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 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.

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.

Der Ausbau erneuerbarer Energien macht gleichzeitig auch die Weiterentwicklung von Speichertechnologien notwendig, da Stromproduktion und Stromnachfrage im Zeitverlauf schwanken. Gerade beim Thema Erneuerbare Energien spielen Speichertechnologien eine bedeutsame Rolle. Denn häufig ist die Menge der Stromproduktion aus Solar- oder Windkraft nicht genau vorhersehbar und entspricht nicht immer der Nachfrage. Speichertechnologien sind aus diesem wichtig, um überschüssigen Strom (beispielsweise bei starkem Wind) zwischenzuspeichern und in Zeiten höherer Nachfrage in das Netz einzuspeisen. Ohne sie erscheint ein weiterer Ausbau Erneuerbarer Energien kaum denkbar. Ziel dieser Unterrichtseinheit ist es, den Schülerinnen und Schülern zu vermitteln, dass der Ausbau erneuerbarer Energien ebenso eine parallele Weiterentwicklung von Möglichkeiten zur Energiespeicherung erfordert. Die Lernenden sollen im Internet verschiedene Speicherformen und ihre Funktionsweise recherchieren und die Ergebnisse dann im Plenum präsentieren. Energiespeicher in Stromversorgungssystemen Der Text des VDE bietet zusammenfassende Informationen zu verschiedenen Formen von Energiespeichern und kann als Ausgangsbasis für die Internetrecherche dienen. Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen, dass Stromversorgungssysteme mit einem hohen Anteil an regenerativen Energien wie Solar- oder Windkraft aufgrund des schwankenden Angebots Energiespeicher benötigen. im Internet Informationen zu Energiespeichern recherchieren und dabei verschiedene Energieformen unterscheiden (mechanisch, chemisch). in Partner- oder Gruppenarbeit das Funktionsprinzip einzelner Speichertechnologien genauer erarbeiten. ihre Ergebnisse den Mitschülerinnen und Mitschülern in geeigneter Form präsentieren. Thema Energiespeicher in Stromversorgungssystemen Autor Antje Schmidt Fach Physik, Technik Zielgruppe Klasse 8 bis 10 Zeitraum 2-3 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetzugang (im Idealfall ein Computer für 2 Personen) In einem Stromversorgungsnetz muss die erzeugte Leistung zu jeder Zeit dem Bedarf entsprechen. Insbesondere die meisten erneuerbaren Energien (Wind, Sonne, Laufwasser) sind jedoch nicht gleichmäßig verfügbar. Zudem werden keine Vorräte gebildet, und sie sind in ihrer Intensität im Voraus nicht exakt planbar. Daher stellt sich die Herausforderung, wie mit Schwankungen zwischen Stromangebot und -nachfrage umzugehen ist. Erforderlich sind flexible Lösungen, die kurzfristig Ausgleich schaffen können. Geplant ist der Ausbau erneuerbarer Energien bis 2020 auf bis zu 40 % der gesamten Stromerzeugung. Dies kann bei einem Überangebot (zum Beispiel bei Starkwind) dazu führen, dass thermische Kraftwerke zum Ausgleich gedrosselt oder abgeschaltet werden müssen, da erneuerbare Energien als CO 2 -freie Energiequelle Vorrang haben. Wenn solche thermischen Kraftwerke nur im Teillastbetrieb laufen, erhöhen sich der Verschleiß und die Aufwendungen für Wartung und Instandhaltung. Insgesamt sind dadurch steigende Stromerzeugungskosten zu erwarten. Ideal wäre es daher, Speichermöglichkeiten für Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu haben, um den Strom dann abzurufen, wenn er gebraucht wird und Angebotsschwankungen abzufedern. Solche Energiespeicher können einen Überschuss an erzeugter Energie für einige Tage oder Wochen zwischenspeichern. Prinzipiell sind solche Technologien verfügbar, jedoch sind bis zur Marktreife noch hohe Investitionen für Forschung und Entwicklung erforderlich. Im Folgenden werden einige Speichertechnologien vorgestellt. Diese Wasserkraftwerke verbinden zwei Wasserbecken unterschiedlicher Höhe. Ist das Angebot an elektrischer Energie größer als die Nachfrage (in der Regel nachts), kann der Überschuss an Energie