LIITTEET

Muuttuva opettajakuva ja opetustavat, yhdistyvät oppiaineet, kokonaisopetus ja kehittyvä tietotekniikka, joka tuo tiedon yhä lähemmäksi jokaista ihmistä kohdistavat uusia vaatimuksia opetukseen. Kehityksen mukana on pysyttävä ja annettava oppilaille mahdollisuuksia selvitä tulevaisuuden yhteiskunnassa. Kuinka siis vastata suunnitelmallisiin tavoitteisiin käytännön opetustyössä erilaisten opetusmenetelmien avulla? Projektin tarkoitus on pohjautua paitsi opetussuunnitelmallisiin, myös oppilaiden asettamiin vaatimuksiin sekä uusien oppimisteorioiden tuloksiin. Ideana on tällöin yhdistää toimintamuotoja monipuolisesti oppiaineita integroiden, jolloin on mahdollista saavuttaa monikanavaisuutta erilaisten oppijoiden tueksi.

Käytännön toteutuksena materiaali yhdistää kestävän kehityksen, teknologiakasvatuksen, luovuuden, suunnittelutyön, rakentamisen ja tutkimisen osia toisiinsa. Työprosessissa käytetään suunnittelemalla oppimisen periaatteita, jossa oppilaille annetaan pääpiirteittäinen ongelma ja työtehtävä valmistaa aurinko-, tuuli- tai vesivoimalla toimiva käytännön tarpeeseen vastaava tuote. Oppilaat toimivat ryhmissä ja heidän tulee selvittää ratkaisuja myös tutkiviin kysymyksiin kirjallisten-, kuvallisten-, elektronisten- ja asiantuntijalähteiden, sekä oman toiminnan kautta. Projekti vaatii ongelmanratkaisukykyjen kehittämistä, yhteistoiminnallisuutta, tiedonhakua, itsenäisyyttä ja tiedollisissa ja taidollisissa valmiuksissa etenemistä. Prosessista on pidettävä kirjaa, valmistettava piirustukset, tehdä selvitys voiman käytöstä ja siirrosta, huolehtia tiedollisiin tavoitteisiin pääsystä ja toteuttaa itse esineen rakentaminen. Työskentelyssä käytetään myös tietoteknisiä apuvälineitä ja lopuksi kootaan tiedot ja saavutukset esitettävään muotoon muuta luokkaa varten.

Vastoin kuin yleisesti luullaan ei teknologiakasvatuksen tarkoitus ole toimia samalla tavalla käsitteellistä jäsentyneisyyttä kasvattavana tutkimustyylinä kuin luonnontieteellisten tutkimusten, vaan sen merkitys korostuu keksimisessä, suunnittelussa ja luovissa ratkaisuissa kohti tuotteen valmistamista. Toki nämä osa-alueet yhdistyvät toisiinsa, mutta on hyvä muistaa että teknologisessa prosessissa korostetaan luovan keksimisen innovaatioita. Näin ollen kyseinen projekti saa tieteellisen tiedonhankinnan ja päättelyn kaltaisen muodon luonnontieteellisellä tasolla, kun taas teknisten ratkaisujen löytäminen vastaa teknologiakasvatuksen tavoitteisiin.

Tieto mielletään nykyään luoduksi ja keksityksi ainekseksi, eikä sen suora välittäminen ole parhaita keinoja aiheen ymmärtämisen tukemiseksi. Oppilaiden tuleekin harrastaa tutkimista, kokeilua ja lukemista laajan aineiston parissa. Heidän tehtävänä on ratkaista ongelmia ja toimia kokonaisuuksien parissa. Peruskoulun ongelmanratkaisun ja tutkivan oppimisen projektien on tarkoitus olla toiminnallisia ja elämyksellisiä. Tässä projektissa oppilaat toimivat ongelma- ja tavoitekehyksen ympärillä etsien omanlaisiaan ratkaisumalleja ja suunnittelutyön lopputuloksia. Taitojaan ja tyylejään oppilaat saavat kokeilla käytännössä. Tieto ja ratkaisut nousevat esiin prosessin edetessä, jolloin oppilaat rakentavat omaa tietopohjaansa. Tutkivassa oppimisessa ei ole päämääränä pelkän tiedon hakeminen, vaan vastuu, aktiivisuus, soveltaminen ja yhteistyö, joita hyödynnetään monipuolisen materiaalin kautta omiin havaintoihin ja toimintaan.

Tuleva, ylempien luokkienkin osalta käyttöön otettava perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet korostaa eheyttäminen merkitystä ja mahdollisuuksia, johon tämäkin opetuspaketti pyrkii vastaamaan. Tällöin on tarkoitus korostaa perustaitoja ja aihekokonaisuuksia yksittäisiä sisältöalueita enemmän. Äidinkielen, matematiikan ja ympäristö- ja luonnontiedon osia huomioidaan myös tavoitekentässä. Käsitöistä ei ole laadittu mitään erityistä jaottelua tekniseen ja tekstiilityöhön, vaan integraatio keskittyy erityisesti käsitöiden yhteisiin ja yleisiin tavoitteisiin, kuin myös teknologiakasvatuksen ja designin ideoiden ympärille. Arvioinnin monipuolisuus ja prosessisidonnaisuus huomioi oppilaan oman itsearvioinnin, opettajaan kohdistuvan arvioinnin sekä opettajan oppilaista tekevän arvioinnin. Lisäksi oppimisen tavoitteistoa täydentää peruskoulun opetussuunnitelman perusteiden 1994 tavoitteet, sekä oppimisteoreettiset ja oppilaiden asettamat kehitysvaatimukset.

