פרויקט מטו"ס - מדע טכנולוגיה וסביבה

**השיעור מלווה במצגת וחידון קהוט שצורף לטופס **

מבוא לשיעור

יש לציין שהשיעור הראשון לא מגיע כ"לוח חלק", הכוונה היא שעד השיעור הראשון התלמידים קיבלו בכיתה הרצאות שונות ממומחים מתחומים שונים ומגוונים, סיורים שונים באקדמיה ובתעשיית ההייטק,  והמורה מדבר על מצויינות בכל הזדמנות ומארח תלמידים ובוגרים מהמגמה שיספרו על הפרויקט שלהם ועל החשיבות של תהליך החקר שביצעו ומה הפרויקט תרם להם לחייהם הבוגרים. בשלב זה של השנה (ט"ו בשבט) המורה התחבר לתלמידים, הבין את נטיית הלב של כל תלמיד ותלמידה, הבין את החוזקות והחולשות שלהם וכעת הבשילו התנאים להעביר את השיעור הראשון..

שיעור ראשון: 

ישנן שתי מטרות עיקריות לשיעור – הראשונה – לעורר מוטיבציה, לחקור  ולהכניס את התלמידים לעולם החקר והפרויקטים. בשיעור זה אעביר מצגת שנקראת "מבוא לחקר וביצוע פרויקטים". השנייה –  לתת תשובה לשאלה האם הכל כבר הומצא? והאם אנחנו צריכים להמציא עוד משהו כי בסופו של דבר בעולם בו אנו חיים, לכאורה נראה שהכל כבר הומצא, אנו חיים בנוחות, יש לנו הכל ואין לנו צורך להמציא דברים נוספים ולכן מבחינת התלמידים זה מייתר את הרצון והמחשבה לחשוב על המצאות עתידיות או על פרויקטים חדשניים או על תהליך החקר. ולכן, אחת המטרות של שיעור זה היא להסביר לתלמידים שמבחינת התפתחות האנושית אנחנו רק בתחילת הדרך.

הרצאה מתחלקת לשלושה חלקים שונים. בחלק הראשון אתאר שני מחקרים חובקי עולם –  הראשון הוא מאיץ החלקיקים בסרן שוויץ והשני, המרוץ לחלל. בהרצאה אני מספר את הסיפור שעומד מאחורי כל אחד מהמחקרים –  ההסבר מלווה עם סרטי וידאו, סיפורים אישיים של חלק מהממצאים ובעיקר מספר ומתאר את ההמצאות של החוקרים בשני מחקרים אלו "מתוך שלא לשמה בא לשמה" משמע, המטרה של החוקרים במאיץ החלקיקים היא להבין כיצד העולם נוצר. המצאות שהתגלו במאיץ החלקיקים בשוויץ היו האינטרנט על ידי טים ברנרס- לי, (במהלך ההרצאה האחרונה שדיברתי על האינטרנט ועל הרשתיות של האינטרנט הגענו לשיחה מרתקת על העברת המידע שעצים, צמחים ופטריות מעבירים האחד לשני מתחת לפני הקרקע. חקרנו את הנושא ראינו הרצאות בטד, בעקבות השיחה שהגיעה מהכיוון של התלמידים הוספתי שקף נוסף בעניין להרצאות הבאות) בנוסף גילו את הבדיקות ההדמיה שכיום מבצעים בבתי החולים לצורך אבחון של גידולים סרטניים. 

מחלקת הפטנטים במאיץ החלקיקים בשוויץ מכילה מאות המצאות שפתוחות לקהל הרחב ללא עלות כדי לקדם את המדע והטכנולוגיה בעולם.

כמו הניסוי במאיץ החלקיקים בשוויץ שמאגד מדינות רבות ואלפי מדענים מכל העולם, כך גם חקר החלל היווה השראה למיליוני אנשים בארצות הברית וברחבי העולם להיכנס לתחום ולפתח טכנולוגיות וחומרים שלא היו קיימים עד אותו זמן.  נאום הירח של ג'ון קנדי ב-1961 גרם לאלפי תלמידים להירשם לאוניברסיטאות לפקולטות העוסקות במדעים ובכך הזניק את ארצות הברית שנים קדימה מבחינה טכנולוגית והם היו אלה שנחתו ראשונים על הירח.  גם כאן אנו רואים שהומצאו מאות פטנטים בעקבות המחקר להגיע לירח.  המצאות כמו הג'י פי אס, מתקנים לטיהור מים, גלאי שריפות, אריחים קרמיים מבודדים, צבע דוחה חלודה, מצלמות דיגיטליות, לוחות סולאריים, אוכל מהיר, מערכות חיפוש והצלה ועוד. גם במקרה זה הפטנטים פתוחים לקהל הרחב ללא עלות כדי לקדם את המדע והטכנולוגיה בעולם.

בכל פעם שאני מעביר הרצאה או שיעור בנושא תלמידים שואלים למה אנחנו צריכים להמציא ושאלה שניה האם הכל כבר לא הומצא? וכאן מגיע החלק השני של ההרצאה.

אני נותן להם כמה דוגמאות,  הראשונה לפני  לפני כ-20 שנה הג'י פי אס, המצפן, הפנס, המצלמה והמחשב היו מכשירים שנקנו כל אחד בנפרד ונתנו פונקציה אחת בלבד, כיום הפלאפון, שעולה מאות עד אלפי שקלים בודדים, מכיל את כל הפונקציות האלה יחד ועוד. אם לפני 20 שנה היינו מקשיבים לאנשים ששאלו את השאלה "למה צריך לחקור?" לא היינו מתקדמים לטלפון האישי ולא היינו מבינים שאפשר להתקדם טכנולוגית וכמובן, לא היינו מדברים על בינה מלאכותית – המהפכה של הדור שלנו . 

על השאלה השניה אני עונה להם בכך שאני סוקר איתם את המהפכות החשובות שקרו בשנים האחרונות לדוגמא המהפכה החקלאית, מהפכת הדפוס, המהפכה התעשייתית, המצאה הנורה, המצאת מיקרוסקופ האלקטרונים, המצאת האינטרנט והבינה המלאכותית, שם את המהפכות על ציר זמן המראה שמבחינה התפתחותית המצאות אלו קרו לא מזמן.

