og diskuteres datamaterialet i tråd med de læreplanmål som gjelder for det nivået elevene er på. Vi har god erfaring med at elevene fremstiller figurer i Excel og lager fremvisninger i PowerPoint eller på en hjemmeside knyttet til prosjektarbeidet. Disse fremvisningene og hjemmesidene blir best dersom de også viser bilder fra arbeidsprosessen.

Materialer og utstyr

Datastyr mikrodrivhus

Vekster:

  • blomkarse eller erter
  • blomsterjord i små potter (ca. 5x5 cm). Hver gruppe trenger ca. 25 potter

Integrasjon av faglig teori

Vi har hatt god erfaring med å diskutere relevant faglig teori integrert i det praktiske arbeidet med bygging av mikrodrivhuset.

Dette kan skje ved at problemstillinger blir presentert i korte pauser i det praktiske arbeidet eller rett i etterkant av en praktisk arbeidsøkt. Læreren eller elever kan da presentere teoretiske spørsmål knyttet til problemer og løsninger som er kommet opp i løpet av den praktiske økten.

Alternativt, eller i tillegg, kan læreren lage arbeidsoppgaver til faglig teori som er nært knyttet til det praktiske arbeidet som forgår i gruppene.

Her er noen eksempler på deloppgaver som inkluderer læreplanmål fra naturfag, matematikk og kunst og håndverk:

  1. Ved konstruksjon og bygging av mikrodrivhuset vil det være nødvendig å diskutere og utprøve ulike bærende konstruksjoner.
    • Hvordan bør taket konstrueres?
    • Hvordan bør sammenføyningen i hjørnene være?
    • Hvilke belastninger må de ulike delene av konstruksjonen tåle?
  2. Det kan være aktuelt å utstyre mikrodrivhuset med et varmeelement. (Det vil i praksis bety en lyspære. Om en ønsker kun varmen fra pæra og ikke lyset kan en pakke pæra inn i aluminiumsfolie). Elevene skal beregne hvor stor effekt varmeelementet må ha for at effekten pr volum er om lag den samme som i et vanlig hus. Her må elevene måle dimensjonene på drivhuset og måle spenningen som RCXen leverer. De bør også måle strømmen gjennom varmeelementet. (Denne kan alternativt beregnes dersom en benytter den spenningen som elementet er beregnet for). For å finne effekten pr volum i et vanlig hus kan de ta utgangspunkt i sitt eget soverom hjemme for å beregne volum og tilført elektrisk effekt. Her ligger det til rette for mange faglige diskusjoner om f.eks varmetap, tilført solvarme og betydningen av isolasjon.
    • Har forholdet mellom overflata og volum betydning?
    • Hvordan kan varmetapet reduseres om natta eller ved kaldt vær?
    • Hvordan maksimere tilført solvarme.
    • Her vil det også være naturlig å drøfte drivhuseffekten vi har på jordkloden og miljømessige utfordringer vi står over for.
  3. Ved konstruksjon og bygging av lufteluker vil det også oppstå faglige problemstillinger av typen
    • Hvor mye kraft behøves for å åpne luka?
    • Hvordan bør kraftoverføringen være for at den skal bli mest mulig effektiv?
    • Hvordan kan man øke krafta ved hjelp av tannhjul og utvekslinger
  4. Drivhus er konstruert med tanke på å øke temperaturen for dermed å øke plantevekst.
    • Hvilken temperaturverdi synes å gi best vekst hos de plantene dere har i mikrodrivhuset?
    • Hvordan kan dette relateres til teoretisk lærestoff om fotosyntese?