Humanistisen psykologian opetuksellisen lähtökohdat on todettu toimiviksi avoimen oppimisen kehittämisessä sekä aikuiskoulutuksen taholla. Oppimiskäsityksen mukaisesti tarkoituksena on rakentaa projekti, joka huomio oppilaiden yksilöllisiä tarpeita, on kokeilevaa, kehittävää ja myös vuorovaikutuksellista. Käytännönläheiset tehtävät tukevat siten oppimista ja oppilaiden kehittymistä. Kun humanistisen psykologian lähtökohtia yhdistetään kognitiiviseen psykologiaan saavutetaan yhä parempia ja kattavampia näkökulmia oppimisen kokonaisuudesta. Näin ollen ajatukset uuden ja vanhan tiedon yhteensovittamisesta, skeemojen muodostumisesta ja kielellisyyden merkityksestä huomioidaan yhdessä opetuksen yksilöllisten vaatimusten kanssa, kuten myös ideat muistin toiminnasta ja kapasiteettirajoista.

Sosiaalisen toiminnan ja yhteistyön sekä opettajan tarjoaman sopivan tuen kautta lähestytään lähikehitysvyöhykkeen mukaisia tavoitteita tuen merkityksestä kehittymisessä. Ongelmakeskeisyys ja autenttiset sekä käytännönläheisiä oppimistilanteet ovat kokonaisvaltaisia ja mielekkäitä oppimistapahtumia. Tällainen oppiminen on omiaan sopimaan konstruktivismin opetus- ja oppimisteoriaan, jota hyödynnetään materiaalin kaikissa vaiheissa.

Mitään oppimisteoriaa ei esiinny täysin puhtaana ideologiana, eikä se ole tarkoituskaan, sillä kokonaisvaltainen oppiminen saa kattavimman ja toimivimman teoreettisen taustoituksen, kun oppimisteorioita linkitetään joustavasti ja ennakkoluulottomasti toisiinsa. Näin holistinen oppiminen ja motivaatio saa monipuolisen tuen, sillä avoimesta projektista jokaisen on tarkoitus löytää omat vahvuutensa ja mielenkiinnon kohteet sekä tuki oppimistavoille. Ongelmat pyritään muodostamaan merkityksellisiksi ja suuremman kokonaisuuden ympärillä eteneviksi, jolloin oppiainejakokin murenee. Kyseessä ei kuitenkaan ole hyökkäys yleissivistystä tai tietoa kohtaan, vaan projekti, joka tiedollisten tavoitteiden lisäksi huomioi myös monet muut haasteet. Tutkiva asenne lähestyy tietoa kuten lapset sitä luonnostaan oppivat.

Paketti on jäsennetty oppimisen osatekijöihin, joskin opettaja voi varioida prosessia luokkaan sopivalla tavalla. On kuitenkin syytä huomioida, että erityisesti motivaation, orientaation ja soveltamisen osuudet ovat tutkitusti hyvin merkityksellisiä. Lisäksi oppimisprosessi on todettu tehokkaimmaksi kyseisenlaisena monipuolisen kokonaisuutena. Eräitä oleellisia kohtia on korostettu nostamalla niitä joidenkin lukujen alkuun. Luvuissa käsitellään ideoita tarkemmin, ja ohjataan opettajaa tutkimusprojektin aikana. Vaikka materiaali on sisällöltään jaoteltu osiin, niin ne ovat käytännössä eheä osa prosessin kokonaisuutta ja toimivat siten jatkuvasti keskenään. Materiaalin hyödyntäjän kannattaa tutustua koko pakettiin yhtenäisesti, jolloin variointikin on paremmin mahdollista.

Vaikka kyseessä on teknologiakasvatuksen projekti, tarjoaa paketti mahdollisuuden monipuoliseen sisällölliseen muokkaukseen. Samat taustateoreettiset lähtökohdat toimivat missä tahansa oppiaineessa ja integroidussa prosessissa. Näin ollen opetuspaketti toimii kehyksenä ja runkona myös muille tutkimuksille. Teoreettinen taustoitus on nähtävissä opinnäytteessä ’Hirvonen, T. 2003. Kohti mielekästä, tehokasta ja monipuolista oppimista. Tutkimus opetuksen kehittämisestä. Lapin yliopisto’, jonka yhteiskäyttö materiaalin kanssa tuo laajemman näkökulman paketin ideaan. Lisäksi teoreettinen tarkastelu yhdessä opetuspaketin toteutuksen kanssa voi toimia kattavampana kehysrunkona opetuksen monipuolistamisessa.

2. SOVELTUVUUS, TAVOITTEET JA AJANKÄYTTÖ

Soveltuvuus

Projekti on suunnattu 5-6 luokka-asteille, mutta sitä voi mainiosti käyttää myös yläasteella. Tällöin huomiota voi kiinnittää tarkemmin esimerkiksi liikkuvan esineen aikaansaamiseksi, siten että huomioidaan kitkan, painon ja muun vastustuksen vaikutukset. Vaatimukset monipuolisen tuotteen rakentamiseksi ovat myös suuremmat. Vastaavasti alemmille luokille projektista voi karsia kohtia, jotka opettaja ja oppilaat mieltävät vaikeimmiksi. Lisäksi kehystä on mahdollista soveltaa mihin tahansa projektiin sisältöjä vaihdellen, sillä tutkimisprosessin vaiheistus ja ideointi soveltuvat yleisesti tutkivaan oppimiseen ja keksimiseen.

