Stova a razzo come proposta di pratica sperimentale per l’insegnamento della Fisica

ARTICOLO ORIGINALE

SILVA, Rafael Leal da ^[1]

SILVA, Rafael Leal da. Stova a razzo come proposta di pratica sperimentale per l’insegnamento della fisica. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Anno 05, Ed. 07, Vol. 02, pp. 28-42. luglio 2020. ISSN: 2448-0959, collegamento di accesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/fisica-it/stova-a-razzo

RIEPILOGO

Le pratiche sperimentali consentono agli studenti di un ambiente in cui l’apprendimento avviene in modo interattivo, dando così loro l’opportunità di creare ipotesi e testarli in un ambiente in cui l’insegnante è il mediatore nel processo di insegnamento-apprendimento. A causa della scarsa offerta di laboratori attrezzati in alcune località, è necessario ricorrere ad alternative, in particolare quelle con proposte a basso costo e sostenibili. Questo articolo presenta risultati qualitativi e una proposta per l’insegnamento di argomenti termodinamici utilizzando come oggetto didattico la stufa a razzo, che è stata studiata in tutto il mondo per essere meno inquinante e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alle stanche che utilizzano biomassa disponibile per le regioni economicamente vulnerabili del mondo. Poiché è un tema comune per la maggior parte degli studenti coinvolti, nell’attività proposta in questo articolo la stove a razzo, oltre a facilitare l’insegnamento dei concetti di fisica, ha permesso una discussione sulla sostenibilità nel contesto della classe sperimentale. La pratica sperimentale è stata fatta nell’ambito della proposta del laboratorio divergente, perché in questo tipo di ambiente, lo studente ha più libertà di essere il principale promotore del loro processo di apprendimento, oltre a consentire una partecipazione interattiva tra i gruppi. Una proposta quantitativa basata sugli studi di Okonkwo et al (2017) è anche presentata in questo articolo per una classe di fisica più avanzata. In generale, dopo la performance e durante l’esperimento, l’entusiasmo degli studenti sul modo in cui stavano imparando la fisica era noto, per andare oltre la metodologia rigida tradizionale delle classi teoriche.

Parole chiave: stufa a razzo, insegnamento di fisica, pratiche sperimentali, laboratorio divergente.

1. INTRODUZIONE

L’insegnamento della fisica deve affrontare grandi sfide per quanto riguarda la trasposizione didattica. Il modo tradizionale di insegnare è stato criticato dai ricercatori nell’insegnare come non essere efficienti per superare la crisi educativa di questa disciplina in Brasile. Tra le proposte per risolvere i problemi, l’insegnamento che utilizza pratiche sperimentali come strumento è stato sottolineato come di fondamentale importanza, dal momento che la fisica ha un carattere sperimentale che non può essere dissociato dalla disciplina (PINHO-ALVES, 2002; FARIA e CARNEIRO, 2020; FORCE et al, 2011; KANBACH et al, 2005; ANDRADE, 2009).

Pinho-Alves (2000) richiama l’attenzione sull’uso del laboratorio didattico come processo di insegnamento. Da questo punto di vista, ha il potere di mediare e mettere in guardia contro il vecchio paradigma che lo vedeva solo come un metodo sperimentale. Pertanto, le prestazioni nello spazio scolastico con gli studenti devono tener conto della trasposizione didattica che rende più accessibile il processo di trasformazione della conoscenza per insegnare quando insegnato conoscenza (PINHO-ALVES, 2000). Inoltre, secondo lui, la trasposizione didattica avverrà attraverso il costruttivismo nel modo di affrontare la produzione della scienza durante il processo di insegnamento-apprendimento.

Per l’applicazione di progetti di pratiche sperimentali come partecipante alla trasposizione didattica, è necessario conoscere la realtà dell’ambiente scolastico, così come il contesto socioculturale dell’istituzione, il progetto politico pedagogico e la legislazione educativa. Tutti questi fattori influenzano l’uso dei laboratori didattici nelle scuole. Oltre ai fattori già menzionati, vi è il processo di educazione degli insegnanti legato alla resistenza da parte della scuola e dei dirigenti pedagogici ai cambiamenti nel modo tradizionale di insegnare. Affrontando questa influenza delle persone coinvolte nell’ambiente scolastico, Pinheiro commenta la difficoltà di includere il laboratorio didattico nell’insegnamento:

Per lui, i gruppi di noosfera legati alla comunità scolastica competono in modo più marcato, come la direzione delle scuole pubbliche, i proprietari di istituti scolastici, i supervisori e i consulenti educativi, la comunità dei genitori e degli insegnanti. Ci sono innumerevoli aspetti che contribuiscono alla definizione della conoscenza da insegnare, ma possiamo identificare che è definita dalla possibilità di un controllo sociale e giuridico dell’apprendimento. (PINHEIRO, 1996)

Dal punto di vista costruttivista, le attività sperimentali semplificano il processo didattico, dove l’insegnante è manipolatore di questo strumento. Così, nella trasposizione costruttivista, l’esperimento non è più un obiettivo da insegnare, ma piuttosto un elemento aggregato nel processo di acquisizione della conoscenza. Pertanto, con questo obiettivo, la sua applicazione dovrebbe essere caratterizzata da versatilità, in modo che assuma un carattere di mediazione (PINHO-ALVES, 2002).

