Dane oryginału:

Christina Herkert Schul

Awesome Engineering Activities for Kids

50+ Exciting STEAM Projects to Design and Build

fotografie © 2019 Paige Green

projekt układu graficznego oryginału Stephanie Sumulong

Copyright © 2019 by Rockridge Press, Emeryville, California

TŁUMACZENIE

Marek Czekański

Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redakcja Paweł Wielopolski

Korekta Mieczysława Kompanowska

Koordynator produkcji Adam Krajewski

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec /Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © for a Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2022

ISBN 978-83-01-22182-9

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2022 r., (wyd. I)

Warszawa 2022

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Dla moich dzieci, Catelyn i Huntera. Swoimi konstrukcjami trafiacie wprost do mego serca. Słowa nie opiszą, jak bardzo Was kocham. Podążajcie zawsze za swymi marzeniami.

Wstęp

Zapraszam do Wspaniałych eksperymentów dla dzieci. Inżynieria. Znacie dzieci dociekliwe, uwielbiające budowanie i eksploracje? Zadaniem tej książki jest rozwijanie kreatywności i wzmacnianie naturalnych talentów inżynierskich, które wszystkie dzieci w jakimś stopniu posiadają. Znajdziecie tu opisy 52 zabawnych konstrukcji przeznaczonych dla dzieci w wieku od 5 do 10 lat, dostarczających wyzwań i wspaniałej zabawy. Przy okazji mali czytelnicy-konstruktorzy dowiedzą się sporo o inżynierii i jej związkach z koncepcją STEAM.

Od dzieciństwa bardzo lubiłam uczyć. Może to potwierdzić mój młodszy brat, który musiał siedzieć ze mną godzinami, gdy bawiłam się z nim w szkołę. Później uzyskałam magisterium z edukacji. Lubię prowadzić zabawne zajęcia praktyczne z dziećmi, obserwując radość na ich twarzach, gdy coś im się „udaje”. Prowadząc nauczanie domowe, mam szczęście cieszyć się tym na co dzień.

Poprzez małżeństwo stałam się członkiem inżynierskiej rodziny. Mój mąż jest inżynierem komputerowym, a teść i szwagier to również inżynierowie. Nasze dzieci są więc otoczone przedstawicielami tej profesji i z przyjemnością wspólnie prowadzimy z nimi konstruktorskie warsztaty. Nierzadko zastajemy na kuchennym stole ich najnowsze projekty. W naszym domu ciągle się coś buduje: od drewnianych domków dla lalek z tajemnymi przejściami po barwne konstrukcje z klocków Lego.

Niektórzy Czytelnicy wychowujący dzieci w wieku szkolnym mogli się już zetknąć ze skrótem STEM (od angielskich słów: science – nauki przyrodnicze, technology – technologia, engineering – inżynieria, i math – matematyka). Potrzeba włączenia sztuki (ang. arts) do tej koncepcji dydaktycznej, z racji jej znaczenia w twórczym projektowaniu, doprowadziła do rozszerzenia formuły i powstania STEAM-u (science, technology, engineering, arts, math).

Propozycje konstrukcyjne dla dzieci opierają się na różnych elementach tej idei. Inżynierowie mechanicy używają wiedzy przyrodniczej i matematyki podczas projektowania pasów bezpieczeństwa w kolejkach górskich. Projektanci komputerów wykorzystują w codziennej pracy najnowsze technologie i zaawansowaną matematykę. Wznoszenie mostów wymaga znajomości fizyki i wyższej matematyki, a jednocześnie wizji artystycznych, dlatego niektóre budowle są nie tylko funkcjonalne, ale i piękne. Aby pomóc dzieciom dostrzec związki inżynierii ze STEAM-em, zamieszczamy krótkie wyjaśnienie znaczenia elementów tej koncepcji dydaktycznej w poszczególnych podrozdziałach.

