Lesidee (elektriciteit)

Zo vlak voor de vakantie een makkelijk uitvoerbaar spel.

Voorbereiding

Geef leerlingen een A4 en laat ze die in 12 stukken knippen (of geef 12 PostIt’s, of laat ze het in hun schrift schrijven).
Laat de leerlingen op de kaartjes het volgende noteren:

I=0,1A; I=0,2A; I=0,6A; I=1,2A

U=2V; U=4V; U=6V; U=10V

R=150ohm; R=300ohm; R=500ohm en R=800ohm

Leger samenstellen

Leerlingen gaan “Mijn leger” samenstellen door kaartjes te combineren. De sterkte van een soldaat wordt gevormd door de waarde van het vermogen dat ze uitrekenen (P=UI; P=I^2R; P=U^2/R). Er zijn nu 6 soldaten met een eigen sterkte (vermogen).

Leger laten spelen

Leerlingen bepalen vooraf in welke volgorde hun soldaten worden ingezet.
Twee leerlingen spelen tegen elkaar. De soldaat met de grootste sterkte (het meeste vermogen) wint. Bij gelijk vermogen wint niemand.
Winnaar is diegene die de meeste slagen wint.
Je kan hier een hele competitie mee opzetten maar dat duurt al snel te lang.

Via: http://www.mrbartonmaths.com/teachers/rich-tasks/build-an-army.html

Kirchhoff voor beginners

In de derde klas (vwo) hebben leerling moeite om te zien hoe de spanningen verdeeld worden in een elektrische schakeling. Kirchhoff (∑U=0) geeft leerlingen eigenlijk wel een goed inzicht. De batterij heeft een 4,5V hogere spanning bij de + ten opzichte van de -, en als je dan een rondje (kring) maakt dan moeten de spanningen opgeteld gelijk zijn aan nul.

Brian Frank (https://teachbrianteach.wordpress.com/2017/12/03/circuit-representations/) maakt schema’s met kleurtjes om met leerlingen in gesprek te komen. Eens kijken of dat bij mijn leerlingen ook werkt.

Downloads (oud):

UPDATE: De presentaties uitgebreid met een extra kring bij de schakelingen om ook daar de spanningsverschillen duidelijk te kunnen maken en toegevoegd schakelingen met meer batterijen. Waarom heeft een zaklamp twee of drie batterijen in serie?

Nieuwe downloads:

Leren leren, Helpt een puzzel om overleg te starten?

Leerlingen aan het werk krijgen is stap één. En leerlingen over opgaven laten nadenken is stap twee. Leerlingen weten vaak wel min of meer of een gemaakte vraag goed beantwoord is. Soms ook is er twijfel. Het gaat mis als een leerling denkt dat het goed gegaan is en het antwoord toch onjuist blijkt te zijn.

Leerlingen die opgaven maken uit het boek, en vervolgens de uitwerkingen er naast leggen zien wel wat goed of fout is maar stoppen daar vaak ook met nadenken. In mijn ogen is het mooier als leerlingen een aantal vragen maken en kunnen controleren of deze vragen gezamenlijk allemaal goed zijn of juist niet. Als niet alles goed is moeten ze een afweging gaan maken welke vraag wel goed zal zijn, en welke vraag misschien niet goed is om daar nog eens langer over na te denken. En misschien met andere leerlingen eens over te praten.

Om te kijken of zoiets werkt hieronder een concept met vragen over serieschakelingen (3e klas) waarbij ze kunnen controleren of alle vragen goed zijn. Als dit werkt is het makkelijk uit te breiden naar parallel schakelingen, combinatie schakelingen, vermogen, energie, enz. Of willekeurig welk ander onderwerp.

Wat denk jij? Zou dit de leerlingen kunnen helpen?

Puzzel (.pdf)

Schema’s voor onderwerp elektriciteit

Afbeeldingen maken proefwerken en lesmateriaal aangenamer, leuker, nuttiger, … Maar het maken van afbeeldingen is niet zo eenvoudig voor de meeste docenten. En beschikbaar materiaal dat je mag gebruiken (de juiste licentie heeft) is ook niet makkelijk te vinden.

