FFundamental · deel F1 · Denken en werken als STEM'er

Oplossingen · hoofdstuk 1Wat is STEM?

Vier manieren van denken, één manier van kijken, en een station dat je zelf gaat bouwen

Uitgewerkte oplossingen bij de 14 opdrachten van het werkboek. Voor de leerkracht, en voor wie zichzelf wil verbeteren nadat hij het eerst zelf probeerde.

4× oefenen6× toepassen4× uitdagen± 314 min

OOnderzoeken en meten DOntwerpen en maken

Onderzoeken, rekenen, ontwerpen en bouwen aan één tafel: zo begint de meetkas.

Voor de leerkrachtDeze pagina bevat de antwoorden. Druk het werkboek af zonder deze pagina.

Oefenen

één stap, direct toepassen

1.1

S, T, E of M?

Oefenen1Begrijpen10 min

Bij elke activiteit staat één letter centraal, ook al spelen de andere meestal ook mee. Welke letter is het belangrijkst? Leg kort uit.

a
Vul de tabel in.
- (a) S: een vraag over de natuur (hoe beïnvloedt licht de groei?), beantwoord met metingen.
- (b) E: ontwerpen en testen tegen een eis (5 kg dragen).
- (c) M: rekenen (volume).
- (d) T: bestaande technologie gebruiken en installeren.
- (e) S: een waarom-vraag over de natuur.
- (f) E: een bestaand product herontwerpen binnen eisen (lichter, even sterk).
Andere letters spelen mee (bij (a) meet de bioloog met instrumenten en rekent ze gemiddelden uit), maar de kern van de activiteit bepaalt het antwoord.

1.2

Input, proces, output

Oefenen1Analyseren12 min

Beschrijf elk systeem met input, proces en output. Zet bij elke input en output of het materie, energie of informatie is (afgekort: mat, en, inf).

a
Vul de tabel in.
- Waterkoker. Input: koud water (mat), elektrische energie (en), de aan-knop (inf). Proces: het verwarmingselement warmt het water op. Output: heet water (mat), warmte naar de keuken (en), de klik of het lampje dat uitgaat als het water kookt (inf).
- Zonnepaneel. Input: licht (en). Proces: licht omzetten in elektrische energie. Output: elektrische energie (en), warmte (en).
- Printer. Input: papier en inkt (mat), elektrische energie (en), het document (inf). Proces: inkt op het papier aanbrengen. Output: bedrukt papier (mat), warmte en geluid (en).
- Mens die fietst. Input: voedsel en zuurstof (mat). Proces: spieren zetten chemische energie om in beweging. Output: beweging (en), warmte (en), koolstofdioxide en waterdamp in de uitgeademde lucht (mat), zweet (mat).
b
Welke output is bij de waterkoker gewenst en welke niet?
Gewenst: heet water en het signaal dat het klaar is. Niet gewenst: de warmte die naar de keuken weglekt. Die is verloren energie.

1.3

Vraag of probleem?

Oefenen2Begrijpen10 min

Is dit een wetenschappelijke vraag of een technisch probleem?

a
Waarom beslaat de binnenkant van de kas 's ochtends?
- Awetenschappelijke vraag
- Btechnisch probleem
Wetenschappelijke vraag: het antwoord is een verklaring.
b
Hoe zorgen we ervoor dat condenswater niet op de planten drupt?
- Awetenschappelijke vraag
- Btechnisch probleem
Technisch probleem: je moet iets ontwerpen (een goot, een schuin dak, ventilatie).
c
Groeit basilicum sneller onder blauw of onder rood licht?
- Awetenschappelijke vraag
- Btechnisch probleem
Wetenschappelijke vraag: je zoekt het antwoord met een eerlijke proef.
d
Hoe houden we de kas 's nachts boven 10 °C zonder stopcontact?
- Awetenschappelijke vraag
- Btechnisch probleem
Technisch probleem: gevraagd is een oplossing die werkt (isolatie, een warmtebuffer ...).
e
Hoeveel water verdampt een tomatenplant op een zonnige dag?
- Awetenschappelijke vraag
- Btechnisch probleem
Wetenschappelijke vraag: je meet het.
f
Hoe maken we de ingang van de school toegankelijk voor rolstoelen?
- Awetenschappelijke vraag
- Btechnisch probleem
Technisch probleem: gevraagd is een ontwerp (een helling, een lift ...).
g
Kies (c) of (d) en leg uit waaraan je herkende welke soort het is.
(c) vraagt hoe iets in de natuur werkt; het antwoord is kennis die je met metingen vindt. (d) vraagt 'hoe houden we ...': het antwoord is iets wat je maakt, en er zijn meerdere goede oplossingen.