מסביר להם שגם למדינה שווה להשקיע בחינוך מדעי טכנולוגי – ע"פ מחקרים שנעשו על כל דולר שהמדינה השקיעה חזרו לקופת המדינה 14 דולר!.

לאחר שהתלמידים קיבלו מוטיבציה נוספת מדוע כדאי להם לצאת מאזור הנוחות, לחקור, ללמוד ולפתח פרויקטים חדשים ניתן להם כלים ורעיונות היכן אפשר למצוא רעיונות לפרויקטים? וזהו תפקידו של החלק השלישי של בהרצאה.

אמרה מפורסמת של אלברט איינשטיין " הבט היטב בטבע ואז תבין הכל טוב יותר". הטבע הוא מקור של פתרונות חכמים יעילים אלגנטיים וסביבתיים בנוסף, מאגר הפתרונות של הטבע זמינים והתבוננות בהם תוביל אותנו לחדשנות בכל תחומי החיים.

מחקר המבוסס על ביומימיקרי מבוצע באופן שיטתי ומסודר מתוך הנחה שלמרבית הבעיות שבהן נתקל המין האנושי כבר קיימים פתרונות בטבע. השילוב בין הידע האנושי לבין הפתרונות שנוצרו בטבע במהלך האבולוציה יספקו פתרונות חדשניים לבעיות מורכבות המתחשבות בסביבה, במשאבים ובמערכות האקולוגיות סביב.

הטבע פיתח פתרונות חכמים ומתוחכמים לאחר שנים של ניסוי וטעייה ומה שנותר לנו להתבונן להבין ולחקות את הטבע.

"אין יצירות חסרות תועלת בטבע"  אריסטו.

 בחלק זה של ההרצאה נביא עשרות רבות של דוגמאות מהטבע ונראה איך כל חי או צומח מסגל לעצמו טקטיקות חכמות ומיוחדות המאפשרות לו לשרוד אלפי שנים. לדוגמא,  אם נסתכל על הנמלה היא יכולה להרים פי 100 ממשקל גופה דבר השקול לאדם המרים חמש טון,  בנוסף כושר הניווט של הנמלה ועבודה יעילה בצוות אפשרו לה לשרוד.

כמו גם פרח החמניה שעוקב אחרי השמש, חיפושית האש שמזהה אש ממרחק של 80 קילומטר (לפני כחמש שנים תלמידים ביצעו פרויקט לגילוי אש. במהלך הפרויקט חיפשנו חיישן שמזהה אש – נכון להיום, אין אף חיישן שיכול להגיע לרמה של חיפושת האש), לטאה שהולכת על המים, השועל האדום שמזהה מכרסמים מתחת לקרקע (אם נבין את המנגנון נוכל אולי להתמודד עם אתגר המנהרות), ישנם בעלי חיים שיכולים להיכנס למצב של תרדמת-  היברנציה  שזהו מצב של חוסר פעילות והאטה משמעותית במטבוליזם על מנת לשרוד תנאי סביבה קשים וחוסר במזון,  הסנאים מחביאים מאות אגוזים במקומות שונים ויכולים, לאחר תקופה, למצוא אותם,  ישנם בעלי חיים המסוגלים להאיר ביולוגית – ביולומינסנציה, ישנם פרפרים המסוגלים לשנות את הצבע שלהם,  ישנם פרחים שהופכים שקופים ברגע שיורד גשם…

זכינו בלא מעט המצאות מהתבוננות בטבע, לאונרדו דה וינצ'י התבונן בטבע,  צייר  לא מעט ציורים ואיורים בניסיון לחקות את הטבע שראה סביבו,  ישנם לא מעט איורים של לאונרדו דה וינצ'י המנסה לחקות את עולם התעופה.  בשנת 1903 האחים רייט ביצעו את הטיסה הראשונה שנערכה כ – 12 שניות ומאז עולם התעופה רק הולך ומתפתח.

הנקר נוקש 25 נקישות בשניה בעצים מבלי לקבל זעזוע מוח,  חברה ישראלית בשם Babyark  פתחה כיסא בטיחות לתינוקות ברכב שמחקה את הגולגולת של הנקר ויודעת לספוג את הזעזועים בעקבות תאונת  דרכים.

לפני מספר שנים נכנס לשירות בצה"ל רובוט נחש המסוגל להיכנס למקומות מסוכנים שהגישה אליהם קשה ולהעביר נתונים בזמן אמת ללוחמים בשטח.

שממית יודעת לטפס על קירות, פרח ציפור גן העדן מסוגל לכופף  את עלי הכותרת ללא צירים, העטלף מסוגל למצוא את דרכו בחשיכה,  החיפושית הנמיבית יודעת לקצור מים במדבריות החמים,  עלי פרח הלוטוס נשארים תמיד נקיים, מגדל אייפל נבנה בהשראת עצם הירך, חוזק מקורו של ציפור הטוקן מתקבל על ידי החסרת מסה ולא על ידי הוספה של מסה,  עור הכריש נשאר תמיד נקי  לכריש יש מבנה  המאפשר לו להתגבר בקלות על החיכוך במים – רעיון שהיווה השראה לחברת ספידו לייצר בגדי ים שמקטינים את החיכוך לשחיינים באולימפיאדה,  מצמח הלפה הקוצנית למדנו לבנות את הסקוטש,  מהלוויתן למדנו להפחית גרר ומערבולות בתחנות רוח המפיקות אנרגיה,  לאצטרובל יש מנגנון של פתיחה וסגירה המאפשרת לו לפזר את הזרעים כאשר  תנאי השטח מתאימים, הטרמיטים יודעים לבנות מבנים מאווררים ללא שימוש במזגנים רעיון שנתן השראה לביניין "איסטגייט" בזימבבואה המקרר עצמו באופן עצמאי, הינשוף מסוגל לעוף ללא השמעת רחש,  קורי עכביש חזקים פי שש מפלדה ואם נלמד לייצר חוטים כאלה נתקדם ההתקדמות הטכנולוגית משמעותית – הרעיון נתן השראה לחברת seevix  הישראלית המתמודדת עם אתר זה,  הצדפה הכחולה מסוגלת להדביק עצמה לסלעים בתוך המים,  הרכבות המהירות ביפן קיבלו את ההשראה למבנה שלהם ממהנדס רכבות חובב טבע  שהתבונן בציפור השלדג.

