Tevékenységközpontú fejlesztő feladatok a természettudomány órán

A levegő felmelegedése

A mai természettudományos oktatás középpontjában a felfedeztetésen, a tevékenységközpontú tanuláson és a tantárgyak közötti integráción alapuló kompetenciafejlesztés áll. Az alábbiakban három olyan egymásra épülő feladatot mutatok be, amelyek révén az 5. évfolyamos tanulók aktív, élményszerű tevékenységek során fedezhetik fel a levegő felmelegedésének és a hőáramlási folyamatoknak a törvényszerűségeit. A feladatsor interdiszciplináris szemléletben készült: a földrajzi tartalmak feldolgozását a fizika és a környezetismeret alapfogalmai támogatják, lehetőséget adva a természettudományos tantárgyak közötti tudatos integrációra. A tanulók valós környezeti jelenségeket vizsgálnak – a felszínek különböző felmelegedésétől a légmozgások kialakulásán át az üvegházhatás modellezéséig –, így saját tapasztalatokra építve alakítják ki fogalmaikat. 

A feladatok elsődleges pedagógiai célja a megfigyelőképesség, az ok-okozati gondolkodás, a térszemlélet és a következtetési készség fejlesztése, miközben a diákok együttműködve, kutatói szerepbe helyezkedve dolgoznak. Az egymásra épülő, tapasztalatszerzésre és modellalkotásra építő feladatok támogatják a jelenségalapú tanulást, erősítik a természettudományos gondolkodásmódot, és hozzájárulnak ahhoz, hogy a tanulók rendszerszinten lássák a természet működését.

1. feladat: Felületek eltérő felmelegedésének megfigyelése terepen (iskolaudvaron)

Tartalom: Hogyan melegít a napsugárzás? 

• A tanulók csoportmunkában megfigyelik, hogyan melegednek fel különböző felületek a napsugárzás hatására. A vizsgálat során a fűre helyezett fehér póló, fekete póló és alufólia felületek felmelegedését hasonlítják össze. A tanulók megtapasztalják az eltérő fényvisszaverő képességet (albedó) és megértik a felület színének szerepét a felmelegedésben. Megtapasztalják azt is, hogy a levegőt a felszín által kisugárzott hő melegíti fel.
• A feladat második részében a tanulók iránytű segítségével meghatározzák a Nap égtáji helyzetét, majd egy felgyűrt polifoammal modellezik, hogy a lejtők Nap felőli és árnyékolt oldalai eltérően melegednek fel, megértve ezzel a domborzat (lejtés és kitettség) hatását is.
• Vizsgálják a természetes és mesterséges felületek hőmérséklet-különbségét is, következtetéseik megerősítésére.

Kapcsolódó tananyag:

• a Nap szerepe a felszín és a levegő felmelegedésében;
• a domborzat és a tájolás hatása a felmelegedésre;
• energiaáramlás a természetben;
• a hőtan alapjai (sugárzás, visszaverődés, elnyelés).

Fejlesztendő tanulói kompetenciák:

• megfigyelőképesség;
• rendszerező képesség;
• térszemlélet (égtájak, lejtők);
• együttműködési készség;
• természettudományos gondolkodás.

Módszerek:

• terepmunka;
• megfigyelés;
• tapintásos összehasonlító vizsgálat;
• modellezés;
• rögzítés és értékelés megfigyelőlapon;
• tanulói következtetés, értelmezés, általánosítás.

Munkaforma: csoportmunka – kooperatív munka (4 fős csoportok). Csoportokon belüli szereposztás: 1. felületkihelyező, 2. iránymérő és polifoam-kihelyező, 3. hőmérséklet-érzékelő, 4. jegyző 

Időigény: 16 perc

Időbeosztás:

1. rész – 6 perc

• helyszínre vonulás, ráhangolódás, feladatok kiosztása;
• a Nap irányának mérése iránytűvel;
• anyagok kiosztása;
• felületek kezdeti hőmérsékletének ellenőrzése tapintással (azonosak-e?);
• 5:50-6:00’ felületek kihelyezése a napra; polifoam kihelyezése a Nap irányába és felgyűrése;
• 6:00’ stopper indítása (tanár által, egyszerre).

2. rész – 5 perc

• várakozás;
• közben „felületkutatás”: 3, az iskolaudvaron található felület hőmérsékletének érzékelése tapintással (pl. betonjárda, murva, vasrács, fű, homok), összehasonlítása;
• megfigyelési lap megfelelő részének kitöltése, a lap 2. oldalának áttekintése a továbbiakhoz.

3. rész – 5 perc

• 11:00’ közvetlenül a felületek fölötti levegő összehasonlítása a kéz érzékelésével, felületek hőmérsékletének összehasonlítása tapintással;
• eredmények rögzítése a megfigyelési lapon;
• (pontos mérés elvégzése infravörös hőmérővel lehetséges – opcionális);
• eredmények megbeszélése, értelmezés, következtetések, munkalap 2. oldal közös kitöltése, egyszerű ábra;
• vissza a tanterembe.