Tavoitteet

Tavoitteet ovat selkeyden vuoksi jaoteltu osa-alueisiin ja niiden määrä voi vaikuttaa suurelta. On kuitenkin muistettava, että eheyttävät integraatioprojektit ovat luonnostaan monitahoisia, ja niissä eteneminen edellyttää väistämättä useiden taitojen käyttämistä, sillä muuten eteneminen ei ole mahdollista. Projekti ja tutkimistoiminta luovat itsessään tilanteet, joissa taidot ja tiedot kehittyvät huomaamatta, siten ettei yksittäisiä taitoja tarvitse harjoittaa irrallisina tai toisistaan erikseen. Teknologiakasvatuksen tavoitteet on tässä tapauksessa esitelty yhdessä muiden aineiden tavoitteiden kanssa, sillä tämä projekti integroi niitä toisiinsa.

Yleiset tavoitteet:

- yhteistyökyvyt

- opiskeluvalmiudet

- kekseliäisyys

- itsenäisyys

- kestävä kehitys

- tiedonhankinnan ja -käsittelyn oppimista

- arvioinnin monipuolisuus

YLT

- tutkimista

- elämyksellisyyttä

- energiantuotantoa

- mekaniikkaa ja voimansiirtoa

Matematiikka

- joustava ajattelu

- ongelmanratkaisukyky

- peruslaskutaidon tukeminen

Äidinkieli

- ilmaisutaidot

- viestinnän ja median teknisten välineiden käyttö.

Käsityö, kuvataide, teknologiakasvatus ja ATK

- esteettistä

- luovaa

- Oppia ottamaan kantaa teknologisiin valintoihin ja arvioimaan tämän päivän teknologiaan liittyvien päätösten vaikutuksia tulevaisuuteen

- tietoteknisten laitteiden ja ohjelmien sekä tietoverkkojen käyttöä erilaisissa tarkoituksissa

- käytäntöön soveltuvan teknisen ratkaisun luominen

Opettajan tavoitteet

- yhteistyö oppilaiden kanssa

- oman toiminnan ja asenteiden arviointi sekä seuranta

- lähikehityksellinen tuki

- oppilaiden palautteen huomiointi

Ajankäyttö

Ajankäyttöä on hyvin vaikea arvioida, sillä se riippuu luokasta, opettajasta, ikätasosta, tutkivan oppimisen omaksumisesta, suunnittelutaidoista, rakentamisesta ja monista muista seikoista, kuten muussakin oppimisessa. Prosessin kokonaisuus vie noin 12-20 tuntia, joista 1,5 - 3 käytetään taustoitukseen ja työn aiheen selvittämiseen, jolloin motivoidaan ja orientoidaan oppilaita. Suunnittelu ja tutkiminen voi viedä neljästä seitsemään tuntia ja rakentamisen osuus saman verran. Koonnin toteuttaminen, esitykset, arvioinnit ja palautekeskustelut vievät myös muutamia tunteja. Ajat ovat hyvin ohjeellisia, mutta on syytä muistaa, että motivaation, orientaation ja tutkimisen vaiheet on syytä käydä perusteellisesti läpi. Vaiheet eivät ole toisistaan erillisiä, vaan tutkiminen ja rakentaminen voivat muodostaa yhtenäisen kokonaisuuden.

3. TAUSTATIETOA OPETTAJALLE

Työssä käytetään uusiutuvia energianlähteitä hyödyntävää tekniikkaa kuten aurinkopaneeleja ja sähkömoottoreita, jotka toimivat myös generaattoreina. Näin voidaan hyödyntää esimerkiksi vesivoiman liike-energiaa, jonka generaattori muuttaa sähköksi. Aurinkopaneelit puolestaan tuottavat itsessään sähköä, joten niihin voi liittää suoraan solar- tai sähkömoottorin tai muun sähkölaitteen. Solarmoottorit on tarkoitettu erityisesti aurinkokennokäyttöön, sillä ne toimivat pienehköllä ja muuttuvalla jännitteellä tehokkaasti. Niitä voi silti käyttää normaaleinakin sähkömoottoreina, kuin myös sähkömoottoreita solarkäytössä.

Opettaja voi materiaalivalinnoissa hyödyntää haluamiaan laitteita, mutta näissä esimerkeissä on käytetty Step Systems oy:n elektroniikkamateriaalia, joihin on saatavilla tarkat jännite- ja tehoarvot, pyörimisnopeudet, momentit ja muut taustatiedot, jos tarvetta.

http://www.stepsystems.fi/tuotteet/tuoteluettelo-pdf.php

Pienoissähkö- ja solarmoottorit / generaattorit

Projektiin soveltuu monenlaiset moottorit, mutta niiden valitsemisessa kannattaa huomioida käyttötarkoitus ja sen tuomat vaatimukset. Moottorien pyörimisnopeudet vaihtelevat, niiden vääntömomenteissa on eroa ja käyttöjännitekin voi vaihdella moottorista riippuen. Käytettäessä sähkö- tai solarmoottoreita generaattoreina, vaihtelee sähkön tuottaminen koon mukaan. Moottorin pyörimissuuntaa voi vaihtaa napaisuuksia vaihtamalla.

Pienoissähkömoottori 110 (12 370 110) toimii 1,5 – 4,5 V jännitteellä.

Pienoissähkömoottori 120 (12 370 120) toimii 1,5 – 3,0 V jännitteellä. Vääntöä ja pyörimisnopeutta on enemmän.

