Handboek · hoofdstuk 1Wat is STEM?
Vier manieren van denken, één manier van kijken, en een station dat je zelf gaat bouwen
Een smartphone, een fiets, een kas vol tomaten, een poolstation op Antarctica: achter elk ervan zitten mensen die onderzoeken, rekenen, ontwerpen en bouwen. Samen heet dat STEM. In dit eerste hoofdstuk leer je wat de vier letters betekenen, hoe je elk toestel als systeem kan bekijken, en maak je kennis met Habitat: het onderzoeksstation dat je in deze opleiding laag per laag mee opbouwt.
- Je kan in eigen woorden uitleggen wat wetenschap, technologie, engineering en wiskunde elk doen, en waarom ze samen sterker zijn.
- Je kan een toestel of situatie beschrijven als systeem met input, proces en output, en die stromen benoemen als materie, energie of informatie.
- Je kan een systeemgrens kiezen en uitleggen wat daardoor input of output wordt.
- Je kan uitleggen wat terugkoppeling is, en in voorbeelden herkennen of een systeem stuurt (zonder terugkoppeling) of regelt (met terugkoppeling).
- Je kan een wetenschappelijke vraag onderscheiden van een technisch probleem, en zeggen welke cyclus erbij hoort.
- Je kan enkele STEM-beroepen beschrijven: wat iemand er op een gewone dag doet en welke letters erin zitten.
- Je kan de missie van Habitat en de onderdelen van de meetkas beschrijven.
Een station aan de rand van de wereld
Op een granieten bergkam in Oost-Antarctica, op 1382 meter hoogte, staat een zilverwit gebouw op stalen poten: het Belgische onderzoeksstation Prinses Elisabeth. Het werd in februari 2009 ingehuldigd en is alleen tijdens de zuidelijke zomer bewoond. Er is geen stroomnet, geen waterleiding en geen winkel in de buurt. Alles wat het station nodig heeft, moet het zelf opwekken, zuiveren en regelen.
Kijk wie er allemaal nodig was om dat mogelijk te maken:
- Wetenschappers onderzoeken er het klimaat, de atmosfeer en het ijs. Daarvoor is het station er: om vragen over de natuur te beantwoorden.
- Ingenieurs ontwierpen een gebouw dat ijzige stormen doorstaat en zo weinig mogelijk warmte verliest. Negen windturbines langs de bergkam en zonnepanelen leveren de energie. Omdat het station voor zijn gewone werking alleen wind en zon gebruikt, heet het een zero-emissiestation; generatoren staan enkel klaar als reserve.
- Technologie houdt alles draaiende: batterijen slaan energie op, een 'slim net' (smart grid) verdeelt ze over de toestellen, en een zuiveringsinstallatie reinigt het afvalwater zodat een deel ervan opnieuw gebruikt kan worden voor douches, toiletten en wasmachines.
- Wiskunde zit overal: hoeveel energie leveren de turbines bij deze wind, hoeveel verbruikt het station per dag, hoe lang houden de batterijen het uit?
Geen van die vier groepen had het station alleen kunnen bouwen. Dat is het idee achter STEM.
Zo'n station is een reuzenvoorbeeld van alles wat je in deze opleiding leert: meten, energie opwekken en bewaren, water zuiveren, planten kweken, regelen met sensoren. In StemExpert ontwerp je je eigen versie, Habitat, laag per laag. Je begint klein, met een kas die zichzelf meet.
Vier letters, vier manieren van denken
STEM komt uit het Engels: science, technology, engineering, mathematics. Elke letter staat voor een eigen manier van denken en werken.
