Παράδειγμα 5: Σχεδιάζοντας τον δικό μας Μετεωρολογικό Σταθμό – Από τη μέτρηση στην ανάλυση δεδομένων

Εισαγωγή:

Οι καιρικές συνθήκες επηρεάζουν την καθημερινή μας ζωή, από τον προγραμματισμό δραστηριοτήτων μέχρι τη γεωργία και τις μεταφορές. Σε αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές θα αναλάβουν τον ρόλο των επιστημόνων, κατασκευάζοντας και προγραμματίζοντας έναν μετεωρολογικό σταθμό με χρήση μικροεπεξεργαστή και αισθητήρων. Μέσα από τη συλλογή και ανάλυση δεδομένων, θα μάθουν πώς η Τεχνολογία, η Φυσική και τα Μαθηματικά συνεργάζονται για την κατανόηση του καιρού.

Στόχος:

• Επιστημονική γνώση: Εισαγωγή των μαθητών στις έννοιες της μετεωρολογίας, της συλλογής δεδομένων, της ανάλυσης δεδομένων και της παρουσίασης αποτελεσμάτων.
• Τεχνολογία: Χρήση του μικροεπεξεργαστή ως εργαλείου για τη μέτρηση μετεωρολογικών παραμέτρων και την προγραμματιστική λογική.
• Μηχανική: Σχεδιασμός και κατασκευή ενός σταθμού μετεωρολογίας.
• Μαθηματικά: Ανάλυση των μετρήσεων και δημιουργία γραφημάτων.

Προσδοκώμενα Μαθησιακά Αποτελέσματα:

Μετά την ολοκλήρωση της δραστηριότητας, οι μαθητές θα είναι σε θέση να:

Γνωστικός Τομέας (Cognitive)

1. Κατανόηση των μετεωρολογικών παραμέτρων: Οι μαθητές θα μπορούν να περιγράφουν τις φυσικές έννοιες που σχετίζονται με τη μετεωρολογία, όπως η θερμοκρασία, η υγρασία, η ταχύτητα ανέμου και η βροχόπτωση (Ahrens & Henson, 2021).
2. Ανάλυση μετεωρολογικών δεδομένων: Θα είναι σε θέση να ερμηνεύουν δεδομένα που συλλέγονται από αισθητήρες και να διακρίνουν τάσεις και μεταβολές στις καιρικές συνθήκες (Wilks, 2019).
3. Εφαρμογή αρχών της Φυσικής και των Μαθηματικών: Οι μαθητές θα εφαρμόσουν βασικές αρχές θερμοδυναμικής και στατιστικής ανάλυσης δεδομένων για την κατανόηση των μετρήσεων (Stull, 2017).
4. Συσχέτιση με πραγματικά καιρικά δεδομένα: Θα συγκρίνουν τις μετρήσεις τους με δεδομένα από επίσημους μετεωρολογικούς σταθμούς, αναπτύσσοντας δεξιότητες κριτικής ανάλυσης (NOAA, 2020).

Ψυχοκινητικός Τομέας (Psychomotor)

1. Κατασκευή και βαθμονόμηση ενός μετεωρολογικού σταθμού: Οι μαθητές θα συναρμολογήσουν έναν λειτουργικό μετεωρολογικό σταθμό χρησιμοποιώντας αισθητήρες θερμοκρασίας, υγρασίας, φωτός, ανέμου και βροχόπτωσης (Arduino Science Journal, 2022).
2. Προγραμματισμός για τη συλλογή και ανάλυση δεδομένων: Θα χρησιμοποιήσουν οπτικοποιημένα περιβάλλοντα προγραμματισμού (π.χ. Mind+, MakeCode) για να αυτοματοποιήσουν τη συλλογή δεδομένων (Grover & Pea, 2018).
3. Δημιουργία και ερμηνεία γραφημάτων: Θα αξιοποιήσουν λογισμικά επεξεργασίας δεδομένων (π.χ. Excel, Google Sheets) για τη δημιουργία γραφημάτων και τη στατιστική ανάλυση των δεδομένων τους (Tufte, 2001).

Συναισθηματικός Τομέας (Affective)

1. Ανάπτυξη επιστημονικής σκέψης: Οι μαθητές θα καλλιεργήσουν δεξιότητες έρευνας και πειραματισμού, αξιολογώντας την αξιοπιστία των μετρήσεών τους (Duschl & Grandy, 2013).
2. Καλλιέργεια περιβαλλοντικής συνείδησης: Θα κατανοήσουν την επίδραση των μετεωρολογικών φαινομένων στο περιβάλλον και θα διερευνήσουν τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής (IPCC, 2021).
3. Ενίσχυση της συνεργασίας και της επικοινωνίας: Θα εργαστούν σε ομάδες, θα καταμερίσουν αρμοδιότητες και θα παρουσιάσουν τα αποτελέσματά τους, αναπτύσσοντας δεξιότητες επικοινωνίας και επιστημονικής παρουσίασης (Johnson & Johnson, 2014).

