Παρουσιάζεται μία κατασκευή χαμηλού κόστους για τη διδασκαλία βασικών εννοιών του Ηλεκτρομαγνητισμού και της Ανάλυσης Κυκλωμάτων, με τη μορφή μινιατούρας λαβυρίνθου (23×23 cm).

Η διαδρομή του λαβυρίνθου υλοποιείται με σύρμα χρωμονικελίνης (NiCr) συνολικής αντίστασης ~22 Ω. Με τροφοδότηση συνεχούς τάσης   20 V αναπτύσσεται ισχύς Joule P=V²/R≈18 W πάνω στο σύρμα, με αποτέλεσμα  μετρήσιμη αύξηση θερμοκρασίας.

Η «σωστή» διαδρομή του λαβυρίνθου οπτικοποιείται σε πραγματικό χρόνο μέσω υπέρυθρης κάμερας/θερμογράφου ή/και αισθητήρα υπερύθρων, προσφέροντας ισχυρό οπτικό ανάλογο της ροής ρεύματος.
Στη συνέχεια εισάγεται η έννοια της αμοιβαίας επαγωγής. Η διακοπή κυκλώματος διακόπτει την παροχή ρεύματος στο DC κύκλωμα, ενώ με εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας (0,3–10 kHz) και κατάλληλα συντονισμένα πηνία επιτυγχάνεται ασύρματη σύζευξη, γεφυρώνοντας χάσμα έως ~4 cm χωρίς ηλεκτρική επαφή. Η σύζευξη αποδεικνύεται με άναμμα LED/ένδειξη βολτομέτρου ή με θερμογραφική αποτύπωση.
Η προτεινόμενη δραστηριότητα ακολουθεί τη διερευνητική μάθηση, περιλαμβάνει σαφή μαθησιακούς στόχους (Joule, ηλεκτρομαγνητική επαγωγή- αμοιβαία επαγωγή, συντονισμός LC), προβλέπει σχεδιασμό ασφαλείας και κοστολόγιο υλικών  και κλιμακώνεται από Γυμνάσιο έως Λύκειο. Επιπλέον προτείνονται φύλλα εργασίας και διαμορφωτική αξιολόγηση. Η κατασκευή είναι αναπαραγώγιμη με κοινά υλικά και συμβατή με τη θεματική «STEM ».

Αναλυτική επιστημονική παρουσίαση και προτάσεις…: link

Δείχνοντας την διαδρομή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του φαινομένου JOULE και της υπέρυθρης ακτινοβολίας το έργο μας αποτελεί iσως και παγκόσμια πρωτοτυπία δλδ ο τρόπος παρουσίασης των φαινομένων  – βιντεο σύνδεσμος

Επίσης υλοποιήσαμε ένα app – android  δες link όπου αποτελεί γεννήτρια συχνοτήτων όπου συνδέεται  με ενισχυτή – link (Stereo Digital Audio Amplifier Module 2X50W – TPA3116) και εδώ παρέχουμε το κύκλωμα = link .Έτσι δεν χρειάζεται να διαθέτει function generator όποιος επιθυμεί να το κατασκευάσει .

Λίστα υλικών :

1)Stereo Digital Audio Amplifier Module 2X50W – TPA3116 = €16,80 (link)

2)Καλώδιο Ήχου Jack σε Jack 3.5mm 1.5m =€1,40

1. 3 X eSUN PLA Basic 1.75mm 1kg – Blue = 3X €15,90 (link) (καλύτερα όμως petg αντι pla γιατί στραβώνει στον ήλιο)
2. ΚΑΛΩΔΙΑ ΚΤΛ =20 €

ΣΥΝΟΛΟ = 90 €

Εργαλεία: 3d εκτυπωτής, tablet ,pc,βασική εργαλειοθήκη όπως κατσαβίδια κτλ

Επίσης υλοποιήσαμε ένα app – android  δες link όπου αποτελεί γεννήτρια συχνοτήτων όπου συνδέεται  με ενισχυτή – link (Stereo Digital Audio Amplifier Module 2X50W – TPA3116) και εδώ παρέχουμε το κύκλωμα = link .Έτσι δεν χρειάζεται να διαθέτει function generator

3d σχέδια :

Λαβύρινθος : link

Βάση στήριξης κάμερας : link

app – android  δες link

Δες βιντεο!!! = Link video : https://www.youtube.com/watch?v=fYGVywLNMK0

Μετά από αποτυχίες όπως για παράδειγμα τη χρήση χαλκού ως σύρμα δεν απογοητευτήκαμε αλλά βρήκαμε λύσεις (όπως σύρμα χρωμονικελίνης κτλ)

δες υλικά!

Εξαιτίας του γεγονότος ότι ψάχναμε – κατασκευάζαμε σε αχαρτογράφητα νερά μας πήρε μεγάλο χρονικό διάστημα ο σχεδιασμός και η κατασκευή (3 μήνες). Όμως με τις οδηγίες που παρέχουμε σε δύο μέρες είναι υλοποιήσιμο!

