Afstudeerverslag

Fontys Hogescholen
Lerarenopleiding Sittard
Sector Natuurkunde & Techniek
AFSTUDEERVERSLAG
DOOR: RALPH VRIJENS
Een elektronisch leerboek in Crocodile Physics:
Elektriciteit
Uitgevoerd te:
Montessori College Maastricht
April - Augustus 2001
Een elektronisch leerboek in Crocodile Physics:
Elektriciteit
Afstudeerverslag
Ralph Vrijens, Augustus 2001
Fontys Hogescholen
Lerarenopleiding Sittard
Sector Natuurkunde & Techniek
Begeleider: A. Arfman
Montessori College Maastricht
Begeleidster: T. van Deventer
2
Voorwoord
Ik wil bij deze Tine van Deventer van het Montessori College Maastricht bedanken voor alle
hulp en steun tijdens mij stage aldaar. Tevens wil ik bij deze Ton Arfman, mijn begeleider
vanuit Fontys Hogescholen, bedanken voor de waardevolle discussies en suggesties waardoor
ik deze stage en de bijbehorende afstudeeropdracht tot een goed einde heb kunnen brengen.
Tenslotte nog een woord van dank aan alle medewerkers van het Montessori College
Maastricht. Zij hebben gezorgd voor een zeer prettige werksfeer tijdens mijn stage aldaar.
3
Samenvatting
De computer en bijbehorende software wordt steeds vaker ingezet in het onderwijs, vooral bij
natuurkunde en technische vakken. Maar ook raken leerlingen op steeds jongere leeftijd
vertrouwd met het gebruik van de PC. Om deze redenen is men op de lerarenopleiding van
Fontys Hogescholen gestart met het opzetten van een volledig elektronisch leerboek voor het
natuurkunde-onderwijs. In eerste instantie zal dit elektronisch leerboek geschikt zijn voor
havo- en vwo-leerlingen. Later wordt deze versie dan dusdanig aangepast dat het ook geschikt
zal zijn voor vmbo-leerlingen.
Voor de nodige software is gekozen voor het simulatieprogramma "Crocodile Physics". Deze
is namelijk zeer gebruikersvriendelijk en uitermate geschikt voor dit project.
Dit verslag behandelt het eerste deel van het elektronisch leerboek, "Elektriciteit" genaamd.
Het grote verschil met een traditioneel leerboek is dat de leerling actief betrokken wordt bij de
uitleg. Dit gebeurt bijvoorbeeld door de leerling zelf een elektrische schakeling af te laten
maken of door zelf een meting te laten verrichten.
4
Inhoudsopgave
1.
Inleiding
1.1
De afstudeeropdracht
1.2
Opbouw van het verslag
1
1
1
2.
Introduktie
2.1
Doelstelling
2.2
Werkwijze
2.3
Problemen en Oplossingen
2
2
2
3
3.
Spanning
3.1
Doelstelling
3.2
Werkwijze
4
4
4
4.
Stroomsterkte
4.1
Doelstelling
4.2
Werkwijze
4.3
Problemen en Oplossingen
5
5
5
5
5.
De Stroomkring
5.1
Doelstelling
5.2
Werkwijze
6
6
6
6.
Weerstand
6.1
Doelstelling
6.2
Werkwijze
6.3
Problemen en Oplossingen
7
7
7
7
7.
Schakelingen
7.1
Doelstelling
7.2
Werkwijze
8
8
8
8.
Energie en Vermogen
8.1
Doelstelling
8.2
Werkwijze
9
9
9
9.
Elektriciteit in huis
9.1
Doelstelling
9.2
Werkwijze
10
10
10
10.
Ervaringen met leerlingen
11
11.
Eindevaluatie
12
5
1.
Inleiding
1.1
De afstudeeropdracht
Mijn afstudeeropdracht voor de opleiding tot 2de graads leraar natuurkunde aan de Fontys
Hogescholen was verweven met het vak 'Informatietechnologie voor natuur- en scheikunde
(werken met applicaties)'.
