Nádasi András: Muzeális értékű modellek és más taneszközök a hőtan egyes jelenségeinek és fogalmainak szemléltetéséhez I.

Az iskolatörténeti múzeumokban és gyűjteményekben, valamint régi iskoláink szertáraiban fellelhető tárgyak közül kivilágítanak a szinte játékszernek tűnő utánzatok¹ ill. modellek, a tanári demonstráció és tanulói kísérletezés több évszázada elterjedt és bevált speciális taneszközei. A modellek főként a természettan, a természetrajz ill. a mai természettudományos műveltségi terület tantárgyaihoz, vagyis a biológia, kémia, fizika, földrajz tanításához használatosak. A maketteket építmények, tereptárgyak tanulmányozására a történelem, a művészettörténet és a földrajz oktatásában is jól hasznosítják.

A mai iskolában teret kereső konstruktív pedagógia is a kísérletezésre vezethető vissza, a tanulás tárgyakkal múzeumpedagógiai módszer lényege is a megfigyelésre alapozott, irányított tapasztalatszerzés, amely sok évszázada megalkotott, vagy új taneszközökkel, régebbi korok tárgyainak és leleteinek, vagy új keletű virtuális médiumok és terek felhasználásával történhet.

Az Országos Pedagógiai Könyvtár és Múzeum természettudományi taneszköz gyűjteménye sok olyan demonstrációs, kísérleti eszközt és modellt őriz, amelyet egyaránt köszönhetünk a XIX. század tanügyi reformjainak és virágzó tanszeriparának. Ezen taneszközöket a hazánkban leginkább ismert Calderoni Mű- és Tanszer Vállalat Részvénytársaság², az Erdély és Szabó Tudományos Műszergyár, a Marx és Mérei Tudományos Elektromos Műszerek és Feszmérők Gyára, Süss Nándor Mechanikai Tanműhelye és a Lampel Róbert Tankönyv- és Tanszer-kereskedése gyártotta és forgalmazta.

Az eggyel korábbi századforduló idején e vállalkozások termékei világszínvonalúak, jelen vannak a nemzetközi piacon, világkiállításokon szerepelnek, sőt számos, később befutott céget³ megelőznek. Feltűnésük, tündöklésük és eltűnésük egyaránt elgondolkodtató. Nagy szerencse, hogy sok, e cégek termékeivel jól felszerelt XIX. és XX. századi magyar iskola tanárának szemléltető, kísérletező módszertani kultúrája napjainkig meghatározó.

A kézi hajtású, Calderoni-féle gőzgép modell metszeti rajza

Az „Erdély és Szabó”-féle gőzgép metszeti rajza

Taneszköz sorozatunk új írásának célja nem csupán néhány régi műtárgy felvonultatása, hanem sokkal inkább annak megmutatása, hogy minden demonstráció és kísérlet a tanítás-tanulás eredményességét alapvetően meghatározó tapasztalatot ad, s egyben olyan élményt, amely egész életünkben elkísér és tudásunk értékes része lesz. Célunk az is, hogy egy teljesebb taneszköz-osztályozási rendszerrel és terminológiával hozzájáruljunk taneszközök elméletéhez.

Kartonból készült gőzmozdony modell az OPKM gyűjteményéből

Példánk a fizika tanításának jól ismert, klasszikus fejezete, a hőtan⁴. A tantervekben, érettségi követelményekben és tankönyvekben ma is megtalálható főbb témái a következők: a testek hőállapota, a hőmérséklet mérése, Boyle-Mariotte törvénye, Gay-Lussac törvényei, hőtágulás, hőenergia, fajhő, halmazállapot változások, a hő terjedése, olvadás, fagyás, párolgás, lecsapódás, a termodinamika fő tételei, mechanikai hőegyenérték, gőzgépek, belső égésű motorok. Az 1800-as évek kezdetétől virágzó magyar és külföldi tanszeripar a hőtan körébe tartozó jelenségek és fogalmak tanításához sokféle, ma is használható szellemes taneszközt, utánzatot, statikus és dinamikus, működő modellt fejlesztett és forgalmazott, szinte egy-időben az eredeti találmányokkal.