| letter | wat je doet | de vraag die je stelt | voorbeeld in de kas |
|---|---|---|---|
| S wetenschap | onderzoeken, meten, verklaren | Hoe werkt het? Waarom gebeurt dit? | Waarom groeit de sla trager in de winter? |
| T technologie | gebruiken en maken van toestellen, materialen, programma's | Welk hulpmiddel lost dit op? | een sensor, een pomp, een ledstrip |
| E engineering | ontwerpen, testen, verbeteren binnen beperkingen | Hoe maken we iets dat werkt, veilig is en betaalbaar? | een watergeefsysteem dat een week zonder jou werkt |
| M wiskunde | rekenen, meten, patronen zoeken, modelleren | Hoeveel? Hoe snel? Welk verband? | hoeveel liter water de planten per week nodig hebben |
Technologie en engineering worden vaak door elkaar gebruikt. Het verschil: technologie is het resultaat (de pomp, de app, het materiaal), engineering is het ontwerpwerk dat eraan voorafgaat: eisen opstellen, ideeën vergelijken, een prototype testen en verbeteren.
De letters versterken elkaar in een kringloop. Wat wetenschappers ontdekken, gebruiken ingenieurs om iets te ontwerpen. Het resultaat is nieuwe technologie, en daarmee kunnen wetenschappers weer beter meten: de microscoop leidde tot de ontdekking van cellen, een satelliet meet het smelten van het poolijs. Wiskunde is de taal die ze alle drie spreken.
Wie STEM hoort, denkt vaak aan rekenen of programmeren. Maar STEM gaat vooral over een houding: nieuwsgierig zijn, zorgvuldig meten, iets durven proberen dat mislukt, en uitzoeken waarom. Een tuinier die een proefje doet met twee soorten potgrond, is ook met STEM bezig.
Eén probleem, vier brillen
Tijdens een warme week in juni verdorren de planten in de schoolkas, hoewel iemand elke ochtend water geeft. Hoe pakt een STEM-team dat aan? Toon welke rol elke letter speelt.
- planten verdorren tijdens warme dagen
- er wordt één keer per dag (ochtend) water gegeven
- een aanpak waarin wetenschap, wiskunde, engineering en technologie elk een rol hebben
- 1S: eerst begrijpen. Het team meet een paar dagen lang de temperatuur in de kas en het vocht in de grond, 's ochtends, 's middags en 's avonds. Het ziet dat de grond 's middags al droog is: bij hitte verdampen de planten veel meer water.
- 2M: rekenen. Uit de metingen volgt hoeveel water er per dag verdwijnt. Stel dat dat bij hitte ongeveer 2 liter per dag is, terwijl er 's ochtends maar 1 liter gegeven wordt: er is dan een tekort van 1 liter per dag.
- 3E: ontwerpen. Het team stelt eisen op: de planten krijgen water wanneer de grond droog is, ook in het weekend; het systeem mag niet overstromen; het werkt op de stroom van een klein zonnepaneel. Het vergelijkt ideeën (een grotere gieter, een druppelslang met timer, een pomp met sensor) en kiest.
- 4T: bouwen met technologie. Een bodemvochtsensor, een microcontroller en een klein pompje worden gekoppeld aan een druppelslang.
- 5En weer S: testen. Het team meet opnieuw: blijft de grond nu vochtig genoeg? Verdorren er nog planten? Zo niet, dan past het de drempel of de hoeveelheid water aan.
Denken in systemen: input, proces, output
Een systeem is een geheel van onderdelen die samenwerken om iets te doen. Een broodrooster, een plant, een fabriek en je eigen lichaam zijn systemen. Om een systeem te begrijpen zonder meteen alle details te kennen, stel je drie vragen:
- Input: wat gaat erin?
- Proces: wat gebeurt ermee?
- Output: wat komt eruit?
Wat er in- en uitgaat, is altijd een van drie soorten: materie (stoffen en voorwerpen: water, brood, lucht), energie (elektrische energie, warmte, licht, beweging) of informatie (een druk op een knop, een meting, een signaal).
| systeem | input | proces | output |
|---|---|---|---|
| broodrooster | brood (materie), elektrische energie, de stand van de knop (informatie) | de weerstanddraden worden heet en roosteren het brood | geroosterd brood, warmte naar de keuken, het 'klik' als het klaar is (informatie) |
| zonnepaneel | licht (energie) | licht omzetten in elektrische energie | elektrische energie, warmte |
| kasplant | water, koolstofdioxide, voedingsstoffen (materie), licht (energie) | fotosynthese en groei | bladeren en vruchten (materie), zuurstof, waterdamp |
Waar het systeem ophoudt, bepaal je zelf met de systeemgrens: een denkbeeldige lijn rond wat je bekijkt. Alles wat die lijn kruist, is input of output. Kies je de grens rond één plant, dan is het water uit de pomp een input. Kies je de grens rond de hele kas, dan is die pomp een onderdeel en wordt het regenwater dat in het reservoir loopt de input.
