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. 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.

Die Schülerinnen und Schüler lernen Erik und Tina kennen und entdecken mit ihnen gemeinsam typische Arbeitsaufgaben eines Elektronikers und einer Elektronikerin. Dabei setzen sie sich auch spielerisch und entdeckend mit aktuellen Fragen zu erneuerbaren Energien und Nachhaltigkeit auseinander. Das Unterrichtsmaterial vermittelt Schülerinnen und Schülern mithilfe der Figuren Erik und Tina grundlegendes Wissen zu den Aufgaben, dem Arbeitsalltag und den Arbeitsmitteln von Elektroniker/-innen. Dabei geht es auch um die Themen Elektromobilität und Energiegewinnung. Einen Schwerpunkt bildet hier auch die altersgerechte Auseinandersetzung mit erneuerbaren Energien. Neben Erik und Tina als Identifikationsfiguren sorgen Lückentexte, Bildergeschichten, Zuordnungsaufgaben oder ein Memory für die spielerische und zugleich handlungsorientierte Auseinandersetzung. Durch wechselnde Sozialformen wird darüber hinaus der Kompetenzaufbau gefördert. Die vorliegende Unterrichtseinheit "Energie mit Erik und Tina entdecken" richtet sich an Schülerinnen und Schüler der Grundschule, insbesondere an die Klassenstufen 3 und 4. Sie baut auf der Unterrichtseinheit "Erik und Tina, die Elektroniker" auf, kann aber auch unabhängig von dieser genutzt werden. Die Lernenden erarbeiten sich grundlegende Informationen zum Beruf des Elektronikers/der Elektronikerin. Als Identifikationsfiguren dienen Erik und Tina. Mit ihrer Hilfe erfahren die Lernenden, wie der Arbeitsalltag der beiden Elektroniker/-innen aussieht und welche typischen Aufgaben sie haben. Darüber hinaus erfahren die Schülerinnen und Schüler, wie Strom gewonnen wird. Im Mittelpunkt stehen dabei vor allem nachhaltige Möglichkeiten wie Windkraft, Sonnenenergie, Erdwärme, Wasserkraft oder mithilfe einer Wärmepumpe. Auf dieser Grundlage setzen sie sich im gemeinsamen Austausch mit dem Begriff und den Merkmalen "erneuerbare Energie" auseinander. Ziel ist es, dass sie erkennen, dass erneuerbare Energien vor dem Hintergrund des menschlichen Zeithorizonts nahezu unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Verschiedene didaktische Angebote, wie Lückentexte, Bildergeschichten, Zuordnungsaufgaben oder ein Memory ermöglichen den Schülerinnen und Schülern einen abwechslungsreichen und handlungsorientierten Einstieg. Sie können in Einzel- oder Gruppenarbeit, aber auch im Plenum bearbeitet werden. Vertiefende Aufgaben dienen der Differenzierung. Lehrplanbezug Die Themen Elektrizität und Energie sind elementare Lehrplanbestandteile des Unterrichts in der Grundschule aller deutschen Bundesländer. Hier werden den Kindern erste Grundkenntnisse im Fach Sachkunde/Sachunterricht/Heimat- und Sachkunde vermittelt. Diese Vorgaben greift die Unterrichtseinheit auf. Sie vermittelt sowohl Sachinformationen regt aber auch zum handlungsorientierten, entdeckenden Lernen an und fördert durch Diskussionsanregungen die Reflexionsfähigkeit. Einsatzmöglichkeiten Ganz gleich, ob Präsenzunterricht oder hybrides Lernen: "Energie mit Erik und Tina entdecken" eignet sich besonders für den Sachkundeunterricht. In Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Zeit können sowohl einzelne Aspekte der Unterrichtseinheit als auch alle Themen der Unterrichtseinheit behandelt werden. Darüber hinaus bieten auch Projektwochen Einsatzmöglichkeiten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen, wie Strom entsteht und wie man sich sicher im Umgang mit Strom verhält. kennen Möglichkeiten der nachhaltigen Stromgewinnung diskutieren Vorteile einer Stromgewinnung mithilfe erneuerbarer Energien. erfahren, dass Haushalte nicht nur Strom konsumieren, sondern auch selbst produzieren können. tragen zusammen, wie man sich bei einem Stromausfall verhält. erkennen, dass Menschen unterschiedliche Fähigkeiten und Interessen haben. lernen den Beruf des Elektronikers/der Elektronikerin kennen. erkennen, dass auch Mädchen eine Ausbildung als Elektronikerin ergreifen und in diesem Beruf arbeiten können. setzen sich altersangemessen mit dem Arbeitsalltag und den typischen Aufgaben von Elektroniker/-innen auseinander. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren Texte zielgerichtet entsprechend einer Aufgabenstellung. lernen, Medien zur Informationsbeschaffung zu nutzen. üben sich darin, wichtige von unwichtigen Informationen zu unterscheiden und wichtige Inhalte aus einem Medienbeitrag zu extrahieren. erkennen die Interdependenz von Bild- und Textinformationen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- beziehungsweise Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Personen. lernen das strukturierte Erfassen von Informationen aus Sachtexten. lernen Diskussionen argumentativ und rational zu führen. schulen im Rahmen von Diskussionen die eigene Ausdrucksfähigkeit und aktives Zuhören. stärken ihr Gemeinschaftsgefühl in der Klasse.

Die Schülerinnen und Schüler bauen und installieren in dieser Unterrichtseinheit selbst ein Elektronik-Gadget und wenden so Kenntnisse zum Thema Elektronik im Zusammenhang mit intelligenter Gebäudetechnik praktisch an. Mithilfe dieser Unterrichtseinheit bauen und installieren Schülerinnen und Schüler selbst einen per Fernbedienung steuerbaren LED-Stripe. So lernen sie praktisch durch eigenes Tun die Kennzeichen und Merkmale intelligenter Gebäudetechnik und deren Einsatzmöglichkeiten kennen. Digitalisierung und Technologie bestimmen zunehmend den Alltag: So wie es heute selbstverständlich ist, mobil das Wetter zu checken, wird es mehr und mehr zur Normalität, Heizung, Beleuchtung oder Sicherheitsfunktionen automatisiert per App zu steuern. Das Internet of Things (IoT) ist auf dem Vormarsch. Doch wie funktionieren smarte Anwendungen? Wie spielen Technik und Technologie zusammen? Und kann man einfache "smarte", elektronische Gadgets selbst bauen? Hier setzt die vorliegende Unterrichtseinheit an. Ziel der Unterrichtseinheit Die Unterrichtseinheit "Ein smartes Elektronik-Gadet bauen" ermöglicht Schülerinnen und Schülern einen handlungsorientierten Zugang zu den Themen Smart Home sowie Internet of Things (IoT). Aufbauend auf dem Video " Elektroniker-Azubis: Woran denken sie bei Smart Home? " tragen sie zusammen, was sie mit dem Begriff "Smart Home" verbinden. Dabei haben sie sowohl die Aussagen der Personen aus dem Video als auch ihre eigenen Assoziationen im Blick. Seitens der Lehrkraft ist darauf zu achten, dass neben dem Mehrwert und den Vorteilen auch kritische Aspekte thematisiert werden. Exemplarisch dafür stehen dafür die Themen Datenschutz/Datensicherheit und Abhängigkeit gegenüber Technik. Anschließend testen die Lernenden mithilfe eines Kreuzworträtsels ihr Wissen zu grundlegenden physikalischen Fachbegriffen. Der Bau und die Installation eines LED-Stripes bildet den Kern der Unterrichtseinheit. Als Hilfe und Unterstützung dient den Lernenden dabei die Anleitung auf dem Arbeitsblatt "Bauanleitung RGB-Stripe". Ihren gebauten und installierten RGB-Stripe dokumentieren die Lernenden in einem Handyfoto oder Handyclip und posten dies unter den Hashtags #ezubis, #installation, #diy #smarthomeInstallation auf Instagram. Abschließend tragen sie weitere "smarte" elektronische Gadgets zusammen, die leicht nachgebaut werden können. Dabei haben sie sowohl ihr eigenes Zuhause als auch die Schule im Blick. Zur Inspiration schauen sie sich die E-Zubi E-Hacks auf YouTube an. Einsatzmöglichkeiten Die Unterrichtseinheit ist für die Klassenstufen 8 bis 10 geeignet. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den Fächern Technik, Arbeitslehre und Physik. Aufgrund des Schwerpunktes, der im Bau und der Installation liegt, eignet sich die Unterrichtseinheit auch für den fachübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht im Rahmen einer Projektwoche. Thematisch verwandte Unterrichtseinheiten aus dem Dossier Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits über grundlegendes Wissen rund um die Themen Smart Home und Smart Building verfügen. Diese umfasst Wissen um die Merkmale und Funktionen eines Smart Homes, die Vorteile aber auch Vorbehalte gegenüber intelligenter und vernetzter Gebäudetechnik. Hierzu kann die Unterrichtseinheit "Smart Home: Smart leben, lernen und arbeiten in Gegenwart und Zukunft" mit seinen Materialien genutzt werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, was ein Smart Home ist und können es mit eigenen Worten beschreiben. wiederholen und festigen physikalische Grundbegriffe. bauen selbst ein Elektronik-Gadget und wenden so Kenntnisse zum Thema Elektronik im Zusammenhang mit intelligenter Gebäudetechnik praktisch an. erarbeiten Ideen für weitere Elektronik-Gadgets und diskutieren Möglichkeiten ihres Einsatzes in Schule und privatem Umfeld. reflektieren die Vorteile und Vorbehalten von intelligenter und vernetzter Gebäudetechnik. erkennen die Bedeutung von Smart Homes vor dem Hintergrund einer effektiven Energienutzung, zur Steigerung der Sicherheit, der Wohn-, Arbeits- und Lebensqualität. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen, Medien bei der Produktion im Rahmen der Umsetzung des Bauprojektes handlungsorientiert zu nutzen. trainieren Anleitungen zu lesen und diese bei der Umsetzung eines Projektes zu befolgen. üben sich darin, wichtige von unwichtigen Informationen zu unterscheiden und wichtige Inhalte aus einem Medienbeitrag zu extrahieren. nutzen soziale Medien zur Dokumentation ihrer Ergebnisse. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- beziehungsweise Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Menschen. lernen das strukturierte Erfassen von Informationen. üben sich darin, bei inhaltlicher Kritik sachlich zu argumentieren.

In dieser Unterrichtseinheit erkunden die Lernenden die faszinierende Welt der Quantenphysik und erfahren, dass der Zufall eine zentrale Rolle spielt. Anhand des Doppelspaltexperiments mit Elektronen wird erläutert, wie sich das Verhalten von Quantenobjekten nur noch durch Wahrscheinlichkeiten vorhersagen lässt und wie dies die klassische Physik revolutioniert hat. Die Lernenden sollen die Gesetzmäßigkeiten der normierten Wellenfunktion für Quantenobjekte nachvollziehen und Berechnungen hierzu ausführen. Lösungen zu den Übungsaufgaben stehen hierzu bereit. Die Hinführung zu dem durchaus schwierigen, weil unanschaulichen Thema "Wahrscheinlichkeit in der Quantenphysik" führt einmal mehr über den Doppelspaltversuch mit Elektronen . Der Versuch zeigt in großer Eindeutigkeit, wie sich die Elektronen nach dem Durchgang durch den Doppelspalt auf einem Nachweisschirm verteilen. Das aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus entstehende Interferenzmuster legt eine Auslegung an die Wellentheorie nahe. Den Lernenden muss hier allerdings verdeutlicht werden, dass die Wellenartigkeit mit den physikalischen Gesetzmäßigkeiten beispielsweise von Wasserwellen nichts zu tun hat. Vielmehr ordnet man Quantenobjekten eine Wahrscheinlichkeitswelle zu, was aber nichts anderes heißt, als dass man ein Quantenobjekt