Solarmoottorin 114 (14 018 144) käyttöjännite on 0,5 – 4,5 V, joten se toimii jo hyvin pienellä jännitteellä. Käytännössä tämä tarkoittaa jo yhdellä pienellä aurinkokennolla toimimista, joskin hyvin hitaasti. Pyörimisnopeus kasvaa jännitteen myötä.

Solarmoottori 039 (14 018 039) on korkealaatuinen ja tehokas moottori, mutta se vaatii 1,5 – 6 V jännitteen toimiakseen. Kun virtaa ja jännitettä kasvatetaan, kyseisellä moottorilla saa aurinkokäyttöisesti tehokkaan väännön aikaiseksi. Virran merkitystä voi tarkastella vertaamalla saman jännitteisiä, mutta virraltaan eri suuruisia ratkaisuja toisiinsa.

Käytännössä generaattorilla saa vesivoimaa ja rattaita hyväksikäyttämällä n. 0,5 – 1,5 V jännitteitä, sillä suurta pyörimisnopeutta jännitteen kasvattamiseksi voi olla vaikea toteuttaa. Mahdollisimman suuren jännitteen löytäminen on oppilaille mielenkiintoinen tutkimustehtävä, jossa joutuu vertailemaan generaattoreita, potkureita ja voimansiirtoa. Tuulivoimaa voi hyödyntää helpommin, sillä hiustenkuivaajalla saa verrattain suuren puhalluksen aikaiseksi. Tällöin pienet potkurit nappaavat kohdistetun ilmavirran tehokkaasti. Näin voidaan saavuttaa 1,5 - 6 V suuruisia jännitteitä. Jännite-eroja tulee generaattorista ja potkurista riippuen. Suurimmat generaattorit, jotka voivat hyödyntää isoja jännitemääriä, tuottavat myös eniten sähköä. Näin ollen solarmoottori 039 on ylivoimainen generaattori, suurella pyörimisnopeudella.

Aurinkokennot, sarjaan- ja rinnankytkentä

Saatavissa on monenlaisia aurinkokennoja. Esimerkiksi Step Systemsillä on tarjolla neljää vaihtoehtoa, joiden kaikkien jännite on 0,45 V, mutta virran määrä on 100 mA, 200 mA, 400 mA tai 800mA kennosta riippuen.

Kytkettäessä kennoja sarjaan saavutetaan jännitteen nousua, kun taas rinnankytkennällä nostetaan tehoa. Näin tekemällä voidaan oppilaidenkin kanssa testata jännitteen ja virran suhteen vaikutuksia pyörimisnopeuksiin ja vääntömomenttiin. Esimerkeissä alla on käytetty 0,45 jännitteisiä aurinkokennoja, joiden virran määrä on 100 mA.

Jännitteen mittaus

Jännitteen mittaaminen on kätevät tapa testata kuinka paljon jännitettä rakennetut ratkaisut tuottavan käytännössä. Vaikka aurinkokennosarjan jännite olisi teoriassa 3,6 V, niin niiden asento, kulma ja valon määrä vaikuttavat lopulliseen jännitteen suuruuteen. Tätä jännitettä on mahdollista mitata jännitemittareilla, jolloin oppilaat tietävät kuinka paljon jännitettä on kasvatettava tai laskettava, jotta se riittää suunnitelman toteuttamiseen. Näin ei turhaan polteta herkkiä laitteita, ja vastaavasti tiedetään kuinka paljon lisätyötä vaatii toimivan virtapiirin rakentaminen.

Erityisesti vesivoimaa hyödynnettäessä jännitteen tietäminen on tärkeää, jotta voidaan suunnitella kuin paljon välityksiä tarvitaan pyörimisnopeuden kasvattamiseksi. Oppilastöissä luokkaoloissa kun ei voi koskea hyödyntää, tarjoaa kraanavesi verrattain pienen hyödyn. Rattaiden avulla pyörimisnopeutta saadaan kasvatettua, jolloin jännitteen mittaaminen kertoo missä määrissä liikutaan.

Jännitemittarit ovat pääsääntöisesti helppokäyttöisiä, ja niillä voi tarkastella eri asteikkoisesti myös virran määrään jännitteen lisäksi.

Rattaat, hihnapyörät, voimansiirto

Kuten jo yllä todettiin rattaat ovat lähes välttämättömiä välineitä erityisesti monipuolisempien tuotteiden toteutuksessa sekä pyörimisnopeuksien kasvattamisessa ja voimansiirrossa. Lapset osaavat kyllä hyödyntää yksinkertaisia hihnapyörä- tai ratasratkaisuja, joilla voimaa saadaan paitsi siirrettyä, myös pyörimisnopeutta kasvatettua.

Esimerkissä voidaan pyörimisnopeutta joko kasvattaa tai vähentää, riippuen siitä kumpaan rattaaseen voimanlähde kiinnitetään.

Ledit ja jännite

Ledit ovat toimivia valonlähteitä oppilaskäyttöön sillä ne ovat pitkäikäisiä ja toimivat pienellä jännitteellä. Ledien kynnysjännite riippuu niiden väristä ja kun kyseinen jännite saavutetaan, ledi alkaa toimia.

Punainen 1,7 V

Keltainen 2,1 V

Vihreä 2,2 V

Sininen 3,0 V

Ledien käytössä ei olisi muita ongelmia kuin vastuksen laskeminen, jos oppilastöissä käytettäisiin vain paristoja. Sen sijaan 3,0 V jännite vesivoimaa ja pieniä generaattoreita käyttämällä on vaikea saavuttaa. Jo 0,5 V jännite riittää kuitenkin solarmoottorin 144 pyörittämiseen. Tällöin vesivoimaa hyödynnettäessä generaattori voi tuottaa sähkön ja toinen moottori hyödyntää sitä tuulettimen tai muun toiminnon luomisessa.