Grote systemen bestaan uit deelsystemen: de fiets heeft een aandrijving, remmen en verlichting; de kas heeft een energiedeel, een waterdeel en een meetdeel. Een groot probleem opsplitsen in deelsystemen is een van de krachtigste gewoontes van een STEM'er.
De fiets als systeem
Beschrijf een gewone fiets met dynamoverlichting als systeem: input, proces, output en terugkoppeling. Welke deelsystemen herken je?
- een fiets met trappers, ketting, remmen en een dynamo op het wiel
- een fietser
- input, proces en output, met de soort stroom
- deelsystemen
- waar de terugkoppeling zit
- 1Systeemgrens kiezen. We tekenen de grens rond de fiets. De fietser staat erbuiten: hij levert input.
- 2Input. De spierkracht op de trappers is energie. Sturen en remmen zijn informatie: ze zeggen de fiets wat hij moet doen.
- 3Proces. De trapper draait het voorste tandwiel, de ketting brengt de beweging naar het achterwiel. De dynamo zet een klein deel van de beweging om in elektrische energie voor het lampje.
- 4Output. Beweging van fiets en fietser (energie), licht (energie) en warmte door wrijving in de ketting, de lagers en de banden (energie die verloren gaat).
- 5Deelsystemen. Aandrijving (trappers, tandwielen, ketting), remmen, stuur, verlichting (dynamo, draden, lampjes). Elk kan je apart bekijken, met zijn eigen input en output.
- 6Terugkoppeling. De fietser ziet en voelt hoe snel hij gaat en of hij scheef hangt, en stuurt bij. Die lus loopt via de fietser, dus buiten onze systeemgrens. Trek je de grens rond fiets en fietser, dan ligt de terugkoppeling binnen het systeem.
Terugkoppeling: sturen of regelen
Een sproeier met een tijdschakelaar geeft elke ochtend om 7 uur tien minuten water. Ook als het de hele nacht geregend heeft. Hij stuurt: hij voert uit wat ingesteld is, zonder te controleren of het resultaat goed is. Dat heet ook een open lus.
Een systeem met terugkoppeling (feedback) meet het resultaat en past zich aan. Het regelt. In de meetkas: een sensor meet hoe vochtig de grond is, een microcontroller vergelijkt die meting met de gewenste waarde, en alleen als de grond te droog is, zet hij de pomp aan. De grond wordt natter, de sensor meet dat, en de pomp gaat weer uit. De output (natte grond) komt via de meting terug bij het begin: een gesloten lus.
Elke regelkring heeft dezelfde vier stappen: meten, vergelijken met wat je wil, beslissen en doen. Dat patroon vind je overal:
- een thermostaat meet de temperatuur en zet de verwarming aan of uit;
- je lichaam houdt zijn temperatuur rond 37 °C: te warm, dan ga je zweten; te koud, dan ga je rillen (hoofdstuk 29);
- een fietser stuurt voortdurend een beetje bij om recht te blijven rijden.
De sproeier met tijdschakelaar werkt automatisch, maar zonder terugkoppeling. Ook een straatlamp met een lichtsensor meet niet of zijn eigen licht volstaat: hij meet het daglicht en schakelt op een vaste drempel. Stel jezelf altijd de vraag: meet het systeem het resultaat van zijn eigen werk? Pas dan is er een gesloten lus.
Regelen vangt verstoringen op: een hete dag, wind, een open deur. Sturen is eenvoudiger en goedkoper, en volstaat als er weinig verandert: een broodrooster met een timer doet prima zijn werk. Ingenieurs kiezen wat het probleem vraagt.
