3.2.4 Informationsaufnahme und -verarbeitung
3.2.4.1 Informationsaufnahme durch Sinne und Sensoren
(1) die Verwendungsmöglichkeiten von Sensoren beschreiben (zum Beispiel Blutdruckmessgerät, Hygrometer, Anemometer)
Die Schülerinnen und Schüler sollen Sensoren zum Gewinnen von Information in forschendem wie technischem Kontext auswählen und nutzen können. Es ist nicht gefordert, dass die Schülerinnen und Schüler die innere Funktionsweise aller Sensoren kennen.
(2) Bau und Funktionsweise eines Sinnesorgans mit einem entsprechenden technischen Sensor vergleichen (zum Beispiel Auge mit Digitalkamera oder Ohr mit Mikrofon)
(3) die Gefährdung von Auge oder Ohr durch Überlastung beschreiben und persönliches Handeln von gesundheitlichen Grenzwerten ableiten
Die Schülerinnen und Schüler sollen die innere Funktionsweise eines Sensors kennenlernen und mit der inneren Funktionsweise des dazu passenden Sinnesorgans vergleichen können. Dabei soll vom Messaufnehmer als Bestandteil des Sensors, der physikalische oder chemische Größen registriert, deutlich unterschieden werden.
Es könnten sich hier je nach NwT-Curriculum vertiefend auch Betrachtungen zum Beispiel von G-Sensor/Gleichgewichtsorgan, Waage/Schwereempfinden oder Thermofühler/Thermorezeptoren anbieten.
Zur Betrachtung gehören gesundheitliche Aspekte (z.B. Gefährdung durch UV-Licht, Laser, Schall und Lärm) sowie die entsprechenden Schutzmaßnahmen.
(4) die Gesetzmäßigkeit zwischen subjektivem Erleben und Intensität des physikalischen Reizes erläutern (zum Beispiel Lichtintensität, Lautstärke, Schwereempfinden)
Die Schülerinnen und Schüler sollen das sogenannte Weber-Fechnersche-Gesetz exemplarisch nutzen können und als gemeinsames Grundprinzip erkennen. Es beschreibt die logarithmische Gesetzmäßigkeit zwischen physiologischem Empfinden und physikalischem Reiz und kann im Unterricht z.B. durch einen Vergleich zwischen Messung und Empfindung von Lichtstärke, Lautstärke oder Gewichtskraft behandelt werden. (Psychophysik)
Der Standard erfordert nicht, den Logarithmus in NwT einzuführen. Wenn er aus dem Mathematikunterricht aber bereits vorliegt, kann er aufgegriffen und so gefestigt werden.
(5) die Erweiterung menschlicher Sinnesleistung durch Sensoren erläutern (zum Beispiel IR-Sensor, Hörgerät, Wärmebildkamera, Barometer)
Die Schülerinnen und Schüler sollten erkennen und erklären können, wie technische Sensoren menschliche Wahrnehmung erweitern.
Die Erweiterung kann bezüglich der Empfindlichkeit (z.B. Nachweis geringer Konzentrationen), der Absolutheit (z.B. Temperatur), der Erweiterung des Beobachtungsbereichs (z.B. größere Lautstärken, andere Wellenlängen) oder neuer Messgrößen (z.B. pH-Wert) erfolgen. Der Standard lässt dies offen. Im Unterricht kann dieser Standard auch an Falschfarbenaufnahmen z.B. aus der Medizintechnik oder der Fernerkundung der Erde thematisiert werden.
3.2.4.2 Gewinnung und Auswertung von Daten
In NwT sollen die Schülerinnen und Schüler den naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozess zu beherrschen und zu reflektieren lernen. Dazu gehört, dass sie ihre Messverfahren und den Messprozess reflektieren, dass sie Daten kompetent auswerten und Fehler zu berücksichtigen lernen. Einige der folgenden Standards sollen aber auch dafür sorgen, dass die Schülerinnen und Schüler hier eine Vielfalt der Problemstellungen kennen lernen.