1.4

Sturen of regelen?

Oefenen2Begrijpen12 min

Stuurt het systeem (zonder terugkoppeling) of regelt het (met terugkoppeling)? Bij regelen: wat wordt er gemeten?

a
Vul de tabel in.
- (a) sturen: de tijd ligt vast, er wordt niets gemeten (ook als het regent, gaat hij aan).
- (b) regelen: de temperatuur in de kamer.
- (c) sturen: de tijd ligt vast; hoe bruin het brood is, wordt niet gemeten.
- (d) regelen: de temperatuur in de koelkast.
- (e) sturen: alleen de tijd, niet of het eten gaar is.
- (f) regelen: de snelheid van de auto; bergop meet het systeem dat de auto vertraagt en geeft het meer gas.

Toepassen

meerdere stappen, in een context

1.5

Een fietslicht als systeem

Toepassen2Tekenen15 min

Een fietslicht krijgt zijn energie van een naafdynamo in het voorwiel. Sommige fietslichten hebben ook een lichtsensor: ze gaan vanzelf aan als het donker wordt.

a
Teken het blokschema van het fietslicht zonder sensor: input, proces (met deelsystemen), output. Noteer bij elke pijl of het materie, energie of informatie is.
Input: beweging van het wiel (energie). Deelsystemen: dynamo (beweging wordt elektrische energie), draden (vervoer), lampjes (elektrische energie wordt licht). Output: licht (energie) en warmte (energie).
b
Welke energie gaat in dit systeem 'verloren'? Waar?
Warmte: in de dynamo (wrijving, opwarming van de spoelen), in de draden en vooral in de lampjes. Een led zet wel een groter deel om in licht dan een gloeilampje (hoofdstuk 21).
c
Voeg de lichtsensor toe aan je schema. Is het fietslicht met sensor een systeem dat stuurt of een systeem dat regelt? Leg uit.
De sensor is een extra input (informatie: 'het is donker'). Het fietslicht stuurt: de sensor meet het daglicht, niet het licht van de lamp zelf. Of de lamp brandt of niet, verandert niets aan wat de sensor meet; er is dus geen gesloten lus. Het is automatisch, maar zonder terugkoppeling.

1.6

Drie slimme functies van een smartphone

Toepassen3Analyseren15 min

Een smartphone past zich voortdurend aan. Bekijk drie functies. Gebruik het ontleedblad van de smartphone in het handboek.

a
Vul de tabel in.
- (a) De lichtsensor meet het omgevingslicht; de helderheid van het scherm wordt aangepast. Sturen: het licht van het scherm verandert het omgevingslicht niet merkbaar.
- (b) De camera zelf is de sensor: de chip meet hoe scherp het beeld is en verschuift de lens tot het beeld het scherpst is. Regelen: elke verschuiving verandert de scherpte, die opnieuw gemeten wordt.
- (c) Een temperatuursensor in de chip; de rekensnelheid wordt aangepast. Regelen: trager rekenen geeft minder warmte, en dat meet de sensor.
b
Bij (c): beschrijf de lus in vier stappen: meten, vergelijken, beslissen, doen.
Meten: de sensor meet de temperatuur van de chip. Vergelijken: is die hoger dan de toegelaten grens? Beslissen: ja, dus rekensnelheid verlagen. Doen: de chip werkt trager, wordt minder warm, en de volgende meting toont een lagere temperatuur.
c
Je legt je duim op de lichtsensor bij (a). Wat gebeurt er, en waarom?
Het scherm wordt donkerder: de sensor 'denkt' dat het donker is. De sensor meet het licht dat hij ontvangt, niet of jij het scherm goed kan lezen.

1.7

Een STEM-beroep van dichtbij

Toepassen2Onderzoeken40 min

Kies een STEM-beroep dat je nog niet goed kent. Interview iemand die het uitoefent (een familielid, een buur, een ouder van een klasgenoot) of zoek betrouwbare informatie, bijvoorbeeld op de website van een opleiding of een beroepenfiche van de VDAB.

a
Maak een beroepsfiche.
Antwoorden verschillen. Voorbeeld van een goed ingevulde fiche: teeltadviseur glastuinbouw. Dagtaken: klimaatgrafieken van de nacht nakijken, stengels meten en trossen tellen, voedingszouten in het drainwater meten, het voedingsrecept aanpassen. Letters: S (plantengroei begrijpen), T (klimaatcomputer, meettoestel), M (opbrengsten vergelijken in een rekenblad). Instrument: meter voor voedingszouten, klimaatcomputer. Opleiding: bijvoorbeeld een bachelor in de agro- en biotechnologie of een master bio-ingenieur. Bron: interview met ...