Szemléltető és munkaanyagok:

• Szükséges eszközök csoportonként: fekete és fehér póló, alufóliadarab, sötét színű polifoam, iránytű, megfigyelőlap, ceruza, kemény alátét, stopper
• Szükséges feltételek: füves terület, napsütés – hiányában a tevékenység teremben, infralámpa használatával is elvégezhető. Az anyagokat érdemes pl. kartondobozban tárolni a kihelyezésig.

Feladatlap

A feladatlap megoldása – link

A megbeszélés kérdései:

• Miért melegedett jobban a fekete póló, mint a fehér?
• Miért az alufólia volt a leghidegebb?
• A polifoamnak miért a Nap felőli oldala melegedett fel jobban?

Rögzítés a füzetben

A földfelszín felmelegedése függ:

• a fényvisszaverő képességétől (albedó) – hó: nagy, aszfalt: kicsi
• a színétől – sötét: jobban elnyeli a fényt, jobban felmelegszik
• a domborzattól – a déli lejtőket az É-i félgömbön nagyobb szögben érik a napsugarak

A levegőt a felszín által kisugárzott hő melegíti fel.

2. feladat: Forgó papírkígyó

Tartalom: Hogyan mozog a felszín felett felmelegedő levegő? 

A tanulók megfigyelik, hogyan viselkedik a felszín közelében felmelegedő levegő. A melegebb levegő kitágul, sűrűsége csökken, ezért felfelé áramlik. A felfelé áramló levegő mozgásba hozza a papírból készült, spirál alakú „kígyót”. A kísérlet szemlélteti a hőmérséklet-különbség hatására létrejövő légmozgást, amely természetben is megfigyelhető (pl. felszálló légáramlatok, hőoszlopok, termikek).

Kapcsolódó tananyag:

• a levegő felmelegedése;
• a szél keletkezése;
• hőáramlás, hőterjedés;
• energia és hő.

Fejlesztendő kompetenciák:

• megfigyelőképesség;
• ok-okozati gondolkodás;
• megfigyelési-vizsgálódási készség;
• értelmezés, következtetés;
• eszközhasználat; munkavédelmi szabályok betartása;
• kommunikációs kompetenciák;
• együttműködés, egymásra figyelés.

Módszerek:

• megfigyelés;
• vizsgálódás;
• ok-okozati következtetés;
• tanulói eszközhasználat.

Munkaforma:

Páros munka – kooperatív munka: a tanulók páronként készítenek papírkígyót. A vizsgálat során egyikük a mécsesekért felelős, a másik a papírkígyót tartja. A megfigyelést és a következtetések levonását együtt végzik.

Időigény: 13 perc

Időbeosztás:

• előkészítés, párok, eszközök kiosztása, munkavédelem – 2’
• papírspirál megrajzolása és kivágása, rögzítés a pálca hegyére – 5’
• mécsesek meggyújtása, kísérlet elvégzése, mécsesek biztonságos eloltása – 3’
• megfigyelések, következtetések megbeszélése páronként – 1’
• a következtetés rögzítése a füzetben, korábbi ábra kiegészítése – 2’

Szemléltető eszközök és munkaanyagok:

• Szükséges eszközök és anyagok (mindenből páronként 1-1 db): fémtálca, hegyezett hurkapálca vagy ceruza, papírlap, olló, ceruza, gyufa és 3 mécses/pár, főzőpohár
• Megjegyzés: látványosabb, ha nagyobb meleg felületet (pl. olajradiátort) használunk, ekkor 1-1 fél burgonyára rögzíthetjük a kígyót.

A feladat leírása: 

1. Rajzoljunk legalább 5-6 menetből álló spirálvonalat a papírra! Vágjuk végig a papírt a vonal mentén, így egy feltekeredett papírkígyót kapunk. A közepét kissé meghajtva, óvatosan helyezzük ezt fel a ceruza/hurkapálca hegyére úgy, hogy könnyedén tudjon forogni!
2. Gyújtsunk meg három mécsest, és óvatosan tartsuk fölé a ceruzát! Figyeltessük meg, hogy a papírkígyó forgásba jön!

Biztonsági intézkedések:

• Az olló és a hegyezett hurkapálca vége hegyes, ezért óvatosan használd ezeket az eszközöket! Figyelj a társaidra!
• A papírt nem szabad a lángba tartani, mert könnyen meggyulladhat!
• Körültekintően és csak a fémtálcán dolgozz! 
• A mécseseket a végén a főzőpohár ráborításával oltsd el!
• A gyufát, égő mécsest a tanulók csak felügyelettel használhatják.

A megbeszélés kérdései:

• Mi történt a papírkígyóval, amikor a mécsesek fölé tartottad?
• Miért kezdett el forogni a papírkígyó?

Rögzítés a füzetben:

• Korábbi ábra kiegészítése: meleg levegő nyíl és felirat

• A meleg levegő felfelé száll.

