Zasada zachowania energii
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: Izabela Okrzesik‑Frąckowiak
Przedmiot wiodący:
fizyka
Filary metodologii STEM realizowane w ramach zajęć:
(S) przedmioty przyrodnicze
chemia
fizyka
(T) technologie
informatyka
(M) matematyka
Etap edukacyjny:
III etap - szkoła ponadpodstawowa
liceum ogólnokształcące
technikum
Pracownia STEM wspierana przez scenariusz:
P1: Projektowanie i prototypowanie
Czas potrzebny na realizację zajęć:
90 minut (2 godziny lekcyjne)
Sugerowany sposób organizacji czasu:
zajęcia podzielone na odrębne jednostki lekcyjne
Krótki opis zajęć
Zajęcia poświęcone są praktycznemu zrozumieniu zasady zachowania energii poprzez wykorzystanie metodologii STEM oraz pracy w pracowni wyposażonej w drukarkę 3D, długopisy 3D i programowalne zestawy robotyczne. Uczniowie, pracując w zespołach, zaprojektują i zbudują modele (np. wahadła, sprężyny, zderzaczy) ilustrujące przemiany energii mechanicznej, a następnie wykonają pomiary i analizę strat energii. Wykorzystają wybrane e‑materiały ZPE, aby samodzielnie odkrywać zależności między energią kinetyczną, potencjalną i pracą sił zewnętrznych. Celem zajęć jest zrozumienie i zastosowanie zasady zachowania energii w praktyce oraz rozwinięcie umiejętności analizy, projektowania i rozwiązywania problemów. Na koniec lekcji uczniowie potrafią wyjaśnić przebieg przemian energii w swoim modelu, ocenić przyczyny strat energii oraz wskazać, jak można udoskonalić konstrukcję, aby zwiększyć efektywność działania układu.
Tytuły i odnośniki do e‑materiałów z ZPE, w oparciu o które przygotowane są zajęcia
Zasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanie
Przykłady zasady zachowania energii mechanicznej
Jak zastosować zasadę zachowania energii mechanicznej w obliczeniach?
Cele lekcji oraz realizowane punkty podstawy programowej
Cel ogólny zajęć:
Podczas zajęć uczniowie zbadają zasadę zachowania energii, analizując przemiany energii mechanicznej w zaprojektowanych przez siebie układach. Pracując metodą STEM, połączą wiedzę teoretyczną z fizyki z praktycznym działaniem – projektowaniem, konstruowaniem i testowaniem modeli z wykorzystaniem technologii druku 3D i robotyki. Efektem zajęć będzie świadome zrozumienie, że energia w układzie nie ginie, lecz ulega przemianom, oraz umiejętność wskazania przyczyn i skutków strat energii w rzeczywistych systemach.
Cele operacyjne w sferze kognitywnej zgodnie ze zrewidowaną taksonomią Blooma
Z zakresu pamiętania informacji
(przywoływanie istotnych informacji).
Uczeń:
wyjaśnia definicje energii kinetycznej, potencjalnej (grawitacyjnej, sprężystości) oraz zasady zachowania energii mechanicznej
podaje wzory określające i wiążące ze sobą wymienione wielkości
Z zakresu rozumienia informacji
(wyjaśnienie istotnych informacji).
Uczeń:
wyjaśnia, dlaczego suma energii kinetycznej i potencjalnej pozostaje stała, gdy nie ma pracy sił zewnętrznych (zgodnie z zasadą zachowania energii)
analizuje przemiany energii między formami oraz wpływ sił zewnętrznych (np. tarcia) na stratę energii
Z zakresu zastosowania informacji
(rozwiązywanie problemów o zamkniętej strukturze, o jednoznacznym rozwiązaniu).
