In dieser Unterrichtseinheit werden als zentrale Aufgabe Modelle von Sternbildern mit LEDs entworfen. Ein wesentliches Ziel ist dabei, die Helligkeitsunterschiede der Sterne durch die Variation des nötigen Vorwiderstandes zum Ausdruck zu bringen. Die Unterrichtseinheit wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt.
Beschreibung der Unterrichtseinheit
In dieser Unterrichtseinheit werden Aspekte der Astronomie und technische Fragen miteinander verwoben. Beide Bereiche bieten vielfältige Anknüpfungsmöglichkeiten. Im Vordergrund steht das praktische Arbeiten mit Werkzeugen wie Lötkolben oder Bohrmaschine. Die Planung der Schaltung und die Wahl des Vorwiderstandes sind grundlegende technische Fragestellungen, die hier praktisch erarbeitet werden können. Durch die (einfache) experimentelle Bestimmung des Zusammenhanges zwischen Leuchtkraft und den wahrgenommenen Sternhelligkeiten (Magnituden) und die Umrechnung in die entsprechende Stromstärke sind zudem theoretische Vertiefungsmöglichkeiten gegeben.
Die Schülerinnen und Schüler wählen zunächst ein Sternbild aus und zeichnen es auf eine Holzplatte. An den Sternpositionen bohren sie Löcher für die LEDs (Sacklochbohrung). Sie notieren für jeden Stern seine Helligkeit (Magnitude). Auf der Rückseite gestalten Sie eine einfache (Parallel-)Schaltung, die sie bis auf die Widerstände verlöten und fertigstellen. Die Schülerinnen und Schüler lassen 6 LEDs in gleichmäßigen Helligkeitsabständen von dunkel bis hell leuchten (hier mit Arduino, auch mit Netzgeräten möglich). Es zeigt sich, dass der Zusammenhang nicht linear ist (Weber-Fechner-Gesetz). Die gleichmäßigen Helligkeitsunterschiede entsprechen den astronomischen Magnituden.
Über die eigenen Messungen und die Kennlinie der LED können nun die nötigen Vorwiderstände berechnet werden. Hierbei bietet es sich an, diese Informationen dem Produktdatenblatt der LEDs zu entnehmen und somit ein wichtiges technisches Hilfsmittel kennenzulernen. Man kann bereits nach der Messung und der Feststellung des Weber-Fechner-Gesetzes die gemessenen Werte ohne weitere Interpolation als Musterwerte zur Verfügung stellen oder die Lernenden völlig frei durch Probieren versuchen lassen, Helligkeitsunterschiede zum Ausdruck zu bringen. Nach dem Einlöten der passenden Vorwiderstände ist das Sternbild fertig. Durch vielfältige Vertiefungs- und Vereinfachungsmöglichkeiten ist das Projekt im regulären Unterricht, in Wahlpflichtkursen, AGs und in Projektwochen gut einsetzbar.
Didaktisch-methodischer Kommentar
Der Sternenhimmel übt seit Jahrtausenden eine große Faszination auf die Menschen aus. Auch bei Schülerinnen und Schüler der Gegenwart ist die Astronomie ein Thema, das großes Interesse weckt und damit als sinnstiftender Kontext hervorragend geeignet ist, um viele Lernende zu aktivieren. Das durchschnittliche Interesse ist oft größer als an den klassischen Naturwissenschaften. Zudem knüpft der vorliegende Unterrichtsentwurf an die eigenen Sinneswahrnehmungen an, geht es doch vor allem um optische Phänomene, und zwar um die Helligkeit der Sterne, die man mit dem eigenen Auge wahrnehmen kann.
Der Einbezug sinnlicher Erfahrungen ist ein ähnlich großer Motivationsfaktor. Das Weltall ist indessen aber auch ein Raum, den man über das, was wir sehen, hinaus nur erforschen kann, wenn man Technik verwendet. Vom einfachen Teleskop mit Nachführung über ferngesteuerte Satelliten ist das Spektrum technischer Anwendungen sehr groß. Astrophysik und Ingenieurwissenschaften sind in diesem Bereich eng miteinander verknüpft.
Das vorliegende Kernmodul kann beliebig erweitert werden. Es gibt viele Anknüpfungspunkte, die sich als Ausgangspunkt für Exkurse und Vertiefungen eignen. Im Mittelpunkt steht die Freude am Ausprobieren und Experimentieren, der Spaß am handwerklichen Arbeiten. Daher ist es wünschenswert, dass die Schülerinnen und Schüler möglichst selbstständig löten können und dürfen und genug Geräte zur Verfügung stehen.
Ein zentraler Punkt ist die unterschiedliche Leuchtkraft der Sterne. Das heißt, die LEDs sollen in unterschiedlichen Helligkeiten leuchten. Eine hervorragende Möglichkeit bietet hier der Versuch "Helligkeitsstufen" (AB 5). Die Schülerinnen und Schüler lernen hier den (nicht-linearen) Zusammenhang von Leuchtkraft und wahrgenommener Helligkeit (Weber-Fechner-Gesetz) praktisch kennen, entnehmen dem Produktdatenblatt einer LED die passenden Daten und berechnen daraus den passenden Vorwiderstand. Hier gibt es auch eine (optionale) Möglichkeit, den Arduino einzusetzen. Dieses Vorgehen ist aber vor allem für leistungsstarke Schülerinnen und Schüler als Differenzierung möglich, lässt sich aber auch als Demonstrationsexperiment gemeinsam mit der ganzen Klasse durchführen oder zugunsten einer stärkeren Fokussierung auf die praktische Arbeit ganz streichen. Die Vorwiderstände kann man im Einzelfall konkret vorgeben, durch Probieren herausfinden lassen oder berechnen lassen.
Wenn die Magnituden des jeweiligen Sternbildes sehr nah zusammen liegen, kann es sinnvoll sein, die Helligkeitsunterschiede nicht als echte Magnituden zu verwenden, sondern die Unterschiede etwas hervorzuheben, indem man die 6 Stufen auf einen kleineren Bereich verteilt (zum Beispiel in 0,5er-Schritten). Das entspricht dann nicht mehr der Situation am Himmel, ist aber etwas wirkungsvoller. Dieses Vorgehen ist als Handlungsalternative auf AB 5 hinzugefügt.
Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen Sternbilder und ihre Position am Himmel kennen.
- benutzen Schaltpläne als fachtypische Darstellungen.
- wenden das Ohm'sche Gesetz in einfachen Berechnungen.
- bohren, löten und stellen ein handwerkliches Produkt her.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- nutzen das Internet selbstständig zur Wahl eines Sternbild.
- verwenden Tablets und Computer.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- nehmen Rücksicht auf Mitschülerinnen und Mitschüler.
- präsentieren Ergebnisse adressatengerecht.