De Sector Natuurkunde & Techniek van de lerarenopleiding Sittard is begonnen met een
project dat als doel heeft een elektronisch leerboek op te zetten in het simulatieprogramma
'Crocodile Physics' waar middelbare scholieren mee kunnen gaan werken naast de traditionele
leerboeken.
Mijn opdracht was het opzetten van het eerste deel, 'Elektriciteit', van dit elektronisch
leerboek
1.2
Opbouw van het verslag
Het eerste gedeelte van dit verslag is opgebouwd analoog aan de volgorde van de
hoofdstukken van het deel 'Elektriciteit' van het elektronisch leerboek. Per hoofdstuk worden
vervolgens de doelstelling, de werkwijze en eventuele problemen en oplossingen besproken.
De volgorde van de hoofdstukken: Introduktie, Spanning, Stroomsterkte, De Stroomkring,
Weerstand, Schakelingen, Energie en Vermogen, Elektriciteit in huis.
Na deze hoofdstukken worden de ervaringen met leerlingen besproken en tenslotte volgt nog
een eindevaluatie van dit project.
6
2.
Introduktie
2.1
Doelstelling
De doelstelling van dit eerste hoofdstuk, is de leerling te introduceren in het onderwerp
'Elektriciteit'.
2.2
Werkwijze
Het hoofdstuk is ingedeeld in 2 paragrafen, 'Inleiding' en 'Een watermodel'. In de eerste
paragraaf worden enkele voorbeelden genoemd van het dagelijks gebruik van elektriciteit.
Tevens is er al een eenvoudige simulatie opgenomen van een schakeling bestaande uit een
batterij, een schakelaar en een lampje (zie figuur 2.1). Door op de schakelaar te klikken, kan
de leerling het lampje aan- en uitschakelen.
Figuur 2.1:
Een eenvoudige simulatie
De tweede paragraaf introduceert een vergelijking tussen een bovengenoemde schakeling en
een watermodel waarin een pomp water door een buis pompt dat vervolgens een schoepenrad
aandrijft (zie figuur 2.2).
Figuur 2.2:
Een watermodel
7
Het rondstromen van lading in de elektrische schakeling wordt vergeleken met het
rondstromen van water in het watermodel. Tevens wordt de batterij vergeleken met de pomp
in het watermodel.
In dit hoofdstuk komen nog geen vragen aan de orde.
2.3
Problemen en Oplossingen
Het eerste watermodel bevatte geen schoepenrad, maar een vernauwing in de buis (zie figuur
2.3).
Figuur 2.3:
Een watermodel zonder schoepenrad
Echter, in dit watermodel kan de vernauwing als analogon voor het lampje onduidelijkheden
opleveren bij leerlingen. Er vind namelijk bij dit model geen duidelijke energie-omzetting
plaats, zoals de omzetting van elektrische energie in stralingsenergie en warmte in de
elektrische schakeling. In het model met het schoepenrad is de energieomzetting veel
duidelijker: het schoepenrad gaat draaien zodra het water stroomt.
8
3.
Spanning
3.1
Doelstelling
De bedoeling van dit hoofdstuk is de leerling vertrouwd te laten raken met de begrippen
potentiaal, potentiaalverschil en spanning. Tevens worden een aantal spanningsbronnen
bekeken.
3.2
Werkwijze
Dit hoofdstuk is verdeeld in 4 paragrafen, te weten: "Potentiaal", "Potentiaalverschil",
"Spanningsbronnen" en "Meerdere spanningsbronnen".
De eerste paragraaf, "Potentiaal", gaat verder met de vergelijking tussen de stroomkring en
het watermodel uit het vorige hoofdstuk. Op deze manier wordt potentiaal aangeduid met
"elektrische druk".
De tweede paragraaf, "Potentiaalverschil", begint weer met de vergelijking tussen de
stroomkring en het watermodel. Het drukverschil over het schoepenrad (zie figuur 2.2) wordt
vergeleken met het potentiaalverschil over het lampje (zie figuur 2.1). Vervolgens wordt
aangegeven dat potentiaalverschil ook wel spanning genoemd wordt. Aan het eind komen de
eenheid Volt aan bod.