Twórcza zabawa ma dać dzieciom sposobność projektowania i budowania różnych obiektów oraz rozwijać ich zdolności kreatywnego myślenia. Realizacja niektórych instrukcji będzie wymagała pomocy osób dorosłych, ale wiele projektów dzieci mogą wykonać samodzielnie, co da im poczucie niezależności i dumę z wykonanej pracy. Opis każdej konstrukcji zawiera zarówno odniesienia do STEAM-u, jak i objaśnienia naukowe, dzięki którym dziecko wie, dlaczego buduje się właśnie w taki sposób. Teksty są napisane językiem łatwo zrozumiałym, dzięki czemu przekazana w nich wiedza przyda się dzieciom podczas wznoszenia innych obiektów w przyszłości.

Większość potrzebnych materiałów można znaleźć prawie w każdym domu, a to, co trzeba będzie dokupić, jest łatwo dostępne i tanie. Warto zawczasu zgromadzić przedmioty najczęściej używane w opisanych konstrukcjach, tworząc własny „warsztacik”. Będzie on przestrzenią sprzyjającą twórczej inwencji. Mając wszystko pod ręką, nie będzie trzeba szukać pojedynczych detali w całym domu.

Taką przestrzeń roboczą można dostosować do własnych potrzeb i miejsca dostępnego w domu. Może to być rzecz bardzo prosta, np. duży plastikowy pojemnik z takimi drobiazgami jak: drewniane patyczki o różnych przekrojach, szczoteczki do czyszczenia fajek, różne rodzaje taśm, rurki tekturowe itp. Jeśli mamy dość miejsca, warsztacik możemy urządzić w szafce kuchennej lub na półce bibliotecznej, rozmieszczając materiały w kilku pojemnikach.

Opisom ciekawych konstrukcji dziecięcych towarzyszą wypowiedzi prawdziwych inżynierów odnoszące się tematycznie do ich pracy. Dają one wgląd w problemy zawodowe inżynierów i ich ulubione projekty, w merytorycznym powiązaniu z wiedzą przyswojoną przez dzieci.

Umiejętności konstrukcyjne są ważne nie tylko dla dzieci pragnących w przyszłości zostać inżynierami. Formułowanie pytań, tworzenie w wyobraźni możliwych rozwiązań, kreatywne myślenie i umiejętność rozwiązywania problemów przydadzą się każdemu, niezależnie od wybranego zawodu. Proszę jednak nie zapominać, że nasze propozycje to przede wszystkim dobra zabawa!

Część I.
Myśl jak inżynier

Istnieje wiele zabawnych i fascynujących pomysłów konstrukcyjnych dla dzieci: kolejki górskie dla kulek, miniaturowe mosty, słomkowe rakiety do przetestowania itp. Co jednak odróżnia działanie inżynierskie od zwykłej zabawy?

Praca inżynierów wiąże się z rozwiązywaniem problemów, ale co ją charakteryzuje w sposób szczególny? Jak myślą i działają inżynierowie? Jakich ogólnych i specyficznych umiejętności potrzebują w realizacji konkretnych zadań? W tej książce znajdziecie odpowiedzi na te pytania.

Rozdział I.
Kim jest inżynier?

Budowle z klocków, fortece przykryte kocami… konstruowanie to świetna zabawa! Ale czy zastanawialiście się nad tym, jak działają prawdziwi inżynierowie? Ten rozdział pomoże wam zrozumieć, na czym polega ich praca, zapoznając przy okazji z czterema głównymi inżynierskimi specjalnościami i procesem projektowania. Dzięki temu dowiecie się, co trzeba umieć, by zostać inżynierem już teraz i w przyszłości.

Na czym polega praca inżynierów?

