XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Демонстрационное пособие «Альтернативные источники энергии» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Ежедневно создаются новые приборы и гаджеты позволяющие детям учиться. Планшеты, телефоны, новые приложения и видео ролики привлекают детей гораздо больше учебников и скучных таблиц. Особенно трудно заинтересовать и интересно объяснить новую информацию детям из начальной школы, так как многие уже к первому классу знакомы и с телефонами и с компьютером, и на учебно-методические пособия, размещенные на плакатах или магнитных досках, почти не обращают внимания.
Мы увидели проблему в том, что, не смотря на необходимость заинтересовать детей учебой, сделать это при помощи существующих учебно-методических пособий очень сложно.
Особенно тяжело привлечь внимание детей к перспективам развития общества и инфраструктуры при помощи простых картинок. Последнее время актуальны темы создания альтернативных источников энергии, и нам эта тема показалось очень интересной и важной. Мы решили поделиться знаниями в этой области со своими одноклассниками, так как считаем, что за альтернативными источниками энергии-будущее.
Наша команда поставила перед собой цель-создание демонстрационного пособия, которое доступно и интересно продемонстрирует принцип работы альтернативных источников энергии.
В связи с этим мы поставили перед собой следующие задачи:
-рассмотреть виды демонстрационных пособий для школьников начальных классов;
-изучить виды альтернативных источников электроэнергии;
-изучить опыт использования альтернативных источников энергии в России;
-создать модель демонстрационного пособия «Альтернативные источники энергии» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0;
-продемонстрировать возможности демонстрационного пособия «Альтернативные источники энергии» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 на примере одного выступления;
-проанализировать эффективность использования демонстрационного пособия «Альтернативные источники энергии» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.
В работе мы пользовались следующими источниками:
-LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов;
-Курс «Машины и механизмы», ШИР«Мистер Брейни»;
- Lego удивительные творения;
- invlab.ru;
-dzen.ru;
-rektor.ru.
Глава 1.Теоретическое обоснование создания демонстрационного пособия «Альтернативные источники энергии» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0
-
-
Виды демонстрационных пособий для школьников начальных классов
-
В начальных классах наиболее широко применяются печатные демонстрационные материалы. Информация на них представлена в виде ярких схем и таблиц, что дополняет слова учителя и помогает лучше запомнить изучаемый материал.
Демонстрационные материалы являются важной частью образовательного процесса, так как у разных людей разные механизмы запоминания, кто-то воспринимает информацию в устной форме, кому-то нужно закрепить информацию зрительно при помощи картинок и схем. [6]
Благодаря демонстрационным материалам дети учатся работать с разными источниками информации, а так же использование печатных материалов на уроке позволяет экономить время, ведь учителю не приходится самостоятельно рисовать схемы на доске.
Существует несколько видов демонстрационных пособий, используемых на уроках, например, текстовые и иллюстративные материалы, к которым можно отнести схемы, портреты ученых или деятлей искусства или культуры, правила техники безопасности. (Приложение, Рисунок 1.1.1) [6]
Так же для упрощения учебного процесса используют различные таблицы и списки, для систематизации полученных знаний. (Приложение, Рисунок 1.1.2)
Популярным видом печатных демонстрационных материалов так же являются формулы, схемы и графики, позволяющие быстрее запоминать необходимый материал и обращаться к нему в процессе выполнения классных заданий. (Приложение, Рисунок 1.1.3) [6]
На уроках русского и иностранного языков используются ленты с алфавитом. (Приложение, Рисунок 1.1.4)
Для знакомства детей с окружающим миром используют различные карты и атласы. (Приложение, Рисунок 1.1.5)
И для организации работы в классе, организации мероприятий и для запоминания расписания уроков используются информационные доски. (Приложение, Рисунок 1.1.6)
Не смотря на разнообразие печатных материалов, они не привлекут внимание незаинтересованного ребенка, хоть и способны помочь при обучении. Поэтому необходимо разнообразить демонстрационные материалы, показав не только картинками всю необходимую информацию, но и добавить объема и движения для большей наглядности.