Quando si implementa l’uso del laboratorio e di tutte le dinamiche coinvolte, è necessario scegliere quale tipo di laboratorio utilizzare. In contrasto con il modello di laboratorio tradizionale, che enfatizza la verifica o la prova di diritto e anche l’esplorazione dei concetti di esaurimento, il laboratorio divergente ha come obiettivo principale, per consentire allo studente di decidere il sistema e la procedura sperimentale da adottare (PINHO-ALVES, 2002).

Per quanto riguarda l’applicazione del laboratorio divergente, ci sono due fasi. La prima fase, chiamata “esercizio”, si verifica nel momento in cui gli studenti svolgono attività e si adattano alle attrezzature e agli strumenti di misure e tecniche sperimentali, così come la teoria presentata. In questa fase, lo scopo principale è la formazione degli studenti. Nella seconda fase, nota come “sperimentazione”, lo studente sceglierà quale attività svolgerà, così come i loro obiettivi, ipotesi e quali misure eseguiranno. Dopo la pianificazione, gli studenti dovrebbero discutere con l’insegnante, al fine di considerare eventuali correzioni delle loro conclusioni, oltre alla fattibilità dei materiali da utilizzare entro il periodo previsto della pratica sperimentale (PINHO ALVES, 2000; BORGES, 2002). Grazie alla sua versatilità e possibilità di modifica al di fuori degli standard rigidi dei laboratori tradizionali, il laboratorio divergente è stato adottato come strumento in questo lavoro.

Anche nell’ambito delle pratiche sperimentali, Pearce (2007) sostiene l’utilizzo di progetti tecnologici volti alla sostenibilità, oltre a proporre materiali che possano essere utilizzati in luoghi di difficile accesso ai laboratori didattici a causa delle condizioni sociali in diversi paesi sottosviluppati. Per quanto riguarda l’insegnamento della termodinamica, Pearce indica esperimenti con raffreddamento evaporativo, stordimenti/forni, fornello solare, disidratatore alimentare e altri dispositivi di uso solare.

In Brasile, la matrice di energia da biomassa corrisponde a un quinto di tutta l’energia consumata nel paese (MAIA e GOMES, 2009). Ciò apre spazio a un’ampia discussione sia nel senso di fisica puramente detta, sia su argomenti più generali come il riscaldamento globale, l’effetto serra, la deforestazione, la conservazione ambientale, l’emissione di gas tossici e il pericolo per la salute. Tali argomenti difficilmente sarebbero affrontati in una classe di fisica tradizionale quando si insegnano gli argomenti della termodinamica (MA-ORRA et al, 2019; GOLDEMBERG e LUCON, 2007; SILVA, 2019; SANTOS, 2017; CARVALHO, 2014).

Questo documento presenta una proposta pedagogica di pratica sperimentale utilizzando la stiva a razzo come oggetto di studio perché permette un approccio multidisciplinare ai temi: energie rinnovabili, sostenibilità, esperimenti con materiali a basso costo e insegnamento della termodinamica in modo più vicino alla vita quotidiana degli studenti.

2. SPERIMENTAZIONE NELL’INSEGNAMENTO DELLA FISICA

Sia gli organizzatori di piani di studio che gli insegnanti, quando utilizzano il lavoro pratico, incontrano difficoltà, come sottolinea Hodson (1994). In generale, queste difficoltà si verificano a causa di barriere inutili che ostacolano l’apprendimento da informazioni eccessive. Pertanto, Hodson sostiene che due strategie possono essere adottate. Il primo: adottare un approccio ricetta in cui l’esperimento ha un obiettivo semplice e una roadmap passo-passo. Il secondo: un comportamento casuale che fa apparire lo studente occupato.  Qui, c’è bisogno di attenzione quando si propone una pratica sperimentale, eliminando i passi molto elaborati ed evitando di prestare troppa attenzione alle misure di una singola variabile (HODSON, 1994).

Per lui, l’insegnamento della scienza ha tre principali aspetti convergenti rilevanti:

1. 1. 1. Imparare la scienza acquisendo e sviluppando conoscenze teoriche e concettuali;
      2. Conoscere la natura della scienza sviluppando una comprensione della natura e dei metodi della scienza, essendo consapevoli delle complesse interazioni tra conoscenza e sviluppo sociale;
      3. Pratiche scientifiche, sviluppo di conoscenze tecniche sulla ricerca scientifica e sulla risoluzione dei problemi. (HODSON, 1994)

Proprio come la sperimentazione è fondamentale per renderla scientifica, deve essere fondamentale nell’insegnamento della scienza.  Secondo Hodson (1994), gli organizzatori e gli insegnanti ancora non distinguono tra la pratica sperimentale e il processo di insegnamento-apprendimento. Egli afferma anche che molti commentano l’errore di comprendere la pratica sperimentale solo come quel tipo di lavoro fatto su un banco di laboratorio.