genutzt werden, um Wasser aus dem unteren Becken in das obere Becken zu pumpen. Bei Bedarf lässt man das Wasser zurück in das untere Becken fließen und so eine Turbine antreiben. Der mit der Turbine verbundene Motor-Generator kann dann die gespeicherte Energie wieder in Elektrizität wandeln und in das Stromnetz einspeisen. Der Wirkungsgrad liegt derzeit im Bereich 70 bis 80 %, da zum Hochpumpen mehr Energie benötigt wird als beim Herunterfließen des Wassers wieder gewonnen werden kann. Im Vergleich zu anderen Speichertechnologien ist die Leistung deutlich höher und die Generatoren können etwa 4 bis 8 Stunden Strom erzeugen. Pumpspeicher sind jedoch an bestimmte topografische Voraussetzungen gebunden. Abgesehen von den Landschaftseingriffen beim Bau solcher Anlagen sind geeignete Standorte in der Regel zu weit entfernt von Gebieten mit hohem Windpotenzial wie Küstengegenden. Diese auch als CAES-Kraftwerke bezeichneten Energiespeicher (CAES = Compressed Air Energy Storage) arbeiten nach dem Prinzip, ein Luftreservoir in einer unterirdischen Kaverne (meist ein ausgehöhlter Salzstock) zu verdichten. In Spitzenzeiten wird die so gespeicherte Energie zum Antrieb von Gasturbinen genutzt, indem man die komprimierte Luft sich wieder ausdehnen lässt. Eine solche Anlage dient im Wesentlichen zur Netzregelung, da sie zur Abfederung von Spitzenlasten eingesetzt wird. Ein wichtiges Merkmal ist die Fähigkeit, das ein solches Werk schnell gestartet werden kann (innerhalb von Minuten stehen 100 % der Leistung zur Verfügung). Weltweit gibt es derzeit zwei diabate CAES-Anlagen, davon eine in den USA und eine in Deutschland. Die deutsche Anlage in norddeutschen Huntorf hat die Aufgabe, Strom in Schwachlastzeiten vom Kernkraftwerk Unterweser zwischenzuspeichern. Daneben sichert sie die Stromversorgung des Kernkraftwerks im Fall eines Netzzusammenbruchs ab. Druckluftspeicher sind an bestimmte geologische Voraussetzungen gebunden (Salzstöcke), die in Norddeutschland häufig vorkommen. Damit können sie als Speicher für den weiteren Ausbau von Windkraftanlagen in der Nordsee dienen und zukünftig eine größere Bedeutung erlangen. Um elektrische Energie über längere Zeit zu speichern (mehrere Tage bis Wochen), kommen Systeme infrage, die Wasserstoff als Energieträger nutzen. Dazu wird mithilfe von Elektrolyse überschüssige elektrische Energie in Wasserstoff gewandelt, der dann verdichtet und in unterirdischen Kavernen gespeichert werden kann. Somit bieten insbesondere Wasserstoffspeicher die technische Möglichkeit, fluktuierende erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind bei Bedarf auszugleichen. Aufgrund der höheren Energiedichte kann mit Wasserstoff in Kavernen im Vergleich zu Druckluftspeichern die 60-fache Nutz-Energiemenge gespeichert werden. Wasserstoff-Speichersysteme bieten zwei Vorteile: zum einen eignen sie sich für Szenarien, bei denen die Energie relativ selten, das heißt im Schnitt weniger als einmal pro Woche, benötigt wird. Zum anderen muss der Wasserstoff nicht zwingend in elektrische Energie zurückgewandelt werden, sondern es ist auch eine direkte Nutzung des Wasserstoffs etwa als Fahrzeugantrieb (Brennstoffzellen) oder in der industriellen Produktion denkbar. Grob lassen sich elektrochemische Speicher in zwei Gruppen einteilen: mit internem und mit externem Speicher. Zur ersten Gruppe zählen übliche Batterien für tragbare Geräte wie Laptops, Handys oder MP3-Player. In diesen Systemen wird die Energie dort gespeichert, wo auch die elektrochemische Reaktion stattfindet. Bei Systemen mit externem Speicher kann das Speichermedium getrennt der Reaktionseinheit gelagert werden, beide können unabhängig voneinander dimensioniert werden. Blei-Säure-Akkumulatoren Sie finden derzeit die größte Verwendung. Genutzt werden sie als Starterbatterien in Verbrennungsmotoren, als Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen sowie für die Notstromversorgung. Im Bereich