Teatr podstawowych doświadczeń Teach article

łumaczenie Bogusław Malański, Szymon Malański. Rozkręć ich zainteresowania póki są młodzi! Alex Griffin, Tim Harrison i Dudley Shallcross z Uniwersytetu w Brystolu w Anglii, pokazują jak ważne jest rozbudzanie zainteresowania dzieci nauką, oraz ile im to może sprawić radości!

Image courtesy of Bristol ChemLabS

Alex był na ostatnim roku robienia doktoratu z chemii….

“Napięcie rośnie: nie skończyłem jeszcze pracy w laboratorium, a czas się nieubłagalnie kończy. Mam do napisania okropnie długą pracę dyplomową i co gorsza pieniądze również się kończą. Często słyszę pytanie:  „W jaki sposób udaje ci się złagodzić stres?”. Cóż, po prostu staram się rozproszyć moją uwagę poprzez edukację innych ludzi.

To nie jest jakaś nowoczesna technika relaksacyjna lecz Bristol ChemLabSw1 – program prowadzony przez wydział chemiczny Uniwersytetu w Bristolu w celu przybliżenia chemii szerokiej rzeszy ludzi. Chcemy zmienić przekonanie, iż nauka jest nudna, niebezpieczna czy też szkodliwa. Pragniemy pokazać społeczeństwu czym się zajmujemy. Jedną z prowadzonych przez nas akcji jest odwiedzanie szkół podstawowych.

Zaczynamy od załadowania wszystkich przyrządów do auta Tima Harrisona (wśród nich są np. balony wypełnione wodorem oraz helem). Całe szczęście, że auto jest dosyć pakowne. Gdy dojeżdżamy w końcu do szkoły oznajmiamy, że rekwirujemy aulę w celu przygotowania i przeprowadzenia pokazu. W sali zaczynają się gromadzić dzieci w wieku od 4 do 11 lat. W ich oczach widać zainteresowanie i podekscytowanie. Widzowie w pierwszych rzędach zostają zaopatrzeni w okulary ochronne – bardziej ze względu na efekt niż konieczność. Gdy już wszyscy siedzą Tim rozpoczyna spotkanie. Na początek sprawdza wiedzę dzieci pytając się jakie gazy wchodzą w skład powietrza. Następnie zaskakuje wszystkich doświadczeniami z ciekłym azotem, zachwyca kolorowymi reakcjami, rozbawia tworząc fontannę z baniek (jak to dobrze, że ktoś wynalazł płyn do mycia naczyń) i kończy poprzez wysadzenie w powietrze za pomocą płomienia balonów wypełnionych wodorem. Widownia bierze czynny udział w tej części pokazu. Okrzyki radości towarzyszą kuli ognia, która pojawia się podczas podpalania balonu z wodorem, a znane wszystkim „buuu” podczas zabawy z balonem wypełnionym helem, który po prostu pęka.

Euforia ustaje na chwilę. Podczas gdy my porządkujemy aulę Tim odpowiada na pytania dzieci oraz wychowawców. Czasu mamy akurat na filiżankę herbaty po czym kontynuujemy….

Dla dwóch klas, złożonych z dzieci od 9 do 11 lat, mamy przygotowane trzy zestawy doświadczeń. Dzieci przechodzą z jednego stanowiska do następnego w taki sposób, że każde z nich będzie miało okazję wziąć udział w każdym eksperymencie. Wyposażam dzieci w małych rozmiarów odzież laboratoryjną, okulary ochronne oraz jednorazowe rękawice (jak one to uwielbiają), a następnie proszę żeby się dobrały w grupy. Na początek każę im rozpuścić cienkie wstążki magnezu w kwasie solnym o różnym stężeniu. Uczniowie mierzą ile potrzeba czasu na całkowite rozpuszczenie metalu, następnie zbierają wytworzony gaz i go podpalają, czemu towarzyszy charakterystyczne „pyknięcie”. Inne eksperymenty to tworzenie kolorowych polimerów (zawiesin) oraz ‘zegara jodynowego’ (patrz niżej). Nauczyciele także nie stoją bezczynnie. Ich również ubieramy w odpowiednią odzież i zapraszamy do udziału w doświadczeniach. Często zaskakuje mnie jak bardzo dzieci potrafią być pewne siebie i dociekliwe. Czasem muszę się poważnie zastanowić zanim odpowiem na któreś z zadanych pytań.

