بناء نموذج ليد إنسان كرتونية 

• المادة: علوم
• المرحلة (الصفوف): ابتدائي (سادس)/ متوسط (ثاني)
• الوحدة: أجهزة جسم الإنسان (الجهاز الهيكلي)
• مدة النشاط: 45 - 90 دقيقة
• المفاهيم العلمية المستهدفة: المفاصل، الأوتار ، العظام
• إعداد وترجمة: رائف بودريس

الفكرة العامة للنشاط:

ستقوم في هذا النشاط بتصميم وبناء نموذج ليد إنسان باستخدام أدوات بسيطة واختبارها للقيام بأنشطة مختلفة مثل الإمساك والمصافحة وربما الرسم! للإجابة على كيف تعمل يد الإنسان؟ ومما تتركب تشريحيًا؟

الأدوات المطلوبة في النشاط:

• ماصات بلاستيكية
• ورق كرتون كبير الحجم
• خيوط صوف
• مسدس صمغ
• مسطرة
• قلم رصاص
• قلم تحديد (ماركر)
• مقص
• مشرط
• كرة أو قارورة ماء بلاستيكية (للاختبار)
• أشرطة مطاطية (اختياري)
• أعواد المثلجات (اختياري)

الخلفية العلمية للنشاط:

باستخدام المواد المقترحة في هذا النشاط، يجب أن تكون قادرًا على بناء يد كرتونية يمكنها التقاط أشياء صغيرة وخفيفة الوزن. قد يكون من الأسهل التقاط الأشياء التي تكون إسفنجية أو ذات قوام خشن (مثل الفلين) من الأشياء الصلبة والملساء (مثل كرة تنس الطاولة). وقد تجد صعوبة في التقاط الأشياء الثقيلة (مثل كوب مصنوع من السيراميك) لأن الماصات البلاستيكية والورق الكرتوني ليس قويًا بما يكفي وسوف تنحني للخلف. يعتمد شكل وتنوع الأشياء التي يمكنك التقاطها بشكل كبير على عدد أصابع اليد وكيفية ترتيبها. ولذك نجد أن شكل اليد أو الأرجل يختلف من كائن إلى آخر حسب الوظائف التي يقوم بها في بيئته، وهذا يرجع إلى التكيّف في التركيب.

وتتكون يدك من عظام وعضلات ومفاصل وأوتار. توفر العظام الهيكل الصلب لليد، مثل الماصة البلاستيكية وأعواد المثلجات في هذا المشروع. كما توفر المفاصل أماكن لثني الأصابع، مثل الطيات الموجودة بين سلاميات أصابع اليد. بينما تسحب الأوتار المفاصل لتجعل الأجزاء المختلفة تنثني، تمامًا مثل الخيط الصوفي المستخدم في اليد الكرتونية. 

يعمل العلماء والمهندسون والأطباء معًا لتطوير أجزاء اصطناعية من الجسم كبديل للأشخاص الذين فقدوا أعضاء أو أطرافًا بسبب الحوادث أو المرض. جرّب البحث على الإنترنت عن أنواع أخرى من الأطراف الاصطناعية والأعضاء التي تم تطويرها. قد تندهش مما تجده!

خطوات البناء:

1) ارسم مخططًا لليد على ورق الكرتون باستخدام قلم الرصاص ومن ثم قلم التحديد. ثم قم بأخذ القياسات التفصيلية لأجزاء باستخدام المسطرة. يمكنك بناء يد أكبر من حجم يدك العادية بالضعف إذا أردت ذلك

2) قم بقطع حدود اليد على ورق الكرتون باستخدام المشرط للحصول على الشكل أدناه.

3) قم بصنع مقبضًا باستخدام أجزاء ورق الكرتون بحيث يمكن ليدك الدخول في ذلك المقبض بسهولة.

4) الصق المقبض في نموذج اليد باستخدام مسدس الصمغ بحيث يكون المقبض بين بداية منطقة الساعد ورسغ اليد.

5) قم بطي المناطق في اليد الكرتونية التي تتواجد فيها المفاصل. مثل مفاصل الأصابع بين السلاميات.

6) يمكنك الآن إضافة أجزاء من أعواد المثلجات الخشبية ولصقها على كل سلامية لتحصل على يد أقوى إذا أردت ذلك.

7) قم بقطع الماصات البلاستيكية إلى أجزاء صغيرة، ثم الصق كل جزء فوق كل سلامية. ثم قم بقطع أجزاء متوسطة من الماصات البلاستيكية لكي تمثل عظام مشط اليد.