Inżynierowie wykorzystują wiedzę przyrodniczą i matematykę w procesie tworzenia i doskonalenia rzeczy użytecznych dla ludzi lub środowiska, w którym żyją. To specjaliści podnoszący jakość życia ludzkiego poprzez rozwiązywanie problemów technicznych. Inżynierowie tworzą technologie służące ratowaniu życia, ulepszają stan dróg, aby podróżowanie nimi było bezpieczniejsze, doskonalą techniki hodowli roślin i zwierząt, zwiększając jej wydajność.

Na świecie istnieje wiele inżynierskich specjalności, które można podzielić na cztery grupy: inżynierię mechaniczną, elektryczną, chemiczną i budowlaną. W praktyce dziedziny te często wzajemnie się łączą i przenikają.

Inżynieria mechaniczna

Inżynierowie tej specjalności konstruują głównie maszyny i urządzenia, wykorzystując naukową wiedzę o ruchu ciał, siłach mechanicznych i energii cieplnej. Projektują i budują m.in. pojazdy, lodówki, roboty chirurgiczne, windy i pasy bezpieczeństwa do kolejek górskich.

Inżynieria elektryczna

Ta dziedzina obejmuje wszystko, co wiąże się z wykorzystaniem energii elektrycznej, a w szczególności energetykę: elektrownie, linie przesyłowe i systemy dostarczania prądu jego odbiorcom. Inżynierowie elektrycy projektują, konstruują i testują sprzęt elektryczny. Potężnym działem inżynierii elektrycznej jest obecnie elektronika i technika komputerowa obejmująca fizyczną budowę komputerów (ang. hardware) oraz tworzenie oprogramowania (ang. software). Inżynierowie tej specjalności konstruują zarówno piloty do zdalnie sterowanych zabawek i silniki elektryczne do samochodów, jak również nowe typy komputerów i telewizorów o lepszej jakości obrazu oraz oprogramowanie do nich.

Inżynieria chemiczna

Inżynierowie chemicy zajmują się chemią i naukami o życiu. Projektują i nadzorują procesy produkcji, przekształcania i transportu chemikaliów oraz innych materiałów. Do inżynierii chemicznej należy opracowanie i produkcja nowych leków służących walce z rakiem, doskonalenie metod produkcji żywności oraz projektowanie tworzyw sztucznych i wydajniejszych paliw.

Inżynieria budowlana

Inżynierowie tej grupy projektują i budują drogi, mosty, budynki, a także tamy na rzekach. Starają się przy tym, by ich konstrukcje były odporne na trzęsienia ziemi i huragany. Do inżynierii budowlanej należy również opracowanie metod ochrony ludzi i środowiska przed szkodliwym działaniem ognia i dymu. Specjaliści w dziedzinie budownictwa lądowego, współpracując ściśle z architektami, dążą do tego, by wysokie budynki były odporne na uderzenia silnych wiatrów, a mosty mogły wytrzymać maksymalne obciążenia, jakie mogą wystąpić w ruchu drogowym.

Jak pracują inżynierowie?

Słyszeliście pewnie w szkole o metodzie naukowej stosowanej przez badaczy. Jej odpowiednikiem w inżynierii są procesy, np. proces projektowania inżynierskiego. Jest to ciąg czynności inżynierskich służący rozwiązywaniu problemów, obejmujący pięć głównych etapów:

1.Pytania.

2.Koncepcja.

3.Planowanie.

4.Tworzenie.

5.Doskonalenie.

Pytania

Inżynier musi zadać sobie wiele pytań dotyczących problemu, który chce rozwiązać, najpierw jednak konieczne jest dokładne określenie tego problemu. Następny krok to zapoznanie się z wcześniejszymi metodami jego rozwiązywania. Jak robili to inni i jakie były efekty? Co działało, a co nie działało? Uzyskanie odpowiedzi wymaga studiów i badań.

Na tym etapie inżynier musi uwzględnić szczególne wymagania związane z jego zadaniem. Na przykład: czy trzeba będzie użyć określonych materiałów budowlanych?

