Fizikai Szemle 2006/5. 165.o.
FIZIKA AZ ERDEI ISKOLÁBAN
Vankó Péter
BME, TTK, Kísérleti Fizika Tanszék
Árpád Gimnázium, Budapest
Az elmúlt évtizedben egyre több iskola ismerte fel a szabad
természetben eltöltött egyhetes foglalkozásokban
rejlő pedagógiai lehetőségeket. Divat lett az erdei iskola:
a tanári kezdeményezések mellett vállalkozások alakultak
komplett - szállást, étkezést, szakmai programot tartalmazó
- erdei iskolai foglalkozások szervezésére. Az
iskolák témája - a közösségi programok, kirándulások
mellett - elsősorban a környezet- és természetvédelem,
madarászás és növényhatározás, azaz az iskolai tárgyak
közül jellemző a biológia dominanciája.
A budapesti Árpád Gimnáziumban 1998-ban szerveztük az
első erdei iskolát a 9. évfolyam speciális matematika
tagozatos és természettudományos osztályának [1].
Az iskola programját - az étkezésen kívül, amit a várkúti
turistaházban szállásadónk biztosított - külső segítség
nélkül, magunk akartunk összeállítani, ezért azt meghatározta
a szervezők érdeklődése, szakértelme: így került be
a biológia-kémia szakos kollégám növény- és állathatározása,
vízvizsgálata, valamint magyar szakos kollégám
által szervezett esti közösségi-kulturális együttlétek mellé
az erdei iskola programjába a fizika.
Az erdei iskola nagy lehetőség a fizika újbóli megkedveltetésére.
Az iskolai fizika népszerűtlenségét többek
közt a "krétafizika" túlsúlyával, az iskolai feladatokban
szereplő és a valóságos világ elszakadásával magyarázzák.
Az iskolák többségében az egyre kisebb óraszámok,
a gyengén felszerelt szertárak miatt alig végeznek
a tanulók kísérleteket, méréseket. Az erdei iskolában
sokkal több a hely és az idő, kisebb csoportokban
lehet dolgozni, és a természettel, a valósággal való kapcsolat
is sokkal nyilvánvalóbb. Ezért azt gondolom,
hogy az iskolai kísérletezés, mérés fejlesztése és a Csodák Palotája
típusú tudományos játszóházak elterjedése
mellett az erdei iskolának is komoly szerepe lehetne a
tantárgy megújulásában.
Az erdei iskola programja
Az erdei iskolában a természettudományos tárgyakat (fizika,
kémia, biológia, földrajz), illetve a tárgyakhoz kapcsolódó
néhány tudományterületet (csillagászat, térképészet,
ökológia) integráltan, természetes környezetben, öt
napon (és egy csillagos éjszakán) keresztül intenzíven,
célirányosan (projektek), kreatív csoportmunkára építve
lehet tanítani. Az erdei iskola tananyaga az egész éves
tananyag szerves része, érdekességével, összetettségével
a tanév "megkoronázása", ugyanakkor a további tanulmányok megalapozója
is.
Az erdei iskolában az intenzív, kreatív tanulásnak köszönhetően
a tanulók rövid idő alatt nagyon sok új ismeretet
szerezhetnek, ezen túl a korlátozott iskolai lehetőségeknél
sokkal hatékonyabban elsajátíthatják a természettudományos
kísérletezés és megfigyelés alapvető módszereit.
A természettudományos tárgyak iskolai oktatásánál
is fontos a tananyaghoz kapcsolódó környezetvédelmi
kérdések megbeszélése. Az erdei iskolában ez a kapcsolat
sokkal természetesebb és intenzívebb. Az erdőben
töltött hét a tanulók számára olyan intenzív élmény,
amely megalapozhatja környezeti gondolkodásukat.
Az erdei iskola szakmai programja projektekből áll. A
félnapos vagy egész napos projekteket az ötletek közös
megbeszélése, elemzése után a tanulók négy-öt fős csoportokban,
önállóan, az iskolában megszerzett ismereteik
vagy korábban kiadott segédletek alapján valósítanak
meg. A feladatok megoldása szükségessé teszi a csoportokon
belüli és esetleg a csoportok közti együttműködést
is. Egy-egy nap végén a csoportok posztereken, az utolsó
este kiselőadással számolnak be az elért eredményekről.
Projektek
A feladat és a munkamódszer eltér az iskolában megszokottól.
Egy-egy projektbe egy témához kapcsolódóan több,
egymást kiegészítő feladat is beletartozik. Bár egy projekt
megvalósítására a 45 perces iskolai óráknál sokkal hosszabb
idő áll rendelkezésre, a sikeres befejezéshez hatékony
munkára, jó szervezésre, a csoporton belüli munkamegosztásra
van szükség. A munka fontos része a terepi
felmérések, kísérleti és számítási eredmények, következtetések
"publikálása": a csoport poszterének elkészítése.
