3.2.1 Denk- und Arbeitsweisen in NwT: Systeme und Prozesse
Die Standards der inhaltsbezogenen Kompetenzen beginnen mit dem Bereich „Systeme und Prozesse“. An den vielen im NwT-Unterricht thematisierten Systemen und Prozessen sollen die Schülerinnen und Schüler lernen, in Systemen und Prozessen abstrakt zu denken. Systemdenken ermöglicht ihnen, komplexe Anordnungen in Naturwissenschaft wie Technik geschickt in Teilsysteme zu unterteilen und so zu verstehen. Ein System bzw. Teilsystem kann in seinen „äußeren Funktionen“ unabhängig von der „inneren Funktionsweise“ als sogenannte Black-Box verstanden werden (vgl. VDI 2222):
zum Beispiel „mobiler Elektrolyseur“:
Diese Darstellung liegt auch den inhaltlichen Standards des Bildungsplans zugrunde, weshalb er nach dem Bereich „Systeme und Prozesse“ in Bereiche mit Bezug zu „Energieströmen“, „Stoffströmen“ und „Informationsströmen“ gegliedert ist.
- (1) Systeme analysieren und durch Systemgrenzen und Teilsysteme beschreiben (zum Beispiel Lebewesen, Maschinen, Sonnensystem)
Systemgrenzen unterscheiden zwischen dem Äußeren eines Systems und seinem Inneren. Die Schülerinnen und Schüler lernen, zwischen äußeren Wirkungen und Eigenschaften (den sog. „äußeren Funktionen“) eines Systems und dessen innerer Arbeitsweise (der sog. „inneren Funktionen“) zu unterscheiden.
Unterrichtlich werden sich hier bei jedem Curriculum zahlreiche Bezüge ergeben, zum Beispiel die Betrachtung einer einzelnen Zelle, eines Versuchsaufbaus, einer Maschine, eines Ökosystems, einer Stadt oder des Sonnensystems. Die Darstellung eines Systems aus Teilsystemen kann grafisch z. B. als Blockschaltbild erfolgen.
- (2) Energie-, Stoff- und Informationsströme zwischen Teilsystemen erklären (zum Beispiel Treibhauseffekt, Stoffwechsel, GPS)
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Die Schülerinnen und Schüler sollen Systeme in Teilsysteme zerlegen, um die innere Funktionsweise des Gesamtsystems durch Energie-, Stoff und Informationsströme zwischen den Teilsystemen zu beschreiben.
In der Regel wird bei einem System der „Energiestrom“, der „Stoffstrom“ oder der „Informationsstrom“ dominieren. So können beispielsweise bei der Betrachtung des Treibhauseffekts Energieströme, bei der Betrachtung des Stoffwechsels und von Windsystemen Stoffströme und bei der Betrachtung eines GPS-Empfängers Informationsströme im Vordergrund stehen. Davon ausgehend beginnt man dann, die anderen Ströme zu analysieren und so das System näher zu verstehen.
Häufig sind auch zwei der drei Größen miteinander gekoppelt: Beispielsweise sind beim Stoffwechsel oder Vorgängen der Atmosphäre Energie- und Stoffströme verbunden, Botenstoffe sind ein Beispiel für die Verknüpfung von Stoff- und Informationsströmen, ein klassischer Lautsprecher erhält über das Lautsprecherkabel Information und Energie gekoppelt.
- (3) Wechselwirkungen (positive und negative Rückkopplung) zwischen Teilsystemen beschreiben (zum Beispiel Atemfrequenzanpassung, chemisches Gleichgewicht, Drehzahlregelung, Klimawandel)
Kenngrößen verschiedener Teilsysteme stehen in vielen Fällen in „selbst verstärkenden“ (positive Rückkopplung bzw. Mitkopplung) oder „selbst schwächenden“ (negative Rückkopplung bzw. Gegenkopplung) direkten oder indirekten Abhängigkeiten zueinander. Beispielsweise wirkt erhöhter Sauerstoffbedarf positiv rückkoppelnd auf die Atemfrequenz. Im Räuber-Beute-Modell wirkt die Räuberzahl negativ rückkoppelnd auf die Zahl der Beutetiere.
- (4) Veränderungen in Systemen als Prozesse beschreiben (Prozessschritt, Teilprozess, Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe-Prinzip)
Prozessdenken ermöglicht den Schülerinnen und Schülern, komplexe Vorgänge in (ggf. zueinander parallele) Teilprozesse und diese in einzelne Prozessschritte zu unterteilen und so zu verstehen.
Das im Standard genannte Eingabe-Verarbeitungs-Ausgabe-Prinzip (EVA-Prinzip) ist der Grundtyp des Prozesses zur Signalverarbeitung und beschreibt die Reihenfolge, in der Signale verarbeitet werden: Information wird eingegeben, verarbeitet und andere Information wird wieder ausgegeben.
- (5) Teilsysteme durch ihre äußeren Funktionen beschreiben (Black-Box-Denken; zum Beispiel Sinneszelle, Batterie)
In vielen Fällen genügt es im NwT-Unterricht Teilsysteme zunächst als Black-Box zu behandeln und sie nur durch ihre äußeren Funktionen zu beschreiben. So können sie im Unterricht bereits verwendet werden, noch bevor die einzelnen naturwissenschaftlichen Disziplinen deren innere Funktionsweise untersuchen oder erklären. Neben Sinneszelle oder Batterie ist das beispielsweise auch bei Halbleiterbauelementen in der Elektronik oder bei Solarzellen der Fall.
Ein Kennzeichen technischen Denkens ist es, die Komplexität von Fragestellungen zielgerichtet zu reduzieren, indem Teilsysteme getrennt betrachtet und geprüft werden und dann ohne die Betrachtung innerer Funktionen vielfältig genutzt werden.
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