De derde paragraaf, "Spanningsbronnen", vergelijkt in het begin de spanningsbron met de
waterpomp in het watermodel. De theorie uit de vorige paragraaf komt hier weer terug,
namelijk in het potentiaalverschil over de polen van de spanningsbron.
De vierde paragraaf, "Meerdere Spanningsbronnen", is bedoeld voor gevorderde leerlingen en
behandelt in serie geschakelde spanningsbronnen.
Aan het eind van iedere paragraaf zijn een aantal meerkeuzevragen opgenomen waarmee de
leerling zichzelf kan toetsen. Dit is trouwens het geval voor ieder hoofdstuk, behalve het
eerste hoofdstuk, "Introduktie" en hoofdstuk 5, "De Stroomkring".
9
4.
Stroomsterkte
4.1
Doelstelling
De doelstelling van dit hoofdstuk is de leerling te introduceren in het begrip stroomsterkte.
4.2
Werkwijze
Dit hoofdstuk is opgebouwd uit 2 paragrafen, te weten: "Stroomsterkte" en "Spanning en
Stroomsterkte".
In de eerste paragraaf wordt weer begonnen met het ondertussen bekende watermodel. Hier
wordt eerst gekeken naar het begrip stroomsterkte bij een waterstroom. Vervolgens wordt dit
vergeleken met "elektrische stroomsterkte" in een schakeling. Tenslotte wordt de eenheid
Ampère geïntroduceerd. Tevens wordt met nadruk het verschil uitgelegd tussen een gesloten
en een onderbroken stroomkring.
In de tweede paragraaf wordt een 'verband' tussen spanning en stroomsterkte gelegd. Hiervoor
wordt gebruik gemaakt van de schakelingen in figuur 4.1 hieronder.
Figuur 4.1:
Twee schakelingen met dezelfde lampjes, maar verschillende spanningsbronnen.
4.3
Problemen en Oplossingen
Het grootste probleem in dit hoofdstuk gaf de vergelijking van het watermodel met de
elektrische schakeling om het begrip stroomsterkte uit te leggen. Een leerling zou dan
namelijk kunnen denken dat stroomsterkte iets is als snelheid. Om dit probleem op te lossen,
wordt er eerst het begrip stroomsterkte in het watermodel uitgelegd en vervolgens pas een link
gelegd met elektrische stroomsterkte.
10
5.
De Stroomkring
5.1
Doelstelling
De bedoeling van dit hoofdstuk is de leerling vertrouwd te laten raken met het gebruik van
symbolen in elektrische schakelingen.
5.2
Werkwijze
Er wordt van 3 componenten het symbool gegeven, te weten: het lampje, de schakelaar en de
spanningsbron. Vervolgens wordt een elektrische schakeling met 'plaatjes' omgezet naar een
schakeling met symbolen (zie figuren 5.1a en 5.1b).
Figuur 5.1a:
Een eenvoudige elektrische schakeling met plaatjes.
Figuur 5.1b:
Dezelfde elektrische schakeling, maar nu in symbolen.
Aan het eind van het hoofdstuk krijgt de leerling instructies om zelf in een nieuw werkblad
schakelingen te bouwen.
11
6.
Weerstand
6.1
Doelstelling
In dit hoofdstuk wordt het begrip "weerstand" geïntroduceerd. Tevens zal de "Wet van Ohm"
aan bod komen
6.2
Werkwijze
Dit hoofdstuk is verdeeld in 6 paragrafen, te weten: "Weerstand", "Meten", "Weerstand
berekenen", "Wet van Ohm", "De weerstand van een metaaldraad" en "Enkele speciale
weerstanden".
De eerste paragraaf introduceert het begrip weerstand zonder formules en dergelijke. Hier
wordt weer begonnen met het vertrouwde watermodel.
De tweede paragraaf behandelt het meten van stroomsterkte en het meten van spanning.
In de derde paragraaf wordt de formule R=U/I geïntroduceerd. Er wordt in een schakeling de
spanning over en de stroomsterkte door een lampje gemeten. Vervolgens wordt aan de
leerling gevraagd de weerstand van het lampje uit te rekenen met behulp van de formule.