גם את נושא ההסוואה ניתן ללמוד מהטבע. 

המקימים של חברת אומניקס הישראלית מפתחים אנטיביוטיקה חדשה בהשראת חרקים. היזמים ראו שחרקים אינם חולים במחלות של אנשים למרות שהם חשופים לאותם מחוללי מחלות. היזמים שאלו עצמם כיצד יתכן שהחרקים מתגברים על החיידקים ללא אנטיביוטיקה? שאלת הפליאה הזו הובילה לגילוי של פפטידים אנטי מיקרוביאלים, המנקבים חור בתא החיידק ומשמידים אותו. 

"מָה רַבּוּ מַעֲשֶיךָ ה' כֻּלָּם בְּחָכְמָה עָשִיתָ מָלְאָה הָאָרֶץ קִנְיָנֶךָ" כפי שראינו ניתן ללמוד רבות מהטבע. הטבע הוא מעבדה בה נעשים ניסויים על מיליוני פריטים, פריט אשר אינו מצליח לעמוד באתגר ללמוד ולהסתגל –  נכחד…משמע שבטבע לכל פרט יש ייחודיות שפיתח במהלך השנים איתה הוא מצליח לשרוד.

מה ההבדל בין להסתכל לבין להביט? בין להתבונן לבין להתמקד?

לא מזמן חיפשתי לקנות רכב ושמתי לב שהלכתי ברחוב פתאום ראיתי את כל השלטים למכירה שהיו על המכוניות חקרתי על סוגי המכוניות והכנסתי את עצמי למצב שאני קורא לו מצב סריקה. זאת אומרת להיות ער ומודע לסביבה לראות, להביט, להבחין, להתבונן ולהתמקד באפשרויות שנקרות אליי.  כך גם בנושא של הפרויקט המטרה היא להכניס את התלמיד למצב סריקה,   שיהיה במצב חיפוש מתמיד  לנושא הפרויקט, יחקור את הצרכים הרצונות והכאבים של הסובבים אותו וינסה למצוא להם פתרונות.

ישנן שתי אפשרויות, הראשונה, למצוא צורך ולחקור כיצד הטבע התמודד איתו. השניה, למצוא בעיה שהטבע מצא לה פתרון ולראות היכן ניתן ליישם את הפתרון בעולם שלנו.

איפה מחפשים  פתרונות בהשראת הטבע?  ישנו אתר שנקרא asknature, או  findstructure המכיל מאגר של פתרונות רבים לבעיות שנפתרו בהשראת הטבע.  כמו כן ישנם אתרי ביומימיקרי בארץ ובעולם, חיפוש פשוט בגוגל  יגיע אליהם.

בסיום השיעור הראשון התלמידים צריכים לקבל את ההרגשה שהם רק צריכים לפתוח את העיניים ולהביט,  לראות ולהתפלא,  להתפלא ולשאול איך הם עושים את זה,  מה אנחנו יכולים ללמוד מזה,  איפה ניתן ליישם את הידע הזה,  רגע הפליאה הוא הרגע בו החדשנות מתחילה,  שאלת הפליאה תניע אותו לחקור את פתרונות הטבע לאתגרים השונים.

קישור למצגת:
https://drive.google.com/drive/folders/1dEZuOjkU2QJhzNyOcpuJsp5_pHSoxJZ-?usp=sharing

בסיום המפגש מתקיים משחק בתוכנה קהוט ונערכת תחרות בין התלמידים.
הקישור לקהוט:    https://create.kahoot.it/details/0d5b8e23-d1ee-4d4d-aa52-cc803421da5c

• ספר מומלץ שממנו נלקחו חלק מהדוגמאות וניתן ללמוד על הנושא הוא "המצאות הטבע" של יעל הלפמן כהן.

מבוא לשיעור

מטרת השיעור היא להיחשף לפרויקטים שנעשו בעבר ובהווה ולהסביר לתלמידים  איך מתקדמים מרעיון למוצר.  חשבת על רעיון וכעת יש צורך ליישם אותו להביא אותו למוצר מוגמר – אב טיפוס/הוכחת היתכנות.  בשיעור הזה נסביר את השיטה בעזרת תיאור מקרה של מספר מיזמים שהתקיימו אצלנו בבית הספר.  

מיזם מספר 1: 

שם המיזם מערכות חישה אווירית לניהול אירוע אש מרחוק. 

סרטון המתאר את היוזמה "פיזיקה מציתה את הדימיון":   https://www.youtube.com/watch?v=bMSWNcrN7ts

בפרויקט זה מספר תלמידים ניסו לתת מענה לשריפות. יש לציין שבעיה זו הינה בעיה עולמית. המוטיבציה הייתה השריפה בכרמל שהתרחשה בשנת 2010 בה נספו 44 בני אדם

בתחילה על התלמידים לבדוק את הצורך בפרויקט שלהם לצורך כך הם מחפשים ברשת, בכלי בינה מלאכותית (ישנו שיעור העוסק בכלי בינה מלאכותית וכיצד לכתוב פרומטים כדי להפיק את המירב מהרשת) ובספרות המקצועית (ישנו שיעור בנושא שמלמד כיצד לבצע סקר שוק, לחפש מאמרים מקצועיים ועוד) כדי לראות שאכן הפרויקט רלוונטי ויש צורך אמיתי מהשטח לקבל אותו. בנוסף לסקירת הספרות המדעית התלמידים יבצעו סקר שוק כמה עולה פיתוח המוצר וכמה אנשים יהיו מוכנים לשלם בעדו.  