8) ادخل الخيوط الصوفية بعد أخذ قياساتها وقطعها، وتأكد من تثبيتها جيدًا ومرورها عبر أجزاء الماصات البلاستيكية.

سؤال: ماذا تمثل الخيوط الصوفية في نموذج اليد الكرتونية؟

9) يتميز إصبع الإبهام ببنية تشريحية مختلفة عن بقية أصابع اليد، قم بعمل ثقب أسفل إصبع الإبهام كما في الشكل أدناه.

سؤال: ما سبب اختلاف إصبع الإبهام عن باقي أصابع اليد؟

10) قم بإلصاق ثلاثة أجزاء صغيرة من الماصات البلاستيكية في الجهة الأخرى لليد الكرتونية كما في الشكل أدناه.

11) اربط نهايات الخيوط الصوفية جيدًا لتكون على شكل حلقات يمكن أن تدخل في أصابع يدك بشكل صحيح وثابت.

12) قم باختبار نموذج اليد الكرتونية من خلال محاولة الإمساك بالكرة أو قارورة ماء بلاستيكية أو أي جسم أمامك.

سؤال: كيف وجدت عمل اليد الكرتونية؟ وكيف تحسّن من عملها للإمساك والقيام بوظائف أخرى؟ 

ربط النشاط بواقع الحياة

الأطراف الاصطناعية عبارة عن أجهزة من صنع الإنسان مزروعة أو مدمجة في الإنسان لتحل محل جهاز طبيعي فُقد نتيجة حادث أو عيب خلقي بغرض استعادة وظيفة محدّدة أو مجموعة من المهام قد تعود المريض إلى الحياة الطبيعية قدر الإمكان. وتاريخيًا كان الهنود وقدماء المصريين يستبدلون أطرافهم في حالات الإصابة والحوادث في المعارك بأطراف اصطناعية من الخشب أو الذهب أو المعادن الأخرى.

كيف حدث التكامل بين مجالات STEM في هذا النشاط؟

*العلوم: التعرف على البنية التشريحية لعظام اليد، والتمييز بين المفاصل والأوتار والأربطة.

*التقنية: استخدام أنواع المواد والأجسام من حيث مرونتها وقوتها لبناء يد مشابهة ليد الإنسان، كما يمكن الاستفادة من التقنيات الجديدة كالطابعة ثلاثية الأبعاد لتصميم وصنع أطراف فعالة.

*التصميم الهندسي: مراحل عملية التصميم الهندسي لبناء التحديات والمشاريع المطلوبة.

*الفنون: استخدام أدوات فنية ومواد مرنة كالإسفنج لتمثل العضلات والأنسجة الدهنية فوق اليد الكرتونية.

*الرياضيات: حساب أبعاد وأطوال أصابع اليد والخيوط، والتعرف على التناسب الصحيح والطبيعي بين أصابع اليد.

كيف ننمي مهارات التعلم للقرن الواحد والعشرين في هذا النشاط؟

*التعاون: تقسيم طلاب الفصل إلى مجموعات وتوزيع الأدوار على كل عضو.

*التفكير الإبداعي: تقوم كل مجموعة بتوليد أفكار لتطوير وتحسين عمل اليد الكرتونية، أو استخدام سكامبر SCAMPER لصنع يد كرتونية مختلفة.

*التفكير الناقد: اختيار فكرة جديدة والعمل عليها بعد دراستها وتحليلها، والإجابة على أسئلة التفكير الناقد والتأمل حول موضوع النشاط، وتقييم نماذج المجموعات الأخرى اعتمادًا على بطاقة تقويم الأداء المصممة من قبل المعلم.

*التواصل: عرض نموذج اليد الكرتونية الخاص بكل مجموعة أمام باقي المجموعات الأخرى أو في المعارض أمام الجمهور باستخدام التواصل اللفظي وغير اللفظي.

التحديات والمشاريع المطلوبة:

• قم ببناء يد كرتونية باستخدام الأشرطة المطاطية بدلًا من الخيوط الصوفية، كيف يؤثر ذلك على عمل اليد؟
• قم ببناء يد كرتونية بإضافة أصابع أو حذفها ومقارنتها بعمل اليد التي تحتوي على خمس أصابع.
• استخدم موقع TinkerCad لتصميم يد ثلاثية الأبعاد وطباعتها إن أمكن ذلك.
• قم ببناء يد كرتونية ضخمة مشابهة لتلك اليد عند المصابين بمرض العملقة.