Az évek során a szervező tanárok szakjának és érdeklődésének
megfelelően különböző témák kerültek a
programba. A "klasszikus" biológia projekt egy 10x10
m2-es terület élővilágának felmérése: fás és lágyszárú
növények rovarok és esetleg más kisebb állatok meghatározása.
Némelyik posztert a terület részletes térképe
mellett a megfigyelt fajok művészi igényű rajzai díszítették.
Az erdei iskola másik állandó programja a lámpa
nélküli éjszakai kirándulás, ahol a városi fényekhez szokott
diákok a májusi lombos erdő teljes sötétjével, a sötétben
való tájékozódás nehézségével és a fényszennyezett
nagyvárosi ég után a sokezer csillaggal ragyogó ég
látványával ismerkedhetnek. A résztvevők erőnlétét próbára
tevő egész napos nappali kirándulást viszont térképolvasás
és tájékozódás, geológia és fizika is színesíti. Az
1. képen rezonanciakísérlet látható a szentbékkállai ingókövön:
a sokmázsás szikla jól érezhetően billegni kezd a
megfelelő ritmusú lökésektől.
A technika fejlődése új lehetőségeket jelent az erdei
iskolában is: digitális fényképezés, GPS-es (műholdas)
tájékozódás, számítógéppel segített "kísérleti matematika".
Izgalmas, hagyományos módszerekkel nehezen, vagy sehogyan
se megoldható matematika feladatok válnak kezelhetővé,
a kirándulás képeit este már közösen lehet megnézni,
a GPS által rögzített útvonalat pedig térképre lehet
illeszteni egy hordozható számítógépen (2. kép ). A 2003-ban
készült Erdei iskola CD-t (amely az általam szervezett
erdei iskolák részletes programját, képeit, térképeit, segédanyagait
tartalmazza) minden résztvevő megkapta,
nagy része pedig elérhető az interneten is [2].
A technikai fejlődés, a változó program ellenére az erdei
iskolának mindvégig fontos része maradt a fizika. A következőkben
két fizika projektet ismertetek részletesebben.
"Hegy" projekt: hegy és torony
magasságának mérése
Egy új projekt megvalósítása ötletbörzével kezdődik. A
turistaház feletti erdővel borított Vár-hegy magasságának
megmérésére sok módszert javasoltak a résztvevők. Néhány
javaslat talán kicsit fantazmagóriának tűnik, például
a hegy tetejéig feleresztett lufi, majd a fonál hosszának
megmérése. A javaslatok megvitatása után kiválasztottuk
azokat a módszereket, amelyeket ki is tudunk próbálni.
Háromszögeléses módszert a rálátás hiánya miatt nem
alkalmazhattunk.
A barométeres és a víz forráspontjának változásán
alapuló méréseket közösen végeztük el, de a mért adatokból
a csoportok már önállóan számoltak magasságot
(pontosabban a turistaház és a csúcs közti magasságkülönbséget).
A számoláshoz természetesen hibaszámítás is
kapcsolódik. Ezek a mérések a rendelkezésre álló barométer
pontossága, illetve a forráspont csekély változása
miatt elég pontatlannak bizonyultak .
A legnagyobb lelkesedést a mérőpárok által elvégzett
"hegyprofil"-mérés váltotta ki. A mérés elve egy későbbi
erdei iskolában készült poszteren (3. kép ) látható: a mérőpár
egyik tagja egyforma lépésekkel halad felfelé, miközben
a társa egy vízszintesen tartott füzet segítségével
figyeli, mikor kerül a másik lába az ő szemével egy magasságba.
Amikor ez megtörténik, az elől járó megáll,
feljegyzi a lépései számát, és bevárja a társát. Utána ezt
ismétlik a csúcsig. A hegy magasságát a hátsó tanuló
szemmagasságának és a megállások számának szorzata
adja, de ezen kívül a lépésszámok ismeretében a hegy
profilját (függőleges metszetét) is meg lehet rajzolni. Jól
látszik a poszteren a hibabecslés és hibaszámítás is (valószínűleg
kicsit alábecsült hibával).
A "Hegy" projekt folytatása volt 2002-ben a csóványosi
betontorony magasságának mérése. A 4. képen egy erről
készült poszter látható. A három elvégzett mérés
eredményei (toronymagasság kavics esési idejéből, lépcsőszámolással
és látószög alapján) a hibaszámítások szerint hibahatáron
belül megegyeznek. A poszter alján három további
mérésötlet olvasható: a már ismert barométeres módszer
(ehhez a kis magasságkülönbség miatt sokkal pontosabb
műszer kellett volna), madzaglelógatás, valamint a
torony és egy ismert hosszúságú bot árnyékának összehasonlítása
- amit a borús idő miatt nem lehetett elvégezni.
