Wynalazki

Potrzeba matką wynalazku. Gdy praca sprawiała ludziom trudność szukali sposobu by ją sobie ułatwić. Im trudniejsza była praca tym większe było zapotrzebowanie na pomysły.

Genialny wynalazek tylko w jednej setnej składa się z natchnienia, w 99 procentach tworzy go praca w pocie czoła.
Tomasz Alva Edison

Przedstawiam tutaj historię powstawania niektórych wynalazków. Proces ich powstawania jest naturalny jak naturalny jest ogólny proces myślenia. Przedstawienie dzieciom (już w przedszkolu) historii wynalazków można dokonać jako serii sytuacji problemowych, w których dzieci (pod kontrolą dorosłych) mogą samodzielnie dochodzić do współczesnych osiągnięć techniki. Proces wprowadzania do przedszkola wynalazków nie jest trudny – o ile pozwala się dzieciom samodzielnie doświadczać trudów pracy pierwszych ludzi – przy użyciu prostych narzędzi, a także zachęca się dzieci do odkrywania, w tym również odkrywania świata skansenów i muzeów w aktywny sposób.

Poniższe informacje przedstawione tylko w formie słownej na nic się zdadzą jeśli skierowane są dla przedszkolaków! Werbalna forma, najlepiej oparta o obraz najlepiej nadaje się dla uczniów klas szkoły podstawowej. Powstaje pytanie co oznacza forma działania – w tym przypadku istotne jest by uczniowie mieli możliwość sprawdzić każdy etap od początku samodzielnie. Rolą nauczyciela będzie dopytywanie się o uczucia, emocje towarzyszące dzieciom, które wykonują pracę z zastosowaniem aktualnych narzędzi; dopytywanie się o to co by się przydało i co by zmieniły w aktualnym narzędziu. Poza tym istotne jest by nauczyciel podsumowywał wypowiedzi dzieci.

Metodykę wprowadzania dzieci do świata urządzeń technicznych. Wprowadzając dzieci do świata urządzeń trzeba zacząć od wyjaśniania im podstawowej funkcji. Aby ją jednak dobrze zrozumieć dzieci powinny (zanim zobaczą urządzenie) wykonać pracę jaką ono wykonuje bez niej, a więc rękoma np. gdy chcemy pokazać jak działa kosiarka, należy zachęcić dzieci by samodzielnie ścięły traw. W trakcie prac wprowadzimy zaostrzony kijek czy płaski kamień. Potem przejdziemy do pokazania dzieciom bardziej zaawansowanych narzędzi (noża, sierpa czy kosy) – niekoniecznie muszą z nich korzystać. Następnie zbudujemy na ich oczach (i z ich pomocą) proste modele wykorzystujące maszyny proste (np. wykorzystujące kołowrotek). Po wykorzystaniu skonstruowanego modelu (np. wzorującego się na wentylatorze) będziemy mogli zbudować model zelektryfikowany (np. taki jak ten z mikserem). Na koniec, gdy dzieci poznają już funkcję urządzenia pokażemy im prawdziwą kosiarkę i porównamy ją do wykonanego przez nas modelu. Działania te zobrazowałem na następującej ilustracji:

Struktura podłużna budowania wiedzy technicznej

Obok pokazywania coraz to bardziej zaawansowanych narzędzi i urządzeń warto pokazywać wielość zastosowań kolejno: dłoni, narzędzia, prostej maszyny i urządzenia elektrycznego (np. silnika). To z kolei pokazuje pokazałem na kolejnym ilustracji:

Budowanie ustrukturalizowanej wiedzy technicznej u dzieci

Powyższą metodykę dokładnie przedstawiłem w:

Jelinek J.A., Budowanie ustrukturalizowanej wiedzy technicznej u dzieci przedszkolnych i szkolnych, w: Małe dziecko – dużo pomysłów. Wybrane obszary wspomagania rozwoju dziecka, red. R. Piotrowicz, M. Walkiewicz-Krutak, Warszawa, Wydawnictwo Akademii Pedagogiki Specjalnej, 2016, s. 271-293.

