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3.2.2 En­er­gie und Mo­bi­li­tät

3.​2.​3.​1 Ei­gen­schaf­ten von Stof­fen

Der im Bil­dungs­plan ver­wen­de­te Be­griff „Stoff“ um­fasst hier wie in der Che­mie Rein­stof­fe, Stoff­ge­mi­sche, Werk­stof­fe etc.

(1) Ei­gen­schaf­ten von Stof­fen be­stim­men (zum Bei­spiel Lös­lich­keit, Leit­fä­hig­keit, Brenn­bar­keit, Zug­fes­tig­keit, Härte, Was­ser­spei­cher­fä­hig­keit)

(2) die Eig­nung von Stof­fen für einen be­stimm­ten Zweck er­läu­tern

Na­tür­li­che und tech­ni­sche Sys­te­me be­ste­hen aus Stof­fen bzw. nut­zen Stof­fe, die in der Regel wegen ihrer be­son­de­ren Ei­gen­schaf­ten zu einem be­stimm­ten Zweck bzw. an den je­wei­li­gen Stel­len ein­ge­setzt wer­den.

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­su­chen daher die Ei­gen­schaf­ten der Stof­fe, die für die Ver­wen­dung in ihrem Pro­jekt be­nö­tigt wer­den. Dies kön­nen – neben den ge­nann­ten all­ge­mei­nen qua­li­ta­ti­ven und quan­ti­ta­ti­ven Ei­gen­schaf­ten - auch die be­son­de­ren Ei­gen­schaf­ten von Holz, Kunst­stoff und Ver­bund­werk­stof­fen (z.B. Stahl­be­ton, Sperr­holz), sowie die sta­ti­schen Ei­gen­schaf­ten von Bau­stof­fen sein.

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ler­nen den Zu­sam­men­hang zwi­schen Stof­f­ei­gen­schaf­ten und spe­zi­fi­scher Ver­wen­dung ken­nen und sol­len die­sen auch bei der Pla­nung ei­ge­ner Pro­duk­te auf­zei­gen kön­nen.

(3) Stof­f­ei­gen­schaf­ten mit ein­fa­chen Mo­del­len auf Teil­chen- oder mi­kro­sko­pi­scher Ebene er­läu­tern

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler sol­len ihre Kennt­nis­se aus der Che­mie nut­zen, um die Ei­gen­schaf­ten von Stof­fen mit ihrem Auf­bau zu er­läu­tern.

Ein­fa­che Mo­del­le kön­nen auch bei noch un­be­kann­ten Stof­fen hel­fen - es wird kein Vor­drin­gen auf die Ebene che­mi­scher Bin­dun­gen er­war­tet. So kön­nen bei­spiels­wei­se die Ei­gen­schaf­ten von na­tür­li­chen und künst­li­chen Ma­kro­mo­le­kü­len (z.B. in Kol­la­gen oder Kunst­stof­fen) mit Mo­del­len, wel­che die rea­len Mo­le­kü­le in Strän­gen mit oder ohne Ver­net­zung dar­stel­len, er­klärt wer­den.

3.​2.​3.​2 Sta­ti­sche Prin­zi­pi­en in Natur und Tech­nik

Die Sta­bi­li­tät von na­tür­li­chen und tech­ni­schen Sys­te­men spielt eine zen­tra­le Rolle. Sta­ti­sche Struk­tu­ren und geo­me­trisch oder rech­ne­risch be­stim­men zu kön­nen, stellt eine we­sent­li­che Grund­la­ge für ei­ge­ne Kon­struk­tio­nen dar.

(1) den sta­ti­schen Auf­bau von na­tür­li­chen und tech­ni­schen Sys­te­men ana­ly­sie­ren (geo­me­tri­sche Kon­struk­ti­on, Sta­bi­li­tät des Drei­ecks, Pro­fi­le)

Durch Bau­prin­zi­pi­en wie zum Bei­spiel Bögen und Drei­ecke lässt sich die Sta­bi­li­tät von Pflan­zen, Tie­ren, Bau­tei­len oder Bau­wer­ken be­grün­den. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen deren Zu­sam­men­wir­ken, aber auch deren Auf­bau an­schau­lich mit dem Wir­ken von Zug- und Druck­kräf­ten be­grün­den.

