Bionik - Lernen von der Natur

Fliegen zu können wie ein Vogel, so schnell und elegant durch Wasser zu gleiten wie ein Hai, immer sauber und trocken zu bleiben wie die Blätter und Blüten der Lotuspflanze, so hoch, leicht und dennoch stabil zu bauen, wie es die Natur beim Wachsen von Grashalmen vormacht – viele Träume des Menschen lassen sich technisch realisieren, wenn wir versuchen, Bau- und Funktionsprinzipien der Natur für die Technik nutzbar zu machen. Einen kleinen Einblick in diese wichtige und immer größer werdende Wissenschaft gibt das NWT-Modul Bionik.

Lernziele und Arbeitsweise des Moduls Bionik

Die Schülerinnen und Schüler

• bekommen einen Einblick in die verschiedenen Bereiche der Bionik,
• lernen die Arbeitsweise eines  Bionikers kennen (Top-Down- und Bottom-Up-Prinzip),
• führen die Arbeitsschritte an mehreren Beispielen durch, die nötig sind, um vom natürlichen Vorbild zu einer technischen Anwendung zu kommen,
• lernen Konstruktions- und Funktionsprinzipien der Natur kennen, die sie dann in einem größeren Projekt (z.B. Bau einer Brücke oder eines Flugobjektes) umsetzen sollen,
• wenden grundlegende naturwissenschaftliche und mathematische Kenntnisse und Fähigkeiten in einem neuen Zusammenhang an (Berechnung physikalischer Größen, genaue Beobachtung und Beschreibung natürlicher Strukturen, Anfertigen biologischer Zeichnungen, Anfertigen von Konstruktionsskizzen, Planen und Durchführen von Versuchen, Auswerten von Beobachtungen in Form von Diagrammen u.v.m),
• stellen für ein größeres Projekt einen Projektplan auf und lernen in der Gruppe, Arbeitsschritte so zu organisieren, dass das Projekt im gegebenen Zeitrahmen abgeschlossen werden kann,
• dokumentieren ihre Arbeitsschritte und Ergebnisse in Form einer Projektdokumentation,
• reflektieren ihre Zusammenarbeit und ihr Ergebnis,
• präsentieren ihr Ergebnis vor der Gruppe,

Bewertung und Leistungskontrolle

Neben der theoretischen Erarbeitung der Grundlagen im Unterricht steht die praktische Arbeit in der Partner- oder Kleingruppe im Zentrum des Moduls Bionik.

In die Bewertung der mündlichen und praktischen Leistung geht daher neben der Auseinandersetzung mit den Inhalten und die Bereitschaft ein, sich mit seinen Gedanken und Fähigkeiten aktiv in den Gruppenprozess einzubringen, konzentriert und effektiv zu arbeiten und vorbereitende Aufgaben zu erledigen sowie die Arbeit und das Ergebnis am Ende des Projektes in der Gruppe zu präsentieren.

Die schriftliche Note setzt sich zusammen aus der Bewertung der unterschiedlichen Projektdokumentationen sowie der am Ende des Moduls zu schreibenden Klassenarbeit.

Modellbau - Kein Basteln sondern Konstruieren

Entwicklungen in Wissenschaft und Technik werden heutzutage zunehmend in Projektform bearbeitet. Im Modellbaumodul lernen die Schüler diese Methode kennen und erlernen dabei viele praktische Fähigkeiten, die bei der Entwicklung und im Umgang mit Technik unerlässlich sind. In diesem Modul fertigen die Schüler nach entsprechender Einweisung selbstständig ein Modell von der Idee über die technische Zeichnung bis hin zum fertigen Produkt

Lernziele:

• Die Schüler kennen die Grundlagen um ein einfaches Projekt zu managen.
• Die Schüler haben ein Gefühl für den Umgang mit dem Werkstoffen Holz und Depron (Kunststoff).
• Die Schüler können mit verschiedenen Werkzeugen und Materialien sachgerecht umgehen um Holz und Kunststoff zu bearbeiten.
• Die Schüler kennen den Umgang mit verschiedenen Klebstoffen.
• Die Schüler können eine Idee in eine einfache technische Zeichnung umsetzen und diese auch lesen.
• Die Schüler können nach den Vorgaben einer Technischen Zeichnung arbeiten.
• Die Schüler können ein Projekt planen, umsetzen und dokumentieren.
• Die Schüler können ihre Arbeit am Projekt sinnvoll und effektiv planen.

