In dieser Unterrichtsreihe wird das Com3Lab-Lehrsystem zur Digitaltechnik II eingesetzt und damit die sequentielle Schalttechnik (bistabile Kippstufe Flip-Flop) erarbeitet. Eine zentrale Funktion in der Digitaltechnik und darüber hinaus in der SPS-Technik bildet die sequentielle Schalttechnik. Die Grundlagen dieser Technik sollen am Beispiel der Binärspeicher (Flip-Flops) unter Nutzung des Com3Lab-Lehrsystems dargestellt werden. Das Com3Lab ist ein für die Ausbildung konzipiertes, computerunterstütztes Labor mit einsetzbaren verschiedenen Experimentierbords, sowie einer integrierten, dialogorientierten Lehr- und Lernsoftware. Neben der Nutzung des Experimentierbords soll zur Schaltungserstellung ein als Freeware erhältlicher Digitalsimulator verwendet werden. Die Einbindung interaktiver Lernsoftware und das Nutzen eines Experimentierbords ermöglichen es, den Unterricht handlungsorientiert und interessant werden zu lassen. Das Com3Lab und der Digitalsimulator sind leicht zu bedienen und gut kombinierbar. Einsatz der Materialien Die Einbindung interaktiver Lernsoftware und das Nutzen eines Experimentierbords ermöglichen es, den Unterricht handlungsorientiert und interessant werden zu lassen. Beide Werkzeuge sind leicht zu bedienen und gut kombinierbar. Das Lehrsystem, ergänzt durch die Stoffvermittlung der Lehrkraft, ermöglicht den Schülerinnen und Schülern die selbstständige Erarbeitung des Wissensgebietes sowie die praktische Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse am Experimentierbord. Einen abschließenden Schwerpunkt innerhalb der Unterrichtsreihe bildet die Dokumentation der Ergebnisse mittels einer geeigneten Präsentation. Die dargestellte Unterrichtseinheit umfasst circa 8-10 Unterrichtsstunden und basiert auf dem Lehrplan der Berufsfachschule "Technischer Assistent für Informatik". Thema Die bistabile Kippstufe (Flip-Flop) als Grundbestandteil der Digitaltechnik Autor Dr. Uwe Höhme Fach Automatisierungstechnik / Elektrotechnik Lernfeld Technische Grundlagen / Informationen aufbereiten und präsentieren Zielgruppe Berufsausbildung mit digitaltechnischen Inhalten Zeitumfang 8-10 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen "Com3Lab Digitaltechnik II" von Leybold-Didactic, Software "Digitalsimulator" Com3Lab Das Com3Lab ermöglicht die Nutzung der vorhandenen Lernsoftware, aber auch die Integration von weiteren Übungsbestandteilen oder Aufgaben. Dabei wird auf dem Experimentierbord entdeckendes Lernen unter Nutzung verschiedener Schaltelementanordnungen ermöglicht. Die im Com3Lab integrierten Messgeräte und die Auswertesoftware ermöglichen eine Verwendung des Experimentierbords für verschiedenste Aufgaben. www.leybold-didactic.de Die Leybold Didactic GmbH vertreibt die multimediale Lehr- und Lernumgebung für Elektrotechnik und Elektronik "Com3Lab". Digitalsimulator Der Digitalsimulator stellt ein interessantes Arbeitsmittel zur Simulation einer Schaltung mittels digitaler Bausteine dar. Er ermöglicht nicht nur das Erstellen einer Schaltung, sondern auch das Testen der erstellten Schaltung am Computer. Digital Simulator Wenn Sie die unten stehenden Dateien öffnen möchten, benötigen Sie den Digitalsimulator. Unter diesem Link finden Sie die Freeware, eine Beschreibung und Anwendungsbeispiele. Die Software umfasst circa 27 MB. Methodenwechsel In dieser Unterrichtsreihe wechseln sich verschiedene Handlungsformen ab. Der Wechsel des methodischen Vorgehens gewährleistet einen interessanten Unterricht. Die