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Technisches Zeichnen: Einführung in 3D-CAD

Unterrichtseinheit

Diese Unterrichtseinheit zum Thema 3D-CAD-Systeme fördert durch eine dreidimensionale Darstellung unterschiedlicher Objekte das räumliche Vorstellungsvermögen und vereinfacht die Erstellung technischer Zeichnungen.Der Einsatz des Computers zur Konstruktion technischer Systeme und zum Anfertigen technischer Zeichnungen ist in der Industrie von großer Bedeutung. Die Software hierzu wird als CAD (Computer Aided Design = computerunterstütztes Konstruieren und Zeichnen) bezeichnet. Seit einigen Jahren gibt es leistungsfähige dreidimensionale CAD-Systeme (3D-CAD). In der Schule bieten diese Systeme den Vorteil, dass mit in der Industrie eingesetzten Programmen gearbeitet werden kann. Hier wird eine Unterrichtseinheit vorgestellt, die den Einstieg in das marktführende 3D-CAD-System "SolidWorks" ermöglicht.Die Unterrichtsreihe bietet einen Einstieg in das Arbeiten mit 3D-CAD-Systemen. Diese Systeme stellen inzwischen den Industriestandard dar und begegnen daher den Schülerinnen und Schülern in ihrem Berufsalltag. Sie lernen, die Arbeitsweise, die Möglichkeiten und den Zeitaufwand für das Arbeiten an 3D-CAD-Systemen einzuschätzen. Weitere Vorteile liegen in der Verbesserung des räumlichen Vorstellungsvermögens und dem Spaß an der Arbeit mit diesen Programmen. Die Schülerinnen und Schüler sollen im Rahmen der Unterrichteinheit möglichst selbstständig arbeiten. Daher sind alle notwendigen Informationen auf Arbeitsblättern zusammengefasst, die die Schülerinnen und Schüler in Einzelarbeit bearbeiten sollten. Die Arbeitsblätter sind nach steigendem Schwierigkeitsgrad geordnet und führen über Zeichnungen von einfachen quaderförmigen Werkstücken über Werkstücke mit Bohrungen bis zu Werkstücken mit Rundungen. Die Schülerinnen und Schüler erklären den Begriff CAD. nennen die Vorteile des CAD-Einsatzes. lernen die Vorgehensweise beim Erstellen dreidimensionaler Skizzen kennen. erstellen an einem CAD-System einfache Zeichnungen. verbessern ihr räumliches Vorstellungsvermögen. haben Spaß am Arbeiten mit einem CAD-System. Weitere Vorteile liegen in der Verbesserung des räumlichen Vorstellungsvermögens und dem Spaß an der Arbeit mit diesen Programmen. Die Schülerinnen und Schüler sollen im Rahmen der Unterrichteinheit möglichst selbstständig arbeiten. Daher sind alle notwendigen Informationen auf Arbeitsblättern zusammengefasst, die die Schüler in Einzelarbeit bearbeiten sollten. Die Arbeitsblätter sind nach steigendem Schwierigkeitsgrad geordnet und führen über Zeichnungen von einfachen quaderförmigen Werkstücken über Werkstücke mit Bohrungen bis zu Werkstücken mit Rundungen. In der Einstiegsphase ist aufgrund der Komplexität von 3D-CAD-Programmen wie SolidWorks eine Unterstützung durch den Lehrer bei Schwierigkeiten notwendig. Oft führt schon ein falscher Mausklick dazu, dass die Schülerinnen und Schüler nicht weiter wissen. Nach einigen Stunden Arbeit mit dem Programm sind diese Schwierigkeiten meist behoben. Neben der Hilfe durch die Lehrkraft sollten die Schüler auch dazu ermutigt werden, sich gegenseitig zu helfen. Zum Abschluss bietet sich die Möglichkeit, die eigenen Zeichnungen in einem Textverarbeitungsprogramm zu dokumentieren und zu präsentieren. Dabei können die Schüler auch Zeichnungen nach eigenen Ideen anfertigen, ohne sich an die Übungsbeispiele zu halten.

  • Metalltechnik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Topologische Optimierung und bionisches Design

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit erhalten die Lernenden erste Einblicke in topologische Optimierungen und Bionik. Strukturen aus der Natur dienen als Vorbild für bionisches Design, das sowohl stabil als auch materialsparend ist. Nach einer Einführung in das Thema am Beispiel eines Fahrradrahmens, konstruieren Schülerinnen und Schüler Stifteschälchen im bionischen Design mit einem CAD-Programm. Ausgehend von der Frage, wie Maschinenbau einen Beitrag zum Erreichen von Klimazielen schaffen kann, werden materialsparende, leichte, aber trotzdem stabile Designs von Fahrradrahmen betrachtet. Hierbei dienen Strukturen aus der Natur als Vorbilder für bionisches Design. Im Rahmen einer Internet-Recherche informieren sich die Schülerinnen und Schüler darüber, welche bionischen Designs für Fahrradrahmen bereits vorhanden sind. Mit dem Verfahren der topologischen Optimierung können solche materialsparenden Strukturen digital konstruiert werden. Andererseits kann auch mit der analogen Methode der Zugdreiecke durch das gezielte Hinzufügen von Material Stabilität geschaffen werden. Die Schülerinnen und Schüler werden selbst aktiv, indem sie ein Stifteschälchen planen und mithilfe eines CAD-Programms (zum Beispiel mit TinkerCAD) schlussendlich für den 3D-Druck designen. Um hierfür anschaulich Elemente des bionischen Designs zu erfahren, wird die Grundform der Schälchen aus Matsch nachgebaut. Hierbei entdecken die Schülerinnen und Schüler, dass Übergänge – beispielsweise zwischen Wand und Boden – gerundet sind und sich der Querschnitt der Wände von unten nach oben verjüngt. Diese Elemente werden im Design des Schälchens aufgegriffen. Zusätzlich kann Material nach der Idee der topologischen Optimierung durch das Einfügen von Löchern in den Wänden des Schälchens eingespart werden. Hierfür wird mit dem intuitiven Begriff des Kraftflusses gearbeitet, der bei dem Lastfall, dass ein Buch auf den oberen Rand des Schälchens fällt, entsteht. Die Unterrichtseinheit ist thematisch in sechs Lernmodule und zwei Submodule eingeteilt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen die Prinzipien der topologischen Optimierung und des bionischen Designs kennen und wenden diese an. optimieren ausgehend von ersten Entwürfen ihre Stifteschälchen unter den Aspekten der topologischen Optimierung und des bionischen Designs. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler konstruieren unter Berücksichtigung bionischer Design-Elemente kreativ mithilfe eines CAD-Programms (zum Beispiel TinkerCAD). nutzen das Internet eigenständig für Recherchen zum bionischen Design und der topologischen Optimierung. erarbeiten aktiv mit Hilfe von Matsch bionische Design-Elemente.