Uczeń:
rozwiązuje zadania obliczeniowe związane z przemianami energii (np. spadające ciało, sprężyna), zamknięte, z jednoznacznym wynikiem
wykorzystuje symulację lub model robotyczny / drukowany do przeprowadzenia eksperymentu ilustrującego przemiany energii
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 własny model (np. w drukarce 3D) urządzenia lub układu, w którym energia mechaniczna jest magazynowana i przekształcana (np. sprężyna, wahadło, zderzacz)
analizuje straty energii w realnym systemie (np. opory, tarcie) i proponuje modyfikacje, by zmniejszyć straty
ocenia, w jakim stopniu zasada zachowania energii jest przydatna w zaprojektowanym układzie i jakie ograniczenia występują w praktyce
Sposób realizacji zaplanowanych celów przez nauczyciela
Metody nauczania
wykład informacyjny (krótki, wprowadzający)
pokaz multimedialny
burza mózgów
Formy pracy
praca indywidualna
praca w grupach
Realizowane punkty podstawy programowej kształcenia ogólnego dla danego przedmiotu
Przygotowanie do zajęć
Przygotowanie nauczyciela
Środki dydaktyczne i wyposażenie stanowiska
drukarka 3D, filamenty (np. PLA), długopisy 3D
modele do drukowania lub projekty (np. sprężyna, wahadło, mały zderzacz). Jeśli nie ma gotowych modeli, nauczyciel może wcześniej przygotować pliki
zestaw robotyczny (np. LEGO Mindstorms, micro:bit z silnikiem, motory) i platformę robota do demonstracji konwersji energii (np. robot sterowany przez sprężynę lub dźwignię)
kalkulatory, mierniki (np. linijka, metr, waga), ewentualnie czujniki prędkości (jeśli dostępne)
Dostosowanie zajęć do zróżnicowanych potrzeb uczniów (SPE)
Aby zajęcia były dostępne dla wszystkich uczniów, należy uwzględnić różnice w możliwościach poznawczych, sensorycznych i motorycznych oraz zapewnić różne sposoby odbioru i przetwarzania informacji.
Uczniowie z trudnościami wzrokowymi
przygotowanie materiałów w powiększonej czcionce lub o wysokim kontraście,
odczytywanie poleceń i wyników na głos,
możliwość korzystania z danych w formie audio lub cyfrowej,
elastyczny podział ról w grupie (np. większy udział w analizie danych zamiast odczytów wizualnych).
Uczniowie z dysleksją i trudnościami w czytaniu
stosowanie krótkich, punktowanych instrukcji,
udostępnienie materiałów w formie nagrań lub filmów (z napisami),
ograniczenie ilości tekstu ciągłego na rzecz schematów i tabel.
Uczniowie z niepełnosprawnością ruchową
dostosowanie stanowiska pracy (wysokość stołu, dostępność sprzętu),
możliwość wyboru roli w grupie (np. obsługa komputera, analiza danych),
zapewnienie wsparcia przy czynnościach wymagających precyzji manualnej.
Uczniowie z trudnościami poznawczymi
dzielenie zadania na mniejsze etapy (instrukcja krok po kroku),
udostępnienie wzorów obliczeń i przykładów,
wydłużenie czasu pracy,
częstsze wsparcie nauczyciela i pytania naprowadzające.
Uczniowie z lękiem lub niską pewnością siebie
możliwość wyboru roli mniej obciążającej (np. obserwator, analityk),
wcześniejsza demonstracja doświadczenia przez nauczyciela,
budowanie poczucia bezpieczeństwa poprzez pracę w parach.
Organizacja i komunikacja
jasne przedstawienie celów i kryteriów sukcesu,
stosowanie różnych form przekazu (ustna, wizualna, praktyczna),
monitorowanie pracy uczniów i bieżące wsparcie.
Przygotowanie uczniów do zajęć (praca przed lekcją)
Przed lekcją uczniowie zapoznają się z materiałami wprowadzającymi:
fragment e‑materiału „Zasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanie” – sekcja „Niezbędne informacje” zawierająca definicje i wzory
„Przykłady zasady zachowania energii mechanicznej” – energii kinetycznej, potencjalnej, zderzenia
przygotowują listę zjawisk z codziennego życia, w których można zauważyć przemiany energii (np. huśtanie, zjeżdżalnia, zderzenia, jazda na rowerze)
Kluczowe zasady bezpieczeństwa podczas zajęć
upewnić się, że drukarka 3D jest bezpiecznie przygotowana (wentylacja, termiczne zabezpieczenia filamentów)
sprawdzić, czy uczniowie znają zasady BHP przy pracy z drukarką (gorąca dysza, ruchome części), zestawem robotycznym, silnikami
przy eksperymentach mechanicznych (np. z wahadłem) zadbać o strefę bezpieczną – nikt nie stoi w zasięgu wahadła.