Pur essendo uno strumento con comprovata efficacia nell’insegnamento, la sperimentazione è criticata nel senso della sua applicazione, poiché ci sono pratiche troppo complesse che potrebbero essere più dannose per l’insegnamento che efficaci. Per Séré (2002), ci sono diversi modi per includere pratiche sperimentali nell’insegnamento, con risultati diversi:

1. 1. 1. Comprendere teoria, concetti, modelli, leggi, ragionamento specifico, che spesso differiscono in particolare dal ragionamento attuale;
      2. Impara l’intera teoria;
      3. Eseguire esperimenti che mostrino una serie di realtà, fatti e strumenti che utilizzano teorie e procedure, per acquisire esperienza, che confermino l’esperienza;
      4. Imparare le procedure e i percorsi per poterli utilizzare quando si eseguono altri esperimenti in altri contesti;
      5. Imparare a utilizzare le conoscenze teoriche apprese in modo che sia presente e utilizzato quando si tratta di eseguire un processo di ricerca completo. (SÉRÉ, 2002)

È quindi necessario individuare l’approccio migliore all’interno di ogni situazione quando si applicano pratiche sperimentali. A seconda dell’approccio scelto, le attività pratiche possono avere i seguenti obiettivi, come afferma Borges (2002): servire a testare una legge, illustrare idee e concetti di classi teoriche e dedurre una formula o una legge su un fenomeno. La raccomandazione è quella di dividere gli studenti in piccoli gruppi, facilitando l’interazione nella preparazione dell’esperimento e consentendo lo scambio di idee. Un altro vantaggio sottolineato è la natura informale delle pratiche sperimentali che contrasta con il formalismo e la rigidità delle classi teoriche (BORGES, 2002).

Ci sono anche critici di pratiche sperimentali nell’insegnamento, sostenendo che sono inefficaci per gli studenti, perché un sacco di tempo è speso in dettagli importanti nel processo di insegnamento, come; dell’esperimento, della raccolta dei dati, del test delle equazioni e della verifica dei risultati precedentemente determinati. In questo punto di vista critico delle pratiche sperimentali, gli studenti non dedicano abbastanza tempo all’analisi e all’interpretazione dei risultati e che tali attività avranno poca efficacia (COELHO et al, 2000).

Tra le principali difficoltà nell’introduzione dell’insegnamento scientifico con i laboratori, Pinho-Alves (2000) sottolinea il pericolo di avere diversi obiettivi non compatibili nella stessa attività. Per lui e per gli altri autori, si dovrebbe cercare modi più creativi ed efficienti, con obiettivi ben definiti, cercando di utilizzare metodologie che rendono l’insegnamento sperimentale e l’insegnamento teorico d’accordo, permettendo di integrare la pratica e la teoria e quindi, di conseguenza, l’esperimento è servito come base per la teoria.

In un contesto più generale, quando si scarta l’uso dei laboratori nell’insegnamento della scienza, ciò che accade è che l’insegnamento è ridotto a un mero sistema astratto di definizioni, formule, leggi ed esercizi, senza connessione con il carattere fondamentale delle scienze che ha l’esperimento come principale agente di scoperta. Le teorie della fisica hanno la loro costruzione in modelli matematici, tuttavia, senza prove sperimentali non sarebbe possibile ottenere una comprensione di come funziona la natura e perché (AXT, 1991).

Per Pinho-Alves (2000), la sperimentazione nell’insegnamento richiede un tipo di laboratorio adatto a ogni realtà e che sia conforme agli obiettivi delle istituzioni educative e degli insegnanti. I tipi di laboratori dovrebbero essere studiati dal punto di vista delle loro caratteristiche.

In questo lavoro, abbiamo scelto il laboratorio divergente, perché la sua dinamica permette allo studente di lavorare sistemi fisici reali, permettendo l’avvicinarsi di problemi altrettanto reali le cui risposte non sono preconcette. Inoltre, gli studenti possono scegliere quale schema e procedura adottare durante lo studio. Nella fase di esercizio, tutti gli studenti devono rispondere a una serie di domande comuni a tutti gli studenti, procedure, misure, tutte mirate alla formazione per la seconda fase. Nella seconda fase, gli studenti decidono quale attività svolgeranno, i loro obiettivi e le ipotesi da testare, subito dopo l’interazione con l’insegnante, ci possono essere modifiche ed eventuali correzioni, nonché la verifica della fattibilità del materiale disponibile e del tempo per eseguire l’esperimento (BORGES, 2002).

