Swim smart. STEM in the water

(((Deutsche Version)))

Biology and technology meets movement: A concept for movement-based STEM promotion in children and adolescents.

The didactic concept is aimed at students in the 7th grade and above with sufficient swimming skills. Through the experience-oriented learning approach, the motivation for STEM topics is to be awakened and developed – at the same time also for doing sports.

Learning goals:

  • Get to know bionics
  • To experience natural phenomena in a practical way
  • Fun with movement
  • Fun with technology
  • Combining theory and practice in a playful way
  • Interdisciplinary experience-oriented learning (bionics (biology + technology), physics, sports, technology, biology)

Sequence of events: Movement-based STEM learning

After a short joint warm-up on the topic of bionics with practical examples of bionic innovations, the student teams started with the task of building a robotic fish using the Bionics Kit. In the process, components such as servo motors, plastic parts and cable ties were used, and at the end the students were able to control the robotic fish using their own end device. In the process, they learn more background knowledge and virtual assembly instructions with the help of 3D animations and an interactive learning poster. Afterwards, the fastest robotic fish is tested in the pool. After the technology input, the experiments in the water continue. The students go through a total of five stations. At the end, there is a team challenge in which each group builds a raft from utensils such as pool noodles, with which a team member is to be transported from pool edge to pool edge.

Assembling Bionic Fish with the construction kit and the interactive learning poster.

Curriculum references:

  • Fins shapes
  • Swim bladder
  • Marine mammals vs. fish
  • Microcontroller
  • Fin Ray effect (e.g. Fin Ray construction sheet from Festo Didactic)

Reference:

Robotics and swimming event for students:inside on the occasion of Girls‘ & Boys‘ Day 2022 at the Olympic swimming pool in Munich with 20 SuS (5 teams).

General conditions:

  • Duration: approx. 3h
  • Premises: Room for approx. 20 students for the assembly of the robot fish, swimming pool
  • Number of participants: approx. 20 students
  • Previous knowledge: Swimming skills necessary
  • Equipment: 5 bionics kits, 1 learning poster, workshop material
  • Supervisors: approx. 2 supervisors are needed

Fangen und Rechnen und mehr

Reaktionsspiel, das mit allen Schulinhalten gespielt werden kann, die in zwei Gruppen unterteilt werden können. Das Originalspiel wird oft auch als „Schwarz und Weiß“ bezeichnet.

Schüler stellen sich immer paarweise ca. 1 Meter entfernt gegenüber an zwei Linien auf. Die eine Linie steht für Team Weiß, die andere für Team Schwarz. Wenn der Lehrer schwarz ruft, müssen die auf der schwarzen Linie ihren Partner von der weißen Linie fangen. Beide dürfen aber nur gerade nach hinten (von weiß aus) laufen und es muss in den ersten Metern gefangen werden (am besten eine Stopplinie vereinbaren oder zeichnen), bevor man eine Wand erreicht. Wenn weiß gerufen wird muss die weiße Seite reagieren und versuchen die schwarzen Partner zu fangen.

Dies kann nun auch mit verschiedenen MINT-Inhalten gespielt werden, wo sich die Antwort in zwei vorher festgelegte Gruppen unterteilen lässt, z.B.:

  • Gerade vs. ungerade Zahlen
  • Rechnungen (Plus, Minus, Mal, Geteilt) mit geraden oder ungeraden Zahlen als Ergebnisse
  • Primzahlen vs. nicht Primzahlen
  • Rechnungen mit Ergebnissen über oder unter 100 (z.B. 76+26, 12×9, 138-44, 99:3…)
  • Englische Wörter die ein „c“ enthalten
  • Englische Wörter die mit „A“ anfangen (Anfang – Beginning -> zweite Gruppe fängt erste. Apfel – Apple -> erste fängt zweite)
  • Fragen zum Periodensystem (z.B. Elemente mit höherer bzw. niedrigerer Dichte als xxx)
  • Reptilien vs. Amphibien

 

 

 

Schwimm Dich schlau. MINT im Wasser

(((English Version)))

Biologie und Technik trifft Bewegung: Ein Konzept zur bewegungsbasierten MINT-Förderung bei Kindern und Jugendlichen

Das didaktische Konzept richtet sich an Schüler:innen ab der 7.Klasse mit ausreichend Schwimmkenntnissen. Durch den erlebnisorientierten Lernansatz soll die Motivation für MINT-Themen geweckt und ausgebaut werden – sogleich auch fürs Sport treiben.

 Lernziele:

  • Bionik kennenlernen
  • Natürliche Phänomene praxisnah erfahrbar machen
  • Spaß an Bewegung
  • Spaß an Technik
  • Theorie und Praxis spielerisch kombinieren
  • Interdisziplinäres erlebnisorientiertes Lernen (Bionik (Biologie + Technik), Physik, Sport, Technik, Biologie)

Ablauf: Bewegungsbasiertes MINT-Lernen

Nach einem kurzen gemeinsamen Warm-up zum Thema Bionik mit Praxisbeispielen für bionische Innovationen starten die Schülerteams mit der Aufgabe einen Roboterfisch mithilfe des Bionics Kits zu bauen. Dabei kommen Bauteile wie Servomotoren, Kunststoffteile und Kabelbinder zum Einsatz und am Ende können die SuS (Schüler:innen) den Roboterfisch über ihr eigenes Endgerät steuern. Dabei haben sie mithilfe von 3D Animationen und einem interaktiven Lernposter noch mehr Hintergrundwissen und eine virtuelle Aufbauanleitung kennengelernt. Anschließend wird der schnellste Roboterfisch im Schwimmbecken getestet. Nach dem Technik-Input geht es mit den Experimenten im Wasser weiter. Insgesamt fünf Stationen werden von SuS durchlaufen. Am Ende folgt eine Team-Challenge, bei der pro Gruppe ein Floß aus Utensilien wie Poolnudeln gebaut wurde, mit dem ein Teammitglied von Beckenrand zu Beckenrand transportiert werden soll.

