Design en luftraket

Forløbet er et eksempel på, hvordan metoden "trial and error", forsøge og tage fejl, kan bruges som udgangspunkt for at lade eleverne designe og afprøve en raket af papir, drevet alene af lufttrykket fra sammenpresset ½ liter vandflaske. Elevernes erfaringer kobles undervejes sammen med viden om masse, kraft, bevægelser og friktion, samt sammenhænge mellem dem.

Forløbet tager udgangspunkt i kompetenceområderne undersøgelse og modellering.

Forudsætninger, form og indhold

Forløbet er opbygget i følgende fem faser, der tager udgangspunkt i elevernes arbejde med trial-and-error-metoden: 

1. Indledning
2. Udfordring
3. Brainstorm
4. Design og afprøvning
5. Afsluting

Det kan være fornuftigt, at eleverne tidligere:

• har gennemført og lært om kendetegn ved systematiske undersøgelser med observationer.
• har lært om modellers anvendelighed og begrænsninger til at beskrive virkeligheden og naturfaglige forhold.
• har lært om fysiske begreber som masse og kraft, eksempelvis tyngdekraft og friktion.

Trial-and-error-metoden
Dette lille forløb er velegnet til at introducere trial-and-error-metoden og giver et bud på, hvordan metoden kan anvendes til praktisk problemløsning og teknologiudvikling. Metoden kan eksempelvis forklares som en del af ingeniørens arbejdsproces ved praktisk problemløsning af teknologiske udfordringer, herunder beskrevet i 5 faser;

1. Hvad er problemet? Hvad har andre gjort? Hvad kan videnskaben fortælle os? Hvad er kravene?
2. Brainstorm: ideer - vælg den bedste ide.
3. Tegn ideen og vælg materialer.
4. Følg din plan og test den.
5. Lav dit design endnu bedre og test det igen.

Tilrettelæggelse

Forløbet kan anvendes som et lille selvstændigt forløb med fokus på modellers anvendelighed til at anskueliggøre processer og komplekse forhold i forbindelse med udvikling af rumraketter. Det kan også bruges som en del af et længere forløb omhandlende raketter, rumfart eller atmosfæren.

Eleverne kan undervejs i forløbet opleve sammenhænge mellem masse, kræfter og bevægelser, ligesom de kan se resultatet af Newtons tre love i praksis. Såfremt der i forløbet ønskes et større fokus på ovenstående, kan der indledningsvis eller undervejs arbejdes undersøgende med følgende aktiviteter:

• Newton 1. og 2. lov i en simulering fra PHET (engelsk): Forces and motion basics
• Newtons 3. lov (raketprincippet). Her kan eleverne undersøge hvad der sker, hvis to elever siddende på hver deres stol med hjul på skubber til hinanden. Resultatet er et eksempel på aktion = reaktion.

Videoen her viser, hvordan en opsendelsesrampe og luftraket bygges: Videoinspiration fra Test-o-teket
Det anbefales, at videoen i første omgang kun anvendes som baggrund til læreren, da eleverne netop selv skal kunne udvikle deres raketdesign. Opsendelsesrampen kan sagtens genbruges, så andre elever kan anvende den senere hen. 

Forslag til spørgsmål, der kan overvejes inden forløbet:

• Hvordan skal Newtons tre love introduceres og forklares?
• Vil du selv bygge opsendelsesrampen eller lade det være en elevaktivitet?
• Hvilke eksempler på raketopsendelser skal forløbet evt. starte ud med at vise?
• Hvordan skal eleverne introduceres til trial-and-error-metoden?
• Hvad skal elevernes udfordring indeholde?
• I hvilket omfang og for hvilke elever skal udfordringen gøres lettere eller sværere ved at ændre på de materialer, grupperne har til rådighed?
• Hvordan skal grupperne formidle de faglige begreber og naturfaglige sammenhænge, de har diskuteret undervejs i designprocessen?

Forløbets opbygning

Forløbet er opdelt i fem faser:

1. Indledning
Forløbet kan indledes med at vise udvalgte eksempler på raketopsendelser. Desuden skal "Trial and errror"-metoden introduceres til eleverne.