3. ROCKET STOVE

Nell’ambito dell’approccio di laboratorio divergente, è stata fatta una pratica che coinvolge le stufa a razzo. Seguono i principi di progettazione di Winiarski (1982) e il lavoro congiunto di Still e Winiarski (2001) che aiutano nell’efficienza energetica rispetto ad altre stupefacenti che utilizzano la biomassa come fonti energetiche. Le dimensioni delle aperture della stesa sono importanti in quanto devono essere dimensionate. Se le aperture sono piccole, la biomassa non può essere bruciata correttamente e il fumo può tornare al sito di combustione. Allo stesso modo, se le aperture sono grandi, il calore non verrà trasmesso alla padella in fuga attraverso l’esaurimento. In questo lavoro, abbiamo usato il modello di stufa a razzo di tipo knee, secondo il diagramma in Figura 1.

Figura 1: Schema di stufa a razzo tipo ginocchio. La base più piccola è costituita da uno scaffale che funge da supporto per il carburante e un ingresso per il flusso d’aria. La parte più grande e interna è la camera di combustione dove il flusso d’aria incontra la fiamma. L’esterno, in questo esempio, è il metallo e, in alto, la presa alla fiamma e l’apertura per posizionare la padella.

La deforestazione è un problema in molti paesi dell’Asia meridionale.  La sostituzione delle tradizionali tute a tre bruciatori con le stufa a razzo ha ridotto il consumo di legno in media da 3,68 tonnellate a 2.706 tonnellate all’anno in ogni famiglia. C’è una grande domanda di energia da parte di persone che vivono nelle zone rurali del Nepal dipendenti da fonti di biomassa. Circa il 64% della popolazione nepalese utilizza il legno come principale fonte di energia per cucinare (SUBEDEE et al, 2017).

In alcune regioni del mondo, a causa della deforestazione e di altri fattori, il combustibile principale utilizzato per le stanchesche è la mandibole secca. Tuttavia, è meno efficiente dal punto di vista energetico rispetto al legno e al carbone (WITT et al, 2006). Come risultato del prototipo di stanchezza a razzo che utilizza il letame come combustibile, rispetto ad altre stupeche che non seguono i principi di Larry Winiarski (1982), l’articolo presenta che nella prova dell’acqua bollente, il prototipo è più efficiente dal punto di vista energetico e ha ridotto le emissioni di CO del 44% rispetto al fuoco direttamente nel legno. Dimostrando che si tratta di un prototipo promettente abbassando i livelli di inquinamento e riducendo le perdite economiche derivanti dall’uso di grandi quantità di carburante.

Ochieng et al. (2013) e i loro collaboratori hanno studiato l’emissione di monossido di carbonio (CO) in 102 famiglie per confrontare le differenze di emissione tra tre tipi di fornelli utilizzati in questa regione, le tradizionali sforato a tre pietre e stove a razzo argilloso. Effettuando misurazioni continue per 48h nelle cucine di queste residenze, mentre le concentrazioni di cucina e personale CO erano rispettivamente di 7,3 e 6,5 ppm per le stove a tre pietre, le concentrazioni corrispondenti per le stove a razzo erano di 5,8 e 4,4 ppm. Tenendo conto della posizione della cucina, della ventilazione, dello stato socioeconomico e della concentrazione della miscela di combustibile, l’uso di stordite a razzo argilloso ha ridotto i livelli di co associati alla cucina del 33% e i livelli personali del 42% rispetto alla sforatrice a tre pietre.

I risultati di questo studio mostrano che l’uso della biomassa come combustibile nelle cucine aumenta i livelli di co all’interno delle case. Questo tipo di uso è abbastanza comune nelle famiglie rurali del Kenya occidentale. Anche se la concentrazione di CO è più bassa nelle famiglie che utilizzano stufa a razzo, esse rimangono complessivamente elevate, suggerendo che potrebbero non produrre benefici significativi per la salute respiratoria. Una riduzione sostanziale delle concentrazioni di CO può avere conseguenze per la salute derivanti dal livello di esposizione al CO. Tali conseguenze devono essere condotte in ulteriori indagini.

Burnham-Slipper (2009) ha prodotto una stufa a razzo che ha mostrato buoni risultati nell’ottimizzazione dell’uso del legno, riducendo la quantità di carburante necessaria per le attività quotidiane, riducendo le emissioni di carbonio e migliorando la qualità della vita, soprattutto per donne e bambini. Al lavoro, ha utilizzato un programma di fluidodinamica computazionale per ottimizzare le condizioni di carburante. In un primo momento, la fase sperimentale ha caratterizzato la velocità di combustione, la temperatura della velocità di combustione del gas.

