תגובת שרשרת הנדסית - פרויקט STEAM (חט״ב)

מערכת EduMake-TLV
לפני יום 1
זמן קריאה 3 דקות

נושא לימוד: אנרגיה (המרות ומעברים), כוחות ותנועה, מערכות טכנולוגיות | שכבה: ח' (שכבת הגיל האופטימלית לשילוב נושא הכוחות) | היקף: ארוך (12-16 שעות הוראה)

העוגן בתוכנית הלימודים

1. ציוני דרך (מתוך תוכנית הלימודים):

סוגי אנרגיה והמרותיהם: זיהוי סוגי אנרגיה (גובה, תנועה, אלסטית, חשמלית) ותיאור המרות אנרגיה במערכת (תגובת שרשרת הנדסית).
חוק שימור האנרגיה: הבנה שאנרגיה אינה נעלמת אלא משנה צורה, תוך התייחסות למושג "אנרגיה מבוזבזת" (חום עקב חיכוך).
מערכות טכנולוגיות: ניתוח מערכת מורכבת על פי רכיביה, קשרים בין רכיבים, ובקרת המערכת.

2. הקשר המושגי (Conceptual Framework): הפרויקט משמש כמעבדה חיה לחוקי ניוטון ולחוק שימור האנרגיה. התלמיד אינו רק "בונה מסלול", אלא נדרש לנתח כל צומת במכונה כאירוע של מעבר אנרגיה.

דוגמה ליישום: אם שלב מסוים במכונה נכשל (למשל, גולה שלא מצליחה להפיל קובית דומינו), התלמיד נדרש להשתמש בטרמינולוגיה של תוכנית הלימודים: "האם חסרה לי אנרגיית גובה (פוטנציאלית) בהתחלה? האם איבדתי יותר מדי אנרגיה כחום בגלל חיכוך במסילה?".

3. מיומנויות המאה ה-21 מהסילבוס:

חשיבה מערכתית: הבנה ששינוי קטן ברכיב אחד (זווית השיפוע) משפיע על כל פלט המערכת.
פתרון בעיות (Debugging): זיהוי נקודות הכשל במכונה והצעת פתרונות מבוססי נתונים.

1. האתגר - תגובת שרשרת הנדסית AKA מכונת רוב גולדברג

הצורך האמיתי: בתעשייה המודרנית (כמו פסי ייצור או לוגיסטיקה), מערכות מורכבות חייבות לפעול ברצף מדויק של פעולות כדי להשיג מטרה סופית. האתגר הוא לתכנן מערכת של "סיבה ותוצאה" המבצעת פעולה פשוטה (כמו כיבוי נורה או השלכת פחית למיחזור) דרך רצף של לפחות 10 שלבים שונים, תוך שימוש מינימלי באנרגיה חיצונית ודיוק מקסימלי.

המשימה: לתכנן ולבנות "מכונת רוב גולדברג" המבצעת משימה מוגדרת, תוך שילוב חיישנים דיגיטליים למדידת נצילות התהליך. אילוצים: 1. המכונה חייבת לכלול לפחות 3 סוגי המרות אנרגיה שונים. 2. שטח הבסיס מוגבל ל-1X1 מטר (דרישה לארגון וניצול מרחב). 3. לפחות שלב אחד חייב לכלול "מכונה פשוטה" (מנוף או מישור משופע) להגברת כוח.

2. מפרט STEAM

מדע S

חוק שימור האנרגיה. חישוב אנרגיית גובה ואנרגיית תנועה. הבנת כוח החיכוך כגורם ל"בזבוז" אנרגיה.

טכנולוגיה T

שימוש בסמארטפון/חיישנים (אפליקציות כמו Phyphox) למדידת מהירות הגולה בנקודות שונות. ניתוח המערכת כקלט -> תהליך -> פלט (קלט: דחיפה ראשונית; פלט: ביצוע המשימה).

הנדסה E

תהליך התיכון המלא: זיהוי בעיה בשלב מסוים, בניית אב-טיפוס (Prototyping), בדיקת כשלים (Debugging) ושיפור התכנון

אומנות A

תקשורת חזותית (Storytelling): המכונה היא נרטיב. על התלמידים לעצב את זרימת התנועה כך שתהיה קריאה לצופה. זה דורש הבנה בקומפוזיציה, מקצב (Rhythm) ותזמון.

חשיבה מחוץ לקופסה (Divergent Thinking): שימוש בחפצים יומיומיים (Ready-made) והוצאתם מהקשרם הפונקציונלי (למשל: נעל שהופכת למנוף). זוהי מיומנות אמנותית של "ראייה מחדש".
אסתטיקה של כשל (The Art of Failure): תהליך ה-Debugging ברוב גולדברג הוא סיזיפי. ה-Art כאן הוא פיתוח חוסן יצירתי – היכולת לראות בכשל נקודת מוצא אסתטית חדשה ולא סוף הדרך.
עיצוב ממשק (UX): איך המשתמש מפעיל את המכונה? היכן ה"טריגר" ויזואלי? עיצוב נקודת המפגש בין האדם למכונה.

מתמטיקה M

מדידת זמנים, חישוב מהירות ממוצעת, שימוש בטבלאות וגרפים לתיעוד ניסויי הרצה.

3. הערכה ומיומנויות - תהליך ותוצר

מדדי הצלחה (הדגש על אינטגרציה וחוסן):

גמישות מחשבתית: היכולת לשנות את התכנון המקורי בעקבות אילוץ פיזי מבלי "להישבר".
תיעוד הדיאלוג עם הכישלון: האם התלמיד מסוגל להסביר למה זה לא עבד ואיך הפתרון החדש נולד מתוך הניסוי?
פרסונליזציה: האם למכונה יש "טביעת יד" ייחודית של הקבוצה? (ביטוי עצמי בתוך המערכת ההנדסית).

4. אבולוציה של הפרויקט

שלב 1 (Low Tech): בניית מסלול מכאני טהור המבוסס על כבידה, מנופים וגלגלות.
שלב 2 (High Tech Integration): שילוב בקר (Micro:bit) וחיישן מרחק. כאשר הגולה מגיעה לנקודה מסוימת, הבקר מפעיל מנוע סרוו שדוחף את השלב הבא, או מפעיל נורות LED לחיווי מעבר שלב.
שלב 3 (Real World Application): דיון וניתוח: כיצד עקרונות אלו מיושמים במערכות בלימה אוטונומיות ברכב או בפסי ייצור חכמים המשלבים חיישנים ואקטואטורים למניעת תקלות.