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Funktionale Spezifikation ... Black-Box

Vermutlich fällt uns in unserem Alltag nicht auf, mit wie vielen Black-Boxes wir täglich umgehen. Keiner überlegt sich die innere Funktionsweise eines Staubsaugers oder die einer Spülmaschine, wenn wir diese Haushaltsgeräte einsetzen. In gleicher Weise werden in der Sek I die Elektronikbausteine Diode , Transistor oder komplexere TTL-Bausteine behandelt - nur in einer funktionalen Spezifikation ... d.h. man interessiert sich nur für die Eingangs- und Ausgangssignale und die Eingangs- und Ausgangsversorgungsleitungen. Man weiß genau, welche Eingangssignale zu welchen Ausgangssignalen ... welche Aktivitäten am Eingang zu welchen Aktivitäten am Ausgang führen. Wie der Baustein im Inneren funktioniert, ist dabei völlig uninteressant.

Diese Beschränkung auf die funktionale Spezifikation ist eine Notwendigkeit, weil der innere Aufbau - z.B. von Mikrocontrollern - so komplex ist, dass ein kompletter Überblick aller Funktionen eines solchen modernen Bausteins eventuell das Fassungs- oder Verständnisvermögen eines einzelnen Menschen überschreiten würde. UND ganz wesentlich: Das Verständnis des komplexen Inneren des Bausteins ist für die Nutzung überhaupt nicht notwendig.

Ähnlich funktioniert die Physik auch in der Mikroebene. Quantenobjekte werden über ihre Eigenschaften beschrieben - Atome als Black-Box behandelt ... denn eine Veranschaulichung ist aus prinzipiellen Gründen nicht möglich.

Ein wesentlicher Schwerpunkt dieser Unterrichtsthematik ist die hinreichend ausführliche Diskussion der beiden Begrifflichkeiten: Funktionale Spezifikation einer Black Box (Genau Angabe des In- und Output) und Funktionsweise einer Black Box (Hypothesen oder Wissen über die innere Funktionsweise , über den inneren Aufbau ).

Material
  • Datenlogger und passende Sensoren
  • Voltmeter, Batterie ... evtl. Oszillsokop ... evtl. Funktionsgenerator
  • Optische Hilfsmittel

Datenlogger - Themenfächer 1

  1. Wählen Sie einen der vorliegenden Sensoren, die mit einem Schwierigkeitsgrad bewertet sind (1 ganz leicht ... 10 extrem schwer): 01 Lichtschranke, 02 Anemometer, 03 Drehbewegungsensor, 04 Ultraschallbewegungssensor, 05 Schalldrucksensor, 06 Drucksensor, 07 Infrarotsensor, 08 Kraftsensor, 09 Beschleunigungssensor,) und diskutieren Sie mit Ihrem Team den Unterschied zwischen der sogenannten Funktionalen Spezifikation des Sensors als Black Box und seiner Funktionsweise .
  2. Die Bedienungsanleitungen der Sensoren behandelt den Sensor als Black Box und liefert nur eins funktionale Spezifikation. Analysieren Sie - soweit das möglich ist - die Funktionsweise des Sensors ... also überlegen Sie (stellen Sie Hypothesen auf), wie diese Black Box im Inneren wohl funktionieren mag.
  3. Für die Bewertung wesentlich ist NICHT ein exakter Treffer , sondern die verbale Argumentation, die in einem Werkstattbuch festgehalten wird.

Elektrische Black-Box

Ihr Team wählt von den vorliegenden Schaltbrettern eines aus. Die Schaltung auf dem Brett ist durch einen Becher versteckt. Die Schaltbretter enthalten sogenannte Vierpole ... d.h. die Summe der Ein- und Ausgangsleitungen ist vier. Es ist nicht erkennbar, welches die Ein- und Ausgangsleitungen sind. In der elektrischen Black Box sind maximal 4 elektrische - bzw. einfache elektronische Bauteile (Transistor, Diode) verborgen.

Die Aufgabe Ihres Teams besteht darin, den inneren Schaltungsaufbau durch Experimente herauszubekommen. Wesentlich für die Bewertung ist NICHT ein exakter Treffer! Wesentlich für die Bewertung ist die Hypothese - bzw. Vorhersage - auf welche inneren Schaltung man auf Grund welcher experimenteller Randbedingungen schließen kann.

Optische Black-Box

Ihr Team wählt von den vorliegenden optischen Black-Boxen eine aus. Völlig analog zur elektrischen Black- Box - siehe oben - soll man ohne Zerstörung der Röhre herausbekommen, welches optische Bauteil in der Röhre verbaut ist. Bewertet wird die verbale Darstellung, welcher Input zu welchem Output führt. Auch diese Teamarbeit kann als Themenfächer ausgeführt werden, da die Röhren unterschiedlich schwer sind.



1 Unter einem Themenfächer versteht man eine Teamarbeit, die folgenderweise organisiert ist: An der Wand des Klassenzimmers hängen Arbeitsauftrage mit Bewertungsziffern: 01 - sehr leichte Teamarbeit ... 10 sehr schwer ... Die Schülerinnen und Schüler lesen die Arbeitsaufträge und finden sich bei einem Schwierigkeitsgrad ihrer Wahl zu einem Team zusammen. Der Vorteil dieser Teamarbeit: Etwa gleiches Wissensniveau der Teammitglieder ... die Schülerinnen und Schüler werden entsprechend ihrem Leistungsvermögen gefordert ... die Schülerinnen und Schüler lernen ihr eigenes Kompetenzniveau einzuschätzen.

 

Download des gesamten Workshops

Workshop 2: Erfindungen: Herunterladen [pdf] [433 KB]

 

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