Winiarski (1982) presenta i principi per l’ottimizzazione delle stanche che utilizzano il legno come combustibile. La stesa a razzo usata qui, si basa su di loro. Sono:

1. 1. 1. isolare intorno al fuoco utilizzando materiali resistenti alla luce e al calore;
      2. Posizionare un camino isolante sopra il fuoco per reindirizzare il fumo;
      3. Riscaldare le estremità delle aste, bastoni e legna da ardere prima di incendiarli in modo che facciano fiamme e non fumono;
      4. Più calore o meno calore dipende da quanti bastoni sono collocati nel fuoco;
      5. Tenere un buon bastone sotto il fuoco, attraverso la brace. Evitare di lasciare troppa aria in più sopra il fuoco per raffreddarlo;
      6. Piccolo bastone che viene tirato nel fuoco si tradurrà in fumo e carbone in eccesso;
      7. Mantenere il flusso d’aria al fuoco, lo spazio all’interno della stove, attraverso il quale scorre l’aria calda e il camino deve essere dello stesso spessore;
      8. Utilizzare una griglia sul fuoco;
      9. Isolare il percorso del flusso di calore dal fuoco intorno alla padella;
      10. Massimizzare il trasferimento di calore nella padella con aperture di dimensioni appropriate. (WINIARSKI, 1982)

Le stufa a razzo possono essere prodotte con i materiali più svariati di facile accesso e basso costo, come lattine di metallo, argilla, mattoni, legno, ecc. Gandigue e Nagarhalli (2018) presentano una revisione dei principali tipi di montanti a razzo e parametri che influenzano i miglioramenti dell’efficienza in ogni modello.

I parametri sono relativi alle dimensioni del camino, della camera di combustibile e dell’uscita dell’aria e delle aperture di uscita dell’incendio. Se le aperture sono troppo piccole, non sarà in grado di bruciare il carburante correttamente e genererà fumo. D’altra parte, se le aperture sono eccessivamente grandi, il calore fuoriesce e non verrà utilizzato in modo efficiente per riscaldare la padella per esaurimento. Le dimensioni dei parametri seguono i principi di Winiarski (1982) e i parametri geometrici sono trovati dalle formule di Dana (2009), che sono:

Le variabili geometriche nelle equazioni (01), (02), (03) e (04) sono rispettivamente: K è l‘altezza del camino alla fine della camera di combustione, J è l’altezza della camera di combustione, altezza H_c  del camino della base della stove, L la lunghezza della base in cui il carburante e l’apertura saranno posizionati per il flusso d’aria e A è l’area della camera di combustione.

4. METODOLOGIA

L’attuale lavoro è stato sviluppato nelle classi di pratiche sperimentali in un comune di Paraba. I risultati qui presentati costituiscono una ricerca qualitativa per presentare un approccio sperimentale agli argomenti della fisica che dialogano con altre discipline e si collegano al contesto sociale degli studenti dei sostenzioni di Paraiba.

Inizialmente, gli studenti sono stati esposti al contenuto di termologia, calorimetria e termodinamica e ai principi di funzionamento del progettista della stiva a razzo nelle classi teoriche della fisica. Due sezioni di classi sperimentali sono state distribuite nel primo semestre del 2020, e in ogni sezione 4 classi sperimentali sono state tenute. Gli studenti sono stati divisi in 5 gruppi e hanno prodotto un totale di 5 montanti a razzo. Figura 2 Mostra una delle stove montate durante la lezione. Il materiale necessario per la produzione delle stovie è stato trovato nel laboratorio scientifico stesso e i resti di rifiuti solidi (mattoni) trovati nel cortile della scuola che era in fase di ristrutturazione.

La costruzione delle stanche si è svolta nell’area esterna della scuola dove gli studenti erano liberi di raccogliere il materiale necessario, seguendo così i principi di winiarski e i parametri geometrici di Dana per ottimizzare il funzionamento dell’apparato.

Figura 2: stoviglie a razzo costruite con mattoni di detriti di rifacimenti scolastici.

Dopo l’esperimento, al fine di valutare qualitativamente l’apprendimento degli studenti, è stata proposta una relazione con la seguente struttura obbligatoria: introduzione, materiali, materiali e metodi e conclusioni.

5. RISULTATI E DISCUSSIONI

La costruzione della stiva a razzo fornì uno spazio per ampie discussioni, che sarebbe difficile avvicinarsi con script più tradizionali di esperimenti di fisica per le scuole superiori. La metodologia ha portato al tema delle energie rinnovabili e non rinnovabili, discussioni sull’effetto serra causato principalmente dai gas emessi nella combustione della biomassa. Un’altra discussione sollevata dagli studenti stessi è stata la questione dell’efficienza che potrebbe essere raggiunta utilizzando parametri geometrici e concetti di fisica.

Nei rapporti finali della pratica, gli studenti hanno attribuito grande importanza delle pratiche sperimentali in questo stile in cui le teorie acquisiscono applicazioni pratiche e semplici. Un’altra osservazione rilevante degli studenti è stata il fatto che l’interazione di gruppo ha anche facilitato l’assimilazione dei concetti di fisica, perché i dubbi teorici e possibili problemi con l’assemblaggio della stufa sperimentale sono stati risolti in un modo in cui si sentivano sicuri.