Zusammenbau Bionic Fish mit dem Baukasten und den interaktiven Lernposter

Lehrplanbezüge:

Referenz:

Robotik- und Schwimm-Veranstaltung für Schüler:innen anlässlich des Girls‘ & Boys‘ Day 2022 im Olympiaschwimmbad München mit 20 SuS (5 Teams)

Rahmenbedingungen:

  • Dauer: ca. 3h
  • Räumlichkeiten: Raum für ca. 20 SuS für den Zusammenbau des Roboterfisches, Schwimmbecken
  • Teilnehmeranzahl: ca. 20 SuS (Mädchen und Jungen)
  • Vorkenntnisse: Schwimmkenntnisse notwendig
  • Equipment: 5 Bionics Kits, 1 Lernposter, Workshop-Material
  • Betreuer: ca. 2 Betreuer werden benötigt

Cardiovascular system & performance

 

This is a short overview (goals, exercises) about combining the topic of the cardiovascular system with the practice of cycling.

Goal:

  • Students explain stress factors on the cardiovascular system and describe/perform  efficient/healthy ways of cycling

Exercises:

  • comparing (practically/theoretically) sprint cycling with moderate cycling – pro and contra, including dangers for the body
  • discussing key factors for a healthy/safe performance (heat, water, muscle stress, …)

Link to image: Cardiovascular-System-Overview

Link to other lesson sketches: Cycling Topic Collection

 

Posture / Safety

 

This is a short overview (goals, exercises) about combining the topic of posture with the practice of cycling.

Goal:

  • Students list a few measures for safe cycling and perform a healthy posture on bicycles.

Exercises:

  • cycling with different postures (esp. The back) or with various heights of saddle/handlebars and comparing the feeling
  • watching the performance of other students (e.g. via video and slow-motion) and evaluating their form
  • comparing the impact (e.g. on watermelons) with and without safety gear

Link to image: Posture-Overview

Link to other lesson sketches: Cycling Topic Collection

 

Gears & Levers

 

This is a short overview (goals, exercises) about combining the topic of the Gears & Levers with the practice of cycling.

Goal:

  • Students compare bicycles to simple levers and explain the applications of the gears.

Exercises:

  • Cycling with different gear settings or bicycles with differently sized tires
  • Using simple levers to lift objects vs. lifting them directly
  • Use detached cycling components to create winches for a better comparison
  • comparing travel distance per pedal cycle  for different settings

Link to image: Gears-Levers-Overview

Link to other lesson sketches: Cycling Topic Collection

 

STEM Cycling – Topic Overview TU-BS

 

Here you can find an overview of several short lesson ideas concerning the combination of STEM topics (physics, biology) and the sport of cycling in a school context.

PDF Document: Cycling Overview PDF

PowerPoint: Cycling Overview PPT

Links to the individual pages:

Friction & Cycling

Golden Rule of Mechanics

Inclined Plane

Gears & Levers

Spinning Top / Torque

Energy Conversion & Momentum

Posture / Safety

Cardiovascular System & performance

 

Propulsion and speed in the water

Propulsion and speed | dolphin kicks.

Questions:

  • What swimming techniques can people use to swim as fast as possible?
  • What tools can help with swimming fast?

 

Content taught:

  • A leg stroke inspired by the dolphin has become established in competition because it allows faster propulsion than pure crawl swimming („dolphin kicks“).
  • The dolphin kick works both in prone and lateral position. But be careful: in side position, untrained swimmers quickly swim in circles.
  • An effective means of increasing propulsion is to increase the surface area used to generate propulsion, e.g. by using fins.

 

(((Deutsche Version)))

Propulsion and resistance in water

Propulsion and resistance | gliding tests

Questions:

  • How can water resistance be reduced during gliding?
  • What is the most streamlined position?

Content taught:

  • Optimizing posture in the water:
    • Arms stretched,
    • hands on top of each other,
    • elbows as straight as possible,
    • head resting on the arms from the front,
    • spine stretched (shoulder mobility is important),
    • torso tense,
    • legs stretched and closed.

 

(((Deutsche Version)))

Hydrostatic pressure and buoyancy under water

Hydrostatic pressure and buoyancy | balloon under water

Questions:

  • Can you inflate a balloon under water?
  • What happens to the inflated balloon when it is pushed deep under water?
  • What happens analogously to organs, e.g. the eardrum and the (air-filled) lungs?

Content taught:

  • Inflating a balloon is also possible underwater. But: The hydrostatic pressure, i.e. the pressure that the water exerts on the balloon, makes inflation more difficult.
  • If you push an already inflated balloon underwater, the volume of the balloon shrinks with increasing depth and the buoyancy decreases.
  • Organs are also compressed analogously to the balloon with increasing water depth.

 

(((Deutsche Version)))

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