mit einer berechenbaren Wahrscheinlichkeit an einem bestimmten Ort finden kann. Die Wahrscheinlichkeit in der Quantenphysik Lange Zeit war sich die "Klassische Physik" sicher, dass alle Ereignisse unausweichlichen Gesetzmäßigkeiten folgen müssen – der Zufall wurde ausgeschlossen! Umso größer war die schockierende Wirkung zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als sich in Versuchen zur sich entwickelnden Quantenphysik – wie etwa dem Doppelspalt-Experiment mit Elektronen – der Zufall darin zeigte, dass sich der Ort des Auftreffens eines Elektrons auf einem Nachweisschirm nur mit Wahrscheinlichkeiten angeben ließ. Die daraufhin im Laufe der Jahre entwickelte mathematische Funktion, mit der sich die Welleneigenschaften von Teilchen wie dem Elektron beschreiben lassen, heißt Wellenfunktion . Die Wellenfunktion ist eine weitestgehend abstrakte Formel ohne anschauliche physikalische Bedeutung, weil sie sich nicht direkt beobachten lässt. Mit der Wellenfunktion lässt sich die Wahrscheinlichkeit berechnen, zum Beispiel ein Elektron an einer bestimmten Stelle zu finden. Quantenobjekte sind für die Schülerinnen und Schüler der Sek II physikalisches Neuland. Dies gilt insbesondere deshalb, weil sie versuchen müssen zu verstehen, dass Mikroobjekte wie Photonen oder Elektronen stets Teilchen als auch Wellenphänomene aufweisen – gleichzeitig aber weder das eine noch das andere sind! Alle Berechnungen und Einordnungen beruhen auf den Gesetzmäßigkeiten der Wahrscheinlichkeitsrechnung, die sich an bekannte Gleichungen der klassischen Wellenlehre anlehnen. Das Schwierige dabei ist, dass man den klassischen Wellenbegriff abstrakt sehen muss – die sogenannte Wahrscheinlichkeitswelle hat mit einer Welle nur insofern etwas zu tun, dass man die Verdichtungen und Verdünnungen beim Interferenzbild als Orte wahrnehmen kann, wo Quantenobjekte mit größerer oder kleinerer Wahrscheinlichkeit gefunden werden können. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden sind in der Sek II in Form der Wellengleichungen aus der Mechanik und der Elektrodynamik bekannt. Die komplexe Thematik bei der Bestimmung von Wahrscheinlichkeiten bei Quantenobjekten werden zahlreiche Fragen an die Lehrkräfte zur Folge haben. Der schwierige Stoff wird vor allem in Kursen der Sek II zum Einsatz kommen, die von Schülerinnen und Schülern mit guten mathematischen Kenntnissen ausgewählt werden. Didaktische Analyse Das Thema "Wahrscheinlichkeit in der Quantenphysik" sollte die Lernenden dahingehend sensibilisieren, sich für schwierige Themen zu interessieren, die bereits jetzt, aber auch in Zukunft den technischen Fortschritt dominieren werden. Methodische Analyse Mit der Wahrscheinlichkeit in der Quantenphysik werden die Lernenden mit einem im Detail sehr schwierigen Stoff in der Sek II konfrontiert. Deshalb sollte man bei der Vermittlung des Stoffes darauf achten, dass die Fakten mithilfe von anschaulichen Abbildungen, Animationen, entsprechenden Videos und ergänzenden Übungsaufgaben so präsentiert werden, dass die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten verstanden werden können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass das Verhalten von Quantenobjekten nicht mit den ihnen bisher bekannten Abläufen aus der klassischen Physik beschrieben werden kann. können die Gesetzmäßigkeiten der normierten Wellenfunktion für Quantenobjekte nachvollziehen und Berechnungen ausführen. wissen um die Bedeutung der Quantenphysik für die weitere Forschung und der sich daraus ergebenden technischen Anwendungen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erhalten eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. diskutieren zu können.