Raketenofen als experimenteller Übungsvorschlag für den Physikunterricht

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ORIGINAL-ARTIKEL

SILVA, Rafael Leal da [1]

SILVA, Rafael Leal da. Raketenofen als experimenteller Übungsvorschlag für den Physikunterricht. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Jahrgang 05, Ed. 07, Vol. 02, S. 28-42. Juli 2020. ISSN: 2448-0959, Zugriffslink: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/fisica-de/raketenofen

ZUSAMMENFASSUNG

Experimentelle Praktiken ermöglichen den Schülern eine Umgebung, in der das Lernen interaktiv stattfindet, und geben ihnen so die Möglichkeit, Hypothesen zu erstellen und sie in einer Umgebung zu testen, in der der Lehrer der Mediator im Lehr-Lern-Prozess ist. Aufgrund des geringen Angebots an Laboratorien, die an einigen Standorten ausgestattet sind, ist es notwendig, auf Alternativen zurückzugreifen, insbesondere solche mit niedrigen Kosten und nachhaltigen Vorschlägen. Dieser Artikel enthält qualitative Ergebnisse sowie einen Vorschlag für die Vermittlung thermodynamischer Themen, die als didaktisches Objekt den Raketenofen verwenden, der weltweit als weniger umweltschädlich und energieeffizienter untersucht wurde als Öfen, die Biomasse für wirtschaftlich gefährdete Regionen der Welt nutzen. Da es ein gemeinsames Thema für die meisten der beteiligten Studenten ist, ermöglichte der Raketenofen in der in diesem Artikel vorgeschlagenen Aktivität neben der Erleichterung des Unterrichts von Physikkonzepten eine Diskussion über Nachhaltigkeit im Kontext der experimentellen Klasse. Die experimentelle Praxis wurde im Rahmen des Vorschlags des divergierenden Labors gemacht, da der Student in dieser Art von Umgebung mehr Freiheit hat, der Hauptförderer seines Lernprozesses zu sein, neben der interaktiven Teilnahme zwischen Gruppen. Ein quantitativer Vorschlag, der auf den Studien von Okonkwo et al (2017) basiert, wird auch in diesem Artikel für eine fortgeschrittenere Physikklasse vorgestellt. Im Allgemeinen war die Aufregung der Schüler nach der Aufführung und während des Experiments berüchtigt für die Art und Weise, wie sie Physik lernten, denn sie gingen über die traditionelle starre Methodik des theoretischen Unterrichts hinaus.

Schlüsselwörter: Raketenofen, Physikunterricht, experimentelle Praktiken, divergierende Labor.

1. EINFÜHRUNG

Der Physikunterricht steht vor großen Herausforderungen in Bezug auf die didaktische Umsetzung. Die traditionelle Art der Lehre wurde von Forschern in der Lehre als nicht effizient kritisiert, um die Bildungskrise dieser Disziplin in Brasilien zu überwinden. Unter den Vorschlägen zur Lösung von Problemen wurde die Lehre, die experimentelle Praktiken als Werkzeug verwendet, als von größter Bedeutung hervorgehoben, da die Physik einen experimentellen Charakter hat, der nicht von der Disziplin getrennt werden kann (PINHO-ALVES, 2002; FARIA e CARNEIRO, 2020; FORÇA et al, 2011; KANBACH et al, 2005; ANDRADE, 2009).

Pinho-Alves (2000) macht auf die Nutzung des didaktischen Labors als Lehrprozess aufmerksam. Unter diesem Gesichtspunkt hat sie die Macht zu vermitteln und vor dem alten Paradigma zu warnen, das es nur als experimentelle Methode betrachtete. Daher muss die Leistung im Schulraum mit den Schülern die didaktische Umsetzung berücksichtigen, die den Prozess der Transformation von Wissen, das beim Wissensunterricht gelehrt wird, zugänglicher macht (PINHO-ALVES, 2000). Darüber hinaus, so ihm, wird die didaktische Umsetzung durch Konstruktivismus in der Art und Weise erfolgen, wie man sich der Produktion von Wissenschaft während des Lehr-Lern-Prozesses stellt.

