UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO ODDELEK ZA TEHNIKO Marko Podpečan INTERDISCIPLINARNA UPORABA VREMENSKE POSTAJE V OSNOVNI Š

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO ODDELEK ZA TEHNIKO Marko Podpečan INTERDISCIPLINARNA UPORABA VREMENSKE POSTAJE V OSNOVNI ŠOLI Magistrsko delo Maribor, julij 2018

INTERDISCIPLINARNA UPORABA VREMENSKE POSTAJE V OSNOVNI ŠOLI Magistrsko delo Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lektorice: Marko Podpečan Enopredmetni pedagoški študijski program 2. stopnje Izobraževalna tehnika red. prof. ddr. Boris Aberšek doc. dr. Nenad Muškinja mag. Polonca Čontala Piberl, Janja Kajnik, prof., Lea Vrhovnik, prof.

ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju red. prof. ddr. Borisu Aberšku in somentorju doc. dr. Nenadu Muškinji za strokovno svetovanje in pomoč pri nastanku magistrskega dela. Zahvaljujem se Osnovni šoli Angela Besednjaka Maribor za nakup potrebne opreme vremenske postaje in strokovnim delavcem za vzpodbudo, podporo ter pomoč pri izbiri teme s področja vremenoslovja. Prav tako se zahvaljujem svojim najbližjim, ki so me podpirali tudi med podiplomskim študijem.

POVZETEK V magistrskem delu je predstavljena interdisciplinarna uporaba vremenske postaje v osnovni šoli. Interdisciplinarna uporaba povezuje učitelje predmetov tehnike in tehnologije, fizike, matematike ter geografije. Učni primer medpredmetnega povezovanja je naprava za merjenje hitrosti vetra. V prvem delu sem predstavil lastno izdelano vremensko postajo. Opisal sem sestavne dele in njeno obrazložitev. Osrednji del vremenske postaje je mikroračunalnik Arduino UNO. Na mikroračunalnik so priključeni senzorji za merjenje količin. Vremenska postaja ima lastno napajanje preko baterije, katero napaja solarni modul, ki polni baterijo. Baterija skrbi za nemoteno napajanje mikroračunalnika. Podatki merjenih količin se pošiljajo na spletno mesto s pomočjo brezžičnega modula. V drugem delu sem prikazal medpredmetno uporabo vremenske postaje pri različnih predmetih v osnovni šoli. Ključne besede: interdisciplinarna uporaba, vremenska postaja, medpredmetno povezovanje, mikroračunalnik Arduino Uno, brezžični modul, solarni modul

ABSTRACT This master thesis presents the interdisciplinary use of a weather station in elementary school. Interdisciplinary use links subject teachers of technique and technology, physics and geography. An illustrative example of cross-curricular integration is a wind speedmeasuring device. In the first part, I present my own weather station. I describe the components and explain them. The core of the weather station is the Arduino UNO microcomputer. Sensors for measuring quantities are connected to the microcomputer. The weather station has its own power supply via a battery powered by a solar module, which is charging the battery. The battery supplies the microcomputer with power. The data of measured quantities is being sent to the website using wireless module. In the second part, I display the interdisciplinary use of the weather station in various school subjects in the elementary school. Keywords: interdisciplinary use, weather station, cross-curricular integration, Arduino Uno microcomputer, wireless module, solar modul

KAZALO 1 UVOD... 1 1.1 Predmetna področja in opis problema... 1 1.2 Namen in cilji dela... 2 1.3 Predvidene metode raziskovanja... 4 2 TEORETIČNI DEL... 5 2.1 Medpredmetno povezovanje... 5 2.2 Metodične rešitve za doseganje učnih ciljev... 6 2.3 Metode poučevanja tehnike... 6 2.3.1 Klasična metoda poučevanja tehnike... 7 2.3.2 Problemskost pouka in problemski pouk... 7 3 VREMENSKA POSTAJA... 11 3.1 Vrste opazovalnih postaj... 11 3.1.1 Merilna mesta po Sloveniji... 12 3.2 Vremenske postaje za domačo uporabo... 12 3.3 Arduino UNO... 13 3.4 Programsko orodje Arduino IDE... 14 3.5 Povezava programskega orodja Arduino IDE in plošče Arduino UNO... 14 3.5.1 Izbor plošče in serijskih vrat v programskem orodju Arduino IDE... 15 3.6 Senzor Adafruit BME280... 16 3.6.1 Povezava senzorja Adafruit BME280 s ploščo Arduino Uno... 16 3.7 Modul ESP8266... 18 3.7.1 Pošiljanje podatkov iz mikroračunalnika Arduino preko ESP8266 modula 19 3.8 Programska koda za merjenje in pošiljanje podatkov... 20 3.9 Solarni akumulator... 21 3.10 Solarni modul... 22 3.10.1 Vrste sončnih celic... 22 3.11 Solarni regulator... 23 3.12 Merilniki v vremenski postaji... 24 i

3.13 Portal za sprejemanje podatkov... 25 3.14 Merjenje hitrosti vetra... 27 3.14.1 Anemometer... 27 4 IZDELAVA ANEMOMETRA... 29 4.1 Začetek... 29 4.2 Predstavitev in določanje problema... 30 4.3 Analiza problema... 30 4.4 Ugotavljanje potrebnih znanj... 30 4.5 Usvajanje potrebnih znanj... 31 4.6 Uporaba usvojenih znanj... 31 4.7 Evalvacija in vrednotenje rezultatov... 36 5 PRIMER MEDPREDMETNEGA POVEZOVANJA... 37 5.1 Učna priprava... 37 5.2 Analiza učne ure... 50 6 ZAKLJUČEK... 51 7 LITERATURA... 53 8 PRILOGE... 56 ii

KAZALO SLIK Slika 1.1: Vremenska hiša... 2 Slika 2.1: Cikel problemskega pouka... 10 Slika 3.1: Profesionalna vremenska postaja Davis Vantage Pro Plus 6162... 12 Slika 3.2: Prednja stran plošče Arduino UNO... 13 Slika 3.3: Povezava Arduino UNO z računalnikom s pomočjo kabla USB... 14 Slika 3.4: Izbor plošče Arduino UNO v meniju orodja... 15 Slika 3.5: Serijska vrata plošče Arduino Uno... 15 Slika 3.6: Senzor Adafruit BME280... 16 Slika 3.7: Vezava senzorja BMP280 in plošče Arduino UNO... 17 Slika 3.8: ESP8266 brezžični modul... 18 Slika 3.9: Priključki ESP8266 brezžičnega modula... 19 Slika 3.10: Modul ESP8266 v zaščitni omarici... 20 Slika 3.11: Svinčeni akumulator za solarne naprave... 21 Slika 3.12: Amorfni solarni modul... 23 Slika 3.13: Solarni regulator... 24 Slika 3.14: Vremenska postaja šole... 24 Slika 3.15: Merilniki v vremenski postaji... 25 Slika 3.16: Thingspeak portal... 25 Slika 3.17: Spletni kanal vremenske postaje OŠ Angela Besednjaka... 26 Slika 3.18: Povezava do vremenske postaje OŠ Angela Besednjaka... 26 Slika 3.19: Anemometer... 28 Slika 4.1: Ponujen material za izdelavo merilnika hitrosti vetra... 31 Slika 4.2: Izdelovanje merilnika hitrosti vetra... 32 Slika 4.3: Učitelj kot usmerjevalec procesa... 32 Slika 4.4: Izdelan merilnik hitrosti vetra... 33 Slika 4.5: Različno izdelani merilniki hitrosti vetra... 33 Slika 4.6: Namizni ventilator... 33 Slika 4.7: Ročni anemometer Basetech BS-10AN... 34 Slika 4.8: Merjenje izhodne napetosti s pomočjo multimetra... 34 iii

Slika 4.9: Izboljšani merilniki hitrosti vetra... 35 Slika 4.10: Merilnik hitrosti vetra na vremenski postaji... 35 Slika 5.1: Merilnik hitrosti vetra skupine 1 8. a-razreda... 45 Slika 5.2: Graf električne napetosti v odvisnosti od hitrosti zraka skupine 1 8. a-razreda... 46 Slika 5.3: Merilnik hitrosti vetra skupine 1 8. b-razreda... 46 Slika 5.4: Graf hitrosti zraka v odvisnosti od električne napetosti skupine 1 8. b-razreda... 47 Slika 5.5: Merilnik hitrosti vetra skupine 1... 48 Slika 5.6: Graf električne napetosti v odvisnosti od hitrosti zraka skupine 2 8. b-razreda... 49 Slika 8.1: Primer klimograma... 59 KAZALO TABEL Tabela 3.1: Seznam in cena elementov vremenske postaje... 13 Tabela 3.2: Tehnični podatki senzorja BME280... 16 Tabela 3.3: Imena priključkov ESP8266 in njihov pomen... 19 Tabela 3.4: Vezava Arduino mikroračunalnika in ESP8266 modula... 20 Tabela 3.5: Tehnični podatki solarnega modula... 23 Tabela 5.1: Merjenje količin... 42 Tabela 5.2: Izmerjene količine skupine 1 8. a-razreda... 45 Tabela 5.3: Izmerjene količine skupine 1 8. b-razreda... 47 Tabela 5.4: Izmerjene količine skupine 2 8. b-razreda... 48 Tabela 8.1: Pretvorniki med različnimi enotami za veter... 58 KAZALO PRILOG Priloga A: Učni list Vreme in podnebje... 56 Priloga B: Programska koda vremenske postaje... 61 iv

1 UVOD Uporaba interdisciplinarnosti pri pouku združuje učitelje različnih predmetov, da ustvarjajo zanimive učne izkušnje za učence in odkrijejo nove načine za doseganje ciljev iz učnega načrta. Koncept medpredmetnega povezovanja in na njem temelječega poučevanja sicer omogoča celovitost in edinstvenost vsakega predmetnega področja posebej, vendar pa se zaveda medsebojne povezave med vsemi predmeti in ustvarja njihovo interakcijo [1]. 1.1 Predmetna področja in opis problema Vsako šolsko leto morajo učitelji na osnovnih šolah podati informacijo o medpredmetnem poučevanju, tako je tudi na Osnovni šoli Angela Besednjaka Maribor. V ta namen se strokovni aktivi na šoli sestanejo in medsebojno uskladijo. Člani strokovnih aktivov podajo predloge učnih tem medpredmetnega povezovanja. Z medpredmetnim poučevanjem učenci pridobijo nove veščine in znanja ter kompetence s pomočjo različnih metodično-didaktičnih prijemov. V primeru, ki ga navajam v magistrskem delu, sta učni temi medpredmetnega poučevanja aktiva za naravoslovje vreme in podnebje. V učnem načrtu predmeta geografija za 6. razred je zapisan operativni cilj, da učenec spozna grafično prikazovanje podnebij s pomočjo klimograma [2]. Na podlagi številnih podatkov o mesečni količini padavin in mesečnih temperaturah za izbrane kraje lahko s pomočjo spletnih strani izdela klimograme. V učnem načrtu predmeta tehnika in tehnologija za 7. razred so zapisani operativni cilji, da učenec opredeli merila za izbiro in izdelavo izdelka, oblikuje, skicira idejo izdelka, jo predstavi, utemelji ter izdela potrebno tehnično-tehnološko dokumentacijo [3]. V učnem načrtu predmeta geografija za 9. razred je zapisan operativni cilj, da učenec na zemljevidu omeji pet naravnogeografskih enot Slovenije in jih primerja med seboj. Tako dokazujejo značilnosti posameznega podnebnega tipa [2]. 1