  • Technik / Sache & Technik / Physik / Astronomie / Biologie / Ernährung und Gesundheit / Natur und Umwelt
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Lagerung eines Rollenbocks

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Optimale Lagerung eines Rollenbocks" erlernen die Schülerinnen und Schüler anhand von Beispielen die Prinzipien der Lageranordnung.In der Industrie ist das Arbeiten mit 3D-CAD-Systemen mittlerweile alltäglich geworden - auch für Auszubildende. Durch den Einsatz dieser Systeme und der Software zur Darstellung von 2D- und 3D-Modellen unterschiedlicher Objekte wird in dieser Unterrichtsreihe das räumliche Vorstellungsvermögen gefördert. Zudem erleichtert es den Lernenden, Zeichnungen zu erstellen. Die hier vorgestellte Lernsituation "Optimierung der Lagerung eines Rollenbocks" bietet einerseits die Analyse einer vorhandenen, nicht dem gängigen Lehrschema entsprechenden Lagerung / Lageranordnung und eine damit verbundene intensive Auseinandersetzung mit diesem Thema. Andererseits ergibt sich die Notwendigkeit, die vorhandene Lageranordnung analog der Prinzipien Fest-/Loslagerung, Angestellter Lagerung sowie Schwimmender Lagerung zu überarbeiten. Die notwendige Änderungskonstruktion sowie Zeichnungsableitung zur Fertigung der modifizierten Bauteile soll unter Zuhilfenahme des 3D-Konstruktionsprogramms SolidWorks sowie eDrawings geschehen. Da zur Erstellung der Teile lediglich Grundfertigkeiten im Umgang mit dem System notwendig sind, bietet sich diese Lernsituation auch als Einführung in SolidWorks an.In der Unterrichtsreihe gibt es mehrere Erarbeitungs- und Präsentationsphasen. Bei der Wahl der Sozialform gibt es viele Möglichkeiten, von der Einzelarbeit über die arbeitsgleiche und arbeitsteilige Gruppenarbeit, je nach Voraussetzung der Lernenden. Die Reihe bietet einen Einstieg in das Arbeiten mit 3D-CAD-Systemen. Sie lernen, die Arbeitsweise, die Möglichkeiten und den Zeitaufwand für das Arbeiten an 3D-CAD-Systemen einzuschätzen. Mehrwert für Lernende Zielgruppengerechte Aufbereitung Die Verwendung von 3D-Datensätzen zur Bearbeitung dieser Aufgabenstellung ermöglicht gerade den Schülerinnen und Schülern mit eingeschränktem räumlichen Vorstellungsvermögen die Möglichkeit, Teile der Baugruppe ein- und auszublenden, zu messen und zu animieren. Gleichzeitig wird durch den schnellen Abgleich mit 2D-Datensätzen (besonders empfehlenswert ist die Animation der Datei rollenbock.edrw in eDrawings) eine umfassende Analyse der Baugruppe gewährleistet. 2D- und 3D-Modelle eDrawings bietet durch seine einfache, selbsterklärende Oberfläche eine sehr gute Möglichkeit, die Funktionsweise und den Aufbau des Rollenbocks zu erarbeiten. Die Mess-Funktionalität ermöglicht das Bestimmen notwendiger Maße für die Änderungskonstruktion. Rechnerunterstützte Konstruktion 3D-CAD ermöglicht eine fortwährende Kontrolle der Funktionalität der Baugruppe durch Interferenzprüfungen, Animationen et cetera. Der Ansatz, aus einem 3D-Datensatz Zeichnungen abzuleiten, auch ohne Vorwissen der Lernenden hinsichtlich der Normung, ermöglicht eine konstruktive Auseinandersetzung mit Zeichnungsnormung. Hier stellen sich Fragen wie: Was muss der Fertiger alles wissen? Wie muss die Zeichnung aussehen, dass jeder etwas damit anfangen kann? ... Die Erkenntnis der Notwendigkeit normierter Zeichnungen erschließt sich hier automatisch. Falls die Schülerinnen und Schüler schon Erfahrungen mit SolidWorks erlangt haben, kann die Optimierung der Lagerung auch arbeitsteilig erfolgen, so dass für die 3-gängigen Lagerungsprinzipien (Fest-Los/Angestellt/Schwimmend) Lösungen erarbeitet werden.Die Schülerinnen und Schüler erkennen und erklären Funktionszusammenhänge in der vorhandenen Baugruppe. Hierzu werten sie Informationen sowie technische Unterlagen aus. informieren sich über mögliche Lageranordnungen, analysieren die Vor- und Nachteile und gleichen sie mit der im Rollenbock vorhandenen Lagerung ab. Hier erkennen die Lernenden die nicht fachgerechte Auslegung der vorhandenen Lagerung und die Notwendigkeit, dies entsprechend der erarbeiteten Lagerungsprinzipien zu überarbeiten. erlernen die Grundlagen der 3D-Konstruktion anhand des Programms SolidWorks. Hierzu erstellen sie einzelne Bauteile, fügen diese mit benötigten Normteilen in eine Baugruppe ein und leiten die zur Dokumentation erforderlichen Zeichnungsunterlagen ab. Zielgruppengerechte Aufbereitung Die Verwendung von 3D-Datensätzen zur Bearbeitung dieser Aufgabenstellung ermöglicht gerade den Schülerinnen und Schülern mit eingeschränktem räumlichen Vorstellungsvermögen die Möglichkeit, Teile der Baugruppe ein- und auszublenden, zu messen und zu animieren. Gleichzeitig wird durch den schnellen Abgleich mit 2D-Datensätzen (besonders empfehlenswert ist die Animation der Datei rollenbock.edrw in eDrawings) eine umfassende Analyse der Baugruppe gewährleistet. 2D- und 3D-Modelle eDrawings bietet durch seine einfache, selbsterklärende Oberfläche eine sehr gute Möglichkeit, die Funktionsweise und den Aufbau des Rollenbocks zu erarbeiten. Die Mess-Funktionalität ermöglicht das Bestimmen notwendiger Maße für die Änderungskonstruktion. Rechnerunterstützte Konstruktion 3D-CAD ermöglicht eine fortwährende Kontrolle der Funktionalität der Baugruppe durch Interferenzprüfungen, Animationen et cetera. Der Ansatz, aus einem 3D-Datensatz Zeichnungen abzuleiten, auch ohne Vorwissen der Lernenden hinsichtlich der Normung, ermöglicht eine konstruktive Auseinandersetzung mit Zeichnungsnormung. Hier stellen sich Fragen wie: Was muss der Fertiger alles wissen? Wie muss die Zeichnung aussehen, dass jeder etwas damit anfangen kann? ... Die Erkenntnis der Notwendigkeit normierter Zeichnungen erschließt sich hier automatisch. Falls die Schülerinnen und Schüler schon Erfahrungen mit SolidWorks erlangt haben, kann die Optimierung der Lagerung auch arbeitsteilig erfolgen, so dass für die 3-gängigen Lagerungsprinzipien (Fest-Los/Angestellt/Schwimmend) Lösungen erarbeitet werden.