Prowadzone przez nas zajęcia polegają na przekazywaniu wiedzy z chemii poprzez zabawę. Przy okazji zachęcamy dzieci do drobnej rywalizacji. Zespół który wykaże się największą dokładnością w doświadczeniu z ‘zegarem jodynowym’ dostaje w nagrodę układ okresowy pierwiastków z logo Bristol ChemLabS oraz podkładkę pod mysz lub kubek.

Wyczerpani, ale zadowoleni pakujemy rzeczy z powrotem do auta i wracamy na uniwersytet. Niezły sposób na odpoczynek!”

Związek szkoła- uniwersytet:  korzyści dla obu stron?

Image courtesy of Bristol ChemLabS

W wielu krajach szkoły podstawowe są mocno powiązane z lokalnymi gimnazjami, liceami oraz placówkami naukowymi. Zespoły szkół powinny mieć możliwość ubiegania się o dotacje na  wspólne, dodatkowe wyposażenie. Pieniądze mogłyby również zostać przeznaczone na opłacanie wizyt różnych osób/grup dydaktycznych.w#w22 Lista niezbędnego wyposażenie potrzebnego do przeprowadzenia typowych zajęć znajduje się w ramce.

Wydziały chemiczne wyższych uczelni posiadają wyposażenie, które po drobnych modyfikacjach może być używane przez szkoły podstawowe. Nawiązanie współpracy pomiędzy uczelnią a kilkoma lokalnymi szkołami wymaga nakładów finansowych oraz czasu – uważamy jednak, iż takie posunięcie wiąże się z różnymi korzyściami dla obu stron. Absolwenci lub nawet studenci mają okazję zaplanować i przeprowadzić zajęcia, które zainteresują społeczeństwo nauką. Szkołom podstawowym zostają  przedstawione nowe możliwości z których w przyszłości będą mogli korzystać nauczyciele oraz uczniowie. Co więcej, jak wiemy z naszej praktyki może istnieć 3-stronna korzystna współpraca. Ma to miejsce gdy np. szkoła średnia organizuje pokaz dla szkoły podstawowej przy pomocy personelu z uniwersytetu oraz posiadanego przez nich sprzętu.

“Po zajęciach trwały długie dyskusje między uczniami o tym które doświadczenie było najciekawsze (najczęściej wymieniali fontannę z baniek). Dzieci były naprawdę ożywione i zafascynowane tym co zobaczyły. Nawet te młodsze, które się przestraszyły wybuchających balonów, uznały iż pokaz był wspaniały”

“Tim przeprowadził doświadczenia z dwutlenkiem węgla, ciekłym azotem, jajkami, kwiatami, rękawiczkami itp., które w pół godziny przekonały…. 240 dzieci ( także te z obozu ‘po co się uczyć?’) iż nauka może być ciekawa. Zmieniamy teraz nasz program tak aby było w nim jak najwięcej tego typu zajęć. Szkoły tego potrzebują – aż miło było popatrzeć jak bardzo dzieci były zmotywowane.
Dwójka nauczycieli

“Nie wiedziałem, że gazy mogą zamarznąć.”
“Chciałbym zostać naukowcem gdy dorosnę.”
Uczniowie z III klasy (7-8 lat)

“Spodziewałem się, iż dzieci będą zachwycone kolorowymi reakcjami, parującymi próżniowymi kolbami i głośnymi eksplozjami, ale najbardziej zaskoczyło mnie ich zaangażowanie w doświadczenia klasowe. Swoim wzorowym zachowaniem wystawiły szkole pozytywne świadectwo. Na dodatek pod koniec półgodzinnych zajęć każda para w mojej grupie była w stanie przewidzieć dalszy ciąg wcale nieprostej reakcji z ‘zegarem jodynowym’! Z punktu widzenia dzieci udało nam się zamienić naukę z ‘nudnej i skomplikowanej’ na ciekawą.
Absolwent wydziału chemicznego po zakończeniu zajęć, w organizowaniu których pomagał po raz pierwszy