Medpredmetno povezovanje pri pouku tehnike in tehnologije uresničujemo v povezavi z drugimi predmeti in tudi v okviru tehniških, naravoslovnih, kulturnih dni ter pri drugih dejavnostih, ki potekajo na šoli [3]. Za doseganje operativnih ciljev posameznih vsebin lahko učenci uporabljajo informacijsko-komunikacijsko tehnologijo, knjižno informacijsko znanje [3]. Najbolj efektna metoda pa je še vedno praktični prikaz, ki omogoča raziskovanje in odkrivanje, to je v našem primeru odčitavaje količin iz merilnikov s pomočjo lastno izdelane vremenske postaje, ki je postavljena ob šoli. 1.2 Namen in cilji dela Vremenska hiša je bila postavljena ob petdesetletnici šole na južno stran šole (slika 1.1). V njej so bile merilne naprave za merjenje temperature, zračnega tlaka in vlažnosti. Pred nekaj leti pa so bile uničene vse merilne naprave. Moj namen je bil obnoviti in usposobiti vremensko hišico za poučevanje in vsakodnevno rabo. Slika 1.1: Vremenska hiša Lasten vir, 2017 V prvem delu magistrskega dela sem predstavil vremensko postajo, ki sem jo sam moderniziral in opremil. Opisal sem sestavne dele notranjosti postaje in podal njihovo obrazložitev. Osnovna sestavna dela vremenske postaje sta mikroračunalnik Arduino 2

UNO s senzorjem za merjenje temperature, vlage, zračnega tlaka in merilnik hitrosti vetra, ki so ga izdelali učenci na dnevu dejavnosti. Vremenska postaja ima lastno napajanje preko baterije, katero napaja solarni modul, ki polni baterijo. Baterija mora skrbeti za nemoteno napajanje mikroračunalnika. Podatki o temperaturi zraka, vlažnosti, zračnega tlaka se direktno, nenehno pošiljajo na spletno mesto s pomočjo mikroračunalnika in brezžičnega modula. Vsi podatki se zbirajo in shranjujejo na spletni strani https://thingspeak.com/channels/317630. Za vsakodnevnega uporabnika in rabo pri delu z učenci pa so podatki prikazani na šolski spletni strani https://www.abesednjak.si/index.php/vremenska-postaja/. Podatke o hitrosti vetra pa lahko uporabnik odčita neposredno na merilniku v vremenski hišici. V drugem delu magistrske naloge sem prikazal medpredmetno uporabo vremenske postaje pri pouku pri različnih predmetih. Učni primer medpredmetnega povezovanja je naprava za merjenje hitrosti vetra anemometer, in sicer pri predmetih: Tehnika in tehnologija (iskanje literature o napravah za merjenje hitrosti, izdelava anemometra izdelava lopatic, namestitev lopatic na rotor, ki bo nameščen na os elektromotorja). Fizika (merjenje hitrosti zraka iz namiznega ventilatorja s pomočjo ročnega anemometra, merjenje električne napetosti s pomočjo voltmetra, umerjanje izdelanega anemometra s hitrostjo zraka namiznega ventilatorja, zapis vrednosti hitrosti zraka za pripadajočo izmerjeno električno napetost, montaža učenčevega merilnika hitrosti vetra na vremensko hišo). Matematika (graf odvisnosti hitrosti izstopnega zraka od izhodne napetosti). Geografija (izdelava klimograma). Izdelava, umerjanje anemometra in določanje količin se je izvedla za učence osmih razredov na dnevu dejavnosti z naslovom Izdelajmo anemometer. Dan dejavnosti je potekal 18. 6. 2018. Pri svojem raziskovalnem delu sem se omejil le na učitelje in učiteljice OŠ Angela Besednjaka, ki poučujejo predmete, ki zajemajo teme vremenoslovja (tehnika in tehnologija, fizika, matematika, geografija). 3

1.3 Predvidene metode raziskovanja V magistrskem delu so bile uporabljene naslednje metode raziskovanj: zbiranje literature in virov, proučevanje izbrane literature in virov, določitev strojne opreme, senzorjev za izdelavo vremenske postaje, prikaz izvedbe in analize tehniškega dneva. 4

2 TEORETIČNI DEL 2.1 Medpredmetno povezovanje Namen medpredmetnega povezovanja je doseči večjo stopnjo povezanosti med disciplinarnimi znanji, povečati kakovost, trajnost pridobljenega znanja in pripraviti učence za kakovostnejše življenje. S tem pripomoremo k oblikovanju suverenejše osebnosti, ki se bo lahko spopadala z različnimi izzivi okolja [3]. Medpredmetne povezave uresničujemo na različnih ravneh: a) Na ravni vsebin Medpredmetno povezovanje pri pouku tehnike in tehnologije uresničujemo v povezavi z drugimi predmeti in tudi v okviru tehniških, naravoslovnih, kulturnih dni ter pri drugih dejavnostih, ki potekajo na šoli. Ker se področje predmeta tehnika in tehnologija predvsem ukvarja s spreminjanjem narave, je to tesno povezano z naravoslovnimi predmeti, ki naravo raziskujejo in ugotavljajo zakonitosti njenega delovanja ter s proučevanjem vplivov na okolje. V tem področju je mogoče najti številne priložnosti medpredmetnega povezovanja in sodelovanja. V sklopu teh povezav naj učenci uporabljajo tudi informacijsko-komunikacijsko tehnologijo, knjižnično informacijsko znanje, izvedejo raziskave idr. Problemi naj izhajajo iz predznanja učencev in iz njihovih sposobnosti razmišljanja ter naj izhajajo iz resničnega življenja, ki jih učenci lahko prepoznajo kot smiselne in uporabne. Pri pouku tehnike in tehnologije učitelji smiselno vključujejo vsebine s področja vzgoje in izobraževanja oziroma iz medpredmetnih in skupnih tem za trajnostni razvoj [3]. b) Na ravni procesnih znanj Učenje in uporaba procesnih znanj (npr. iskanje virov, iskanje rešitev problema, vrednotenje in izbiranje idej, postopkov ustvarjanja, spretnosti in veščin, skiciranje idej, izbira in uporaba ustreznih tehnologij, kritičen odnos do rešitev oziroma nastalega izdelka, vrednotenje dela in izdelka, predstavitve idr.) [3]. 5

c) Na konceptualni ravni Pri pouku tehnike in tehnologije učenci gradijo miselne strukture, pridobivajo znanja, veščine in spretnosti za razumevanje pojmov, procesov, tehnologij in tehnike. Pri tem pa uporabijo, poglobijo in nadgradijo izkušnje in spoznanja, pridobljena pri drugih predmetih. Znanja, pridobljena pri tehniki in tehnologiji, nadgradijo pri drugih predmetih, vse v cilju povečanja kakovosti in trajnosti pridobljenega znanja [3]. 2.2 Metodične rešitve za doseganje učnih ciljev Cilji so seznam želenih in potrebnih sprememb. Cilji določajo rezultate nekega procesa, ne da bi hkrati pojasnjeval poti, ki vodijo do želenih sprememb. Po navadi določa cilje vsakega šolskega predmeta, torej tudi pouka tehnike, kurikulum učni načrt za tehniko in tehnologijo (Učni načrt, 1999), ki ga sprejme in potrdi državni organ, v Sloveniji npr. strokovni svet za splošno izobraževanje [4]. Vsak pouk, tudi pouk tehnike, bi moral ustvarjati položaje in zadovoljevati pogoje, v katerih se lahko učenci aktivno uveljavljajo v učnih situacijah in se tako učijo. Pri tem gre lahko za individualne aktivnosti učencev ali za učenje v skupini. Pri aktivnem pouku, v okviru katerega rešujejo učenci naloge samostojno, morajo opraviti vrsto sistematično načrtovanih korakov: priprava na reševanje naloge: zbiranje informacij, oblikovanje načrta, kako bodo reševali nalogo (določitev vrstnega reda posameznih korakov), samostojno reševanje naloge in doseganje načrtovanih ciljev, preverjanje, ali je reševanje naloge potekalo v skladu z načrtom, ocenjevanje (samoocenjevanje) procesa reševanja naloge in rezultatov [4]. 2.3 Metode poučevanja tehnike Pri pouku tehnike se učenci učijo spoznavati in razumeti tehniko v njenih socialnih, ekonomskih in ekoloških kontekstih. Učenci morajo biti pri pouku motivirani za 6

samostojno in aktivno učenje pretežno ob delu (angl. learning by doing). Da bi učenci lahko rešili zastavljeno nalogo, morajo poznati različne metode učenja in znati izbirati med njimi. Poznavanje poti (metod) učenja omogoča tako samostojno kot tudi sodelovalno učenje [4]. 2.3.1 Klasična metoda poučevanja tehnike Klasični pouk tehnike uporabljamo, kadar želimo, da učenci v skupinah ali v okviru razreda rešujejo praktične učne naloge. Učitelj tehnike frontalno vsem učencem v razredu naloži in razloži isto nalogo. Pri tem učence obvesti o učni vsebini in učnih ciljih, obenem pa jih skuša motivirati za sodelovanje pri usvajanju tako teoretičnih kot tudi praktičnih učnih nalog. Pri tem uporabljajo učitelji po njihovi presoji najustreznejše osnovne metodične oblike, npr. razlago, metodo demonstracije itd. Uvodno razlago oz. demonstracijo oblikuje učitelj čim bolj nazorno in sistematično. To je mogoče le, če mu uspe jasno nakazati povezanost med učnim ciljem in metodo poučevanja [4]. Stopnje pri klasičnem pouku tehnike Klasični pouk tehnike velikokrat poimenujemo z izrazom stopenjski pouk. Ime izpostavlja stopnje in postopno naraščajočo zahtevnost takega pouka, poleg tega pa medsebojno povezanost med vsemi njegovimi udeleženci. Poznamo štiri glavne strategije usposabljanja za delo, namenjene predvsem usposabljanju za dela, ki poleg drugega zahtevajo ročne spretnosti. Te strategije so: 1. uvajanje v delo, 2. dajanje navodil, 3. vpeljevanje v delo in 4. štiristopenjska zasnova [4]. 2.3.2 Problemskost pouka in problemski pouk Sodobna šola mora učencem omogočiti predvsem ustvarjalno mišljenje. Po Bloomovi ali po Marzanovi taksonomiji mora učence spodbujati k zahtevnejšim ravnem mišljenja, kot so analiza, uporaba in ustvarjanje, in pri njih razvijati kritično mišljenje. To pa so tudi bistvene podlage za reševanje najrazličnejših problemov javnega, poklicnega in 7

zasebnega življenja, v katerem je vse manj rutinskih rešitev. Največji problem ni v tem, da je problemov vedno več, marveč v tem, da smo jih vse manj sposobni reševati [4]. 2.3.2.1 Problemskost pouka Zahtevnejši vzgojno-izobraževalni cilji današnjega šolskega sistema in vsakodnevnega življenja zahtevajo korenito učinkovitejše spremembe, ki jim najbolj ustreza problemsko in raziskovalno usmerjeni pouk kot ena od najvišjih oblik poučevanja in učenja [4]. Temelji problemski pojmi Z didaktičnega vidika lahko definiramo tri temeljne pojme: Problemska situacija. Ta predstavlja primarno ali elementarno podlago problemsko usmerjenega pouka. Nahaja se povsod, kjer domuje problemskost, v stvarnosti, v učni situaciji, učni vsebini, v metodah poučevanja in učenja. Problem. Samo problemska situacija še ni problem. Da postane problem, mora biti do nje vzpostavljen tudi subjektivni odnos, ki močno sovpada z zanimanjem in izkušnjami učencev ter njihovo miselno in učno razvitostjo. Didaktično problemska naloga. Ko je identificirana problemska situacija in dojet problem, ga je treba v učne namene še didaktično in metodično operacionalizirati in opremiti. Tedaj govorimo o problemski didaktični nalogi [4]. 2.3.2.2 Problemski pouk Problemsko učenje temelji na psiholoških teorijah učenja in reševanja problemov. Po psiholoških teorijah so trije glavni načini reševanja problemov: metoda poskusa in napake ali naključno poskušanje; v tehniki ga poznamo kot iteracijski postopek, nenadni vpogled, postopna analiza [4]. Učenci se pri tem opirajo, ali že na usvojena znanja in izkušnje, vendar rešitev najdejo na nov način, ali na znane načine reševanja, s katerimi je treba rešiti popolnoma nov 8

