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In dieser aktualisierten Unterrichtseinheit befassen sich die Lernenden mit dem Thema erneuerbare Energien. Im Mittelpunkt stehen dabei Photovoltaik und Windkraft. Die Auseinandersetzung mit Ideen und Trends des energieeffizienten Bauens unter Berücksichtigung erneuerbarer Energien rundet die Unterrichtseinheit ab. Neu sind die Materialien zu den Arten und der Funktionsweise von Batteriespeichern sowie Wärmepumpen. Ausgehend von der aktuellen und zukünftigen Bedeutung erneuerbarer Energien für die Stromversorgung sowie den Chancen und Herausforderungen der Energiewende befassen sich die Schülerinnen und Schüler näher mit den Energieformen Batteriespeicher und Wärmepumpen, Windenergie und Photovoltaik. Dabei lernen sie unter anderem die Verbreitung und Funktionsweise der Anlagen kennen. Abschließend befassen sie sich mit den Möglichkeiten, energiesparend zu wohnen. Dabei steht auch das Konzept des vernetzten, smarten Wohnens und Arbeitens im Quartier im Mittelpunkt. Fossile Brenn-, Kraft- und Heizstoffe wie Kohle und Öl sind nicht unbegrenzt vorhanden. Viele davon müssen teuer importiert werden. Zudem belasten sie Umwelt, Klima und Gesundheit. Aus diesem Grund werden erneuerbare Energien immer wichtiger. So ist in der Novelle des Erneuerbaren-Energien-Gesetz von 2017 festgelegt, dass bis zum Jahr 2025 der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch auf 40 bis 45 Prozent steigen und sich bis zum Jahr 2035 auf 55 bis 60 Prozent erhöhen soll. Im Jahr 2050 soll der dann mindestens 80 Prozent betragen. Wissen über die Merkmale erneuerbarer Energieträger, die mit ihrer Nutzung verbundenen Vorteile und Herausforderungen sowie neue Trends für das vernetzte Zusammenleben von Menschen ist deshalb elementar. Umsetzung der Unterrichtseinheit Die aktualisierte Unterrichtseinheit ermöglicht Schülerinnen und Schülern einen fächerübergreifenden Zugang zum Thema erneuerbare Energien. Dazu erschließen sie in einem ersten Schritt die verschiedenen erneuerbaren Energieträger mit ihren Merkmalen und Funktionsweisen. Dabei reflektieren sie auch die mit der Energiewende verbundenen Chancen und Herausforderungen. Darauf aufbauend lernen sie den Aufbau und die Funktionsweise einer Windkraftanlage und einer Photovoltaikanlage näher kennen. Gleichzeitig lernen sie aktuelle Entwicklungen wie den Solarstromspeicher kennen. Abschließend setzen sie sich mit Möglichkeiten energiesparenden Wohnens und Arbeitens unter der Nutzung erneuerbarer Energien auseinander. Dabei geht es neben der Funktionsweise um neue Konzepte wie das des vernetzten, smarten Wohnens und Arbeitens im Quartier. Anhand zwei neuer Arbeitsmaterialien befassen sie sich mit den Arten und der Funktionsweise sowie den Vor- und Nachteilen von Batteriespeichern sowie Wärmepumpen. Ein interaktives Multiple-Choice-Quiz dient der Wiederholung und Festigung des in dieser Unterrichtseinheit erlangten Wissens. Jedes Arbeitsblatt umfasst neben Infotexten, Grafiken und Schaubildern auch Aufgaben zur Bearbeitung. Neu ist, dass die angegebenen Links zu Videoclips, Webseiten oder weiterführenden Materialien über QR-Codes erreichbar sind und so direkt per Smartphone abgerufen werden können. Einsatzmöglichkeiten Die aktualisierte Unterrichtseinheit kann aufgrund ihres Bezuges zu den Lehr- und Bildungsplänen in allen deutschen Bundesländern in der Sekundarstufe II eingesetzt werden. Dabei bilden die Fächer Physik, Geografie, Technik und Sozialkunde den fachlichen Bezugspunkt. Aber auch im fachübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht kann das Material eingesetzt werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, wie sich der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung entwickelt. kennen die wichtigsten nachwachsenden beziehungsweise erneuerbaren Energieträger. kennen den Aufbau und die Funktionsweise einer Windkraftanlage und einer Photovoltaikanlage und können diese mit eigenen Worten beschreiben. wissen, wie ein Solarstromspeicher funktioniert. kennen den Unterschied zwischen On- und Offshore-Windkraft. kennen Konzepte und Möglichkeiten energiesparenden Wohnens und Arbeitens unter der Nutzung erneuerbarer Energien. kennen die Arten und Funktionsweise von Batteriespeichern und Wärmepumpen und können sie mit eigenen Worten verständlich beschreiben. wissen um die Bedeutung eines durchdachten Energiemanagements für eine effektive Verteilung der zur Verfügung stehenden Energie in den eigenen vier Wänden. diskutieren die mit der Energiewende verbundenen Chancen und Herausforderungen. analysieren die Stromrechnung des eigenen Haushalts und erfahren so, aus welchen Quellen der von ihnen genutzte Strom stammt. diskutieren die Auswirkungen der verstärkten Hinwendung zu erneuerbaren Energien für die Bereiche Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt. überlegen und diskutieren, inwieweit neue smarte, vernetzte, intelligente Wohn- und Arbeitskonzepte auch in ihrer eigenen Zukunft infrage kommen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren das selbstständige Erschließen von Themen und Inhalten sowie das Recherchieren im Internet. üben sich im eigenständigen Analysieren und Interpretieren von Grafiken, Schaubildern und Zahlenmaterial. nutzen aktiv verschiedene Medien und erkennen deren Vor- und Nachteile im Rahmen der Informationsaufbereitung. bereiten eigene Ideen und Visionen schriftlich und gestalterisch auf. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- oder Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Personen. lernen, Diskussionen argumentativ und rational zu führen. schulen im Rahmen von Diskussionen und Präsentationen die eigene Ausdrucksfähigkeit und aktives Zuhören. trainieren das kreative Entwickeln und Ausformulieren eigener Ideen.

In diesem Einführungsworkshop erlernen die Schülerinnen und Schüler anhand des Miniroboters Ozobot die Funktionsweise eines Computersystems sowie Grundkenntnisse des Codierens und Programmierens. "Roboter" faszinieren meistens. Das wird zur Motivation für eine Unterrichtseinheit genutzt, die ein Kompetenzbereiche übergreifendes Projekt umfasst. Die Organisation erfolgt als Workshop. Diese Groblernziele werden verfolgt: am anschaulichen Modell – dem Miniroboter Ozobot – grundlegend die Funktionsweise eines Computersystems zu betrachten, das Verhältnis von Menschen und Maschine zu beleuchten, Digitalisierung auf der Altersstufe der Schülerinnen und Schüler verständlich zu machen und auf elementarer Ebene in "Codierung" und "Programmierung" einzuführen. Als weiteres ausdrückliches Ziel wird die Umsetzung von weitgehend selbsterarbeitendem und teambezogenem Lernen angestrebt. Die Unterrichtseinheit ist in drei Blöcke gegliedert. Block 1 ist ein sachinhaltlicher und pädagogischer Vorspann für die Lehrpersonen beziehungsweise Workshopleitenden. Die Blöcke 2 und 3 beschreiben den Unterrichts-/Workshopablauf. Die unterschiedlichen Methoden, Sozialformen und insbesondere Medien stehen teilweise zur Wahl. Davon hängt ab, welche Ausstattung und welche Materialien im Workshop benötigt werden. Insofern stellt das Material keine "schlüsselfertige" Vorlage dar, sondern es muss gegebenenfalls