Koncepcja

W tworzeniu koncepcji najważniejszą rolę odgrywa twórczy umysł i dopracowywanie idei przez przemyślenie różnych rozwiązań. Pomocna jest technika burzy mózgów (brainstorming) połączona z zapisywaniem wszystkich pomysłów, a następnie analiza ich wad i zalet. Wybór najlepszego z nich wymaga często dalszych badań.

Planowanie

Po wyborze koncepcji przystępuje się do planowania. Często zaczyna się ono od zgrubnego szkicowania rozwiązań na papierze. Stosując zasadę „od ogółu do szczegółu”, inżynierowie tworzą diagramy i dokładniejsze rysunki, koncentrując się na rozwiązaniach problemów szczegółowych. I wreszcie powstaje prototyp (pierwotny wariant produktu).

Ważną częścią etapu planowania jest tworzenie listy wszystkich potrzebnych materiałów, wykazu osób niezbędnych w realizacji projektu oraz harmonogramu zadań, których wykonanie musi być skoordynowane w czasie i przestrzeni. Kolejną fazą procesu jest opracowanie wstępnego kosztorysu.

Tworzenie

Na tym etapie procesu projektowania inżynierskiego buduje się prototyp, wykorzystując rysunki i diagramy wykonane w fazie planowania, a następnie poddaje się go próbom funkcjonalności. W razie potrzeby inżynierowie wracają do etapu planowania, ewentualnie wprowadzają zmiany podczas budowy prototypu.

Doskonalenie

Celem tego etapu jest ulepszenie projektu. Zadanie to wybitnie ułatwia zadawanie pytań. Co działa, a co nie? Które części mogłyby działać lepiej? Etapy tworzenia i doskonalenia są ściśle powiązane. Kolejne próby pozwalają eliminować błędy i doskonalić produkt.

Musimy pamiętać, że proces projektowania inżynierskiego jest cykliczny, co oznacza, że jego etapy mogą być powtarzane i nie muszą odbywać się w ustalonej kolejności. Zdarza się nawet, że trzeba cofać się do jego początku, by skorygować koncepcję.

Komentarz inżyniera

Kocham swoją pracę inżyniera, ponieważ zmusza mnie do rozwiązywania zagadek – modyfikuję procesy, szukając wskazówek, ucząc się i rozwiązując problemy. Każdy dzień przynosi jakąś nowość!

Moim ulubionym zadaniem było tworzenie nowego procesu montażowego, w którym trzeba było zautomatyzować przestarzały system, łącząc różne urządzenia w zintegrowany układ współdziałania. Pisaliśmy nowe programy, wypróbowując różne koncepcje. Po wielu niepowodzeniach w końcu się udało! Wiele satysfakcji dała mi świadomość, że odegrałem w tym przedsięwzięciu twórczą rolę.

Erin Gdaniec, inżynier do spraw produkcji,
SSBB, Parker Hannifin Corporation

Jakiej wiedzy potrzebują inżynierowie?

Lubisz budowanie z klocków i gry wideo, w których tworzysz postacie i inne obiekty? Bawiąc się w ten sposób, używasz własnej wyobraźni i kreatywności. Dobrzy inżynierowie robią to samo każdego dnia. W ich pracy ważna jest ciekawość – cecha skłaniająca do badania rzeczywistości i tworzenia rzeczy nowych. Potrzebują również umiejętności rozwiązywania problemów oraz zdolności do pracy indywidualnej i zespołowej. W działaniach inżyniera niezbędne są wszystkie elementy STEAM-u (wiedza przyrodnicza, technologiczna, inżynierska i matematyczna oraz wrażliwość artystyczna).

Inżynierowie wykorzystują znajomość nauk ścisłych do tworzenia i rozwijania nowych idei. Na przykład inżynier chemik, chcąc opracować spray do włosów utrwalający fryzurę z zachowaniem miękkości włosów, musi rozumieć własności polimerów. Inżynier mechanik posługuje się znajomością fizyki przy projektowaniu kolejki górskiej z trzema kolejnymi pętlami.