Für die Anwendung von Projekten experimenteller Praktiken als Teilnehmer an der didaktischen Umsetzung ist es notwendig, die Realität des schulischen Umfelds sowie den soziokulturellen Kontext der Einrichtung, des pädagogischen politischen Projekts und der Bildungsgesetzgebung zu kennen. All diese Faktoren beeinflussen den Einsatz von Lehrlaboratorien in Schulen. Zusätzlich zu den bereits genannten Faktoren gibt es den Prozess der Lehrerausbildung, der mit dem Widerstand von Schul- und pädagogischen Leitern gegen Veränderungen in der traditionellen Unterrichtsweise verbunden ist. Angesprochen auf diesen Einfluss der Menschen, die in das schulische Umfeld involviert sind, kommentiert Pinheiro die Schwierigkeit, das didaktische Labor in den Unterricht einzubeziehen:

Für ihn konkurrieren Noosphärengruppen, die mit der Schulgemeinschaft verbunden sind, stärker, wie die Leitung der öffentlichen Schulen, Eigentümer von Bildungseinrichtungen, Betreuer und Bildungsberater, die Gemeinschaft der Eltern und Lehrer. Es gibt unzählige Aspekte, die zur Definition von Wissen beitragen, das gelehrt werden soll, aber wir können erkennen, dass es durch die Möglichkeit einer sozialen und rechtlichen Kontrolle des Lernens definiert wird. (PINHEIRO, 1996)

Aus konstruktivistischer Sicht vereinfachen experimentelle Aktivitäten den didaktischen Prozess, bei dem der Lehrer der Manipulator dieses Werkzeugs ist. So ist das Experiment bei der konstruktivistischen Umsetzung nicht mehr ein Unterrichtsziel, sondern ein aggregierendes Element im Prozess des Wissenserwerbs. Daher sollte seine Anwendung bei diesem Ziel durch Vielseitigkeit gekennzeichnet sein, so dass sie einen vermittelnden Charakter annimmt (PINHO-ALVES, 2002).

Bei der Durchführung der Verwendung von Labor und alle Dynamik beteiligt, ist es notwendig, zu wählen, welche Art von Labor zu verwenden. Im Gegensatz zum traditionellen Labormodell, das die Überprüfung oder den Nachweis des Rechts sowie die Erforschung von Konzepten betont, hat das divergierende Labor als Hauptziel, den Studierenden in die Lage zu versetzen, über das Schema und das zu erlassende Experimentelle Verfahren zu entscheiden (PINHO-ALVES, 2002).

Was die Anwendung des divergierenden Labors betrifft, so gibt es zwei Phasen. Die erste Phase, die als “Übung” bezeichnet wird, findet in dem Moment statt, in dem die Schüler Aktivitäten durchführen und sich an die Ausrüstung und Instrumente experimenteller Maßnahmen und Techniken sowie an die vorgestellte Theorie anpassen. In dieser Phase ist der Hauptzweck die Ausbildung der Studenten. In der zweiten Phase, die als “Experimentierung” bekannt ist, wählt der Schüler aus, welche Tätigkeit er ausüben wird, sowie seine Ziele, Hypothesen und welche Maßnahmen er ausführen wird. Nach der Planung sollten die Schüler mit dem Lehrer diskutieren, um mögliche Korrekturen ihrer Schlussfolgerungen zu prüfen, zusätzlich zur Durchführbarkeit der Materialien, die innerhalb des erwarteten Zeitraums der experimentellen Praxis verwendet werden sollen (PINHO ALVES, 2000; BORGES, 2002). Aufgrund seiner Vielseitigkeit und Möglichkeiten bei Modifikationen außerhalb der starren Standards traditioneller Laboratorien wurde das divergierende Labor als Werkzeug in diese Arbeit übernommen.

Auch im Zusammenhang mit experimentellen Praktiken befürwortet Pearce (2007) den Einsatz technologischer Projekte, die auf Nachhaltigkeit abzielen, und schlägt neben Materialien Materialien vor, die aufgrund der sozialen Bedingungen in mehreren unterentwickelten Ländern an Orten mit schwierigem Zugang zu Lehrlaboratorien verwendet werden können. In Bezug auf die Lehre der Thermodynamik, Pearce zeigt Experimente mit Verdunstungskühlung, Öfen / Öfen, Solarkocher, Lebensmittel-Dehydrator und andere Solar-Use-Geräte.

In Brasilien entspricht die Biomasse-Energiematrix einem Fünftel des gesamten Energieverbrauchs im Land (MAIA und GOMES, 2009). Dies eröffnet Raum für eine breite Diskussion sowohl im Sinne der rein genannten Physik als auch zu allgemeineren Themen wie Erderwärmung, Treibhauseffekt, Entwaldung, Umweltschutz, Emission giftiger Gase und Gesundheitsgefährdung. Solche Themen würden in einem traditionellen Physikunterricht kaum thematisiert, wenn man die Themen der Thermodynamik unterrichtet (MAZORRA et al, 2019; GOLDEMBERG und LUCON, 2007; SILVA, 2019; SANTOS, 2017; CARVALHO, 2014).

Dieses Papier stellt einen pädagogischen Vorschlag der experimentellen Praxis unter Verwendung von Raketenofen als Studiengegenstand vor, weil er einen multidisziplinären Ansatz zu den Themen ermöglicht: erneuerbare Energien, Nachhaltigkeit, Experimente mit kostengünstigen Materialien und Die Thermodynamik in einer Weise, die dem Alltag der Schüler näher kommt.