Praktyczne zastosowanie mojej koncepcji przedstawiam od wielu lat w artykułach na łamach czasopism oraz wielu rozdziałach monografii (więcej: moje publikacje). Niżej przedstawiam przykładowe zajęcia.

Historia koszenia

Nóż – początkowo do cięcia zbóż czy pszenicy wykorzystywano noże. Niestety okazały się one niewygodne w wykorzystaniu. By ściąć łodygę trzeba się mocno schylić. Praca ta była powolna i męcząca.
Sierp – wymyślono, że więcej łodyg zetnie się jeśli wykorzysta się dłuższy nóż w dodatku zaokrąglony (co ułatwia cięcie przy odpowiednim ruchu sierpem). Nadal jednak pracownik musiał się mocno schylać by ciąć.
Kosa – wymyślono więc dłuższą rączkę, dodano też dłuższy nóż. W ten sposób koszący mógł stojąc (wygodna pozycja) ścinać za jednym razem więcej łanów zboża. Praca kosą okazała się bardzo efektywna (wykorzystywano ją jeszcze w XIX wieku).
Kosiarka ręczna – o cięciu roślin zaczęto myśleć inaczej – wymyślono urządzenie które popychano, w ten sposób, że koło poruszało obrotowy nóż tnący.
Kosiarka automatyczna – czynność „popychania” kosiarki również była ciężka, dlatego starano się ją zautomatyzować, wymyślono silnik, który nie tylko obracał nóż tnący ale także sprawiał, że maszyna sama jechała do przodu.
Kombajn – równolegle do czynności koszenia (szczególnie zbóż) starano się włączyć inne czynności, którym są wykonywane ze zbożami (tj. młócenie). Dotychczas zebrane zboże zwożono do stodoły, gdzie je młócono, (wydzielano ziarna). Kombajn wykonuje obie czynności jednocześnie – kosi zboże i oddziela ziarna. W ten sposób z pola wyjeżdża traktor ze zbożem i osobno z sianem.

Historia przedłużania dnia

Słońce – dzień trwa tyle ile słońce utrzymuje się na niebie, czyli od wschodu do zachodu. Latem dnia jest więcej (około 16 godzin), zimą mniej (około 8 godzin). Pierwsi ludzie nie potrafili wydłużać dnia, dlatego też zasypiali przy zachodzie, a budzili się przy wschodzie słońca.
Ogień – dopiero gdy człowiek opanował ogień (nauczył się bezpiecznie z niego korzystać) wtedy też zaczął przedłużać dzień. Wieczorem rozpalał ognisko, przy którym mógł się ogrzać i zrobić ciepły posiłek. Gdy chciał zasnąć gasił – zasypywał piaskiem lub zalewał wodą palenisko. Jednak gdy wieczorem spadał deszcz gasił ognisko i znowu było ciemno. Początkowo ludzie nie potrafili przenosić ogniska – dlatego też widno było tylko tam gdzie rozpalił ogień.
Pochodnia – ktoś wpadł na pomysł by wziąć tylko jedną z desek z ogniska o chodzić z nią. Tam gdzie poszedł było jasno. Jedna przenoszenie ognia było trudne. Mały wiatr i deszcz powodował, że ogień gasł. Teraz jednak człowiek potrafił przenosić ogień. Z czasem nauczył się, że kij owinięty szmatą zamoczoną w (np.) alkoholu łatwo się pali. Mimo to przenoszenie w taki sposób ognia powodowało wiele wypadków, w których osoby niosący pochodnię oparzyli się.
Świeca – pewien człowiek, wpadł na pomysł by zatopić sznurek w wosku (lub parafinie). Podpalony sznurek palił się dłużej, a świecę postawioną na podstawce można było łatwo przenosić. Ta jednak także pod wpływem wiatru szybko gasła. Potrzebna było coś co ochroni płomień świecy od wiatru.
Lampa naftowa i znicz – człowiek [Łukasiewicz, 1853] zastosował szkło do tego by chronić ogień. Pozostawił on również otwór by ogień mógł trawić niezbędny do spalania tlen. W tej lampie zastosowano również paliwo, dzięki któremu nie trzeba było zmieniać całej lampy świecy na nową, a wystarczyło dolać nafty by przedłużyć palenie się ognia. Nafta nasiąkała w sznurek i spalała się u jego wyjścia. Wybrano naftę dlatego, że pali się bardzo długo, jednak pozostawiała wiele nieprzyjemnego zapachu.
Latarka – wciąż poszukiwano innego – tańszego sposobu na przedłużanie dnia. Ktoś przez przypadek wrzucił do ognia kawałek metalowego drutu i zobaczył jak ten zaczyna świecić. Drut był gorący więc trudno go było utrzymać w rękach, ale wyjęto go za pomocą szczypców. Wyjęty z ognia zaraz ostygł i przestał świecić. Wymyślono sposób jak przedłużyć nagrzewanie się drutu – pozostawiano go w napięciu elektrycznym wytwarzanym przez baterię. Tu też jednak pojawił się problem drut zbyt szybko się spalał. Zamknięto więc żarzący się drut w szkle bezpowietrzna. Bez dostępu do tlenu drut się palił, ale nie spalał. Tak powstały żarówki.
Dioda – rozgrzany minerał zatopiony w kolorowym plastiku. Lampy neonowe – współczesne lampy zamiast nagrzewających się drucików mają palący się gaz (neon – stąd nazwa) lub kryształ.