Töissä voi toki käyttää myös paristoja tai muita akkuja, sillä uusiutuvaa energiaa voi säilöä akkukäyttöön. Tämä perustelu on hyvä tuoda esille myös oppilaiden kanssa, sillä uusiutuvien energiamuotojen hyödyntäminen on työn perusidea. Silloin on tarpeen laskea vastusarvoja, jotteivät ledit kärähdä liian suuresta jännitteestä.

Mitä useampi lamppu on käytössä sitä enemmän jännitettä ne vaativat. Jos lamppuja on liikaa, jännite ei riitä sytyttämään niitä. Esimerkiksi yhdeksän voltin paristo riittää hyvin kolmeen lediin. Siltikin on käytettävä vastusta, joka rajoittaa hieman jännitettä. Jännitteen määrä ja vastuksen suuruus voidaan laskea yksinkertaisella kaavalla.

Vastuksen suuruus saadaan siis selville vähentämällä pariston jännitemäärästä ledien yhteenlaskettu jännite. Saatu tulos jaetaan 0,02:lla. Lopullinen tulos ilmoittaa vastuksen suuruuden ohmeina. Jos käytetään kolmea lediä, punaista, keltaista ja vihreää saadaan niiden yhteenlasketuksi kynnysjännitteeksi kuusi. Kuusi vähennettynä yhdeksästä on kolme, joka edelleen jaetaan 0,02:lla. Tulokseksi saadaan 150 ohmia, joka on vastuksen arvo.

Vastuksissa vastusarvo ilmoitetaan väreillä, joista taulukko alla.

Vastuksista löytyy kultainen tai hopeinen viiva, joka tulee oikealle puolella luettaessa arvoa. Kolme viivaa vasemmalta oikealla ilmoittavat vastuksen suuruuden. Kaksi ensimmäistä viivaa merkitsevät numeroa ja kolmas ilmoittaa nollien määrän. Esimerkiksi 150 ohmia on väreinä ilmoitettuna ruskea-vihreä-ruskea. Ruskea on numero yksi, vihreä numero viisi ja kolmas viiva, joka on ruskea, ilmoittaa nollien määrän eli yksi.

Vastuksen eli rajoittimen voi työssä sijoittaa mihin väliin tahansa, sillä lopullinen jännite syntyy vasta kun virta on kiertänyt koko virtapiiriin. Koska ledi johtaa sähköä vain toiseen suuntaan, on tärkeää ottaa suunnittelussa huomioon, miten päin se laitetaan. Ledin pidempää jalkaa kutsutaan anodiksi ja se on positiivinen, kun taas lyhyempi jalka on katodi eli negatiivinen osa. Ledi on päältä katsoen lähes pyöreä, lukuun ottamatta pientä suoraa sivua. Kyseisen sivun puoleinen jalka on katodi.

Myös summereissa, lampuissa ja muissa elektronisissa laitteissa on vaaditut jännitteet, jotka tulee huomioida työtä tehdessä, jottei lopussa tule pettymyksiä toimimattomien tuotteiden kanssa.

Crocodile Clips

Crocodile clips on matematiikan, teknologian ja fysiikan osa-alueille tarkoitettu suunnittelu- ja kokeiluohjelma, joka vastaa teknologiakasvatuksen vaatimuksiin. Ohjelma on englanninkielinen, mutta siinä on kuvilla käytettävät työvälineet, joita oppii kyllä käyttämään. Näin ollen se sopii ala-asteelle. Ohjelmilla voi laatia hyvinkin monimutkaisia virtapiirejä tekniikan ja fysiikan symbolein sekä testata fysiikan ilmiöitä, joten sitä voi mainiosti käyttää myös ylemmillä luokka-asteilla. Demot ovat ilmaisia, mutta niiden lataaminen vaatii sähköpostiosoitteen antamisen demojen lataamiskoodien saamiseksi.

http://www.crocodile-clips.com/m6_1.jsp

Alla olevaa virtapiiri on rakennettu Crocodile Clipsin (teknologia) ohjelman kuvatyövälinein. Sen toimivuutta voi testata ohjelmalla katkaisinta napsauttamalla, jolloin ledi syttyy palamaan ja moottori toimii.

Opettaja voi ohjata oppilaita ohjelman käyttöön yhteisellä tunnilla ATK-tiloissa, jolloin kaikki pääsevät kokeilemaan sitä käytännössä. Patterilla voi simuloida uusiutuvien energiamuotojen sähköntuottoa, jolloin voidaan testata virtapiirien toimivuutta ennen niiden lopullista rakentamista. Näin oppilaat saavan työvälineitä ajattelunsa tueksi.