2. EXPERIMENTIEREN IN DER PHYSIKLEHRE

Sowohl die Organisatoren von Studienplänen als auch die Lehrer stoßen bei der praktischen Arbeit auf Schwierigkeiten, wie Hodson (1994) betont. Im Allgemeinen treten diese Schwierigkeiten aufgrund unnötiger Hindernisse auf, die das Lernen aus übermäßiger Information behindern. Daher argumentiert Hodson, dass zwei Strategien angenommen werden können. Die erste: Nehmen Sie einen Rezeptansatz an, bei dem das Experiment ein einfaches Ziel und eine Schritt-für-Schritt-Roadmap hat. Die zweite: ein zufälliges Verhalten, das den Schüler beschäftigt erscheinen lässt.  Hier besteht Vorsicht, wenn eine experimentelle Praxis vorgeschlagen wird, wobei die sehr aufwendigen Schritte beseitigt und die Maßnahmen einer einzelnen Variablen nicht zu sehr beachtet werden (HODSON, 1994).

Für ihn hat der Naturkundeunterricht drei hauptkonvergente relevante Aspekte:

      1. Lernen von Wissenschaft, theoretisches und konzeptionelles Wissen zu erwerben und zu entwickeln;
      2. Lernen über die Natur der Wissenschaft, die ein Verständnis von Natur und Methoden der Wissenschaft entwickelt, sich der komplexen Wechselwirkungen zwischen Wissen und sozialer Entwicklung bewusst sein;
      3. Wissenschaftliche Praktiken, Entwicklung von technischem Wissen über wissenschaftliche Forschung und Problemlösung. (HODSON, 1994)

So wie Experimente von grundlegender Bedeutung für ihre wissenschaftliche Gestaltung sind, so muss sie auch in der Lehre der Wissenschaft von grundlegender Bedeutung sein.  Laut Hodson (1994) unterscheiden die Organisatoren und Lehrer immer noch nicht zwischen experimenteller Praxis und dem Lehr-Lern-Prozess. Er sagt auch, dass viele den Fehler des Verständnisses experimenteller Praxis nur als diese Art von Arbeit auf einer Laborbank zu verstehen.

Obwohl es sich um ein Instrument mit nachgewiesener Wirksamkeit im Unterricht handelt, wird das Experimentieren im Sinne seiner Anwendung kritisiert, da es zu komplexe Praktiken gibt, die dem Unterricht mehr schaden als effektiv sein könnten. Für Séré (2002) gibt es verschiedene Möglichkeiten, experimentelle Praktiken in den Unterricht einzubeziehen, mit unterschiedlichen Ergebnissen:

      1. Verstehen Sie Theorie, Konzepte, Modelle, Gesetze, spezifische Argumentation, die oft deutlich von der aktuellen Argumentation unterscheiden;
      2. Lernen Sie die ganze Theorie;
      3. Führen Sie Experimente durch, die eine Reihe von Realitäten, Fakten und Instrumenten zeigen, die Theorien und Verfahren verwenden, um Erfahrungen zu sammeln, die die Erfahrung bestätigen;
      4. Lernen Sie die Verfahren und Pfade, um sie bei der Durchführung anderer Experimente in anderen Kontexten verwenden zu können;
      5. Lernen Sie, das theoretische Wissen zu nutzen, damit es vorhanden und verwendet wird, wenn es darum geht, einen vollständigen Forschungsprozess durchzuführen. (SÉRÉ, 2002)

Es ist daher notwendig, bei der Anwendung experimenteller Verfahren den besten Ansatz in jeder Situation zu ermitteln. Je nach gewähltem Ansatz können praktische Tätigkeiten folgende Ziele verfolgen, wie Borges (2002) feststellt: die Prüfung eines Gesetzes, die Veranschaulichung von Ideen und Konzepten theoretischer Klassen und die Ableitung einer Formel oder eines Gesetzes über ein Phänomen. Die Empfehlung besteht darin, die Schüler in kleine Gruppen aufzuteilen, die Interaktion bei der Vorbereitung des Experiments zu erleichtern und den Austausch von Ideen zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil ist der informelle Charakter experimenteller Praktiken, der im Gegensatz zum Formalismus und der Starrheit theoretischer Klassen steht (BORGES, 2002).

Es gibt auch Kritiker der experimentellen Praktiken in der Lehre, die argumentieren, dass sie für die Schüler ineffektiv sind, weil viel Zeit in wichtigen Details des Unterrichtsprozesses verbracht wird, wie zum Beispiel; Montage des Experiments, Datenerfassung, Test von Gleichungen und Überprüfung der zuvor ermittelten Ergebnisse. In diesem kritischen Blickwinkel der experimentellen Praktiken widmen die Studierenden nicht genügend Zeit der Analyse und Interpretation der Ergebnisse und dass diese Aktivitäten wenig Wirksamkeit haben werden (COELHO et al., 2000).