L’esperimento ha sollevato il carattere investigativo negli studenti, sollevando ipotesi sulla legge di conservazione dell’energia, trasferimento e propagazione del calore. Per quanto riguarda il ruolo del professore nelle opere sperimentali, è importante sottolineare il dovere di essere un mediatore, offrendo uno script di pratica semplice e chiaro, cioè rimuovendo i passaggi troppo complessi e talvolta inutili durante l’assemblaggio e l’esecuzione dell’esperimento. L’insegnante, nel proporre opere sperimentali che coinvolgono più di un concetto fisico, come avviene in questo caso, non dovrebbe cadere nell’errore di fornire risposte facili a domande e difficoltà. Nella sua sceneggiatura e nella sua performance, ha la posizione di promuovere le scoperte degli studenti, che, attraverso l’interazione sociale e la conoscenza preventiva, troveranno le loro risposte.

La dimostrazione qualitativa dell’efficienza della sforatiera, rispetto alla tradizionale sforatiera a tre pietre, è stata condotta dagli studenti in modo pratico e semplice in confronto. Dopo la costruzione dei due modelli di stufa (la stufa a tre pietre e a razzo), c’è stato un dibattito riflessivo in cui i gruppi sono giunti alla conclusione che il modo migliore per testare l’efficienza senza fare calcoli, sarebbe pesare, con l’aiuto di una scala, pari quantità di legno per le due stufa. Così, due padelle di alluminio uguali contenenti uguali quantità di acqua sarebbero collocate contemporaneamente nelle due stufa. Hanno concluso che la stufa che ha fatto bollire l’acqua prima e con la minor quantità di carburante bruciato, sarebbe la migliore efficienza. Con il test e l’affermazione positiva dell’ipotesi provata, l’eccitazione degli studenti con il prodotto dei loro sforzi sperimentali e teorici era nota.

6. UN’ALTRA PROPOSTA PER PRATICA DI LAVORO PER UN APPROCCIO QUANTITATIVO

La stufa a razzo può essere utilizzata anche in una classe di fisica più avanzata che ha già conoscenze sulla teoria del trasferimento di calore e sui trasferimenti di massa.

La tecnica è stata applicata da Okonkwo et al (2017) per testare l’efficienza di un prototipo sviluppato da loro. Per l’analisi, dovrebbe essere applicata la legge sulla conservazione dell’energia (RAJPUT, 2010):

Per la stufa a razzo, l’energia di ingresso è correlata all’energia immagazzinata nel legno secondo la seguente equazione:

Dove M_m è la massa di legno, L_m calore del legno, M_c la massa di carbone. L’energia di uscita si basa sull’energia trasferita all’acqua, che è modellata da:

Essendo M_a la massa iniziale dell’acqua, C_p il calore specifico dell’acqua, la variazione di temperatura fino a quando l’ebollizione è ΔT, M_e la massa di acqua evaporata e L calore latente di vaporizzazione dell’acqua. In questo modello, le perdite di guida vengono ignorate, quindi sono considerate dai cambiamenti di energia per la stove. Le perdite di convezione e radiazioni possono essere calcolate per la stove e la padella in base alle temperature superficiali durante la combustione. La convezione è modellata dalla legge di raffreddamento di Newton:

Dove q è il trasferimento di calore, il coefficiente di trasferimento di calore h, la superficie A, la temperatura superficiale T_s e T_∞ temperatura di radiazione dell’aria nell’ambiente. È modellato dalla legge di Stefan-Boltzmann:

Dove è il calore trasferito, è l’emissività, è la costante Stefan-Boltzamann, viene assorbito da, T_∞⁴ temperatura ambiente del fluido e T_s⁴ temperatura superficiale. I trasferimenti di energia si basano sui termini delle masse sul fornello e nella padella. I termini energetici immagazzinati si basano sul calore specifico del materiale in base alla seguente equazione:

Dove m è la massa, C_p calore specifico e variazione di temperatura . Pertanto, le teorie fondamentali del trasferimento di calore, combinate con la legge di conservazione dell’energia determinano la grandezza e la posizione delle perdite di calore della stufa. Utilizzando la seguente equazione (TUKANA, 1993):

E infine, l’efficienza di svalutazione può essere calcolata dall’espressione del rapporto tra le energie di uscita e di input:

Per questa proposta con un focus più quantitativo, l’insegnante sarà in grado di utilizzare la stufa a razzo in classi sperimentali per insegnare: la quantità di calore, calore specifico, calore latente, conservazione dell’energia, prima legge della termodinamica, la legge di Stefan-Boltzmann e altri argomenti della termodinamica.