Aktionsformen reichen vom Lehrvortrag über das Selbststudium in Form des Schülerexperiments bis zur eigenen Kreation von Lösungen durch die Schülerinnen und Schüler. Schließlich darf auch die angemessene Präsentation der Ergebnisse nicht fehlen. Dabei können verschiedene Abschnitte als Einzelarbeit oder Gruppenarbeit durchgeführt werden. Das Ausfüllen des Arbeitsblattes garantiert eine Dokumentation des Erarbeiteten. Die enthaltenen Aufgaben lassen sich an den Wissensstand und die Fähigkeiten der jeweiligen Schülergruppe anpassen. Präsentation Am Ende der Unterrichtseinheit sollte unbedingt eine Auswertung der Ergebnisse der Schülerinnen und Schüler erfolgen. Dazu können Vorträge mit selbst erstellten Präsentation gehalten werden. Die Präsentationen sollen die Testergebnisse der Schaltungen enthalten. Die selbst erstellten Digitalfotos sollen dabei in die Präsentation eingebunden werden. Zeitaufwand Der hier angegebene Zeitrahmen (8-10 Stunden) basiert darauf, dass in der vorangegangenen Ausbildung bereits von Anfang an das Com3Lab mit den verschiedenen Experimentierbords und auch der Digitalsimulator eingesetzt wurden. Werden diese Arbeitsmittel zum ersten Mal in dieser Unterrichtseinheit eingesetzt, wird der Zeitaufwand vermutlich größer sein. Um den Zeitaufwand zu minimieren, kann die Schaltungserstellung mittels Digitalsimulator, die Bildverarbeitung und das Erstellen der Präsentation auch als Hausaufgabe oder Selbststudienaufgabe außerhalb des Unterrichts erfolgen.

Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit den Grundlagen des elektrischen Widerstands, einer physikalischen Größe, die von Georg Simon Ohm im Jahr 1826 aus der Proportionalität von Spannung und Stromstärke gefunden wurde. Die Schülerinnen und Schüler lernen mit einfachen Versuchen, dass sich die den Stromfluss darstellenden Elektronen nicht reibungsfrei bewegen können. Vielmehr ist es so, dass es keinen Stromkreis ohne Widerstand gibt, wenn man den physikalischen Spezialfall Supraleitung außer Acht lässt. Der elektrische Widerstand ist vom Material, der Temperatur und anderen Größen wie Länge und Querschnittsfläche eines Leiters abhängig. Die Zusammenhänge werden den Lernenden über das Ohmsche Gesetz nähergebracht, das den Widerstand aus dem Quotienten von Spannung durch Stromstärke berechnet.Zunächst werden den Lernenden die Besonderheiten der Leitfähigkeit von Leitern - im Gegensatz zu Nichtleitern - vorgestellt. Der entscheidende Unterschied zwischen Leitern und Nichtleitern besteht darin, dass Leiter Elektronen in ihrer äußeren Schale besitzen, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung die negativ geladenen Elektronen in Bewegung setzen. Anhand von Versuchen und zugehörigen Diagrammen erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass das Ohmsche Gesetz nur für bestimmte Leiter, wie etwa Konstantan, gilt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Einführung des spezifischen Widerstandes, der für die unterschiedlichen Materialien zu ermitteln ist. Der elektrische Widerstand als Thema im Physik-Unterricht Uns allen bekannte elektrische Anwendungen wie Radio oder Computer kannte der Erlanger Physiker Georg Simon Ohm im 19. Jahrhundert noch nicht. Mit seinen Experimenten hat er jedoch gezeigt, dass zwischen der an einen Leiter angelegten Spannung und der daraufhin durch ihn fließenden Stromstärke ein Zusammenhang bestand. Mit dem nach ihm benannten Ohmschen Gesetz hat Georg Simon Ohm bewiesen, dass unter bestimmten Voraussetzungen der Quotient zwischen Spannung und Stromstärke konstant ist. Er hatte mit der Konstante den elektrischen Widerstand und damit die wichtigste Grundlage vieler Berechnungen in der Elektrotechnik gelegt. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden dürfen nur dann erwartet werden, wenn sie sich bereits mit Elektro- oder Elektronik-Baukästen beschäftigt haben. Im Übrigen sind Spannung und Stromstärke als Begriffe sicher bekannt, den Wenigsten aber kaum die Zusammenhänge zwischen beiden. Didaktische Analyse Bei der Besprechung des Themas muss man darauf achten, den Lernenden klar zu machen, dass mit unterschiedlichen Widerständen in einem einfachen Stromkreis, aber auch in der Elektronik der Stromfluss durch die verschiedenen Bereiche des Stromkreises gesteuert werden kann. Methodische Analyse Der Begriff des Widerstandes lässt sich an verschiedenen Beispielen aus dem Alltag relativ leicht zeigen, wie etwa bei einem Schlauch, durch den man Wasser pumpen will: Man wird dabei schnell erkennen, dass dieselbe Menge an durchlaufendem Wasser bei einem dünneren Schlauch mehr Druck erfordert als bei einem dicken Schlauch. Mit anderen Worten setzt der dünne Schlauch dem dicken mehr Widerstand entgegen. Angewandt auf den elektrischen Widerstand kann man das problemlos mit einem dünnen und einem dicken Kabel gleicher Länge zeigen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung des Widerstandes in Elektrizitätslehre und Elektronik. kennen die Unterschiede zwischen Ohmschem Widerstand und spezifischem Widerstand. können Berechnungen in verzweigten Stromkreisen mit mehreren Widerständen anstellen. untersuchen die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen experimentell (Leiter, Nichtleiter). lernen den Aufbau eines Stromkreises unter Vorgabe einer Schaltskizze durchzuführen sowie Stromkreise in Form von Schaltskizzen darstellen zu können. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.

Mit der Neuordnung der Elektroberufe ist der Unterricht lernfeldorientiert. Eine berufstypische Tätigkeit ist das Lesen von Datenblättern. In der Lernsituation nutzen die Schülerinnen und Schüler Online-Kataloge eines Motorenherstellers und eines Herstellers von Schutzeinrichtungen.Ausgangspunkt der Lernsituation ist ein betrieblicher Auftrag: Schülerinnen und Schüler sollen einen Asynchronmotor für ein Rührwerk einer Wasseraufbereitungsanlage bei einem Zulieferer bestellen. Die Anforderungen für den Betrieb des Antriebsmotors liegen vor. Nachdem ein erster Motor ausgewählt wurde, werden im nächsten Schritt ökologische und ökonomische Gesichtspunkte in die Entscheidungsfindung einbezogen.In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler, Datenblätter zu lesen. Sie erkennen, dass die Datenblätter nur interpretiert werden können, wenn die technischen Hintergründe beherrscht werden. Die Schüler begründen die Auswahl der Betriebsmittel in jedem Punkt des Anforderungskatalogs. Lernsituation Die Aufgabenstellung ist praxisnah und für die Schülerinnen und Schüler motivierend. Sie führen eine vollständige berufliche Handlung aus. Lernschritte In vier Lernschritten werden Unterrichtsmaterialien und die Online-Quellen eines Zulieferbetriebs eingesetzt. Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Asynchronmotor und eine Motorschutzeinrichtung unter Berücksichtigung technischer Anforderungen aus Hersteller-Katalogen auswählen Betriebskosten mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms berechnen und Diagramme erstellen Schaltpläne erstellen erkennen, dass sich ökonomisches und ökologisch verantwortliches Handeln vereinen lässt. Die Schüler berechnen in MS-Excel oder OpenOffice-Calc die Betriebskosten von Motoren unterschiedlicher Wirkungsgradklassifizierungen und stellen die Ergebnisse in einem Diagramm vergleichend dar. Sie wählen einen passenden Motorschutzschalter aus dem Online-Katalog eines Herstellers von Schutzeinrichtungen. Alternativ setzen sie den Online-Assistenten des Herstellers ein. Der Online-Assistent schlägt den Schülern nach Eingabe der Motordaten einen Motorschutzschalter vor. Die Schüler vervollständigen die Dokumentation der Planungsabteilung und erstellen Schaltpläne von der Unterverteilung bis zum Motor. Thema Asynchronmotor: Arbeiten mit Herstellerkatalogen Autor Markus Asmuth Fach Elektrotechnik Zielgruppe Elektroberufe, 2. Lehrjahr Lernfeld Antriebssysteme auswählen und integrieren Zeitraum 8 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang, Webbrowser, MS-Excel oder OpenOffice-Calc Planung Verlaufsplan Asynchronmotor Lernvoraussetzungen Vorausgesetzt wird, dass die Schülerinnen und Schüler die technischen Grundlagen Betriebsverhalten, Betriebsart, Polpaarzahl, Isolierung, Bauform, Schutzart und Motorschutz verstehen Berechnungen in MS-Excel oder OpenOffice-Calc durchführen können und Diagramme erstellen können Lernsituation Die Aufgabenstellung ist praxisnah und für die Schülerinnen und Schüler motivierend. Gegenstand ist der Antrieb eines Rührwerks einer Wasseraufbereitungsanlage eines Chemiewerks. Die Lernenden bearbeiten eine vollständige berufliche Handlung. Diese umfasst neben technischen und methodischen Aspekten zusätzlich ökonomische und ökologische Aspekte. Ein wichtiges Grundprinzip beruflicher Handlungen ist, negative Einflüsse auf die Umwelt zu minimieren. In der Lernsituation lernen die Schüler, dass sich Ökonomie und Ökologie miteinander vereinen lassen. Die Schüler setzen moderne Arbeitsmittel wie Online-Kataloge der Hersteller und Tabellenkalkulationsprogramme zur Lösungsfindung ein. Eine wichtige Kompetenz ist das Lesen von Datenblättern. Interpretiert werden können die Produkttabellen nur, wenn die fachlichen Inhalte beherrscht werden. Auswahl des Motors Zunächst müssen die sprachlich formulierten Anforderungen an die Schutzart und Betriebsart mithilfe des Tabellenbuches und des Fachbuches in Kennzeichnungen übertragen werden. Diese Kennzeichnungen können dann mit den Angaben im Online-Katalog verglichen werden. Außerdem ist mittels der Polpaarzahl und der Netzfrequenz die Drehfelddrehzahl zu berechnen. Nicht alle Anforderungen finden sich in den Datenblättern. Die Schülerinnen und Schüler müssen die technischen Erläuterungen hinzuziehen. Dort wird die standardmäßige Schutzart und Isolierstoffklasse für die Motoren des Herstellers genannt. Berechnung der Betriebskosten Die Betriebskosten werden über die elektrische Arbeit und den Strompreis berechnet. Zur Berechnung der elektrischen Arbeit bestimmen die Schülerinnen und Schüler die zugeführte Leistung des Motors mittels im Datenblatt angegebenen Wirkungsgrad und der ebenfalls notierten abgegebenen Leistung. Die Betriebszeit des Rührwerks fließt in die Berechnung ein. Die Berechnungen werden direkt im Tabellenkalkulationsprogramm durchgeführt. Für jeden Tag werden über den Zeitraum von zwei Jahren die bis zu diesem Tag angefallenen Stromkosten in jeweils einem separaten Tabellenfeld berechnet. Rentabilität Die