  • Metalltechnik
  • Sekundarstufe II

Fertigen mit dem 3D-Drucker

Kopiervorlage / Video

In diesem Arbeitsmaterial erlernen die Schülerinnen und Schüler die grundlegende Funktionsweise eines 3D-Druckers. Darüber hinaus erwerben sie Handlungskompetenzen im Umgang mit einer CAD-Software zum virtuellen Fertigen von 3D-Modellen. Das Arbeitsmaterial wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt.Das Arbeitsmaterial dient zur Einführung in den 3D-Druck. Es werden neben der allgemeinen Funktionsweise eines 3D-Druckers auch der Umgang mit TinkerCAD, einer online-basierten CAD-Software, erlernt. Der erste Teil der Arbeitsmaterialien dient als Einführung in den 3D-Druck und ist so angelegt, dass die Schülerinnen und Schüler die Aufgaben eigenständig durch beispielsweise Internetrecherchen bearbeiten können. Für die Bearbeitung der weiteren Arbeitsblätter und Aufgaben empfiehlt sich die Verwendung von TinkerCAD. Ziel der Aufgaben ist die Erstellung verschiedener 3D-Modelle, die perspektivisch mit dem 3D-Drucker gedruckt werden können. TinkerCAD ist kostenlos und direkt im Browser benutzbar. Mithilfe dieser Software lassen sich 3D-Modelle schnell und intuitiv erstellen. Lediglich die Lehrkraft muss sich zuvor online registrieren und kann dann einen Klassencode erstellen und freigeben. Mit dem Klassencode können Schülerinnen und Schüler auch ohne vorherige Anmeldung die Software verwenden. Zur Einführung und zur weiteren Erklärung gibt es unten stehend zudem vier Videos, in denen die grundlegenden Funktionen der Software Schritt für Schritt erklärt werden. Somit erlernen die Schülerinnen und Schüler die Verwendung aller notwendigen Werkzeuge und Funktionen der CAD-Software, um die Erstellung ihrer eigenen 3D-Modelle möglichst kreativ zu bewältigen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren und verstehen die Funktionsweise eines 3D-Druckers. verstehen die Funktionsweise von TinkerCAD. konstruieren und fertigen virtuell mit TinkerCAD verschiedene 3D-Modelle. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Medien zur Informationsgewinnung. konstruieren und fertigen mit digitalen Medien. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten selbstständig im Homeschooling.

  • Technik / Sache & Technik / Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I

Konstruieren mit CAD-Software – digitale Fertigung

Kopiervorlage / Video

Dieses Arbeitsmaterial ist der dritte Teil der Online-Fortbildungsreihe "Von der handwerklichen Einzelfertigung zur Industrie 4.0". Sie richtet sich an Lehrerinnen und Lehrer, die technische Projekte von der handwerklichen bis hin zur rechnergestützten Fertigung mittels 3D-Druck und CAD gestalten wollen. Das Material wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt. Der dritte Teil der Fortbildungsreihe beschäftigt sich mit dem Einsatz von digitalen Medien in der Fertigung. Darin werden didaktische Einsatzmöglichkeiten einer CAD-Software vermittelt und präsentiert. Weitere Themen, die hierbei behandelt werden, sind: Strukturierung eines Lehrgangs für eine CAD-Software Einführung in TinkerCAD Konstruktionsaufgabenbeispiele Empfehlungen zur Bewertung der Ergebnisse Die Fortbildung richtet sich an alle Lehrkräfte, die technische Bildung in unterschiedlichen Kontexten vermitteln – beispielsweise im Technik-Unterricht, in AGs oder in fächerübergreifenden Projekten – und hierbei mit Schülerinnen und Schülern Werkstücke konstruieren und fertigen. Alle vier Module der Fortbildung stehen als Video bereit. In den Videos erhalten Sie Anregungen und Hinweise zur methodischen Gestaltung eigener technischer Projekte. Ergänzend dazu erhalten Sie Arbeitsmaterialien (inklusive der Fortbildungspräsentation), die zum Teil direkt im Unterricht eingesetzt werden oder an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden können. Neben der digitalen Fertigung beschäftigen sich die anderen Module mit der handwerklichen Fertigung , industriellen Fertigung und schließlich mit der rechnergesteuerten Fertigung rund um das Thema " Industrie 4.0 ". Der Beitrag "Von der handwerklichen Einzelfertigung zur Industrie 4.0 – Online-Fortbildung für Lehrkräfte" gibt einen Überblick über die Inhalte und Themen der gesamten Online-Fortbildungsreihe.