Pinho-Alves (2000) weist zu den Hauptschwierigkeiten bei der Einführung des wissenschaftlichen Unterrichts mit Laboratorien auf die Gefahr hin, dass mehrere Ziele mit derselben Tätigkeit nicht vereinbar sind. Für ihn und andere Autoren sollte man nach kreativeren und effizienteren Wegen mit klar definierten Zielen suchen, um Methoden zu verwenden, die experimentelle Lehre und theoretische Lehre vereinbaren lassen, was es ermöglicht, Praxis und Theorie zu integrieren, und damit das Experiment als Grundlage der Theorie diente.

In einem allgemeineren Kontext, wenn man den Einsatz von Laboratorien in der wissenschaftswissenschaftlichen Lehre verwirft, geschieht, dass der Unterricht auf ein bloßes abstraktes System von Definitionen, Formeln, Gesetzen und Übungen reduziert wird, ohne Verbindung mit dem grundlegenden Charakter der Wissenschaften, die das Experiment als Hauptmittel der Entdeckung hat. Theorien der Physik haben ihre Konstruktion in mathematischen Modellen, jedoch ohne experimentelle nekzeugende Beweise wäre es nicht möglich, ein Verständnis dafür zu erlangen, wie die Natur funktioniert und warum (AXT, 1991).

Für Pinho-Alves (2000) erfordert das Experimentieren im Unterricht eine Art Labor, das für jede Realität geeignet ist und den Zielen der Bildungseinrichtungen und Lehrer entspricht. Die Arten von Laboratorien sollten unter dem Gesichtspunkt ihrer Merkmale untersucht werden.

In dieser Arbeit haben wir uns für das divergierende Labor entschieden, weil seine Dynamik es dem Schüler ermöglicht, reale physikalische Systeme zu arbeiten, was den Ansatz von ebenso realen Problemen ermöglicht, deren Antworten nicht vorgefasst sind. Darüber hinaus können die Studierenden wählen, welches Schema und verfahren während des Studiums anzuwenden ist. In der Übungsphase müssen alle Schüler eine Reihe von Fragen beantworten, die allen Schülern gemeinsam sind, Verfahren, Maßnahmen, die alle auf die Ausbildung für die zweite Stufe abzielen. In der zweiten Phase entscheiden die Schüler, welche Tätigkeit sie ausüben, welche Ziele und Hypothesen getestet werden sollen, direkt nach der Interaktion mit dem Lehrer kann es zu Änderungen und eventuellen Korrekturen sowie zur Überprüfung der Lebensfähigkeit des verfügbaren Materials und der Zeit für die Durchführung des Experiments kommen (BORGES, 2002).

3. RAKETENHERD

Im Hinblick auf den divergierenden Laboransatz wurde eine Praxis mit Raketenöfen gemacht. Sie folgen den Prinzipien der Gestaltung von Winiarski (1982) und der gemeinsamen Arbeit von Still und Winiarski (2001), die im Vergleich zu anderen Öfen, die Biomasse als Energiequellen nutzen, energetische Effizienz unterstützen. Die Größen der Ofenöffnungen sind wichtig, da sie dimensioniert werden müssen. Wenn die Öffnungen klein sind, kann die Biomasse nicht richtig verbrannt werden und der Rauch kann an die Verbrennungsstelle zurückkehren. Wenn die Öffnungen groß sind, wird die Wärme nicht auf die Pfanne übertragen, die durch Erschöpfung entweicht. In dieser Arbeit haben wir das knieartige Raketenofenmodell gemäß dem Diagramm in Abbildung 1 verwendet.

Abbildung 1: Knieartiges Raketenofenschema. Die kleinere Basis besteht aus einem Regal, das als Stütze für Kraftstoff dient, und einem Einlass für den Luftstrom. Der größere und innere Teil ist der Brennraum, in dem der Luftstrom auf die Flamme trifft. Die Außenseite ist in diesem Beispiel aus Metall und oben der Auslass zur Flamme und öffnung sich, um die Pfanne zu platzieren.

Quelle: adaptiertes Bild von Nokobunva (2016).

Die Entwaldung ist in vielen südasiatischen Ländern ein Problem.  Der Austausch traditioneller Dreibrenneröfen durch Raketenöfen reduzierte den Holzverbrauch im Durchschnitt von 3,68 Tonnen auf 2.706 Tonnen pro Jahr in jedem Haushalt. Die Nachfrage nach Energie von Menschen, die in ländlichen Gebieten Nepals leben, ist von Biomassequellen abhängig, ist groß. Etwa 64 % der nepalesischen Bevölkerung nutzen Holz als Hauptenergiequelle zum Kochen (SUBEDEE et al., 2017).

