Samarbeid UiS - Kongsgård VGS

Forskningsbasert fysikkundervisning- pilotprosjekt

Rune W. Time, UiSTore Karl Olsen, Kongsgård Videregående Skole

Stavanger

2

Fysikkprosjekt for VGS elever - på universitetet

Bakgrunn

• Realfagenes stagnasjon i skolesystemet fra 80 – 90 tallet

• Ønske om – økt rekruttering – fornyelse av undervisningsformer – samarbeid (brobygging) mellom universitet og VGS

• “Åpent Hus” foredrag ved HiS november 2002 Invitasjon Samarbeid

• Pågående PhD prosjekt ved UiS (A.H. Rabenjafimanantsoa, Madagaskar)

3

Fysikkprosjekt for VGS elever - på universitetet?!

Prøve ut en litt annen måte å tenke undervisning/reformer på: “Teste og lære i liten skala – før utbygging i større skala”

Filosofi

Utfordring

Universitet og forskning

Faglig nivå

“5-åring”

VGS elever

4

• Et første elevprosjekt (3 dagers opplegg) med Kongsgård VGS (KVGS) våren 2003 fungerte som “kultur tilpasning”.

• God “kjemi” mellom HiS og Kongsgård VGS– Ansatte i naturfagseksjonen og ledelse ved Konsgård

entusiastiske til prosjektet.– Initiativrike og flinke elever

• “Tofaselaboratoriet” ved IPT/UiS åpent for “gjester” – IAESTE sommerstudenter år siden 1988. – Hovedfagstudenter og hospitanter fra andre

universiteter.– Sommerprosjekter i samarbeid med Statoil

• Økonomi: – KVGS med interne prosjektmidler, – UiS med egne instrumenter og lab– Støtte fra lokale instrumenteringsfirma (IKM)

• Et første elevprosjekt (3 dagers opplegg) med Kongsgård VGS (KVGS) våren 2003 fungerte som “kultur tilpasning”.

• God “kjemi” mellom HiS og Kongsgård VGS– Ansatte i naturfagseksjonen og ledelse ved Konsgård

entusiastiske til prosjektet.– Initiativrike og flinke elever

• “Tofaselaboratoriet” ved IPT/UiS åpent for “gjester” – IAESTE sommerstudenter år siden 1988. – Hovedfagstudenter og hospitanter fra andre

universiteter.– Sommerprosjekter i samarbeid med Statoil

• Økonomi: – KVGS med interne prosjektmidler, – UiS med egne instrumenter og lab– Støtte fra lokale instrumenteringsfirma (IKM)

Viktige faktorer for et godt resultat

5

Samarbeidsprosjektet – 2004/2005

• Faglig problemstilling for elevene: “Bestemmelse av dynamikk til fallende partikler i turbulent strømning”

• Gjennomføring av et forskningsprosjekt:• Teori• Bygging av strømningsrigg• Tilnytning til PhD prosjektet• Metoder og verktøy:

– Eksperimenter, instrumentering og målemetoder– Fluid dynamiske datasimuleringer

• Analyse, konklusjoner Rapport

• Produkt Rapport til “Unge Forskere” 2005

• Konklusjoner/erfaringer med prosjektet Videreføringer

• Faglig problemstilling for elevene: “Bestemmelse av dynamikk til fallende partikler i turbulent strømning”

• Gjennomføring av et forskningsprosjekt:• Teori• Bygging av strømningsrigg• Tilnytning til PhD prosjektet• Metoder og verktøy:

– Eksperimenter, instrumentering og målemetoder– Fluid dynamiske datasimuleringer

• Analyse, konklusjoner Rapport

• Produkt Rapport til “Unge Forskere” 2005

• Konklusjoner/erfaringer med prosjektet Videreføringer

6

Samarbeidspartnere UiS – Kongsgård VGS

Fra “UiS nytt” 13/4-2005

“Mandagskameratene”

Elevene fritatt for 40% av 3FY pensumet til fordel for prosjektet

Elevene fritatt for 40% av 3FY pensumet til fordel for prosjektet

7

Fysisk Problemstilling• Undersøkelse av dynamikken til fallende partikler !

Endring fra laminær til turbulent strømning (via dragkoeffisient CD)

Viskøst drag:

21

2D D effF C A U

Fluid egenskaper:Viskositet Tetthet

Tyngde:G = mg

Oppdrift

log DC

log(Re)

Reynoldstall ReU D

U

D

Aeff

Sammensatt fysikk!