Balanceren met en zonder terugkoppeling
Wat gebeurt er met een systeem als je de terugkoppeling wegneemt? Je test het met je eigen lichaam: een bezemsteel rechtop op je handpalm houden.
- bezemsteel of houten lat van ongeveer 1,2 m
- lat van 30 cm
- stopwatch
- een partner die de tijd opneemt
- 1Zet de bezemsteel rechtop op je vlakke hand. Kijk naar de top van de steel. Je partner meet hoe lang je hem rechtop houdt (stop bij 30 s).
- 2Herhaal drie keer.
- 3Doe hetzelfde, maar kijk nu weg naar de muur (of sluit je ogen) zodra de steel stilstaat. Je partner vangt de steel als hij valt. Drie keer.
- 4Probeer ten slotte de korte lat van 30 cm te balanceren, met je ogen open. Drie keer.
- 5Noteer alle tijden in een tabel en vergelijk.
Zo kan het resultaat van één leerling eruitzien:
| situatie | poging 1 | poging 2 | poging 3 |
|---|---|---|---|
| bezemsteel, ogen open | 30 s (gestopt) | 30 s (gestopt) | 24 s |
| bezemsteel, ogen weg | 2,1 s | 1,6 s | 2,8 s |
| lat van 30 cm, ogen open | 1,4 s | 0,9 s | 1,7 s |
Met je ogen open lukt het lang. Zonder zicht valt de steel binnen enkele seconden. En een korte lat is veel moeilijker dan een lange.
Balanceren is een regelkring. Je ogen zijn de sensor: ze zien de steel kantelen. Je hersenen beslissen hoe je hand moet bewegen, je hand voert het uit. Sluit je je ogen, dan valt de belangrijkste meting weg: de lus is open en de steel valt. Je hand voelt nog een beetje, maar veel te weinig.
Een korte lat kantelt sneller om dan een lange. Je ogen en hersenen hebben ongeveer 0,2 s nodig om te reageren, en dat is voor de korte lat te traag. Een regelkring werkt alleen als hij snel genoeg reageert voor het systeem dat hij regelt. Zelfbalancerende robots en elektrische eenwielers gebruiken hetzelfde principe, met sensoren die veel sneller meten dan je ogen.
De smartphone: een systeem vol deelsystemen
Je smartphone is een van de ingewikkeldste systemen die je elke dag gebruikt, maar met input, proces en output krijg je er grip op. Links zie je de voorkant, rechts een doorkijk naar binnen. Let op: het aanraakscherm is tegelijk input (je vinger) en output (het beeld).
- 1Aanraakscherm
Input en output tegelijk: het meet waar je vinger het glas raakt, en het toont beeld. Het scherm is ook de grootste verbruiker van energie.
- 2Camera en lichtsensor
Input. De lichtsensor meet het omgevingslicht en past de helderheid van het scherm aan. Dat is sturen: de sensor meet het daglicht, niet het licht van het scherm zelf.
- 3Microfoon
Input: zet geluid om in een elektrisch signaal (informatie).
- 4Luidspreker
Output: zet een elektrisch signaal om in geluid.
- 5Chip (processor en geheugen)
Het proces: rekent, beslist en bewaart. De chip meet ook zijn eigen temperatuur en werkt trager als hij te heet wordt. Dat is regelen: minder rekenen, minder warmte, lagere temperatuur.
- 6Bewegingssensoren en gps
Input: een versnellingsmeter en een gyroscoop voelen hoe je de telefoon draait (daarom draait het beeld mee), de gps-ontvanger bepaalt waar je bent.
- 7Batterij
Slaat energie op. Tijdens het laden meet de telefoon voortdurend de spanning van de batterij en past de laadstroom aan: weer een regelkring.
- 8Antennes
Informatie in en uit: gesprekken, berichten en data reizen als radiogolven naar de gsm-mast en de wifi-router.
Wetenschappelijke vraag of technisch probleem?
STEM'ers werken aan twee soorten opdrachten, en het loont om ze uit elkaar te houden.