Praca inżyniera wymaga znajomości wielu technologii, także i tych, z których codziennie korzystamy w domu. Jednym z przykładów są komputerowe narzędzia projektowania (ang. Computer Aided Design, CAD) używane przez inżynierów w etapie planowania procesu projektowania inżynierskiego do wykonywania rysunków technicznych i diagramów, które kiedyś kreślono na kalkach i papierze. Trójwymiarowe drukarki służą do szybkiego tworzenia modeli i prototypów. W budownictwie lądowym wykorzystuje się dane z kamer wideo monitorujących ruch drogowy przy projektowaniu zmian jego organizacji.

Zadania inżynierskie mają też swój aspekt artystyczny. Artystów cechują szczególne zdolności twórcze, a ich kreatywność jest cennym składnikiem projektowania inżynierskiego. Dlatego projektanci budynków i mostów współpracują z architektami, aby ich konstrukcje miały walory estetyczne, a nie tylko wytrzymałość na trzęsienia ziemi. Rola sztuki w projektowaniu pięknych, a zarazem sprawnych i energooszczędnych pojazdów jest dla wszystkich oczywista.

Matematyka to podstawowe narzędzie w codziennej pracy inżyniera. W mechanice bardzo istotne są pomiary zapewniające dobre dopasowanie części urządzeń. Projektowanie i budowę tamy poprzedzają skomplikowane obliczenia prędkości, masy i objętości przepływającej wody. Inżynieria komputerowa i informatyka to właściwie wielki dział współczesnej matematyki. Tworzenie programów komputerowych wymaga eliminacji błędów, do czego służą specjalne narzędzia matematyczne.

Jak widać, inżynier musi dysponować wieloma umiejętnościami przydatnymi także w innych zawodach.

Rozdział II.
Jak korzystać z tej książki

Czy jesteś gotów do twórczej zabawy? Opisane w tej książce konstrukcje, takie jak budowa kuchenki słonecznej, elektromagnesu czy modelu poduszkowca, to doskonałe połączenie nauki z zabawą.

Kolejne propozycje ujęte są w pewien stały schemat. Najpierw dowiesz się, ile czasu zajmie ci wykonanie konstrukcji i jakie materiały będą ci potrzebne. Potem otrzymasz dokładne instrukcje z opisem kolejnych działań. Krótki wstęp pozwoli ci zrozumieć, o co chodzi w projekcie, który chcesz wykonać. Uwagi zatytułowane „Jak i dlaczego” to objaśnienia naukowe mające pogłębić twoją wiedzę.

W świecie inżynierii wszystkie aspekty koncepcji STEAM są ściśle powiązane. W każdym opisie znajdziesz wyjaśnienia dotyczące ich współdziałania. W niektórych przypadkach dwa lub trzy są najważniejsze, a w innych wszystkie łączą się w spójną całość.

Przygotowanie

Zacznij od ogólnego przejrzenia książki i obejrzenia konstrukcji inżynierskich opisanych w Części II. Wybierz kilka propozycji, które najbardziej cię zainteresują. Nie ma potrzeby przerabiania ich w zaproponowanej kolejności!

Sprawdź poziomy trudności projektów, które szczególnie cię zainteresowały. Możesz zacząć od łatwych, a potem spróbować tych oznaczonych jako „średnio trudne” lub „trudne”.

Każdy opis poprzedzają wyjaśnienia wstępne mówiące o tym, czego możesz się nauczyć. Lektura tych wstępów pomoże ci wybrać działania, od których chciałbyś zacząć zabawę w inżyniera.