problem, si pridobiti nova znanja in izkušnje. Pridobivanje novega znanja je tako iskanje rešitev problema in pri tem so učenci ustvarjalno aktivni. Pri problemski metodi ni problem samo vsebina, temveč tudi pot, po kateri pridemo do rešitve; odkriti je treba tudi postopek sam. Problemske naloge morajo biti prirejene ciljni populaciji in razvojni stopnji, ne smejo biti pretežke, seveda pa tudi ne smejo biti prelahke [4]. Problemsko učenje (angl. PBL problem based learning) je učna metoda, ki jo je v šestdesetih letih 20. stoletja uvedel dr. Howard Barrows na McMaster University za študente medicine. Je učna metoda, ki je primerna za usvajanje in ustvarjanje novega znanja. Problemsko okolje je lahko katero koli učno okolje, v katerem problem usmerja učenje. Torej so učenci soočeni s problemom, preden začno kopičiti znanje. Problem je zasnovan tako, da učenci spoznajo, da morajo najprej pridobiti novo znanje. Takšno učenje je podobno projektnemu učenju, učenju v sodelovanju, tudi učenju na primerih in v skupini. Zanj je značilno: primerno je za različne učne stile učencev, učitelj daje le podporo, učenci v polnejši meri prevzamejo odgovornost za svoje učenje, gojijo atmosfero kooperativnega učenja, problemi so iz realnega sveta, učna izkušnja je relevantna, spodbuja uporabo višjih miselnih oblik (poglobljeno učenje, npr. po Bloomu: analizo, evalvacijo, ustvarjanje), pristop je konkretiziran, temelji na preverjanju dosežkov, učni proces je enako pomemben kot dobljeni produkt, omogoča učinkovito uporabo informacijske in komunikacijske tehnologije [4]. Cikel problemskega pouka Pri problemskemu pouku mora učitelj upoštevati preteklo učenje, stopnjo razvoja, vrsto gradiva in individualne značilnosti učenca. Odgovori učenca morajo učitelju pomagati, da bolje spozna, na kateri razvojni stopnji se nahaja otrok, in da na podlagi te ugotovitve zastavi naslednje vprašanje. Pomembno je, da učitelj govori jezik, ki ga učenci razumejo, 9

da dobro poda definicije in posplošitve in kako uvaja nove pojme [4]. Na sliki 2.1 je shematično prikazan cikel problemskega pouka. 1. ZAČETEK 4. EVALVACIJA IN VREDNOTENJE REZULTATOV 6. UPORABA POTREBNIH ZNANJ 3. DOLOČANJE PROBLEMA 7. USVAJANJE POTREBNIH ZNANJ 2. ANALIZA PROBLEMA 5. UGOTAVLJANJE POTREBNIH ZNANJ Slika 2.1: Cikel problemskega pouka [4] Primer problemskega pouka je na konkretnem primeru predstavljen v 5. poglavju. 10

3 VREMENSKA POSTAJA Z vremenskimi postajami merimo različne meteorološke podatke: temperaturo, relativno vlago, zračni tlak, padavine, veter Prve meteorološke postaje segajo v začetek 18. stoletja. V Sloveniji so pričeli meriti meteorološke podatke od leta 1824 dalje v Ljubljani, s samodejnimi postajami pa od leta 1989 [5]. 3.1 Vrste opazovalnih postaj Poznamo več vrst opazovalnih postaj: 1. Sinoptična meteorološka postaja ali meteorološka postaja 1. reda Na sinoptični meteorološki postaji opazujemo in merimo meteorološke elemente v določenih glavnih in pomožnih sinoptičnih terminih (00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 in 21 UTC). Atmosferske pojave opazujemo in beležimo neprekinjeno, tudi med opazovalnimi termini. Vse sinoptične postaje pošiljajo depeše, ki se preko GTS-a posredujejo v mednarodno izmenjavo. Na sinoptični postaji opravlja opazovanja in merjenja poklicni opazovalec. Opazovalci morajo vse meritve in opazovanja vnesti v sinoptične in klimatološke dnevnike, ki jih mesečno pošiljajo na Urad za meteorologijo [6]. 2. Klimatološka postaja ali podnebna postaja Klimatološka ali podnebna postaja je meteorološka postaja, ki trikrat dnevno opravlja meritve in opazovanja, in sicer ob 7., 14. in 21. uri po krajevnem oz. sončnem času (oz. eno uro kasneje po uradnem času, ko velja poletni čas). Atmosferske pojave opazujemo in beležimo neprekinjeno, tudi med opazovalnimi termini. Višino padavin, snežne odeje in novozapadlega snega pa merimo tako kot na padavinski postaji, enkrat dnevno ob 7. uri. Na klimatološki postaji opravlja opazovanja in merjenja priučen honorarni opazovalec. Opazovalci vse meritve in opazovanja vnašajo v klimatološke dnevnike, ki jih mesečno pošiljajo na Urad za meteorologijo [6]. 11

3. Padavinska postaja Padavinska postaja je meteorološka postaja, kjer merimo enkrat dnevno ob 7. uri po krajevnem času (ob 8. uri v poletnem času). Na padavinski postaji opravlja opazovanja in merjenja priučen honorarni opazovalec. Opazovalci vse meritve in opazovanja vnašajo v padavinsko poročilo, ki ga mesečno pošiljajo na Urad za meteorologijo [6]. 3.1.1 Merilna mesta po Sloveniji Zaradi velikih podnebnih raznolikosti najdemo po Sloveniji različna merilna mesta, in sicer: 196 opazovalnih mest z opazovalcem, 36 klimatoloških in 160 padavinskih postaj, ki dnevno zabeležijo 3700 podatkov, 117 samodejnih postaj, še dodatno 50 samodejnih postaj v okviru projekta BOBER (pridobljena evropska sredstva za nadgradnjo mreže), skupno zabeležijo več kot 200.000 podatkov na dan [5]. 3.2 Vremenske postaje za domačo uporabo Na tržišču so dostopne različne brezžične vremenske postaje za domačo uporabo. Vremenske postaje so namenjene manj in bolj zahtevnejšim uporabnikom. Zahtevnejši uporabniki lahko povežejo vremensko postajo z mobilno aplikacijo. Dostopne pa so profesionalne vremenske postaje, ki nam omogočajo prikaz temperature, relativne vlažnosti, zračnega tlaka na zaslonu in so zato dražje. Cena vremenske postaje na sliki 3.1 znaša 1.336,00 [7]. Slika 3.1: Profesionalna vremenska postaja Davis Vantage Pro Plus 6162 https://www.thesaurus.si/index.php?site=art&id=2, 2018 12

Vremensko postajo smo si izdelali sami s pomočjo različnih elementov, ki so bili dostopni na tržišču. Na tržišču smo lahko izbirali med različnimi ploščami. Izbrali smo Arduino UNO. Funkcionalnost preostalih plošč je podobna. Cene posameznih elementov so prikazane v tabeli 3.1. V skupnem znesku ni všteta cena dela in preostalih stroškov, ki so nastali med izdelovanjem vremenske postaje. Tabela 3.1: Seznam in cena elementov vremenske postaje Element Znesek ( ) Arduino UNO mikroračunalnik 33,53 Adafruit BME280 26,77 WiFi-modul ESP8266 SparkFun 8,81 Demonstracijska plošča 6,33 Svinčev akumulator 12 V 39,95 Amorfni solarni modul 32,95 Solarni regulator 26,95 Vezne žice 2,90 Skupno: 178,19 3.3 Arduino UNO Arduino UNO je mikroračunalnik, ki temelji na plošči ATmega (slika 3.2). Ima 14 digitalnih vhodnih/izhodnih priključkov, 6 analognih vhodov, keramični resonator 16 MHz, povezavo USB, vtičnico, glavo ICSP in gumb za ponastavitev. Arduino za napajanje potrebuje povezavo s kablom USB z računalnikom ali pa ga povežemo z enosmernim virom napetosti npr. solarnim modulom [8]. Slika 3.2: Prednja stran plošče Arduino UNO https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3, 2017 13

3.4 Programsko orodje Arduino IDE Arduino IDE (angl. Integrated Development Envirorment) ponuja odprto kodno programsko orodje za pisanje programske kode in njen prenos na ploščo. Programsko orodje Arduino IDE 1.8.3 je dostopno za operacijske sisteme Windows, MAC OS X in Linux. Za operacijski sistem Windows lahko izbiramo med namestitvenim paketom (.exe) ali paketom (.zip) Zip. Prvi namestitveni paket neposredno namesti vse, kar potrebujemo za uporabo programske opreme Arduino IDE, vključno s potrebnimi gonilniki za ploščo Arduino. Pri Zip-paketu moramo ročno namestiti gonilnike [9]. 3.5 Povezava programskega orodja Arduino IDE in plošče Arduino UNO Po namestitvi programske Arduino IDE povežemo ploščo Arduino UNO z računalnikom s pomočjo kabla USB (slika 3.3). Kabel omogoča napajanje in podatkovno komunikacijo plošče z računalnikom. Slika 3.3: Povezava Arduino UNO z računalnikom s pomočjo kabla USB Lasten vir, 2017 14

3.5.1 Izbor plošče in serijskih vrat v programskem orodju Arduino IDE Za pravilno delovanje plošče Arduino UNO je potrebno v programskem orodju določiti ustrezno ploščo. V meniju Orodja izberemo ploščo Arduino UNO (slika 3.4). Slika 3.4: Izbor plošče Arduino UNO v meniju orodja Lasten vir, 2017 Po izbiri plošče moramo določiti ustrezna vrata za komunikacijo računalnika s ploščo Arduino UNO. V našem primeru so serijska vrata za komunikacijo COM4 (slika 3.5). Slika 3.5: Serijska vrata plošče Arduino Uno Lasten vir, 2017 15

3.6 Senzor Adafruit BME280 Adafruit BME280 je senzor, ki meri temperaturo, zračni tlak in vlažnost (slika 3.6). Vlažnost meri z natančnostjo ±3 %, zračni tlak z natančnostjo ±1 mbar in temperaturo z natančnostjo ±1,0 o C. Ploščo Arduino lahko povežemo preko I2C vmesnika ali programsko opremo SPI [10]. Tehnične podatki so zapisani v tabeli 3.2. Slika 3.6: Senzor Adafruit BME280 https://learn.adafruit.com/adafruit-bme280-humidity-barometric-pressuretemperature-sensor-breakout, 2017 Tabela 3.2: Tehnični podatki senzorja BME280 Parameter Tehnični podatek Dolžina 25 mm Širina 25 mm Višina 0,93 mm Območje merjenja temperature od 40 C do 85 C Območje merjenja zračnega tlaka od 300 hpa do 1100 hpa Območje merjenja relativne vlažnosti od 0 % do 100 % Napetost od 1,2 V do 3,6 V Vmesnik I2C in SPI Vir: [11] 3.6.1 Povezava senzorja Adafruit BME280 s ploščo Arduino Uno Za pravilno komunikacijo senzorja in plošče Arduino moramo poznati pomen posameznih priključkov. Vezava je prikazana na sliki 3.7. 16

Napajalni priključki senzorja: VIN Predstavlja pozitivni priključek senzorja. Senzorski čip uporablja 3 V enosmerno napetost. Na senzorju je nameščen napetostni regulator, ki določa napetost od 3 do 5 voltov. Če želimo povezati ploščo Arduino in senzor Adafruit, moramo uporabiti priključek VIN. GND Negativni priključek senzorja [12]. I2C logični priključki senzorja: SCK (angl. SPI Clock pin) Priključek povežemo na SCL-mikrokontroler plošče Arduino. SDI (angl. Serial Data In) Priključek povežemo na SDA-mikrokontroler plošče Arduino [13]. Slika 3.7: Vezava senzorja BMP280 in plošče Arduino UNO Lasten vir, 2017 17