Linkkejä opettajalle

Konstruktivismi ja tutkiva oppiminen

Oulun yliopisto. Opetuksenkehittämishanke. http://syy.oulu.fi/opetuksenkehittamishanke/

Tampereen yliopiston täydennyskoulutuskeskus. http://www.uta.fi/tyt/verkkotutor/konstr2.htm

Savonlinnan opettajankoulutuslaitos. Jorma Enkenberg. http://sokl.joensuu.fi/Aineistot/Kasvatustiede/Jorma_Enkenberg/Oppiminen/Konstrukt_ja_opmallit.htm

Teknologiakasvatus

Oulun yliopisto. Teknologiakasvatus NYT. Perustietoa teknologiakasvatuksesta ja sen projektista. http://wwwedu.oulu.fi/teknokas/teknologiakasvatus.html

Aurinkokoulun teknologiakasvatus. http://aurinkokoulu.net/aurinkolahti/teknologiakasvatus/

Journal of technology education http://scholar.lib.vt.edu/ejournals/JTE/

Journal of Industrial Teacher Education http://scholar.lib.vt.edu/ejournals/JITE/

Taustatietoa

Ideaport. Suomenkieliset sivut tekniseen työhön liittyen. http://welcome.to/ideaport

How stuff works. Tietoa erilaisten laitteiden toiminnasta. http://www.howstuffworks.com/

Komponenttien toimittajia

Step Systems Oy. http://www.stepsystems.fi/

Kouluelektroniikka Oy. http://www.kouluelektroniikka.fi/

Partco Oy. http://www.partco.fi/

4. MATERIAALI

Lähdemateriaalia on maailma täynnä, niin paljon, että lähteiden valitseminen on erityisesti nuorille oppilaille vaikeaa. Siksi tässä yhteydessä esitellään joitakin esimerkkejä perusopetukseen soveltuvista lähteistä, jotka ovat kuvamateriaaliltaan ja sisällöiltään tätä ja muita teknisiä, sekä ympäristö- ja luonnontiedon projekteja palvelevia. Paikkakunnan kirjastot, oppimateriaalikeskus, ympäristökeskukset ja –laitokset sekä järjestöt ovat kattavia materiaalinhankintapaikkoja. Oppimateriaalikeskuksilla vähänkin suuremmissa kunnissa on laajat arkistoidut videovarastot ja ympäristökeskukset tekevät yleensä mielellään yhteistyötä, ja heidän kirjastonsa ovat aihepiiriin varautuneita. Opettaja voi kasata projektia varten siihen sopivaa materiaalia, paikkakunnan tarjonnasta riippuen.

Valitessaan materiaalia opettajan on syytä huomioida sen ajantasaisuus. Esimerkiksi uusiutuvien energianmuotojen kohdalla 1980-luvun videot ovat auttamattoman vanhoja, sillä tekniikan kehittyminen on mahdollistanut energian huomattavasti tehokkaamman käytön. Lisäksi saastumisesta ja fossiilisten polttoaineiden ympäristöhaitoista on nykyään enemmän tietoa. Toisaalta vanhemman ja uudemman materiaalin vertailu voi toimia yhtenä oppimistehtävänä ja lähdekriittisyyteen ohjaajana. Videoita valittaessa kannattaa huomioida niiden pituus ja esitystyyli. Ei ole mielekästä valita videota, jossa toteutetaan perinteistä luennointia. Visuaalisuus ja esimerkit tuovat videoihin käytännönläheisemmän otteen. Lyhyet n. 15 minuutin mittaiset esitykset ovat tiedonhaun kannalta joustavia ja nopeita käyttää. Jos video on pitkä, opettaja voi laittaa sen valmiiksi oikeaan kohtaan, jolloin turhauttava etsimisen vaiva jää vähemmäksi.

Kaiken materiaalin kuvarikkaus mahdollistaa syvemmän tarkkailun ja päättelyn, jolloin tiedonhaku ei rajoitu vain lukemiseen. Videoiden kautta tulee myös auditiivinen sekä kuvallinen osa ja internetin sekä asiantuntijan käyttö mahdollistavat vapauden hakea ja kysellä tietoa omaehtoisesti. Tutkiminen tarjoaa konkreettisen tavan tutustua aiheeseen ja oppia luonnollisesti.

Kun opettaja tarjoaa materiaalia oppilaiden käytettäväksi, hänen on huomioitava ajankäyttö ja oppilaiden mahdollinen turhautuminen laajan aineiston parissa. Tällöin on hyvä korostaa suunnitelmallisuuden tärkeyttä. Oppilaiden tulee näyttää opettajalle suunnitelmat erityisesti ennen videoiden ja internetin käyttöä. Opettaja voi ohjata pois selkeästi väärästä materiaalivalinnasta joustavasti ja kysymyksiä esittäen, jolloin oppilaat itse tekevät uudet materiaalivalinnat. Tällöin vältetään turhia sekaannuksia ja hakuja, mutta säilytetään oppilaiden itsenäisyys.

Tutkimuksen lähdemateriaaleja

Oppikirjat

Luonnontutkija 5-6.

Verne 5. Ala-asteen ympäristö ja luonnontieto.

Muut kirjat

TIEDE kuvasanakirja. Helsinki Media. Kuvarikas ja selkeä teos, jossa on laajat aihepiirit. Tämän projektin osalta erityisesti saastuminen, voimat ja energia sekä sähkö ja generaattorit palvelevat tiedonhakua.

Huomispäivän energianlähteet. Kirjayhtymä. Satchwell, J. Perusteos vaihtoehtoisista energianlähteistä ja niiden käytössä selkein kuvaesimerkein.

Värikäs tiede. Kirjayhtymä. Yksinkertaista tietoa voimista, sähköstä ja energiasta kuvituksin.

Kuinka kaikki toimii tekniikan mammuttikirja. Otava. Macaulay, D. Erinomainen kuva- ja selitysteos, joka esittelee tekniikkaan liittyviä moninaisia sovelluksia käytännöllisin ja hauskoin esimerkein. Tietoa mm. sähköstä, paristoista, moottoreista, energiasta, rattaista, tuulimyllyistä, hihnoista, hammaspyöristä ja voimansiirrosta sekä liikkeestä yleisesti yms.

Uudet koneet ja keksinnöt. Helsinki media. Gifford, C. Energian osalta hyvä ja kuvitettu teos.