Op dit moment komt het onderwerp elektriciteit weer langs en heb ik tekeningen nodig van schakelingen. Ik vraag me af hoe collega’s dat organiseren. Zelf maak ik soms een tekening met zwarte stift (een schets eigenlijk) die in dan scan. Of ik maak een afbeelding met Keynote of Powerpoint.

Hieronder de bestanden die ik gebruik:

Leren leren, niet samenvatten maar . . .

Samenvattingen maken helpt niet echt bij het leren van Natuurkunde. De reproductievragen kan je dan wel beantwoorden maar richting eindexamen zijn die er niet meer en gaat het om inzicht. Maar wat moet je dan doen als leerling om een overzicht te krijgen van de stof?

Voor leerlingen is het van belang om samenhang te zoeken tussen de verschillende onderdelen. Weten dat een elektrisch veld bestaat zegt nog niets over de overeenkomsten en verschillen met een magnetisch veld. In samenvattingen worden onderdelen los genoteerd. Vaak in de volgorde waarin ze in de methode verschijnen. Maar dat helpt het overzicht niet. Leerlingen maken soms een mindmap en dat geeft al wat meer steun. Of een conceptmap maar dat vinden ze dan vaak wel erg lastig. Bij een conceptmap schrijf je niet alleen de onderdelen op en verbind je die met pijltjes. Ook benoem je wat je met elk pijltje bedoelt.

Met leerlingen ben ik begonnen om te zoeken naar overeenkomsten en verschillen bij de tot nu toe bekende velden: gravitatie velden, magnetische velden en elektrische velden.

Leerlingen leren wel over deze velden maar weten uiteindelijk toch niet precies wat velden zijn of doen.

De leerlingen maken in hun schrift een vier koloms tabel (zie plaatje) waar we de gegevens de komende weken gaan verzamelen.

De eerste opdracht: teken de velden in de tekeningen. De volgende opdracht is: leg uit wat je moet doen om de richting van elk veld te bepalen. Waarom kruisen de veldlijnen elkaar niet (nooit?). En dan komt de vraag wat er gebeurt als er een deeltje zonder massa in een gravitatie veld komt, of een niet magneet in een magneetveld, of een ladingsloos deeltje in een elektrisch veld.

En daarna gaan we andere eigenschappen bekijken. Fgr is niet biplair, Fgr is altijd een aantrekkende kracht (die altijd aanwezig is, toch?), Fmag en Fel kunnen aantrekken EN afstoten, Fgr is op massa, Fel is op lading (maar ook als er geen lading is, influentie), Fmag is op …??, …. Wat betekenen lijnen die loodrecht op de veldlijnen staan (equipotentiaallijnen). De kwadratenwet wat is dat?

Kortom: bij elke opgave waar iets opvalt gaan we deze tabel aanvullen. Een vaardigheid die eigenlijk onder het kopje “Leren leren” valt maar nu (5V) nog niet door leerlingen zelf wordt opgepakt.

Leren leren, formules in kleur

Paul Logman kwam (op Facebook) met de volgende link:
https://betterexplained.com/articles/colorized-math-equations/

Kalid Azad legt hier (wiskunde) formules uit maar maakt daarbij gebruik van formules in combinatie met tekst en geeft de onderdelen in beide beschrijvingen dezelfde kleur.

Ik denk dat veel docenten dit ook al wel doen op het bord (bijvoorbeeld een grootheid een kleur geven en dezelfde kleur gebruiken in de grafiek). Maar meestal gebeurt het denk ik niet zo gestructureerd.

Maar in het kader van leren leren zouden leerlingen dit zelf moeten doen. Bij elke formule nadenken over de betekenis, de randvoorwaarden, …. Op dit moment is mijn 4 vwo klas bezig met elektriciteit en daar komen heel veel formules langs. En leerlingen gaan daar best snel doorheen en nemen niet de tijd om hier serieus naar te kijken.

Om leerlingen te helpen heb ik twee boekjes gemaakt met de belangrijkste formules uit het hoofdstuk (hoofdstuk 3, Pulsar 3e editie, 4 vwo). De boekjes moeten uitgeprint worden (boekje 1 in kleur) op A3, de stippellijn moet opengesneden worden en dan is er een mooi boekje van te vouwen.