Zo wordt dit beoordeeld

Inhoud	Minstens drie concrete dagtaken, geen algemeenheden als 'hij werkt met computers'.
STEM-letters	Elke letter gekoppeld aan een concrete taak.
Bronnen	Naam van de geïnterviewde (met toestemming) of een betrouwbare website.

1.8

Labo: balanceren met en zonder terugkoppeling

Toepassen3Labo30 min

Voer de proef uit het handboek zelf uit, in duo. Werk veilig: twee meter vrije ruimte rond de persoon die balanceert.

a
Voorspel: hoe lang houd je de bezemsteel rechtop met je ogen open, en met je ogen weg? En de korte lat?
Eigen voorspelling; het gaat erom dat je ze vooraf opschrijft.
b
Meet telkens drie keer (stop bij 30 s).
Typisch: met ogen open vaak 20 s of meer, met ogen weg enkele seconden, met de korte lat hooguit een paar seconden. Voorbeeld: ogen weg 2,1 s, 1,6 s en 2,8 s geeft gemiddeld (2,1 + 1,6 + 2,8) / 3 = 6,5 / 3 ≈ 2,2 s.
c
Benoem de sensor, de 'regelaar' en de 'actuator' (wat de beweging uitvoert) in deze regelkring.
Sensor: je ogen. Regelaar: je hersenen. Actuator: je arm en hand.
d
Verklaar waarom de steel valt als je wegkijkt, en waarom de korte lat moeilijker is.
Zonder zicht meet je niet meer hoe de steel kantelt: de lus is open, je stuurt blind en elke kleine afwijking groeit tot de steel valt. De korte lat kantelt veel sneller om; je reactietijd (ongeveer 0,2 s) is te lang om op tijd bij te sturen.

Zo wordt dit beoordeeld

Veiligheid	Vrije ruimte, partner vangt de steel op.
Metingen	Drie pogingen per situatie, tijden met eenheid, gemiddelde correct berekend.
Verklaring	Ogen als sensor, hersenen als regelaar, hand als actuator; reactietijd verklaart de korte lat.

1.9

Kies je systeemgrens

Toepassen3Analyseren15 min

In de meetkas staan planten in een bak. Een pomp haalt water uit een reservoir en geeft het via een druppelslang aan de planten. Een zonnepaneel op het dak en een batterij leveren elektrische energie voor de pomp, de sensoren en de microcontroller.

a
Systeemgrens rond één plant: noem drie inputs en twee outputs.
Inputs: water (uit de druppelslang), koolstofdioxide uit de lucht, voedingsstoffen uit de grond, licht. Outputs: zuurstof, waterdamp, en groei (bladeren, vruchten).
b
Systeemgrens rond de hele kas (zonder zonnepaneel en batterij): is het water uit de druppelslang nog een input? Wat wordt nu de input voor water?
Nee: pomp, reservoir en druppelslang zitten nu binnen het systeem. De input voor water wordt het water dat je in het reservoir giet (of regenwater dat erin loopt).
c
Systeemgrens rond kas, zonnepaneel en batterij samen: is elektrische energie nog een input? Wat is nu de energie-input?
Nee: zonnepaneel en batterij zitten binnen de grens, de elektrische energie stroomt binnenin. De energie-input is nu het zonlicht (op het paneel én op de planten).

1.10

Van vraag naar probleem, en terug

Toepassen3Begrijpen15 min

Wetenschappelijke vragen en technische problemen lokken elkaar uit.

a
Wetenschappelijke vraag: 'Hoe snel droogt potgrond uit bij 25 °C?' Bedenk een technisch probleem voor de meetkas waarbij het antwoord helpt.
Bijvoorbeeld: 'Hoe groot moet het waterreservoir zijn zodat de kas een week zonder ons kan?' of 'Hoe vaak moet de pomp aanslaan bij warm weer?' Weet je hoe snel de grond uitdroogt, dan kan je dat berekenen.
b
Technisch probleem: 'Het zonnepaneel levert in de winter te weinig energie voor de pomp.' Bedenk een wetenschappelijke vraag die je eerst zou willen beantwoorden.
Bijvoorbeeld: 'Hoeveel elektrische energie levert het paneel per dag in december, vergeleken met juni?' of 'Hoe hangt de opbrengst van het paneel af van de hellingshoek?'
c
Welke stap zit in beide cycli en waarom is die zo belangrijk?
Testen en meten. Alleen een meting toont of een hypothese klopt of een oplossing werkt; zonder test blijft het een mening.