In einigen Regionen der Welt ist der Hauptbrennstoff, der für Öfen verwendet wird, aufgrund der Entwaldung und anderer Faktoren trockenundig. Sie ist jedoch weniger energieeffizient als Holz und Kohle (WITT et al., 2006). Als Ergebnis des Prototyps des Raketenofens, der Gülle als Brennstoff verwendet, im Vergleich zu anderen Öfen, die nicht den Prinzipien von Larry Winiarski (1982) folgen, stellt der Artikel vor, dass der Prototyp im Test des siedenden Wassers energieeffizienter ist und die CO-Emissionen um 44 % reduziert, verglichen mit Feuer direkt in Holz. Es ist ein vielversprechender Prototyp, indem es die Schadstoffbelastung senkt und die wirtschaftlichen Verluste durch den Einsatz großer Mengen kraftstoffreduziert.

Ochieng et al. (2013) und ihre Mitarbeiter untersuchten die Emission von Kohlenmonoxid (CO) in 102 Haushalten, um die Emissionsunterschiede zwischen drei in dieser Region verwendeten Öfen, den traditionellen Dreisteinöfen und dem Tonraketenofen, zu vergleichen. Kontinuierliche Messungen für 48stunden in den Küchen dieser Residenzen, während die Konzentrationen von Küchen- und CO-Personal 7,3 bzw. 6,5 ppm für die Dreisteinöfen betrugen, lagen die entsprechenden Konzentrationen für die Raketenöfen bei 5,8 bzw. 4,4 ppm. Unter Berücksichtigung der Lage der Küche, der Lüftung, des sozioökonomischen Status und der Konzentration des Brennstoffgemischs verringerte der Einsatz von Tonraketenöfen die mit der Küche verbundenen Co-Werte um 33 % und die persönlichen Werte um 42 % im Vergleich zum Dreisteinofen.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Verwendung von Biomasse als Brennstoff in Küchen den Co-Spiegel in Den haushalten erhöht. Diese Art der Nutzung ist in ländlichen Haushalten im Westen Kenias durchaus üblich. Obwohl die CO-Konzentration in Haushalten, die Raketenöfen verwenden, niedriger ist, bleiben sie insgesamt hoch, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise keinen signifikanten Nutzen für die Gesundheit der Atemwege bringen. Eine erhebliche Verringerung der CO-Konzentrationen kann aufgrund der CO-Exposition gesundheitliche Folgen haben. Diese Folgen bedürfen weiterer Untersuchungen.

Burnham-Slipper (2009) produzierte einen Raketenofen, der gute Ergebnisse bei der Optimierung des Holzverbrauchs, der Reduzierung des Kraftstoffbedarfs für tägliche Aufgaben, der Verringerung der Kohlenstoffemissionen und der Verbesserung der Lebensqualität, insbesondere für Frauen und Kinder, zeigte. Bei der Arbeit nutzte er ein Computer-Flüssigkeitsdynamik-Programm, um die Kraftstoffbedingungen zu optimieren. Zunächst charakterisierte die Versuchsphase die Verbrennungsgeschwindigkeit, die Temperatur der Gasverbrennungsgeschwindigkeit.

Winiarski (1982) präsentiert Prinzipien zur Optimierung von Öfen, die Holz als Brennstoff verwenden. Der hier verwendete Raketenofen basiert auf ihnen. Sie sind:

      1. Isolieren Sie das Feuer mit licht- und hitzebeständigen Materialien;
      2. Platzieren Sie einen isolierenden Schornstein über dem Feuer, um den Rauch umzuleiten;
      3. Erhitzen Sie die Enden der Stäbe, Stöcke und Brennholz, bevor Sie sie in Brand setzen, so dass sie Flammen machen und nicht rauchen;
      4. Mehr Wärme oder weniger Wärme hängt davon ab, wie viele Stöcke in das Feuer gelegt werden;
      5. Halten Sie einen guten Stock unter Feuer, durch die Glut. Vermeiden Sie es, zu viel zusätzliche Luft über dem Feuer zuzulassen, um es zu kühlen;
      6. Wenig Stock in das Feuer gezogen wird zu Rauch und überschüssige Kohle führen;
      7. Halten Sie den Luftstrom zum Feuer, den Raum im Inneren des Ofens, durch den heiße Luft fließt und der Schornstein muss von der gleichen Dicke sein;
      8. Verwenden Sie einen Grill auf dem Feuer;
      9. Isolieren Sie den Weg des Wärmeflusses aus dem Feuer um die Pfanne;
      10. Maximieren Sie die Wärmeübertragung in die Pfanne mit entsprechend großen Öffnungen. (WINIARSKI, 1982)

Raketenöfen können mit den unterschiedlichsten Materialien von einfach zugänglichen und niedrigen Kosten hergestellt werden, wie Metalldosen, Ton, Ziegel, Holz, etc. Gandigue und Nagarhalli (2018) präsentieren einen Überblick über die wichtigsten Arten von Raketenöfen und Parametern, die Effizienzverbesserungen in jedem Modell beeinflussen.