3. feladat: Üvegházhatás modellezése pillecukros vizsgálattal

Tartalom: Mi történik a légkörben a földfelszín által kisugárzott hővel? 

A tanulók egyszerű és látványos vizsgálattal modellezik az üvegházhatást. A pillecukrot infralámpával melegítik két különböző helyzetben ugyanannyi ideig (1. üvegtál nélkül szabadon és 2. üvegtál alatt alufólián). Tanulmányozzák az eredeti és a melegített pillecukrok belsejét. Megfigyelik, hogyan változik a pillecukor mérete és állaga a melegítés hatására. A belül lyukacsos cukor kitágul, ezért mérete mindkét esetben nő, de az üvegtál alatt magasabb és szélesebb lesz, mint szabadon. Egy idő múlva meg is olvad, ragacsossá válik. Megértik, hogy a különbséget az üvegtál jelenléte okozza: a hő a fényvisszaverő felületről és az üvegtálról is visszaverődik, így a hő bent marad, hasonlóan ahhoz, mint az üvegházakban, illetve ahhoz, ahogyan a Föld légköre visszatartja a hőt.

Kapcsolódó tananyag:

• az üvegházhatás alapjai (fizika, földrajz, kémia, környezetismeret);
• az anyagok hőtani tulajdonságai (térfogatváltozás melegítéskor);
• hősugárzás, elnyelés, visszaverődés.

Fejlesztendő kompetenciák:

• problémamegoldás;
• megfigyelőkészség;
• ok–okozati összefüggés felismerése;
• természettudományos gondolkodás;
• anyagok tulajdonságainak felismerése, leírása;
• modellalkotás, analógia értelmezése (üvegház – a Föld légköre).

Módszerek:

• tanári demonstráció;
• csoportos és egyéni megfigyelés (pillecukor szétbontása) megadott szempontok szerint;
• összehasonlító vizsgálat;
• következtetés empirikus tapasztalat alapján;
• értelmezés, analógia felfedeztetése.

Munkaformák:

• frontális munka (tanári demonstráció, biztonsági okokból)
• egyéni tevékenység

Időigény: 16 perc

Időbeosztás:

• Bevezetés, eszközök előkészítése, biztonság megbeszélése – 2 perc
• Kísérlet futtatása, megfigyelés, megfigyelési lap kitöltése (2 verzió, egymás után):
• pillecukor üvegtál nélkül, melegítés: 1,5’ – összesen 4 perc
• pillecukor üvegtál alatt + alufólia, melegítés: 1,5’  – összesen 4 perc
• Értelmezés, magyarázat megbeszélése, rögzítés a megfigyelési lapon; pillecukor elfogyasztása – 3 perc
• Ábra kiegészítése, jegyzet – 3 perc

Szükséges anyagok és eszközök: infralámpa, üvegtál, pillecukrok tanulónként (3-3 db), alufólia darab, 2 hőálló tálca a kivett cukroknak, ceruza, megfigyelési lap, stopper

A tevékenység menete:

1. 3 pillecukor tanulónként.
2. Az 1-t mindenki a tálcára teszi.
3. A 2-at mindenki a 2. tálcára teszi, 1,5’-ig infralámpa alatt melegítjük (tanári felügyelet).
4. Közben figyelik a méretváltozást.
5. Ha a cukor már megfogható, szétbontják, megfigyelik a belsejét. Megfigyelő lapra lerajzolják, leírják a megfigyeléseket (közös megbeszélés közben).
6. A 3-at mindenki a 3. tálcára teszi, 1,5’-ig alufólián, üvegtálat ráborítva, infralámpa alatt melegítjük (tanári felügyelet).
7. Közben figyelik a méretváltozást, összehasonlítják az 1. és a 2. cukorral.
8. Ha a cukor már megfogható, szétbontják, megfigyelik a belsejét, összehasonlítják. Megfigyelő lapra lerajzolják, leírják a megfigyeléseket (közös megbeszélés közben), lerajzolják és leírják a következtetést. Elfogyaszthatják a pillecukrokat.
9. Üvegházhatás ábra feliratozása, fogalom rögzítése a füzetben.

Biztonsági intézkedések: A tanulók 0,5–1 m távolról figyelnek. A pillecukrot NEM fogják meg melegítés közben. A meleg üvegtálhoz nem érnek hozzá.

Feladatlap

1. Megfigyelési lap

Feladat megoldása – link

2. Ábrakiegészítés (füzetbe ragasztandó)

Egészítsd ki az ábrát a megfelelő feliratokkal! 

Nap, földfelszín, hősugárzás, napsugárzás, visszavert hősugarak, vízgőz

Minek feleltethető meg az üvegházhatásban a pillecukros megfigyelés…

• infralámpája? ………………………………………………
• az infralámpa sugarai? ………………………………….
• üvegtálja?       ………………………………………………

A feladatlap megoldása – link

Rögzítés a füzetben:

• Üvegházhatás ábra
• Üvegházhatás: a levegő vízgőztartalma nem engedi megszökni a felszín által kisugárzott hőt a légkörből, hanem visszaveri azt.