Uitdagen

transfer, open problemen, leerlijnen combineren

1.11

Habitat: de missie van jouw meetkas

Uitdagen3Habitat45 min

Je start je Habitat-portfolio. Deze opdracht is het eerste blad. Je past het later aan, als je meer weet: het is een schets, geen eindontwerp.

a
Schrijf de missie van je meetkas in twee of drie zinnen: wat moet ze kunnen, voor wie, en waarom?
Voorbeeld: 'Onze meetkas houdt zes kruidenplanten twee weken in leven zonder dat iemand water geeft. Ze meet temperatuur, licht en bodemvocht en draait op een zonnepaneel. Zo onderzoeken we wat planten nodig hebben om snel te groeien.'
b
Teken de meetkas als systeem: inputs, deelsystemen, outputs, en minstens één terugkoppeling. Duid materie, energie en informatie aan met drie kleuren.
Inputs: zonlicht (energie), water in het reservoir (materie), lucht met koolstofdioxide (materie), instellingen zoals de gewenste vochtigheid (informatie). Deelsystemen: energie (paneel, batterij), water (reservoir, pomp, druppelslang), meten en beslissen (sensoren, microcontroller), planten. Outputs: gegroeide planten (materie), zuurstof en waterdamp (materie), warmte (energie), meetgegevens (informatie). Lus: bodemvochtsensor, microcontroller, pomp, grond.
c
Welke grootheden wil je in de kas meten? Noem er minstens vier.
Bijvoorbeeld: temperatuur, luchtvochtigheid, lichtsterkte, bodemvocht, waterpeil in het reservoir, lengte van de planten.
d
Kies vijf onderdelen van je meetkas en koppel elk aan een leerlijn (gebruik het naslagblad).
Bijvoorbeeld: frame (K of D), zonnepaneel (E), pomp en ledstrip (L), programma (P), sensor en pomp samen (R), planten (B), groeiproef (O), temperatuurgrafiek (W).

Zo wordt dit beoordeeld

Missie	Concreet en haalbaar: wat de kas doet (meten, water geven, energie) en voor wie.
Blokschema	Systeemgrens getekend; inputs en outputs benoemd en ingekleurd; minstens één gesloten lus met sensor, beslissing en actuator.
Metingen	Minstens vier grootheden die echt iets zeggen over de planten of het klimaat.
Leerlijnen	Vijf zinvolle koppelingen.

1.12

Het poolstation als systeem

Uitdagen4Analyseren25 min

Lees opnieuw het verhaal over het station Prinses Elisabeth. Hier is een vereenvoudigde beschrijving van zijn energie- en watersysteem: negen windturbines en zonnepanelen wekken elektrische energie op. Batterijen slaan het overschot op. Een slim net meet voortdurend hoeveel energie er binnenkomt, hoeveel er in de batterijen zit en hoeveel de toestellen vragen. Is er te weinig, dan krijgen de belangrijkste toestellen voorrang en worden minder dringende tijdelijk uitgezet. Voor noodgevallen zijn er reservegeneratoren. Afvalwater wordt gezuiverd en deels opnieuw gebruikt.

a
Teken het blokschema van het energiesysteem, met de systeemgrens rond het hele station.
Input: wind (energie) en zonlicht (energie), brandstof voor de reservegeneratoren (materie, alleen in noodgevallen). Deelsystemen: opwekken (turbines, panelen), opslaan (batterijen), verdelen (slim net), verbruikers. Output: licht, warmte, werkende toestellen en meetapparatuur, verliezen als warmte.
b
Waar zit een terugkoppeling? Beschrijf ze met meten, vergelijken, beslissen, doen.
Het slim net meet de binnenkomende energie, de lading van de batterijen en de vraag; het vergelijkt aanbod en vraag; het beslist welke toestellen voorrang krijgen; het schakelt minder dringende verbruikers uit of weer in. Het resultaat (de lading van de batterij) wordt opnieuw gemeten.
c
Stel: drie dagen windstil en bewolkt. Beschrijf wat er achtereenvolgens gebeurt, en welke ontwerpkeuzes ervoor zorgen dat de bewoners veilig blijven.
Eerst leveren de batterijen de energie. Het slim net zet minder dringende verbruikers uit (bijvoorbeeld een wasmachine) zodat de belangrijke (verwarming, verlichting, communicatie, veiligheid) langer kunnen blijven werken. Zijn de batterijen bijna leeg, dan springen de reservegeneratoren bij. Ontwerpkeuzes: opslag, voorrangsregels, een reservebron, en een gebouw dat weinig warmte verliest.
d
Waarom is het hergebruiken van water op zo'n plek extra belangrijk? Denk aan energie.
Drinkwater maken uit sneeuw kost veel energie: de sneeuw moet eerst smelten. Elke liter die je hergebruikt, spaart dus energie.