Arbeitsform und Dokumentation:

Das Modul wird in Form eines Projektes durchgeführt, wobei den Schülern erste Techniken und Strukturen zur erfolgreichen Durchführung eines Projektes an die Hand gegeben werden. Beginnend mit den Projektzielen, der Brainstorming-Phase über die zeitliche Planung der notwendigen Arbeiten des Projekts, über die Erstellung einer Technischen Zeichnung und der Dokumentation der Arbeitsschritte sowie der verschiedenen Arbeitstechniken bis hin zum kritischen Rückblick auf das Projekt und natürlich dem Bau des Bootes werden alle Schritte nach kurzen Einführungen wie zum Beispiel richtiger und zielgerichteter Werkzeugeinsatz von den Schülern selbstständig durchgeführt und in der Dokumentation, die in häuslicher Arbeit von den Schülern erstellt wird.

Leistungskontrolle:

Zentrale Grundlage der Bewertung ist natürlich das von den Schülern konstruierte und Gebaute Bootsmodell. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Genauigkeit und Sorgfalt der Arbeit gelegt. Daneben wird natürlich auch der Schwierigkeitsgrad, die Idee und das Design des Bootes berücksichtigt. Weiterhin müssen die Schüler in häuslicher Arbeit eine Dokumentation ihres Projektes erstellen (s.o). Eine weitere Grundlage der Leistungskontrolle/Bewertung stellt die selbstständige Arbeit am Boot dar. Dabei wird auf richtigen Werkzeug- und Materialumgang, sowie auf sinnvolle Organisation der Arbeiten geachtet und Zusammenarbeit mit anderen (z.B. gegenseitige Hilfestellung) geachtet (auch auf das gemeinsame Aufräumen wird geachtet).

Im Modul Lichtschranke bauen die Schülerinnen und Schüler wirklich eine Lichtschranke – aber erst, nachdem sie den dafür nötigen Transistor-Schaltkreis verstanden und entwickelt haben. Alle Bauteile wollen auf der kleinen Platine unterkommen und verlötet werden. Richtig Sinn ergibt eine Lichtschranke aber erst, wenn man ihr Signal auswertet, wofür wir Raspberry Pi-Kleincomputer programmieren.

Die Schülerinnen und Schüler programmieren am Droste-Hülshoff-Gymnasium seit Klasse 7. „Echten“ Code haben sie aber noch nicht geschrieben, was sich jetzt ändert. Mit der verbreiteten Programmiersprache c werden prozedurale Programme geschrieben, mit denen zwei an den Raspberry Pi-Kleincomputer angeschlossene Lichtschranken zeitlich ausgewertet werden.

Lernziele

• Verstehen einfacher Reihen- und Parallelschaltungen sowie von Transistorschaltungen als Schalter
• Nutzung von Spannungsteilern und Transistoren, um aktive Komponenten korrekt zu steuern
• Umsetzen von Theorie in die Praxis: aus einem Schaltplan wird eine Platine
• Bestücken und verlöten einer Platine
• Programmierung mit „echtem“ Code
• Einfache Schleifen in der Programmiersprache c mit dem Ziel schreiben, das Unterbrechen zweier Lichtschranken mittels Raspberry Pi-Kleincomputer zeitlich zu erfassen und zu verrechnen

Arbeitsformen

• Denken! … und sich etwas Ausdenken, das funktionieren kann
• Texte verstehen! Texte auf Papier und aus dem Internet zum Erkenntnisgewinn nutzen
• Platine bestücken und verlöten!
• Programmieren! … und dabei die Compiler-Meldungen zur Fehlerbeseitigung nutzen

Dokumentation und Leistungskontrolle

• Es wird keine Dokumentation angefertig. Schriftliche Hausaufgaben werden regelmäßig kontrolliert
• Am Ende des Moduls wird eine Klassenarbeit geschrieben

Plastikstrudel im Meer, Plastik als unentbehrliches Material, Mikroplastik im Essen, Abfall und Recycling…

Daran lassen sich zahlreiche Aspekte einer nachhaltigen Entwicklung aufzeigen. Plastik ist vielseitig, praktisch, billig und gleichzeitig eine Gefahr für Umwelt und Gesundheit. Diese Tatsache betrifft mittlerweile alle Regionen weltweit und stellt uns vor ein nicht zu übersehendes Problem. Plastik ist allgegenwärtig, aus unserer Lebenswelt nicht mehr weg zu denken. Das Thema bietet ideale Voraussetzungen, um mit Schülerinnen und Schülern fächerübergreifend Kompetenzen wie vernetztes Denken, kritisches Reflektieren, Perspektivenwechsel und Zukunftsvisionen zu üben und zu entwickeln, sowie an ihrem eigenen, selbst entwickelten Projekt zu wachsen.