Transport wodny

Dłoń – by zaczerpnąć wody i przenieść ją do ust lub dalej, wykorzystywano dłoń. Składano ją w taki sposób by zmieściła się na niej jak największa ilość wody. Niestety, w dłoni zmieściła się niewielka ilość wody, dlatego poszukiwano narzędzi, które pozwolą zgromadzić większa jej ilość.
Wiaderko i worki – to narzędzia które przypominają historyczną tykwę czy sakwę. Były one pierwszymi narzędziem do transportowania wody.
Beczki, konewki, butelki, strzykawki, gąbki – pojawiły się później i służyły różnym celom – jedne do przechowywania, drugie do rozlewania, trzecie jako podręczne pojemniki na wodę, itd. Wszystkie one musiały być napełniane, ponieważ gromadziły tylko pewien zapas wody.
Rynny – stanowiły sposób na transportowanie małej ilości wody przez dłuższy czas. Rzeźbione w drewnie przypominały koryta rzeki. Powstaniu rynien towarzyszyło wiele trudności technicznych, np. fakt, że przenoszenie wody na duże odległości wymagało ciągłego spadu poziomu rynny tak, by woda mogła cały czas spływać w dół (nawet pod niewielkim kątem) – problem ten rozwiązali rzymianie budując słynne akwedukty.
Dziś służą do doprowadzania i odprowadzania wody w mieście, a także odprowadzania wody deszczowej (kanalizacje).

Historia komunikacji na odległość

Mowa ludzka – gdy mówię głośno słychać mnie daleko, jeszcze dalej gdybym mówił nad wodą (woda odbija fale dźwiękowe i niesie dźwięk daleko). Jednak mimo to zasięg dźwięku ludzkiej mowy jest ograniczony.
Gong – to narzędzie które stosowano by przekazać informację. Niestety dźwięk gongu jest taki sam, za każdym razem (jednostajny), nie można go zmienić dlatego też służy przekazaniu tylko jednej, umownej informacji.
Światło – ogniska (Indianie), później latarki (alfabet Morsa) pozwalało na wprowadzenie wielu ustalonych sygnałów (np. ktoś na atakuje – pionowe ruch włączoną latarką; inne: poziomy, kołowy ruch i ich kombinacje). Światło także stanowiło niewielką liczbę przekazów.
Telegraf – wprowadził dużą zmianę w porozumiewaniu się na odległość. Za pomocą impulsów elektrycznych przekazywanych przez rozciągnięty drut telegrafista mógł wysłać skomplikowane wiadomości. Niestety, by wysyłać wiadomości osoba musiała znać się na specjalnym kodzie.
Telefon i faks – ten bezpośrednio przekazywał, na bieżąco ludzka mowę na odległość. Nie wymagał też dużych umiejętności, choć był kosztowny i jego założenie trwało długo ze względu na czas położenia kabla telefonicznego.
Telefon komórkowy – pozwala obecnie bezprzewodowo za cyfrowym pośrednictwem łączyć się z jakąkolwiek osobą na Ziemi.

