PhET-simulaatiot fysiikan opetuksessa

Esitys aiheesta: "PhET-simulaatiot fysiikan opetuksessa"— Esityksen transkriptio:

1 PhET-simulaatiot fysiikan opetuksessa
MAOL RY OHJELMISTOJEN PEDAGOGINEN HYÖDYNTÄMINEN MATEMATIIKASSA, FYSIIKASSA JA KEMIASSA

2 OPS, fysiikan opetuksen tavoitteet
Muutama OPSista poimittu tavoite, joihin simulaatiot hyvin sopivat: T7 ohjata oppilasta käsittelemään, tulkitsemaan ja esittämään omien tutkimustensa tuloksia sekä arvioimaan niitä ja koko tutkimusprosessia T9 opastaa oppilasta käyttämään tieto- ja viestintäteknologiaa tiedon ja mittaustulosten hankkimiseen, käsittelemiseen ja esittämiseen sekä tukea oppilaan oppimista havainnollistavien simulaatioiden avulla T10 ohjata oppilasta käyttämään fysiikan käsitteitä täsmällisesti sekä jäsentämään omia käsiterakenteitaan kohti luonnontieteellisten teorioiden mukaisia käsityksiä

3 OPS, laaja-alainen osaaminen
Kun simulaatioiden yhteydessä tiedon tallentamiseen käytetään sähköisiä työvälineitä (toimisto-ohjelmat, pilvipalvelut…), toteutetaan samalla opetussuunnitelman perusteiden laaja-alaisen osaamisen kokonaisuutta L5 (Tieto- ja viestintäteknologinen osaaminen), jossa on kirjattu esimerkiksi seuraavaa: […]3) Oppilaita opetetaan käyttämään tieto- ja viestintäteknologiaa tiedonhallinnassa sekä tutkivassa ja luovassa työskentelyssä. 4) Oppilaat saavat kokemuksia ja harjoittelevat tvt:n käyttämistä vuorovaikutuksessa ja verkostoitumisessa. Kaikilla näillä alueilla tärkeätä on oppilaiden oma aktiivisuus ja mahdollisuus luovuuteen sekä itselle sopivien työskentelytapojen ja oppimispolkujen löytämiseen. Tärkeätä on myös yhdessä tekemisen ja oivaltamisen ilo, mikä vaikuttaa opiskelumotivaatioon. Tieto- ja viestintäteknologia tarjoaa välineitä tehdä omia ajatuksia ja ideoita näkyväksi monin eri tavoin ja siten se myös kehittää ajattelun ja oppimisen taitoja.

4 PhET-simulaatiot fysiikan opetuksessa
Simulaatiot löytyvät sivulta: Oppitunnilla ne löytää kätevästi kirjoittamalla Googlen hakukenttään vaikkapa ”fysiikan simulaatiot”. Osa simulaatioita on käännetty suomen kielelle. Osa simulaatioista on tehty Java-ohjelmointikielellä, mikä estää niiden käytön Android- ja iOS- käyttöjärjestelmillä.

5 PhET-simulaatiot fysiikan opetuksessa
Kokemus on osoittanut, että oppilaat tarvitsevat ohjausta simulaatioiden käyttöön, mikäli halutaan että he hallitsevat ne hyvin. Aluksi voidaan hyvin käyttää yksi oppitunti siihen, että tutustutaan opettajajohtoisesti simulaatioiden käyttöön. Tähän sopii hyvin esimerkiksi simulaatio, jossa perehdytään energian eri muotoihin, energiamuotojen muutoksiin ja energian säilymislakiin. Käynnistetään PhET-simulaatio Energy Forms and Changes (vaatii Javan): Tarkastellaan vasemman yläkulman välilehdeltä löytyvää Energy Forms –sivua.

6 Esimerkki 1: Energy Forms and Changes –simulaatio 1/2
Aloitetaan klikkaamalla ”Energy Symbols” päälle. Havaitsemme että energialla on eri muotoja. Nämä muodot kannattaa luonnollisesti oppilaiden kanssa suomentaa. Avataan seuraavaksi hana ja ihmetellään mitä tapahtuu. Pyritään selittämään ilmiötä esimerkiksi seuraavien kysymysten avulla: ”Mitä liikkuva vesi pitää sisällään?”, ”Miksi ratas pyörii?”, ”Siirtyykö kaikki veden liike-energia rattaaseen?”, ”Mitä liike-energialle tapahtuu rattaassa?”, ”Miksi vesi lämpenee?” jne. Jotta saadaan käsitys siitä, mitä energia on, ja jottei oppilaille synny virheellistä käsitystä energian olemuksesta (että se esimerkiksi on ”palikoita” aineessa), voidaan pohtia lämmintä ja kylmää vettä sisältäviä keitinlaseja. Simulaation perusteella lämpimässä vedessä on enemmän lämpöenergiaa, mutta mitä tämä lämpöenergia on? Tarkoittaako se sitä, että 5 dl lämmintä vettä painaa enemmän, kuin 5 dl kylmää vettä? Tätä kysymystä voidaan tutkia simulaation States of Matter (HTML5) avulla: matter_en.html

7 Esimerkki 1: Energy Forms and Changes –simulaatio 2/2
Seuraavaksi voidaan rakentaa erilaisia systeemejä, joita tutkimalla havaitaan, kuinka - energia kulkee systeemin läpi - energian muoto voi muuttua - energia ei koskaan katoa, mutta voi karata. Systeemejä tutkittaessa oppilaita voi esimerkiksi pyytää kuvaamaan, miten yksittäinen ”energiapaketti” kulkee systeemin läpi. Polkupyöräilijän tapauksessa voidaan vaikkapa pohtia Auringon ja yhteyttämisen merkitystä ihmisen energian saannille. Seuraavaksi oppilaat voivat itse tutkia ilmiöitä joko yksin tai pareittain. Oppilaalle voi antaa esimerkiksi seuraavan tehtävän: Käytä tätä simulaatiota ja kuvaile sen avulla erilaisia tilanteita, joissa energia kulkee muotoaan muuttaen erilaisten systeemien läpi.