Schülerinnen und Schüler berechnen die Betriebskosten für den im Schritt 1 ausgewählten Motor der Wirkungsgradklassifizierungen EFF2 und für das etwas teurere Modell mit der besseren Wirkungsgradklassifizierung EFF1. Die benötigten Daten finden sie auch diesmal im Online-Katalog des Motorenherstellers. Ein zu erstellendes Diagramm, das die Differenz der Betriebskosten über die Tage aufträgt, verdeutlicht, ab wann ein Motor der Klassifizierung EFF1 rentabel ist. Auswahl des Motorschutzschalters Zunächst dimensionieren die Schülerinnen und Schüler den Motorschutzschalter. Dem Datenblatt entnehmen sie den Bemessungsstrom für den im Schritt 2 ausgewählten Motor. Der Motor wird ohne ein zusätzliches Anlassverfahren direkt an die Netzspannung gelegt. Der Überlastschutz des Motorschutzschalters wird auf den Bemessungsstrom des Motors eingestellt. Alternativ kann auch der Online-Assistent von Moeller eingesetzt werden, der nach Auswahl des Motors, einen Motorschutzschalter vorschlägt. Erstellung der Schaltpläne Als Teil der vollständigen beruflichen Handlung erstellen die Schülerinnen und Schüler Schaltpläne. Diese werden der Planungsabteilung zur Vervollständigung der Dokumentation ausgehändigt. Die Schüler zeichnen Schaltpläne von der Unterverteilung bis zum Motor in einpoliger und in mehrpoliger Darstellung. Entsprechend der Betriebsbedingungen ist den Schaltplänen ein TN-S-Netzsystem zugrunde zu legen. Im Tabellenbuch oder in den Fachbüchern finden die Lernenden die Schaltsymbole für den Motorschutzschalter und die Schaltsymbole für den Sicherungslasttrennschalter mit NH-Sicherung.

Vor 100 Jahren – am 22. Juni 1910 – wurde Konrad Zuse geboren. Das Zuse-Jahr 2010 soll dieses Jubiläum gebührend ehren. In dieser Unterrichtseinheit erhalten Schülerinnen und Schüler Einblicke in die Erfindung des Computers durch Konrad Zuse und in die Funktionsweise seines ersten Rechners - den Z3.Was sind Dualzahlen und warum rechnen Computer mit ihnen? Wie funktioniert binäre Logik und was sind logische Gatter? Wie arbeitete Konrad Zuses Z3? Die Antworten auf diese Fragen können Schülerinnen und Schüler mit einer zum Zuse-Jahr 2010 entwickelten Lernumgebung finden. Die dynamischen Arbeitsblätter enthalten interaktive Übungen und Veranschaulichungen, die mit LogiFlash erstellt wurden. Dieser Logiksimulator für die Darstellung von digitalen Schaltungen wurde am Lehrstuhl für Technische Informatik der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main entwickelt und steht kostenfrei zur Verfügung. Würdigung der Leistung Konrad Zuses Die hier vorgestellte Lernumgebung kann im Rahmen des Lehrplans genutzt werden. Konzipiert wurde sie vom Autor aber insbesondere zur Würdigung von Konrad Zuse (1910-1995) im Zuse-Jahr 2010. Hier bietet sich ihr Einsatz im Rahmen eingeschobener Unterrichtsstunden an (eine Doppelstunde sollte reichen). Im Verlauf des Unterrichtsgesprächs kann ferner auf die Begriffe Verarbeitungsbreite (Bit) und Speichergröße (Bit und Byte) eingegangen werden. Einführung der Lernumgebung per Beamer Schülerinnen und Schüler der Klasse 7 sind den Einsatz interaktiver Arbeitsblätter oft noch nicht gewohnt. Daher sollte der Umgang damit zunächst von der Lehrperson per Beamer gezeigt werden. Insbesondere der Umgang mit den interaktiven LogiFlash-Simulationen kann so demonstriert werden. Hinweise zu den Übungen Ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Zahleneingabe bei den Übungen führt zu erhöhter Konzentration und damit zu