  • Technik / Sache & Technik
  • Sekundarstufe I, Fort- und Weiterbildung

Von der handwerklichen Einzelfertigung zur Industrie 4.0 – Online-Fortbildung für Lehrkräfte

Fachartikel

In diesem Beitrag erhalten Sie einen Überblick über die Inhalte und Themen der Online-Fortbildungsreihe "Von der handwerklichen Einzelfertigung zur Industrie 4.0", die sich an Lehrkräfte richtet, die technische Projekte von der handwerklichen bis hin zur rechnergestützten Fertigung mittels CAD und 3D-Druck gestalten wollen. Das Material wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt. Was erwartet Lehrkräfte in der Fortbildungsreihe und was sind die Inhalte? Diese Reihe wurde im Rahmen der Online-Fortbildung für Lehrkräfte der Junior-Ingenieur-Akademie erarbeitet. Es werden unterschiedliche Aspekte der Produktentwicklung, Fertigungsvorbereitung und Durchführung in der Schule thematisiert. Dabei geht es einerseits um die Anwendung technikspezifischer Unterrichtsverfahren (Konstruktionsaufgabe, Fertigungsaufgabe, technisches Experiment, ...) als auch um die Anwendung verschiedener Etappen der Automatisierung (Einzelfertigung, Mehrfachfertigung, automatisierte Fertigung). Dazu stehen insgesamt vier Fortbildungsmodule inklusive begleitender Materialien zur Verfügung. Durch die begleitende Herstellung eines einfachen Gegenstandes (Tic-Tac-Toe-Spiel) im Rahmen der Fortbildung werden die thematisierten Aspekte bei der eigenen praktischen Arbeit angewendet und somit erlebbar. Dadurch wird deutlich, vor welchen Herausforderungen Lernende und Lehrkräfte stehen. An dieser Stelle erhalten Lehrkräfte alle Materialien der Fortbildungsreihe, um sich eigenständig mit dem Thema zu beschäftigen. Was sind die Themen der einzelnen Module? Die Fertigungsaufgabe – handwerkliche Fertigung : In diesem Modul werden die Ziele der schulischen Fertigung thematisiert. Weitere Themen, die in diesem Modul besprochen werden sind Fertigungsvorbereitung , technische Zeichnungen , Messen-Anreißen-Prüfen , Instruktionen versus technische Experimente und schließlich die Bewertung . Die Mehrfachfertigung – Industrielle Fertigung : In diesem Modul geht es um die Mehrfachfertigung des in Modul 1 entwickelten Tic-Tac-Toe-Spiels. Wichtige Begriffe und Themen, die in diesem Modul außerdem behandelt werden, sind Fertigungsarten , inhaltliche Kontexte im Fächerverbund , Kosten- und Bedarfsanalyse , Planung von Arbeitsschritten , Vorrichtungen und Schablonen sowie Vor- und Nachteile der Automatisierung . Konstruieren mit CAD-Software – Digitale Fertigung : Das dritte Modul beschäftigt sich vor allem mit dem Konstruieren mittels CAD-Software und außerdem damit, wie digitale Medien in der Fertigung eingesetzt werden. Zudem erhalten Lehrkräfte Hinweise für didaktische Einsatzmöglichkeiten einer CAD-Software und eine Einführung in die browserbasierte CAD-Software TinkerCAD. Sie erlernen Basics im Umgang mit TinkerCAD und lernen praktische Übungen für die Schule kennen. Rechnergesteuerte Fertigung – Industrie 4.0 : Zentrales Thema diese Moduls sind digitalgestützte Fertigungssysteme. Außerdem erhalten die Lehrkräfte eine kleine Einführung in den 3D-Druck sowie Beispiele für Auswahlkriterien eines passenden 3D-Druckers für ihre Projekte. Dabei lernen sie die Grundlagen im Umgang mit 3D-Druckern, bekommen Informationen zur passenden Slicer-Software und erlernen Basics im Umgang mit Slicer-Software. Außerdem werden virtuelle 3D-Modelle aus dem Internet thematisiert. An wen richtet sich die Fortbildungsreihe? Die Fortbildungsreihe mit ihren vier Modulen richtet sich an alle Lehrkräfte, die technische Bildung in unterschiedlichen Kontexten vermitteln – beispielsweise im Rahmen der Junior-Ingenieur-Akademie , im Technikunterricht oder in fachübergreifenden Projekten und AGs – und hierbei mit ihren Schülerinnen und Schülern Werkstücke konstruieren und fertigen. Welche Materialien erhalten Lehrkräfte und wie läuft die Fortbildung ab? Zu jedem Modul können sich die Lehrkräfte ein Video anschauen. Dabei handelt es sich um eine besprochene Präsentation, die alles anschaulich an Beispielen erklärt und zum Download bereitsteht. Das Video gibt zudem Hinweise und Anregungen zur methodischen Gestaltung eigener technischer Projekte. Neben der Präsentation stehen sämtliche – direkt im Unterricht einsetzbare – Materialien zum Download zur Verfügung. Alle Module beinhalten zudem einen gebündelten ZIP-Ordner, in dem alle Dokumente im anpassbaren Word-Format vorliegen, sodass Lehrkräfte die Materialien individuell auf die Bedürfnisse ihrer Lerngruppe anpassen können. Die einzelnen Module bauen inhaltlich und didaktisch aufeinander auf, weshalb eine Bearbeitung durch die Lehrkraft in der festgelegten Reihenfolge zu empfehlen ist. Einzelne Materialien können jedoch auch ungeachtet der Fortbildung direkt im Unterricht eingesetzt werden. Welche weiteren Themen gibt es noch? Einige Themen der technischen Bildung werden begleitend thematisiert, beispielsweise die technikspezifischen Unterrichtsverfahren (Konstruktion, technisches Experiment, Lehrgang). Darüber hinaus erhalten Lehrkräfte Vorlagen und Empfehlungen zur Leistungsbewertung der Projekte und Modelle.