(1) Bedingungen für zuverlässige Messungen erläutern und Messverfahren optimieren (systematische und zufällige Messfehler, Standardabweichung, Randbedingungen oder Einflussgrößen, Kontrollmessungen oder Reproduzierbarkeit)
Die Schülerinnen und Schüler werden kompetent darin, Messungen (unabhängig vom gerade im Fokus stehenden Experiment) gezielt und mit kritischem Bewusstsein für potentielle Fehler auszuführen. Sie lernen, Messverfahren so zu optimieren oder zu wählen, dass eine hohe Reproduzierbarkeit gegeben ist.
Ergebnisse wiederholter Messungen beschreiben sie durch Mittelwert und Standardabweichung. Letztere begreifen sie als eine Größe für Genauigkeit und können sie anschaulich beschreiben.
Mit der anschaulichen Einführung dieser Größe kann in NwT begonnen werden, noch bevor der Mathematikunterricht die stochastische Begründung bereitstellt.
Sie erkennen den Einfluss unveränderlicher Randbedingungen oder von variablen äußeren Einflüssen und können entscheiden, ob weitere Kontrollmessungen sinnvoll sind.
(2) an einem ausgewählten Beispiel direkte und indirekte Messverfahren vergleichen
Die Schülerinnen und Schüler sollen Messverfahren reflektieren. Dazu sollen sie Vor- und Nachteile der direkten Messung einer Größe gegenüber der indirekten Messung (z.B. Geschwindigkeit aus Zeitmessung und Streckenmessung, Ablesen im Weg-Zeit-Diagramm) benennen können.
(3) Messdaten mit Hilfe von Software auswerten und darstellen (Standardabweichung, Tabellenkalkulation)
Die Schülerinnen und Schüler sollen mit Messdaten sicher umgehen können. Der Standard fordert, dass sie Messdaten mit einer Tabellenkalkulation auswerten und darstellen können. Die Kompetenz im Auswerten soll das Berechnen der Standardabweichung und z.B. das Verrechnen verschiedener Größen oder das Ermitteln von beschreibenden Funktionen (Ausgleichsgerade, oder -Kurve) und die grafische Darstellung z.B. auch mit nichtlinearen Achsen, beinhalten.
Im Unterricht könnten z.B. die Erfassung von Kennlinien oder die Kalibrierung eines Sensors Anlass zu einer tieferen Nutzung der Tabellenkalkulation liefern. Nicht gefordert ist aber zum Beispiel eine Makroprogrammierung.
(4) ein optisches oder akustisches Spektrum darstellen und auswerten (zum Beispiel Sonnenspektrum, Leuchtmittel aus dem Haushalt, Ton und Klang)
Die Schülerinnen und Schüler sollen exemplarisch die Darstellung eines Spektrums als Abhängigkeit der Intensität von der durch Frequenz oder Wellenlänge angegeben Strahlungsart verstehen und nutzen. [3.2.4.1. (5)]
Der Bildungsplan lässt offen, ob dies an einem optischen oder einem akustischen Beispiel erfolgt. An eine Behandlung der Fourier-Transformation ist nicht gedacht.
(5) raumbezogene Daten darstellen und nutzen (zum Beispiel thematische Karten zu Sonneneinstrahlung oder Windstärke, Wetterkarten, Geoinformationssysteme)
Ferner sollen sie Daten mit Raumbezug z.B. auf Landkarten verstehen und interpretieren können. Unterrichtlich kann dies zum Beispiel anhand eines Themas aus dem Bereich der Energieversorgung [3.2.2.2 (5)] oder in einer Kartierung umgesetzt werden.
Verfahren zur räumlichen Orientierung beschreiben (zum Beispiel astronomische Orientierung, satellitengestützte Navigation)
Als ein Fall komplexer indirekter Messung ist exemplarisch ein Verfahren zur räumlichen Orientierung, also z.B. GPS, astronomische Standortbestimmung, Triangulation über Handynetze, Kompass, etc. zu behandeln.
3.2.4.3 Informationsverarbeitung
(1) Beispiele der analogen oder digitalen Informationscodierung aus Natur und Technik beschreiben (zum Beispiel digitale Dateiformate, maschinenlesbare Code-Systeme, DNA)
Die Schülerinnen und Schüler sollen Systeme auf ihre Informationsströme hin analysieren können. Dies beinhaltet zu verstehen, wie Information in Natur und Technik dargestellt (codiert) wird. Der grundsätzliche Unterschied zwischen der analogen (also stufenlosen) und digitalen (als gestuften) Informationscodierung soll an Beispielen der Natur (z.B.DNA) und der Technik (Bit, Byte, Dateiformate z.B. g-Code, QR-Code) erkannt werden.
