Rozszerzalność temperaturowa ciał
Scenariusz zajęć realizowanych zgodnie z metodologią STEM w oparciu o zasoby Zintegrowanej Platformy Edukacyjnej, opracowany w ramach rządowego programu wspierania organów prowadzących szkoły i placówki w rozwijaniu umiejętności cyfrowych dzieci i młodzieży na lata 2025‑2029 – „Cyfrowy Uczeń” (Dz.U.2025.1254)
Informacje ogólne
Imię i nazwisko autora: Roman Frąckowiak
Przedmiot wiodący:
fizyka
Filary metodologii STEM realizowane w ramach zajęć:
(S) przedmioty przyrodnicze
chemia
biologia
fizyka
geografia
(T) technologie
informatyka
(E) inżynieria
(M) matematyka
Etap edukacyjny:
II etap - szkoła podstawowa,
klasa 7
klasa 8
Pracownia STEM wspierana przez scenariusz:
P3: Pracownia przyrodnicza
Czas potrzebny na realizację zajęć:
135 minut (3 godziny lekcyjne)
Sugerowany sposób organizacji czasu:
zajęcia realizowane w całości w sposób ciągły
Krótki opis zajęć
Uczniowie zbudują i przetestują stanowisko do pomiaru rozszerzalności liniowej wybranego materiału (np. metalowy pręt) — zmierzą zmianę długości i temperaturę przy ogrzewaniu/ochładzaniu. Do odczytów użyjemy: Arduino (np. Uno), czujnika temperatury (np. DS18B20 lub TMP36) oraz przetwornika liniowego (potencjometr liniowy/linearny czujnik przemieszczenia lub enkoder liniowy wydrukowany 3D). Alternatywnie do wskazania temperatury/ stanu eksperymentu można wykorzystać diodę RGB jako wskaźnik. Uczniowie napiszą program w Scratch (rozszerzenie Arduino / S4A / Scratch Link) do rejestracji danych, zapiszą pomiary, przeprowadzą analizę i wyciągną wnioski o współczynniku rozszerzalności liniowej. Materiałem wprowadzającym do lekcji są zagadnienia z fizyki na temat rozszerzalności temperaturowej ciał stałych, ciekłych i gazowych.
Tytuły i odnośniki do e‑materiałów z ZPE, w oparciu o które przygotowane są zajęcia
Cele lekcji oraz realizowane punkty podstawy programowej
Cel ogólny zajęć:
Celem zajęć jest zapoznanie uczniów z zjawiskiem rozszerzalności cieplnej ciał stałych poprzez samodzielne zaprojektowanie, zbudowanie i przetestowanie stanowiska pomiarowego z wykorzystaniem mikrokontrolera Arduino oraz czujników temperatury i przemieszczenia.
Drugim celem jest rozwijanie umiejętności programowania, rejestracji i analizy danych pomiarowych oraz formułowania wniosków fizycznych, w tym wyznaczania współczynnika rozszerzalności liniowej badanego materiału.
Cele operacyjne w sferze kognitywnej zgodnie ze zrewidowaną taksonomią Blooma
Z zakresu pamiętania informacji
(przywoływanie istotnych informacji).
Uczeń:
wymienia podstawowe etapy procesu drukowania 3D (modelowanie, przygotowanie druku, druk, obróbka wykończeniowa) oraz elementy drukarki 3D;
wymienia podstawowe bloczki wykorzystywane do programowania w Scratchu;
podaje definicję rozszerzalności temperaturowej (ciał stałych / cieczy / gazów).
Z zakresu rozumienia informacji
(wyjaśnienie istotnych informacji).
Uczeń:
wyjaśnia na czym polega druk 3D — jak komputerowy model 3D staje się obiektem rzeczywistym, na czym polega fragmentacja na warstwy, rola filamentu, ekstrudera, slicera;
wyjaśnia, jak poszczególne bloczki wykorzystywane do programowania w Scratchu wpływają na pomiary;
wyjaśnia proces rozszerzalności cieplnej — z punktu widzenia ruchu cząsteczek i energii kinetycznej.
Z zakresu zastosowania informacji
(rozwiązywanie problemów o zamkniętej strukturze, o jednoznacznym rozwiązaniu).
Uczeń:
przeprowadza prosty eksperyment ilustrujący rozszerzalność temperaturową ciał stałych (dokonuje pomiaru zmiany wymiarów ciał stałych / objętości / temperatury, zapisuje dane);
tworzy skrypt mierzący temperaturę oraz wydłużenie w Scratchu zgodnie z otrzymanym zadaniem.