  • Technik / Sache & Technik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II, Berufliche Bildung

Einfache technische Zeichnungen lesen und verstehen

Unterrichtseinheit

In der Unterrichtseinheit "Technische Zeichnungen" erlernen die Schülerinnen und Schüler das praktische und theoretische Wissen und die Fähigkeiten zum Lesen, Verstehen und Anfertigen von technischen Zeichnungen. Auf drei Arbeitsblättern mit Lösungen fertigen die Lernenden händisch und wahlweise mit TinkerCAD Zeichnungen mit der Kavalierperspektive an, zum Beispiel von heimischen Sanitäreinrichtungen. Das Material wird durch audio-visuelle Inputs und einem Exkurs in die Zero-Waste-Badezimmer erweitert. In dieser Unterrichtseinheit erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Einblick in das Thema "Einfache technische Zeichnungen lesen und verstehen" und wenden das Wissen praktisch an, indem sie eine Armatur aus dem heimischen Badezimmer technisch mithilfe der Kavalierperspektive zeichnen. In einer freiwilligen Exkurs- und Sprintaufgabe können sie zudem mittels der kostenlosen (Desktop-)App Elements ein eigenes Zero-Waste -Bad nachhaltig und barrierefrei per digitalem 3D-Bauplan gestalten. Das Material enthält drei Arbeitsblätter und gliedert sich in drei bis vier Einzelstunden. Ideal eignet sich diese Unterrichtseinheit als Auftakt für eine eigene Projektplanung im schulischen Kontext. Durch Arbeitsblätter, Zeichenaufträge sowie lockere Gesprächsanlässe erarbeiten sich die Lernenden ein Grundwissen im Bereich technischer Zeichnungen. Das Thema der Arbeitsvorbereitung nimmt eine besondere Rolle ein, da die Zeichnungen mit der Hand und nicht per Computer angefertigt werden. Da die meisten technischen Zeichnungen heute aber digital erfolgen, kann aufbauend auf die Übungen dieser Unterrichtseinheit zum Beispiel mit TinkerCAD gearbeitet werden (eine Fortbildung dazu finden Sie hier ). Darüber hinaus lernen die Schülerinnen und Schüler mit Hilfe anwendungsnaher Aufgabenstellungen und typischer Sachprobleme verschiedene Aufgabengebiete im Bereich der Anfertigung eines Werkstückes kennen und erhalten so einen realitätsnahen Einblick in einen möglichen Alltag. Einen Einblick erhalten die Schülerinnen und Schüler auch in eine sich aufgrund des technischen Fortschritts wandelnde Arbeitswelt, in der "alte" Berufe neu aufgestellt und benannt werden müssen, um sich an die Gegenwart anzupassen. So wurde der Ausbildungsberuf "Technische/-r Zeichner/-in" und "Technischer Produktdesigner/-in" 2011 neu ausgerichtet und spezifiziert zu "Technische/-r Systemplaner/-in" und "Technische/-r Produktdesigner/-in" mit verschiedenen Fachausrichtungen. Das Interesse der Schülerinnen und Schüler kann hinsichtlich dieses Berufszweigs dadurch geweckt werden. Zudem bietet sich an dieser Stelle ein fächerübergreifender Unterricht mit dem Fach Wirtschaft an, in dem Wandlungsprozesse der Arbeitswelt aufgrund digitaler Transformationen thematisiert werden. Anhand der vielfältigen Aufgabenstellungen wird deutlich, welche Fähigkeiten und Kenntnisse in diesem Berufsfeld gefragt sind, sodass eine realistische Einschätzung hinsichtlich der eigenen beruflichen Eignung möglich ist. Die Unterrichtseinheit kann auch im Rahmen der Berufsorientierung und Berufsvorbereitung genutzt werden. Sie findet idealerweise in den Fächern Kunst und Werken ab der achten Klasse an Haupt-, Real- und Gesamtschulen Anwendung, ist aber auch für den fächerübergreifenden Unterricht geeignet. Die Einheit kann ebenso in der zehnten Klasse an Gymnasien eingesetzt werden. Diese Unterrichtseinheit kann fächerübergreifend und im Rahmen einer Projektplanung genutzt werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Schülerinnen und Schüler bereits Vorerfahrungen mit der Betrachtung dreidimensionaler technischer Zeichnungen mitbringen, um in Folge eigene Zeichnungen anfertigen zu können. Vorkenntnisse sind aber nicht notwendig. Die Arbeitsblätter liefern wichtige Zusatzinformationen, um die Aufgaben zu bearbeiten. Die erste Stunde dient dazu, einen ersten Einblick in einfache technische Zeichnungen zu erhalten. In den folgenden Unterrichtsstunden wird die Thematik vertieft, indem eigene technische Zeichnungen mit der Hand und Zeichenhilfsmitteln angefertigt werden. Es bietet sich an, im Anschluss an die Einheit einen Betrieb zu besichtigen, in dem technische Zeichnungen am Computer angefertigt werden. Für die Zielsetzung des Unterrichts bietet sich eine Kombination aus gelenktem Unterrichtsgespräch, problemorientiertem Unterricht und kooperativem Lernen an. Besonderes Augenmerk wird auf das Prinzip der Praxisnähe gelegt. Das Material ist authentisch und erlaubt dadurch einen realistischen und praxisnahen Einblick. Durch die Ergebnissicherung am Ende der Stunden werden die Schülerinnen und Schüler angeregt, über ihre jobtechnische Zukunft nachzudenken, sich aktiv mit dem Thema auseinanderzusetzen und eine eigene Meinung zu bilden. Der Unterricht kann außerdem als kommunikationsfördernd verstanden werden. Am Ende der Unterrichtseinheit haben die Schülerinnen und Schüler ihre erlernten Kenntnisse bei der Lösung komplexerer Aufgaben verfestigt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler setzen zentrale Schritte in der Anfertigung von technischen Zeichnungen um. benennen Berufsbilder im Bereich des technischen Zeichnens. zeichnen mithilfe der Kavalierperspektive ein Sanitär-Werkstück nach und skizzieren ein barrierefreies Zero-Waste -Badezimmer. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können einem Text und grafischen Abbildungen benötigte Informationen entnehmen. können nach Informationen und mit Hilfsmitteln technische Zeichnungen anfertigen. kontrollieren Ergebnisse eigenverantwortlich an der Kontrollstation. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwickeln ein Bewusstsein für individuelle Stärken und Schwächen. arbeiten sowohl autonom als auch kooperativ. lernen die Wertschätzung einer technischen Handzeichnung kennen.