Boekje elektriciteit

In het eerste boekje een korte uitleg en een voorbeeld in kleur. En verder veel formules in het grijs die leerlingen zelf moeten voorzien van een kleurtje. Bij de tekening is in het voorbeeld een grafiek gebruikt, maar verderop (bij serie en parallel schakelingen) kunnen dat ook schema’s zijn, of nog iets anders. Eens kijken volgende week of ik de leerlingen hiermee aan de gang kan krijgen.

Boekje 1:

Boekje 2:

Update:

Naar aanleiding van vragen over de cirkel in boekje 2: de cirkel is bedoeld om leerlingen te laten zien dat er een verband zit tussen de grootheden. Bij P staan er drie vakjes waar de formules ingevuld kunnen worden met de andere drie grootheden. Dus de P = (iets met U en I), P = (iets met U en R) en P = (iets met R en I). En zo ook voor de andere grootheden.

Downloads:

Ranking task / sorteeropdracht

Leerlingen leren nadenken is één van de lastigste opgaven voor een docent. Bij natuurkunde is de uiteindelijke berekening vaak niet eens zo lastig, maar voordat een leerling daar aan toe komt is er al wel het één en ander gebeurt.

Dan Meyer geeft aan dat leerlingen (bij wiskunde) meer moeten worden aangesproken op hun intuïtie (vanaf 9:20). Als de formules en de berekeningen wegvallen ontstaat er een geheel nieuw soort gesprek met leerlingen. En, opvallend genoeg, met een ander deel van de leerlingen. Leerlingen die normaal niet zo snel een formule kunnen ophoesten kunnen ineens wel meepraten. Intuïtief kan iedereen iets zeggen over een bepaalde situatie. Eén van de manieren om een gesprek met leerlingen om te buigen is door gebruik te maken van Ranking Tasks (sorteeropdrachten). Ron Vonk legt op natuurkunde.nl uit hoe Ranking Tasks werken. Leerlingen krijgen de opdracht om een aantal beschreven situaties op een bepaalde volgorde te zetten (van groot naar klein, van snel naar langzaam, enz.).

Belangrijk is dat de sorteeropdracht compleet helder moet zijn (geen valkuilen). Leerlingen overpeinzen de opgave eerst zelf (in stilte) en overleggen vervolgens met hun buurman/vrouw. Als het goed is komen deze twee leerlingen tot een gedachte die ze dan proberen te verwoorden.

Een sorteeropdracht bestaat uit minimaal 2 beschrijvingen (anders lukt het sorteren niet) maar meestal uit 3 of 4 beschrijvingen in eenvoudigere variaties, tot wel 8 of meer bij moeilijkere situaties. Vaak zijn er plaatjes bij de situaties gegeven. Leerlingen leren om niet alle situaties gelijktijdig te bekijken. En zoeken naar iets dat het verschil maakt.

Een voorbeeld:

Batterijen zijn identiek. De weerstanden zijn ook hetzelfde. De draadjes zijn allemaal zonder weerstand. Vraag is: Sorteer de schakelingen op grond van hoe makkelijk de elektrische stroom door de schakeling gaat (van makkelijk naar moeilijk).

Leerlingen moeten niet alle 6 de plaatjes gelijktijdig bekijken, maar keuzes maken. Bijvoorbeeld eerst kijken naar de volgende twee plaatjes (maar andere keuzes kunnen natuurlijk ook):

     

Twee plaatjes van een batterij met twee weerstanden.

Leerlingen weten iets van spanning en stroom en iets minder van weerstanden. Bij deze vergelijking komen leerlingen er wel achter dat ze beide gelijk zijn. Dat de weerstanden zijn opgenomen in een serieschakeling.

          

Met drie verschillende situaties moeten leerlingen iets harder nadenken. De laatste schakeling heeft ook 2 weerstanden. Is deze dan ook gelijk? Of maakt het verschil dat ze anders zijn aangesloten?

Uiteindelijk komen bijna alle leerlingen in gesprek met elkaar en komt er een groepsvoorkeur uit (die meestal goed is). De volgende les vraag ik de leerlingen deze schakelingen te sorteren op volgorde van de weerstand die de totale schakeling heeft (van veel naar weinig). Al snel komen ze tot de ontdekking dat deze volgorde het omgekeerde is van de vorige. Dus als de stroom er makkelijk door heen kan is er weinig weerstand.

