Навчання на основі проєктів (Project-Based Learning, PBL)
Дослідження науки польоту за допомогою моделей ракет та літаків
Ці практичні проєкти є надзвичайно захопливим способом для учнів старших класів дослідити аеродинаміку та фізику.
Коли учні запускають свою першу ракету під час факультативного курсу “Політ та дизайн” у нашій школі, результати рідко бувають граційними. Деякі ракети спірально злітають убік, інші падають носом вниз, і лише деякі летять вперед, як і було задумано. І все це — навмисна частина процесу.
Факультативний курс “Політ та дизайн” для старшокласників у Graded — The American School of São Paulo — заохочує учнів бути авторами власного навчального процесу. Замість того, щоб спочатку вивчати наукові концепції, а потім застосовувати їх, учні звертаються до своїх попередніх знань, а потім створюють прототипи, тестують і вдосконалюють дизайн, щоб самостійно відкривати принципи.
Іншими словами, учні вчаться, роблячи. Вони беруть участь у практичних проєктах, які призводять до кращого розуміння польоту через відкриття, емпіризм та дослідження даних. Наукові та математичні поняття виникають природно як інструменти, які учні використовують для пояснення своїх спостережень.
Бразильський письменник Рубем Алвес колись сказав, що “цікавість — це свербіж в ідеях”. Ця цікавість є рушієм курсу “Політ та дизайн”; вона спонукає учнів бути самостійними та креативними дослідниками, коли вони проходять керовані цикли планування, прототипування, тестування та рефлексії. Ранні дискусії знайомлять з фундаментальними ідеями, такими як причинність, баланс та рівновага, які допомагають учням зрозуміти, чому успішні прототипи літальних апаратів повинні враховувати стабільність, структуру та форму.
Нижче наведено послідовні кроки, ресурси та проєкти, які дозволяють учням працювати над моделями ракет та літаків.
ПОЧАТОК ПОЛЬОТУ
Під час першого експерименту учні запускають невеликі ракети, виготовлені зі соломинок та паперу. Активність, описана на освітньому сайті NASA для учнів K–12, пропонує учням змінювати довжину носового обтічника ракети, щоб спостерігати, як кожна модифікація впливає на політ. Замість того, щоб зосереджуватися на пошуку “правильної відповіді”, мета активності — виявити закономірності. Щоб підтримати це дослідження, учні записують прості емпіричні дані, такі як відстань, яку пролетів прототип, і як вона пов’язана з розміром носа, який варіюється залежно від того, наскільки сильно закручено паперовий наконечник. Це початковий досвід учнів зі збору спостережних даних та вивчення можливих причинно-наслідкових зв’язків.
ПРОЄКТУВАННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ КОМП’ЮТЕРНИХ СИМУЛЯЦІЙ
Далі учні використовують безкоштовну програму для моделювання ракет OpenRocket, щоб створити віртуальну модель ракети зі стисненим повітрям. Програмне забезпечення — дуже інтуїтивне і потребує мінімального навчання — дозволяє учням тестувати свої дизайнерські ідеї в цифровому середовищі перед створенням фізичних прототипів. Вони вивчають такі змінні, як вага, матеріали, форма носа, дизайн стабілізаторів та довжина корпусу. Водночас вони вивчають такі поняття, як стабільність, центр ваги та центр тиску.
ВІД ЕКРАНУ ДО НЕБА
Після завершення цифрового дизайну учні створюють прототипи ракет, використовуючи принтерний папір та картонні стабілізатори. Вони також дотримуються онлайн-інструкцій, щоб зібрати власні пускові установки для ракет. Під час запусків учні тестують ракети як зі стабілізаторами, так і без них. Ці варіації сприяють роздумам про аеродинаміку, стабільність та важливість знаходження центру ваги/центру тиску ракети.
Через зусилля зі стабілізації своїх ракет, а також завдяки підказкам, що заохочують цікавість та дослідження, учні природно стикаються з чотирма силами, що впливають на об’єкти в польоті: підйомна сила, вага, опір та тяга. Ідеї причинно-наслідкових зв’язків, балансу та рівноваги повторно розглядаються в контексті аеродинаміки, коли учні інтерпретують результати своїх проєктів. Після кожного запуску учні записують та аналізують результати, організовуючи свої дані в таблиці та графіки. Цей процес допомагає учням переосмислити свої дизайни, коригувати елементи та перерозподіляти вагу. Їхня мета — покращити співвідношення між центром ваги та центром тиску, щоб ракета могла летіти далі та з більшою стабільністю.
ПЕРЕНЕСЕННЯ ЗНАНЬ НА БІЛЬШИЙ МАСШТАБ
Маючи основу в проєктуванні ракет, учні згодом переходять до більш складних моделей. Вони застосовують знання, отримані під час попередніх експериментів, для створення нових ракет з ПЕТ-пляшок, які запускаються під тиском води. Оскільки ці ракети мають більшу потужність і дальність польоту, дрібні недоліки дизайну посилюються. Ця модель вимагає більшої точності під час виготовлення; для успіху необхідне глибоке розуміння симетрії та балансу (які вивчалися в попередніх проєктах).
Спираючись на знання, отримані під час попередніх експериментів, учні переходять до моделей літаків. Зазвичай учні можуть розширити свої навички виготовлення паперових літачків, прикріпивши до своїх творінь PowerUp 4.0 — недорогий мотор, керований через мобільний додаток. Керування цією моделлю не є простим завданням, і знову з’являються поняття балансу та рівноваги.
Нарешті, учні застосовують концепції, які вони вивчили з дизайну ракет, для створення моделі літака з бальси, що приводиться в рух гумовими стрічками. Учні створюють свої моделі, використовуючи вирізані лазером дерев’яні деталі, збираючи каркаси крил і покриваючи їх папером васі, щоб створити дизайн, який збільшує тягу та забезпечує довший політ.
Сили, що утримують модель у повітрі, розглядаються знову, але цього разу з тягою, що генерується пропелером. Оскільки учні вже вивчали подібні концепції в попередніх проєктах, взаємозв’язок між центром ваги, формою крила та розподілом ваги стає чіткішим і доступнішим.
Кожен проєкт повторює ті самі концепції в новому контексті, і учні переносять отримані знання з дизайну ракет на дизайн літальних апаратів. Їхні знання також можуть бути застосовані в таких предметах, як математика та фізика, одночасно підтримуючи розвиток практичних навичок, які учні можуть використовувати поза класною кімнатою.