erneuerbare Energien dienen Blei-Säure-Akkumulatoren als Zwischenspeicher für Photovoltaik- oder Windkraftanlagen. Lithium-Ionen-Batterien Schon seit einiger Zeit werden Lithium-Batterien erfolgreich in Laptops und Handys als Energiespeicher genutzt. Ihr Vorteil liegt in einer geringen Selbstentladungsrate und einer hohen Energiedichte. Sie gelten auch als vielversprechend für Elektrofahrzeuge (siehe auch Energiespeicherung im Verkehrssektor). Redox-Flow-Batterien Zur Langzeitspeicherung oder Spannungsregulierung bieten sich Redox-Flow-Batterien an. Da hier das Seichermedium getrennt von der Umwandlungseinheit ist, kann die Energiemenge flexibel dimensioniert werden. In zwei Tanks werden die Flüssigkeiten, bestehend aus in flüssigen Elektrolyten gelösten Salzen, getrennt gelagert. Bei Bedarf werden die Flüssigkeiten mittels Pumpen der zentralen Reaktionseinheit für den Lade- oder Entladeprozess zugeführt. Diese Batterien haben den Vorteil, dass sie sich praktisch nicht entladen und daher sehr lange Energie speichern können. Für die zukünftige Entwicklung des Verkehrssektors werden erneuerbare Energien eine zunehmende Bedeutung haben. Viele Autokonzerne bringen derzeit Elektrofahrzeuge auf den Markt. Man unterscheidet drei Varianten: Hybridfahrzeug (HEV) Diese Fahrzeugart besitzt einen Speicher von etwa 1 kWh und lädt diesen nur während der Fahrt auf. Mithilfe des Elektroantriebs lässt sich eine Einsparung von Kraftstoff von bis zum 20% erzielen. Plug-in Hybrid (PEHV) Hier handelt es sich um ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, dessen Elektroantrieb über eine Steckdose geladen werden kann. Der Speicher ist größer als bei einem reinen Hybridfahrzeug und enthält 5 bis 10 kWh. Die Reichweite des Elektromotors beträgt 30 bis 70 km, bei längeren Strecken erfolgt der Antrieb über Kraftstoff wie Benzin, Erdgas oder auch Biokraftstoffe. Elektrofahrzeug (EV) Ein reines Elektrofahrzeug hat derzeit eine Reichweite von 100 bis 300 km bei einem Speicher von 14 bis 40 kWh. Auch hier lässt sich die Batterie über Steckdosen gewöhnlicher Hausanschlüsse laden. Zeiten, in denen das Fahrzeug nicht benötigt wird, zum Beispiel während der Arbeitszeit oder in den Nachtstunden, können zum Aufladen genutzt werden. Als geeignete Speichertechnologie erweist sich dabei vorzugsweise die Lithium-Ionen-Batterie, da sie eine hohe Energiedichte besitzt. Viele der genannten Speichersysteme weisen ein erhebliches Entwicklungspotenzial auf. Teilweise ist noch Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig, um die erforderliche Marktreife zu erreichen. Insbesondere die Batterieentwicklung als eine Schlüsseltechnologie für Elektrofahrzeuge wird eine große Rolle spielen. Bedeutsam für die Etablierung von Speichersystemen allgemein sind zudem planbare energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen, wie sie beispielsweise Anreizsysteme bieten. Parallel zum Einsatz von Energiespeichern ist der Ausbau der Netzkapazitäten erforderlich, um die Menge an erzeugtem Strom durch regenerative Energieträger über lange Distanzen zu übertragen und lokale Netzengpässe zu entspannen. Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) hat im Jahr 2008 eine Studie veröffentlicht zum Thema "Energiespeicher in Stromversorgungssystemen". In ausführlicher Form behandelt die Studie die verschiedenen Energiespeicher und ihre Rolle bei der Entkoppelung von Angebot und Bedarf an elektrischer Energie. Interessierte Lehrkräfte können die Studie direkt beim VDE bestellen (250 Euro für Nichtmitglieder): VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Stresemannallee 15 60596 Frankfurt am Main service@vde.com

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