ישנם פרויקטים שהתלמידים מציעים אולם אין להם היתכנות וחבל להתחיל לפתח אותם (היו פרויקטים בעבר שהבנו מראש שאין להם היתכנות וכדאיות, אולם התלמיד התעקש לפתח אותם וכמובן שליווינו אותו בתהליך). לדוגמא,  פיתוח אדנית חכמה שתוכל לגדל בעצמה צמחי תבלין.  באדנית יהיו חיישנים ומצלמה עם זיהוי תמונה המשתמשת בכלי בינה מלאכותית שיזהו את סוג הצמח, יפקחו על ההשקייה, הלחות האור ועוד ויגדלו את צמחי התבלין באופן עצמאי.  לאחר בדיקת עלויות וסקר שוק התברר שעלות המוצר הסופי לצרכן הוא כ-1360 ש"ח בעוד במרכול השכונתי ניתן לרכוש שלוש שקיות של צמחי תבלין בעשרה שקלים. בנוסף, כשחשבנו שאולי החלק הרגשי של גידול צמחים בבית יגרום לאנשים להשקיע סכום גדול של כסף בקניית האדנית, ביצענו סקר עם אנשים שקנו בסופר צמחי תבלין. הסקר הראה שהם לא יהיו מוכנים לשלם יותר מ 120 ש"ח על אדנית כזו. ולכן העלות הגבוהה הופכת את המוצר ללא כדאי.

שהבינו את הצורך, התלמידים מתארים את המצב הקיים ואת הבעיות במצב הקיים.  לאחר מכן התלמידים מעלים רעיונות ובוחרים את הרעיון הטוב ביותר, מתארים אותו מגדירים את גבולות הגזרה (עניין זה חשוב ביותר בשל האפשרות להתפזר ולא להתמקד בפתרון) ומחלקים את העבודה בין חברי הצוות. 

 יש לכתוב על החדשנות בפרויקט ואת המטרות המדויקות שהמיזם בא לפתור.  לפני שיוצאים לדרך יש להציג יעדים ותיאום דרישות בעזרת תרשים Gantt מתאים ובעזרתו לראות האם היעדים התממשו בכל נקודת זמן שהוגדרה מראש.

 בשלב הבא מתכננים ניסויים  בקנה מידה קטן כדי להראות שיש היתכנות לפרויקט.  לדוגמא בפרויקט זה שהתלמידים בנו הם ביצעו ניסוים עם חיישנים שונים שמזהים אש ועובדים על עקרונות שונים.  בתחילת המיזם לתלמידים היו כ-14 חיישנים שונים שאותם בדקו מבחינת הרגישות הדיוק המרחק והזוויות שהאש נקלטת על ידי החיישן.  לאחר בחינה מדוקדקת נותרו שלושה חיישנים שענו על דרישות הפרויקט.  בנוסף,  התלמידים הבינו שרצוי להשתמש במצלמה שמצלמת את השטח, מעבדת את התמונה ויודעת לזהות אש ממרחק. יש לשים לב שהפרויקט דינמי ומטרות הפרויקט יכולות להשתנות בהתאם לסקר הספרות לניסוים בשטח ולידע הנרכש במהלך העבודה.  לאחר שהתלמידים בנו דגם מינימלי (MVP) הם מתחילים לנסות אותו בתנאים כמה שיותר קרובים למציאות,   לדוגמה,  שני תלמידים בפרויקט התנדבו בתחנת הכיבוי בנתניה,  שיתפו את סגן מפקד התחנה ומפקד התחנה על הפרויקט שלהם וגייסו אותם לטובת הפרויקט.  התלמידים ביצעו את הניסוי הראשון בתחנת הכבאות בנתניה שהכבאים מדליקים שריפה מפוקחת והתלמידים עלו עם אב הטיפוס  על מנוף לגובה 44 מטר ובדקו את התוצאות שהתקבלו משלושת החיישנים ומהמצלמה.  התלמידים הבינו שאת המצלמה רצוי לשים במטע"ד (מטען יעודי) של כטמ"מ (כלי טייס מאויש מרחוק)  שיסרוק באופן אוטומטי את השטח ומתריע על תחילתה של דלקה עוד בשלבים הראשונים שלה. התלמידים יצרו קשר עם חברת בלובירד שמפתחת כטמ"מים ומנכ"ל החברה, מר רונן נדיר,  הסכים ללוות אותם בתהליך. בעקבות התוצאות התלמידים שיפרו את אב הטיפוס שיהיה מדויק ורגיש יותר ובחרו בחיישן אחד מתוך השלושה ובמצלמה.  הניסוי השני התקיים בערב ל"ג בעומר שכפי שידוע ישנן מדורות רבות ברחבי העיר.  בערב ל"ג בעומר העלנו כטמ"מ שבמטע"ד שלו נמצאת מצלמה וחיישן שמגלים אש ממרחק. יש לציין שבכל שלב בפרויקט התגלו בעיות והתלמידים נפגשו עם מומחים כדי לפתור אותם.  תהליך זה נעשה מספר רב של פעמים, בכל פעם עם חברי קבוצה אחרים או כולם יחד כדי לוודא שהחלק של התוכנה, החומרה, והזיווד יעבדו ויתחברו יחד עד שבסוף של דבר התקבל אב טיפוס עובד. 

למי שקורא את המיזם עד עכשיו נראה שהפרויקט ענק וגדול מדי.  בנקודה זו אני רוצה להדגיש את מה שכתבתי בתחילת הדברים שעל התלמידים להתמקד בחלק אחד בלבד ולחלק זה יש למצוא פתרון.  לדוגמא,  בפרויקט התלמידים עבדו על מערכת שמזהה אש בלבד.  ברור שהמערכת מורכבת מכטמ"מ ועוד חלקים נוספים אולם, חלקים אלו אינם קשורים למערכת שהתלמידים פיתחו. בנוסף, על המורה המלווה ללוות את התלמידים ולקשר בין התלמידים למומחים מהאקדמיה או מחברות ההייטק. המורה המלווה לא צריך להיות מומחה (והוא לא יכול) בכל נושא!

נקודה נוספת שאני מבקש להדגיש –  כאשר אני מציג את הפרויקט הזה למורים,  חלק המורים בטוחים שהתלמידים לא יצליחו להרים פרויקטים באופן עצמאי (כמובן שאנו מצרפים להם מומחים מהתחום) אולם, מהניסיון שלי שקרוב לכמעט שלושה עשורים בכל פעם מחדש התלמידים מפתיעים ומגיעים לגבהים שאני לא ציפיתי שיגיעו בפרויקט.  לכן,  יש  לאתגר את התלמידים ולכוון גבוה,  כמובן עם תמיכה וליווי מתאימים, ובכל שנה התוצאות המתקבלות עולות על השנה הקודמת. המורה צריך להעז, לנסות לצבור ביטחון ועם השנים להתמקצע בתחום.