Υλικά:

• Μικροεπεξεργαστής
• Αισθητήρας θερμοκρασίας
• Αισθητήρας υγρασίας
• Αισθητήρας φωτός
• αισθητήρας έντασης ανέμου
• Αισθητήρας βροχόπτωσης
• Μπαταρίες
• Καλώδια
• Ψηφιακή οθόνη (προαιρετικά)
• Δόκιμα υλικά κατασκευής τύπου Lego 
• Υπολογιστής με λογισμικό οπτικοποιημένου προγραμματισμού 

Βήματα δραστηριότητας:

Εισαγωγή:

• Συζήτηση για τη σημασία της μετεωρολογίας στην καθημερινή ζωή.
• Παρουσίαση των μετεωρολογικών παραμέτρων που θα μετρηθούν.
• Εισαγωγή στις βασικές λειτουργίες του μικροεπεξεργαστή και τις δυνατότητές του.

Σχεδιασμός:

• Δημιουργία ολιγομελών ομάδων μαθητών.
• Κάθε ομάδα σχεδιάζει τον δικό της σταθμό μετεωρολογίας, καθορίζοντας τη διάταξη των αισθητήρων και την εμφάνιση των δεδομένων.

Κατασκευή:

• Οι μαθητές κατασκευάζουν τον σταθμό μετεωρολογίας, συνδέοντας τους αισθητήρες με τον μικροεπεξεργαστή.
• Εγκατάσταση του σταθμού σε εξωτερικό χώρο.

Προγραμματισμός:

• Χρησιμοποιώντας το λογισμικό προγραμματισμού, οι μαθητές δημιουργούν μια εφαρμογή για τη συλλογή δεδομένων από τους αισθητήρες και την εμφάνιση τους στην οθόνη του υπολογιστή ή σε μια ψηφιακή οθόνη ή σε ένα ιστότοπο που έχει δημιουργηθεί για το σκοπό αυτό.
• Επεξεργασία των δεδομένων για την υπολογισμό μέσων τιμών, διακυμάνσεων κ.λπ.

Ανάλυση δεδομένων:

• Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν μεταφέρονται στον υπολογιστή.
• Χρησιμοποιώντας κατάλληλο λογισμικό , οι μαθητές δημιουργούν γραφήματα για να απεικονίσουν τη μεταβολή των μετεωρολογικών παραμέτρων στον χρόνο.
• Ανάλυση των γραφημάτων και εξαγωγή συμπερασμάτων.

Παρουσίαση:

Κάθε ομάδα παρουσιάζει το έργο της στην τάξη, εξηγώντας τη διαδικασία κατασκευής, προγραμματισμού και ανάλυσης των δεδομένων.

Σύνδεση με το Αναλυτικό Πρόγραμμα:

• Φυσικές Επιστήμες: Εισαγωγή στις έννοιες της μέτρησης, της θερμοκρασίας, της υγρασίας, του φωτός, του ανέμου και της βροχόπτωσης.
• Μαθηματικά: Συλλογή, οργάνωση και ανάλυση δεδομένων, δημιουργία γραφημάτων, υπολογισμός μέσων τιμών.
• Πληροφορική: Εισαγωγή στον προγραμματισμό, χρήση λογισμικού για την επεξεργασία δεδομένων και την οπτικοποίηση τους.
• Τεχνολογία: Σχεδίαση και κατασκευή με δομικά υλικά και χρήση ηλεκτρονικών συσκευών (ΙοΤ).

Επέκταση:

• Συγκριτική ανάλυση: Συγκριτική ανάλυση των μετεωρολογικών δεδομένων με δεδομένα από μετεωρολογικούς σταθμούς της περιοχής.
• Πρόβλεψη: Χρήση των δεδομένων για την πρόβλεψη μελλοντικών μετεωρολογικών συνθηκών.
• Αυτόματη ενημέρωση: Δημιουργία ενός συστήματος που να ενημερώνει αυτόματα τους χρήστες για αλλαγές στις μετεωρολογικές συνθήκες.

Σημείωση: Η δραστηριότητα αυτή μπορεί να προσαρμοστεί ανάλογα με την ηλικία και τις γνώσεις των μαθητών.