  • Technik
  • Sekundarstufe I

Technische Entdeckungen im Homeschooling – die Schublade

Kopiervorlage

In diesem Arbeitsmaterial untersuchen die Schülerinnen und Schüler Schubladen hinsichtlich ihres Aufbaus und der Funktionalität als Aufbewahrungselement. Die Erkenntnisse der Analyse bilden die Grundlage für die Planung, Entwicklung und schließlich für die Fertigung einer eigenen Schublade. Dieses Material eignet sich jenseits des Präsenzunterrichts auch für selbstständiges Arbeiten im Homeschooling. Es wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt. Schubladen sind Gegenstände des täglichen Gebrauchs. Der Aufbau und die Funktionsweise von Schubladen werden allerdings nur selten thematisiert. In diesem Arbeitsmaterial suchen die Schülerinnen und Schüler zunächst mehrere Schubladen zu Hause und analysieren zwei Schubladen hinsichtlich ihres Materials, Aufbaus, ihrer Funktion, Maße und technischen Besonderheiten. Diese Erkenntnisse bilden das Fundament für die Konstruktion einer eigenen Schublade, die zum Beispiel für den eigenen Schreibtisch verwendet werden kann. Dabei ist den Lernenden die Materialauswahl freigestellt . Im weiteren Verlauf fertigen die Schülerinnen und Schüler eine Mindmap an, in der sie wichtige Kriterien zur Fertigung einer eigenen Schublade notieren. Eine Skizze wird als Fertigungsgrundlage erstellt. Sind die entsprechenden Kenntnisse vorhanden, können die Lernenden die Skizze auch mit einem CAD-Programm erstellen. Es folgt die Fertigung der Schublade mithilfe von zu Hause vorhandenen Materialien und Werkzeugen (Karton, Pappe, Sperrholz, Kunststoff, ...). Nach einiger Zeit des Gebrauchs wird die eigens erstellte Schublade hinsichtlich ihrer Funktionalität und weiterer Kriterien bewertet. Daraufhin ziehen die Schülerinnen und Schüler Schlussfolgerungen für mögliche Optimierungen und Verbesserungen. Ziel ist es, dass sie zu den inhaltlichen Bausteinen eine Dokumentation und/oder Präsentation anfertigen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren und verstehen den Aufbau und die Konstruktion von Schubladen. konstruieren und fertigen eine geeignete Schublade. bewerten und optimieren ihre eigenen Produkte. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler konstruieren und fertigen mit verschiedenen Materialien und Werkzeugen. nutzen digitale Medien zur Informationsgewinnung und -verarbeitung. nutzen bei Bedarf ein digitales CAD-Programm. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten selbstständig oder arbeitsteilig.

  • Physik / Technik
  • Sekundarstufe I

Atomphysik – Kernumwandlungen

Unterrichtseinheit

Mithilfe von interaktiven Arbeitsblättern und Animationen setzen sich Schülerinnen und Schüler mit dem Lernbereich "Kernumwandlungen – Nutzen und Gefahren" in Einzel- oder Partnerarbeit auseinander.Beim Einstieg in die Thematik wird auf die Entwicklung der wichtigsten Atommodelle eingegangen. Die Bildung von Ionen und Isotopen spielt dabei als Grundlage für die folgenden Themen eine wichtige Rolle. Den zweiten Schwerpunkt bilden der Spontanzerfall und die Freisetzung von radioaktiver Strahlung. Die künstlichen Kernumwandlungen werden mittels Computeranimationen erklärt. Zum Abschluss werden Kenntnisse zur gesteuerten und ungesteuerten Kettenreaktion vermittelt. Dieser Zusammenhang kann ebenfalls in Form von Computeranimationen veranschaulicht und interaktiv bearbeitet werden. Einsatz im Unterricht Der Einsatz der Sammlung von interaktiven Übungen und 3D-Animationen zur Atomphysik sollte unterrichtsbegleitend erfolgen. Nach der Behandlung des jeweiligen Themas im Unterricht (Arbeitsblätter als Word-Dokumente im Download-Paket "atomphysik_materialien.zip") können Übungsphasen im Computerkabinett den Unterricht lebendiger gestalten und zur Binnendifferenzierung genutzt werden. Die Verwendung der 3D-Animationen soll dabei die Anschaulichkeit erhöhen und die Visualisierung der Aufgabenstellung gerade bei den "unsichtbaren" Sachverhalten im submikroskopischen Bereich vereinfachen. Hinweise zur Nutzung der interaktiven Arbeitsblätter In der Klassenstufe 9 hat sich der Einsatz des Beamers bewährt, wenn die Schülerinnen und Schüler die Arbeit mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt waren. Für die Eingaben in die Formularfelder der interaktiven Übungen sollte ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Schreibweise erfolgen. Dies führt zu erhöhter Konzentration und weniger Frusterlebnissen, wenn Fragen inhaltlich richtig, aber infolge falscher Rechtschreibung als falsch beantwortet wurden. Auch Partnerarbeit von Lernenden mit guten Deutschkenntnissen zusammen mit Schülerinnen und Schülern, welchen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), ist hier gut möglich. Technische Hinweise Um die 3D-Modelle öffnen zu können, ist ein VRML-Plugin nötig. Alle animierten GIFs und interaktiven 3D-Animationen der verwendeten Übungen wurden vom Autor der Unterrichtseinheit mithilfe des 3D-CAD-Programmes FluxStudio erzeugt. Dieses Programm ist für die pädagogische Arbeit als Freeware verfügbar.Die Schülerinnen und Schüler sollen Atommodelle kennen. die alpha-, beta und gamma-Strahlung kennen. künstliche Kernumwandlungen kennen. das Aufstellen von Zerfallsgleichungen beherrschen. erkennen, dass der Unterschied zwischen gesteuerter und ungesteuerter Kettenreaktion für die Nutzung der Kernenergie immens wichtig ist.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I