Een wetenschappelijke vraag gaat over hoe de natuur werkt: Waarom beslaat de kaswand 's ochtends? Groeit basilicum sneller onder blauw of onder rood licht? Het antwoord is kennis. Je vindt het met de onderzoekscyclus: vraag, hypothese, proef, waarneming, besluit (hoofdstuk 2).
Een technisch probleem vraagt om iets dat je maakt: Hoe voorkomen we dat condenswater op de planten drupt? Hoe houden we de kas 's nachts boven 10 °C zonder stopcontact? Het antwoord is een oplossing: een toestel, een constructie, een programma. Je vindt ze met de ontwerpcyclus: probleem verkennen, eisen opstellen, ideeën bedenken, een prototype maken, testen en verbeteren (hoofdstuk 30).
| wetenschappelijke vraag | technisch probleem | |
|---|---|---|
| begint met | Waarom ...? Hoe hangt ... af van ...? | Hoe maken we ...? Hoe zorgen we dat ...? |
| resultaat | kennis, een verklaring | een werkend product of systeem |
| werkwijze | onderzoekscyclus | ontwerpcyclus |
| goed als ... | de proef eerlijk is en het besluit uit de metingen volgt | de oplossing aan de eisen voldoet |
| er zijn ... | meestal één juist antwoord (dat je nog moet vinden) | vaak meerdere goede oplossingen |
Wie een goede verwarming voor de kas wil ontwerpen, moet eerst weten hoe een kas warmte verliest: een wetenschappelijke vraag binnen een technisch probleem. En wie wil weten hoe snel de grond uitdroogt, moet eerst een meetopstelling bouwen: een technisch probleem binnen een wetenschappelijke vraag. In beide cycli is testen en meten de stap die alles eerlijk houdt.
Van waarneming naar vraag en probleem
Leerlingen zien dat de planten aan de raamkant van de kas scheef groeien, naar het glas toe. Formuleer een wetenschappelijke vraag en een technisch probleem die bij deze waarneming passen, en zeg welke cyclus je telkens volgt.
- waarneming: planten aan de raamkant groeien scheef naar het licht
- een wetenschappelijke vraag
- een technisch probleem
- de bijhorende cyclus
- 1Wat valt op? De planten buigen naar de kant waar het meeste licht vandaan komt. Dat roept een 'waarom' op en ook een 'wat doen we eraan'.
- 2Wetenschappelijke vraag. Een vraag die je met metingen kan beantwoorden, bijvoorbeeld: Hoe hangt de hoek waaronder een kiemplantje buigt af van de richting van het licht? Je zet kiemplantjes in dozen met een opening links, rechts of bovenaan en meet na enkele dagen de hoek. Dat is de onderzoekscyclus.
- 3Technisch probleem. Iets wat je wil oplossen door iets te maken, bijvoorbeeld: Hoe zorgen we ervoor dat alle planten in de kas evenveel licht krijgen? Mogelijke oplossingen: een draaiende plantenbak, een reflecterende wand aan de donkere kant, of een ledstrip bovenaan. Dat is de ontwerpcyclus.
- 4Verband. Het antwoord op de wetenschappelijke vraag helpt het technische probleem: weet je hoe sterk planten op lichtrichting reageren, dan weet je hoe gelijkmatig het licht moet zijn.
STEM-beroepen: wie doet wat?