Paragraaf 4 begint met het introduceren van de weerstand als component. Vervolgens wordt
een schakeling gegeven waarin de stroomsterkte door en de spanning over een weerstand
gemeten wordt. De leerling wordt nu gevraagd de spanning die de spanningsbron levert in
stapjes van 1 V op te voeren en bij iedere waarde de stroomsterkte en spanning af te lezen en
in te vullen in de bijbehorende kolommen. In een andere kolom kan dan telkens de berekende
waarde van de weerstand ingevuld worden. Als de leerling alles goed heeft ingevuld, zal
blijken dat de weerstand constant blijft. Aan de hand hiervan wordt de "wet van Ohm"
uitgelegd.
De vijfde paragraaf behandelt de weerstand van een metaaldraad volgens de formule:
.
De laatste paragraaf behandelt tenslotte enkele toepassingen van speciale weerstanden, zoals
de variabele weerstand, de LDR en de NTC.
6.3
Problemen en Oplossingen
De ervaring leert dat leerlingen de formule R=U/I in verband brengen met de wet van Ohm.
Om dit zo veel mogelijk te voorkomen, is eerst de formule behandelt waarmee altijd de
weerstand uitgerekend kan worden. Pas daarna wordt de wet van Ohm behandeld,
afzonderlijk aan de hiervoor genoemde formule.
12
7.
Schakelingen
7.1
Doelstelling
De doelstelling van dit hoofdstuk is de leerling het onderscheid duidelijk te maken tussen
serie- en parallelschakelingen.
7.2
Werkwijze
Dit hoofdstuk is onderverdeeld in 3 paragrafen, te weten: "Serieschakeling",
"Parallelschakeling" en "De spanningsdeler".
In de eerste paragraaf wordt de serieschakeling behandeld met diens eigenschappen.
In de tweede paragraaf wordt de parallelschakeling behandeld. Dit wordt gedaan met het
voorbeeld van de elektrische schakeling in huis, daar is immers ook alles parallel geschakeld
(zie figuur 7.1).
Figuur 7.1:
Een parallelschakeling zoals men deze in huis kan aantreffen.
De laatste paragraaf behandelt de zogenaamde spanningsdeler; eerst met een variabele en
vaste weerstand in serie, daarna met een zogenaamde potentiometer. Tenslotte wordt nog
eenvoudige schakeling met een NTC-weerstand als voorbeeld gegeven om temperaturen mee
te meten (zie figuur 7.2).
Figuur 7.2:
Een eenvoudige schakeling om temperaturen mee te meten.
13
8.
Energie en Vermogen
8.1
Doelstelling
De doelstelling van dit hoofdstuk is de leerling inzicht te geven in de begrippen (elektrisch)
vermogen, (elektrische) energie en rendement.
8.2
Werkwijze
Dit hoofdstuk bestaat uit 3 paragrafen, te weten: "Vermogen", "Energie" en "Rendement".
De eerste paragraaf behandelt het begrip vermogen. Dit wordt gedefinieerd als zijnde de
hoeveelheid elektrische energie die de spanningsbron per seconde aan de rondstromende
lading meegeeft. Tevens wordt de formule voor elektrisch vermogen, P=VxI, behandelt.
De tweede paragraaf behandelt vervolgens het begrip elektrische energie. Omdat in de vorige
paragraaf het vermogen gedefinieerd is als de hoeveelheid energie die de bron per seconde
levert, kan hier makkelijk de stap gezet worden naar de formule voor energie: E=Pxt. Met
behulp van deze formule wordt tenslotte de eenheid kWh behandeld.
De laatste paragraaf behandelt het begrip rendement.
14
9.
Elektriciteit in huis
9.1
Doelstelling
De bedoeling van dit hoofdstuk is de leerling inzicht te geven in de elektrische schakelingen
van de huisinstallatie, zoals de parallelschakeling, zekeringen en aarding.
9.2
Werkwijze
Dit hoofdstuk is verdeeld in 3 paragrafen, te weten: "Elektrische schakelingen in huis", "De
zekering" en "Aarding".