المصادر:

https://www.youtube.com/watch?v=Etow1QnrANg&ab_channel=YoungDIY

https://www.instructables.com/DIY-Cardboard-Robotic-Arm/

https://www.sciencebuddies.org/stem-activities/build-a-robot-hand

https://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D8%B1%D8%A7%D8%AD%D8%A9_%D8%AA%D8%B1%D9%82%D9%8A%D8%B9%D9%8A%D8%A9

 

بناء نموذج لآلة التفاعل المتسلسل

• المادة: علوم
• المرحلة (الصفوف): ابتدائي (خامس)/ متوسط (ثاني)
• الوحدة: تحوّلات الطاقة
• مدة النشاط: 45 - 90 دقيقة
• المفاهيم العلمية المستهدفة: الطاقة، المرونة ، تحوّلات الطاقة
• إعداد وترجمة: رائف بودريس

الفكرة العامة للنشاط:

ستقوم في هذا النشاط بتصميم وبناء نموذج لآلة التفاعل المتسلسل باستخدام أدوات بسيطة ودراسة انتقال الطاقة من مكان إلى آخر! للإجابة على كيف يمكنك الاستفادة من هذا النموذج وتطبيقه في ابتكار لحل مشكلة ما؟

الأدوات المطلوبة في النشاط:

• 50 أعواد مثلجات (يفضّل كبيرة الحجم ومرنة)
• 4 أقلام ملونة على الأقل (ماركر)
• صمغ خشب
• كاميرا جوال (اختياري)

الخلفية العلمية للنشاط:

ربما لاحظت أنه كان عليك ثني أعواد المثلجات لبناء السلسلة في هذا النشاط، فمع كل إضافة قطعة من أعواد المثلجات، أنت في الأصل تقوم بإضافة طاقة كامنة تتمثّل في المرونة الناتجة عن ثني تلك الأعواد الخشبية. وعندما تقوم بإفلات آخر قطعة من أعواد المثلجات في السلسلة فإنه سيتم تحرير كل هذا التوتر (المتمثّل في الطاقة المختزنة) على شكل تفاعل متسلسل. حيث تبدأ باستقامة عود المثلجات الأخير والرجوع إلى وضعه الطبيعي متسببًا في إطلاق أعواد المثلجات التالية في السلسلة، وبعد فترة وجيزة، تطير جميع أعواد المثلجات في الهواء وتطلق الطاقة المختزنة فيها، مما يؤدي إلى تكوين عاصفة من أعواد المثلجات التي تتطاير من حولك.

فالطاقة لا يمكن أن تنشأ وتستحدث من العدم، بل يتم نقلها وتحويلها من نوع إلى آخر. وبالنسبة لتفاعل الأعواد المتسلسل المذكور في هذا النشاط، فإنك تقوم بإضافة طاقة على كل عود أثناء ثنيه حتى يدخل في تركيب السلسلة. حيث تخزن أعواد المثلجات هذه الطاقة على شكل طاقة وضع مرنة. تذكر بأنه عند تمديدك لشريط مطاطي فقد تشعر كيف يريد العودة إلى طوله الأصلي. يطلق العلماء على الشريط المطاطي المشدود بأنه يحمل طاقة وضع مرنة. وبنفس الطريقة، تخزن أعواد المثلجات الطاقة الكامنة المرنة عند ثنيها. وعندما السماح للاعواد بالعودة إلى حالتها المسطحة (المستوية)، فإنها تطلق هذه الطاقة. عندما تطلق إحدى أعواد المثلجات طاقتها المختزنة، فإنه لن يحدث شيء مذهل، ولكن عندما تطلق سلسلة من الأعواد طاقتها، فإنك ستحصل على تأثير كبير. كما أنه إذا حدث التفاعل المتسلسل على أرضية صلبة وخشنة، فإن الأعواد ستدفع نفسها عن الأرض وتطير عالياً في الهواء. حيث تتحول الطاقة الكامنة المرنة إلى طاقة حركية أثناء تحليقها، وتكتسب الأعواد ارتفاعًا فوق الأرض، مما يُترجم إلى طاقة وضع الجاذبية. وفي النهاية تستقر الأعواد على الأرض، حيث تم تحويل الطاقة المخزنة في السلسلة إلى طاقة حرارية وطاقة صوتية.