שיטת לימוד זו נותנת למורה הזדמנות פז! ללמוד להתפתח וליצור בכל שנה מחדש. להתקדם וללמוד טכנולוגיות חדשות  הנמצאות בקצה הטכנולוגיה שהתעשייה מאפשרת.

  * ישנם גם מיזמים כיתתיים – לדוגמא "שומעים את הפיזיקה" פרויקט המתאר את הקשר בין פיזיקה למוזיקה.
הקישור לסרטון:    https://www.youtube.com/watch?v=i8RDJngnQEI

 מיזם מספר 2: 

דוגמה נוספת לפרויקט שעליו אני מספר לתלמידים הוא מיזם שמגיע מהעולם  של התלמידים,  פרויקט שמדבר אליהם בגובה העיניים. לפני כמה שנים ליוותי פרויקט עם שני תלמידים, עולים חדשים מצרפת וזה סיפור המעשה –  שני התלמידים נכנסו אלינו לבית הספר בכיתה י' עם בעיות שפה ופחות הבינו את הפיזיקה והפיזיקה פחות דיברה אליהם.  מה שעניין אותם היה בעצם משחק הכדורגל שהם בילו את מירב ומיטב זמנם בהפסקות וחלק מהשיעורים.   באחת ההפסקות ניגש אליי אחד התלמידים ושאל אותי על הבעיטה המפורסמת של רוברטו קרלוס,  למי שפספס הבעיטה הזו היא בעיטה שבה הכדור הולך הצידה ולשוער ולכל השחקנים נראה שהוא מפספס את השער אבל בסוף הכדור מסתובב באוויר ונכנס אל תוך השער.  זה קישור הוידאו לבעיטה המפורסמת של רוברטו קרלוס, זוהי בעצם שאלת הפליאה שממנה אפשר לצאת למסע מופלא:  https://www.facebook.com/wallasports/videos/%D7%94%D7%91%D7%A2%D7%99%D7%98%D7%94-%D7%94%D7%97%D7%95%D7%A4%D7%A9%D7%99%D7%AA-%D7%A9%D7%9C-%D7%A8%D7%95%D7%91%D7%A8%D7%98%D7%95-%D7%A7%D7%A8%D7%9C%D7%95%D7%A1/295365971638578/

 כאן הבנתי שישנה הזדמנות פז חד פעמית לקרב את התלמידים אל מקצוע פיזיקה.  התחלנו לחפש יחד באינטרנט את החוק הפיזיקלי המאפשר לכדור להסתובב תוך כדי תנועה כשהוא נמצא באוויר. יחד  מצאנו שזהו חוק מגנוס שבעזרתו מניעים גם ספינות גדולות והוא הגורם  לסיבוב הכדור באוויר.  החלטנו לחקור את התופעה ולבנות אב טיפוס מאמצעים פשוטים שנמצאים בכל מעבדת פיזיקה ולראות האם החוק עובד איכותית ואם כן, לחקור אותו כמותית.  אחרי שבנינו את אב הטיפוס ראינו שהחוק אכן עובד, ההתרגשות הייתה גדולה, והתחלנו לחקור את הנושא לעומק.
צילום של אב הטיפוס שבנינו:
https://drive.google.com/file/d/1c8EvuUCcNQnmEpLUO3HX22B1PIGoaGzr/view?usp=sharing

  כשהבנו כיצד הפרויקט עובד וראינו שהתוצאות שקיבלנו תואמות את המשוואות הפיזיקליות המתארות את התופעה חשבנו כיצד יהיה אפשר ליישם את התופעה בכלי טייס זעירים.  הרעיון היה שאם על כדור שמסתובב באוויר פועל כוח בשל הפרש הלחצים שמתואר על ידי חוק ברנולי,  אז אם נשים בכל כנף של כלי טייס זעיר רצועות שיסתובבו על הכנף נקבל עילוי וכך המטוס הזהיר יוכל לטוס לאט יותר, לשהות יותר זמן מעל אותה נקודה  ועל ידי כך להשיג יתרונות צילום טובים יותר ותמונה חדה יותר. פנינו לפרופסור רוזנפלד מאוניברסיטת תל אביב בעל שם עולמי באווירודינמיקה שהתנדב לעזור לשני התלמידים בפרויקט שלהם. לשמחתי התלמידים התגייסו לחלוטין לפרויקט  ונסעו פעם בשבוע לאוניברסיטת תל אביב למפגש עם הפרופסור כדי לחקור בצורה אקדמית את הרעיון שלהם. התלמידים הריצו מודלים דו-מימדיים של הפרויקט, להפתעתנו גילינו יתרונות לא מעטים ברעיון שלהם. החלטנו לבנות אב טיפוס ולבדוק את הרעיון. התלמידים הגישו את הרעיון שלהם לתחרות במכון ויצמן התחרו מול תלמידים רבים מרחבי הארץ וזכו בציון לשבח על הפרויקט שלהם.
קישור למפגש במכון ויצמן:
https://drive.google.com/file/d/0B5HKr6WmOllHY3ZkMTB6bnhLdEU/view?usp=sharing&resourcekey=0-vzJS-eQcvL39qySM09a9NQ

 בשל חוסר הזמן התלמידים לא הצליחו לסיים את הפרויקט וחקרו אותו רק באופן דו מימדי. לאחר כשנה תלמידה נוספת הביעה התעניינות בפרויקט והחליטה לקחת אותו צעד אחד קדימה. בעזרת המומחה האקדמי פרופסור משה רוזנפלד ובעזרת חברת בלובירד בנתה תלמידה מודל אווירודינמי טוב יותר וחקרה אותו בעזרת הרצת מודלים תלת מימדיים, דבר המדמה בצורה טובה יותר את המציאות. התלמידה הגישה את הפרויקט   לתחרות "מדענים צעירים" בירושלים וזכתה במקום השני בישראל. היא נשלחה מטעם התחרות לייצג את מדינת ישראל בפיניקס אריזונה בארצות הברית בתחרות העולמית של אינטל אייסף. התלמידה הוזמנה לכנסת להיפגש עם הנשיא וחברי כנסת נוספים.