8

Teori i elevrapporten

Fluidhastighet U Fallhastighet Urelativt væska

Stasjonær partikkel i laboratoriesystemet+

Hvordan måle fallhastighet U ?Løsning: Lage et system der væska omkring partiklene beveger seg like raskt oppover som partiklene faller nedover

Løsning: Lage et system der væska omkring partiklene beveger seg like raskt oppover som partiklene faller nedover

9

Design av strømningsrigg

Område med hastighetsgradient

Inspirert av metoden i “Millikans dråpeforsøk” for å bestemme elementærladningen e.

10

Metodisk planlegging – design av eksperiment

CFD simulering av strømningsoppsett – med Fluent og Femlab

11

Møte med avansert instrumentering

•Elektronmikroskopi

• PIV (Particle Imaging Velocimetry) laserbasert hastighetsmåling

Kulestørrelse :Statistikk og formfra SEM bilder

12

Unge forskere i arbeid

Laser

13

Eksperimenter - hastighetsmåling

“PIV” = Particle Imaging Velocimetry

Flow

Laser “sheet”

14

PIV – strømningsanalyseAvansert laser fysikk kombinert med data-

analyse

Original bilder

Hastighetsvektor felt

“Vortisitet”=Turbulentvirvlingsintensitet

Matematisk analyseMåling på magnet-rører i kar

15

Forsøksresultater

“Mix” av store (1mm) kuler sammen med småkulene (300m) stabiliserer strømningen.

Kamerautsnitt

Strømlinjer og hastigheter

16

Kommunikasjon / journal - via Its-learning

17

Rapport til “Unge Forskere”

Skrevet av Geir-Vegar Bjørkum og Fredrik H. Fjellså vinteren 2005.

3. plass i den nasjonale finalen

18

“Forskningserfaringen”

Fascinasjonsaspektet det avanserte• Møte med en mer avansert eksperimentell verden enn i vanlig

skolelab• Lære /være med på å bruke avansert utstyr / analysemetoder

De metodiske sidene• Arbeide i grenseland – alt er ikke kjent og pedagogisk tilrettelagt• Takle og løse ikke forventede problemer ( mange !!!)• Gå gjennom “tvil og tro” faser (hva holder vi egentlig på med?)• Være innovativ i å utnytte eksisterende ressurser (“McIvor

prinsippet”)• Fagmøter / “brainstorming”• Journal/rapport

Opplevelse / personlighetspåvirkning• Utviklingen skjer i sprang• AHA opplevelsen / ekstasen

Fascinasjonsaspektet det avanserte• Møte med en mer avansert eksperimentell verden enn i vanlig

skolelab• Lære /være med på å bruke avansert utstyr / analysemetoder

De metodiske sidene• Arbeide i grenseland – alt er ikke kjent og pedagogisk tilrettelagt• Takle og løse ikke forventede problemer ( mange !!!)• Gå gjennom “tvil og tro” faser (hva holder vi egentlig på med?)• Være innovativ i å utnytte eksisterende ressurser (“McIvor

prinsippet”)• Fagmøter / “brainstorming”• Journal/rapport

Opplevelse / personlighetspåvirkning• Utviklingen skjer i sprang• AHA opplevelsen / ekstasen

19

Konklusjon - Erfaringer - Framover

• “Skolepolitisk” svært berikende

• Tidkrevende - men god planlegging og nærmere samarbeid Universitet og VGS gir gjensidig kvalitetsheving.

• Prosjekter fra flere ulike fagområder viktig ; eks. kjemi og biologi

• Videre prosjekt krever innsats med flere ressurser – personer og økonomi.

• Søke samarbeid med andre større organiseringer a la SOLIS prosjektet – storskala samarbeid Universitet(er) VGS

• “Skolepolitisk” svært berikende

• Tidkrevende - men god planlegging og nærmere samarbeid Universitet og VGS gir gjensidig kvalitetsheving.

• Prosjekter fra flere ulike fagområder viktig ; eks. kjemi og biologi

• Videre prosjekt krever innsats med flere ressurser – personer og økonomi.

• Søke samarbeid med andre større organiseringer a la SOLIS prosjektet – storskala samarbeid Universitet(er) VGS

20

SLUTT