STEM is geen schoolvak maar een manier van werken, en je vindt ze in honderden beroepen, van technicus tot professor. Enkele voorbeelden, met wat die mensen op een gewone dag doen:
| beroep | op een gewone dag | letters |
|---|---|---|
| klimaatwetenschapper | analyseert metingen van ijs, oceaan en lucht, schrijft computermodellen, gaat soms op expeditie | S, M, T |
| technicus windturbines | klimt tientallen meters hoog in de mast, zoekt storingen met meettoestellen, vervangt onderdelen | T, E |
| ingenieur bouwkunde | rekent na of een brug of gebouw sterk genoeg is, overlegt met architect en aannemer | E, M |
| medisch laboratoriumtechnoloog | onderzoekt bloedstalen met automaten, controleert of de metingen betrouwbaar zijn | S, T |
| data-analist | zoekt patronen in grote hoeveelheden gegevens, maakt grafieken, programmeert | M, T |
| productontwerper | bedenkt nieuwe producten, maakt prototypes met een 3D-printer, test ze bij gebruikers | E, T |
| softwareontwikkelaar voor toestellen | schrijft de programma's in een wasmachine, een auto of een medisch toestel | T, M, E |
| teeltadviseur glastuinbouw | stuurt het klimaat in grote serres bij, meet water en voeding, vergelijkt rassen | S, T, M |
Een dag van een teeltadviseur. 's Morgens bekijkt ze op de klimaatcomputer de grafieken van de nacht: temperatuur, luchtvochtigheid, CO2-gehalte en licht in de serre. Daarna loopt ze door de rijen tomatenplanten, meet de lengte van enkele stengels en telt de trossen. Ze neemt een staal van het water dat onder de planten wegloopt en meet hoeveel voedingszouten erin zitten. Is dat te veel, dan past ze het voedingsrecept aan. 's Middags overlegt ze met de teler en vergelijkt ze de opbrengst van twee rassen in een rekenblad. Haar serre is een reusachtige versie van jouw meetkas.
STEM-jobs bestaan met een diploma secundair onderwijs (technicus, installateur, operator), een bachelor (laborant, technoloog, programmeur) of een master (ingenieur, wetenschapper). Veel bedrijven zoeken zulke profielen. Belangrijker dan welk diploma je later haalt: nieuwsgierig blijven en graag uitzoeken hoe iets werkt.
Habitat: een station dat zichzelf in leven houdt
Stel je een klein onderzoeksstation voor op een afgelegen plek: een poolgebied, een eiland, ooit misschien de maan. Er komt zelden bevoorrading. Het station moet zelf zorgen voor vijf dingen:
- energie: opwekken met zon en wind, opslaan, zuinig verdelen;
- water: opvangen, zuiveren, hergebruiken;
- voedsel: planten kweken in een gecontroleerd klimaat;
- een leefbaar klimaat: warmte, verse lucht, de juiste vochtigheid;
- informatie: meten wat er gebeurt en op tijd bijsturen.
Dat is Habitat, het project dat door heel StemExpert loopt. Je ontwerpt het niet in één keer, maar in drie lagen die op elkaar bouwen, één per niveau:
- Fundamental: de meetkas. Een kleine kas die haar eigen klimaat meet, de planten automatisch water geeft en draait op een zonnepaneel.
- Intermediate: de klimaat- en energiemodule. Eigen zonnestroom met batterij, een waterkringloop met teelt zonder aarde (hydroponie), een geregeld klimaat en een datalogger.
- Expert: het brein van het station. Een systeem dat alles samen regelt, met een sensornetwerk, energiebeheer, een digitale tweeling (een computermodel van het station) en voorspellingen met AI.
Elk hoofdstuk levert een bouwsteen. In het werkboek herken je die aan het type Habitat. Bewaar je Habitat-opdrachten in een portfolio: aan het einde van elk niveau voeg je ze samen tot een integratieproject (hoofdstuk 33 voor de meetkas).
De meetkas: de eerste module
Dit is een eerste schets van de meetkas die je in Fundamental ontwerpt en bouwt. Elk onderdeel hoort bij een of meer hoofdstukken: bij het nummer staat waar je leert wat je ervoor nodig hebt. De echte maten en keuzes bepaal je later zelf, in je programma van eisen (hoofdstuk 30).
- 1Frame en wanden
Licht, stevig en doorzichtig: welk materiaal (hoofdstuk 10) en welke vorm (hoofdstuk 13)? De afmetingen en de oppervlakte van de wanden reken je uit in hoofdstuk 3.
- 2Dakraam
De rechterhelft van het platte dak, met het scharnier achteraan: de voorrand gaat omhoog als het te warm wordt. Met de hand en een hefboom (hoofdstuk 12), later automatisch (hoofdstuk 25).