3.7 Modul ESP8266 ESP8266 je komunikacijski modul (slika 3.8), ki omogoča vzpostavitev brezžične povezave s pomočjo vgrajenega protokola TCP/IP. Modul lahko deluje kot samostojna aplikacija, lahko pa zagotavlja brezžično povezavo drugemu aplikacijskemu procesorju [14]. Komunikacijski modul ima posamezne priključke (slika 3.9). Pomen priključkov je zapisan v tabeli 3.3. Lastnosti modula so: integriran protokolni sklad TCP/IP, komunikacija po protokolu I2C, 32-bitni procesor, 80 Mhz, 64 kb ukaznega spomina, 96 kb podatkovnega spomina, IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi (WEP, WPA WPA2), komunikacija UART, priklop samo na napetost 3,3 V, 2 večnamenska priključka GPIO [14]. Slika 3.8: ESP8266 brezžični modul https://www.generationrobots.com/en/402044-esp8266-wifi-serial-module.html, 2018 18

Slika 3.9: Priključki ESP8266 brezžičnega modula https://components101.com/wireless/esp8266-pinout-configuration-featuresdatasheet, 2018 Tabela 3.3: Imena priključkov ESP8266 in njihov pomen Številka priključka Ime priključka Pomen priključka 1 GND ozemljitev 2 Tx oddajnik 3 GPIO-2 priklop senzorja 4 CH_EN zagon delovanja 5 GPIO-0 nalaganje kode 6 Reset Ponovni zagon 7 Rx sprejemnik 8 VCC napajanje (3,3 V) Vir: Selan, 2016 3.7.1 Pošiljanje podatkov iz mikroračunalnika Arduino preko ESP8266 modula Za pošiljanje in prejemanje podatkov med mikroračunalnikom Arduino in modulom ESP8266 smo povezali različne priključke. Priključek TX Arduino smo povezali s priključkom RX ESP8266 modula, priključek RX Arduino pa smo povezali s TX ESP8266 modulom. Med pošiljanjem in prejemanjem podatkov lahko pride do javljanja napak. Zato lahko uporabimo druge priključke na mikroračunalniku s pomočjo knjižnic. Ena izmed možnosti je uporaba SofwareSerial knjižnice za povezavo modula ESP8266 preko digitalnih priključkov 10 in 11 na Arduino plošči. Vezava Arduino mikroračunalnika in modula ESP8266 je prikazano v tabeli 3.4. 19

Tabela 3.4: Vezava Arduino mikroračunalnika in ESP8266 modula Arduino ESP8266 10 TX 11 RX GND GND 5 V VCC 5 V CH_EN Vir: https://medium.com/@cgrant/using-the-esp8266-wifi-module-with-arduino-unopublishing-to-thingspeak-99fc77122e82, 2017 Modul ESP8266 s prikazanimi priključki je nameščen na zunanjo stran zaščitne omarice, ki se nahaja znotraj vremenske hišice (slika 3.10). Slika 3.10: Modul ESP8266 v zaščitni omarici Lasten arhiv, 2018 3.8 Programska koda za merjenje in pošiljanje podatkov Iz senzorja BME280, ki je priključen na Arduino UNO, se pošiljajo podatki merjenih količin s pomočjo modula ESP8266 na spletni portal ThingSpeak. Za pošiljanje podatkov potrebujemo ustrezno programsko kodo, ki je zapisana v ustreznem programskem jeziku. Arduino je programiran v posebnem programskem jeziku, ki temelji na programskem jeziku C/C++. Sintaksa programskega jezika v Arduino okolju je sestavljena iz treh delov. V prvem delu je potrebno določiti knjižnice, v katerih so že napisane programske kode in pa določiti 20

spremenljivke, ki nastopajo v programu. Drugi del predstavlja funkcija setup(). Izvede se samo ob zagonu. Tretji del predstavlja funkcija loop(). Je glavni del programa, ki se ponavlja. Programska koda vremenske postaje osnovne šole je dodana v prilogi B. 3.9 Solarni akumulator Vloga solarnega akumulatorja je, da shranjuje zbrano solarno energijo in jo oddaja, ko jo porabniki dejansko potrebujejo (slika 3.11). Akumulator tudi amortizira velike zagonske tokove, ki jih imajo ob zagonu nekateri uporabniki (motorji itd.) ter stabilizira napetost. Sončne celice akumulator polnijo glede na razpoložljivo sončno obsevanje. Tako bi lahko prišlo do stanja, ko bi solarni sistem polnil akumulator tudi takrat, ko bi bil le-ta popolnoma električno napolnjen. To pa akumulatorju škoduje in lahko pride celo do njegove eksplozije. Regulator polnjenja preprečuje polnjenje akumulatorja takrat, ko je akumulator že napolnjen. Polnjenje akumulatorja je povezano tudi s temperaturo. Pri visokih temperaturah je polnjenje hitrejše kot pri nižjih. Zares dober regulator polnjenja ima funkcijo temperaturne kompenzacije že vgrajeno. Vloga akumulatorja v solarnih sistemih je povsem drugačna kakor npr. v avtomobilih. Medtem ko se akumulator v avtomobilu, kjer je električni polnilni sistem brezhiben, neprestano polni ter ob zagonu motorja izprazni le za okoli 5 %, se akumulator v solarnem sistemu polni le, ko je na razpolago dovolj sončne svetlobe. Prazni se, ko so nanj priključeni delujoči porabniki, seveda pa obstaja tudi samopraznjenje akumulatorjev [15]. Slika 3.11: Svinčeni akumulator za solarne naprave https://www.conrad.si/svincev-akumulator-12-v-7-ah-conrad-energy-ce12v%2f7ah- 250202-svincevo-koprenast-%28AGM%29-151-x-95-x-65-mm-ploscati-vtic-4.8- mm.htm?websale8=conrad-slowenien&pi=250202, 2017 21

3.10 Solarni modul Solarni modul sestavlja več med seboj povezanih sončnih celic. Sončne celice pretvarjajo sončno energijo v električno energijo. Solarni moduli imajo navadno nominalno napetost 12 V ali 24 V. Solarna celica ima napetost le okoli 0,5 V, kar je premalo za praktično uporabo. Zaradi praktičnosti in zaščite namestitve solarnih modulov so solarne celice med seboj povezane v modulih in obdane z aluminijastem okvirjem, na prednji strani pa so zaščitene s steklom. Steklo mora vzdržati atmosferske vplive. Značilnost solarnih modulov je modularnost, torej jih je mogoče med seboj povezovati in graditi večje solarne sisteme. Vezava sončnih celic je lahko vzporedna ali zaporedna. Solarni modul mora imeti višjo napetost kot akumulator, sicer akumulatorja ne more uspešno napolniti. Solarni sistemi imajo nominalno napetost 12V, 24 V ali 48V [16]. 3.10.1 Vrste sončnih celic Najpogostejši in najbolj uveljavljeni vrsti sončnih celic sta: 1. TANKOPLASTNA sončna celica 2. KRISTALNA SILICIJEVA sončna celica [17] Tankoplastna sončna celica Pri tehnologiji tankih plasti gre za nanos tankih plasti foto občutljivih materialov na podlago, ki je lahko iz stekla, nerjavečega jekla, polimerov Materiali, ki se nanašajo so: amorfni silicij, kadmijev telurid in bakrov indijev diselenid. Izdelava tankoplastnih celic je cenejša kot izdelava celic iz kristalnega silicija, vendar je tudi donos teh celic manjši. Zasedajo okrog 6 % trga [17]. Amorfne silicijeve celice Amorfne silicijeve celice so med vsemi silicijevimi celicami najcenejše, saj je za učinkovito delovanje potrebna le tanka plast silicija. Donosnost amorfnih silicijevih celic v laboratoriju je 12 % v serijski proizvodnji pa dajejo te celice 5 8 % donos [17]. 22

Baterijo v vremenski postaji napaja amorfni solarni modul (slika 3.12). Tehnični podatki solarnega modula so zapisani v tabeli 3.5. Slika 3.12: Amorfni solarni modul https://www.conrad.si/amorfni-solarni-modul-4-wp-17.5-v.htm?websale8=conradslowenien&pi=110467, 2017 Tabela 3.5: Tehnični podatki solarnega modula Vrsta solarnih modulov Dolžina kabla Kratkostični tok Dolžina Širina Višina Moč Maksimalna napetost Nazivna napetost Nazivni tok Prazna obremenitev napetosti Masa Vir: Conrad, 2018 Tankoplastni solarni modul 2 m 320 ma 315 mm 19 mm 315 mm 4 W 17,5 V 12 V 230 ma 21 V 1,56 kg 3.11 Solarni regulator Solarni regulatorji ščitijo pred prenapolnjenostjo solarne akumulatorje. Sončna energija, ki jo solarne celice pretvarjajo v elektriko, polni v otočnih solarnih sistemih akumulatorje. Solarna energija pa seveda ni enakomerna, obsevanost sončnih celic je različna. Zato bi občasno lahko prišlo do prenapolnjenosti akumulatorja. Posledica prenapolnjenosti akumulatorja je lahko celo eksplozija, vsekakor pa bi se življenjska doba akumulatorja skrajšala. Napetost solarnega regulatorja je lahko 12 V ali 24 V. 23

Osnovna funkcija regulatorja polnjenja v solarnih sistemih je, da preprečuje prenapolnjenost akumulatorja in obratno smer toka iz akumulatorja nazaj v solarni modul (slika 3.13). Brez te funkcije bi lahko prišlo ponoči do praznjenja akumulatorja [18]. Slika 3.13: Solarni regulator Lasten arhiv, 2017 3.12 Merilniki v vremenski postaji V vremenski postaji (slika 3.14) so nameščeni analogni merilniki za temperaturo, zračni tlak, vlažnost in digitalna vremenska postaja (slika 3.15). Slika 3.14: Vremenska postaja šole Lasten arhiv, 2018 24

Slika 3.15: Merilniki v vremenski postaji Lasten arhiv, 2018 3.13 Portal za sprejemanje podatkov Podatke o temperaturi, relativni vlažnosti, zračnemu tlaku lahko pošiljamo na različne spletne portale za sprejemanje in prikazovanje podatkov. Uporabil sem spletni portal ThingSpeak (slika 3.16), ki je dostopen na spletnem naslovu https://thingspeak.com/. Če želimo pošiljati podatke na portal z uporabo plošče Arduino UNO, potrebujemo modul ESP8266. Uporabimo knjižnico za ThingSpeak, ki jo mora uporabljati naprava Arduino UNO. ThingSpeak zahteva uporabniški račun in kanal. Kanal predstavlja mesto, kamor se pošiljajo in shranjujejo podatki. Za OŠ Angela Besednjaka je ustvarjen kanal 317630 vremenske postaje (slika 3.17). Slika 3.16: Thingspeak portal https://thingspeak.com/, 2017 25

Slika 3.17: Spletni kanal vremenske postaje OŠ Angela Besednjaka https://thingspeak.com/channels/317630, 2018 V kanalu lahko dodajamo prikaze različnih odvisnosti količin (temperatura, zračni tlak, vlažnost zraka, električna napetost ). Portal nam omogoča, da lahko prikaze odvisnosti količin vstavimo v izvorno kodo poljubne spletne strani. V našem primeru je prikaz odvisnosti količin (temperatura, zračni tlak in vlažnost) predstavljeno na spletni strani šole. Povezava do vremenske postaje OŠ Angela Besednjaka je vidna na sliki 3.18. Slika 3.18: Povezava do vremenske postaje OŠ Angela Besednjaka https://www.abesednjak.si/, 2017 26