weniger Frusterlebnissen. Diese entstehen, wenn Fragen inhaltlich richtig, aber formal fehlerhaft (zum Beispiel durch Leerstellen) in die Arbeitsblätter eingegeben werden. Die Angaben werden dann als falsch bewertet. Auch Partnerarbeiten zwischen Schülerinnen und Schülern mit guten Deutschkenntnissen und Lernenden, denen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), kann zur Vermeidung von Frusterlebnissen beitragen. Aufbau und Inhalte der Lernumgebung Die Themen der Lernumgebung werden kurz vorgestellt. Screenshots zeigen Ausschnitte aus den interaktiven Übungen. Green IT Von der Erfindung des Computers kann ein Bogen geschlagen werden zum heutigen rasanten Wachstum der Datenströme im Internet, die einen signifikanten Beitrag zum Kohlenstoffdioxidausstoß leisten werden, wenn die Energieeffizienz der heutigen Technologie nicht stark verbessert wird. "Green IT" ist das Schlagwort. Computer Gestern - Heute - Morgen: "Green IT" In Zeiten drastisch wachsender Datenströme muss die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologie umwelt- und ressourcenschonend gestaltet werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen im Lernbereich "Computer verstehen: Daten und Strukturen" den grundlegenden Aufbau eines Computers kennen (Hardware, Prozessor, Bus, Speicher). das Blockschaltbild eines Computers verstehen. das Prinzip "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" verstehen. die Auswirkungen der Rechentechnik aus historischer Sicht bewerten. ein Modell für Informatiksysteme kennenlernen. im Wahlpflichtbereich "Computer Gestern - Heute - Morgen" die Leistung eines Rechners anhand verschiedener Kriterien beurteilen können. die Lernumgebung für das Fach Mathematik zur Prüfungsvorbereitung zum Thema Stellenwertsysteme (Klasse 10) nutzen. Thema Die Erfindung des Computers - Zuses Z3 Autor Jens Tiburski Fächer Informatik, Mathematik (Stellenwertsysteme) Zielgruppe ab Klasse 7 (Informatik), Klasse 10 (Mathematik) Zeitraum 1-2 Stunden Technische Voraussetzungen Computer in ausreichender Zahl (Einzel- oder Partnerarbeit); aktiviertes Java-Script, Flash Player Zuerst werden die Schülerinnen und Schüler darauf aufmerksam gemacht, dass die Rechenmaschinen vor der Erfindung des Computers noch mechanisch funktionierten. Doch selbst herausragende Konstruktionen demonstrierten lediglich die Unmöglichkeit, analytische Maschinen von hoher Komplexität technisch zu verwirklichen. Das macht die Genialität Zuses deutlich, der mit zwei revolutionären Ideen die Entwicklung des modernen Computers ermöglichte: Durch den Vergleich mit Anlagen aus der Nachrichtentechnik kam er zu dem Schluss, dass Rechenmaschinen ebenfalls elektronisch funktionieren müssten - durch den Einsatz von Relais als Schalter. Da Relais nur zwei Schaltzustände kennen - High und Low - erkannte Zuse, dass Rechenmaschinen auf dem Dualsystem basieren müssten. Boolesche Logik Also stellte er seine Experimente mit mechanischen Rechenmaschinen ein (der Zuse Z1 war noch ein mechanischer Rechner) und arbeitete an der Umsetzung der Rechenregeln für Dualzahlen mittels logischer Operatoren. Dass es die Boolesche Logik schon gab, wusste Konrad Zuse nicht. Er entwickelte jedoch unabhängig dieselben Schlussfolgerungen. Die interaktiven Arbeitsmaterialien der Unterrichtseinheit beginnen mit der Erforschung der Rechenregeln für das Dualsystem (also das Zahlensystem auf der Basis 2). Nach grundsätzlichen Erläuterungen haben die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, ihr