Z zakresu analizowania, oceniania i tworzenia informacji
(rozwiązywanie problemów o otwartej strukturze, tworzenie własnych rozwiązań zadanych problemów, ocena dotycząca wartości idei lub materiałów).
Uczeń:
projektuje eksperyment (np. z wykorzystaniem czujnika temperatury i drukarki 3D), formułuje wnioski, porównuje materiały, ocenia praktyczne znaczenie rozszerzalności temperaturowej w życiu codziennym (np. konstrukcje, budynki, mosty, urządzenia);
rozpoznaje błędy w przygotowanym skrypcie i proponuje sposób ich usunięcia,
porównuje różne rozwiązania programistyczne prowadzące do tego samego efektu,
ocenia, czy przygotowany program spełnia założone cele i poprawnie rozwiązuje postawiony problem.
Sposób realizacji zaplanowanych celów przez nauczyciela
dyskusja;
rozmowa nauczająca z wykorzystaniem multimedium i ćwiczeń interaktywnych.
praca indywidualna;
praca w parach;
praca w grupach;
praca całego zespołu klasowego.
Realizowane punkty podstawy programowej kształcenia ogólnego dla danego przedmiotu
Przygotowanie do zajęć
Przygotowanie nauczyciela
Nauczyciel zapoznaje się z proponowanymi materiałami ZPE (wybiera odpowiednie fragmenty, określa sposób ich wykorzystania).
Sprawdza i przygotowuje sprzęt: czujnik temperatury, podłączenia, drukarka 3D — testuje jej działanie; przygotowuje materiały do doświadczeń.
Określa zasady bezpieczeństwa podczas pracy w zespołach, tworzy niezbędne instrukcje.
Wykonuje wydruk 3D ewentualnych elementów pomocniczych
Planuje podział uczniów na zespoły (np. 3–4 osobowe), określa role w zespole (np. projektant 3D, operator drukarki, konstruktor, programista).
Co zrobić, aby zajęcia były dostępne dla wszystkich uczniów?
• Warto skorzystać z dostępnych adaptacji materiałów na ZPE — e‑materiały są przygotowane również z myślą o uczniach o różnych potrzebach.
• Uczniom z trudnościami manualnymi przydzielić role inne niż obsługa drukarki / obróbka (np. projektowanie komputerowe, programowanie, dokumentacja, kontrola jakości).
• Uczniom potrzebującym dodatkowego wsparcia umożliwić pracę w parach lub małych grupach oraz wydłużyć czas pracy, dać możliwość konsultacji z nauczycielem/opiekunem.
• Podczas pracy w parach lub małych zespołach, stworzyć sytuację by każdy uczeń był zaangażowany stosownie do swoich możliwości. przydzielając im odpowiednie zadania .
• Przygotować materiały w formie dostosowanej — np. uproszczone instrukcje, schematy krok po kroku, obrazki, symboliczne oznaczenia, unikać zbyt skomplikowanego języka.
Przygotowanie uczniów
Aby uczniowie skutecznie zrealizowali projekt dotyczący pomiaru rozszerzalności liniowej przy użyciu Arduino i Scratcha, powinni przed zajęciami wykonać następujące czynności:
przeczytać krótkie materiały dotyczące: pojęcia rozszerzalności temperaturowej ciał stałych, współczynnika rozszerzalności liniowej.
obejrzeć zjawisko rozszerzalności metali lub prosty eksperyment z kulką i pierścieniem.
zapoznać się z materiałem wprowadzającym do Arduino, przedstawiającym działanie płytki i czujników oraz materiałem wprowadzającym do Scratcha.
Kluczowe zasady bezpieczeństwa podczas zajęć
Kluczowe zasady bezpieczeństwa podczas zajęć z informatyki z wykorzystaniem STEM.
1. Bezpieczeństwo pracy przy komputerze
Zagrożenia:
przeciążenie wzroku, bóle pleców i rąk wynikające z niewłaściwej postawy,
potknięcia i upadki spowodowane przewodami podłączonymi do komputerów,
przypadkowe utraty danych.
Jak unikać:
siedzieć prosto, z monitorem ustawionym na wysokości oczu,
utrzymywać porządek przy stanowisku pracy, nie dotykać kabli i nie odłączać ich bez zgody nauczyciela,
zapisywać pracę regularnie i korzystać z bezpiecznych nośników danych.
2. Bezpieczeństwo podczas pracy z elektroniką i Arduino
Zagrożenia:
zwarcia i uszkodzenie komponentów wskutek błędnego podłączenia,
oparzenia lub porażenia przy nieumiejętnym korzystaniu z zasilania,
uszkodzenie sprzętu komputerowego przez nieprawidłowe wpięcie płytki Arduino.