קישור למפגש עם הנשיא:
https://drive.google.com/file/d/0B5HKr6WmOllHbE1vaWdLc09pSGM/view?usp=sharing&resourcekey=0-YTx64jMmnOeOqJSn9xE8cA

כיום התלמידה סיימה את התואר השלישי באוניברסיטת תל אביב בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה ועובדת בתור מהנדסת בכירה באינטל. יש לציין שכל התלמידים שסיימו את הפרויקט משרתים ביחידות מובחרות בצהל, או שבחרו ללמוד בעתודה האקדמית. 

מיזם מספר 3: משנת 2025, תשפ"ה – הפרויקט התקבל לתחרות מדענים צעירים של אינטל אייסף העולמית.

תלמידה שלסבתא שלה היו סיבוכים רפואיים בשל העובדה שלא גילו את חיידק ה E.coli בזמן, החליטה לעשות פרויקט בנושא.
תיאור הפרויקט: חיידק ה-E.coli מהווה בעיה משמעותית בתחום הרפואה, ובשנים האחרונות נרשמה עלייה במספר המקרים בהם אנשים נדבקים בחיידק זה, כאשר מצבם הרפואי לעיתים מסתבך.

אחד האתגרים המרכזיים להתמודדות עם חיידק זה היא אמצעי הזיהוי. כיום, נהוג לבצע בדיקות מעבדה הדורשות זמן ממושך, עלויות גבוהות וצוות מקצועי ומיומן.

כדי לתת מענה לאתגר זה, פיתחנו חיישן קיבולי-אלקטרוכימי מתקדם, שמטרתו לזהות נוכחות של חיידק ה-E.coli בדגימות שתן באופן מהיר ויעיל. החיישן החדש מספק פתרון חדשני ומותאם, שאינו מצריך שימוש בצוות מיומן ויקר, מאפשר זיהוי מיידי ומאפשר לבצע מספר רב של בדיקות ביום. בנוסף, ניתן למקם את החיישן במגוון מוקדים, כגון בתי אבות, קופות חולים ומוסדות רפואיים נוספים.

באמצעות חיישן זה, ניתן יהיה לזהות זיהומים מחיידק ה-E.coli בקלות ובמהירות, לספק תשובות מידיות, ולסייע במניעת התפרצויות זיהום עתידיות.

הפרויקט נעשה יחד עם אוניברסיטת בר-אילן, המחלקה לננו טכנולוגיה.

במהלך הפרויקט התלמידה השתמשה בכלי בינה מלאכותית כדי לבצע סקר שוק ולתכנן אב טיפוס ואף ליצור סרט וידאו שיווקי המתאר את החיישן שפיתחה. 

קישור לפוסטר המתאר את הפרויקט:
https://docs.google.com/presentation/d/1gLcM5a29uZtEIvL3Vq-OuOMymo0nMjp6/edit?usp=sharing&ouid=103637540770616969612&rtpof=true&sd=true

קישור לסרטון שיווקי לפרויקט שהתלמידה עשתה בעזרת כלי בינה מלאכותית
https://drive.google.com/file/d/1ZRvTsow6cBvKrIQDNVZEFxZPAobvoH6t/view?usp=sharing

קישור לסקיצות של הפרויקט:
https://drive.google.com/drive/folders/1P-ZZe_5PDFAcQvSi6WrbRtfQYTS1HL8o?usp=sharing

• בכל פרויקט התלמידים מעצבים פוסטר מחקרי עם התוצאות בעברית ובאנגלית, מצגת וספר פרויקט.

מיזם מספר 4: משנת 2025,  תשפ"ה – הפרויקט התקבל לתחרות אינטל אייסף העולמית.

המיזם נעשה ע"י תלמיד המגמה שאחיו וגיסו לוחמים בלבנון ובעזה והוא רצה למצוא פתרון לבעיית  איום הרחפנים.

תיאור הפרויקט: הפרויקט מציג פיתוח טכנולוגי מתקדם וחדשני בתחום האיכון, המספק מענה מקיף ואפקטיבי להגנה מפני רחפנים עוינים. המערכת מבוססת על שילוב טכנולוגיות מתקדמות, כולל ראייה ממוחשבת, בינה מלאכותית ועיבוד תמונה, ומאפשרת גילוי, זיהוי, ועקיבה אחר איומים אוויריים בזמן אמת.

הליבה של המערכת נשענת על היתוך מידע ממספר מצלמות בעלות גזרות צילום חופפות, אשר יחד מספקות תמונה מלאה ומדויקת של המרחב האווירי. באמצעות ניתוח חכם של המידע הנאסף, המערכת משערכת את מיקום הרחפנים, כיוונם, ומהות האיום שהם מציבים. יתרון משמעותי הוא השימוש במצלמות , שהן אמצעי פאסיבי, במקום מכ”מים, מה שהופך את המערכת לחשאית לחלוטין ולכזו שאינה מסכנת את חשיפת הכוחות בשטח.

ייחודיות נוספת של המערכת טמונה בעלותה הנמוכה ובפשטות התפעול שלה, הודות לשילוב של חיישנים פשוטים ואלגוריתמים מתקדמים. המערכת פועלת באופן אוטומטי לחלוטין, ללא צורך בהתערבות אנושית ישירה, מה שמבטיח תגובה מהירה ומדויקת תוך צמצום משמעותי של הסיכון ללוחמים. יתר על כן, היא מאפשרת הכוונת מערכות נשק מגוונות, כולל מערכות יירוט מבוססות לייזר, לטובת ניטרול איומים במהירות וביעילות.

המערכת מיועדת בראש ובראשונה לשימושים צבאיים, ומעניקה ללוחמים יתרון טכנולוגי משמעותי בשדה הקרב. היא מאפשרת להתמודד עם איומי רחפנים בצורה יעילה ומדויקת, תוך שמירה על ביטחונם של הכוחות ופוקוס על משימותיהם העיקריות. הפיתוח מתאים גם לשימושים אזרחיים, כגון הגנה על אישים באירועים ציבוריים או באזורים רגישים, בהם רחפנים עשויים להוות איום על ביטחון הפרטיות או שלומם של המשתתפים.