"Patak" projekt: patak vízhozamának,
víz kifolyási idejének mérése
A "patakozás": gátépítés, vízduzzasztás, vízimalom készítése
felnőtteknek is jó játék. A "Patak" projekt első feladata
egy erdei patak vízhozamának mérése volt. Az
egyik, sok közös munkát, gátépítést kívánó módszer szerint
a patakvizét egy összeszűkített helyen egy nagy,
tízliteres vödörben fogtuk fel, és a vödör megteléséhez
szükséges időt mértük. Azonban a szelíden csordogáló
kicsi patak is egy-két másodperc alatt megtöltötte a vödröt
- ráadásul a gát résein is sok víz elfolyt - így a módszer
inkább csak alsó becslést adott a vízhozamra.
A másik, a csoportok által külön-külön elvégzett mérés
lényegében a vízsebesség numerikus integrálásán
alapul: egy sekély, szélesebb helyen a patak sebességét
és mélységét kell megmérni 10-15 helyen egy patakra
merőleges egyenes mentén. A sebességet egy vízbe dobott
fadarab vagy papírcsík sebességének méréséből
(elmozdulás és idő mérésével), a mélységet pedig a patakba
dugott vonalzóval lehet megállapítani. Elég sok
mérés (kellően kis darabok) esetén egy kis helyen a sebesség
és a mélység is állandónak tekinthető, és így az
ottani rész-vízhozam a kiválasztott rész szélességének,
mélységének és sebességének szorzataként, a patak vízhozama
pedig a rész-vízhozamok összegeként számolható.
A csoportok más-más helyen, de ugyanannak a
pataknak a vízhozamát mérik, így az eredmények összevethetőek.
Ennek a mérésnek is van "kicsinyített", a turistaháznál
elvégezhető folytatása: pillepalack, szívószál és ragasztó
felhasználásával izgalmas méréssorozathoz készíthető
olcsó mérőeszköz, amelyhez már csak egy
konyhai mérőpohár, stopper (karóra) és víz szükséges.
A fél napig is eltartó méréssorozatban a víz "kifolyási
sebessége" (vízhozama) mérhető egyrészt a hidrosztatikai
nyomás (vízoszlop
magasság), másrészt a
kifolyócső (szívószál)
hosszának függvényében
(5. kép ). A sok méréshez
érdemes először
a palackot kalibrálni: a
térfogatot a mérőpohár
segítségével például deciliterenként
egy vonallal
megjelölni. Ezután a
nyomástól függő vízhozam
mérése egy-egy vonal
közti vízszintsüllyedés
idejének mérésére
egyszerűsödik. A hidrosztatikai
nyomás a két
vonal kifolyócsőhöz viszonyított
átlagos magasságából
számolható.
A kifolyócső hossza pedig
minden újabb mérés
előtt egy ollóval könnyen
változtatható.
A mérés kiértékeléséhez a vízhozamot a hidrosztatikai
nyomás függvényében kell ábrázolni. A probléma érdekességét
az adja, hogy hosszú cső esetén a kifolyási időt a
víz és a cső súrlódása, egészen rövid cső esetén viszont a
víz tehetetlensége (a nyílásnál való felgyorsulása) határozza
meg. Előbbi a cső átmérőjétől, hosszától és a víz viszkozitásától,
utóbbi a nyílás átmérőjétől és alakjától függ.
Könnyen belátható, hogy az első esetben a vízhozam arányos
a nyomással (I ~ p), a másodikban pedig a nyomás
négyzetgyökével (I ~ p1/2). Általánosan írható: I = k · pn.
Közepes csőhosszaknál a két hatás keveredik, ekkor az n
kitevő értéke 0,5 és 1 között van. Ha a vízhozam logaritmusát
a nyomás logaritmusának függvényében ábrázoljuk,
akkor a pontokra illesztett egyenes meredekségéből a
kitevő kísérletileg meghatározható (lgI = lgk + nlgp).
A mérés során további érdekességek is megfigyelhetőek:
Egészen kis vízoszlop-magasságnál a szívószál végén
kialakuló vízcsepp felületi feszültsége ellensúlyozza a
hidrosztatikai nyomást, a víz kifolyása hamarabb leáll.
Egészen rövid cső esetén jól megfigyelhető a kiömlő vízsugár
összeszűkülése is. A diákok általában élvezik a
"pancsolást", lelkesen végigcsinálják a hosszú mérést és a
kiértékelést (6. kép ).
Egy jól sikerült erdei iskola - nyári táborokhoz, evezésekhez
hasonlóan - érezhetően javítja hosszú távon is az
osztály és a tanár kapcsolatát. Az erdei iskolában szerzett
ismeretek, élmények és tapasztalatok pedig általában
sokkal tovább megmaradnak, mint a hétköznapi iskolai
tananyag. Érdemes kipróbálni!
Irodalom
- Az első erdei iskola: Várkút (Bükk) 1998. május 25-29.
http://goliat.eik.bme.hu/~vanko/fizika/erdei/varkut/fizika21.htm
- Erdei iskola http://goliat.eik.bme.hu/~vanko/fizika/erdei.htm