 

Niezbędne wyposażenie

W skład wyposażenia Bristol ChemLabS wchodzą:

  • 60 fartuchów laboratoryjnych w małych, średnich i dużych rozmiarach
  • 50 par okularów ochronnych dla dzieci i dorosłych
  • 400 par jednorazowych rękawic w różnych rozmiarach
  • Plasitkowe zlewki, cylindry pomiarowe, mieszadła
  • 250 jednorazowych, niełamliwych plastikowych kubeczków
  • Stopery
  • Laminowane arkusze z instrukcjami (odporne za zalania/wielokrotnego użytku)
  • Szklane próbówki do podgrzewania oraz stojaki
  • Przenośny palnik na butan oraz zapałki
  • Duża ilość ręczników jednorazowych
  • Duże torby na śmieci
  • Elektryczne czajniki
  • Preparat do przemywania oczu

Koszt aparatury, pojemników do jej przenoszenia, chemikaliów oraz innych przedmiotów potrzebnych do doświadczeń wynosi ok. 4000 funtów na jedne zajęcia (łącznie z poranną prezentacją dla całej szkoły).

 

Szczegóły zajęć z chemii

Szkolną klasę, która posiada umywalkę, bardzo łatwo zamienić w tymczasowe laboratorium. Oferujemy wiele różnych doświadczeń. W swym założeniu mają kształcić u dzieci zdolność to prowadzenia pomiarów, obserwacji i współpracy z innymi uczniami, przy jednoczesnym zachowaniu ostrożności. Są one opisane niżej.

Przeprowadzane przez nas doświadczenia znane są nauczycielom z gimnazjów i liceów. Czemu więc przeprowadzamy je w szkołach podstawowych? Otóż naszym celem nie jest uzyskanie od uczniów wyników pomiarów i analiz, lecz pokazanie jak ciekawa może być nauka.

Uwaga: Podczas używania substancji chemicznych należy wziąć pod uwagę potencjalne zagrożenia oraz warunki jakie oferuje dana szkoła/klasa. Nauczyciele szkół podstawowych, którzy nie posiadają odpowiednich wiadomości z chemii mogą zwrócić się o pomoc do kolegów z lokalnego gimnazjum lub liceum.

Badanie własności zawiesin i polimorfów

Zawiesinę uzyskuje się poprzez zmieszanie boraksu i alkoholu poliwinylowego (PVA), a następnie dodanie odrobiny barwnika spożywczego. Zmieniając proporcję boraksu wpływamy na własności fizyczne zawiesiny. To dosyć obrzydliwe z wyglądu doświadczenia jest uwielbiane przez dzieci.

Polimorf to termoplastik, który może być formowany we względnie niskiej temperaturze 62°C.

Materiały

Dla dwóch 35-cio osobowych klas, w których uczniowie będą pracować w parach potrzeba 3 l PVA i 2 l roztworu boraksu.

W celu otrzymania 1 l roztworu PVA:

  1. Weź 40g PVA i uzupełnij wodą do objętości 1 l.
  2. Podgrzej całość od 40°C do 90°C. Pamiętaj o częstym mieszaniu (może to potrwać godzinę). W celu przyśpieszenia procesu owiń zlewkę folią aluminiową – pomoże to w zatrzymaniu ciepła.

W celu otrzymania 1 l, cztero-procentowego roztworu boraksu:

  1. Weź 40 g boraksu i uzupełnij wodą do objętości 1 l.
  2. Dobrze wymieszaj.

Uwaga: Boraks jest często stosowany w detergentach, środkach do zmiękczania wody, mydłach oraz środkach dezynfekujących.