Σύντομη παρουσίαση: link

Αναλυτική παρουσίαση και προτάσεις…: link

link : https://github.com/nektarios25ma/A-Labyrinth-and-Its-Solution-with-an-Electric-Circuit-and-Infrared-Radiation-

Εδώ βρίσκονται όλα τα αναγκαία αρχεία για την κατασκευή ακόμα και αν δεν διαθέτει γεννήτρια συχνοτήτων.

εδώ!

Link video : https://www.youtube.com/watch?v=fYGVywLNMK0

Το έργο έχει ήδη βασικό ανοικτό υλικό στο GitHub: README.md, αναλυτική εξήγηση για τη χρωμονικελίνη, αρχείο εφαρμογής Android (base.apk/base.zip), παρουσίαση brt.pptx, βίντεο final2.mp4, αρχείο 3D σχεδίασης maze4 (2).stl και παρουσίαση/σχέδιο κυκλώματος Κύκλωμα2b.pptx.

1. Σχέδιο μαθήματος 1: «Η διαδρομή του ηλεκτρικού ρεύματος γίνεται ορατή». Διάρκεια: 1–2 διδακτικές ώρες. Τάξεις: Γ΄ Γυμνασίου, Β΄/Γ΄ Λυκείου με διαφοροποίηση δυσκολίας. Κεντρικό ερώτημα: Μπορούμε να δούμε έμμεσα τη διαδρομή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το φαινόμενο Joule και την υπέρυθρη ακτινοβολία;

2. Σχέδιο μαθήματος 2: «Από το κλειστό κύκλωμα στην ασύρματη μεταφορά ενέργειας». Διάρκεια: 1–2 διδακτικές ώρες. Εισάγει την αμοιβαία επαγωγή, τη συχνότητα διέγερσης, τον συντονισμό LC και την ενεργειακή σύζευξη χωρίς ηλεκτρική επαφή.

3. Φύλλο εργασίας μαθητή Α – Πρόβλεψη, Παρατήρηση, Εξήγηση : οι μαθητές προβλέπουν σε ποια διαδρομή θα εμφανιστεί μεγαλύτερη θέρμανση, παρατηρούν τη θερμική εικόνα και εξηγούν με βάση R, I, V και P=V²/R ή P=I²R.

4. Φύλλο εργασίας μαθητή Β – Μετρήσεις και υπολογισμοί: μέτρηση αντίστασης σύρματος, υπολογισμός ισχύος Joule, σύγκριση θεωρητικής πρόβλεψης με θερμική απεικόνιση, εντοπισμός σφαλμάτων/απωλειών.

5. Φύλλο εργασίας μαθητή Γ – Επαγωγή και συντονισμός: μεταβολή συχνότητας 0,3–10 kHz, απόσταση πηνίων, ένταση LED/ένδειξη βολτομέτρου, αναζήτηση βέλτιστων συνθηκών σύζευξης.

6. Παρουσίαση μαθήματος: σύντομη παρουσίαση 10–12 διαφανειών με πρόβλημα, υπόθεση, κατασκευή, φυσικούς νόμους, πειραματική διαδικασία, ασφάλεια, αποτελέσματα και ερωτήσεις αναστοχασμού.

7. Σύντομο φύλλο εκπαιδευτικού: οδηγίες προετοιμασίας, προαπαιτούμενες γνώσεις, εναλλακτικές χαμηλού κόστους, πιθανές δυσκολίες, ενδεικτικές απαντήσεις, τρόποι διαμορφωτικής αξιολόγησης.

8. OER Canvas για το έργο: Τίτλος: A Labyrinth and Its Solution. Κοινό: μαθητές Γυμνασίου/Λυκείου και εκπαιδευτικοί Φυσικής/STEM. Μαθησιακή ανάγκη: κατανόηση αόρατων ηλεκτρικών φαινομένων μέσω ορατής θερμικής απεικόνισης. Πόροι: σχέδια 3D, κύκλωμα, κώδικας/app, φύλλα εργασίας, παρουσιάσεις, φωτογραφίες, βίντεο. Άδειες: GPL-3.0 για το υπάρχον αποθετήριο/κώδικα και προτεινόμενη CC BY-SA 4.0 για νέο εκπαιδευτικό περιεχόμενο.

Άδειες χρήσης λογισμικού, σχεδίων και εκπαιδευτικού περιεχομένου

Στο GitHub του έργου υπάρχει ήδη άδεια GPL-3.0.

Προστασία μαθητών: βίντεο μαθητών έχουμε συναίνεση γονέα/κηδεμόνα .

Στόχος 1 – Κατανόηση κλειστού ηλεκτρικού κυκλώματος: Οι μαθητές διαπιστώνουν ότι ρεύμα υπάρχει μόνο όταν σχηματίζεται κλειστή αγώγιμη διαδρομή. Η σωστή διαδρομή του λαβυρίνθου δεν φαίνεται απλώς ως γραμμή, αλλά αποκαλύπτεται από το θερμικό αποτέλεσμα του ρεύματος.