eine zusätzliche Ausstattung hinzugenommen werden. Der Miniroboter als der Lehr- und Lerngegenstand Nahezu alle Schülerinnen und Schüler der Altersstufe haben Zugang zum Smartphone, Tablet oder ähnlichen digitalen Endgeräten und tätigen damit Problemlösungen. Zumeist setzen sie – was zweckdienlich ausreicht – mechanisch angelerntes Bedienerwissen ein. Der Workshop zielt auf verstehendes, systematisches und planvolles Problemlösen . Bewusst wird nicht versucht, das eingeschliffene Anwenden aufzubrechen und auf eine neue Stufe heben zu wollen. Sondern das Vorwissen wird abgeholt und genutzt, der eigentliche Lerninhalt aber über den neuen, sehr anschaulichen und motivierenden Zugang mit dem Miniroboter vermittelt. Das lässt sich bereits auf einfachem Niveau bis zum Verständnis von Algorithmen und elementarer Programmierung führen. Fachübergreifende Fragestellungen lassen sich gut integrieren. Die zugehörigen Materialien sind – dem Workshopverlauf folgend – in drei Blöcke gegliedert, die als PDF-Dateien zum Download zur Verfügung stehen: Block 1 – Einführung für Lehrpersonen/Workshopleitende, Ausstattung, Materialien Block 2 – Einstieg Block 3 – Erarbeitung und Anwendung, mit Ergebnissicherung Vorkenntnisse Von den Schülerinnen und Schüler werden keine konkreten Vorkenntnisse erwartet, sondern zumeist vorhandene und dabei sehr unterschiedliche Vorkenntnisse werden erfasst und sinnvoll integriert. Die Einführung in die Programmierung beginnt von Grund auf. Eine Ausnahme besteht, wenn über Medien Vorwissen erkundet und Quizze zur Lernsicherung genutzt werden. Dann sollten die Schülerinnen und Schüler diese Programme bereits kennen und nutzen können. Didaktische Analyse In Block 1 (Einführung durch Lehrkraft) wird der Inhalt der Unterrichtseinheit unter didaktischem Blickwinkel näher ausgeführt und erläutert. Methodische Analyse Unterrichtsmethoden und Sozialformen werden wie in jedem guten Unterricht zielführend eingesetzt und gewechselt, auch um die Motivation aufrecht zu erhalten. Darüber hinaus haben sie eine inhaltliche Bedeutung. Die starke Fokussierung auf Selbstlernen, das Team und eine Gemeinschaftsarbeit am Ende führt bereits auf eine in der heutigen IT-Berufs- und Arbeitswelt gängige Arbeitsorganisation hin. Sie ist davon geprägt, dass komplexe Vorhaben zerlegt und arbeitsteilig bearbeitet werden, was entsprechend organisiert wird (zum Beispiel in agilen Projekten). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen und verstehen die grundlegende Funktionsweise eines Roboters und kennen Beispiele für die Anwendung von Robotern. können kritisch reflektieren, dass der Robotereinsatz Vorteile bringen und Gefahren bergen kann. wissen, dass sich Digitalisierung und Technik rasant weiterentwickeln und können die Begriffe Automatisierung und Miniaturisierung grundlegend einordnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen im Kern die Funktion eines Algorithmus und können Algorithmus, Programm und Codierung grundlegend unterscheiden. können zu einem einfachen Algorithmus die Befehlsfolge für den Ozobot erstellen und umsetzen/aufmalen (den Ozobot "visuell programmieren"). haben ein planvolles Vorgehen eingeübt, das sie bei ihrem Weiterlernen in anspruchsvollere Programmieraufgaben als Prinzip übernehmen können. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können selbstgesteuert und auch voneinander lernen. sind fähig zu zweit und/oder in kleinen Gruppen zu kommunizieren und zu arbeiten. können gemeinsam durch arbeitsteiliges Vorgehen eine Gesamtaufgabe lösen.

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.