خطوات البناء:

1) اصنع قطعة لبدء سلسلتك بوضع ثلاثة من أعواد المثلجات موازية لبعضها البعض، واترك حوالي مسافة 2 سم بين كل عود وآخر. 

2) ضع عود بشكل عمودي على أعواد المثلجات الثلاثة المتوازية بحيث تبرز مسافة من العود أعلى وأسفل الأعواد الثلاثة من 2 إلى 3 سم. ثم استخدم الصمغ لإلصاقها وتثبيتها.

3) ضع عود آخر بجانب العود السابق والصقه باستخدام الصمغ بجميع أعواد المثلجات الثلاث المتداخلة.

4) اقلب وألصق اثنين من أعواد المثلجات على الجانب الآخر للمساعدة في الحفاظ على أعواد المثلجات الثلاثة المتداخلة في مكانها.

5) قم بكتابة الرقم (1) على العود الأكثر بروزًا (من الأسفل)، ثم اكتب الرقم (2) في الوسط، والرقم (3) على العود الأقل بروزًا. يمكنك تلوين قطعة البداية بالعلامات كما هو موضح أدناه. الألوان ليست ضرورية ولكنها يمكن أن تساعدك على فهم كيفية تجميع وبناء السلسلة بشكل أسهل.

6) للبدء في بناء سلسلتك، اجعل قطعة البداية التي جمعتها للتو وعددًا كبيرًا من أعواد المثلجات بالقرب منك. قد ترغب في تلوين بعض أعواد المثلجات بأربعة ألوان مختلفة كما هو موضح في الصورة. قد يساعدك هذا على البدء بشكل جيد.

7) قم بإدخال عود في قطعة البداية بحيث تدخل تحت العود رقم (1)، ثم فوق العود رقم (2)، ثم تحت العود رقم (3).

8) ضع العود التالي في قطعة البداية بحيث يمر فوق العود رقم (1)، وأسفل العود رقم (2)، ثم توقف عند هذا الحد.

9) يجب أن ترى عودين متوازيين وبارزين كما في الصورة أدناه.

10) حرك العود التالي أسفل العود الأقصر حتى يبرز قليلاً، وفوق العود الأطول وموازيًا للعود رقم (1).

سؤال: قد تشعر أنك مضطر إلى تثبيت أعواد المثلجات في مكانها باستخدام الصمغ. ما سبب ذلك؟

11) يجب أن ترى عودين متوازيين وبارزين كما في الصورة أدناه.

12) حرك العود التالي أسفل العود الأقصر حتى يبرز قليلاً، وفوق العود الأطول بحيث تصنع زاوية قائمة مع الأعواد التي تتقاطع معها.

13) ابحث عن العودين المتوازيين البارزين، وقم بإزاحة العود التالي أسفل العود الأقصر حتى يبرز قليلاً، وفوق العود الأطول بحيث يصنع زاوية قائمة مع أعواد المثلجات التي يتقاطع معها.

14) كرر الخطوة 13 للبناء عليها.

سؤال: هل تشعر أنك مضطر لثني أعواد المثلجات؟ كيف يمكن أن يؤدي ذلك إلى تكوين تفاعل متسلسل؟ وما الذي تتوقع أنه سيحدث عندما إفلات (عدم الضغط) آخر عودين قمت بتركيبهما في السلسلة؟

15) إذا كان من الصعب العثور على العودين المتوازيين البارزين، يمكنك أيضًا الاعتماد على الألوان لبناء السلسلة. لاحظ كيف أن التسلسل في هذه الصور هو الأحمر والأزرق الفاتح والبرتقالي والأزرق الداكن ثم يعود لإضافة عود أحمر. في هذه الحالة، تخضع الأعواد الحمراء دائمًا للأزرق الداكن وفوق الأعواد ذات اللون الأزرق الفاتح. بينما تمر الأعواد البرتقالية فوق اللون الأزرق الداكن وتحت الأعواد ذات اللون الأزرق الفاتح أو الأعواد ذات اللون الأزرق الفاتح تحت الأحمر والأخرى البرتقالية، إلخ..

16) استمر في عملية البناء حتى تكتمل السلسلة بانتهاء أعواد المثلجات المتوفرة لديك. ويمكنك إبقاء أعواد المثلجات في مكانها عن طريق وضع العود الأخير الذي ستضيفه أسفل العود الموازي له إذا كنت ستستمر في جعل السلسلة أطول كما في الصورة أدناه.