1.13

Debat: welke letter kan het station missen?

Uitdagen3Argumenteren30 min

De klas wordt verdeeld in vier groepen: S, T, E en M. Elke groep krijgt de stelling: 'Het poolstation had zonder onze letter kunnen bestaan.' Je moet die stelling eerst verdedigen, en daarna de andere groepen weerleggen.

a
Bereid twee argumenten voor waarom het station jouw letter zou kunnen missen (ook al geloof je het niet).
Voorbeelden van (zwakke) verdedigingen: zonder S: 'de techniek bestaat al, we kopen ze gewoon'; zonder M: 'ervaren technici schatten het op het gevoel'.
b
Bereid voor elke andere letter één concreet tegenargument voor: wat zou er misgaan zonder die letter?
Zonder S: geen reden om er te zijn (het station bestaat voor het onderzoek) en geen kennis over de wind en het klimaat ter plaatse. Zonder T: geen turbines, batterijen of zuivering. Zonder E: onderdelen die niet samenwerken, een gebouw dat de storm niet doorstaat. Zonder M: geen idee of de energie volstaat, batterijen te klein, bewoners in gevaar.
c
Wat is jouw besluit na het debat? Gebruik een voorbeeld uit het station.
Een goed besluit: elke letter is nodig, maar ze zijn pas sterk samen; bijvoorbeeld: om te weten hoeveel batterijen nodig zijn, heb je windmetingen (S), een berekening (M), een ontwerp (E) en de batterijen zelf (T) nodig.

Zo wordt dit beoordeeld

Argumenten	Concreet, met voorbeelden uit het station of de meetkas.
Weerleggen	Luistert naar het argument van de andere groep en reageert erop.
Besluit	Onderbouwd met een voorbeeld, niet enkel 'alles is belangrijk'.

1.14

Ontwerp: water geven tijdens de vakantie

Uitdagen4Ontwerpen40 min

Tijdens een vakantie van twee weken moeten de planten in de meetkas water krijgen zonder dat er iemand langskomt. Je ontwerpt twee oplossingen en vergelijkt ze.

a
Schets oplossing A: een systeem dat stuurt (zonder terugkoppeling). Benoem input, proces en output.
Bijvoorbeeld: een pomp met tijdschakelaar die elke ochtend 2 minuten pompt. Input: elektrische energie, water, de ingestelde tijd. Output: water in de grond.
b
Schets oplossing B: een systeem dat regelt (met terugkoppeling). Duid de lus aan.
Bijvoorbeeld: een bodemvochtsensor, een microcontroller en een pomp: te droog, dan pomp aan tot de grond vochtig genoeg is. Lus: sensor, microcontroller, pomp, grond, sensor.
c
Vergelijk A en B op vier criteria.
A: bij hitte te weinig water, bij koud weer te veel (natte wortels kunnen gaan rotten); energie ja; risico: vaste hoeveelheid past niet bij het weer. B: past zich aan beide aan; energie ja (sensor en microcontroller altijd aan); risico: een defecte of verschoven sensor kan de pomp laten blijven pompen tot het reservoir leeg is.
d
Welke oplossing kies je voor de meetkas? Motiveer.
Voor de meetkas past B het best, omdat het weer in twee weken sterk kan wisselen. Een goed ontwerp beperkt het risico, bijvoorbeeld met een maximale pomptijd per dag. Bonus: een wiek (katoenen koord) van een waterbak naar de pot werkt zonder elektriciteit en 'regelt' zichzelf een beetje: droge grond zuigt meer water op dan natte.

Zo wordt dit beoordeeld

Oplossing A	Werkt zonder meting van het resultaat (bv. timer met pomp), duidelijk geschetst.
Oplossing B	Bevat een sensor die het resultaat meet, een beslissing en een actuator; de lus is getekend.
Vergelijking	Eerlijk: ook de nadelen van B (energie, een defecte sensor).
Keuze	Gemotiveerd met de criteria.