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.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Elektrosmog führen die Schülerinnen und Schüler Messungen durch und leiten Maßnahmen zur Verminderung des Elektrosmog ab, dessen Wirkungen auf den menschlichen Organismus derzeit rege diskutiert werden. Im technischen Experiment setzen Schülerinnen und Schüler moderne Elektrosmog-Messgeräte ein. Sie nehmen Fotos von der Versuchsanordnung mit der Digitalkamera auf und fügen diese dem Messprotokoll bei. In der Auswertung werden mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms Diagramme erstellt. Die Unterrichtseinheit endet mit der Erarbeitung von Maßnahmen zur Verminderung der Belastung durch Elektrosmog. Nachdem die Lernenden kompetent Messungen und Beratung durchführen können, wird in Erwägung gezogen, eine Übungsfirma zu gründen. Die Schülerfirma bietet den Angehörigen der Schule kostenpflichtige Elektrosmog-Messungen an. Als Zusatzangebot werden basierend auf den Messergebnissen Maßnahmen zur Reduzierung des Elektrosmogs vorgeschlagen. Elektrische und magnetische Wechselfelder sind nicht direkt sichtbare physikalische Erscheinungen. Die Schülerinnen und Schüler führen Elektrosmog-Messungen durch, so werden die Felder für sie greifbar. Gegenstand der technischen Experimente sind niederfrequente elektrische und magnetische Wechselfelder. Mit preisgünstigen Messgeräten lassen sich Messungen durchführen. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Die Aufgabenstellung in der Unterrichtseinheit "Elektrosmog messen" ist praxisnah und für die Schülerinnen und Schüler motivierend. Alle Erläuterungen und was es bei der Durchführung zu beachten gilt, ist hier ausführlich erklärt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler messen niederfrequente elektrische und magnetische Wechselfelder. lernen die Formelzeichen und Einheiten der magnetischen Flussdichte und der elektrischen Feldstärke kennen. entwickeln ein Gefühl für die Werte der Felder im Alltag. erstellen Messprotokolle. erkennen, dass magnetische Felder durch Ströme erzeugt werden. erkennen, dass elektrische Felder durch elektrische Spannungen erzeugt werden. erarbeiten Maßnahmen zur Verminderung der Belastung durch elektrische und magnetische Wechselfelder. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler werten Messergebnisse in einem Tabellenkalkulationsprogramm aus und erstellen Diagramme. nehmen Fotos mit einer Digitalkamera auf und bearbeiten die Bilder mit einer Bildbearbeitungssoftware. führen eine Internetrecherche zum Thema durch. Empfehlenswert sind die Messgeräte ME 3030B oder ME3830B von GIGAHERTZ SOLUTIONS. Der Frequenzbereich geht beim ME 3030B von 16 Hz bis 2 kHz und beim ME 3830B von 5 Hz bis 100 kHz. Mit beiden Messgeräten lassen sich die Wechselfelder der Deutschen Bahn messen. Die Felder der Oberleitungen haben eine Frequenz von 16 2/3 Hz und reichen oft hunderte Meter weit. Handys senden hochfrequente elektromagnetische Strahlung aus, die sich nur mit teuren Messgeräten zufriedenstellend messen lässt. Die Durchführung der Messungen ist anspruchsvoll und wird von Experten durchgeführt. Hochfrequente Frequenzen eignen sich weniger für unterrichtliche Experimente. Im technischen Experiment sollen die elektrische Feldstärke und die magnetische Flussdichte verschiedener niederfrequenter Feldquellen gemessen werden. Parameter ist für jede Messreihe der Abstand vom Elektrosmog-Messgerät zur Feldquelle. Die Schülerinnen und Schüler führen die Messungen in Gruppen durch. Feldquellen innerhalb von Gebäuden Stereoanlage Radiowecker Computer Fernseher Babyphone elektrische Küchengeräte Installationsleitungen et cetera Feldquellen außerhalb von Gebäuden Hochspannungsleitungen Bahnstrom Ortsnetztransformatoren Umspannwerke et cetera Mit dem Messgerät ME 3030B von GIGAHERTZ SOLUTIONS kann für das untere Frequenzband überprüft werden, ob Computer-Bildschirme TCO '99 konform sind. Das untere Frequenzband geht von 5 Hz bis 2 kHz und deckt sich damit fast mit dem des Messgeräts. Der Messfehler aufgrund der Abweichung des Spektrums ist gering. Die TCO-Norm erlaubt für das untere Frequenzband eine