Jak unikać:
przed podłączeniem do zasilania sprawdzić układ co najmniej dwa razy,
używać rezystorów przy elementach wymagających ograniczenia prądu (LED, czujniki),
nie dotykać metalowych części układu, kiedy jest podłączony do USB,
zgłaszać nauczycielowi wszelkie podejrzane zapachy, nagrzewanie się elementów lub błędy działania.
3. Bezpieczeństwo w pracy zespołowej
Zagrożenia:
konflikty wynikające z nieporozumień,
niekontrolowane działania jednego ucznia mogące zagrozić całej grupie.
Jak unikać:
dzielić się obowiązkami zgodnie z rolami (projektant, konstruktor, programista, tester),
komunikować wszystkie zamiary dotyczące zmian w projekcie,
zachowywać się odpowiedzialnie i respektować polecenia nauczyciela.
4. Cyberbezpieczeństwo i higiena cyfrowa
Zagrożenia:
dostęp do niebezpiecznych treści,
przypadkowe pobranie szkodliwego oprogramowania,
utrata lub wyciek danych osobowych.
Jak unikać:
korzystać wyłącznie z zatwierdzonych przez nauczyciela stron i narzędzi,
nie pobierać plików z nieznanych źródeł,
nie udostępniać haseł i nie logować się na cudzych kontach,
wylogować się po zakończeniu pracy.
5. Zachowanie porządku i organizacja stanowiska
Zagrożenia:
potknięcia, przewrócenie sprzętu, uszkodzenia urządzeń,
zgubienie elementów konstrukcyjnych lub elektronicznych.
Jak unikać:
odkładać narzędzia i elementy do oznaczonych pojemników,
utrzymywać czyste biurko,
po zajęciach sprawdzać, czy nic nie zostało w gniazdach, kablach lub na podłodze.
Przebieg zajęć
Faza wprowadzająca
Czas [min] | Działania nauczyciela | Działania uczniów | Uwagi / wskazówki metodyczne |
|---|---|---|---|
5 min | Przywitanie i wprowadzenie tematu: | Uczniowie biorą udział w dyskusji kierowanej. | Zaprasza do swobodnej rozmowy. Uczniowie mogą odwołać się do codziennych obserwacji, np. metalu nagrzanego w słońcu, dźwięku, konstrukcji itp. |
5 min | Nauczyciel przedstawia cel zajęć: Czym jest rozszerzalność temperaturowa, jak ją badać, jakie ma znaczenie? Zwraca uwagę, że zajęcia będą realizowane metodą projektu . | Uczniowie biorą udział w dyskusji kierowanej. Odpowiadają na pytania. | Pokazuje interdyscyplinarny charakter praktycznej pracy. Unikaj wykładu – stawiaj pytania: |
15 min | Nauczyciel z uczniami wspólnie przegląda fragment materiału „Rozszerzalność temperaturowa substancji” — uczniowie czytają krótki fragment, oglądają animację pokazującą zmianę objętości / rozmiarów ciał wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. | Na podstawie animacji uczniowie próbują wyjaśnić, dlaczego zmieniają się wymiary ciał— powołując się na ruch cząsteczek, energię kinetyczną, odległości między cząsteczkami. Na podstawie materiału „Rozszerzalność temperaturowa substancji” uczniowie zastanawiają się, jak obliczyć, o ile np. metalowy pręt wydłuży się przy wzroście temperatury o określoną liczbę stopni. Uczniowie wykonują proste obliczenia dla metalu. | Nauczyciel moderuje: wprowadza pojęcia - energia kinetyczna, ruch cząsteczek, stan skupienia, odległości międzycząsteczkowe, zmiany objętości i długości. |
10 min | Wyjaśnienie zasad pracy i oczekiwań: | Odpowiadają na pytania nauczyciela odnośnie zasad bezpieczeństwa. | Zadbaj o bezpieczeństwo: · po zbudowaniu układu pomiarowego sprawdź poprawność ze schematem, · nie zasilamy układu, dopóki nie jest gotowy, · nie dotykamy metalowych elementów podczas podłączenia USB. |
Faza realizacyjna
Czas [min] | Działania nauczyciela | Działania uczniów | Uwagi / wskazówki metodyczne |
|---|---|---|---|
20 min | Projekt – Badanie rozszerzalności ciał stałych. Przedstawienie celu i etapów projektu. Po zajęciach uczniowie będą potrafili:
| Podział na grupy. Uczniowie biorą udział w dyskusji. Omawiają etapy projektu. Planują sposób wykonania. | Wymagane materiały i przybory Elektronika • Arduino Uno • Czujnik temperatury: DS18B20 (1‑wire) lub TMP36 (analogowy). (DS18B20 lepszy dokładnościowo). • Linearny czujnik przemieszczenia: liniowy potencjometr (np. 100 mm) lub enkoder liniowy / czujnik Halla z magnesem lub układ z mikrowyłącznikiem + przyrostkowy pomiar (jeśli drukujemy suwak 3D, zamontować potencjometr). • Opcjonalnie: dioda RGB (wskaźnik stanu / kolor wg temp.) • Przewody, płytka stykowa, rezystory (4.7komega dla DS18B20 1‑wire), zasilacz/USB. Mechanika • Pręt badany (np. stalowy, miedziany, mosiężny) o znanej długości początkowej L₀ (np. 200 mm). • Mocowanie jednego końca pręta stałe; drugi koniec przesuwa wskaźnik suwakowy. • Element suwakowy (wydruk 3D) przesuwający się proporcjonalnie do wydłużenia. • Skala pomiarowa (może być wydruk 3D z podziałką). Oprogramowanie • Scratch z rozszerzeniem Arduino (S4A) lub Scratch Link + rozszerzenie Arduino (jeśli korzystacie ze Scratch Desktop/online). Alternatywnie program w Arduino wysyłający dane po USB i prosty odczyt w Scratchu (serial). Materiały pomocnicze • Drukarka 3D do wydruku stanowiska: uchwyt, prowadnica, suwak. • Termopara lub kratka grzewcza (źródło ciepła) — bezpieczne grzanie: np. podgrzewacz olejowy, lampka halogenowa lub gorąca woda + łaźnia wodna (bezpieczniej i kontrolowalnie). Blockly - Tworzenie i edycja materiałów dydaktycznych - zpe.gov.pl Element suwakowy (rysunek w bibliografii), wykonuje nauczyciel przed lekcją. Link do e‑materiału Jak tworzyć obiekty przestrzenne do druku 3D |
50 min | Nauczyciel przedstawia instrukcję: Instrukcja programowania w Scratch (krok po kroku) Bloki/algorytm: 1. Po kliknięciu „zielonej flagi”: · połącz z Arduino (wybierz port). · ustaw odczyt analogowy A0 co 5 sekund → przypisz do zmiennej ADC. · odczytaj temperaturę z pinu cyfrowego (jeśli DS18B20 jest wspierany przez rozszerzenie; jeśli nie — użyj Arduino do wysyłania seriala i odczytaj serial w Scratchu). · oblicz L = L0 + (ADC_to_mm(ADC)) (skalowanie ADC do mm przez kalibrację). · dodaj T i L do list Temperatury i Długości. · zapisz do pliku (jeśli Scratch ma tę możliwość) lub wyświetl i skopiuj ręcznie do arkusza. 2. Rysowanie wykresu: użyj pióra lub grafiki Scratch do odrysowania punktów (ułatwia interpretację). | Uczniowie przedstawiają instrukcję Procedura eksperymentu (kroki) 1. Przygotowanie · Zmontuj stanowisko; zmierz i zapisz (L_0) (dokładnie, linijka / suwmiarka). · Sprawdź połączenia Arduino i działanie czujników (test odczytów). 2. Program w Scratch (30–45 min) · Nauczyciel wprowadza rozszerzenie Arduino w Scratchu. · Uczniowie tworzą skrypt: co 5 s odczyt temperatury i analogowego sygnału przemieszczenia → zapis do listy / pliku CSV → wyświetlenie wartości i wykresu w Scratchu. 3. Pomiar (faza eksperymentalna) (30–60 min) · Start pomiaru: temperatura początkowa (T_0), zapis (L_0). · Delikatnie ogrzewaj pręt (jednostajnie!). Co np. 2–5 °C zapisuj pomiary (temperatura i przemieszczenie). · Dla bezpieczeństwa unikaj bezpośredniego dotykania gorących elementów. 4. Chłodzenie / powtarzanie (opcjonalne) · Można wykonać cykl ogrzewanie → chłodzenie, aby sprawdzić powtarzalność. 5. Analiza (1 lekcja) · Zaimportuj dane (CSV z Scratcha) do arkusza kalkulacyjnego. · Narysuj wykres deltaL vs deltaT; dopasuj prostą metodą najmniejszych kwadratów lub oblicz alfa z nachylenia. · Oszacuj niepewności (patrz sekcja 10). 6. Wnioski i dyskusja · Porównaj otrzymane alfa z wartościami z tabel | Schemat stanowiska (opis)
|
Faza podsumowująca