Heureka tiede on hauskaa. Otava. Craig, A & Rosney, C. Käsittelee perustasoisesti monia luonnontieteiden aihepiirejä. Paikoitellen sekavan oloinen moninaisessa visuaalisuudessaan. Tietoa esim. paristoista, lampuista, sähköstä, voimista ja niiden voittamisesta.

Videot

Näin tehdään sähköä. Taloudellinen tiedotustoimisto. Sopivan mittainen ja selkeä kokonaisuus sähkön tuottamisesta ja käytöstä, tutkiva ote. Oltava kuitenkin kriittinen, sillä haittojen käsittely on puutteellista.

Kierrätysoppi 2 Energia ja ympäristö. Perustietoa saastumisesta, aurinkoenergiasta ja tuulivoimasta.

Energiaa... osat 1-4. YLE opetus. Ympäristön tarkastelua ja sen suojelua, uusiutuvia energianlähteitä. Ensimmäisen osan katsominen tuo jo yleiskuvan videosta.

Hyötyykö Suomi kasvihuoneilmiöstä. YLE televisio-ohjelma 1998. Kasvihuoneilmiön käsittelyä ja vaikutusten pohdintaa. Melko tietopitoinen.

Internet

Energiaa Pohjois-Suomessa. Energian monipuolisesta tuotannosta kuvin, kaavioin, selityksin ja selkein animaatioin. http://www.energiaasuomessa.net/tuotanto.asp

Invalidiliiton Järvenpään virtuaalikoulun materiaali, josta energia ja luonnonvarat. http://virtuaalikoulu.ijkk.fi/materiaalit/Toimintaymp%E4rist%F6t/alueellinen/energia.html

Tampereen kaupungin tekniset- ja ympäristöasiat. Energialähteistä ja ympäristövaikutuksista. http://www.tampere.fi/ytoteto/energia/energiaa/bl_teoria_energialahteita.html

Edu.fi. Kestävästä kehityksestä, energian säästämisestä, aurinkoenergiasta http://www.edu.fi/teemat/keke/maailma/luonnonv.html http://www.edu.fi/oppimateriaalit/energia2.html
http://www.edu.fi/oppimateriaalit/aurinko2.html

Ympäristöhallinto. Kotisivut: Ympäristöpalvelut ja ympäristön tila http://www.vyh.fi/tila/ . Myös muu aineisto on kattavaa, mutta hyvin tietoperäistä.

Muut elektroniset lähteet

CD Facta elektroninen tietosanakirja

Uusi kuinka kaikki toimii. CD-ROM. Otava. Macaulay, D. Kattava lähde, kuten vastaava kirjakin. Valitettavasti visuaalisuus kääntyy itseään vastaan ja tiedonhaun aloittaminen on vaikeaselkoista. Kohdat Koneet ja Perusteet ovat toimivat ja kattavat. Tietoa löytyy myös historiasta, keksijöistä ja on mukana muutama testikin. Valitettavasti suunnattu Windows 95 ja 98 -järjestelmiin, jotten 2000 –järjestelmän kanssa voi syntyä ongelmia.

Asiantuntijapalvelut

Esimerkiksi ympäristökeskukset tekevät mielellään yhteistyötä vastaavien projektien kanssa. Kysymällä ympäristökeskuksista tai muista järjestöistä saadaan varmasti asiantuntija vastaamaan oppilaiden sähköpostikysymyksiin, jolloin tiedonhankinta monipuolistuu edelleen.

Rakennus- ja tutkimusmateriaalit

Tämän projektin toteuttaminen vaatii ainakin seuraavanlaista elektronista ja teknistä materiaalia.

Elektroniikka

Aurinkokennot
Solar- ja sähkömoottorit
Ledit
Vastukset
Summerit
Kytkimet
Johtoa
Jännitemittari
(hiustenkuivaaja tuulen tuottamiseen ja tehokas valaisin aurinkokennoja varten)

Voimansiirto

Potkurit (vesi ja ilma)
Hihnapyörät (eri kokoja)
Hihnat
Voimansiirtoruuvit
Adapterit osien yhteensovittamiseksi
Akseleita
Rattaita (eri kokoja)

Muuta rakennusmateriaalia tulee tarjota oppilaille monipuolisesti, jolloin lähestytään teknologista osaamista. Oppilaat voi tuoda vanhaa materiaalia myös kotoa, jolloin toimitaan kestävän kehityksen mukaisesti tuotesuunnittelussa. Kaiken ei tarvitse olla uutta, vaan kierrätetyn materiaalin käyttäminen on suotavaa.

Puu
Muovi, Polystyreeni (http://www.tkukoulu.fi/~pmk/muuta/muovit/laadut/ps.htm)
Metallit
Pahvit ja paperit
Styrox
Askartelumateriaalit
Kankaat ja muut tekstiilitarpeet
Jatkokehiteltävä esine

Hankitut materiaalit ja tekniset välineet helpottavat työskentelyä. Sen sijaan valmiiden rakennussarjojen (esim. lego) käyttö rajoittaa keksimisen vapautta, eikä tarjoa siten riittävästi monipuolisuutta. Työ ei myöskään ole mallista rakentamista. Ei ole kuitenkaan tarkoitus liioitella, vaan avoin projekti tarjoaa runsaasti luovuuden ja suunnittelun mahdollisuuksia, vaikkei tavaroita yritettäisi rakentaa itse rattaista ja moottoreista lähtien. Sen sijaan oman käyttökytkimen suunnittelu voi tarjota mielekkään lisän suunnittelu- ja rakennusvaiheeseen. Tällöin oppilaat saavat itse pohtia miten koneen käynnistää, vai toimisiko se kenties aina kun sähköä muodostetaan.