(2) Zug- und Druck­kräf­te zwei­di­men­sio­nal geo­me­trisch oder rech­ne­risch be­stim­men (zum Bei­spiel Brü­cke, Kran, Kör­per­bau)

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler sol­len ihre Vor­kennt­nis­se nut­zen, um sta­ti­sche Kräf­te auch quan­ti­ta­tiv zu be­trach­ten. Der Bil­dungs­plan for­dert aber nicht, dem Phy­sik- und Ma­the­ma­tik­un­ter­richt vor­zu­grei­fen oder die Sta­tik un­be­dingt in Klas­se 10 zu plat­zie­ren. Des­halb lässt er offen, ob Kräf­te geo­me­trisch ad­diert wer­den oder ob dies in hö­he­ren Klas­sen tri­go­no­me­trisch be­rech­nend er­folgt.

3.​2.​3.​3 Pro­dukt­ent­wick­lung

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler sol­len in NwT Tech­nik­ver­ständ­nis und tech­ni­sche Ge­stal­tungs­kom­pe­tenz er­wer­ben. Bei­des zielt we­ni­ger auf das rein hand­werk­li­che Ar­bei­ten als viel­mehr auf das ko­gni­tiv pla­nen­de und krea­tiv ent­wi­ckeln­de pro­blem­lö­sen­de Vor­ge­hen.

Sie ler­nen tech­ni­sche Pro­duk­te als von Men­schen für Men­schen ge­schaf­fe­ne Sys­te­me mit „äu­ße­ren Funk­tio­nen“ und viel­fach raf­fi­nier­ter „in­ne­rer Funk­ti­ons­wei­se“ zu be­grei­fen. Die äu­ße­ren Funk­tio­nen ge­nü­gen dabei mensch­li­chen Be­dürf­nis­sen oder ge­sell­schaft­li­chen An­for­de­run­gen. Für diese äu­ße­ren Qua­li­tä­ten sol­len Schü­le­rin­nen und Schü­ler sen­si­bi­li­siert wer­den und ver­ste­hen, dass Op­ti­mie­rungs­wil­le und Krea­ti­vi­tät er­folg­rei­che Pro­duk­te schaf­fen.

Die in­ne­re Funk­ti­ons­wei­se ist von Men­schen mit tie­fem Fach­ver­ständ­nis, Ge­duld und eben­falls einer hohen Krea­ti­vi­tät ge­schaf­fen wor­den. In die­ses pro­blem­lö­send ge­stal­ten­de Ar­bei­ten sol­len die Schü­le­rin­nen und Schü­ler in NwT nach und nach immer tie­fer ein­ge­führt wer­den und her­aus­fin­den, ob es für sie zum Beruf wer­den kann.

(1) ein Pro­dukt mit de­fi­nier­ter Funk­ti­on und be­stimm­ter Ei­gen­schaft ent­wi­ckeln, kon­stru­ie­ren und norm­ori­en­tiert dar­stel­len (zum Bei­spiel Wind­kraft­an­la­ge, Mess­ge­rät, Ma­schi­ne)

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler sol­len ein tech­ni­sches Sys­tem mit ge­ge­be­nen äu­ße­ren Funk­tio­nen (diese In­for­ma­tio­nen be­zeich­net man oft als „Las­ten­heft“) ent­wi­ckeln. Dazu ge­hört, dass sie sich selbst eine in­ne­re Funk­ti­ons­wei­se über­le­gen und diese in bis hin zu einem Kon­struk­ti­ons­plan durch­den­ken.

Um ihre Ideen aus­drü­cken, ge­mein­sam dis­ku­tie­ren und do­ku­men­tie­ren zu kön­nen, er­ler­nen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler in NwT Grund­la­gen der üb­li­chen und ge­norm­ten Be­schrei­bungs­ar­ten wie eine „Tech­ni­sche Zeich­nung“, einen „Schalt­plan“ oder einen „Ab­lauf­plan“. Diese sol­len sich an der Norm ori­en­tie­ren, aber diese kei­nes­wegs voll er­fül­len müs­sen.

So ge­nü­gen z.B. für das Tech­ni­sche Zeich­nen we­ni­ge Strich­sti­le (Kante, ver­deck­te Kante, Sym­me­trie, Be­ma­ßungs­li­nie, Kreis­be­ma­ßung, Teil­kreis­dar­stel­lung) und Be­ma­ßungs­zei­chen (Pfeil oder Quer­strich) sowie eine skiz­zen­haf­te Aus­füh­rung.