erworbenes Wissen in interaktiven Aufgabenstellungen zu testen. Nach der Konvertierung von Dezimalzahlen in Dualzahlen (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) und umgekehrt sind Additions- sowie eine Multiplikationsaufgabe zu lösen. Die Lernumgebung gibt den Schülerinnen und Schülern Rückmeldungen zum Erfolg ihrer Bemühungen. Den nächsten inhaltlichen Schwerpunkt bildet das Verständnis sogenannter logischer Gatter. Es wird gezeigt, wie solche Gatter aufgebaut sind und welche Funktion sie erfüllen. Dabei beschränkt sich die Lernumgebung auf die wesentlichen Gatter: And-Gatter Or-Gatter Xor-Gatter Nand-Gatter Nor-Gatter Xnor-Gatter Interaktive Übungen Mithilfe von Flash-Simulationen logischer Schaltungen (erstellt mit LogiFlash ) können die Schülerinnen und Schüler die Erklärungen nachvollziehen und eigene Überlegungen visualisieren. Das Kapitel enthält interaktive Übungen zu Wahrheitstabellen logischer Gatter. In verschiedenen Aufgaben können die Schülerinnen und Schüler Wahrheitstabellen vorgegebener Gatter erkunden sowie Gatter anhand ihres Verhaltens zuordnen. Abb. 2 zeigt ein Beispiel: In der Übung muss die Wahrheitstabelle ermittelt und dem entsprechenden Gatter zugeordnet werden. Danach werden - mithilfe der Gatter - die Rechenregeln für Dualzahlen digital umgesetzt. Der 1-Bit-Addierer bildet die Grundlage für das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Rechenregeln und logischen Gattern. Wenn dieses Funktionsprinzip verstanden wurde, geht es mit dem 8-Bit-Addierer weiter. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Weitergabe des Übertrags. Es kann zwar nur der Übertrag 1 entstehen, aber dieser muss gegebenenfalls über mehrere Stellen weitergegeben werden. Die sich daraus ergebenden Überlegungen zum Einsatz verschiedener Gatter führen auf eine schon recht komplexe Schaltung mit einer Vielzahl von Gattern, die - zur optischen Abgrenzung - in verschiedenen Reihen angeordnet sind (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken). Dieser 8-Bit-Addierer ist nun das eigentliche Rechenwerk des Z3. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es sich um ein stark vereinfachtes Modell des Rechenwerks von Konrad Zuse handelt. Im Gegensatz zu Konrad Zuses Rechner wird unser Rechenwerk nun aber noch mit Wandlern zur Ein- und Ausgabe von Dezimalziffern ausgestattet: Dezimal-Dual-Wandler Dieser Wandler basiert komplett auf Or-Gattern, die dafür sorgen, dass eingegebene Dezimalziffern über die Lampen am Ausgang als Dualzahlen weitergegeben werden. Dual-Dezimal-Wandler Dieser Wandler verwendet zwei Gattertypen, das And-Gatter und das Nor-Gatter. Das jeweilige And-Gatter testet die gesetzten richtigen Bits, während das Nor-Gatter falsch gesetzte Bits "herausfiltert". So wird zum Beispiel die Lampe mit der Nummer 7 nur dann auf High-Level gesetzt, wenn die Bits 1, 2 und 3 aktiviert sind und gleichzeitig die Bits 4 und 5 deaktiviert sind (Abb. 4). Wenn man nun den 8-Bit-Addierer mit zwei Dezimal-Dual-Wandlern zur Eingabe von Dezimalziffern und einem Dual-Dezimal-Wandler zur Anzeige der Ergebnisse in Dezimalform ausstattet, erhält man einen einfachen Rechner, der zwei Dezimalziffern addiert und das Ergebnis anzeigt. Der Informationsfluss kann dabei anhand der türkis eingefärbten Hervorhebungen von den Schülerinnen und Schüler nachvollzogen werden, sodass das Funktionsprinzip deutlich wird (Abb. 5) Die Schaltung in Abb. 5 wirkt auf den ersten Blick sicher verwirrend. Deshalb