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.
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(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
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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
Beispiel für 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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