elektrische Feldstärke von maximal 10 V/m und für die magnetische Flussdichte 200 nT. Es ist in einem Abstand von 30 cm zum Bildschirm zu messen. Denkbar sind auch Messungen, die Felder von Leuchtmitteln miteinander vergleichen. Gewählt werden Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen, Niedervolt-Halogenlampen und Hochvolt-Halogenlampen. Bei der Messung von Feldern einzelner Feldquellen ist die allgemeine Belastung durch andere Feldquellen (Installationsleitungen, elektrische Geräte im Nachbarzimmer, Hochspannungsleitungen, et cetera) zu berücksichtigen. Dies gilt vor allem für Magnetfelder. Zunächst wird an dem jeweiligen Messort die magnetische Flussdichte bei eingeschaltetem Gerät gemessen. Das Messgerät wird in verschiedene Richtungen ausgerichtet. Es wird diejenige Ausrichtung ermittelt, bei der der höchste Messwert angezeigt wird. Anschließend wird das Gerät ausgeschaltet und die durch die Umgebung verursachte magnetische Flussdichte gemessen. Dabei wird das Messgerät in die gleiche Richtung ausgerichtet, in die vorher bei der Messung mit eingeschaltetem Gerät der höchste Wert angezeigt wurde. Bei der erdbezogenen Messung der elektrischen Feldstärke wird eine Verzerrung des Feldes bewusst in Kauf genommen. Die Messverhältnisse entsprechen der realen Situation, dass sich eine Person im elektrischen Feld befindet und dieses verzerrt. Die TCO-Norm und der Standard der baubiologischen Messtechnik schreiben erdbezogene Messungen vor. Um bei der Messung der elektrischen Feldstärke brauchbare Messergebnisse zu erhalten, darf das Messgerät nicht näher als 10 cm an die Feldquelle herangeführt werden. Außerdem ist ein Abstand von mindestens 10 cm zu Gegenständen wie Bettgestell, Matratze, Kissen oder Wand einzuhalten. Auf keinen Fall sollten die Schülerinnen und Schüler die Krokoklemme des Erdungskabels an den Schutzkontakt der Steckdose anbringen. Es besteht die Gefahr eines Unfalls durch elektrischen Strom. Zur Vermeidung eines Unfalls sollten die Schülerinnen und Schüler über die Gefahren des elektrischen Stroms aufgeklärt werden und der Anschluss der Krokoklemme an den Schutzkontakt der Steckdose untersagt werden. Die Lehrkraft sollte stets den Überblick über alle Gruppen haben. Zur Erdung eignen sich metallische Wasser-, Gas-, oder Heizkörperrohre. GIGAHERTZ SOLUTIONS bietet als optionales Zubehör Erdungsklammern zur Befestigung an den Rohren an. Die Gruppen protokollieren ihre Messungen. Von der Versuchsanordnung werden mit einer Digitalkamera Fotos aufgenommen. Durch die Protokollierung kann das Experiment reproduziert und nachträglich analysiert werden. In der Auswertungsphase vergleichen die Gruppen ihre Ergebnisse mit Grenzwerten. Die deutsche Elektrosmog-Verordnung von 1997 erlaubt elektrische Feldstärken von 5.000 V/m und magnetische Flussdichten von 100.000 nT. Diese übersteigen um das 500fache die inzwischen weltweit akzeptierte TCO-Norm für Computer-Bildschirme. Die Schülerinnen und Schüler vergleichen ihre Ergebnisse für alle Feldquellen daher mit der TCO-Norm, die in einem Abstand von 30 Zentimetern nur elektrische Feldstärken bis 10 V/m und magnetische Flussdichten bis 200 nT zulässt. Diese Grenzwerte gelten für das untere Frequenzband von 5 Hz bis 2 kHz. Es wird ersichtlich, dass die elektrische Feldstärke und die magnetische Flussdichte mit dem Abstand zur Feldquelle abnehmen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist, dass im niederfrequenten Bereich magnetische Felder durch Ströme und elektrische Felder durch elektrische Spannungen erzeugt werden. Die Gruppen leiten aus den Messergebnissen Maßnahmen zur Reduzierung der Felder ab. Die Messung von Elektrosmog eignet sich auch als Geschäftsidee für eine Schülerfirma: Den Angehörigen der Schule können Elektrosmog-Messungen in den Wohnungen mit entsprechenden Maßnahmen zur Reduzierung des Elektrosmogs angeboten werden.

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.