Die Parameter beziehen sich auf die Größe des Schornsteins, der Brennstoffkammer und der Lufteinlass- und Auslassöffnungen des Feuers. Wenn die Öffnungen zu klein sind, werden Sie nicht in der Lage sein, den Kraftstoff richtig zu verbrennen und Rauch erzeugen. Auf der anderen Seite, wenn die Öffnungen zu groß sind, entweicht die Wärme und wird nicht effizient verwendet, um die Pfanne durch Erschöpfung zu erwärmen. Die Abmessungen der Parameter folgen den Prinzipien von Winiarski (1982) und geometrische Parameter finden sich in Danas Formeln (2009), die folgen:

Die geometrischen Variablen in den Gleichungen (01), (02), (03) und (04) sind: K ist die Höhe des Schornsteins bis zum Ende des Brennraums, J ist die Höhe des Brennraums, Hc Höhe des Schornsteins des Sockels des Ofens, L die Länge des Sockels, wo der Brennstoff und die Öffnung für den Luftstrom platziert werden, und A ist der Bereich des Brennraums.

4. METHODIK

Die vorliegende Arbeit wurde in den Klassen der experimentellen Praktiken in einer Gemeinde von Paraba entwickelt. Die hier vorgestellten Ergebnisse stellen eine qualitative Forschung dar, um einen experimentellen Ansatz zu physikalischen Themen zu präsentieren, die mit anderen Disziplinen in Dialog treten und sich mit dem sozialen Kontext von Studenten aus den Hinterländern von Paraiba verbinden.

Zunächst wurden die Schüler den Inhalten der Thermologie, Kalorien- und Thermodynamik und den Prinzipien der Funktionsweise des Konstrukteurs des Raketenofens in den theoretischen Klassen der Physik ausgesetzt. Im ersten Halbjahr 2020 wurden zwei Abschnitte experimenteller Klassen verteilt, und in jedem Abschnitt fanden 4 experimentelle Klassen statt. Die Schüler wurden in 5 Gruppen eingeteilt und produzierten insgesamt 5 Raketenöfen. Abbildung 2 zeigt einen der während des Unterrichts montierten Öfen. Das Material, das für die Herstellung der Öfen benötigt wurde, wurde im Wissenschaftslabor selbst gefunden und die Reste von festen Abfällen (Steine) auf dem Schulhof gefunden, der gerade renoviert wurde.

Der Bau der Öfen fand im Außenbereich der Schule statt, wo die Schüler das notwendige Material sammeln konnten, so dass die Prinzipien von Winiarski und Danas geometrischen Parametern zur Optimierung des Gerätebetriebs folgten.

Abbildung 2: Raketenofen mit Ziegelsteinen aus Schulresten gebaut.

Quelle: eigene Urheberschaft.

Nach dem Experiment wurde ein Bericht mit folgender obligatorischer Struktur vorgeschlagen, um das Lernen der Schüler qualitativ zu bewerten: Einführung, Materialien und Methoden und Schlussfolgerungen.

5. ERGEBNISSE UND DISKUSSIONEN

Der Bau des Raketenofens bot Raum für ausgiebige Diskussionen, die mit traditionelleren Drehbüchern von Physikexperimenten für die High School nur schwer zu bewältigen wären. Die Methodik führte zum Thema erneuerbare und nicht erneuerbare Energien, Diskussionen über den Treibhauseffekt, der hauptsächlich durch Gase verursacht wird, die bei der Verbrennung von Biomasse emittiert werden. Eine weitere Diskussion, die von den Schülern selbst aufgeworfen wurde, war die Frage der Effizienz, die mit geometrischen Parametern und Konzepten der Physik erreicht werden konnte.

In den Abschlussberichten der Praxis wiesen die Studierenden eine große Bedeutung experimenteller Praktiken in diesem Stil zu, in dem Theorien praktische und einfache Anwendungen erhalten. Eine weitere relevante Beobachtung der Studierenden war die Tatsache, dass die Gruppeninteraktion auch die Assimilation der Physikkonzepte erleichterte, da theoretische Zweifel und mögliche Probleme bei der Montage des Experimentalofens in einer Weise gelöst wurden, in der sie sich sicher fühlten.