Polimorf można kupić w Middlesex University Teaching Resources w Angliiw3 za cenę ok. 30€/kg (w Polsce oczywiście gdzieś indziej). Każdemu uczniowi należy dać po ok. 4-5g w osobnym pojemniku.

Przebieg

Uczniowie powinni:

  1. Wlać roztwór PVA do jednorazowej zlewki na wysokość ok. 1cm (na naszych zlewkach jest na ogół stosowna informacja: ze względu na dużą lepkość PVA cylindry pomiarowe nie nadają się to tego doświadczenia).
  2. Opcjonalnie: dodać kilka kropel barwnika spożywczego i zamieszać.
  3. Dodać dokładnie odmierzoną objętość boraksu i dobrze wymieszać.
    Początkowo pokieruj każdą parą uczniów tak, aby dodali dokładnie określoną ilość boraksu – pomiędzy 4 a 10 ml.
  4. Założyć rękawice, po czym wyjąć zawiesinę ze zlewki i zbadać jej organoleptyczne własności poprzez rozciąganie.

Zademonstruj dzieciom termoplastyczny polimorf. Ma on postać bezbarwnych granulek, które po wrzuceniu do gorącej wody (powyżej 62°C) mogą być formowane w rożne ciekawe kształty jak na przykład ryby czy ptaki. Mniej kreatywni utworzą zwykłe piłeczki – mogą one posłużyć do ciekawych obserwacji. W zależności od tego jak ciepły jest polimer będzie on miał różne współczynniki sprężystości. Piłeczki po  upuszczenia na podłogę będą  odbijały się na różne wysokości.

Zegar jodynowy

W tym doświadczeniu dzieci badają zjawisko rozcieńczania i uczą się odmierzać objętości na tyle precyzyjnie, aby pewna reakcja chemiczna zmieniła kolor dokładnie po 30 sekundach. Często urządzamy zawody i wyłaniamy grupę, która najlepiej przeprowadziła to ćwiczenie – dla dzieci to dodatkowa zabawa.

W tym doświadczeniu używamy dwóch roztworów, którym nadajemy nazwy A i B (patrz niżej). Nie chcemy dezorientować dzieci trudnymi systematycznymi nazwami. Uczniowie otrzymują trzy małe zlewki wypełnione do połowy roztworem A, roztworem B oraz wodą, jak i również odpowiednio oznaczone cylindry pomiarowe (w celu uniknięcia zanieczyszczenia).

Substancje

Dla dwóch klas po 35 osób potrzeba 4l z każdego roztworu.

W celu otrzymania 4 l roztworu A zmieszaj ze sobą podane niżej odczynniki i uzupełnij wodą do objętości 4 l:

  • 0.2 g skrobi rozpuszczalnej
  • 30 ml kwasu octowego
  • 4.1 g octanu sodowego
  • 50 g jodku potasu
  • 9.4 g tiosiarczanu sodu

W celu otrzymania 4 l roztworu B, weź 200 ml 30% roztworu wody utlenionej i uzupełnij wodą do objętości 4 l..

Przebieg

Upewnij się, że każda para uczniów posiada odpowiedni sprzęt i potrafi obsługiwać stoper. Następnie zademonstruj reakcję bez rozcieńczania czegokolwiek. Zmieszaj ze sobą 15ml roztworu A oraz B. Mikstura zmieni kolor na czarny po kilku sekundach.

Omów jaki wpływ na miksturę ma dodanie wody. Używaj określeń takich jak ‘mniej skoncentrowany” czy ‘bardziej rozcieńczony’ – pomoże to dzieciom zrozumieć co się dzieje. Instrukcje przekaż dzieciom ustnie żeby traciły jak najmniej czasu i od razu przeszły do części praktycznej.

Postaw dzieciom wyzwanie – niech rozcieńczą roztwory tak, żeby zmiana koloru na czarny nastąpiła po określonym czasie (wybieraj wartości pomiędzy 30 a 60 sekund). Każdej parze przydziel inny czas.