17) بمجرد أن تصبح جاهزًا، افلت آخر عود للضغط، ولكن كن مستعدًا للرجوع إلى الوراء والمشاهدة.

سؤال: ما الذي حدث؟ ولماذا حدث ذلك؟

18) قم ببناء سلاسل أطول وشاهد كيف يتغير التفاعل المتسلسل مع زيادة طول السلسلة. إذا كانت لديك كاميرا جوال متاحة، فقم بتسجيل مقطع فيديو للسلسلة وهي تنطلق، ويفضّل أن يكون ذلك بالحركة البطيئة.

سؤال: ما هي أوجه الشبه والاختلاف بين سلسلة التفاعل الأطول والأقصر؟ وماذا يمكنك أن تتعلم من استخدامك لتصوير مقطع الفيديو بالحركة البطيئة؟

ربط النشاط بواقع الحياة

العديد من التفاعلات الكيميائية التي من حولنا تعتمد على آلية التفاعل المتسلسل، مثل: حرق غاز الوقود، والمحركات من نوع الاحتراق الداخلي، وبلمرة الإيثيلين إلى مركب البولي إيثيلين، وعمليات نقل الإشارة داخل الخلايا الحية، وتفاعلات البناء الضوئي وأكسدة الغذاء وبناء البروتينات والحمض النووي في مجال الكيمياء الحيوية. أما بالنسبة لاستخدام آلية التفاعل المتسلسل في مجال الفيزياء، فهناك تطبيقات مهمة جدًا مثل: الانشطار النووي الناتج عن النيوترونات، وعمليات تحويل الطاقة من شكل إلى آخر كما في تقنيات الطاقة المتجددة في توربينات الرياح والطاقة الكهرومائية وحرارة المياه الجوفية.

كيف حدث التكامل بين مجالات STEM في هذا النشاط؟

*العلوم: التعرف على خاصية مرونة الأجسام، وأهمية نقل الطاقة وتحولاتها داخل نظام ما.

*التقنية: استخدام أنواع المواد والأجسام من حيث مرونتها لبناء آلة التفاعل المتسلسل. واستخدام كاميرا الجوال في تصوير مقطع فيديو.

*التصميم الهندسي: مراحل عملية التصميم الهندسي لبناء التحديات والمشاريع المطلوبة.

*الفنون: استخدام فن التصوير البطيء وتدرج الألوان.

*الرياضيات: حساب أبعاد وأطوال أعواد المثلجات، والتعرف على أهمية توازي الأجسام وتعامدها.

كيف ننمي مهارات التعلم للقرن الواحد والعشرين في هذا النشاط؟

*التعاون: تقسيم طلاب الفصل إلى مجموعات وتوزيع الأدوار على كل عضو.

*التفكير الإبداعي: تقوم كل مجموعة بتوليد أفكار لتطوير آلة التفاعل المتسلسل الخاص بها، أو استخدام هذه الآلية في طرح فكرة لحل مشكلة علمية أو طبية أو بيئية أو تقنية.

*التفكير الناقد: اختيار فكرة جديدة والعمل عليها بعد دراستها وتحليلها، والإجابة على أسئلة التفكير الناقد والتأمل حول موضوع النشاط، وتقييم نماذج المجموعات الأخرى اعتمادًا على بطاقة تقويم الأداء المصممة من قبل المعلم.

*التواصل: عرض نموذج آلة التفاعل المتسلسل الخاص بكل مجموعة أمام باقي المجموعات الأخرى أو في المعارض أمام الجمهور باستخدام التواصل اللفظي وغير اللفظي.

التحديات والمشاريع المطلوبة:

• قم ببناء آلة تفاعل متسلسل باستخدام أعواد أكثر مرونة. هل سيكون ارتداد تلك الأعواد لمسافة أعلى؟
• قارن بين إفلات نفس نموذج آلة التفاعل المتسلسل على سطحين أحدهما أملس والآخر خشن، ما الفرق بين النموذجين؟
• استخدم نظام آلة التفاعل المتسلسل لاقتراح حل لمشكلة علمية أو طبية أو تقنية أو اجتماعية.
• قم ببناء نموذج لتفاعل انشطار نووي بسيط باستخدام آلية التفاعل المتسلسل. 
• قم ببناء مشروع ميكانيكي لتحقيق هدف ما بأطول فترة ممكنة باستخدام آلية التفاعل المتسلسل.

المصدر الأصلي للنشاط:

https://www.sciencebuddies.org/stem-activities/popsicle-stick-chain-reaction