3.14 Merjenje hitrosti vetra Vreme je pomemben del naravnega okolja. Neposredno ali posredno vpliva na veliko naših aktivnosti. Najbolj ga opazimo takrat, ko nas prizadenejo izjemni ali nevarni pojavi, ki lahko ogrozijo naše imetje, varnost ali celo življenja. Taki pojavi so na primer viharni veter, toča, močni nalivi, žled in poledica, pozeba. Podnebje je skupek značilnosti vremena v nekem kraju. Lahko ga razumemo kot okvir, znotraj katerega se giblje dejansko vreme na nekem kraju. Običajno ga opišemo s povprečnimi in z ekstremnimi vrednostmi meteoroloških spremenljivk za daljše, referenčno obdobje [19]. Vremenoslovci oziroma meteorologi za spremljanje vremenskih dogajanj in za potrebe napovedovanja vremena zbirajo podatke po vsej Zemlji. Načini merjenja in inštrumenti, ki jih pri te potrebujejo, so medsebojno usklajeni tako, da po vsem svetu opazujejo in merijo na enak način. Meteorološke meritve vključujejo podatke, kot so temperatura, vlažnost, zračni tlak, padavine, sevanje, smer in hitrost vetra ter še marsikaj [20]. Hitrost vetra je pot, ki jo naredi veter v določenem času. Izražamo jo v metrih na sekundo (m/s), kilometrih na uro (km/h), v letalskem in pomorskem prometu pa se uporabljajo vozli. Ko rečemo, da vlada brezvetrje, to ne pomeni, da vetra ni, saj zrak v naravi nikoli povsem ne miruje. Hitrost vetra je takrat manjša od 1 m/s, a tudi premiki zraka niso zanemarljivi, predvsem v zvezi s širjenjem onesnaženja v zraku, z nastankom ali dvigom megle in podobno [1]. 3.14.1 Anemometer Za meteorološke meritve se uporablja anemometer z Robinsonovim križem (slika 3.19). Na vertikalno os so vrtljivo nasajeni trije ali štirje kraki, na katerih so nameščene votle polkrogle ali stožci. Zaradi neenakega upora na vbokli in izbokli strani krogel se pojavi navor in križ se začne vrteti: čim večja je hitrost vetra, hitreje se vrti [21]. 27

Slika 3.19: Anemometer https://fromindintoconcept.wordpress.com/2012/03/29/what-is-anemometer/, 2018 28

4 IZDELAVA ANEMOMETRA V šoli ni pomembno samo natančno izvedena meritev, temveč tudi razumevanje celotnega procesa merjenja. V ta namen smo se na aktivu odločili, da bodo učenci izdelali lasten merilec hitrosti vetra. Izdelavo in umerjanje anemometra ter določanje količin so izvedli učenci 8. a-razreda in 8. b-razreda na dnevu dejavnosti z naslovom Izdelajmo anemometer. Dneva dejavnosti se je udeležilo 45 učencev, od tega 17 fantov in 28 deklic. Dan dejavnosti je potekal 18. 6. 2018. Učna priprava (poglavje 5) je oblikovana po metodi problemskega pouka. Faze problemskega pouka so predstavljene v 2. poglavju pod številko 2.3.2.2. 4.1 Začetek V poglavju Medpredmetno povezovanje smo zapisali, da medpredmetno povezave uresničujemo na različnih ravneh. Ena izmed njih je na ravni učnih vsebin. Za izbiro učnih ciljev smo izbrali učne načrte za 8. razred. Izbrali smo učni cilje iz učnega načrta za tehniko in tehnologijo, učnega načrta za fiziko, učnega načrta za geografijo in učnega načrta za matematiko. Pri tem smo določili še vzgojne in psihomotorične cilje. Glavni učni cilj učne ure je, da bodo lahko učenci z izdelanim anemometrom merili hitrost vetra. Izdelani anemometer bo nameščen na vremensko postajo. Izdelava anemometra je potekala v obliki dneva dejavnosti. Učenci 8. razredov so bili razdeljeni glede na oddelek. Razred 8. a je bil v učilnici gospodinjstva, 8. b razred pa v učilnici tehnike in tehnologije. Učenci so bili razdeljeni v manjše skupine (največ po štiri). Merilnik hitrosti vetra so izdelali učenci sami, učitelj jih je le usmerjal. Natančnih navodil za izdelavo merilnika hitrosti učitelj ni podal, saj bi jih s tem preveč usmerjal. Pri izdelavi so lahko uporabljali različne vrste gradiv. Posamezne sestavne dele so skupine samostojno sestavile povsem po svojih predlogih. Pri izdelavi merilnika za hitrost vetra ne gre za izdelavo po načrtu, ki bi ga podal učitelj. Načrt izdelave in ustrezno dokumentacijo ter posamezne korake izdelave si učenci določijo sami. Namen je izdelati najboljši, najbolj učinkovit merilnik. Pri tem lahko 29

naletijo na probleme, ki jih morajo odpraviti. Na koncu so s preizkušanjem ugotovili, ali je merilnik funkcionalen. Če niso bili zadovoljni, so lahko merilnik popravili oz. izboljšali. 4.2 Predstavitev in določanje problema Učencem smo predstavili problem: Pred šolo je postavljena vremenska postaja, v kateri je nameščen mikroračunalnik, ki s pomočjo senzorjev meri temperaturo, vlažnost in zračni tlak. Na vremensko postajo smo želeli namestiti še merilnik hitrosti vetra, ki bo kazal trenutno hitrost vetra. Učenci so merilnik izdelali sami. V nadaljevanju sledi razčlenitev problema in postavljanje vprašanj: Kakšen merilnik bomo naredili, da bo lahko meril hitrost vetra? Kako bi ga lahko naredili? Kakšne materiale bi lahko uporabili? Kako bo lahko uporabnik odčital vrednost hitrosti vetra? 4.3 Analiza problema Z iskanjem idej (npr. nevihta možganov) so učenci predstavili svoje mnenje, postavljajo hipoteze in sicer, da: merilnik mora meriti hitrost vetra, merilnik mora biti vodoodporen, merilnik mora biti občutljiv na spremembo hitrosti vetra, spremembo hitrosti vetra mora merilnik podati kot izhodno količino, ki jo lahko izmerimo in jo podamo v m s ali km h. 4.4 Ugotavljanje potrebnih znanj Učenci so med seboj razpravljali o idejah za rešitev problema. Povedali so, kje so takšen merilnik že opazili, katere količine so potrebne za merjenje hitrosti vetra, pojmi, ki opisujejo merilnik. 30

4.5 Usvajanje potrebnih znanj Učenci so morali za rešitev danega problema zbrati informacije o merilnikih hitrosti vetra s pomočjo zbiranja in analize podatkov ter proučevanja literature ter raznih dostopnih virov: npr. ugotovili so, da je os lopatic nameščena na električni generator, na katerem lahko merimo izhodno napetost. Sledilo je oblikovanje načrta za reševanje danega problema (določitev vrstnega reda posameznih korakov) in izdelave ustrezne dokumentacije. 4.6 Uporaba usvojenih znanj Učenci so pričeli z izdelovanjem merilnika hitrosti. Pri tem so bili omejeni na izbiro materiala (slika 4.1) in časa. Za izdelavo merilnika hitrosti vetra so imeli na voljo tri šolske ure. Slika 4.1: Ponujen material za izdelavo merilnika hitrosti vetra Lasten arhiv, 2018 31

Učitelj je učence opazoval in pridobival povratne informacije (slika 4.2). Med izdelavo je učitelj usmerjevalec. Če učenci naletijo na težave in ne vedo naprej, jih učitelj pravilno usmeri (slika 4.3). Slika 4.2: Izdelovanje merilnika hitrosti vetra Lasten arhiv, 2018 Slika 4.3: Učitelj kot usmerjevalec procesa Lasten arhiv, 2018 Med izdelovanjem merilnika hitrosti uporabijo različne obdelovalne postopke. Primer merilnika hitrosti vetra je prikazan na sliki 4.4 in je izdelan iz: navpične osi z vrtljivo nasajenimi štirimi kraki iz paličic, na katerih so nameščene votle polkrogle, generator s priključki, izdelana nosilna konstrukcija (5 mm penjen PVC). 32

Slika 4.4: Izdelan merilnik hitrosti vetra Lasten arhiv, 2018 Učenci so izdelali različne merilnike hitrosti vetra (slika 4.5). Slika 4.5: Različno izdelani merilniki hitrosti vetra Lasten arhiv, 2018 Učenci so svoj merilnik hitrosti vetra preizkusili z namiznim ventilatorjem na različnih stopnjah (slika 4.6). Slika 4.6: Namizni ventilator Lasten arhiv, 2018 33

Z ročnim merilnikom so merili hitrost zraka v določeni točki (slika 4.7). Vrednost je izražena v m s. Slika 4.7: Ročni anemometer Basetech BS-10AN Lasten arhiv, 2018 Na isto mesto so postavili izdelan merilnik hitrosti. Ker so lopatice nameščene na vertikalno os, se ta prične vrteti. Pri vrtenju se inducira napetost. Napetost merimo s pomočjo multimetra (slika 4.8), kjer nastavimo območje merjenja enosmerne električne napetosti. Iz ročnega merilnika hitrosti zraka odčitajo vrednost v m s in vrednost električne napetosti na izdelanem merilniku. Na namiznem ventilatorju so spreminjali hitrost zraka s pomočjo gumbov, pri tem pa so merili in zapisovali velikost električne napetosti v mv. Slika 4.8: Merjenje izhodne napetosti s pomočjo multimetra Lasten arhiv, 2018 34

Po merjenju so lahko naredili izboljšave na izdelanem merilniku hitrosti in ponovno ponovili postopek merjenja. Končani in izboljšani merilniki so prikazani na sliki 4.9. Slika 4.9: Izboljšani merilniki hitrosti vetra Lasten arhiv, 2018 Izmed vseh merilnikov hitrosti vetra je bil izbran najboljši merilnik, ki je podal najboljše meritve. Merilnik hitrosti vetra smo namestili na vremensko postajo (slika 4.10). Slika 4.10: Merilnik hitrosti vetra na vremenski postaji Lasten arhiv, 2018 35

4.7 Evalvacija in vrednotenje rezultatov Učenci so podali povratno informacijo o izmerjenih količinah s pomočjo grafov in tabel, ki prikazujejo merjenje hitrosti vetra glede na izmerjeno izhodno napetost na izdelanem merilniku hitrosti. Tabele posameznih skupin so primerjali med seboj. Učenci so lahko predlagali tudi spremembe. Na koncu smo učence vprašali, kako se jim je zdel potek dneva dejavnosti, kako bi ocenili svoje delo in svoj izdelan merilnik. S svojim delom so bili zelo zadovoljni. Všeč jim je bila predvsem praktična raba izdelka. 36

5 PRIMER MEDPREDMETNEGA POVEZOVANJA Učni primer medpredmetnega povezovanja je naprava za merjenje hitrosti vetra anemometer, in sicer pri predmetih tehnike in tehnologije, fizike, matematike in geografije. Medpredmetno povezovanje je potekalo v okviru tehniškega dneva. 5.1 Učna priprava Učitelj: Marko Podpečan (učitelj fizike) Šola: Osnovna šola Angela Besednjaka Predmet: Tehniški dan dan dejavnosti Razred: 8. a in 8. b Datum: 18. 6. 2018 Čas: 8.20 12.50 Učna tema: Vreme Učna enota: Hitrost vetra anemometer Dodatni učitelji: Peter Fakin (učitelj matematike), Tomaž Pozne (učitelj geografije). Izobraževalni cilji: Učenci s primeri predstavijo, da se električna energija v porabnikih pretvarja v druge oblike energije (mehansko) in obratno. Učenci opredelijo in razložijo vlogo osi, gredi, vrtišča merilnika hitrosti vetra. Učenci razložijo vlogo in pomen električnega motorja. Učenci iz danih materialov izdelajo merilnik hitrosti. Učenci znajo izmeriti hitrost vetra v m/s izdelanega merilnika hitrosti anemometra. Učenci obvladajo pretvarjanje med enotama za hitrost m/s v km/h in obratno. Učenci preizkusijo merilnik in ga po potrebi izboljšajo. 37