Eleverne kan på baggrund af videoerne diskutere, hvilke udfordringer man skal tage højde for, når en rumraket skal designes til at kunne lette og flyve op gennem Jordens atmosfære, eksempelvis tyngdekraft og friktion (luftmodstand).

2. Udfordring
Herefter kan udfordringen ”Design en luftraket” præsenteres samtidig med, at materialerne til at løse udfordringen introduceres sammen med en forklaring på, hvordan opsendelsesrampen bestående af elektrikerrør og vandflaske virker. 

Udfordringen kan se ud som følger:

• Problemet: I grupper skal I bygge en luftraket, der kan flyve så højt op som muligt.
• Begrænsede materialer: Eksempelvis reklamer, et stykke karton, tape, saks,
• Krav: Trail-and-error skal anvendes som metode, og eleverne skal efterfølgende kunne forklare deres endelige raketdesign ved at inddrage viden om masse, kraft, bevægelser og friktion, samt sammenhænge mellem dem.

3. Brainstorm
Grupperne kan nu brainstorme og derefter tegne en skitse af en luftraket, de mener bedst vil kunne anvendes til opsendelsesrampen og derved udnytte det lufttryk, der opstår, når en luften i ½ liter vandflaske presses gennem et smalt elektrikerrør.

I tilfælde af at opsendelsesrampen er bygget i forvejen, kan eleverne eventuelt diskutere følgende:

• Hvad skal plastikflasken bruges til?
• Hvorfor ser affyringsrampen sådan ud?

Eleverne kan til sidst kort samles til en snak om at afprøvning af fejl, hvilket er godt i en designproces, da erfaringerne kan bruges til at forberede designet – særligt hvis det gøres systematisk.

4. Design
Eleverne kan herefter arbejde videre med at udvikle det bedste raketdesign. Sæt gerne en deadline - processen kan i princippet vare fra 90 minutter til en hel dag.

Hvis det er nødvendigt, kan gruppen undervejs hjælpes på vej gennem åbne spørgsmål, eksempler på disse kan være

• Hvordan kan der sikres størst mulig overførsel af kraft fra opsendelsesrampen til raketten?
• Hvilken betydning har rakettens masse, i forhold til den kraft der overføres?
• Hvordan sikres mindst mulig friktion med affyringsrampen?
• Hvilken raketform giver størst mulig stabilitet og samtidig mindsker friktionen med den atmosfæriske luft?

Hvis eleverne har svært ved at inddrage relevant viden om masse, kraft, bevægelser og friktion, samt sammenhænge mellem dem, kan grupperne med fordel holde en pause fra deres designproces, med henblik på at få ny viden som de kan anvende i det videre arbejde. Denne viden kan erhverves ved et læreroplæg eller ved at lade eleverne arbejde med de praktiske undervisningsaktiviteter om Newtons love, beskrevet i afsnittet "Tilrettelægggelse".

Inden eleverne i næste fase opsender deres endelige bud på et raketdesign, forbereder og formidler gruppen de faglige begreber og naturfaglige sammenhænge, som de har diskuteret undervejs i designprocessen, samt deres hvordan de har arbejdet med trial and error metoden.

5. Afslutning
Som afslutning kan klassen lave en lille konkurrence/evaluering, for at se hvilken gruppe, der har lavet det bedste design, eksempelvis ud fra følgende to vurderingskriterier:

• Den raket som kom højest.
• Bedste naturfaglige argumentation for raketdesign.

Evaluering

Den afsluttende undervisningsaktivitet kan anvendes som evalueringsopgave i forhold elevernes læringsudbytte.

Der kan efter gennemførelsen af forløbet sættes fokus på spørgsmål som:

• I hvilket omfang var eleverne i stand til at inddrage relevant viden om masse, kraft, bevægelser og friktion, samt sammenhænge mellem dem?
• Hvordan fungerede forløbets fem faser i forhold til hinanden?
• Blev der differentieret mellem gruppernes udfordringer, så alle blev udfordret på deres niveau?
• Hvordan kan erfaringer med trail-and-error-metoden bruges i planlægningen af fremtidige forløb?