wird dieser Rechner nun modular umgestaltet. Die Hauptbaugruppen werden in Module zusammengefasst. Dann erfolgt die Verdrahtung und man erhält ein Funktionsschema, das wesentlich übersichtlicher wirkt als das vollständige Modell. Dass es sich jedoch um dieselben Schaltungen handelt, kann man durch das Anklicken des Lupen-Symbols sehen. Das Lupensymbol erscheint, wenn Sie den Cursor über die linke oder rechte untere Ecke (4-Bit-Addierer) der Module führen (siehe roter Kreis in Abb. 6). Aufgaben Im letzten Übungsteil sollen die Schülerinnen und Schüler ihr erworbenes Wissen über die logischen Schaltungen testen. Drei vorgegebene Schaltungen sind zu komplettieren: 1-Bit-Addierer Die beiden passenden Logik-Gatter sollen an die richtigen Stellen gezogen und die Schaltungen korrekt verdrahten werden. Per Klick auf das Fragezeichen-Symbol lassen sich Tipps aufrufen. Der Test-Button prüft die Schaltung - das kann bei umfangreichen Schaltungen einige Sekunden dauern - und gibt dann das Ergebnis in Form einer Messagebox aus. 4-Bit-Addierer Neben den vier 1-Bit-Addierern muss die Weiterleitung des Übertrags fehlerfrei funktionieren. Die Aufgabe besteht in der korrekten Verdrahtung der logischen Gatter der Übertragsweiterleitung. Modul-Rechner Der letzte Schaltplan beinhaltet zwei Dezimal-Dualwandler, einen 4-Bit-Addierer sowie einen Dual-Dezimal-Wandler. Die Aufgabe ist es nun, die fertigen Module richtig zu verdrahten, sodass der Modul-Rechner fehlerfrei funktioniert. Im Themenbereich "Computer Gestern - Heute - Morgen" bietet sich ein Ausblick auf die Bestrebungen an, die Nutzung von Informationstechnik (IT) beziehungsweise aller Informations- und Kommunikationstechnologie umwelt- und ressourcenschonend zu gestalten. Dies betrifft die Produktion der Komponenten (Energieeinsatz, Materialien, Produktionsmittel). das Design der Systeme (Energieverbrauch im Betrieb). die Entsorgung oder das Recycling der Geräte. Der letztgenannte Aspekt schließt insbesondere die Schadstoffthematik mit ein, also ob schädliche Stoffe in der Produktion anfallen oder ob Gifte wie Blei oder Brom im Endprodukt enthalten sind und bei dessen Betrieb oder Entsorgung freigesetzt werden. Der Begriff Green IT umfasst auch die Energieeinsparung durch die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologie. So kann zum Beispiel der Ersatz von Dienstreisen durch Videokonferenzen zur Energie- und Emissionsreduzierung beitragen. Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) hat im Jahr 2009 eine Green-IT-Studie veröffentlicht, die "Aspekte der Reduzierung des Energieverbrauchs und der Verbesserung der Energieeffizienz in Kommunikationsnetzwerken" darstellt. Angesichts des dramatisch ansteigenden Datenverkehrs muss, so die Studie, dem damit zusammenhängenden Energieverbrauch aus Umweltgesichtspunkten (Kohlenstoffdioxidausstoß) - aber auch im Hinblick auf die Betriebskosten für Netzbetreiber und private Kunden - entschieden gegengesteuert werden. Nur wenn Forschung und Entwicklung einen essenziellen Beitrag zur Verbesserung der Energieeffizienz der Informations- und Kommunikationstechnologie leiste, sei das Wachstum des Internets ohne einen signifikanten Beitrag zum Kohlenstoffdioxidausstoß möglich. Auch dies gehört zum Erbe Konrad Zuses … Interessierte Lehrkräfte können die nicht ganz günstige Studie (250 Euro) direkt beim VDE bestellen: VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Stresemannallee 15 60596 Frankfurt am Main Kontakt: itg@vde.com