(2) die Funktionsweise gesteuerter oder geregelter Systeme analysieren und dazu Energie-, Stoff- und Informationsströme untersuchen (zum Beispiel effiziente Energienutzung, Entwicklung eines Objekts mit Antrieb, Herstellung eines Produkts in einem chemisch-technischen Verfahren, physiologischer Regelkreis)
Informationsströme in Systemen dienen oft dazu, Energie- oder Stoffströme zu steuern oder zu regeln. Die Schülerinnen und Schüler sollen diese drei Ströme in natürlichen oder technischen Systemen untersuchen und die Systeme so verstehen können.
Über die genannten Beispiele hinaus könnten sich Blutdruck, Blutzucker, Klimaanlage, ABS, Beeinflussung von Reaktionen durch Temperaturveränderung, Katalysatoren oder Zentralheizung eignen.
Der Unterschied zwischen einer Steuerung und einer Regelung sollte thematisiert werden.
(3) das Prinzip der Steuerung darstellen und erklären (zum Beispiel Robotik)
Die Schülerinnen und Schüler sollen Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge (4) unterscheiden und erklären können. Bei einer Steuerung beeinflusst eine informationsverarbeitende Instanz einen Zustand einer anderen Instanz, ohne deren Zustand fortlaufend rückgemeldet zu bekommen. Unterrichtsgeeignete Beispiele sind unter anderem Ampelschaltungen oder auch die Steuerung von autonomen Fahrzeugen.
(4) das Prinzip der Regelung auch unter Verwendung der Begriffe Sollwert, Istwert, Regelgröße und Störgröße darstellen und an Beispielen aus der Natur und der Technik erklären (zum Beispiel Körpertemperatur des Menschen, chemisches Gleichgewicht, Klimawandel: Mittlere Oberflächentemperatur der Erde, Oberflächentemperatur von Himmelskörpern)
Bei einer Regelung beeinflusst eine informationsverarbeitende Instanz einen Zustand einer anderen Instanz und nutzt dazu fortlaufend die Rückgabe der Informationen über deren aktuellen Zustand (den sogenannten Istwert). Hier genügt, bis einschließlich Klasse 10, eine vereinfachte Behandlung von Regelungen: als Ziel wird angenommen, dass die Regelgröße einen festen Sollwert erreichen soll. Allerdings steht die Regelgröße nicht nur unter dem Einfluss der Regelung, sondern auch unter dem Einfluss einer Störgröße. Deshalb muss ihr Istwert laufend erfasst und die Abweichung vom Sollwert beim Regeln benutzt werden.
Ein einfaches technisches Beispiel einer Regelung ist der Tempomat. Der Tempomat soll die Geschwindigkeit eines Autos unabhängig von Störgrößen (z.B. Gegenwind oder Steigung) auf einem Sollwert halten. Dazu wird kontinuierlich der Ist-Wert gemessen und aus der Abweichung zum Sollwert (Regelabweichung) eine geeignete sogenannte Steuergröße (die Stellung des Gaszugs oder des Gaspedals) berechnet.
(5) Elemente einer Programmiersprache beschreiben (zum Beispiel Bedingung, Verzweigung, Schleife, Zähler, Zeitglied, Unterprogramm, Programmbausteine)
Die Schülerinnen und Schüler sollen in NwT das Lösen von Problemstellungen durch das Erstellen von Programmen in einer strukturierten Programmiersprache erlernen.
Dazu gehört, die grundlegenden Elemente einer solchen Programmiersprache zu kennen und mit ihnen gestaltend umgehen zu lernen.
In einer eingeführten imperativen Programmiersprache wie Java, C oder Python wären dies Anweisungen, globale und lokale Variablen, Rechenoperationen, Bedingungen, Verzweigungen, Schleifen und Unterprogramme. Als unterrichtlich sehr geeigneter Zugang haben sich hier Mikrocontroller erwiesen. An objektorientierte Programmierung ist über die reine Nutzung von Objekten hinaus nicht gedacht.