Elektronik-Chips sind aus unserem Alltag kaum noch wegzudenken, in fast jedem Gerät findet man sie inzwischen. Diese Unterrichtsreihe beleuchtet modular die Anfänge und die Entwicklung, erläutert das Mooresche Gesetz und wagt einen Blick in die Zukunft. Das Material kann zur Vorbereitung für den "INVENT a Chip"-Wettbewerb verwendet werden. #inventachip Die Elektronik hat unsere Lebens- und Arbeitswelt grundlegend verändert. Computer, Haushaltsgeräte, Unterhaltungselektronik – überall werden dafür elektronische Schaltungen benötigt. Dabei kommt den Chips (auch ICs genannt) eine Schlüsselfunktion zu. Doch wie hat alles angefangen und sich entwickelt? Und warum entwickeln Firmen immer mehr spezielle Chips, während andererseits die Mikrocontroller ihren Siegeszug fortsetzen? Was beschreibt das Mooresche Gesetz und behält es auch in Zukunft seine Gültigkeit? Dies sind nur einige Fragestellungen, die im ersten Teil dieser Reihe beantwortet werden sollen. Dabei werden die elektronischen Bauteile immer kleiner. Das schont nicht nur die Ressourcen, es macht auch immer leistungsfähigere Chips möglich, die sogar weniger Energie benötigen als ihre Vorgänger. Doch es gibt da auch Grenzen, die die Physik setzt. Später soll es auch um das Design eines Chips auf einem FPGA gehen. Dafür gibt es eine ganz eigene Programmiersprache, die die Hardware beschreibt und nicht die Software. Ein kleiner Schnupperkurs soll erste Einblicke gewähren. Auch die Nachhaltigkeit im Bereich Mikroelektronik wird beleuchtet, denn viele stromsparende Geräte enthalten nicht weniger, sondern mehr Elektronik, die uns beim Einsparen von Wasser, Strom und Rohstoffen hilft. Zuletzt soll noch ein Blick in die Zukunft gewagt werden. Die Verbindung von Mensch und Maschine ist ein Forschungsfeld der Zukunft. Ergänzend zu den modular einsetzbaren Arbeitsblättern finden Sie hier noch interaktive Übungen , um das Gelernte zu festigen und zu vertiefen. Der zweite Teil dieser Unterrichtsreihe erscheint voraussichtlich im März 2023. Das Thema Mikroelektronik ist sowohl in der Alltagswelt als auch in der Schule von erheblicher Bedeutung. Ob im Smartphone, Computer, Tablet, im Fernseher oder der Unterhaltungselektronik – überall ist Mikroelektronik zu finden. Wie diese grundlegend aufgebaut ist und wie sie sich entwickelt haben und sich entwickeln werden, sind spannende Themen. Vorkenntnisse für die Reihe sind nicht erforderlich. Die Arbeitsblätter können im Unterricht auch einzeln und in beliebiger Reihenfolge eingesetzt werden. Die Themen sind an der Alltagswelt der Schülerinnen und Schüler orientiert. Die Neugierde, wie denn das eigene Smartphone oder Tablet aufgebaut ist, lässt sich leicht wecken. Die interaktiven Übungen fragen das erworbene Wissen in spielerischer Weise ab. Besonders interessierte Schülerinnen und Schüler können die weiterführenden Links nutzen. Die Lehrkräfte benötigen keine weitreichende Vorbereitung. Die Themen lassen sich mit den Arbeitsblättern auch selbst erarbeiten. Für die interaktiven Übungen wird ein Internetzugang und ein Internetbrowser benötigt. Die Arbeitsblätter selbst können sowohl digital als auch in Papierform im Unterricht eingesetzt werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen den Unterschied zwischen analog und digital. verstehen, warum unsere Welt immer "digitaler" wird. lernen, was "integrierte Schaltungen" sind. erörtern das Mooresche Gesetz. bekommen einen Einblick in die Leistungsfähigkeit moderner Chips. lernen den Unterschied zwischen ASIC und Mikrocontroller kennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen Videos als Informationsquelle. vertiefen ihr Wissen mit interaktiven Übungen . Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler reflektieren ihre Alltagswelt, die von der Mikroelektronik geprägt wird. recherchieren im eigenen Lebensumfeld. simulieren eine Teamentscheidung in einer fiktiven Firma.