Programmieren mit dem Arduino

Unterrichtseinheit

Diese Unterrichtsreihe stellt Berufsschulen Materialien zur Verfügung, die eine Einführung in die Mikrocontroller-Programmierung am Beispiel des Arduino ermöglichen. Dabei kann gänzlich auf Hardware verzichtet werden, denn die Simulation bietet eine vollständige und leicht bedienbare Virtualisierung. Der Beitrag entstand im Rahmen des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Projekts "Berufsschule digital". Der Arduino ist ein Mikrocontroller und Open Source-Projekt von Massimo Banzai und David Cuartielles aus dem Jahr 2005. Hard- und Software sind im Internet unter einer Creative-Commons-Lizenz frei verfügbar. Ein Mikrocontroller besteht aus einem Prozessor und verschiedenen Peripherie-Elementen. In vielen Haushaltsgeräten oder Maschinen werden Mikrocontroller für zahlreiche Aufgaben eingesetzt. So findet man diese in Waschmaschinen, Fernsehgeräten, Fernbedienungen, Druckern, aber auch in Fahrzeugen, zum Beispiel für die Steuerung von Fensterhebern, Airbags oder Klimaanlagen. Dieses Unterrichtsmaterial für die Berufsschulfächer Elektrotechnik und Metalltechnik umfasst eine Einführung für die Lehrkraft sowie die Schülerinnen und Schüler in Form einer PowerPoint-Präsentation. Vorbereitet sind sieben Unterrichtseinheiten , für die lediglich pro Schülerin oder Schüler ein Computer mit Internetverbindung benötigt wird. Die Programmier-Aufgaben lassen sich komplett am Bildschirm bearbeiten. Die Unterrichtseinheiten orientieren sich an einem Pkw, der mit Sensoren und Programmen in seinen Funktionen erweitert wird , zum Beispiel durch ein automatisches Abblendlicht, einen Parksensor und eine automatische Abstandsregelung. Vorkenntnisse Die Lernenden benötigen keine Vorkenntnisse in Programmierung. Sie sollten aber über grundlegende Computerkenntnisse verfügen. Didaktische Analyse Das Thema Programmieren ist generell von Relevanz für alle Schülerinnen und Schüler, denn die Digitalisierung bringt immer mehr Automatisierung und Künstliche Intelligenz (KI) in den Alltag der Menschen. Die Schülerinnen und Schüler von heute sollten im Hinblick auf ihre Zukunft grundlegende Zusammenhänge der Programmierung kennen, um die Möglichkeiten aber auch Beschränkungen von Software zu erfassen. Heutiges Programmieren findet kaum noch auf einem leeren Blatt Papier statt. Programmcode wird heute aus dem Internet geladen, analysiert, wiederverwendet und abgeändert. Wichtig ist es, wiederverwendeten Programmcode vollständig verstanden zu haben, um ihn für eigene Projekte zu benutzen. Die Lehrkraft sollte die Schülerinnen und Schüler zu dieser Vorgehensweise anhalten. Mithilfe einer detaillierten Kommentierung des Programmcodes kann sichergestellt werden, dass bei den Lernenden das notwendige Verständnis vorhanden ist. Methodische Analyse Die Lerneinheiten sowie die Lösungen sind auf tinkercad.com vorbereitet und werden auch dort von den Lernenden bearbeitet. Die Lehrkraft kann die Schülerinnen und Schüler bei TinkerCAD als Klasse einladen oder Einzel-Accounts durch die Schülerinnen und Schüler erstellen lassen, die dann auch zuhause genutzt werden können. Weiterhin ist es möglich, die Aufgaben mit realen Bauteilen und Mikrocontrollern zu bearbeiten, weil sowohl Programmier-Code als auch Hardware identisch in der Simulation abgebildet werden. Entsprechende Hardware-Sets sind kostengünstig frei erhältlich. Für Schülerinnen und Schüler mit Vorkenntnissen enthält jede Unterrichtseinheit eine Aufgabe für "Profis". Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen grundlegende Programmier-Techniken kennen. lernen einen Mikrocontroller (Arduino) kennen. nutzen eine Virtualisierung für Programmierzwecke (tinkercad.com). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge für die Lösung alltäglicher Aufgaben mithilfe von Elektronik. erkennen Algorithmen und ändern diese für die Lösung der Aufgaben ab. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen selbstorganisiert mit vorbereitetem Material. unterstützen sich gegebenenfalls in Partnerarbeit bei der Lösung der Aufgaben.