Przebieg zajęć
Faza wprowadzająca
Czas [min] | Działania nauczyciela | Działania uczniów | Uwagi / wskazówki metodyczne |
|---|---|---|---|
5 min | Prosi uczniów o podzielenie się przykładami zjawisk, które zapisali w ramach przygotowania do zajęć. | Uczestniczą w dyskusji: Pytania kluczowe: Co to jest energia? Jakie jej formy znacie? Czy energia może zniknąć? | Można wykorzystać narzędzia TIK do burzy mózgów; podczas omawiania przykładów z życia codziennego (np. huśtawka, zjeżdżalnia), zachęć uczniów do kategoryzacji przemian (energia potencjalna grawitacji vs. sprężystości), co ułatwi im wybór odpowiedniego projektu w fazie realizacyjnej |
5 min | Wyświetla schemat e‑materiału dostępnym na ZPE pt. „Zasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanie” | Aktywnie omawiają schemat e - materiału, wychwytują zależności | |
5 min | Prezentuje animację zawartą w materiale dostępnym na ZPE pt. „Zasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanie” - animacja rzutu pionowego i przemian energii potencjalnej i kinetycznej | Aktywnie analizują animację - interpretują, formułują wnioski. | |
5 min | Formułuje cele lekcji (wspólnie z uczniami): np. Dziś sprawdzimy, jak działa zasada zachowania energii, zaprojektujemy urządzenie, które magazynuje energię, i przeanalizujemy straty energii. | Formułują cele lekcji | Przy animacji rzutu pionowego wykorzystaj funkcję „stop‑klatki” w najwyższym punkcie toru, aby wizualnie dowieść, że w tym momencie cała energia kinetyczna została zmagazynowana jako potencjalna. |
3 min | Puszcza mały obiekt (np. piłkę, wahadło) i pyta: Dlaczego ten obiekt przyspiesza, jakie będą zmiany energii? | Udzielają odpowiedzi | Krótka demonstracja |
2 min | Wyjaśnia, że zrozumienie zasady zachowania energii pomaga w projektowaniu systemów – np. robotów, sprężynowych napędów, magazynowania energii. | Aktywnie uczestniczą w lekcji, zadają pytania, dyskutują. | Podczas pokazu z upuszczaniem piłki, wprowadź pojęcie energii wewnętrznej (ciepła) jako odpowiedzi na pytanie, dlaczego piłka po kilku odbiciach przestaje się poruszać – to przygotuje grunt pod analizę strat energii w doświadczeniu. |
Faza realizacyjna
Czas [min] | Działania nauczyciela | Działania uczniów | Uwagi / wskazówki metodyczne |
|---|---|---|---|
45 min | Pełni rolę mentora | Faza konstrukcji wiedzy / eksperymentalna W tej części uczniowie pracują w grupach, realizując projekty STEM i eksperymenty. Podział na grupy i zadania projektowe:
Zespół A: Wahadło mechaniczne (druk 3D + oś, zawieszenie) Zespół B: Sprężyna magazynująca energię (drukowana sprężyna, kompresja, odbicie) Zespół C: Robot z robota‑zderzacza: robot napędzany sprężyną lub dźwignią, mierzący prędkość po uwolnieniu (np. czujnik pokładowy) Zespół D: Model zderzenia (dwa wydrukowane obiekty), który ukazuje zderzenia sprężyste i niesprężyste oraz stratę energii (np. przez tarcie)
| Zwróć uwagę uczniów na minimalizację tarcia już na etapie projektu (np. odpowiednio szerokie otwory na osie w wahadle Zespołu A), aby ich modele były jak najbardziej zbliżone do układu idealnego. Grupom korzystającym z długopisów 3D doradź wzmocnienie punktów zaczepienia sprężyn, aby uniknąć strat energii wynikających z odkształceń mechanicznych samej konstrukcji Podkreśl wagę precyzyjnego pomiaru masy (m) całego układu drgającego; błąd w tym miejscu uniemożliwi poprawne wyliczenie energii kinetycznej i potencjalnej w dalszej części lekcji W grupach zróżnicowanych (SPE) przydziel rolę „Inspektora Jakości”, który pilnuje stabilności montażu, co pozwoli uczniom z trudnościami manualnymi na aktywny udział w procesie technicznym Zasugeruj użycie smartfonów do nagrywania ruchu w trybie slow‑motion. Analiza klatka po klatce pozwoli uczniom dokładniej wyznaczyć maksymalną wysokość wahadła lub moment maksymalnego rozciągnięcia sprężyny Wprowadź pojęcie sprawności układu: niech uczniowie obliczą stosunek energii końcowej do początkowej, co nada ich analizie charakter inżynierski Zachęcaj do metody prób i błędów (iteracji): jeśli straty energii są zbyt duże, pozwól uczniom na szybką modyfikację modelu (np. dodanie obciążenia lub zmianę filamentu na taki o innej sprężystości) |