7. CONSIDERAZIONI FINALI

Le proposte di pratiche sperimentali, se incluse nel curricolo, dovrebbero tener conto della realtà dell’ambiente scolastico in cui è inserito. Pertanto, il criterio nella scelta è necessario per coinvolgere gli studenti nelle attività. I passi troppo laboriosi nell’assemblaggio, le misurazioni e i calcoli delle attività devono essere pensati in modo da non distrarre lo studente dall’obiettivo essenziale.

La conoscenza scientifica della fisica ha di per sé la dimensione, necessariamente, la comprensione teorica dei concetti, ma anche la prova attraverso gli esperimenti. Queste due dimensioni sono complementari. Pertanto, la pratica sperimentale diventa inseparabile dalla teoria nel processo di trasposizione didattica.

La scelta del laboratorio divergente consente un ambiente di libertà creativa, interazione di gruppo, test e confutazione di ipotesi in modo dinamico e partecipativo. Tuttavia, l’insegnante deve avere la posizione di indicare le possibilità senza dare risposte dirette e soluzioni alle difficoltà degli studenti, perché in questo tipo di proposta, assumono una posizione di autonomia.

In breve, la scelta di un esperimento con materiali a basso costo, proposte sostenibili e assemblaggio da parte degli studenti stessi diventa vantaggiosa nelle scuole dove non ci sono risorse di laboratorio. La pratica sperimentale della stove a razzo ha presentato una possibilità multidisciplinare che va oltre il semplice insegnamento di argomenti termodinamici e la prova sperimentale di soggetti visti nelle classi teoriche. Gli studenti si sono sentiti collegati a un esperimento che ha comportato un problema quotidiano comune per molti di loro.

8. Grazie

Ringrazio con forza la Fondazione di sostegno alla ricerca (FAPESQ-PB) per la continua concessione di formazione degli insegnanti dell’editto n. 009/2019 come quote di borse di studio del programma Semi-arido Di Gira Mundo Israele, concesse dal governo dello Stato di Paraba.

RIFERIMENTI

AXT, R. O papel da experimentação no ensino de ciências. Tópicos atuais em ensino de Ciências. Porto Alegre: Sagra, 1991.

BORGES, A.T. Novos rumos para o laboratório escolar de Ciências. Caderno Brasileiro .de Ensino de Física, v. 19, n. 3: p.291-313, 2002.

BURNHAM-SLIPPER, Hugh; CLIFFORD, Michael John; PICKERING, Stephen J. Breeding a Better Stove: the Use of Genetic Algorithms and Computational Fluid Dynamics to Improve Stove Design, 2009

CARVALHO, Ricardo Luis Teles de; SILVA, Adeildo Cabral da; LOMBARDO, Magda Adelaide. Saúde e risco ambiental: o caso dos usuários de fogão a lenha no estado do Ceará, região Nordeste do Brasil. Multidimensão e Territórios de Risco. Universidade de Coimbra, p. 513-517, 2014.

COELHO, et al. Conceitos, atitudes de investigação e metodologia experimental como subsídio ao planejamento de objetos e estratégias de ensino. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 17, n. 12: p. 122-149, 2000.

DA SILVA, Edson Araujo. O Ensino de Física e as Energias Renováveis. Revista Acervo Educacional (online), v. 1, p. e1309-e1309, 2019.

Dana, B. Design Manual: Rocket box cook stove. Appropriate infrastructure development group. 2009.

DE ANDRADE, Jorge Augusto Nascimento; LOPES, Nataly Carvalho; DE CARVALHO, Washington Luiz Pacheco. Uma análise crítica do laboratório didático de física: a experimentação como uma ferramenta para a cultura científica. 2009.

FARIA, Filipe Pereira; CARNEIRO, Marcelo Carbone. O papel da experimentação na história do ensino de Física no Brasil. Debates em Educação, v. 12, n. 26, p. 36-51, 2020.

FORÇA, Ana Claudia; LABURÚ, Carlos Eduardo; DA SILVA, O. H. M. Atividades experimentais no ensino de física: teoria e práticas. VIII ENCONTRO NACIONAL DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS, v. 7, 2011.

GANDIGUDE, Aashish; NAGARHALLI, Madhva. Review of Rocket Cook-Stove Geometrical Aspects for its Performance Improvement. Materials Today: Proceedings, v. 5, n. 2, p. 4743-4747, 2018.

GOLDEMBERG, José; LUCON, Oswaldo. Energy and environment in Brazil. Estudos avançados, v. 21, n. 59, p. 7-20, 2007.

HODSON, Derek. Hacia un enfoque más crítico del trabajo de laboratorio. Enseñanza de las ciencias: revista de investigación y experiencias didácticas, p. 299-313, 1994.

KANBACH, Bruno G.; LABURÚ, Carlos E.; SILVA, Osmar HM. Razões para a não utilização de atividades práticas por professores de física no ensino médio. Simpósio Nacional de Ensino de Física, v. 16, 2005.

MAIA, A.; GOMES, C. Possível uso da biomassa como alternativa para o fornecimento de energia do Brasil. Anais do XLI Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional, v. 197, 2009.