Učenci uporabljajo izraze: koordinatni sistem, koordinatne osi (abscisa, ordinata). Učenci upodobijo točko z danima koordinatama v ravnini. Učenci narišejo graf, ki prikazuje odvisnost električne napetosti od hitrosti vetra, z grafa preberejo podatke, graf razložijo. Učenci opišejo odvisnost dveh količin s funkcijskim (simboličnim) zapisom, s preglednico in z grafom (po točkah). Učenci zbirajo podatke pred šolo za izdelavo klimograma. Vzgojni cilji: Učenci razvijajo sposobnost poslušanja danih navodil. Učenci pripravijo delovni prostor, izberejo gradiva, orodja, pripomočke in osebna zaščitna sredstva za varno delo. Učenci oblikujejo pozitiven odnos do varstva pri delu kot sestavine vsakega delovnega procesa in do varovanja svojega zdravja ter zdravja drugih. Razvijajo timsko in sodelovalno delo. Raziskujejo in razvijajo sistematičnost pri delu. Načrtujejo izvedbo in oblikujejo rešitve. Psihomotorični cilji: Učenci ob uporabi preprostih obdelovalnih orodij ter računalniške tehnologije razvijajo in urijo delovne spretnosti. Učenci spoznavajo merilna orodja in se urijo v merilnih postopkih. Tip učne ure: praktični pouk Učne oblike: frontalna, skupinsko delo Učne metode: razlaga, razgovor, praktično delo, analiza, problemski pouk Novi pojmi: električna napetost, anemometer 38

Učila/pripomočki: ročni anemometer (2 kosa), multimeter (12 kosov). Potrebščine: tablični računalniki (12 kosa), pripomoček za lokalno segrevanje (1 kos), postaja za spajkanje (4 kosi), penjen PVC (12 kosov), elektromotor (12 kosov), vodniki, cin, sveder za vrtanje lukenj, alkoholni flomaster (12 kosov), vibracijska žaga (3 kosi), brusilni stroj (2 kosa), polistiren, zamaški, lepilo za les (2 kosa), plastične posodice za kavo (okrogla oblika), plastične žogice, plastični kozarci, plastične žlice, lesene palčke za ražnjiče. Varstvo pri delu: zaščitni predpasniki, zaščitne rokavice, zaščitna očala, zaščitna podlaga. Literatura: M. Fakin, S. Kocijančič, I. Hostnik, F. Florjančič, A. Papotnik in J. Tomažin. Učni načrt Tehnika in tehnologija. Ljubljana: Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport: Zavod RS za šolstvo, 2011. I. Verovnik, J. Bajc, B. Beznec, S. Božič, U. V. Brdar, M. Cvahte, I. Gerlič, S. Munih, M. Čepič in Z. Ferlinc. Učni načrt Fizika. Ljubljana: Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport: Zavod RS za šolstvo, 2011. A. Žakelj, A. Prinčič Rohler, Z. Perat, A. Lipovec, V. Vršič, B. Repovž, J. Senekovič, Z. Bregar Umek, S. Kmetič, D. Felda in S. Koželj. Učni načrt Matematika. Ljubljana: Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport: Zavod RS za šolstvo, 2011. K. Kolnik, M. Otič, K. Cunder, T. Oršič, D. Lilek, A. Vovk Korže, B, Lenart in I. Lipovšek. Učni načrt Geografija. Ljubljana: Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport: Zavod RS za šolstvo, 2011. IZVEDBA TEHNIŠKEGA DNEVA 1. UVOD 1.1 Raziskovanje, odkrivanje, iskanje rešitev, sklepanje, odločanje mobilizacija znanja Ali veter vedno piha z isto hitrostjo? Ali poznate napravo, ki bi lahko merila hitrost vetra? Kako izgleda? 39

1.2 Uvodna motivacija Pred šolo je postavljena vremenska postaja, v kateri je nameščen mikroračunalnik, ki s pomočjo senzorjev meri temperaturo, vlažnost in zračni tlak. Na vremensko postajo želimo namestiti še merilnik, ki bi meril hitrost vetra. Kako bi lahko uporabnik odčital vrednost hitrosti vetra? 1.3 Napoved učnega smotra Danes bomo izdelali merilnik hitrosti vetra, ki bo kazal trenutno hitrost vetra. Kako bi ga lahko naredili? Kakšne materiale bi lahko uporabili? (Naredili ga bomo iz preprostih materialov in pripomočkov, ki jih lahko poiščemo doma). 2 CIKEL PROBLEMSKEGA POUKA 2.1 Analiza problema (nevihta možganov) Razdelitev učencev v skupine po štiri. Kako bi ga lahko naredili? Kakšne materiale bi lahko uporabili? Učenci raziskujejo, naštejte pojme, ki opisujejo merilnik hitrosti vetra. Na list si zapišite besede. Možni predlogi: hitrost, veter, lopatice, vrtenje, dež Predloge zapišejo na tablo. Učenci raziskujejo, poiščejo ustrezne materiale. Na list si zapišite besede. predlogi: umetne mase, kovine, les Predloge zapišejo na tablo. Možni Kakšni so in iz kakšnih materialov so merilci, ki jih lahko kupimo? 2.2 Ugotavljanje potrebnih znanj Sedaj, ko smo zapisali pojme na tablo, podajte predlog za rešitev problema. Bodite pozorni, če ste takšen merilnik že kje opazili, katere količine so potrebne za merjenje hitrosti vetra. Iz kakšnih materialov so narejeni? Poiščite vsaj štiri različne rešitve! 40

Učenci po skupinah predlagajo predloge za izdelavo merilnika hitrosti. Zapišemo jih na tablo. Zahteve: Merjenje hitrosti vetra. Merilnik vodoodporen. Merilnik občutljiv na spremembo hitrosti vetra. Merilnik mora spremembo hitrosti vetra podati kot izhodno količino, ki jo lahko izmerimo. Enostaven za izdelavo z orodji iz šolske delavnice. Iz materialov, ki so dostopni. 2.3 Usvajanje potrebnih znanj Učenci zbirajo informacije o merilnikih hitrosti vetra s pomočjo raziskovanja, zbiranja in proučevanja literature ter virov, analiziranje dobljenih rezultatov, primerjave rešitev z zastavljenimi zahtevami. Pri tem uporabijo tablične računalnike in splet. Poiščejo sliko anemometra in pomen posameznih delov. Učenci ugotovijo, da je os lopatic nameščena na generator električnega toka, ki proizvaja električno napetost. Kakšna je razlika med elektromotorjem in generatorjem? 2.4 Uporaba usvojenih znanj Učenci oblikujejo načrt in dokumentacijo za izdelavo merilnika hitrosti vetra. Oblikovan načrt pregleda učitelj. Analizirajo posamezne rešitve. Na podlagi zahtev določijo najboljšo rešitve, katero bodo nato izdelali. 2.4.1 Izdelava merilnika hitrosti vetra 41

Učenci izdelujejo merilnik hitrosti vetra in ga preizkušajo (vrtenje lopatic, ki so nameščene na gnano gred, ki je nameščena na os generatorja). Naloga učencev posameznih skupin je, da iz materialov, ki so jih določili in so na mizi, izdelajo merilnik hitrosti vetra. Pri tem upoštevajo oblikovan načrt in dokumentacijo za izdelavo merilnika hitrosti. Med izdelovanjem svoje merilnike preizkušajo in po potrebi izboljšajo. Učencem povem, da so časovno omejeni na tri šolske ure. Učenci svoja delovna mesta zaščitijo s podlago. Vsaka skupina si izbere material in pripomočke po načrtu in dokumentaciji ter vse skupaj odnesejo na svoje delovno mesto. Pri delu morajo biti pozorni na varnost. Med seboj si naj pomagajo. Če potrebujejo še dodatno pomoč, pokličejo učitelja. Če učenci naletijo na težave in ne vedo naprej, jih učitelj usmeri. Učenci lahko svoj merilnik hitrosti vetra preizkusijo z namiznim ventilatorjem na različnih stopnjah. 2.4.2 Merjenje hitrosti zraka iz namiznega ventilatorja in električne napetosti (učitelj fizike) Učenci z ročnim anemometrom Basetech BS-10AN merijo hitrost zraka v določeni točki. Vrednost je izražena v m/s. Na isto mesto postavijo izdelan merilnik hitrosti. Pri vrtenju turbine (elise) se inducira napetost. Napetost merimo s pomočjo digitalnega voltmetra. Vrednosti hitrosti vetra izmerjenih z anemometrom in napetost na voltmetru vnašajo v tabelo 5.1, ki bo osnova za umerjanje izdelanega anemometra. Tabela 5.1: Merjenje količin Stopnja Meritev 1 1 2 3 Povprečna 2 1 2 3 Povprečna 3 1 2 v [ m s ] v [ km h ] U [mv] k = U v [ mv m ] s 42

3 Povprečna Po testiranju merilnika in merjenju lahko naredijo izboljšave na izdelanem merilniku hitrosti in ponovno ponovijo postopek merjenja. 2.4.3 Pretvorba med enotama za hitrost m/s v km/h Hitrosti vetra so izražene v km h. Hitrost, ki jo izmeri ročni anemometer, je izražena v m. Učenci pretvorijo hitrost zraka iz m v km. Postopek pretvarjanja med enotama lahko s s h rešijo s pomočjo sklepanja. Če učenci potrebujejo pomoč, pokličejo učitelja fizike. 2.4.4 Odvisnost merjenih količin Učenci narišejo koordinatni sistem, kjer na ordinatno os nanašajo izmerjene vrednosti električne napetosti, na abscisno os pa hitrost vetra namiznega ventilatorja. Upodobijo točko z danima koordinatama v ravnini. Opazijo, da se količini povečujeta. Ob večanju hitrosti zraka se povečuje hitrost vrtenja lopatic in s tem se povečuje tudi izmerjena električna napetost. 2.4.5 Odvisnost dveh količin (učitelj matematike) Učenci zapišejo odvisnost dveh količin s koeficientom pri posameznih stopnjah (do 1 stopnje, do 2 stopnje in do 3 stopnje, in sicer z enačbo (5.1): k = U v. (5.1) Tu je: K koeficient ( mv m ), s U električna napetost (V), v hitrost vetra ( m s ). 43

2.4.6 Izdelava klimograma (učitelj geografije) S pomočjo izdelanega merilnika hitrosti vetra, podatkov iz vremenske postaje s pomočjo spletne strani želimo zbrati podatke pred šolo in izdelati klimogram za temperaturo zraka. Predmet: Geografija Učna tema: Vreme Učna enota: Opazovanje vremena in merjenje meteoroloških elementov Operativni cilji: Spoznajo grafično prikazovanje podnebij klimogram. Procesni cilji: Izmerijo temperaturo zraka, relativno vlažnost zraka, zračni tlak in hitrost vetra. Na osnovi izmerjenih podatkov temperature narišejo in razložijo klimogram. Pripomočki: Učbenik Raziskujem Zemljo 6 str. 47, milimetrski papir, karta sveta, delovni zvezek Raziskujem Zemljo str. 82., spletno mesto vremenske postaje OŠ Angela Besednjaka (https://www.abesednjak.si/index.php/vremenska-postaja/), (priloga A). učni list 2.5 Evalvacija in vrednotenje rezultatov Učenci, ko končajo z delom, pospravijo svoj delovni prostor. Merijo s kupljenim in z izdelanim merilnikom hitrosti, primerjajo, analizirajo, razlagajo in prihajajo do spoznanj. Učenci predstavijo dobljene rezultate. 2.5.1 Merjenje hitrosti vetra in električne napetosti Skupina 1 8. a-razreda je bila sestavljena iz dveh fantov in 3 deklet. Na os generatorja so namestili zamašek plastenke, katerega so pritrdili v stiropor. V stiropor so enakomerno namestili štiri paličice. Na konec paličic so namestili 1 dl kozarce 44