-
-
Виды альтернативных источников электроэнергии
-
Одним из самых популярных, и самых мощных видов альтернативных источников энергии, являются солнечные батареи. Небольшие солнечные батареи мы можем увидеть в калькуляторах и некоторых игрушках ежедневно, однако, энергии, которую солнце посылает ежедневно, может хватить всей планете на целый год. (Приложение, Рисунок 1.2.1) [5]
Препятствием к активному использованию солнечной энергии является то, что для солнечных батарей необходимо очень много большого открытого пространства, а так же получение энергии напрямую зависит от погоды и времени суток. Северным странам использовать солнечные батареи не выгодно.
Минус солнечной энергии состоит еще и в том, что фотоэлементы, из которых состоят солнечные батареи содержат в себе ядовитые вещества, которые требуют грамотной утилизации.
Вторым по популярности является получение электричества благодаря энергии ветра. Ветровые станции благодаря ветрогенераторам преобразуют энергию ветра в электрическую. (Приложение, Рисунок 1.2.2) [5]
Однако энергию ветра не возможно контролировать, и ветряные мельницы способны вызывать радиопомехи. Так же ветряные мельницы требуют постоянного обслуживания и безопасной утилизации.
Следующий вид альтернативного источника энергии это гидроэлектростанции. Электричество добывают за счет сильного потока воды, который заставляет двигаться полости турбины, а она в свою очередь приводит в движение электрогенераторы. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества. (Приложение, Рисунок 1.2.3) [4]
Кроме гидроэлектростанций добывают электричество при помощи воды за счет волновых электростанций.
Волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.(Приложение, Рисунок 1.2.4) [5]
Так же электричество при помощи воды можно получать благодаря энергии приливов и отливов. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.(Приложение, Рисунок 1.2.5)
Еще один способ получения электричества благодаря воде это гидротермальная станция.(Приложение, Рисунок 1.2.6)
Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана и используя эту разницу, получают электроэнергию. [4]
Один из самых новых способов получения электроэнергии это осмотическая электростанция. Их устанавливают в устье реки, контролируют смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.[4]
Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. (Приложение, Рисунок 1.2.7)
Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. (Приложение, Рисунок 1.2.8)
Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину глубиной от 3 километров.
Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором. [5]
1.3 Опыт использования альтернативных источников энергии в России
Несмотря на то, что Россия не входит в число стран — лидеров по развитию альтернативной энергетики определенный опыт использования возобновляемых источников энергии в нашей стране есть.
Например, Сулинская ветроэлектростанция, расположенная в Ростовский области.(Приложение, Рисунок 1.3.1) [5]
Станция включает в себя 26 ветроэнергетических установок мощностью 3,8 МВт каждая. 65% необходимых для ветряных мельниц элементов были произведены в России. Работает данная электростанция с 1 марта 2020 года. На основе ее успешного опыта эксплуатации создается аналогичная станция в Республике Калмыкия, ожидание запуска которой ожидается зимой 2023 года.
Юг России считается наиболее благоприятным регионом для развития ветроэнергетики в нашей стране, так как обладает подходящим климатом и располагает необходимыми свободными территориями для установки ветряных мельниц и по территориальному расположению необходимых производств. [5]
В России одним из самых распространенных видов альтернативной энергетики являются гидроэлектростанции.