Das Experiment erhöhte den investigativen Charakter der Studenten und weckte Hypothesen über das Gesetz der Energieeinsparung, Übertragung und Ausbreitung von Wärme. Was die Rolle des Professors in den experimentellen Arbeiten betrifft, so ist es wichtig, die Pflicht hervorzuheben, ein Vermittler zu sein, indem ein einfaches und klares Übungsskript angeboten wird, d. h. die Schritte während der Montage und Durchführung des Experiments zu komplex und manchmal unnötig zu entfernen. Der Lehrer sollte, wenn er experimentelle Arbeiten vorschlägt, die mehr als ein physikalisches Konzept beinhalten, wie es hier der Fall ist, nicht in den Irrtum fallen, einfache Antworten auf Fragen und Schwierigkeiten zu geben. In seinem Drehbuch und seiner Performance hat er die Position, die Erkenntnisse der Schüler zu fördern, die durch soziale Interaktion und Vorwissen ihre Antworten finden.

Die qualitative Demonstration der Effizienz des Ofens im Vergleich zum traditionellen Drei-Stein-Ofen wurde von den Schülern in praktischer und einfacher Weise im Vergleich durchgeführt. Nach dem Bau der beiden Modelle der Öfen (der Drei-Stein- und Raketenofen), gab es eine reflektierende Debatte, wo die Gruppen zu dem Schluss kamen, dass der beste Weg, um Effizienz ohne Berechnungen zu testen, wäre, mit Hilfe einer Waage gleiche Mengen an Holz für die beiden Öfen zu wiegen. So würden zwei gleiche Aluminiumpfannen mit gleicher Wassermenge gleichzeitig in die beiden Öfen gestellt. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Ofen, der das Wasser zuerst kochen ließ und mit der geringsten Menge an verbranntem Kraftstoff, die beste Effizienz wäre. Mit dem Test und der positiven Bestätigung der nachgewiesenen Hypothese war die Begeisterung der Schüler mit dem Produkt ihrer experimentellen und theoretischen Bemühungen berüchtigt.

6. ANOTHER PROPOSAL FOR EXPERIMENTAL PRACTICE FOR A QUANTITATIVE APPROACH

Der Raketenofen kann auch in einer fortgeschritteneren Physikklasse verwendet werden, die bereits Kenntnisse über Wärmeübertragungstheorie und Massentransfers hat.

Die Technik wurde von Okonkwo et al (2017) angewendet, um die Effizienz eines von ihnen entwickelten Prototyps zu testen. Für die Analyse sollte das Energieeinsparungsgesetz (RAJPUT, 2010) angewendet werden:

Für den Raketenofen ist die Eingangsenergie mit der im Holz gespeicherten Energie nach der folgenden Gleichung verbunden:

Wo Mm ist die Masse des Holzes, Lm Wärme von Holz, Mc die Masse der Kohle. Die Ausgangsenergie basiert auf der an das Wasser übertragenen Energie, die modelliert wird durch:

Als Ma die anfängliche Masse des Wassers, Cp die spezifische Wärme des Wassers, die Temperaturvariation bis zum Kochen ist ΔT ,Me die Masse des verdunsteten Wassers und L latente Wärme der Verdampfung des Wassers. Bei diesem Modell werden Fahrverluste nicht berücksichtigt, so dass sie durch Energieänderungen für den Ofen berücksichtigt werden. Konvektions- und Strahlungsverluste können für Herd und Pfanne auf der Grundlage der Oberflächentemperaturen während der Verbrennung berechnet werden. Die Konvektion wird nach dem Kühlgesetz von Newton modelliert:

Wobei q Wärmeübertragung, Wärmeübergangskoeffizient h, Oberfläche a, Oberflächentemperatur Ts und TLuftstrahlungstemperatur in der Umgebung ist. Es ist nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann modelliert:

Wo ist die übertragene Wärme, ist die Emissivität, ist die Stefan-Boltzamann-Konstante, wird von , T4 Umgebungstemperatur der Flüssigkeit und Ts4 Oberflächentemperatur absorbiert. Die Energieübertragungen basieren auf den Bedingungen der Massen auf Herd und Pfanne. Gespeicherte Energiebegriffe basieren auf materialspezifischer Wärme nach der folgenden Gleichung:

Wobei m die Masse, cp spezifische Wärme und Temperaturvariation von ΔT  ist. Daher bestimmen grundlegende Theorien der Wärmeübertragung, kombiniert mit dem Gesetz der Energieeinsparung, das Ausmaß und die Lage der Wärmeverluste des Ofens. Verwendung der folgenden Gleichung (TUKANA, 1993):

Und schließlich kann die Effizienz durch Ausdruck des Verhältnisses zwischen Ausgangs- und Eingangsenergien berechnet werden:

Für diesen Vorschlag mit einem quantitativeren Fokus wird der Lehrer in der Lage sein, den Raketenofen in experimentellen Klassen zu unterrichten: die Menge an Wärme, spezifische Wärme, latente Wärme, Energieeinsparung, erstes Gesetz der Thermodynamik, Stefan-Boltzmanns Gesetz und andere Themen der Thermodynamik.