Po dokonaniu wyboru przejrzyj opis z osobą dorosłą, zwracając uwagę na potrzebny czas. Większość konstrukcji będziesz mógł zbudować w 15–20 minut, ale niektóre mogą wymagać nieco więcej czasu. Upewnij się, czy masz go tyle, by spokojnie wykonać projekt i posprzątać po nim.

Niektóre działania wymagają ostrzeżeń przed bałaganem i zagrożeniami uzasadniającymi nadzór dorosłej osoby. Nie lekceważ tych tekstów.

Przekonasz się, że większość niezbędnych materiałów masz w domu. Warto jednak zrobić spis rzeczy potrzebnych do wybranych konstrukcji, które trzeba zawczasu zakupić. Niektóre detale można zastąpić podobnymi, np. słomki do picia rurkami plastikowymi.

Wykonywanie konstrukcji

Załóżmy więc, że wybrałeś konstrukcję, którą chcesz zbudować. Co dalej?

Przeczytaj wstęp, zapoznając się ogólnie z inżynierskim zadaniem. Następnie przeczytaj uważnie całą instrukcję – główny element opisu każdego projektu. Staraj się wykonywać kolejne polecenia jak najdokładniej.

Większość konstrukcji uda ci się zbudować za pierwszym razem, czasami jednak będziesz się musiał cofnąć i dokonać drobnych korekt. Tak samo robią prawdziwi inżynierowie: wypróbowują swoje projekty, wprowadzając zmiany i udoskonalenia.

A co zrobić, gdy coś ci nie wychodzi? Wtedy trzeba znaleźć przyczynę problemu. Może niedokładnie coś zmierzyłeś? Albo pominąłeś jakiś punkt instrukcji?

Pamiętaj, że błędy to jeden ze sposobów uczenia się. Jeśli twoja konstrukcja nie wygląda lub nie działa tak, jak wynikałoby z opisu, możesz zawsze ustalić, co było tego przyczyną i jak rozwiązać problem. Najważniejsze jest twoje zadowolenie z podejmowania kolejnych prób!

Po zakończeniu pracy inżynierskiej przeczytaj koniecznie wyjaśnienia „Jak i dlaczego”. Znajdziesz tam koncepcje naukowe i wiedzę, która może się przydać w przyszłych samodzielnych działaniach inżynierskich.

Czytając instrukcje, napotkasz nieznane słowa. Na końcu książki jest słowniczek, który pomoże ci zrozumieć nowe pojęcia przyrodnicze i inżynierskie, które przyszli inżynierowie powinni znać.

Nową wiedzę możesz wykorzystać, próbując dodatkowych działań opisanych na końcu każdego projektu. Będziesz miał z tego więcej pouczającej zabawy i rozszerzysz swą wiedzę. Jeszcze więcej zyskasz, uzupełniając proponowaną konstrukcję własnymi pomysłami. Wtedy będziesz prawdziwym inżynierem!

Wszystkie elementy STEAM-u są wzajemnie powiązane. Książka zawiera opisy konstrukcji inżynierskich, w których są uwzględnione pozostałe składniki systemu. Każdy opis rozpoczyna lista potrzebnych materiałów, która pozwoli ci łatwo ocenić te powiązania.

Czy jesteś gotów do działania? Wiesz już, jak korzystać z książki i znasz schemat opisu poszczególnych konstrukcji, czas więc przejść do Części II i zacząć coś budować!

O Autorce

Christina Herkert Schul jest magistrem edukacji i byłą nauczycielką szkolną. Obecnie łączy obowiązki matki dwojga dzieci z nauczaniem domowym. Mieszka z mężem i dziećmi w południowo-zachodnim Ohio. Na jej kuchennym stole często powstają dziecięce konstrukcje. Można ją znaleźć w witrynie internetowej https://www.theresjustonemommy.com, za pomocą której z przyjemnością dzieli się swoimi doświadczeniami dydaktycznymi i pomysłami dziecięcych konstrukcji z rodzicami i nauczycielami z całego świata.

foto: GERALD SCHUL II