Faza podsumowująca
Czas [min] | Działania nauczyciela | Działania uczniów | Uwagi / wskazówki metodyczne |
|---|---|---|---|
10 min | Pełni rolę moderatora. | Dyskutują nad konkretnym zastosowaniem w kontekście realizowanych eksperymentów i codziennego życia; pokazują, czy ich eksperyment potwierdził zasadę zachowania energii i jakie trudności napotkali | Prezentacje grup: Każda grupa krótko (np. 3–4 minuty) prezentuje swój model, wyniki pomiarów, analizy strat energii i proponowane usprawnienia. |
5 min | Kieruje dyskusją podsumowującą zadając pytania: Czy energia w waszych modelach była zachowana? Jakie straty zaobserwowaliście? | Porównują zdobytą wiedzę z definicjami i teorią z ZPE | Refleksja i wnioski; podczas dyskusji o stratach energii, połącz wyniki fizyczne z wiedzą o materiałach (filamencie PLA/ABS), wskazując, jak właściwości chemiczne tworzywa wpływają na tarcie i elastyczność modelu |
5 min | Pełni rolę moderatora. | Oceniają, na ile osiągnęli cele lekcji: przypominają cele operacyjne, porównują stan wyjściowy i to, czego się nauczyli | Wykorzystaj skalę samooceny (1–5) nie tylko do sprawdzenia wiedzy, ale także do zbadania poczucia sprawstwa uczniów w projektowaniu rozwiązań technicznych, co jest kluczowe w edukacji STEM |
Po zajęciach
Propozycja działań dla uczniów, które mają na celu integrację i utrwalenie zdobytej wiedzy
Pytania podsumowujące:
Jakie czynniki powodowały straty energii w waszych modelach?
Jak można zmodyfikować konstrukcję, by zmniejszyć te straty?
W jakich realnych systemach technologicznych zasada zachowania energii spełnia istotną rolę? (np. systemy magazynowania energii, silniki, roboty).
Czy wasze doświadczenia potwierdzają, że „energia nie ginie, tylko się przekształca”?
Projekt długoterminowy:
uczniowie kontynuują projekt rozpoczęty na lekcji: ulepszają swoje modele, drukują kolejne wersje, porównują dane
przygotują krótki raport lub prezentację w formie cyfrowej (prezentacja, film, dokumentacja ze zdjęciami) opisującą projekt, pomiary, wnioski, modyfikacje
integrują wiedzę chemiczną: analizują materiały użyte do druku (rodzaje filamentów, ich właściwości, wpływ na straty energii poprzez tarcie, sprężystość) – badają, jak różne filamenty (np. PLA, ABS) wpływają na efektywność ich urządzeń
Propozycja ewaluacji lekcji i stopnia realizacji zaplanowanych celów edukacyjnych
Nauczyciel prosi uczniów o samoocenę: w skali np. 1–5, jak uważają, czy osiągnęli cele z fazy wprowadzającej.
Nauczyciel zbiera krótkie wypowiedzi, co najbardziej podobało się uczniom i co chcieliby zmienić w przyszłości.
Bibliografia i załączniki
Szczegółowy wykaz elementów e‑materiałów z ZPE wykorzystanych do opracowania scenariusza
Tytuł e‑materiału | Odnośnik | Element e‑materiału |
|---|---|---|
Zasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanie | artykuł „Zasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanie” | |
Przykłady zasady zachowania energii mechanicznej | sekcja „Przykłady zasady zachowania energii mechanicznej” | |
Jak zastosować zasadę zachowania energii mechanicznej w obliczeniach? | Scenariusz: Jak zastosować zasadę zachowania energii mechanicznej w zadaniach” | |
O czym mówi zasada zachowania energii mechanicznej? | Scenariusz: Gdzie jest spełniona zasada zachowania energii mechanicznej? | |
Zasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanie | Niezbędne informacje | |
Przykłady zasady zachowania energii mechanicznej | Przykłady zasady zachowania energii mechanicznej |
Inne niezbędne środki i pomoce dydaktyczne
zorganizować dostęp do drukarki 3D, filamentów (np. PLA), długopisów 3D
mieć gotowe modele do drukowania lub projekty (np. sprężyna, wahadło, mały zderzacz). Jeśli nie ma gotowych modeli, nauczyciel może wcześniej przygotować pliki .stl
przygotować zestaw robotyczny (np. LEGO Mindstorms, micro:bit z silnikiem, motory) i platformę robota do demonstracji konwersji energii (np. robot sterowany przez sprężynę lub dźwignię)