Historia przesyłania przedmiotów na odległość

Zanieść osobiście – początkowo by dostarczyć przesyłkę pewnej osobie, trzeba było jej osobiście to przekazać. Pokonywanie dużych odległości wymagało czasu i było męczące.
Kurierzy piesi – tę męczliwą czynność zaczęli wykonywać opłacani za przekaz kurierzy. Zanosili oni paczkę w imieniu nadawcy.
Poczta – osoby, które przenosiły paczkę zawodowo, założyli firmę. Od tej pory starali się wykonać jak najwięcej zleceń (jak najwięcej paczek donieść), dlatego też wykorzystywali konie (kurierzy konni), samoloty (poczta lotnicza, poczta sterowcowa), a także zwierzęta tj. gołębie pocztowe.
Dziś wykorzystuje się rowery i samochody.Urządzenia – oprócz wykorzystywania ludzi i zwierząt, stosowano urządzenia do przesyłania paczek, w tym celu służyła taśma przesyłowa czy poczta pneumatyczna – do rury wkładano specjalną paczkę, którą wysysało powietrze i przesyłało do adresata (przykład takiej poczty znajduje się w Moskwie, pod rzeką Moskwa).
Poczta elektroniczna – dziś listy wysyła się elektronicznie za pomocą komputera, nazywa się je mejlami.

Transport rzeczny

Pływająca belka – by unosić się na wodzie początkowo wykorzystano swobodnie pływające belki. Płynącą po rzece trudno jednak było sterować.
Tratwa – kilka złączonych belek stanowiło tratwę. By ustalić kierunek i nadać prędkość łodzi wykorzystywano deski jako wiosła i steru. Problemem dla flisaków była woda, ponieważ tratwa nie miała ścian bocznych (zwanych burtami) i powodowała, że marynarze często byli mokrzy.
Czółno, kajak, łódka – zbudowane z drewna konstrukcje zaczęto formować tak by z przodu rozbijały fale (dziób), a z tyłu można było nimi sterować (ster). Zbudowano także kotwice i cumę do zatrzymywania łodzi przy brzegu.
Statek – współczesne statki wyposażone są w różne rodzaje napędów (żagiel, silnik parowy, spalinowy i elektryczny). Ich burty są wysokie i przystosowane do wysokich fal.

Jak się schłodzić?