Новейшая Нижне-Бурейская ГЭС имеет мощность 320 МВт, и за один год вырабатывает до 1,67 миллиарда кВт/ч, что эквивалентно энергии получаемой при сжигании 700 000 тонн условного топлива. На сегодняшний день эта гидроэлектростанция является крупнейшей в России. [4]
На побережье Баренцева моря находится одна из немногих в мире приливная электростанция. Кислогубская ПЭС в губе Кислая имеет статус экспериментальной, однако вполне способна вырабатывать столько электроэнергии, чтобы обеспечивать жизнь поселка с населением в полтысячи человек. Мощность станции — 1,7 МВт. (Приложение, Рисунок 1.3.3) [5]
В Хасанском районе Приморского края, в бухте Витязь располагается Морская экспериментальная станция Мыс Шульца Тихоокеанского океанологического института имени В.И. Ильичева ДВО РАН, которая с 2014 года проводит испытания волновых генераторов. (Приложение, Рисунок 1.3.4)
Тестовая работа волновой электростанции позволила ученым сделать вывод о ее большой перспективности. Одним из достоинств волновых электростанций является их способность служить своего рода волнорезами, а также они могут быть востребованы на прилегающих к морскому побережью малозаселенных территориях, однако получить стабильное количество электроэнергии пока не получилось. [5]
В нескольких километрах к западу от Симферополя, располагается крупнейшая в России солнечная электростанция «Перово». Она представляет собой более 440 тысяч солнечных фотоэлектрических модулей, соединенных 1500 километрами кабеля на площади более 200 гектаров. (Приложение, Рисунок 1.3.5)
Общая мощность электричества, которую генерирует Крымская солнечная электростанция, составляет 105 мегаватт, а ее использование позволяет сократить выбросы углекислого газа в атмосферу на 107 тысяч тонн ежегодно.[5]
На Камчатке и Курильских островах перспективным направлением в альтернативной энергетике являются геотермальные электростанции. В их работе используется пар из земных недр, поступающий в турбину генератора.
В 2003 году у подножия вулкана Мутновского была введена в эксплуатацию Мутновская ГеоЭс. (Приложение, Рисунок 1.3.6) Выработка Мутновской ГеоЭС составляет около 350 миллионов кВт/ч в год и покрывает 20% потребления электроэнергии в Центральном энергоузле Камчатского края, на территории которого сосредоточена большая часть населения региона. [5]
Глава 2. Модель демонстрационного пособия «Альтернативные источники энергии» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0
2.1 Конструкция модели демонстрационного пособия «Альтернативные источники энергии» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0
Для создания демонстрационного пособия «Альтернативные источники энергии» мы использовали конструктор LEGO WeDo 2.0 и программное обеспечение WeDo 2.0.
За основу модели мы взяли введённые в эксплуатацию на территории России три вида альтернативных источников энергии, это геотермальная электростанция, волновая и ветровая.
Для демонстрации работы нам потребовалось два хаба, два мотора и датчик расстояния. (Приложение, Рисунок 2.1.1) [1]
Конструкция разделена на три этажа. На нижнем этаже модели мы изобразили работу ГеоЭС. (Приложение, Рисунок 2.1.2)
К хабу подключен мотор, от мотора идет ось на которой расположен кулачковый механизм, демонстрирующий движение пара. (Приложение, Рисунок 2.1.3)
А так же от шкива, расположенного на этой оси идет ременная передача, демонстрирующая движение турбины. (Приложение, Рисунок 2.1.4) [2]
На втором этаже мы изобразили волновую электростанцию. (Приложение, Рисунок 2.1.5)
Движение волны происходит благодаря угловой зубчатой передаче и системе рычагов. (Приложение, Рисунок 2.1.6) [1]
Система рычагов волне нужна для демонстрации движения воды, которое раскручивает лопасти турбин. (Приложение, Рисунок 2.1.7)
Турбины работают благодаря червячной, осевой и угловым зубчатым передачам. (Приложение, Рисунок 2.1.8) [3]
На третьем этаже расположен ветрогенератор, работающий от ручного привода. В движение он приходит благодаря двум зубчатым передачам и осевой передаче. (Приложение, Рисунок 2.1.9)
2.2 Управление моделью демонстрационного пособия «Альтернативные источники энергии» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0
Для управления моделью мы использовали программное обеспечение WeDo 2.0.
Программа для каждого хаба работает автономно, блоки связаны между собой циклом. (Приложение, Рисунок 2.2.1) [1]
Один из хабов и мотор отвечают за непрерывное движение кулачкового механизма и ременной передачи, отвечающей за работу ГеоЭС, второй хаб и мотор отвечают за работу лопастей и волны, а так же за работу датчика расстояния, который реагирует на движение волны, по сигналу которого играет мелодия «шум моря».