8 Oppilaiden vastauksia
Seuraavassa 7. luokan syksyn ensimmäisiltä tunneilta oppilaiden vastauksia edellä annettuun tehtävään*. Aikaa tehtävän tekemiseen oli 45 minuuttia, joka sisältää tietokoneiden avaamisen ja sammuttamisen. Oppilaat vastasivat Office 365 –pilvipalveluun tehtyyn OneNote-muistikirjaan.   *Käytä tätä simulaatiota ja kuvaile sen avulla erilaisia tilanteita, joissa energia kulkee muotoaan muuttaen erilaisten systeemien läpi.

9 Oppilas 1 Auringossa on aurinkoenergiaa. Kun aurinkoenergiaa siirtyy aurinkopaneeliin, se muuttuu sähköenergiaksi. Sähköenergia lämmittää vedenkeitintä, jolloin vedenkeittimessä oleva vesi lämpenee. Lämmitetystä vedestä syntyy sähköenergiaa.   Pyöräilijä saa kemiallista energiaa ruoasta. Pyöräillessä pyöräilijän sisällä oleva kemiallinen energia muuttuu liike-energiaksi. Liike-energia pyörittää ratasta, jossa energia muuttuu sähköenergiaksi. Sähköenergia lämmittää vettä. Lämpimästä vedestä syntyy lämpöenergiaa.  Tuli sisältää lämpöenergiaa. Lämpöenergia lämmittää kannussa olevaa vettä. Veden lämmetessä syntyy vesihöyryä ja liike-energiaa. Liike-energia pyörittää ratasta, joka muuttaa liike-energian sähköenergiaksi. Sähköenergia sytyttää lampun ja lampusta tulee lämpöenergiaa ja valoa.  Hanasta tuleva vesi sisältää liike-energiaa. Liike-energia pyörittää ratasta ja rattaan pyöriessä syntyy sähköenergiaa. Sähköenergia sytyttää lampun ja lampusta syntyy lämpöenergiaa ja valoa. 

10 Oppilas 2 1.Vedessä oleva liike energia siirtyy pyörään joka muuttaa sen sähkö energiaksi joka muuttuu raudassa lämpöenergiaksi ja lämmittää veden josta energia haihtuu ilmaan.   2.Auringosta tuleva energia muuttuu aurinkokennossa sähkö energiaksi josta se kulkee lamppuun ja muuttuu lämpö ja valo energiaksi.   3.Kemikaalinen energia muuttuu ihmisessä mekaaniseksi energiaksi joka pyörittää pyörää joka tekee siitä sähkö energiaa joka muutuu lampussa lämpö ja valo energiaksi.   4.Pannusta tuleva mekaaninen energia muuttuu pyörässä sähkö energiaksi josta se kulkeutuu hehkulamppu joka muuttaa sen lämpö ja valo energiaksi. 

11 Oppilas 3 Tyttö syö aamulla hyvän ja ison aamupalan joten hän jaksaa polkea pyörällä. Samalla  kun hän pyöräilee hän tuottaa liike energiaa. Kun hän pyöräilee ratas liikkuu ja sitä kautta liike energia menee sähköjohtoon ja muuttuu energia sähköksi. Sitä kautta se menee vedenkeittimeen ja lämmittää veden.  

12 Oppilas 4 Energia     Hanasta tulee vettä ja vesi menee generaattorin ja sähköjohdon läpi ja se menee kattilaan. Kattila lämmittää veden ja muuttaa  sen höyryksi.     Liike-energia   Ihmisessä on liike-energiaa joka syntyy ravinnosta tai liikkeestä. Kun poljet pyörää siitä syntyy energiaa. Pyörä on liitetty rattaaseen.    Rattaan kautta energia menee generaattoriin  ja se lämpenee ja energia muuttaa sen muotoa.  

13 Esimerkki 2: Aalto langassa –simulaatio 1/2
Kun oppilaiden kanssa on käyty yhdessä läpi simulaatioiden käyttöä, voidaan seuraavaksi oppilaan antaa itse perehtyä tutkittavaan ilmiöön. Seuraavassa esimerkissä perehdytään aaltoliikkeeseen ja erityisesti sitä kuvaaviin suureisiin amplitudi ja taajuus. Avataan simulaatio Aalto langassa (HTML5): string/latest/wave-on-a-string_fi.html Aluksi voidaan esimerkiksi opettajan johdolla tutkia, miten amplitudin muuttaminen vaikuttaa syntyvän aaltoliikkeen muotoon. Tutkimuksen eri vaiheita voidaan dokumentoida esimerkiksi kuvankaappauksilla.

14 Esimerkki 2: Aalto langassa –simulaatio 2/2
Sähköinen muistikirja voisi näyttää vaikka tältä: ”Havaitsemme, että amplitudi kuvaa aallon suurinta poikkeamaa keskikohdasta. Yläkuvassa amplitudi on suuri ja alakuvassa pieni.” Seuraavaksi oppilaat voivat tutkia esimerkiksi taajuuden vaikutusta.