  • Informationstechnik
  • Berufliche Bildung, Sekundarstufe II

Hydraulik

Unterrichtseinheit

Mithilfe von Animationen und interaktiven Arbeitsblättern setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Lernbereich „Druck und seine Wirkungen“ auseinander. Auch der Bereich „Physik an Kraftfahrzeugen“ wird teilweise abgedeckt.Zuerst wird die Entstehung des Kolbendrucks anhand des Teilchenmodells der Körper erklärt. Bei der Modellbildung spielt der Unterschied zwischen den Teilchen eines Gases und einer Flüssigkeit die entscheidende Rolle. Es folgen interaktive Übungen zu Druck, Fläche und Kraft. Den zweiten Schwerpunkt bilden Übungsaufgaben an verschiedenen hydraulischen Anlagen. Aufbau und Funktionsweise werden hierbei mittels Computeranimationen erklärt (interaktive VRML-Dateien, für ?Plugin-Muffel? auch animierte GIFs und Flash-Dateien). Zum Schluss werden Anwendungen an der hydraulischen Bremsanlage von Personenkraftwagen behandelt. Dabei kann dieser Zusammenhang ebenfalls als Computeranimationen veranschaulicht und interaktiv gestaltet werden. Einsatz im Unterricht Der Einsatz der Sammlung von interaktiven Übungen und 3D-Animationen zur Hydraulik sollte unterrichtsbegleitend erfolgen. Nach der Behandlung des jeweiligen Themas im Unterricht (Arbeitsblätter als Word-Dokumente im Download-Paket "hydraulik_materialien.zip") können Übungsphasen im Computerkabinett den Unterricht lebendiger gestalten und zur Binnendifferenzierung genutzt werden. Die Verwendung der 3D-Animationen soll dabei die Anschaulichkeit und somit das Verständnis erhöhen und durch die Visualisierung der gewählten Aufgabenstellung die Motivation steigern. Hinweise zur Nutzung der interaktiven Arbeitsblätter Wenn die Schülerinnen und Schüler die Arbeit mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt sind, hat sich der Einsatz des Beamers bei der Einführung bewährt. Ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Schreibweise und der korrekten Anwendung der Rundungsregeln führt zu erhöhter Konzentration und weniger Frusterlebnissen, wenn Fragen inhaltlich richtig aber mit fehlerhafter Rechtschreibung beziehungsweise falscher Rundung beantwortet wurden. Auch Partnerarbeit von Lernenden mit guten Deutschkenntnissen zusammen mit Schülerinnen und Schülern, welchen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), ist hier gut möglich. Hilfen Im Hilfeteil der Materialien ("p6" im linken Menü) werden noch einmal alle zur Bearbeitung der Aufgaben notwendigen fachlichen Informationen in Form von Links zu Online-Nachschlagewerken angeboten. Ein interaktives Kreuzworträtsel dient der Binnendifferenzierung. Hier finden Sie auch die Möglichkeit zum Plugin-Download sowie eine kurze Bedienungsanleitung. Technische Hinweise Um die 3D-Modelle öffnen zu können, ist ein VRML-Plugin nötig. Alle animierten GIFs und interaktiven 3D-Animationen der verwendeten Übungen wurden vom Autor der Unterrichtseinheit mithilfe des 3D-CAD-Programmes FluxStudio erzeugt. Dieses Programm ist für die pädagogische Arbeit als Freeware verfügbar (~ ~http://www.sn.schule.de/~ms16l/virtuelle_schule/Projektwoche_2008/index_projekt.htm~~).Die Schülerinnen und Schüler sollen Einblick gewinnen in Arten des Drucks. den Druck eingeschlossener Gase als Folge der Teilchenbewegung kennen. den Einfluss von Kraft und Fläche beherrschen. Möglichkeiten der Änderung des Druckes anwenden. die Funktion hydraulischer Bremsen beschreiben können. Einblick in die Funktion von Bremskraftverstärkern bekommen.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I

Die Fertigungsaufgabe – handwerkliche Fertigung

Kopiervorlage / Video

Dieses Arbeitsmaterial ist der erste Teil der Online-Fortbildungsreihe "Von der handwerklichen Einzelfertigung zur Industrie 4.0". Sie richtet sich an Lehrkräfte, die technische Projekte von der handwerklichen bis hin zur rechnergestützten Fertigung mittels CAD und 3D-Druck gestalten wollen. Das Material wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt.Der erste Teil der Fortbildungsreihe beschäftigt sich mit der handwerklichen Fertigung. Darin werden die Ziele der Fertigung in der Schule vermittelt und präsentiert. Außerdem werden folgende Themen behandelt: Fertigungsvorbereitung Technische Zeichnungen Messen – Anreißen – Prüfen Instruktionen versus technische Experimente Empfehlungen zur Bewertung der Ergebnisse Die Fortbildung richtet sich an alle Lehrkräfte, die technische Bildung in unterschiedlichen Kontexten vermitteln – beispielsweise im Technik-Unterricht, in AGs oder in fächerübergreifenden Projekten – und hierbei mit Schülerinnen und Schüler Werkstücke konstruieren und fertigen. Alle vier Module der Fortbildung stehen als Video bereit. In den Videos erhalten Sie Anregungen und Hinweise zur methodischen Gestaltung eigener technischer Projekte. Ergänzend dazu erhalten Sie Arbeitsmaterialien (inklusive der Fortbildungspräsentation), die zum Teil direkt im Unterricht eingesetzt werden oder an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden können. Neben der handwerklichen Fertigung beschäftigen sich die anderen Module mit der industriellen Fertigung , der digitalen Fertigung und schließlich mit der rechnergesteuerten Fertigung rund um das Thema " Industrie 4.0 ". Der Beitrag Von der handwerklichen Einzelfertigung zur Industrie 4.0 – Online-Fortbildung für Lehrkräfte gibt einen Überblick über die Inhalte und Themen der gesamten Online-Fortbildungsreihe.

  • Technik / Sache & Technik
  • Sekundarstufe I
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