המערכת עונה על הצורך ההולך וגובר בטכנולוגיות מתקדמות להתמודדות עם איומי רחפנים, אשר הפכו לנפוצים ומסוכנים בשנים האחרונות. היא מדגישה את החשיבות שבתגובה מהירה, מדויקת ואמינה לאיומים אלו, ומשלבת את יתרונות הדיוק, המהירות והאוטונומיה באופן שמבטיח פתרון חדשני וחיוני לשדה הלוחמה והאבטחה המודרנית.

המערכת מציגה קפיצה טכנולוגית בעלת פוטנציאל לשנות את פני הביטחון, תוך הצלת חיים וסילוק איומים עוד בטרם הפיכתם למסוכנים. היא מסמנת עידן חדש בתחום התמודדות עם איומים אוויריים, ומציבה סטנדרט חדש ליעילות ובטיחות בעולם הביטחון.

קישור לפוסטר המתאר את הפרויקט:
https://docs.google.com/presentation/d/1Va63S0xyIySO-692QrSwl7oUmymvJZH_/edit?usp=sharing&ouid=103637540770616969612&rtpof=true&sd=true

דוגמאות נוספות לפרויקטים שנעשו בשנה האחרונה: 
https://drive.google.com/drive/folders/1d7QcLI8VBrgCpCf6tGLHalqXVJokXS0X?usp=drive_link

מבוא לשיעור

המטרה של שיעור זה היא לתת כלים טכנולוגים פרקטיים ומעשיים כדי להפוך את הרעיון לאב טיפוס ולהראות הוכחת היתכנות. בשיעור זה, כמו גם בשיעורים הרביעי החמישי והשישי,  התלמידים נחשפים לתכנות בקרים מתוכנתים, לשרטוט בסולידוורקס ועוד.  התוצרים המתקבלים מתוכנת הסולידוורקס נשלחים להדפסה במדפסת תלת מימד. יש לציין שהמפגשים על כל נושא הינם קצרים כדי להראות ולהדגים לתלמידים את האפשרויות העומדות בפניהם לצורך ביצוע פרויקט, כאשר יעלה הצורך להשתמש באחד מהם התלמיד והמנחה ילמדו לעומק את הכלי.

 בשיעור זה אדגים את אחד מהכלים – תכנות בבקר מסוג ארדואינו.

ארדואינו, הינו בקר, שעלותו שקלים בודדים, ויכול לשמש כבקר שאליו מתחברים חיישנים, הקלט מהחיישנים נבדק על ידי תוכנה שנכתבה מראש, ובהתאם יוצא הקלט.  החיישנים שיכולים להתחבר לבקר רבים ומגוונים כגון, טמפרטורה, אור, לחות, רעש, מדידת מרחק, מיפוי השטח, לחץ דם,  מד לחץ, טיימר ועוד ועוד. הקלט יכול לצאת למסך תצוגה קטן, למנורה, ללדים, לרמקול, לברזים מכניים שניתן לפתוח ולסגור ועוד ועוד כיד הדמיון הטובה.

מהניסיון של השנים האחרונות, רבים מהתלמידים לומדים לתכנת באופן עצמאי, בונים פרויקטים קטנים על הבקר, ומתייחסים לעניין כמשחק.

יש לציין, הספרות המקצועית והסרטונים ביוטיוב בנושא רבים טובים  בעברית ובאנגלית מגוונים ופשוטים להבנה. ולכן כל תלמיד שלבו חפץ, יכול לחקור את הנושא בקלות. בנוסף, ישנם תוכניות רבות של קוד פתוח – קוד שנמצא באינטרנט שכל אחד יכול לעשות העתק הדבק ולהפעיל מנועים, רכבים, מערכת השקייה אוטומטית ועוד.

בתחילת השיעור אני מסביר על המבנה של הבקר. הורדת התוכנה שעובדת עם בבקר מהאינטרנט (תוכנה חינמית שניתן להוריד מהאינטרנט), היכן נמצאת כניסת המתח בבקר, האופן בו מתבצע החיבור למחשב לצורך טעינה של התוכנה מהמחשב לבקר,  המיקום על הבקר  אליהם מתחברים החיישנים, המיקום על הבקר אליו מחברים את הפלט – מנועים, מנורות, מסך תצוגה ועוד. 

אני מסביר על החומרה – סביבת הפיתוח, לוחות הפיתוח השונים על יכולות העיבוד ועל מגוון חיישנים ומודולים שיכולים להתחבר לבקר. בנוסף, מסביר על היישומים שניתן לממש בעזרת הבקר – רובוטים, מערכת רמזורים, בית חכם, תאורת רחוב חכמה ועוד.

בשלב הבא אני מסביר על התוכנה – התקנת סביבת הפיתוח על המחשב האישי שלהם על הספריות שמגיעות עם התוכנה וכותב איתם מספר תוכניות פשוטות שבעזרתן התלמידים מבינים את הבקר את החיישנים,  איך לקרוא מהחיישן את הערך שלו, כיצד לעבד את הנתונים שקיבלנו מהקלט ובהתאם להוציא החוצה את הפלט המתאים. 

בשלב הזה של השיעור, לא מעט תלמידים רוצים להתחיל לתרגל ולבנות מערכת כלשהי בעזרת הארדואינו. לשם כך מגיע החלק הבא של השיעור – שימוש בסימולטור לארדואינו – תוכנת טינקרקאד

קישור לסימולטור לארדואינו מהאינטרנט:
https://www.tinkercad.com/things/flHpOFbJ1CN-arduino-simulator-and

בעזרתה יכול התלמיד להשתמש בסימולטור לארדואינו, בתוכנה התלמיד רואה את הבקר על צג המחשב עם כל הכניסות והיציאות שלמד בכיתה, ויכול לחבר חיישנים ומנועים ולתכנת בשני אופנים: האחד באמצעות שפת תכנות הדומה לשפת C והשני על ידי תכנות בבלוקים (מצד אחד יותר פשוט, אולם מצד שני קשה ליישום בתוכניות מתקדמות). 