- 3Zonnepaneel
Zet licht om in elektrische energie (hoofdstuk 17). Hoeveel energie de kas per dag nodig heeft, reken je in hoofdstuk 21.
- 4Batterij
Bewaart energie voor de nacht en voor bewolkte dagen (hoofdstuk 17).
- 5Ledstrip
Extra licht in de winter. De kring, de spanning, de stroom en de zekering: hoofdstukken 18 tot 21.
- 6Microcontroller
Het brein van de meetkas: leest de sensoren en stuurt de pomp (hoofdstukken 22 tot 25).
- 7Temperatuur- en lichtsensor
Meten het klimaat in de kas (hoofdstukken 3, 16 en 25). Hun metingen zet je in een grafiek (hoofdstuk 4).
- 8Bodemvochtsensor
Meet hoe vochtig de grond is: het begin van de regelkring die water geeft (hoofdstuk 25).
- 9Reservoir en pomp
Hoeveel water past erin en hoe lang doet de kas ermee? Hoofdstuk 3 (volume) en hoofdstuk 14 (hoe snel het water stroomt).
- 10Plantenbak
Het levende hart: wat heeft een plant nodig om te groeien (hoofdstukken 2, 26 en 27)? Je voert er een eerlijke groeiproef mee uit.
Overzicht: STEM, systemen en de elf leerlijnen
Bovenaan elk hoofdstuk staan gekleurde letters: de leerlijnen. Ze lopen door alle drie de niveaus, zodat je elk onderwerp later dieper terugziet. Dit hoofdstuk hoort bij O (onderzoeken) en D (ontwerpen).
| begrip | in één zin | voorbeeld |
|---|---|---|
| systeem | onderdelen die samen iets doen | fiets, kas, smartphone |
| systeemgrens | wat je binnen het systeem rekent | rond de plant of rond de hele kas |
| input / output | materie, energie of informatie die de grens kruist | water in, zuurstof uit |
| proces | wat er binnen met de input gebeurt | fotosynthese, opwarmen, rekenen |
| deelsysteem | een systeem binnen een systeem | de remmen van de fiets |
| sturen (open lus) | uitvoeren zonder het resultaat te meten | sproeier met tijdschakelaar |
| regelen (gesloten lus) | meten, vergelijken, bijsturen | thermostaat, pomp met bodemvochtsensor |
| wetenschappelijke vraag | hoe of waarom iets gebeurt; onderzoekscyclus | Waarom beslaat de kas? |
| technisch probleem | iets maken dat werkt; ontwerpcyclus | Hoe houden we de kas warm? |
| code | leerlijn | waarover | in de meetkas |
|---|---|---|---|
| O | Onderzoeken en meten | vragen stellen, meten, betrouwbare besluiten | de groeiproef, de metingen |
| W | Wiskundig modelleren | verhoudingen, grafieken, formules | het temperatuurverloop in een grafiek |
| M | Materie en chemie | deeltjes, stoffen, mengsels, materialen | condens, voedingsoplossing, materiaal van het frame |
| K | Krachten, beweging en constructies | krachten, hefbomen, stevige constructies | het frame, het dakraam |
| E | Energie | energievormen, warmte, zon en wind | zonnepaneel, warmte vasthouden |
| L | Elektriciteit en elektronica | stroomkringen, spanning, vermogen | ledstrip, pomp, batterij |
| P | Programmeren en computationeel denken | algoritmen, blokken, later Python en C++ | het programma dat water geeft |
| R | Regelen en robotica | sensoren, regelen, actuatoren | automatisch water geven |
| D | Ontwerpen en maken | ontwerpcyclus, tekenen, CAD, prototypes | programma van eisen, werktekening, 3D-print |
| B | Leven en systemen | cellen, planten, ecosystemen, het lichaam | fotosynthese, groei van de planten |
| A | Data en AI | data visualiseren, patronen, lerende systemen | voorspellen wanneer de planten water nodig hebben |
Waar dit hoofdstuk naartoe leidt
Dit hoofdstuk is een landkaart. Bijna elk begrip komt later terug, telkens preciezer. De onderzoekscyclus werk je uit in het volgende hoofdstuk, de ontwerpcyclus in hoofdstuk 30. Het systeemdenken (input, proces, output) gebruik je bij energieketens, stroomkringen, algoritmen, het lichaam en ecosystemen. En de regelkring met terugkoppeling groeit van een eenvoudige aan/uit-schakeling in Fundamental tot een PID-regeling in Expert.