Robotik? Ist das nicht zu schwer?

„Robotik“ – das klingt nach einer Spielwiese für High-Tech Spezialisten. In der Tat findet man Robotik-AGs oft als Angebot für eine Auswahl besonders befähigter Schüler. Nicht so am DHG. Hier orientiert sich das NWT-Modul Robotik am Grundsatz „die Breite fördern“ (vgl. unsere Leitsätze für den Physikunterricht).

Unser Alltag ist ohne von Mikrokontrollern gesteuerte Maschinen nicht mehr denkbar, und somit ist der Anspruch, die Grundideen solcher Maschinen zu kennen, durchaus für jedermann berechtigt. Und mancher Schüler und manche Schülerin hat hier entdeckt, dass etwas, was er oder sie sich nie zugetraut hätte, sogar Spaß macht.

Lernziele

• Die Schüler „begreifen“ (im fast wörtlichen Sinne) die Bedeutung des Dualsystems für die Digitalelektronik und können damit umgehen.
• Die Schüler kennen die wichtigsten Elemente von Algorithmen und können diese als C-Programme so schreiben, dass der Roboter tut, was sie von ihm verlangen.
• Die Schüler verstehen das grundlegende Konzept mikroprozessorgesteuerter Maschinen und realisieren es an einfachen Beispielen.
• Die Schüler bauen einfache elektronische Schaltungen (Sensoren und Aktoren), die den Roboter in seinen Fähigkeiten erweitern und programmieren diese.
• Die Schüler dokumentieren das Gelernte in angemessener Form.

Materialien

Zur Verfügung stehen insgesamt zehn RP6-Roboter der Firma Arexx . Diese sind einfach aufgebaut alles liegt offen da, wie bei einem Auto ohne Karosserie. Wenn man von „IO-Pins“, von LDRs, Infrarotsensoren u.s.w. redet, so liegt direkt vor Augen, was damit gemeint ist. Die Hauptplatine lädt geradezu dazu ein, sie durch eigene Lötarbeiten zu erweitern.

Programmiert werden die Roboter in der Programmiersprache „C“, eine auch in der freien Wildbahn häufig für die hardwarenahe Programmierung eingesetzte Programmiersprache.

Der RP6-Roboter bietet eine hervorragende Lernumgebung, in der der Schüler je nach Fähigkeit und Interesse beliebig tief in die Materie einsteigen kann, aber nicht muss, um Erfolg zu haben. Die offene Bauweise und die praxisnahe Programmierung sind denn auch die Gründe, aus denen wir uns für diese Roboter entschieden haben.

Arbeitsform

Die Schüler arbeiten paarweise mit einem Laptop und einem RP6-Roboter. Ein vollständiger Lehrgang führt die Schüler gezielt schrittweise erst in die Programmierung des bestehenden Systems und dann in die Möglichkeiten der Erweiterung mit eigenen (Transistor-)Schaltungen ein.

Frontalunterricht findet nur sporadisch statt, wenn alle vor dem gleichen Problem stehen. Die Eigenarbeit steht im Vordergrund und lässt ganz unterschiedliche Arbeitstempi und Arbeitsschwerpunkte zu. Der Lehrer berät individuell.

Leistungskontrollen

Neben der zielgerichteten selbstständigen Arbeit im Unterricht wird von den Schülern erwartet, dass sie in häuslicher Arbeit eine schriftliche Dokumentation anfertigen, ihre praktisch- technischen Konstruktionen und Programmiertätigkeiten in einem Schlussprojekt dem jeweils nächsten Kurs vorführen und eine Klassenarbeit schreiben, in der die häuslich erarbeiteten theoretischen Grundlagen abgefragt werden.

Weinbau in der Schule?

Die Jugendlichen wachsen in einer Weingegend auf und das Droste-Hülshoff-Gymnasium teilt sich das gelbe Gebäude mit dem Staatsweingut. Anlass genug, sich aus technischer Sicht mit Weinbau bzw. genauer mit dem Ausbau zu beschäftigen.

So wurde der Weinbau zum Aufhänger für ein NwT-Modul, das auch einen chemischen Schwerpunkt hat. Wein und andere Getränke kann man nämlich hervorragend chemisch untersuchen.