Czas [min] | Działania nauczyciela | Działania uczniów | Uwagi / wskazówki metodyczne |
|---|---|---|---|
5 min | Zaprasza uczniów do przedstawienia wniosków z eksperymentów. | Przedstawiciele każda grupy przedstawiają wnioski z przeprowadzonych eksperymentów. | Wnioski z eksperymentów porównywane są z teorią. |
10 min | Prowadzi dyskusję | Dyskusja: co zaskoczyło; co udało się zmierzyć; jakie były trudności — np. pomiar małych zmian długości, błędy pomiarowe, znaczenie materiału, trudność w kontroli temperatury. | Należy prowadzić tak dyskusję, aby każdy uczeń miał możliwość wypowiedzi. |
10 min | Nauczyciel pełni rolę koordynatora | Odwołanie do celów: czy potrafimy już wyjaśnić, czym jest rozszerzalność temperaturowa; czy rozumiemy, jak działa na poziomie cząsteczek; czy umiemy zastosować wiedzę i wykonać doświadczenie; czy potrafimy zaprojektować własny eksperyment / rozwiązanie / konstrukcję. | Refleksja — zaproszenie uczniów do oceny, na ile sami osiągnęli cele, co było dla nich najbardziej wartościowe, co chcieliby pogłębić. |
5 min | Nauczyciel zaprasza uczniów do wykonania zadania dodatkowego. | Uczniowie podają propozycję wykonania wybranego zadania. | Ewaluacja zajęć - „Runda bez przymusu” uczniowie odpowiadają na wybrane pytania. |
Po zajęciach
Propozycja działań dla uczniów, które mają na celu integrację i utrwalenie zdobytej wiedzy
Zaprojektuj w aplikacji do tworzenia przedmiotów 3D element codzienny (np. uchwyt, metalową rurę, część konstrukcji, most), który musi działać poprawnie przy zmianach temperatury — uwzględnij rozszerzalność, zaproponuj materiały i sposób montażu.
Podaj przykłady z życia, gdzie zjawisko rozszerzalności termicznej ma znaczenie (budownictwo, mosty, tory, przewody, sprzęty, temperatury ekstremalne). Można też opisać, co się może stać, jeśli ignorujemy rozszerzalność.
Rozszerzenie projektu — np. zaproszenie do obserwacji rzeczywistych konstrukcji (most, szyny, budynek), rozmowa o projektowaniu z uwzględnieniem rozszerzalności, albo mini‑badanie zmian temperatury/długości materiałów w warunkach szkolnych (np. rury, parapety, kaloryfery).
Propozycja ewaluacji lekcji i stopnia realizacji zaplanowanych celów edukacyjnych
Ewaluacja lekcji: stosując „Rundę bez przymusu”, nauczyciel zadaje pytania:
Co było ciekawe?
Co było trudne?
Co chcielibyście zmienić?
Co chcielibyście powtórzyć?
Co zapamiętaliście?
Co się przyda?.
Bibliografia i załączniki
Szczegółowy wykaz elementów e‑materiałów z ZPE wykorzystanych do opracowania scenariusza
Tytuł e‑materiału | Odnośnik | Element e‑materiału |
|---|---|---|
Słownik pojęć | Rozszerzalność temperaturowa | |
Elementy drukarki 3D | Informacja o drukarce 3D, grafika | |
Bloki aplikacji Scratch | Opis wszystkich bloków aplikacji Scratch | |
Blockly | Komponent do tworzenia programu za pomocą bloczków | |
Wykonanie modelu 3D | Film -Wykonanie modelu 3D, opracowanie grafiki i przygotowanie druku | |
Rozpoczęcie i przebieg drukowania | Sekwencje filmowe | |
Jak tworzyć obiekty przestrzenne do druku | Film dydaktyczny | |
Przykłady rozszerzalności temperaturowej | Infografika, przykłady |
Inne niezbędne środki i pomoce dydaktyczne
Drukarka 3D;
Zestaw długopisów 3D do prototypowania;
Programowalne zestawy do nauki programowania;
Programowalne kontrolery wraz z zestawem czujników.
Źródła literaturowe
Dylatoskop suwakowy zaprojektowany przez uczniów lub nauczyciela i wydrukowany na drukarce 3D
Dylatoskop suwakowy
Dylatoskop zaprojektowany w aplikacji CAD (aplikacji dostarczonej do plotera). Elementy takie jak łoże, statyw, mocowania rynienki wycięte za za pomocą plotera, a suwak z podziałką wydrukowany na drukarce 3D.