7. ABSCHLIEßENDE ÜBERLEGUNGEN

Vorschläge für experimentelle Praktiken sollten, wenn sie in den Lehrplan aufgenommen werden, die Realität des schulischen Umfelds berücksichtigen, in das sie eingefügt werden. Daher ist das Kriterium bei der Wahl notwendig, um die Studenten in die Aktivitäten einzubeziehen. Die zu mühsamen Schritte in der Montage, Messungen und Berechnungen der Aktivitäten müssen durchdacht werden, damit sie den Schüler nicht vom wesentlichen Ziel ablenken.

Die wissenschaftlichen Kenntnisse der Physik haben an sich die Dimension, notwendigerweise, das theoretische Verständnis der Konzepte, aber auch den Beweis durch Experimente. Diese beiden Dimensionen ergänzen sich. Daher wird die experimentelle Praxis im Prozess der didaktischen Umsetzung untrennbar mit der Theorie verbunden.

Die Wahl des divergierenden Labors ermöglicht ein Umfeld kreativer Freiheit, Gruppeninteraktion, Erprobung und Widerlegung von Hypothesen auf dynamische und partizipative Weise. Der Lehrer muss jedoch in der Lage sein, Möglichkeiten aufzuzeigen, ohne direkte Antworten und Lösungen auf die Schwierigkeiten der Schüler zu geben, denn bei dieser Art von Vorschlag nehmen sie eine Position der Autonomie ein.

Kurz gesagt, die Wahl eines Experiments mit kostengünstigen Materialien, nachhaltige Vorschläge und Montage durch die Schüler selbst wird vorteilhaft in Schulen, wo es keine Laborressourcen. Die experimentelle Praxis des Raketenofens bot eine multidisziplinäre Möglichkeit, die über das einfache Lehren thermodynamischer Themen und experimentelle neratoische Belege für Die in theoretischen Klassen gesehene Fächer hinausgeht. Die Schüler fühlten sich mit einem Experiment verbunden, das für viele von ihnen ein alltägliches Problem mit sich gab.

8. Danke

Ich danke der Stiftung für Forschungsförderung (FAPESQ-PB) von Paraba für das Stipendium der Lehrerfortbildung des Edikts Nr. 009/2019 als Stipendienkontingente des Gira Mundo Israel Semi-arid Programms, das von der Regierung des Staates Paraba gewährt wurde.

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Errata

Dieser Artikel stellt die folgenden Erratas vor:

In dieser Arbeit haben wir uns für das divergierende Labor entschieden, weil seine Dynamik es dem Schüler ermöglicht, reale physikalische Systeme zu arbeiten, was den Ansatz von ebenso realen Problemen ermöglicht, deren Antworten nicht vorgefasst sind. Darüber hinaus können die Studierenden wählen, welches Schema und verfahren während des Studiums anzuwenden ist. In der Übungsphase müssen alle Schüler eine Reihe von Fragen beantworten, die allen Schülern gemeinsam sind, Verfahren, Maßnahmen, die alle auf die Ausbildung für die zweite Stufe abzielen. In der zweiten Phase entscheiden die Schüler, welche Tätigkeit sie ausüben, welche Ziele und Hypothesen getestet werden sollen, unmittelbar nach der Interaktion mit dem Lehrer kann es zu Änderungen und eventuellen Korrekturen sowie zur Überprüfung der Lebensfähigkeit des verfügbaren Materials und der Zeit für die Durchführung des Experiments kommen (PINHO-ALVES, 2000; BORGES, 2002).

Die Parameter beziehen sich auf die Größe des Schornsteins, der Brennstoffkammer und der Lufteinlass- und Auslassöffnungen des Feuers. Wenn die Öffnungen zu klein sind, werden Sie nicht in der Lage sein, den Kraftstoff richtig zu verbrennen und Rauch erzeugen. Auf der anderen Seite, wenn die Öffnungen zu groß sind, entweicht die Wärme und wird nicht effizient verwendet, um die Pfanne durch Erschöpfung zu erwärmen. Die Abmessungen der Parameter folgen den Prinzipien von Winiarski (1982) und die geometrischen Parameter werden durch die Formeln von Okonkwo et al (2017) und Dana (2009) gefunden, die sind:

[1] PhD in Condensed Matter Physics, Master in Condensed Matter Physics, Spezialist für Physik lehrsammethodisch und Grad in Physik.

Eingesandt: Juli 2020.

Genehmigt: Juli 2020.

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