Auch für einen Schalt­plan ge­nü­gen we­ni­ge Schalt­zei­chen (z.B. Wi­der­stand, Schal­ter, Diode, Masse, elek­tri­sche Ver­bin­dun­gen) – an­de­re kön­nen durch be­schrif­te­te Boxen er­setzt wer­den.

Zum Lesen pro­fes­sio­nel­ler Pläne soll­ten die Schü­le­rin­nen aber in der Lage sein, sich Sym­bo­le zu er­schlie­ßen oder zu re­cher­chie­ren.

(2) Ana­lo­gi­en zwi­schen tech­ni­schen Pro­duk­ten und na­tür­li­chen Sys­te­men er­läu­tern (zum Bei­spiel Lo­tus­ef­fekt, Wär­me­däm­mung, Sta­bi­li­tät von Kon­struk­tio­nen)

Die von Men­schen er­dach­ten Pro­blem­lö­sun­gen haben nicht sel­ten Ähn­lich­keit zu Lö­sun­gen der Natur bzw. Ent­wick­lun­gen der Evo­lu­ti­on. Schü­le­rin­nen und Schü­ler sol­len diese Ähn­lich­keit ex­em­pla­risch ken­nen ler­nen. Hier­bei kann auf die Wis­sen­schafts­dis­zi­plin Bio­nik ein­ge­gan­gen wer­den.

Der Un­ter­schied zwi­schen Top-down und Bot­tom-up-Vor­ge­hen kann hier the­ma­ti­siert wer­den.

(3) Roh- und Werk­stof­fe res­sour­cen­scho­nend aus­wäh­len und nut­zen (Ver­schnitt, Öko­bi­lanz)

Noch immer (2016) wer­den Pro­duk­te pri­mär auf öko­no­mi­schen Vor­teil hin ent­wi­ckelt. Damit un­se­re Schü­le­rin­nen und Schü­ler in der Zu­kunft ver­ant­wor­tungs­vol­ler han­deln, sol­len sie eine Öko­bi­lanz ken­nen ler­nen und nach­hal­ti­ges Den­ken bei der Ent­wick­lung ei­ge­ner Pro­duk­te üben.

(4) mit Werk­zeu­gen und Ma­schi­nen ein Pro­dukt fer­ti­gen (Ver­fah­ren zum Tren­nen, Fügen, Um­for­men, zum Bei­spiel com­pu­ter­ge­stütz­te Fer­ti­gung)

Die Fer­ti­gung soll im NwT-Un­ter­richt kein Selbst­zweck sein: Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler sol­len an ihr aber ei­ner­seits ein Ge­fühl für Ma­te­ria­li­en und deren Ver­ar­bei­tungs­mög­lich­kei­ten ge­win­nen. Dazu sol­len die Schü­le­rin­nen und Schü­ler die Ver­ar­bei­tungs­mög­lich­kei­ten grund­sätz­lich be­nen­nen und glie­dern (Fügen, Tren­nen, Um­for­men) kön­nen.

Zwei­tens dient die Fer­ti­gung im NwT-Un­ter­richt der Über­prü­fung der selbst ent­wi­ckel­ten Kon­struk­ti­on und re­sul­tiert in der Regel in einem wei­ter op­ti­mier­ba­ren Pro­to­typ. Erste Er­fah­run­gen (2016) wei­sen dar­auf hin, dass es sich lohnt, im Un­ter­richt früh auch com­pu­ter­ge­stütz­te Fer­ti­gung durch CNC-Frä­sen oder 3D-Dru­cker zum Ein­satz zu brin­gen.

(5) Funk­ti­on und Ei­gen­schaf­ten eines Pro­dukts be­wer­ten und Op­ti­mie­rungs­an­sät­ze ent­wi­ckeln

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ler­nen, die äu­ße­ren Funk­tio­nen eines Pro­dukts kri­tisch zu be­trach­ten. Dazu dient, dass sie Op­ti­mie­rungs­an­sät­ze er­ar­bei­ten oder Pro­duk­te mit­ein­an­der ver­glei­chen.