(slika 5.1.) Izmerjene količine merilnika hitrosti vetra so zapisane v tabeli 5.2. Po koncu merjenja so narisali graf odvisnosti električne napetosti od hitrosti vetra (slika 5.2). Slika 5.1: Merilnik hitrosti vetra skupine 1 8. a-razreda Lasten arhiv, 2018 Tabela 5.2: Izmerjene količine skupine 1 8. a-razreda Stopnja Meritev v [ m s ] v [ km h ] U [mv] k = U v [mv ] s 1 1 2,2 ± 0,1 7,9 ± 0,4 22,0 ± 2,0 10,0 ± 1,3 2 2,2 ± 0,1 7,9 ± 0,4 20,0 ± 2,0 9,1 ± 1,3 3 2,2± 0,1 7,9 ± 0,4 20,0 ± 2,0 9,1 ± 1,3 Povprečna 2,2 ± 0,1 7,9 ± 0,4 21,0 ± 2,0 9,4 ± 1,3 2 1 3,1 ± 0,1 11,2 ± 0,4 30,0 ± 2,0 9,7 ± 1,0 2 3,1 ± 0,1 11,2 ± 0,4 28,0 ± 2,0 9,0 ± 1,0 3 3,1 ± 0,1 11,2 ± 0,4 22,0 ± 2,0 7,6 ± 1,0 Povprečna 3,1 ± 0,1 11,2 ± 0,4 27,0 ± 2,0 8,6 ± 1,0 3 1 4,1 ± 0,1 14,8 ± 0,4 38,0 ± 2,0 9,3 ± 0,6 2 4,1 ± 0,1 14,8 ± 0,4 36,0 ± 2,0 8,8 ± 0,6 3 4,1 ± 0,1 14,8 ± 0,4 30,0 ± 2,0 7,3± 0,6 Povprečna 4,1 ± 0,1 14,8 ± 0,4 35,0 ± 2,0 8,5 ± 0,6 45

Slika 5.2: Graf električne napetosti v odvisnosti od hitrosti zraka skupine 1 8. a-razreda Lasten arhiv, 2018 Skupina 1 8. b-razreda je bila sestavljena iz dveh fantov in dveh deklet. Na os generatorja so namestili zamašek plastenke, ki so ga pritrdili v stiropor. V stiropor so enakomerno namestili štiri paličice. Na konec paličic so namestili votle polkrogle (slika 5.3). Izmerjene količine merilnika hitrosti vetra so zapisane v tabeli 5.3. Po koncu merjenja so narisali graf odvisnosti električne napetosti od hitrosti vetra (slika 5.4). Slika 5.3: Merilnik hitrosti vetra skupine 1 8. b-razreda Lasten arhiv, 2018 46

Tabela 5.3: Izmerjene količine skupine 1 8. b-razreda Stopnja Meritev v [ m s ] v [ km h ] U [mv] k = U v [mv ] s 1 1 3,3 ± 0,1 11,9 ± 0,6 13,0 ± 2,0 3,94 2 3,3 ± 0,1 11,9 ± 0,6 14,0 ± 2,0 4,24 3 3,2 ± 0,1 11,5 ± 0,6 14,2 ± 2,0 4,44 Povprečna 3,3 ± 0,1 11,8 ± 0,6 13,7 ± 2,0 4,21 2 1 3,8 ± 0,1 13,7 ± 0,7 20,0 ± 2,0 5,26 2 3,6 ± 0,1 13,0 ± 0,7 20,8 ± 2,0 5,78 3 4,0 ± 0,1 14,4 ± 0,7 17,9 ± 2,0 4,48 Povprečna 3,8 ± 0,1 13,7 ± 0,7 19,6 ± 2,0 5,17 3 1 4,9 ± 0,1 17,6 ± 0,9 28,8 ± 2,0 5,88 2 4,8 ± 0,1 17,3 ± 0,9 27,0 ± 2,0 5,63 3 4,8 ± 0,1 17,3 ± 0,9 27,9 ± 2,0 5,82 Povprečna 4,8 ± 0,1 17,4 ± 0,9 27,9 ± 2,0 5,78 Slika 5.4: Graf hitrosti zraka v odvisnosti od električne napetosti skupine 1 8. b-razreda Lasten arhiv, 2018 Skupina 2 8. b-razreda je bila sestavljena iz štirih fantov. Na os generatorja so namestili zamašek plastenke, ki so ga pritrdili v stiropor. V stiropor so enakomerno namestili štiri 47

paličice. Na konec paličic so namestili votle polkrogle (slika 5.5). Izmerjene količine merilnika hitrosti vetra so zapisane v tabeli 5.4. Po koncu merjenja so narisali graf odvisnosti električne napetosti od hitrosti vetra (slika 5.6). Slika 5.5: Merilnik hitrosti vetra skupine 1 Lasten arhiv, 2018 Tabela 5.4: Izmerjene količine skupine 2 8. b-razreda Stopnja Meritev v [ m s ] v [ km h ] U [mv] k = U v [mv ] s 1 1 3,0 ± 0,1 10,8 ± 0,5 17,0 ± 2,0 5,67 2 2,9 ± 0,1 10,4 ± 0,5 18,5 ± 2,0 6,38 3 2,8 ± 0,1 10,1 ± 0,5 19,0 ± 2,0 6,79 Povprečna 2,9 ± 0,1 10,4 ± 0,5 18,2 ± 2,0 6,28 2 1 3,7 ± 0,1 13,3 ± 0,7 28,0 ± 2,0 7,57 2 3,6 ± 0,1 13,0 ± 0,7 30,0 ± 2,0 8,33 3 3,6 ± 0,1 13,0 ± 0,7 30,4 ± 2,0 8,44 Povprečna 3,6 ± 0,1 13,1 ± 0,7 29,5 ± 2,0 8,11 3 1 4,8 ± 0,1 17,3 ± 0,9 39,0 ± 2,0 8,13 2 4,6 ± 0,1 16,6 ± 0,8 37,0 ± 2,0 8,04 3 4,9 ± 0,1 17,6 ± 0,9 38,3 ± 2,0 7,82 Povprečna 4,7 ± 0,1 17,2 ± 0,9 38,1 ± 2,0 8,00 48

Slika 5.6: Graf električne napetosti v odvisnosti od hitrosti zraka skupine 2 8. b-razreda Lasten arhiv, 2018 Vprašanja učitelja: Učitelj vpraša učence, kje so imeli težave. Kaj je bilo potrebno narediti, da se je izdelan merilnik hitrosti vetra vrtel pravilno? Kako naj bi sedaj naredili tabelo, v katero bi zapisali vrednosti električne napetosti in pripadajoče hitrosti vetra, da bi lahko iz nje uporabnik odčital trenutno hitrost? Ali pa pripadajoči graf postavimo na vremensko postajo in si uporabnik s pomočjo izmerjene napetosti sam odčita hitrost vetra. 2 Zaključek Kako bi ocenili vaše delo? Ste zadovoljni z izdelavo merilnika hitrosti vetra? 49

5.2 Analiza učne ure S potekom tehniškega dneva sem zelo zadovoljen. Učenci so zelo uživali, saj pouk ni bil usmerjen s strani učitelja (klasični pouk), ampak je bil učitelj le tutor, mentor, usmerjevalec pouka. Učenci so bili aktivni in zelo motivirani, saj so vedeli, da bodo merilnik hitrosti vetra namestili na vremensko postajo. Učenci so tako pripomogli pri obnovitvi vremenske postaje. Pouk ni bil klasične oblike, ampak problemsko in raziskovalno zasnovan. Učenci so imeli na razpolago različne materiale in pripomočke, s katerimi si izdelali merilnik. Največ časa so učenci porabili pri merjenju količin (hitrost vetra iz namiznega ventilatorja in električne napetosti). Problem je bil v tem, da so morali zelo natančno določiti točko merjenja ročnega anemometra in izdelanega merilnika hitrosti. Na voljo so imeli dva namizna ventilatorja z usmerjenim dotokom zraka. Potrebovali bi še vsaj dva kompleta (dva namizna ventilatorja in dva ročna anemometra). Opazili smo, da se podatki posameznih skupin razlikujejo med seboj. Razlog so merjene točke posameznih količin. Dan dejavnosti je potekal v sodelovanju učiteljev matematike, fizike, tehnike in geografije. Sam sem učitelj fizike in bodoči učitelj tehnike. Celoten proces je potekal v treh korakih: 1. korak: Najprej smo izdelali anemometer. Vključili smo učne vsebine iz fizike (gibanje, elektrika). 2. korak: V nadaljevanju je učitelj matematike učence usmerjal pri prikazu odvisnosti merjenih količin in njunemu funkcijskemu zapisu. 3. korak: S pomočjo podatkov, ki jih pridobimo iz merilnikov vremenske postaje, lahko izdelamo klimogram za podnebje okoli šole. Tukaj se je vključil učitelj geografije. Pri poteku ure bi spremenil merjenje hitrosti vetra iz namiznega ventilatorja. Če bi imel možnost, bi uporabil namizni ventilator, ki bi mu lahko spreminjal hitrost vrtenja krilc (spreminjanje vhodne napetosti). S tem bi lahko učenci še bolj natančno izdelali tabelo ali pa narisali graf in s tem bi lahko uporabnik bolj natančno določil hitrost vetra na zunanji vremenski postaji. 50

6 ZAKLJUČEK Kot učitelj si vedno želim, da bi bili učenci pri pouku motivirani in aktivni. Tako sem tudi s svojim magistrskim delom želel praktično vrednost zapisanega prenesti v prakso. Najprej sem v nalogi predstavil predlog za dopolnitev in modernizacijo že obstoječe, a poškodovane vremenske hišice. Vse potrebne sestavne dele sem nabavil, pripravil in izdelal v celoto. Kot predlog problemskega pouka pa sem si zamislil izdelavo merilnika hitrosti vetra, ki so ga učenci izdelali na dnevu dejavnosti in ga v nalogi tudi opisujem. Najboljši merilnik vetra smo nato tudi pritrdili na vremensko hišico. Merilnik hitrosti vetra ni bil dobro umerjen. Potrebne bi bile še izboljšave. Merilnik vetra bi moral biti na vrhu šole, da bi bili merjeni podatki pravilni. Na njega bi dodali brezžični modul, ki bi skrbel za komunikacijo med izdelano vremensko postajo in izboljšanim anemometrom. Pri poteku ure bi spremenil merjenje hitrosti vetra iz namiznega ventilatorja. Če bi imel možnost, bi uporabil namizni ventilator, ki bi mu lahko spreminjal hitrost vrtenja krilc (spreminjanje vhodne napetosti). S tem bi lahko učenci še bolj natančno izdelali tabelo ali pa narisali graf in s tem bi lahko uporabnik bolj natančno določil hitrost vetra na zunanji vremenski postaji V magistrskem delu je bil predstavljen primer medpredmetnega povezovanja tehnike in tehnologije, fizike, matematike ter geografije. Vremenska postaja meri temperaturo zraka, zračni tlak in vlažnost. Pridobljene podatke iz vremenske postaje lahko uporabi vsak učitelj in učenec kadarkoli neposredno iz spletnega naslova vremenske postaje na šolski spletni strani. Učitelji so se že na dnevu dejavnosti trudili, da bi učenci učno snov enega predmeta povezovali z ostalimi predmeti. Povezovanje podobnih učnih vsebin med predmeti lahko prispeva k boljšemu razumevanju in boljši motivaciji učencev. Če učenci razumevajo učno snov, se kakovost učnega procesa dviguje. Iz učnih načrtov je razvidno, da so učne vsebine podobne, vendar se zahtevnosti stopnjujejo. Vreme in podnebje oz. druge učne vsebine je mogoče povezovati vertikalno in horizontalno. 51