Musschenbrock-féle hőtágulásmérő – Debreceni Református Kollégium

Calderoni-féle Papin gőzfazék súlyszeleppel – Esztergomi Bencés Gimnázium

Az utánzatok, ezen belül a modellek nagy csoportját meg kell azonban különböztetni a fizikai mennyiségeket mérő- és a didaktikailag konstruált demonstrációs kísérleti eszközöktől. Mielőtt a hőtani modellekre térnénk, ez utóbbiakra bemutatunk a hőtan témaköréből néhány jellegzetes példát. Nézzük hát a „nem modellek” néhány szép példáját!

Angulier-féle pyrometer 1774-ből – Sárospataki Református Gimnázium

Papin-féle vasfazék – Debreceni Református Kollégium

Hőérzetünk elemi élménye mellett, a testek, környezetünk hőállapotáról különféle hőmérők tudósítanak. A folyadék-, gáz- és fémhőmérők taneszköznek is használt mérőműszerek. Működésük a hőtáguláson alapszik. A XVII. században a Firenzei Akadémia fizikusai az üveghőmérők gömbjének töltésekor különböző folyadékokkal kísérleteztek. Előbb a lenolajat, majd az alkoholt és a higanyt próbálták ki. Hooke, Fahrenheit, Réaumur elméletei és kísérletei után Anders Celsius (1701–1744) svéd csillagász neve a legismertebb az üveghőmérő történetében. A Sárospataki Kollégium szertárában lévő legrégebbi fatokos hőmérő az 1770-es évekből való, készítője az augsburgi G. F. Brander.

A Brander-féle hőmérő a Sárospataki Kollégium szertárából

Differenciál thermometer a Debreceni Református Kollégium gyűjteményéből

Six-féle maximum-minimum hőmérő a Sárospataki Kollégium szertárából

A legtöbb iskola fizika vagy kémia szertárában megtalálható, Six-féle differenciál thermometer sem csupán demonstrációs célokat szolgált. A Calderoni cég által is gyártott „maximum és minimum hőmérő” nemcsak a pillanatnyi hőmérsékletet, hanem bizonyos időközökben a szélső hőmérsékleti értékeket is mutatja. Az U alakú zárt üvegcső mindkét szárában higany, és felette alkohol van. Az egyik csövet az alkohol teljesen kitölti, a másikat nem. A hőmérsékletet tulajdonképpen az alkohollal teli, baloldali cső méri. Ha a hőmérséklet csökken, a másik csőben lévő alkoholgőzök az összehúzódó alkohol után felfelé nyomják a higanyszálat. Mivel mindkét csőben a higanyszál kis vaspálcikát tol maga előtt, a szélső hőmérsékleti értékek leolvashatók.

Tyndall-féle vastörő készülék az OPKM gyűjteményéből

A hőtágulás jelenségének bemutatására John Tyndall (1820 – 1893) ír fizikus készített egy másra nemigen jó, speciális demonstrációs eszközt. A szép, dallamos nevű, feltalálójáról elnevezett Tyndall-féle vastörő készülék a következőkből áll: erős acéltalapzaton álló két villás befogó, egy hosszabb acélsín, amelynek az egyik végén utánállító csavar, a másik végén egy lyuk található. A jelenség demonstrálásához az erősen felhevített sínt a két villa közé tesszük, a nyílásába egy öntöttvas rudacskát helyezünk, és a szorítócsavarral rögzítjük. Lehűléskor, amelyet egy vödör hidegvízzel elérhetünk, az acélsín összehúzódik, a nyílásba helyezett rudacska elpattan.