2.3 Демонстрация возможностей демонстрационного пособия «Альтернативные источники энергии» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 на примере одного выступления
Для более красочного выступления мы подготовили к своей демонстрационной модели «Альтернативные источники энергии» плакат, демонстрирующий работу электростанций в инфраструктуре. (Приложение, Рисунок 2.3.1)
Когда мы пригласили ребят, то мы спросили, знают ли они что-то об альтернативных источниках энергии, многие рассказали нам о том, что слышали про солнечные батареи. Тогда мы предложили ознакомиться им с нашей моделью и рассказали о трех видах альтернативных источников энергии, и принципах их работы. (Приложение, Рисунок 2.3.2)
После запуска моторов нижний и средний этажи начали движение.
Кулачковый механизм в нижнем этаже демонстрировал работу пара, поднимающегося из земных недр и раскручивающего турбину, для получения электроэнергии.
На втором этаже при запуске мотора начали движение волны и лопасти, этот этаж показывал как прилив способен запускать движение лопастей турбин, для получения электроэнергии.
Так же мы предложили ребятам самостоятельно при помощи ручного привода запустить ветрогенератор и объяснили и его принцип работы.
Всем слушателям было интересно наблюдать за работой модели, и особенно интересно поучаствовать в ее запуске. Благодаря нам они узнали о редких видах источников энергии и поняли принцип их работы.
Так же данную модель мы предоставили на региональном этапе соревнований «Лига решений», получив номинацию «Инновационная идея».
Заключение
Из-за обилия современных игрушек и гаджетов заинтересовать детей учебой стало гораздо труднее.
Не смотря на разнообразие демонстрационных материалов, они не привлекают внимание современного ребенка и не зажигают в нем любопытство и интерес к учебе.
Мы решили, что создание более ярких, объемных и наглядных демонстрационных материалов способно решить данную проблему.
Для создания первой демонстрационной модели мы выбрали тему «Альтернативные источники энергии» так как считаем ее наиболее актуальной и интересной в наши дни.
Мы изучили виды демонстрационных моделей, применяемых в начальных классах, виды альтернативных источников энергии и принципы их работы, а так же познакомились с электростанциями, которые работают от альтернативных источников энергии и которые введены в эксплуатацию в России, что бы быть наиболее осведомленными в вопросах данной темы.
На базе конструктора LEGO WeDo 2.0 мы создали свою модель, которая доступно и интересно для ребят нашего возраста показывала принцип действия альтернативных источников энергии.
Мы считаем, что наша модель эффективна, так как благодаря ей ребята в увлекательной форме узнали об актуальной теме окружающего мира и заинтересовались не только альтернативными источниками энергии, но и захотели больше узнать о робототехники.
Данная модель может быть использована на уроках природоведения, информатики и робототехники.
Список литературы
1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
2. «LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.
3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.
Интернет-источники:
4. https://invlab.ru;
5. https://dzen.ru;
6. https://rektor.ru.
Приложение
|
Рисунок 1.1.1 |
Рисунок 1.1.2 |
|
Рисунок 1.1.3 |
Рисунок 1.1.4 |
|
Рисунок 1.1.5 |
Рисунок 1.1.6 |
|
Рисунок 1.2.1 |
Рисунок 1.2.2 |
|
Рисунок 1.2.3 |
Рисунок 1.2.4 |
|
Рисунок 1.2.5 |
Рисунок 1.2.6 |
|
Рисунок 1.2.7 |
Рисунок 1.2.8 |
|
Рисунок 1.3.1 |
Рисунок 1.3.2 |
|
Рисунок 1.3.3 |
Рисунок 1.3.4 |
|
Рисунок 1.3.5 |
Рисунок 1.3.6 |
|
Рисунок 2.1.1 |
Рисунок 2.1.2 |
|
Рисунок 2.1.3 |
Рисунок 2.1.4 |
|
Рисунок 2.1.5 |
Рисунок 2.1.6 |
|
Рисунок 2.1.7 |
Рисунок 2.1.8 |
|
Рисунок 2.1.9 |
Рисунок 2.2.1 |
|
Рисунок 2.3.1 |
|
|
Рисунок 2.3.2 |
|