De onderzoekscyclus stap voor stap: vraag, hypothese, eerlijke proef, waarneming, besluit.
Een groot probleem opdelen in deelproblemen (decompositie) is systeemdenken voor algoritmen.
Je bouwt je eerste echte regelkring: meten, beslissen, doen, met een drempelwaarde.
Je lichaam als systeem, met lichaamstemperatuur als natuurlijke regelkring.
Het technische probleem aanpakken: eisen, ideeën, prototype, testen, verbeteren.
Het integratieproject: alle bouwstenen samen worden de meetkas.
Regelkringen met blokschema's en hysterese, voor verwarming en ventilatie.
Systeemdenken op ingenieursniveau: eisen, architectuur, interfaces en het V-model.
In het kort
- STEM staat voor wetenschap, technologie, engineering en wiskunde: vier manieren van denken die elkaar versterken.
- Wetenschap zoekt kennis, engineering ontwerpt oplossingen, technologie is wat we maken, wiskunde is de taal van alle drie.
- Een systeem beschrijf je met input, proces en output; wat in- en uitgaat, is materie, energie of informatie.
- De systeemgrens kies je zelf, en ze bepaalt wat input of output is. Grote systemen bestaan uit deelsystemen.
- Sturen voert uit zonder te meten (open lus); regelen meet het resultaat en stuurt bij (gesloten lus, terugkoppeling).
- Een wetenschappelijke vraag los je op met de onderzoekscyclus, een technisch probleem met de ontwerpcyclus.
- Habitat is een station dat zichzelf in leven houdt; in Fundamental bouw je de eerste module: de meetkas.
Wat je nu kent
- STEM
- Afkorting van science, technology, engineering en mathematics: wetenschap, technologie, engineering en wiskunde, als één samenhangend geheel.
- wetenschap
- Systematisch onderzoeken hoe de natuur werkt, met vragen, metingen en proeven; het resultaat is kennis.
- technologie
- Alles wat mensen maken om een probleem op te lossen of een behoefte te vervullen: toestellen, materialen, programma's, werkwijzen.
- engineering
- Het ontwerpen en verbeteren van oplossingen die moeten werken binnen eisen en beperkingen (geld, materiaal, veiligheid, tijd).
- systeem
- Een geheel van onderdelen die samenwerken om iets te doen; je beschrijft het met input, proces en output.
- systeemgrens
- De (denkbeeldige) lijn die bepaalt wat bij het systeem hoort; alles wat die lijn kruist, is input of output.
- input
- Wat een systeem binnenkomt: materie, energie of informatie.
- output
- Wat een systeem verlaat: materie, energie of informatie, gewenst of ongewenst.
- proces
- Wat er in het systeem met de input gebeurt: omzetten, vervoeren, opslaan, bewerken.
- deelsysteem
- Een systeem dat zelf deel is van een groter systeem, zoals de remmen van een fiets.
- terugkoppeling
- De output wordt gemeten en die meting stuurt het systeem bij; ook feedback genoemd.
- sturen (open lus)
- Een systeem doet wat ingesteld is, zonder te meten of het resultaat bereikt wordt.
- regelen (gesloten lus)
- Een systeem meet het resultaat en stuurt bij tot de gewenste waarde bereikt is.
- wetenschappelijke vraag
- Een vraag naar hoe of waarom iets in de natuur gebeurt; je beantwoordt ze met onderzoek.
- technisch probleem
- Een probleem waarvoor je iets wil ontwerpen of maken dat werkt; je lost het op met de ontwerpcyclus.
- Habitat
- Het onderzoeksstation dat je in StemExpert in drie lagen ontwerpt: meetkas, klimaat- en energiemodule, brein van het station.