Met de formule U = I . R (Wet van Ohm) kunnen ze het op een gegeven moment ook wel uitrekenen maar het inzicht dat ontstaat door te sorteren zonder berekeningen is erg waardevol.

Met dezelfde schakelingen doe ik meestal nog twee sorteeropdrachten. De batterijen krijgen een waarde (AEF 10 Volt, BCD 5 Volt) en de vragen worden dan:

  • Sorteer de schakelingen op volgorde van de spanning die er staat tussen de rechter bovenhoek en min van de batterij.
  • Sorteer de schakelingen op volgorde van de stroom die er loopt door de rechterbovenhoek.

Door deze sorteeropdracht ontstaat veel inzicht. Bijvoorbeeld dat de spanning bij ABC gelijk is terwijl de schakelingen (en batterijen) echt wel verschillend zijn.

Bij mijn leerlingen merk ik een bepaald enthousiasme als er een sorteeropdracht aan komt. Waarom is me eigenlijk niet helemaal duidelijk. Zien ze in dat het belangrijk is, vinden ze het fijn dat er “niets van afhangt” (geen cijfer), zijn ze gewoon blij dat er even iets anders gebeurt?, …  Ze werken eerst in absolute stilte (ze weten dat dat belangrijk is) en in de momenten daarna wordt er door nagenoeg iedereen gezocht naar “het goede antwoord”. Ze ondervragen elkaar (“Ja, maar waarom dan?”) en leggen aan elkaar uit welke gedachten er zijn. Als docent ben ik ook niet echt behulpzaam op die momenten en stimuleer vooral de interactie tussen de leerlingen zelf. Als ik bij een sorteeropdracht de “oplossing” niet geef maar hiermee wacht tot de volgende les komen er altijd leerlingen de les binnen de vraag “Meester is het …?”. En dan weet ik dat ze er in ieder geval ook buiten de les mee bezig geweest zijn.

Games voor onderwijs

In juni 2011 is de website gamesvooronderwijs.nl gestart door Laurens Koppers. Zoals de naam al aangeeft wil Laurens games inzetten in het onderwijs. De eerste game is VillaElektra en gaat over elektriciteit. Na een introductie animatie over de meterkast en de beveiligingen die daar zijn ingebouwd kan in Villa Elektra het geleerde in praktijk gebracht worden. In de Villa moet eerst de meterkast worden ingericht en vervolgens worden in verschillende kamers installaties aangelegd. Als alles goed verloopt krijgt de speler een heus diploma.

Mooi aan deze (flash)animaties is dat ze helemaal in het Nederlands geschreven zijn en gebruik maken van Nederlandse symbolen.

Er is een mooie docentenhandleiding beschikbaar en een leerlingen boekje maar die staan hier niet online. Ik denk dat je daarvoor even contact moet opnemen met Laurens (adres staat op de website).

Didactisch correct

In een eerder bericht kwam de term “didactische correctheid” naar voren. Voor mij is dit een wat onduidelijk begrip.

In Banas (basisvorming natuur-/scheikunde) staat bijvoorbeeld in het hoofdstuk  Elektrische stroom een paragraaf “De kWh-meter”. Deze paragraaf start als volgt:

Inleiding

De elektriciteitsmeter in de meterkast meet het verbuik aan elektrische energie in kilowattuur. Daarom heet deze meter ook wel kilowattuurmeter.

En een bladzijde verder bij de berekening energieverbruik staat een rekenvoorbeeld:

Voorbeeldvraag 1
Een tv heeft een vermogen van 0,1 kW. Je kijkt 3 uur tv. Bereken het energieverbruik.
Oplossing
Energieverbruik (in kWh) = vermogen (in kW) x tijd (in uur)
Energieverbruik = 0,1 x 3 = 0,3 kWh

De vraag die in dit verband beantwoord moet worden: is dit didactisch correct? Oftewel is dit de manier om leerlingen de begrippen kWh meter en energieverbuik te leren.

