Experimentální fyzikář

Na trhu je celá řada vynikajících elektronických stavebnic, z nichž některé by se podle mého soudu daly velmi dobře využít ve vyučování (především jako žákovské pomůcky). Stavebnice určené k prodeji mají obvykle skvělý design, což ovšem může být někdy na škodu z hlediska názornosti. Málokdy jsou jednotlivé části elektrického obvodu „obnaženy“ natolik, aby bylo možné pozorovat přímou vodivou cestu od svorky k součástce. Proto jsem se pokusil vyrobit sadu stavebnic svépomocí podle svých představ.

Popis pomůcky

Pro konstrukci stavebnice bylo třeba navrhnout a zhotovit dřevěnou platformu a dřevěné kvádry (moduly), na které se připevnily jednotlivé součástky (žárovky, LED, rezistory, tranzistory, elektromotor, spínač, přepínač, dózičku na pokusy s elektrickým proudem v elektrolytu, atd.), které se hodí pro učivo elektřiny a magnetismu na základní škole.

Svorky jednotlivých modulů jsou mosazné skoby s vrutem. Jednotlivé součástky elektrického obvodu jsou k nim připájeny. Propojovací vodiče jsou zhotoveny z drátu s izolací, k jeho koncům jsou připájeny „krokosvorky“.

Postupem času se mi podařilo vytvořit dostatečné množství sad stavebnic tak, aby polovina žáků mohla pracovat se stavebnicemi ve dvojicích (popř. trojicích) na zadaném elektrickém obvodu, zatímco druhá polovina třídy mohla řešit úkoly teoretického charakteru v pracovních listech. V průběhu vyučovací hodiny si obě poloviny své role vyměnily. V současné době pracuji na dalších (mírně vylepšených) sadách, aby současně mohlo pracovat se stavebnicí co nejvíc žáků.

Stavebnice jsou navrženy především tak, aby se pomocí nich dalo prakticky demonstrovat učivo elektřiny (nikoli ovšem statické elektřiny) podle ŠVP naší školy jako například: zdroj napětí, spínač, rozvětvený a nerozvětvený elektrický obvod, elektromagnetické jevy, polovodičové součástky, aj.).

Ukázka obvodu

Nyní popíši jeden z velmi jednoduchých obvodů, které sestavujeme ve vyučování. Z hlediska Rámcového vzdělávacího programu pro ZŠ se jedná o učivo elektrické a magnetické pole, (stejnosměrný) elektromotor.

Kromě elektromotoru figuruje v uvedeném elektrickém obvodu také tranzistor, což je polovodičová součástka, jejíž podrobný popis je jistě nad rámec učiva základní školy. Ale jelikož je tranzistor součástka natolik fundamentální pro chod moderního (digitálního) světa, je podle mého názoru vhodné alespoň seznámit žáky s jeho existencí, jeho typickým využitím (např. integrované obvody počítačů, tabletů, mobilů, atd.) a jeho základní funkcí, tedy zesilování (proudu nebo napětí). Jako jednoduchý zesilovač bude figurovat i v našem obvodu.

Žáci základní školy se učí o funkci stejnosměrného elektromotoru, který kvůli účinkům elektromagnetu začne otáčet rotorem v momentě, když je připojen k dostatečně silnému zdroji elektrického napětí. Také se učí, že elektrické napětí můžeme indukovat na cívce, když se v jejím okolí proměňuje magnetické pole. A zařízení, které tohle dokáže, je opět stejnosměrný elektromotor, pokud jej použijeme „opačným“ způsobem. Tedy zapojíme-li elektromotor do elektrického obvodu jako zdroj a vlastní silou začneme otáčet rotorem (střídavá povaha takto vzniklého napětí/proudu je náplní učiva následujících lekcí). Pokud žáci zapojí jednoduchý elektrický obvod, ve kterém je například bzučák nebo žárovka a pak už pouze (namísto zdroje) stejnosměrný elektromotor, pravděpodobně se jim nepodaří roztočit hřídel tak mocně, aby příslušný spotřebič uvedli do chodu [1]. Mechanismus výroby elektrického proudu pomocí elektromotoru ale může být dostatečně průkazný, když si pomůžeme tím, že použijeme tranzistor jako zesilovač. A do jisté míry tak zabijeme dvě mouchy jednou ranou – vyrobíme proud elektromagnetickou indukcí, a navíc ukážeme základní vlastnost tranzistoru. Demonstrujeme tak dva důležité poznatky o elektřině a magnetismu. Názornost je v tomto případě podpořena i tím, že obvod je skutečně velmi jednoduchý.

Elektrický obvod, jak je navržen na obrázku, nechávám žáky zapojovat s žárovkou nebo se bzučákem (můj pocit z vyučování je ten, že když se po prudkém zatočení hřídelí elektromotoru ozve zvuk, žáky to víc pobaví).

Závěr

S výrobou školních pomůcek jsem začal díky jisté dobromyslné řevnivosti s kolegou fyzikářem, který se touto činností zabýval už přede mnou. Nicméně výroba pomůcek mě nečekaně zaujala (a na nějaký čas téměř pohltila). Ale efekt se dostavil. Přiznám se, že jsem jaksi víc zapálen do práce s pomůckami, které jsem si sám vyrobil přesně podle svých představ. Přinejmenším odpovědněji dohlížím na to, aby byl dobře využit celý jejich potenciál.

Ale ačkoli je vlastnoruční konstrukce fyzikálních pomůcek inspirativní činností, kterou vřele doporučuji, myslím si na druhou stranu, že naprosto není nutné, aby se fyzikáři do výroby vlastních pomůcek nutili. Ne každý k tomu má sklony. Existuje ohromné množství možností, jak fyzikální jevy dobře demonstrovat a výukové cíle efektivně naplnit bez výraznějších kutilských schopností. Tento text je myšlen jako jistá inspirace zejména pro učitele a učitelky, co mají tendence zkoušet dělat věci po svém.

[1] Šlo by to ovšem provést s LEDkou. Ta by při prudkém zatočení hřídelí elektromotoru mohla bliknout i bez zesilovače.

Literatura a použité zdroje

JANÁS, J. Kapitoly z didaktiky fyziky. Brno: Pedagogická fakulta MU, 1996. ISBN 80-210-1334-6.

DROZD, Z.; BROCKMEYEROVÁ, J. Pokusy z volné ruky. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2003. ISBN 80-7196-268-6.

SVOBODA, E. Fyzika, pokusy s jednoduchými pomůckami. 2. vyd. Praha: Prometheus, 2001. ISBN 80-7196-226-0.