Fundamental · Werkboek · 1. Wat is STEM? StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me
SE
StemExpert
F1. Wat is STEM? — werkboek
FFundamental · deel F1 · Denken en werken als STEM'er
Werkboek · hoofdstuk 1Wat is STEM?
Vier manieren van denken, één manier van kijken, en een station dat je zelf gaat bouwen
Je begint met herkennen: welke letter, welke input en output, sturen of regelen? Daarna pas je het systeemdenken toe op een fietslicht, een smartphone en de kas, en doe je zelf de balanceerproef. In de uitdagingen ontwerp je, argumenteer je en start je je Habitat-portfolio met opdracht 1.11.
Onderzoeken, rekenen, ontwerpen en bouwen aan één tafel: zo begint de meetkas.
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenenToepassenUitdagen
Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).
De StemExpert-schaal5
Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.
Oefenen
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.
activiteit
letter
waarom?
(a) Een bioloog meet elke dag hoeveel een zonnebloem groeit, om te weten hoe licht de groei beïnvloedt.
(b) Een team ontwerpt en test een brug van karton die 5 kg moet dragen.
(c) Je berekent hoeveel liter water er in een regenton past.
(d) Een technicus installeert een nieuwe wifi-router en zorgt dat alle computers verbinding hebben.
(e) Een onderzoeker zoekt uit waarom bijen bij hitte minder bloemen bezoeken.
(f) Een ingenieur verbetert een fietsslot zodat het lichter wordt maar even sterk blijft.
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.
systeem
input
proces
output
waterkoker
zonnepaneel
printer
mens die fietst
b
Welke output is bij de waterkoker gewenst en welke niet?
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
b
Hoe zorgen we ervoor dat condenswater niet op de planten drupt?
Awetenschappelijke vraag
Btechnisch probleem
c
Groeit basilicum sneller onder blauw of onder rood licht?
Awetenschappelijke vraag
Btechnisch probleem
d
Hoe houden we de kas 's nachts boven 10 °C zonder stopcontact?
Awetenschappelijke vraag
Btechnisch probleem
e
Hoeveel water verdampt een tomatenplant op een zonnige dag?
Awetenschappelijke vraag
Btechnisch probleem
f
Hoe maken we de ingang van de school toegankelijk voor rolstoelen?
Awetenschappelijke vraag
Btechnisch probleem
g
Kies (c) of (d) en leg uit waaraan je herkende welke soort het is.
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.
systeem
sturen of regelen?
wat wordt er gemeten?
(a) sproeier met tijdschakelaar: elke dag om 7 u, 15 minuten
(b) verwarming met thermostaat op 20 °C
(c) broodrooster die na 2 minuten uitspringt
(d) koelkast die de koeling aanzet boven 5 °C
(e) kookwekker die na 10 minuten belt
(f) cruisecontrol die een auto op 100 km/h houdt, ook bergop
Hint
Vraag je telkens af: meet het systeem het resultaat van zijn eigen werk?
Toepassen
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.
b
Welke energie gaat in dit systeem 'verloren'? Waar?
c
Voeg de lichtsensor toe aan je schema. Is het fietslicht met sensor een systeem dat stuurt of een systeem dat regelt? Leg uit.
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.
functie
wat wordt gemeten (sensor)?
wat wordt aangepast?
sturen of regelen?
(a) het scherm wordt helderder in de zon
(b) de camera stelt zelf scherp
(c) de telefoon wordt trager als hij te warm wordt
b
Bij (c): beschrijf de lus in vier stappen: meten, vergelijken, beslissen, doen.
c
Je legt je duim op de lichtsensor bij (a). Wat gebeurt er, en waarom?
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.
vraag
antwoord
Welk beroep?
Wat doet deze persoon op een gewone dag? (minstens drie dingen)
Welke letters van STEM zitten erin, en waar?
Welk meetinstrument, gereedschap of programma gebruikt hij of zij?
Welke opleiding heb je ervoor nodig?
Wat spreekt jou aan in dit beroep, en wat minder?
Welke bron(nen) gebruikte je?
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?
b
Meet telkens drie keer (stop bij 30 s).
situatie
poging 1 (s)
poging 2 (s)
poging 3 (s)
gemiddelde (s)
bezemsteel, ogen open
bezemsteel, ogen weg
lat van 30 cm, ogen open
c
Benoem de sensor, de 'regelaar' en de 'actuator' (wat de beweging uitvoert) in deze regelkring.
d
Verklaar waarom de steel valt als je wegkijkt, en waarom de korte lat moeilijker is.
Hint
Het gemiddelde: tel de drie tijden op en deel door 3 (meer daarover in hoofdstuk 2).
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.
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?
c
Systeemgrens rond kas, zonnepaneel en batterij samen: is elektrische energie nog een input? Wat is nu de energie-input?
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.
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.
c
Welke stap zit in beide cycli en waarom is die zo belangrijk?
Uitdagen
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?
b
Teken de meetkas als systeem: inputs, deelsystemen, outputs, en minstens één terugkoppeling. Duid materie, energie en informatie aan met drie kleuren.
c
Welke grootheden wil je in de kas meten? Noem er minstens vier.
d
Kies vijf onderdelen van je meetkas en koppel elk aan een leerlijn (gebruik het naslagblad).
onderdeel
leerlijn
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.
b
Waar zit een terugkoppeling? Beschrijf ze met meten, vergelijken, beslissen, doen.
c
Stel: drie dagen windstil en bewolkt. Beschrijf wat er achtereenvolgens gebeurt, en welke ontwerpkeuzes ervoor zorgen dat de bewoners veilig blijven.
d
Waarom is het hergebruiken van water op zo'n plek extra belangrijk? Denk aan energie.
Hint
Op Antarctica is er water genoeg, maar in de vorm van sneeuw en ijs.
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).
b
Bereid voor elke andere letter één concreet tegenargument voor: wat zou er misgaan zonder die letter?
c
Wat is jouw besluit na het debat? Gebruik een voorbeeld uit het station.
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.
b
Schets oplossing B: een systeem dat regelt (met terugkoppeling). Duid de lus aan.
c
Vergelijk A en B op vier criteria.
criterium
oplossing A
oplossing B
werkt ook bij een hittegolf
werkt ook als het koel en bewolkt is
heeft elektrische energie nodig
wat kan er misgaan?
d
Welke oplossing kies je voor de meetkas? Motiveer.
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.
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet
Ik kan in eigen woorden uitleggen wat wetenschap, technologie, engineering en wiskunde elk doen, en waarom ze samen sterker zijn.
Ik kan een toestel of situatie beschrijven als systeem met input, proces en output, en die stromen benoemen als materie, energie of informatie.
Ik kan een systeemgrens kiezen en uitleggen wat daardoor input of output wordt.
Ik kan uitleggen wat terugkoppeling is, en in voorbeelden herkennen of een systeem stuurt (zonder terugkoppeling) of regelt (met terugkoppeling).
Ik kan een wetenschappelijke vraag onderscheiden van een technisch probleem, en zeggen welke cyclus erbij hoort.
Ik kan enkele STEM-beroepen beschrijven: wat iemand er op een gewone dag doet en welke letters erin zitten.
Ik kan de missie van Habitat en de onderdelen van de meetkas beschrijven.