Hoewel er vak inhoudelijk niet veel mis is met de teksten en het voorbeeld denk ik dat dit toch niet de manier is om leerlingen duidelijk te maken waar het nu echt om gaat. De inleiding bevat wel heel veel informatie die voor leerlingen (in klas 2) niet zonder meer duidelijk is. En het rekenvoorbeeld bevat 2 gegevens die een stukje verder gebruik moeten worden om een antwoord te krijgen zonder dat hierbij begrip of inzicht nodig is.

Dat de gegevens in de methode terecht gekomen zijn geeft aan dat de redactie dit een didactisch correct geheel vindt. Maar naar mijn mening is dit didactisch onbruikbaar.

Om deze begrippen te behandelen krijgen de leerlingen van mij de opdracht om thuis hun meterkast te fotograferen (nog voordat ze aan het hoofdstuk elektriciteit beginnen). Deze foto’s plaats ik op een weblog. Met een digitaal bord zijn dan vele meterkasten te bewonderen en zien leerlingen verschillen. Verschillen in meters, verschillen in netheid van de kast, verschillen bij de zekeringen/stoppen, verschillende soorten meters (ook gas), … En dan heb je een mooi gesprek.

Vervolgens krijgen leerlingen de opdracht om 8 van 10 dagen de meterstanden als commentaar onder de meter te plaatsen. Sommige leerlingen hebben een 1 stand meter, anderen een 2 standen meter, soms analoog, soms digitaal, …

Beeldcitaat

Bron: http://nicolaaslyceum.wordpress.com/2011/05/16/a2a/

Nu de gegevens verzameld zijn komen de vervolg opdrachten: zet de gegevens in een tabel, zet de gegevens in een grafiek, wat kost de elektriciteit in 1 jaar, wat verbruikt een “standaard gezin” en klopt dat een beetje, hoeveel verbruikt een gemiddeld gezin (en wat is een gemiddeld gezin dan), …???

Leerlingen zijn nu al 3 weken bezig met “hun” meterkast en krijgen nu vragen over wat ze daar gezien hebben. Het oefenen met tabellen/grafieken is altijd goed, lastig om te bedenken wat ze moeten doen als er een dag gemist is. Het rekenen gaat lastig omdat ze geen jaar gemeten hebben en ze ook niet precies weten wat ze nu hebben opgeschreven. En moet je de gegevens nemen van dag 1 en dag 7 of dag 1 en dag 8 om een week uit te rekenen. Ook weten ze niet wat elektriciteit eigenlijk kost, wat een gemiddeld gezin is enz.

Uiteindelijk weten leerlingen dat “hun” elektriciteitsmeter de elektrische energie meet in kWh en hoe je de kosten kan uitrekenen.

De vervolgvragen gaan over de “zekeringen/stoppen”. Waarom zitten die in de kast, waarvoor dienen ze, wat zijn de groene schakelaars, enz. En dan komen begrippen als kortsluiting, aardlekschakelaar, randaarde en overbelasting naar voren. Moeten ze uitzoeken hoe ze bijvoorbeeld overbelasting uit kunnen rekenen, en komen ook berekeningen van energie = vermogen x tijd naar voren en vinden ze uit dat deze grootheden ook eenheden hebben die van belang zijn.

Hoewel het wellicht een uiterst langzaam proces lijkt ten opzichte van de regels in het boek blijken leerlingen na een gedegen start die uitgaat van eigen observaties, de verdere paragrafen sneller en met meer inzicht te doorlopen.

Voor mijn lessen is de tweede manier didactisch correcter. Maar tegelijkertijd zijn deze lessen ook alleen maar passend bij mij, met mijn leerlingen op mijn school.

Maar “mijn” manier van lesgeven zal niet snel in een methode terug te vinden zijn. Het is lastig uit te leggen voor een uitgever wat een docent moet doen. Ze vullen er geen bladzijden mee omdat leerlingen veel zelf uit moeten zoeken.

Een Wikiwijs keurmerk met als eis dat lesmateriaal “didactisch correct” moet zijn lijkt me moeilijk te hanteren. Ook is de kans groot dat inzichten veranderen en er aanpassingen nodig zijn van het begrip “correct”. Wel zouden er verschillende didactische vormen gedefinieerd kunnen worden om het lesmateriaal te labelen.