השימוש בסימולטור מאפשר לתלמיד לבנות עוד באותו היום, לאחר רישום פשוט באתר, פרויקטון להרגיש את התוכנה, החומרה והבקר.

לא מעט תלמידים מצלמים לקבוצת הוואטסאפ יישומים שעשו בבית בעזרת הסימולטור, וישנם תלמידים שמזמינים  ערכה באינטרנט שכוללת את הבקר מספר חיישנים ואמצעי פלט שונים במחיר של כמה עשרות שקלים בודדים. מפתיע לראות את ההתקדמות המהירה של התלמידים שמוצאים עניין  ומתחברים לנושא, והיישומים שהם מביאים לכיתה מעוררי השראה בכל שנה מחדש. כמובן שלא הכל תמיד הולך חלק, לחלק מהתלמידים יש שגיאות תחביר בתוכנה, חלקם לא מצליח לחבר את החיישנים בצורה נכונה וחלקם מתקשה בחיבור אמצעי הפלט השונים. עם מעט רצון וחיפוש באינטרנט והתייעצויות עם המורה/מומחה התלמידים מצליחים להתגבר על הבעיות, משבוע לשבוע הפרויקטים נהיים רציניים יותר ומתוחכמים יותר מבחינת תוכנה וחומרה.

חלק מהפרויקטונים הראשונים שהתלמידים מבצעים הם רמזור, הדמיה של זריקת קוביות שש בש, חיישן רוורס לרכב (בפרויקט זה התלמידים עובדים עם חיישן מרחק אולטראסוני העובד על עקרונות פיזיקליים וכאן המקום להיכנס להסברים עמוקים יותר על גל קול, מהירות הקול, משדר מקלט, ואף להתחבר לשיחה של השיעור הראשון בנושא ביומימיקרי ולהבין איך עטלפים מוצאים את דרכם  במערות חשוכות, ואף לדבר על חיישנים מתקדמים יותר כמו הלידר שיודע למפות סביבה שלמה), מד טמפרטורה עם תצוגה, משחק זיכרון (סיימון), כספת דיגיטלית שניתן לשנות את הקוד – פרויקט זה מכיל לחצנים, תצוגה דיגיטלית ומנוע סרבו המדמה את המפתח לכספת. המשתמש בוחר בתחילה קוד לכספת נועל אותה ואז הכספת תיפתח רק באמצעות הקוד הנבחר. כאן התלמידים יכולים להוסיף דברים נוספים כגון אזעקה אם מנסים לפתוח את הכספת באמצעות קוד שגוי יותר ממספר פעמים שהוחלט מראש או להתקשר למספר טלפון כלשהו ולהשמיע הודעה שמנסים לפתוח את הכספת.

לאחר שהתלמידים התנסו ובנו את הפרויקט של הכספת הם בעצמם מבקשים שתהיה כספת ולא רק מנוע סרוו שידמה את פתיחת הכספת וסגירתה. בשלב זה, לבקשתם של התלמידים!  אנחנו מלמדים אותם לשרטט  בסולידוורקס. לאחר שהתלמידים תכננו את הכספת (את מיקום הלחצנים והתצוגה, כיצד הכספת תיסגר ותיפתח, גודל הכספת  והיכן ישב המנגנון האלקטרוני אנו מוציאים את התוצר שתוכנן והודפס למדפסת תלת מימד ומרכיבים על התוצר את החומרה.

ברגע שיש מומחים שמסוגלים לתת מענה לצרכים העולים מצד התלמידים ועוזרים להם לפתח את הפרויקט שהם חשבו עליו הם מוכנים לעבוד קשה והם אלה שדוחפים קדימה ללמוד דברים נוספים בהתאם לצרכים שעולים מהפרויקט. תפקידו של המורה הוא לא לדעת הכל אלא לקשר בין מומחים מהתחום לבין התלמידים.

בשלב זה, התלמיד הבין את הבקר, תכנן פרויקטונים קטנים הוא בעצמו מבקש לבנות משהו משמעותי יותר ואיכותי יותר. זה הזמן לתת לו לחפש רעיונות באתרי אינטרנט שונים (לכל אוניברסיטה יש יריד פרויקטים שמתקיים פעם בשנה בו הסטודנטים מציגים את פרויקטי הגמר שלהם. לכל אוניברסיטה יש גם אתר אינטרנט שמתאר את כל הפרויקטים שהוצגו בשנים האחרונות. משם התלמיד יכול לקבל רעיונות ולממש אותם ברמתו הוא.
קישור לאתר הפרויקטים של אוניברסיטת בן גוריון:
https://in.bgu.ac.il/engn-projects/Pages/default.aspx

קישור לאתר הפרויקטים של אוניברסיטת ת"א:
https://www.tauengprojects.com/finalproj/EE/2020

באינטרנט ישנם הרבה אתרים המתארים פרויקטים שאנשים מהעולם ביצעו והם פתוחים לקהל הרחב). 

במצגת המצורפת לשיעור זה ישנם רעיונות שונים למיזמים והפנייה למספר אתרים שמציעים פרויקטים לקהל הרחב.

מטרתו של השיעור הייתה לתת לתלמיד את ההרגשה שהוא מסוגל לבנות מערכת אלקטרונית  שתחוש את הסביבה תעבד את המידע ותוציא פלט מתאים. כאשר התלמיד יגיע למיזם בו ירצה להתמקד ננתח מראש את הצרכים והיכולות ממערכת הבקרה ונתאים מערכת בקרה מתאימה לפרויקט. לדוגמא, אם התלמיד מבקש לבנות מערכת שתוכל לתקשר עם מצלמות בזמן אמת לקיים תקשורת אלחוטית עם מחשב, לעבד תמונה ולבצע מספר דברים במקביל נבחר בבקר מתקדם יותר אולם העקרונות שלמד יישארו אותם עקרונות והקפיצה לא תהיה גדולה מדי.

קישור למצגת:
https://docs.google.com/presentation/d/1apjPH_GNziDCXg6jhED1pqo2GWsdhZ21/edit?usp=sharing&ouid=103637540770616969612&rtpof=true&sd=true

קישור לשיעור:
https://drive.google.com/file/d/1UvEYulTOZYTYhd_3DPdONg-qhsDHSwIo/view?usp=sharing