Der Bildungsplan lässt auch steuerungsspezifische Programmiersprachen zu und nennt als Grundfunktionen daher auch Zähler, Zeitglieder oder Programmbausteine, die zum Beispiel beim Programmieren einer Kleinsteuerung (SPS) benutzt werden.
(6) Algorithmen für zeit- und sensorgesteuerte Prozesse in einer Programmiersprache darstellen und damit Steuerungsabläufe realisieren (zum Beispiel Ampelsteuerung, Robotik)
(7) Algorithmen für zeit- und sensorgesteuerte Prozesse entwickeln, beschreiben und darstellen
Die Schülerinnen und Schüler lernen Algorithmen zu entwickeln, zu beschreiben und darzustellen (Ablaufplan). Hierzu empfiehlt sich eine Darstellung als Struktogramm, ggf. mit Pseudocode.
Inhaltlich beziehen sich die Algorithmen in der Mittelstufe auf Zeitsteuerungen (z.B. eine Ampel mit festen Zeiten, Schrittmotorsteuerung) sowie Steuerungen unter Berücksichtigung von Sensoren (Endschalter, Helligkeitssensor…). Angesteuert werden in solchen Prozessen Aktoren wie Elektromotor, Schrittmotor oder Servo.
An die Behandlung von Algorithmen z.B. zum Sortieren von Daten, wie sie im Fach Informatik häufig am Anfang der Algorithmik stehen, ist nicht gedacht.
(8) Chancen und Risiken der Informationstechnik für Individuum und Gesellschaft erläutern (zum Beispiel Simulation, Datenschutz, Internet of Things, Geoinformationssysteme, autonomes Fahren)
Die Informationstechnik dient im Bildungsplan als besonders aktuelles Beispiel für den Einfluss technischer Entwicklungen auf die Gesellschaft bis hin zum Verhalten des Einzelnen.
In den kommenden Jahren (aus Sicht von 2016) werden hier vermutlich der Einzug der Robotik in den Alltag, das autonome Fahren, die Vernetzung von Alltagsgeräten (Internet of Things) geeignete, in der Tagespresse breit diskutierte, Unterrichtsbeispiele abgeben.
3.2.4.4 Elektronische Schaltungen
(1) die Funktion von Bauteilen elektrischer oder elektronischer Schaltungen beschreiben (Schalter, Widerstand, Leuchtdiode, Transistor)
Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Lage sein, einfache elektrische bzw. elektronische Schaltungen zu verstehen, zu entwickeln und herzustellen.
Dazu müssen sie die äußere Funktion grundlegender Bauelemente kennen. Die Behandlung der inneren Funktionsweise, insbesondere als Halbleiterphysik, ist nicht verlangt.
(2) Schaltungen entwickeln, Bauteile dimensionieren und auswählen (Schaltplan, Datenblatt, Vorwiderstand, Spannungsteiler)
(3) elektrische oder elektronische Schaltpläne analysieren und in einfachen Fällen entwickeln
Die Entwicklung von elektronischen Schaltungen soll von einfachen Beispielen mit bekannten Bauelementen ausgehen. Unterrichtlich bewährt haben sich Transistorschaltungen mit Spannungsteiler oder die externe Beschaltung von Mikrocontrollern. Die Dimensionierung erstreckt sich hierbei auf die Berechnung der Widerstandswerte in Spannungsteilern und Wert sowie ggf. Leistung von Vorwiderständen. Benötigte Werte wie zum Beispiel die Vorwärtsspannung von Leuchtdioden können aus Datenblättern entnommen werden.
Die Dimensionierung von Schaltungen mit Kondensatoren, wie zum Beispiel Multivibratoren, ist nicht gefordert.
Die Schülerinnen und Schüler sollen auch komplexere Schaltungen, z.B. für den Anschluss eines Motors über Motortreiber oder zum Betrieb eines Displays an einem Mikrocontroller als Schaltpläne nachvollziehen und damit realisieren können.
(4) elektrische oder elektronische Schaltungen realisieren und ihre Funktionsfähigkeit untersuchen
Die Untersuchung der Funktionsfähigkeit von Schaltungen schließt die Nutzung eines Multimeters zur Überprüfung der Leitfähigkeit von Verbindungen bzw. des Potentials an verschiedenen Punkten ein. An die Nutzung von Logikanalysatoren oder Oszilloskopen ist im Regelfall jedoch nicht gedacht.
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