3.​2.​3.​4 Stoff­strö­me und Ver­fah­ren

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ler­nen, Sys­te­me be­züg­lich ihrer äu­ße­ren und in­ne­ren Stoff­strö­me zu ana­ly­sie­ren und Ver­än­de­run­gen als Pro­zes­se dar­zu­stel­len.

(1) na­tür­li­che und tech­ni­sche Stoff­strö­me und Stoff­kreis­läu­fe er­läu­tern (zum Bei­spiel Kalk-, Was­ser­kreis­lauf, at­mo­sphä­ri­sche Zy­klen, Ent­ste­hung che­mi­scher Ele­men­te)

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler sol­len die Be­grif­fe Stoff­strom und Stoff­kreis­lauf an Bei­spie­len er­klä­ren kön­nen.

Ziel ist nicht, hier in er­heb­li­che fach­wis­sen­schaft­li­che Spe­zi­al­tie­fen vor­zu­drin­gen, son­dern das Den­ken in Stoff­strö­men und Kreis­läu­fen an The­men zu schu­len, die im Un­ter­richt oh­ne­hin in den Fokus ge­ra­ten.

Je nach Un­ter­richts­ein­heit bie­ten sich Nähr­stoff­kreis­läu­fe, Ge­stein­s­kreis­lauf, Kalk­kreis­läu­fe, Was­ser­kreis­läu­fe z.B. in der At­mo­sphä­re und Hy­dro­sphä­re oder Brauch­was­ser in tech­ni­schen An­la­gen, Re­cy­cling oder die Ent­ste­hung von Ele­men­ten durch Kern­fu­si­on in Ster­nen und Su­per­no­va­ex­plo­sio­nen an.

einen ver­fah­rens­tech­ni­schen Her­stel­lungs­pro­zess und die darin ent­hal­te­nen Grund­ope­ra­tio­nen er­läu­tern (che­mi­sche, ther­mi­sche oder bio­che­mi­sche Ver­fah­ren)

Die Aus­ein­an­der­set­zung mit der Ver­fah­rens­tech­nik soll den Schü­le­rin­nen und Schü­lern ei­ner­seits be­wusst­ma­chen, dass Stof­fe und Ma­te­ria­li­en, die ihnen im All­tag be­geg­nen, viel­fach eben­falls vom Men­schen ge­schaf­fe­ne Pro­duk­te sind. An­de­rer­seits sol­len sie die­sen Be­reich der bio­lo­gie- und che­mie­na­hen Tech­nik ken­nen ler­nen.

Daher for­dert der Bil­dungs­plan, dass sie an min­des­tens einem Bei­spiel ver­ste­hen, wie ein Stoff durch ge­schick­te Kom­bi­na­ti­on phy­si­ka­li­scher, che­mi­scher, ther­mi­scher oder bio­che­mi­scher Grund­ope­ra­tio­nen in einem klar dar­stell­ba­ren und ge­plan­ten ver­fah­rens­tech­ni­schen Pro­zess ge­schaf­fen wird. Dabei ist an ein Er­läu­tern auf der Ebene eines Grund­fließ­bilds (siehe Ab­bil­dung) ge­dacht - das Ver­ste­hen eines Ver­fah­rens­fließ­bilds ist hin­ge­gen nicht ver­langt.

Bei­spiel für ein Grund­fließ­bild

Grundfließbild

Bei­spiel für Ver­fah­rens­fließ­bild

Verfahrensfließbild

in einem che­misch-tech­ni­schen Ver­fah­ren ein Pro­dukt rea­li­sie­ren und den Her­stel­lungs­pro­zess oder das Pro­dukt op­ti­mie­ren (zum Bei­spiel Son­nen­creme, Bio­etha­nol, Zu­cker­her­stel­lung, Pro­dukt aus Gummi)

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler sol­len ein che­misch-tech­ni­sches Ver­fah­ren ken­nen ge­lernt haben und mit die­sem ein Pro­dukt her­stel­len. Dies soll nicht ein­fach durch re­zeptar­ti­ges Ab­ar­bei­ten ge­sche­hen. Des­halb for­dert der Stan­dard, mit Blick auf das Pro­dukt oder auf den Pro­zess (z.B. Qua­li­tät, Aus­beu­te, Zu­ver­läs­sig­keit) zu op­ti­mie­ren.

 

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Wei­ter zu 3.2.4 In­for­ma­ti­ons­auf­nah­me und -ver­ar­bei­tung