In de eerste paragraaf wordt nog eens uitgelegd dat alles in een huisinstallatie parallel is
geschakeld. Tevens komen de begrippen meterkast, kWh-meter, hoofdschakelaar, groep en
groepenkast aan bod.
In de tweede paragraaf wordt de zekering behandeld. Hier komt de fysische werking van de
smeltzekering aan bod. Tevens wordt het gebruik van de zekering gedemonstreerd met een
eenvoudige schakeling (zie figuur 9.1).
Figuur 9.1:
Een parallelschakeling om het gebruik van een zekering te demonstreren.
De laatste paragraaf behandelt het begrip aarding. Tevens komt de aardlekschakelaar aan bod.
15
10.
Ervaringen met leerlingen
Het zijn uiteindelijk de leerlingen die met het elektronisch leerboek moeten gaan werken.
Daarom was het noodzakelijk om dit project te testen met behulp van enkele leerlingen. De
ervaringen van de leerlingen zijn dan een nuttig hulpmiddel bij de opzet van de andere delen
van dit elektronisch leerboek.
Met dit deel, "Elektriciteit", hebben een aantal leerlingen uit de 2e klas gewerkt. Het niveau
van de leerlingen varieerde van mavo tot en met vwo.
Een aantal positieve punten.
Het is gebleken dat vooral de interactiviteit de leerlingen zeer aansprak. Met name het 'zelf
bouwen' van schakelingen. Ook didactisch gezien kwam het de leerlingen ten goede. Het
bleek namelijk dat vooral de begrippen potentiaal en stroomsterkte veel beter begrepen werd
door deze leerlingen dan door leerlingen die deze begrippen uit een traditioneel leerboek
moesten leren.
Een aantal negatieve punten.
Wanneer er een schakeling wordt gegeven waarin een schakelaar staat, en vervolgens een
vraag komt met betrekking tot deze schakeling dan kan dat problemen opleveren. De leerling
kan dan namelijk de schakelaar aan- en uitschakelen. Wanneer de leerling de schakelaar
omzet en vervolgens de vraag gaat beantwoorden, dan komt deze op een heel ander antwoord
uit dat op dat moment misschien juist is. De feedback geeft dan echter 'fout' aan.
Dit probleem is opgelost door de vraag uit te breiden met bijvoorbeeld "……als de schakelaar
gesloten is".
Een ander item dat aandacht eist zijn de meerkeuzevragen. Wanneer een leerling een
antwoord aanklikt, dan krijgt hij of zij direct feedback, bijvoorbeeld "Goed gedaan!" of
"Fout" met eventueel een tip. De vraag is nu of een leerling hier wel van leert. Het is namelijk
gebleken dat sommige leerlingen gewoon bleven 'gokken' totdat ze het juiste antwoord
hadden.
16
11.
Eindevaluatie
De leerlingen waren erg enthousiast over dit project. Ze hadden het systeem dan ook vlug
door. Er mag gesteld worden dat een dergelijk elektronisch leerboek zeker een positieve
invloed zal hebben op de didactiek en vooral ook op de motivatie van de leerlingen.
Echter, het wordt aanbevolen het elektronisch leerboek (of gedeelten daarvan) te gebruiken
náást het traditionele leerboek.
Door de opbouw van de hoofdstukken is het elektronisch leerboek goed te gebruiken door
leerlingen van verschillende niveau's. Ieder hoofdstuk begint namelijk met een relatief
eenvoudig niveau. De laatste paragraaf is vaak bestemd voor de gevorderde leerling. Het is
niet noodzakelijk om alle paragrafen van een hoofdstuk te doorlopen alvorens de leerling
verder kan gaan met het volgende hoofdstuk.
Door deze indeling in paragrafen kan iedere docent afzonderlijk bepalen welke paragrafen een
leerling wel en welke een leerling niet hoeft te doen. Daardoor is dit elektronisch leerboek
onafhankelijk van de methode die betreffende docent hanteert.
Tenslotte wordt sterk aanbevolen om dit elektronisch leerboek ook toegankelijk te maken
voor vmbo leerlingen. Daar deze meestal vooral praktisch zijn ingesteld. De interactiviteit
waarop het elektronisch leerboek is gebaseerd komt dan erg van pas.
17