ruch ręką -jest ciepło., bardzo ciepło., za ciepło, żeby było nam wygodnie. chcemy się schłodzić, ale w jaki sposób? Niektórzy z nas zaczynają machać rękoma. Ruch powietrza – wiatr rzeczywiście sprawia, że jest nam miło. Ale jak wytwarzamy ten wiatr? Jak układamy nasze dłonie, żeby powstał wiatr? Dlaczego palce ustawiamy blisko siebie, dlaczego są zwarte? Nie mogą być rozstawione szeroko…? Sprawdźcie kiedy lepiej. Każdy z nas już wie kiedy jest lepiej. Dla jednych lepiej jest wtedy kiedy nasze dłonie są zwarte, inni nie widzą różnicy. Ale wszyscy chcemy aby było nam jeszcze chłodniej.
kartka papieru -do czego sięgamy? Przyjrzyjmy się naszym dłoniom. Jeśli popatrzymy na nie z boku wydają się one płaskie. Płaskie jak kartka papieru [format a4]. Sprawdźmy czy kartka papieru jeszcze lepiej zadziała? Czy wytworzy więcej wiatru?… Co się stało? Wiatr był? Rozumiem, że mieliście problemy ze zginaniem się kartki. Kartka jest zbyt giętka. Może ją złóżmy na pół aby była twardsza i teraz sprawdźmy jak się sprawdza. Jest znacznie lepiej. Jest więcej wiatru lepiej się czujemy, ale podejrzewam, że kiedy będziemy tak machać kartką papieru przez dłuższy czas nasze ręce opadną ze zmęczenia.
Sprawdźmy zatem jak wyglądają współczesne urządzenia, które pozwalają nam się schłodzić. Jednym z nich jest wentylator [pokaz wentylatora]. Przyjrzyjmy się w jaki sposób to urządzenie wytwarza ruch powietrza [włączenie wentylatora]. Na podstawie obserwacji wentylatora możemy dojść do wniosku, że odpowiednio ułożone łopaty będą mogły przesuwać powietrze, a więc tworzyć wiatr.
model wiatraka -zbudujmy podobny układ łopat wbijając do plasteliny wycięte z papieru kawałki. Chcę, abyście zrobili to sami – obserwując to jak wyglądają łopaty wentylatora. Najpierw wytnijcie z papieru niewielkie łopaty [nożyczki, sztywny papier]. Z plasteliny zróbcie kulkę, a następnie do tej plasteliny wbijcie pod odpowiednim kątem wycięte łopaty wiatraka. Na koniec wbijcie w grudkę plasteliny patyczek [patyczek po szaszłykach] i sprawdźcie czy obracając w palcach patyczkiem czujecie na twarzy wiatr. [sprawdzenie]. Jeśli nie to przypatrzcie się raz jeszcze jak wyglądają łopaty wiatraka i poprawcie swój model.W wykonanym przez was modelu wiatraka cały czas musimy pracować rękoma, żeby wytwarzać wiatr. Tymczasem siła wiatru którą wytwarzamy jest opłakana. Zgodzicie się. Myśmy znaleźć lepsze rozwiązanie, choć początek wiatraka już jest. Mamy łopaty teraz szukamy pomysłu, który pozwoli nam zwiększyć ruch wiatru oraz zmniejszyć naszą prace. Proponuję do patyczka przywiązać sznurek za pomocą kawałka taśmy [taśma, nożyczki, sznurek]. Teraz wkładając patyczek do dłoni i układając sznurek między palec środkowy i serdeczny, możemy delikatnie pociągnąć sznurek wprawiając w ruch wiatrak. Nie jest to jeszcze rewelacja, ale stanowi początek do stworzenia własnego wentylatora. Po sprawdzeniu zwińmy sznurek.Dla naszej wygody włóżmy patyczek ze sznurkiem do pojemnika [pojemniki plastikowe z otworami] w taki sposób, aby sznurek przechodził przez otwór. W ten sposób otrzymujemy wygodne dla nas mocowanie wentylatora. Wystarczy trzymać w dłoni pojemnik i pociągnąć za sznurek. Nasz wentylator powinien zadziałać. Im dłużej ciągniemy za sznurek tym dłużej wiatr na nas wieje. Teraz wystarczy zwijać sznurek (kołowrotek). Wciąż w naszym urządzeniu wykorzystujemy siłę naszym mięśni. Cały czas możemy czuć się zmęczeni gdy będziemy wciąż tylko zwijać i ciągnąć za sznurek. Chcielibyśmy aby nasza praca była jeszcze łatwiejsza, abyśmy się mniej pracowali. Żeby tego dokonać musimy na przykład zastąpić czynność ciągnięcia sznurka jakimś ciężarem. Żeby to zrobić na końcu sznurka zawiążemy siateczkę [siateczka], do której włożymy 5 kasztanów [5 kasztanów]. Sprawdźmy jak teraz działa nasz wiatrak. Czynność ciągnięcia w dół zastąpi teraz ciężar jaki tworzą kasztany. Wiatr wydaje się słaby, dlatego może zwiększmy jego moc dodając jeszcze 10 kasztanów [10 kasztanów]. Teraz wiatr jest mocny i silny. Wciąż pozostaje jednak pytanie co zrobić ze zwijaniem sznurka. Pokażę teraz model podwójnego kołowrotka, w którym są dwa sznurki przymocowane do patyczka. Jeden jest już zwinięty drugi rozwinięty. Jeśli podczas kręcenia zwijają się one w odpowiedniej odległości od siebie to pomysł ten jest kolejnym pomysłem racjonalizatorskim, a więc drogą jaką przechodzi każdy wynalazca gdy tworzy nowe urządzenie – udoskonala je. Przejście tej procedury z dziećmi jest niezbędna do tego, aby pokazać im jak ważne jest dostrzeganie problemu. Problemem w wynalazku wiatraka był: naśladowanie już gotowych fragmentów urządzenia, kołowrotek (który musieliśmy pokazać dzieciom ponieważ brakuje im w tym doświadczenia), mocowanie drewnianego patyczka w dwóch otworach pojemnika (to również wynika z doświadczenia).
Wentylator elektryczny. Ostatnim elementem konstrukcji urządzenia po porównaniu go z urządzeniem które wykorzystuje się dzisiaj jest wprowadzenie układu elektrycznego, czyli zautomatyzowanie całej czynności. Nasz model – plastelinę z łopatami można przymocować do miksera i zaprezentować jaki daje to efekt [mikser].