Στόχος 2 – Σύνδεση μικροσκοπικού/αόρατου φαινομένου με παρατηρήσιμο αποτέλεσμα: Η κίνηση φορτίων και η μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμική δεν είναι άμεσα ορατές. Με την υπέρυθρη κάμερα οι μαθητές βλέπουν έμμεσα το αποτέλεσμα της ηλεκτρικής αγωγής, άρα μειώνονται παρανοήσεις όπως ότι «το ρεύμα καταναλώνεται» ή ότι «φαίνεται μόνο εκεί που υπάρχει λαμπάκι».

Στόχος 3 – Ποσοτική εφαρμογή νόμων της Φυσικής: Μετρούν ή εκτιμούν αντίσταση, τάση, ρεύμα και ισχύ και συνδέουν τις σχέσεις P=V²/R και P=I²R με πραγματική αύξηση θερμοκρασίας. Έτσι η θεωρία δεν μένει σε τύπους, αλλά ελέγχεται πειραματικά.

Στόχος 4 – Κατανόηση υλικών και αντίστασης: Συγκρίνουν χαλκό και χρωμονικελίνη, εξηγούν γιατί το σύρμα NiCr είναι καταλληλότερο για θέρμανση και καταλαβαίνουν τη σημασία της ειδικής αντίστασης, του μήκους και της διατομής.

Στόχος 5 – Εισαγωγή στην ηλεκτρομαγνητική επαγωγή και στην ασύρματη μεταφορά ενέργειας: Στο δεύτερο μέρος, οι μαθητές διαπιστώνουν ότι ένα κενό στο κύκλωμα δεν γεφυρώνεται με συνεχές ρεύμα, ενώ με εναλλασσόμενο ρεύμα και πηνία μπορεί να υπάρξει σύζευξη μέσω μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου.

Στόχος 6 – Κατανόηση συχνότητας και συντονισμού: Με τη γεννήτρια συχνοτήτων/app και τον ενισχυτή, μεταβάλλουν τη συχνότητα και παρατηρούν αλλαγές στην ένδειξη LED/βολτομέτρου, άρα αντιλαμβάνονται ότι η μεταφορά ενέργειας εξαρτάται από τη συχνότητα, την απόσταση, τη γεωμετρία των πηνίων και τον συντονισμό LC.

Στόχος 7 – Ανάπτυξη δεξιοτήτων STEM και ανοικτών τεχνολογιών: Το έργο συνδυάζει Φυσική, ηλεκτρονικά, 3D σχεδίαση/εκτύπωση, τεκμηρίωση σε GitHub, ψηφιακή παρουσίαση και συνεργατική επίλυση προβλημάτων. Οι μαθητές μαθαίνουν να παράγουν και όχι απλώς να καταναλώνουν τεχνολογία.

Στόχος 8 – Επιστημονική μεθοδολογία και επιμονή στην αποτυχία: Οι αρχικές αποτυχίες, όπως η χρήση χαλκού, αξιοποιούνται παιδαγωγικά ως τεκμήρια μηχανικού σχεδιασμού: δοκιμή, μέτρηση, ερμηνεία, αλλαγή υλικού, νέα δοκιμή.

Στόχος 9 – Ασφάλεια στο εργαστήριο: Οι μαθητές μαθαίνουν ότι η αύξηση θερμοκρασίας, η ηλεκτρική ισχύς και η χρήση ενισχυτή/τροφοδοσίας απαιτούν έλεγχο τάσης, ρεύματος, χρόνου λειτουργίας, μόνωσης και επίβλεψη εκπαιδευτικού.

Στόχος 10 – Αξιολόγηση μάθησης: Η επίτευξη των στόχων τεκμηριώνεται με φύλλα εργασίας, απαντήσεις μαθητών πριν/μετά, φωτογραφίες κατασκευής, βίντεο επίδειξης, μετρήσεις, σύντομη παρουσίαση ομάδας και αναστοχασμό για το τι άλλαξε στην κατανόηση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων.

Ενδεικτικά μετρήσιμα αποτελέσματα: (α) οι μαθητές να εξηγούν γιατί θερμαίνεται το NiCr, (β) να υπολογίζουν ισχύ Joule από V και R, (γ) να εντοπίζουν τη σωστή διαδρομή με βάση τη θερμική εικόνα, (δ) να περιγράφουν τη διαφορά DC κυκλώματος και επαγωγικής σύζευξης AC, (ε) να προτείνουν βελτίωση στην κατασκευή ή στο πείραμα.

• Να χρησιμοποιηθούν διακόπτες όπως το βίντεο για λόγους ασφαλείας ώστε 1) όταν λειτουργεί το dc να είναι αποκομμένο το ac και αντίστροφα 2)ο χρόνος εφαρμογής 20 volt dc να είναι περιορισμένος =max 1 min