Lernziele

• Verstehen der technischen Schritte und Maßnahmen beim Ausbau von Wein im Staatsweingut Meersburg
• Aufarbeitung der Führung im Staatsweingut Meersburg mit Internetrecherche und Visualisierung der Gruppenergebnisse
• Verstehen des Prinzips einer Titration
• Durchführung von Messreihen zur quantitativen Bestimmung von Antioxidantien und Gesamtsäuregehalt verschiedener Getränke mittels Titration
• Analyse von eigenen Messfehlern
• Abschätzen der Messfehler auf das Ergebnis (mathematisch und mit Tabellenkalkulation)
• Erarbeiten und verstehen des Prinzips eines Kalorimeters
• Konzeption und Bau eines extrem simplen Kalorimeters

Arbeitsformen

• Denken! … und sich etwas Ausdenken, das funktionieren kann
• Texte verstehen! Texte auf Papier und aus dem Internet zum Erkenntnisgewinn nutzen
• Aufpassen! Führung im Staatsweingut Meersburg
• Experimentieren!

Dokumentation und Leistungskontrolle

• Es werden Protokolle zu den Experimentieren angefertigt
• Am Ende des Moduls wird eine Klassenarbeit geschrieben

Astronomie - von der Erde durch die Zeit zu den Sternen

Schon immer haben die Menschen den Blick nach oben gerichtet und sich die Frage gestellt, was da oben wohl los ist. Im Modul Astronomie wollen wir etwas Ordnung in die Vorstellungen bringen und lernen uns in Raum und Zeit zurecht zu finden. Beginnend mit der Klärung astronomischer Begriffe, finden wir wissenswerte Fakten über unser Sonnensystem heraus und bekommen ein Gefühl für die Leere des Universums. Danach wenden wir uns den Sternen zu und lernen uns am nächtlichen Sternhimmel zurecht zu finden. Nun wissen wir genug, um uns dem Thema Zeit und Kalender zuzuwenden und lernen wie unser leben immer noch durch die Sterne bestimmt wird. Zum Beispiel werden Fastnacht-, Oster- und Pfingstferien durch die Sterne festgelegt. Ostern ist nämlich genau am ersten Sonntag nach dem ersten Vollmond nachdem die Sonne im Frühlingspunkt stand.

Um auch noch ein wenig „richtige“ Astronomie zu betreiben, Werten wir das Spektrum eines Doppelsterns aus und ermitteln wir mit Hilfe des Dopplereffekts die Sternmassen der beiden Doppelsternkomponenten. Mit etwas Glück sind die Beobachtungsbedingungen so gut, dass sich eine nächtliche Sternbeobachtung realisieren lässt.

Lernziele:

• Die Schüler kennen Grundlegende Begriffe der Astronomie
• Die Schüler kennen die Fakten über Planeten, ihre Monde und die Sonne.
• Die Schüler haben eine Vorstellung von den Größenverhältnissen im Universum
• Die Schüler können sich mithilfe der Sternkarte am Himmel zurechtfinden und kennen die wichtigsten astronomischen Koordinatensysteme
• Die Schüler wissen, wie unser Kalender am Sternhimmel verankert ist und wie Tage, Monate und Jahre definiert sind und kennen verschiedene andere Definitionen wie Sterntag oder siderisches Jahr
• Die Schüler kennen auch größere Zyklen wie das Platonische Jahr
• Die Schüler wissen wie Sonnenuhren funktionieren und wie man diese konstruieren muss, damit sie die exakte Zeit anzeigen (Zeitgleichung)
• Die Schüler können ein Sternspektrum mit einem Tabellenkalkulationsprogramm auswerten und auch kompliziertere Berechnungen damit bewerkstelligen.

Arbeitsform und Dokumentation:

Im Modul erarbeiten sich die Schüler das Wissen selbstständig in Partnerarbeit (Natürlich mit Unterstützung des Lehrers), indem sie sich mit vorgegebenen Fragestellungen beschäftigen. Dabei dokumentieren Sie ihre Ergebnisse in einer zu erstellenden Dokumentation und stellen sich teilweise ihre Ergebnisse gegenseitig vor. Dabei ist auch ein Teil der Arbeit als Hausaufgabe zu bearbeiten. Der Lehrer fungiert im Modul als Lernbegleiter und Ratgeber bei komplizierten Sachverhalten oder berät bei Schwierigkeiten den richtigen Weg zu finden.

Leistungskontrolle:

Als Leistungskontrolle schreiben wir eine Klassenarbeit, die zusammen mit der abzugebenden Dokumentation und dem Arbeitsverhalten/ den mündlichen Leistungen zusammen die Grundlage für die Note im Modul Astronomie bilden.