S’Gravesande készülék a Calderoni cég katalógusából

Calderoni-gyártmányú emeltyű pyrometer rajza

A S’Gravesande-féle készülék – lényegében egy fanyeles sárgarézgolyó és karika – szintén a szilárd testek hő által való kiterjedésének egyszerű megmutatására szolgáló demonstrációs eszköz. Egyforma hőmérséklet esetében a golyó átfér a karikán, viszont a felhevített sárgaréz golyó a változatlan hőmérsékletű karikán fennakad. A szilárd testek lineáris hőtágulásának összehasonlítására az Ingenhouss-féle készülék, mérésére az emeltyű-pyrométer szolgál. A pyrométerbe helyezett egy-egy vörösréz-, sárgaréz-, vas-, vagy horganyrúd segítségével a lineáris hőtágulást mérhetjük, egyben a vonalas hőtágulási együttható fogalmát értelmezhetjük. Mindkét készülék létrehozásának elsődleges célja a demonstráció, mert egy jó tanár kezében taneszköz ugyan bármi lehet, de az igazi taneszköz azért didaktikai céllal, és taneszköznek készül.

Ingenhouss-féle készülék a Sárospataki Református Gimnáziumból

Max-Kohl gyártmányú emeltyűs pyrometer a Református Gimnáziumból

Bonyolultabb hőtani összefüggéseket is demonstrációs kísérleti eszközökkel exponálunk. A termodinamika 1. főtétele – amely az energia-megmaradás törvényének a hőenergiára való kiterjesztése – látványosan igazolható. Az összefüggést kísérletileg először Joule határozta meg. Higannyal telt kaloriméterben lapátokat forgatott súly segítségével. A súrlódási munka hatására a kaloriméterben lévő higany felmelegedett. A hőenergiai és a mechanikai munka ismeretében a hőegyenérték kiszámítható. Ezen kísérletnek nyomán a mechanikai hőegyenérték meghatározására számos elmés, demonstrációs, kísérleti eszköz készült, mint pl. a Puluj és a Callendar-készülék, amely a már említett Erdély és Szabó cég taneszköz árjegyzékében is megtalálható.

Készülék a mechanikai hőegyenérték meghatározásához, Puluj után

Készülék a mechanikai hőegyenérték meghatározásához, Callendar után

Az eddig bemutatott taneszközöktől lényegében különböző, de szintén szemléltetési célú utánzatok alapfajtái: a modell, amely valamilyen tárgynak, szerkezetnek, rendszernek, struktúrának kísérleti v. bemutatási célokat szolgáló nagyított v. kicsinyített mása; a makett, amely valamely építmény, test, gép, szerkezet kicsinyített mása, plasztikus ábrázolása; és a minta, általában preparált, eredeti egyed. Mielőtt az utánzatok osztályozására kísérletet tennék, a modellek sokféleségét muzeális értékű és digitális taneszközök képeivel szeretném illusztrálni:

J. Salleron-féle gőzmozdony párizsi kartonmodellje
A lokomotív modelljéről készült szemléltető ábra
Gőzmozdony kartonból készült, méretarányos, dinamikus síkmodellje
A keretes diavetítő képkapujába illeszthető, dinamikus gőzgép modell
A dugattyús gőzgép működésének szemléltetése „árnyjátékkal”
A gőzgép elvi működését szemléltető, írásvetítőre készült plexi síkmodell
Gőzhenger és dugattyú átmetszeti mintája
A gőzgép működő játékmodellje – Pannonhalmi Főapátság
A gőzgép működését szemléltető, komplex dinamikus modell
A gőzgép elvi működése – 2D számítógépes animáció (Wikipédia, http://hu.wikipedia.org)
Háromszoros expanziós gőzgép metszete – 2D animáció (Wikipédia, http://hu.wikipedia.org)

Noha ma már igen gazdag az audiovizuális, elektronikus és multimédia taneszközök kínálata, az alsó és középfokú iskolák gyakorlatában mégis a tablókon, posztereken megjelenő ill. vetíthető magyarázó ábrák, és a hagyományos kísérleti eszközök, modellek dominálnak. Írásunk következő, második részében további demonstrációs eszközök és speciális modellek bemutatása és didaktikai osztályozása következik.

Jegyzetek