Is mijn manier van lesgeven didactisch correcter?

Leerlingen die zelf op ontdekking uitgaan leren vaak meer dan kinderen die geïnstrueerd worden.

Bron: Wilfred Rubens die verwijst naar een MIT studie (aanpassing van mij).

En hoewel het hier gaat om jongere kinderen die uit moeten zoeken hoe een apparaat moet werken denk ik dat het principe van zelf doen, zelf ontdekken ook beter werkt voor wat oudere leerlingen.

Smartboard: Sleeppuzzel Wet van Ohm

Op de website Smart op school van Smart Technologies zijn (na gratis aanmelden en inloggen) verschillende voorbeelden te vinden van Notebook bestanden, gallerij onderdelen, links, enz. Vandaag kijk ik naar de sleeppuzzel “Wet van Ohm” die is gemaakt door Jan van de Velde. Hij heeft ook een Notebook presentatie gemaakt met een sleeppuzzel voor het berekenen van de gemiddelde snelheid (maar als het idee bekend is lukt het vast ook om snel zelf vergelijkbare puzzels te maken).

Het Ohm teken wordt op deze computer onbedoeld als W weergegeven.

Een scherm met een eenvoudige schakeling, en allemaal door elkaar gegooide symbolen die op hun goede plaats moeten worden gesleept om gegevens-gevraagd-formule-invullen en uitrekenen-eenheid gestructureerd op een rijtje te krijgen.

De klas loopt polonaise langs het bord, ieder kiest het volgende symbool uit.

ca 10 minuten, maar wél effect…… leuk om te zien hoe ze elkaar meehelpen met adviezen als er iets mis gaat met het verslepen, of als er een verkeerd symbool wordt gekozen.

Een goed werkend idee waarbij alle leerlingen in ieder geval even van hun stoel geweest zijn en een stukje gelopen hebben.

Wel heb ik een aantal kleine aanpassingen gemaakt om het voor de leerlingen wat beter bruikbaar te maken:

  • De symbolen rechtgezet
  • Voorkomen dat de symbolen in de modus “aanpassen” terecht komen.
  • De tekening gegroepeerd tot 1 object
  • De titel, de tekening en de tekst vastgezet.

Symbolen rechtgezet

De symbolen zijn losse (tekst)objecten. Elk object kan worden versleept of aangepast. Jan heeft ze schots en scheef gezet. Het blijkt voor leerlingen echter vaak lastig om de objecten snel “recht” te zetten (met het groene bolletje)  zodat ze goed gelezen kunnen worden. Door de symbolen alvast recht te zetten hoeven de leerlingen alleen de symbolen te verslepen naar de juiste plek.

Wijzigen symbolen blokkeren

Tekst objecten komen in de “wijzig” toestand als je er dubbel op klikt. En dat is voor leerlingen lastig en verwarrend omdat het altijd onbedoeld gebeurt als ze per ongeluk twee keer op het Smartboard tikken met hun vinger. Door de symbolen te selecteren en de optie “Locking” (“Vergrendelen”) te kiezen en dan “Allow to move” (“Verplaatsen toestaan”) wordt de wijzig mogelijkheid van het tekst object uitgezet.

Tekening gegroepeerd

De tekening van de lamp, de meter enz. bestaat uit losse onderdelen. Op zich is dit niet zo erg, maar als je de tekening eenmaal af hebt en misschien nog een stukje wilt verplaatsen dan is het vaak handiger om de gehele tekening te groeperen (je maakt er dan 1 object van).

Titel/tekening/tekst vastgezet

De leerlingen wordt gevraagd om de losse symbolen op de juiste plaats te zetten. Om te voorkomen dat de leerlingen ook met de titel, de tekening of de tekst gaan slepen kunnen deze vastgezet worden. Selecteer de onderdelen die niet meer mogen verplaatsen en kies de optie “Locking” (“Vergrendelen”) en dan “Lock in Place” (“Op plaats vergrendelen”). De objecten blijven dan staan en kunnen niet meer opgepakt worden (behalve als je eerst weer kiest voor de optie “Unlock”/”Vergrendeling opheffen”).

Orginele bestand: via website (na inloggen) Smart Op School of download hier.

Aangepaste bestand staat hier.