Konkurs może nie jest do końca sprawiedliwy, ponieważ zarówno objętość jak i stężenie mikstur ulega zmianom. Niemniej dzieciom eksperyment się bardzo podoba i pomaga im ćwiczyć umiejętności takie jak dokładne odmierzanie, obserwowanie i wyciąganie wniosków oraz praca z zespole. W ramach dodatkowej motywacji możesz zaproponować nagrodę dla najlepszej pary uczniów.

Dla uczniów szkół ponadpodstawowych można wprowadzić pewne zmiany, aby doświadczenie wymagało głębszego zastanowienia. Przykładowo można postawić warunek, że za każdym razem używamy jednakowej ilości roztworu B rozcieńczonego w odpowiedni sposób (co z naukowego punktu widzenia jest bardziej poprawne). Po zakończeniu eksperymentu ostrożnie wylej roztwory do zlewu i go opłucz. Zlewki można umyć i po wysuszeniu ponownie użyć. Jeżeli w sali nie ma bieżącej wody można użyć wiadra z wodą zawierającą tiosiarczan sodu, który przereaguje z jodyną.

Rozcieńczanie kwasów

Uczniowie uwielbiają obserwować to doświadczenie. Polega ono na rozcieńczeniu kwasu poprzez reakcję z magnezem. Najbardziej podoba im się moment w którym mogą podpalić wytworzony podczas reakcji wodór (towarzyszy temu charakterystyczne i głośne ‘pyknięcie’).

Substancje

  • Wstęgi magnezu pocięte na 2cm fragmenty. Każdy uczeń będzie potrzebował 5 kawałków.
  • Kwas solny (HCl) w czterech różnych stężeniach – (po 2 litry z każdego stężenia) – patrz na tabelkę poniżej.
Tabelka 1: Stężenia kwasu solnego
Szacunkowe stężenie (mole, M) Objętość 11 moli kwasu solnego (ml) VObjętość wody (l)
2.0 364 2
1.5 273 2
0.1 182 2
0.5 91 2

Przebieg

Uczniowie powinni:

  1. Odmierzyć 10 ml jednego z kwasów i wlać do szklanej próbówki do podgrzewania.
  2. Dodać kawałek magnezu, włączyć stopper, a następnie go wyłączyć gdy syczenie ustanie.
  3. Zapisać wyniki do tabelki i przeliczyć wszystkie czasy na sekundy.
  4. Ostatnią (piątą) wstążkę magnezu należy użyć pod sam koniec. Uwalniany podczas reakcji wodór trzeba zebrać do drugiej próbówki i bezpiecznie go podpalić za pomocą drewnianego łuczywka.
  5. Porównaj wyniki doświadczenia z wybuchami balonów napełnionych wodorem w szkolnej auli.

Podczas wykonywania tego doświadczenia absolwenci pokazują dzieciom jak bezpiecznie podpalić gaz.


Web References

Resources

  • Szczegóły niektórych zajęć organizowanych przez of Bristol ChemLabS’s są opisane w:Harrison T, Shallcross D (2006) Perfume chemistry, sexual attraction and exploding balloons: university activities for school. Science in School 3: 48-51. www.scienceinschool.org/2006/issue3/perfume

Author(s)

Alex Griffen jest już po obronie doktoratu. Pracuje jako pomocnik przy badaniach w Synchrotron Radiation Source, Anglia.

Tim Harrison jest nauczycielem Bristol ChemlabS.

Dudley Shallcross jest profesorem na Uniwersytecie w Brystolu. Zajmuje się chemią atmosfery ziemskiej. Do jego obowiązków należy także promowanie Bristol ChemLabS.


Review

W artykule opisane są wizyty studentów z uniwersytetu w szkołach podstawowych. Przeprowadzają oni doświadczeń z chemii, motywują dzieci do nauki i rozwijają zainteresowanie chemią.

Doświadczenia są szczegółowo opisane. Mogą one być przeprowadzane przez nauczycieli bez dużego doświadczenia w chemii oraz dostępu do laboratorium. Sam z pewnością zademonstruję moim uczniom zegar jodynowy.


ølve Tegnér Stenmark, Norwegia




License

CC-BY-NC-SA