MAZORRA, Javier et al. Panorama do uso de fogões melhorados no Semiárido brasileiro. Sustainability in Debate/Sustentabilidade em Debate, v. 10, n. 2, 2019.

NOKOBUNVA. Rocket Stove, 2016. Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Rocket_Stove.png . Acesso em 20 de maio de 2020.

OCHIENG, C. A.; VARDOULAKIS, S.; TONNE, C. Are rocket mud stoves associated with lower indoor carbon monoxide and personal exposure in rural Kenya?. Indoor Air, v. 23, n. 1, p. 14-24, 2013.

OKONKWO, Ugochukwu C. et al. Development of a rocket stove using woodash as insulator. Journal of Engineering and Applied Sciences, v. 10, n. 1, p. 1-13, 2017.

PEARCE, Joshua M. Teaching physics using appropriate technology projects. The Physics Teacher, v. 45, n. 3, p. 164-167, 2007.

PINHEIRO, T.F. Aproximação entre a ciência do aluno na sala de aula da 1° série do 2° grau e a ciência dos cientistas: uma discussão. Dissertação de Mestrado. CED/UFSC. Florianópolis, SC. 1996.

PINHO ALVES, J. Regras da transposição didática aplicadas ao laboratório didático. Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis, v. 17, n. 2, p. 174-188, ag. 2000.

PINHO ALVES, José. Atividade experimental: uma alternativa na concepção construtivista. VIII Encontro de Pesquisa em Ensino de Física, 2002.

RAJPUT, R. K. A textbook of engineering thermodynamics. Firewall Media, 2010.

SANTOS, Pedro Vieira Souza. Elaboração de Projetos Práticos como Suporte ao Processos de Ensino-Aprendizagem de Física. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Edição 03. Ano 02, Vol. 01, p. 253-264, 2017.

SÉRÉ, M.G. La enseñanza em el laboratório? Qué podemos aprender em términos de conocimiento práctico y de actitudes hacia la ciência? Enseñaza de las Ciencias, v. 20, n. 3, p.357-368, 2002.

STILL, Dean; WINIARSKI, Larry. Increasing fuel efficiency and reducing harmful emissions in traditional cooking stoves. Boiling Point, v. 47, p. 36-39, 2001.

SUBEDEE, Bijay Raj et al. Use of Rocket stove for firewood savings and carbon emission reductions by the households involved in Allo (Girardinia diversifolia) fiber processing at Khar VDC, Darchula District, Nepal. International Journal of Latest Engineering and Management Research, v. 2, p. 28-35, 2017.

TUKANA, S.; LLOYD, C. R. Wood cookstoves in Fiji. Renewable energy, v. 3, n. 2-3, p. 165-172, 1993.

WINIARSKI, Larry. Ten Design Principles for Wood Burning Stoves. Retrieved May, v. 25, p. 2011, 1982.

WITT, Mark; WEYER, Kristina; MANNING, David. Designing a Clean-Burning, High-Efficiency, Dung-Burning Stove: Lessons in cooking with cow patties. Creswell Oregon: Aprovecho Research Center, 2006.

Errata

In questo articolo vengono presentate le seguenti errori:

In questo lavoro, abbiamo scelto il laboratorio divergente, perché la sua dinamica permette allo studente di lavorare sistemi fisici reali, permettendo l’avvicinarsi di problemi altrettanto reali le cui risposte non sono preconcette. Inoltre, gli studenti possono scegliere quale schema e procedura adottare durante lo studio. Nella fase di esercizio, tutti gli studenti devono rispondere a una serie di domande comuni a tutti gli studenti, procedure, misure, tutte mirate alla formazione per la seconda fase. Nella seconda fase, gli studenti decidono quale attività svolgeranno, i loro obiettivi e le loro ipotesi da testare, subito dopo l’interazione con l’insegnante, potrebbero esserci modifiche ed eventuali correzioni, nonché la verifica della fattibilità del materiale disponibile e del tempo necessario per eseguire l’esperimento (PINHO-ALVES, 2000; BORGES, 2002).

I parametri sono relativi alle dimensioni del camino, della camera di combustibile e dell’uscita dell’aria e delle aperture di uscita dell’incendio. Se le aperture sono troppo piccole, non sarà in grado di bruciare il carburante correttamente e genererà fumo. D’altra parte, se le aperture sono eccessivamente grandi, il calore fuoriesce e non verrà utilizzato in modo efficiente per riscaldare la padella per esaurimento. Le dimensioni dei parametri seguono i principi di Winiarski (1982) e i parametri geometrici sono trovati dalle formule di Okonkwo et al (2017) e Dana (2009), che sono:

^[1] Dottorato in Fisica della Materia Condensata, Maestro in Fisica della Materia Condensata, specialista in metodologia didattica fisica e laurea in fisica.

Inviato: Luglio 2020.

Approvato: luglio 2020.