Historia silnika powietrznego

wachlarz – siła mięśni powoduje ruch powietrza – wiatr (ruch powietrza to wiatr)
wiatrak papierowy – kręcenie skrzydłami wiatraczka papierowego powoduje tworzenie się lekkiego wiatru
wachlarz – siła mięśni powoduje ruch powietrza – wiatr (ruch powietrza to wiatr)
wiatrak papierowy – kręcenie skrzydłami wiatraczka papierowego powoduje tworzenie się lekkiego wiatru
wiatrak elektryczny – energia elektryczna zamieniana jest w silniku na ruch skrzydeł, przez co tworzy się wiatr (wiatrak elektryczny)
suszarka – podobnie jak w przypadku wiatraka elektrycznego – silnik powoduje ruch skrzydeł, przez co tworzy się wiatr, a pod wpływem nagrzewania się specjalnych drutów powietrze, które wychodzi z wiatraka jest ciepłe
odkurzacz – energia elektryczna w silniku również powoduje ruch skrzydeł, tyle tylko, że tym razem silnik jest odwrócony i zamiast wyrzucać powietrze to je wsysa do środka, a przy okazji różne śmieci (odk urzacz)
silnik odrzutowy – podobnie jak przy odkurzaczu silnik odrzutowy wsysa powietrze, przy czym robi to tak szybko i tak dużo powietrza przez siebie „przepuszcza”, że powoduje ruch całego samolotu. (w podobny sposób działa „silnik odrzutowy” z balona)

Więcej na ten temat napisałem w artykułach na łamach czasopism (zobacz: moje publikacje) oraz wielu rozdziałach monografii, oto przykładowe:

Jelinek J.A., Budowanie ustrukturalizowanej wiedzy technicznej u dzieci przedszkolnych i szkolnych, w: Małe dziecko – dużo pomysłów. Wybrane obszary wspomagania rozwoju dziecka, red. R. Piotrowicz, M. Walkiewicz-Krutak, Warszawa, Wydawnictwo Akademii Pedagogiki Specjalnej, 2016, s. 271-293.
Jelinek J.A., Edukacja techniczna starszych przedszkolaków w domu i w przedszkolu, w: Starsze przedszkolaki. Jak skutecznie je wychować i kształcić w przedszkolu i w domu, red. E. Gruszczyk-Kolczyńska, Kraków: Wydawnictwo CEBP, 2014, s. 257-275.