Medpredmetno povezovanje učnih vsebin pouk obogati. Učenci so aktivni, imajo večjo motivacijo in občutek da so ustvarjalci učnega procesa. Za dosego končnih ciljev morajo iskati poti in rešitve na zastavljene probleme. Učenci so bili zelo motivirani, ker so vedeli, da bo njihov merilnik hitrosti del vremenske postaje. Z njihovim merilnikom si je lahko uporabnik odčital vrednost hitrosti vetra s pomočjo tabele, ki jo je izdelala skupina 1 8. a-razreda. S svojim delom sem uspel posodobiti in ponovno aktivirati šolsko vremensko hišico. Izdelal sem idejo, nabavil material in pripravil sodobno vremensko postajo. Dodano vrednost le te vidim v pomoči učencev, ko sem osmislil svoje delo s pripravo dneva dejavnosti, kjer so učenci sooblikovali del vremenske postaje, saj so izdelali merilce vetra in opravili že prve meritve. Delujoče vremenska postaja bo in je lahko vsakodnevna pomoč pri sodobnem poučevanju. Menim, da sem s svojim delom prispeval velik delež k praktični rabi vsebin za vseživljenjsko učenje naših otrok. 52

7 LITERATURA [1] K. Raduš, "Priprava interdisiplinarnih didaktičnih gradiv za vključevanje športnih dejavnosti v naravoslovno učno pot," 2015. [Online]. Dostopno na: http://pefprints.pef.uni-lj.si/3019/. [17. 7. 2017]. [2] M. R. z. š. i. š. and Z. R., "Učni načrt. Program osnovna šola. Geografija," 2011. [Online]. Dostopno na: http://www.mizs.gov.si/fileadmin/mizs.gov.si/pageuploads/podrocje/os/prenovljeni_un /UN_geografija.pdf. [17. 7. 2017]. [3] M. R. z. š. i. š. and Z. R. z. š., "Učni načrt. Program osnovna šola. Tehnika in tehnologija," 2011. [Online]. Dostopno na: http://www.mizs.gov.si/fileadmin/mizs.gov.si/pageuploads/podrocje/os/prenovljeni_un /UN_tehnika_tehnologija.pdf. [17. 7. 2017]. [4] B. Aberšek, Didaktika tehniškega izobraževanja med teorijo in prakso, Ljubljana: Zavod Republike Slovenije za šolstvo, 2012, p. 143. [5] M. Demšar and A. R. S. z. o., "Dostopnost meteoroloških podatkov," 2015. [Online]. Dostopno na: www.mju.gov.si/.../2015_3_3_dostopnost_meteoroloskih_podatkov_mdemsar.ppt. [10. 7. 2018]. [6] M. z. o. i. p. and A. R. S. z. o., "Opis opazovalnih postaj," 2018. [Online]. Dostopno na: http://meteo.arso.gov.si/met/sl/climate/observation-stations/description/. [10. 7. 2018]. [7] Teasaurus, "Teasaurus," 2018. [Online]. Dostopno na: https://www.thesaurus.si/index.php?site=art&id=2. [10. 7. 2018]. 53

[8] Arduino, "Arduino UNO," 2017. [Online]. Dostopno na: https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3. [22. 7. 2017]. [9] Arduino, "Download," 2017. [Online]. Dostopno na: http://www.arduino.org/downloads. [22. 7. 2017]. [10] Adafruit, "Adafruit BME280 I2C or SPI temperature humidity pressure sensor," 2017. [Online]. Dostopno na: https://www.adafruit.com/product/2652. [23. 7. 2017]. [11] Bosch, "BME280," 2018. [Online]. Dostopno na: https://www.boschsensortec.com/bst/products/all_products/bme280. [10. 7. 2018]. [12] L. Ada, "Pinouts," 2017. [Online]. Dostopno na: https://learn.adafruit.com/adafruitbme280-humidity-barometric-pressure-temperature-sensor-breakout/pinouts. [23. 7. 2017]. [13] L. Ada, "Wiring & Test," 2017. [Online]. Dostopno na: https://learn.adafruit.com/adafruit-bme280-humidity-barometric-pressuretemperature-sensor-breakout/wiring-and-test. [24. 7. 2017]. [14] M. Selan, "Uporaba razvojnega okolja Arduino za izdelavo merilnega vozlišča na modulu ESP8266. Diplomsko delo," 2016. [Online]. Dostopno na: https://repozitorij.unilj.si/izpisgradiva.php?id=83480. [3. 7. 2018]. [15] E. S. "Solarni akumulatorji," 2017. [Online]. Dostopno na: http://www.energijasolar.si/index.aspx?category=5&id=5. [19. 8. 2017]. [16] E. S. "Solarni moduli," 2017. [Online]. Dostopno na: http://www.energijasolar.si/index.aspx?category=3&id=33. [16. 7. 2017]. [17] S. E. "Učinkovitost solarnih moduluv," 2017. [Online]. Dostopno na: http://www.soncneelektrarne.com/ucinkovitost-solarnih-modulov/. [16. 7. 2017]. [18] E. S. "Solarni regulatorji," 2017. [Online]. Dostopno na: http://www.energijasolar.si/index.aspx?category=4&id=4. [19. 7. 2017]. 54

[19] A. R. z. o. "Vreme in podnebje," 2017. [Online]. Dostopno na: http://www.arso.gov.si/vreme/. [17. 7. 2017]. [20] J. Trček, "Izkustveno poučevanje pri pouku tehnike in tehnologije na razredni stopnji na primeru vetrokaza. Diplomsko delo," 2014. [Online]. Dostopno na: http://pefprints.pef.uni-lj.si/2564/1/ul_pef_jasna_trcek.pdf. [25. 2. 2017]. [21] J. Rakovec, "Opazovanje in meritve v ozračju," 2007. [Online]. Dostopno na: www.fs.uni-lj.si/mma_bin.php?id=2012083111515278. [26. 7. 2017]. [22] H. Verdev, Raziskujem Zemljo 6. Samostojni delovni zvezek za geografijo v šestem razerdu osnovne šole, Ljubljana: Založba Rokus Klett, 2015. [23] Conrad, "Amorfni solarni modul, 4 W, 12 V," 2018. [Online]. Dostopno na: https://www.conrad.si/amorfni-solarni-modul-4-wp-17.5-v.htm?websale8=conradslowenien&pi=110467. [5. 7. 2018]. [24] T. Community, "Send Data to ThingSpeak with Arduino," 2017. [Online]. Dostopno na: http://community.thingspeak.com/tutorials/arduino/send-data-to-thingspeak-witharduino/. [24. 7. 2017]. [25] Arduino, "Getting Started. First steps with Arduino," 2017. [Online]. Dostopno na: http://www.arduino.org/learning/getting-started. [23. 7. 2017]. 55

8 PRILOGE Priloga A: Učni list Vreme in podnebje Vreme in podnebje Datum: Nadmorska višina: Kraj: Maribor Zemljepisna širina kraja: Zemljepisna širina kraja: Čas: 1. Srednja dnevna temperatura zraka Navodilo: Temperaturo zraka T odčitaj v vremenski hišici, podatke ostalih temperatur čez dan pa si pomagaj s spletno stranjo vremenske postaje šole. Iz vrednosti izračunaj srednjo dnevno temperaturo (SDT), srednjo mesečno temperaturo (SMT) in srednjo letno temperaturo. Temperatura Datum T [ ] 8.00 T [ ] 12.00 T [ ] 17.00 T [ ] SDT SMT 2. Relativna vlažnost zraka Navodilo: Relativna vlažnost podaja količino vodnih hlapov v zraku ali kakem drugem plinu. Vlažnost zraka izmeri v senci s pomočjo vremenske hišice ob šoli večkrat dnevno. Podatke ostalih vlažnosti čez dan pa si pomagaj s spletno stranjo vremenske postaje šole. Iz vrednosti izračunaj povprečno vlažnost zraka. 56

Vlažnost Datum Vlažnost [%] 8.00 Vlažnost [%] 12.00 Vlažnost [%] 17.00 Povprečna dnevna vlažnost [%] Povprečna mesečna vlažnost [%] 3. Zračni tlak Navodilo: Zračni tlak p izmeri v senci s pomočjo vremenske hišice ob šoli večkrat dnevno. Podatke ostalih vrednosti čez dan pa si pomagaj s spletno stranjo vremenske postaje šole. Iz vrednosti izračunaj povprečno vrednost zračnega tlaka. Zračni tlak Datum p [mbar] 8.00 p [mbar] 12.00 p [mbar] 17.00 Povprečni dnevni p [mbar] Povprečna mesečna vrednost zračnega tlaka [mbar] 4. Hitrost vetra Navodilo: Določi hitrost vetra v s pomočjo merilnika hitrosti vetra, ki je nameščen v vremenski postaji. S pomočjo tabele 8.1 zapiši naziv vetra. Hitrost vetra Datum v [ m s ] 8.00 v [ m s ] 12.00 v [ m s ] Naziv vetra Povprečna dnevna hitrost vetra [ m s ] 57

Tabela 8.1: Pretvorniki med različnimi enotami za veter Stopnja po Beaufortu Naziv vetra Hitrost v m/s Hitrost v km/h Opis pojava na kopnem 0 Tišina 0 0,2 <1 Mirno. Dim se dviga navpično. 1 Lahna sapica 0.3 1.5 1 5 2 Sapica 1,6 3,3 6 11 3 Šibak veter 3,4 5,4 12 19 4 Zmeren veter 5,5 7,9 20 28 5 Precej močan veter 8,0 10,7 29 38 6 Močan veter 10,8 13,8 39 49 7 Zelo močan veter 13,9 17,1 50 61 8 Viharni veter 17,2 20,7 62 74 9 Vihar 20,8 24,4 75 88 10 Hud vihar 24,5 28,4 89 102 11 Orkanski vihar 28,5 32,6 103 117 Smer vetra opazimo po gibanju dima, ne pa po vetrokazu. Veter čutimo na obrazu, listje trepeta, vetrokaz se giblje. Listje in vejice na drevju se ves čas gibljejo. Lahke zastave plapolajo. Veter dviga prah in papir, giblje tanjše veje. Zibljejo se tanjša listnata drevesa, na stoječih vodah nastajajo manjši valovi z grebeni. Gibljejo se debele veje, sliši se žvižganje telegrafskih žic, uporaba dežnika je otežkočena. Majejo se cela drevesa, otežkočena je hoja proti vetru. Veter lomi veje na drevju, hoja proti vetru v splošnem ni možna. Prihaja do lažjih poškodb na stavbah (Vihar trga žlebove, ruši dimnike, odkriva opeko s streh. V notranjosti kopne zemlje se redko pojavlja, ruje drevje, povzroča veliko škodo na stavbah. Zelo redek pojav, ki povzroča rušenje velikega obsega. http://www2.arnes.si/~gljsentvid10/enote.html, 2018 58

5. Klimogram Kakšno vreme lahko pričakujemo v posameznih letnih časih oziroma preko celega leta, nam pove podnebje. Podnebje je povprečno vreme določenega kraja ali območja v daljšem časovnem obdobju. Na oblikovanje podnebja vplivajo geografska širina, oddaljenost od morja, nadmorska višina in druge posebnosti območja. Osnovne značilnosti podnebja pregledno prikazuje klimogram. Klimogram je grafični prikaz dnevnega, tedenskega in mesečnega spreminjanja podnebnih značilnosti določenega kraja ali območja (slika 8.1). [22] Slika 8.1: Primer klimograma http://meteo.arso.gov.si/met/sl/climate/diagrams/description/, 2018 5.1 Izdelava klimograma Naloga: Nariši klimogram za mesto Maribor. Navodilo: S pomočjo spletnega mesta http://vreme.space.si/ določi povprečno mesečno količino padavin in s pomočjo spletnega mesta vremenske postaje šole https://www.abesednjak.si/index.php/vremenska-postaja/ določi povprečno mesečno temperaturo zraka v Mariboru za obdobje od januarja do junija. Nariši klimogram na milimetrski papir (učni pripomoček). 59