PROJEKTI

5. TYÖN TAUSTOITUS

Työn taustoitukseen on hyvä käyttää aikaa, sillä motivoinnin merkitystä ei sovi aliarvioida. Tässä yhteydessä nostetaan oppilaiden ennakkotietojakin esille, jolloin luodaan paremmat edellytykset syväoppimiselle. Ajankäyttö riippuu oppilaiden keskusteluntarpeesta ja alun luovasta ideoinnista.

5.1 Alustus ja demo

Ennen demon esittämistä oppilaiden huomion voi kiinnittää pienellä alustuksella tulevasta projektista. Näin demo ei tule irrallisena yllätyksenä, vaan sen yhteys ymmärretään. Alustus ei saa olla liian kattava, sillä muuten demon tarjoama haaste keksijänä toimimiselle jää vaisuksi.

Demo tarjoaa yleisellä tasolla olevaa pohjatietoa fossiilisten polttoaineiden vaikutuksista ja niiden vaihtoehdoista. Siinä haastetaan oppilaat toimimaan kestävän kehityksen puolesta ja suunnittelemaan keksintöjä tekniikkaa hyödyntäen. Näin oppilaita motivoidaan ja orientoidaan työtä varten, synnyttäen ongelmaa, johon haluttaisiin löytää ratkaisu. Demon tarkoitus on myös oppilaiden käsitysten pinnalle nostaminen alkumittausta varten.

Opettaja voi pysäyttää esityksen haluamiinsa kohtiin, jolloin kuvista voidaan keskustella. Jos käytössä ei ole projektoria kuten videotykkiä Power Pointin esittämistä varten, esityksen voi toteuttaa ATK tiloissa. Tällöin oppilaat voivat katsoa sen omalta koneeltaan. Esityksen voi näyttää myös yhdeltä koneelta, jolloin sen ääreen kerääntyy kerralla vain osa oppilaista, jotta kaikki näkevät selkeästi. Demon voi myös tulostaa ja kopioida kalvoille, mutta silloin animaatiot ja esityksen äänet sekä värit jäävät kokematta.

5.2 Ennakkotietojen tarkastelu miellekarttamittauksella

Ennakkotietojen tarkastelussa käytetään miellekarttamittausta, sillä se kertoo käsitteiden jäsentyneisyydestä ja hierarkiasta. Sillä pyritään hahmottamaan oppilaiden käsitteiden välisiä yhteyksiä, eli sisäistä mallia maailmasta. Miellekartan avulla näitä malleja lähdetään ulkoistamaan. Tapa on toimiva, sillä kaikki osaavat piirtää viivoja ja ympyröitä. Käsitysten ulkoistaminen vaatii omien kokemusten pohdintaa ja uusien merkitysten luomista. Kartat toimivat suunnittelutyön tukena ja oppimisen selkeyttäjänä, jolloin kyseessä on luovuuttakin tukeva toiminta. Oppilas lähestyy omaa käsitemaailmaansa reflektiivisesti ja siten kartat paljastavat myös väärinkäsityksiä. Miellekartat ovat juuri konstruktivismiin sopiva lähestymistapa yksilöllisen tiedonrakentamisen tukena ja ulkoistajana.

Käsite- tai miellekartan voi tehdä hyvin monilla eri tavoilla, mutta yksinkertaisin tapa lienee perinteinen verkkotyyppinen puumalli, jossa keskeisen käsitteen ympärille kerätään siihen liittyviä käsitteitä, siten että niiden hierarkia on näkyvissä. Oppilailla on alustuksen jälkeen kuva prosessista, joten miellekarttamittauksella tarkastellaan heidän käsityksiään fossiilisista polttoaineista, uusiutuvasta energiasta sekä suunnittelun, tutkimisen ja keksimisen prosessista.

Näin nostetaan edelleen oppilaiden ennakkokäsityksiä ja pohjatietoa esille, jolloin opettaja saa tietoa oppilaiden tasosta ja käsityksiä aihepiirin suhteen. Silloin hän voi tehokkaammin vaikuttaa projektin kulkuun ja erityisesti käsitysten muokkaamiseen motivoinnista lähtien. Oleellista on myös oppilaiden kannalta, että he tulevat tietoisiksi omista ajatuksistaan ja käsitteiden jäsentämisestä, sillä se on osa assimilaation ja akkomodaation prosesseja – uuden tiedon oppimista. Vastaavanlainen mittaus tehdään myös työn loputtua, jolloin saadaan tietoa käsitysten kehittymisestä.

Ennen ennakkotietojen tarkastelua oppilaita on ohjattava miellekartan käyttöön, ellei heillä ole siitä jo selkeää käsitystä ennalta. Ennen harjoittelua opettaja voi antaa esimerkkejä miellekartasta. Sen jälkeen oppilaat voivat tehdä yhden harjoituksen, vaikkapa sanan koulu ympärille, ja vasta tämän jälkeen oppilaat rakentavat projektiin sopivan miellekartan. Miellekarttaan on syytä piirtää nuolia viivoiksi, jolloin hierarkian suunta saadaan selville. Kuvioon voi myös kirjoittaa jotain tarkentavaa. Ideana on selvittää mitkä kaikki asiat liittyvät tarkasteltavaan käsitteeseen oppilaiden mielestä. Mikä on tärkeää, mitä on huomioitava ja miten siihen liittyvien asioiden järjestys kulkee?

Yksinkertainen esimerkki