Automatisierungstechnik im Unterricht - DGTB --

Report
Automatisierungstechnik
im Unterricht
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Gliederung
1. Einleitung
2. Automatisierungstechnik in den / als
Handlungsfeld(ern) ?!
3. Definition Automatisierungstechnik
4. Unterrichtsbeispiele zur
Automatisierungstechnik
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
1. Einleitung
Warum eine Präsentation zum Thema
Automatisierungstechnik?
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Persönliches Interesse.
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Automatisierung ist allgegenwärtig und
Bestandteil unseres modernen und
alltäglichen Lebens.
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Automatisierungstechnik findet im
Technikunterricht zu wenig
Beachtung.
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Automatisierungstechnik in der Schule
Deutschlandweite Umfrage von M. Radermacher aus
dem Jahr 2008
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
12.
Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Mögliche Gründe
- Wo finde ich es im Lehrplan?
Handlungsfelder
-Was gehört zur Automatisierungstechnik?
Definition Automatisierungstechnik
-Wie setze ich es im Unterricht um?
Unterrichtsbeispiele
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
2. Automatisierungstechnik
in den / als
Handlungsfeld(ern) ?!
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Handlungsfelder im Technikunterricht
· Arbeit und Produktion
· Bauen und Wohnen
· Transport und Verkehr
· Versorgung und Entsorgung
· Information und Kommunikation
· Haushalt und Freizeit
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Arbeit und Produktion
Aufbau und Funktionsweise von Maschinen, die:
- im Technikunterricht verwendet werden
(z.B.: Bohrmaschine mit einstellbarer Drehzahl)
- in der industriellen Produktion eingesetzt werden
(z.B. CNC-Maschinen, Fertigungsroboter)
-die das Leben der Menschen verändert haben
(Industriealisierung / Technikgeschichte)
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Bauen und Wohnen
- Steuerung bzw. Regelung des Warmwassers
und der Heizungsanlage im Haus
- (Optimierung der) Verlegung der Stromleitungen
zur Lichtsteuerung in Gebäuden
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Transport und Verkehr
- Möglichkeiten der Steuerung einer Ampelanlage
(mechanisch, elektrisch)
- Steuerung von mehreren Ampelanlagen
aufgrund des Verkehrsaufkommens mittels
Sensoren und Computer
- Automatikschaltung im PKW
- Gangschaltung am Fahrrad
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Versorgung und Entsorgung
- Wasserstandregelung (z.B. Spülkasten)
- Regulierung der konstanten
Spannungsversorgung durch Kraftwerke
- Ausrichtung eines
Windkonverters und
Veränderung des
Anstellwinkels der Flügel
in Abhängigkeit von der
Windgeschwindigkeit
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Information und Kommunikation
- Erstellen / Nutzen von Software zur
Steuerung / Regelung von Maschinen
- Erstellen von Ablaufplänen / Flussdiagrammen /
Struktogrammen zur Prozessverdeutlichung
- Wandlung von gemessenen Werten in
Informationen zur Steuerung
- Verwendung der formalen Logik zur Erstellung
von logischen Steuerschaltungen
&
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Haushalt und Freizeit
Aufbau und Funktion von nahezu sämtlichen
Haushaltgeräten, in denen Steuerungs- und
Regelungsprozesse stattfinden, z.B.:
Heizung, Waschmaschine, Ofen,
Toaster, Eierkocher, Trockner, Fön,
elektrische Zahnbürste, Bügeleisen,
Boiler, Kühlschrank, Gefrierschrank…
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Probleme der Handlungsfelder
 Themen der Automatisierungstechnik können
jedem Handlungsfeld zugeordnet werden
Denk- und Handlungsweisen sind in den
Handlungsfeldern fast überall gleich
Wenn die Handlungsfelder nicht klar definiert sind,
ist ihre Anzahl beliebig vergrößerbar – als Grundlage
für ein Curriculum muss darüber nachgedacht werden!
Lernfelder sollten spezifische Denk- und
Handlungsweisen beinhalten
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Ziele und Inhalte der Automatisierungstechnik
Die Schülerinnen und Schüler können:
- den Unterschied zwischen Steuern und Regeln erklären.
- Geräte aus ihrer Lebenswelt nennen, in denen Steuerungsbzw. Regelungsprozesse stattfinden.
- die Begriffe Führungsgröße (Sollwert), Stellgröße, Störgröße,
Steuerstrecke… fachgerecht benutzen.
- die eben genannten Elemente an ihnen bekannten Geräten
verorten.
- das Schema von Steuerkette und Regelkreis aufzeichnen.
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Ziele und Inhalte der Automatisierungstechnik
- den Ablauf einer Steuerung / Regelung mit einem Ablaufplan /
Flussdiagramm / Struktogramm graphisch darstellen.
- die Funktionsweise eines Zweipunktreglers (PID-Reglers)
erklären.
- mechanische und elektronische (pneumatische, hydraulische)
Steuerungen selber konstruieren und anfertigen.
- eine Programmiersprache / Computer anwenden, um
vorgegebene Roboter / Maschinen zu steuern.
- die Bedeutung der Automatisierungstechnik für die
Entwicklung der Gesellschaft und unser heutiges Leben
verdeutlichen.
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Technik muss seine Eigenständigkeit
und Notwendigkeit verdeutlichen
Automatisierungstechnik findet
nur im Technikunterricht statt!
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Automatisierungstechnik im Unterricht
Fazit der DGTB Tagung von 2009:
„Insbesondere von den Kolleginnen und Kollegen
aus den Schulen werden Inhalte und Themen
erwartet, die theoretische Grundlagen und
Handlungsanweisungen für den Unterricht mit
praktischen Ratschlägen und Tipps bereitstellen.“
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
3. Definition Automatisierungstechnik
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Mechanischer
Türöffner
Heron von
Alexandria
(lebte vermutlich im
1. Jahrhundert)
http://www.realschule.bayern.de/lehrer/dokumente/untmat/ph/heron/heron.htm
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Mechanische
Öllampe
Heron von
Alexandria
(lebte vermutlich im
1. Jahrhundert)
http://www.sn.schule.de/~gyfloeha/rt/lex01/lex0100.html
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Heutige Automaten
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Definition Automatisierungstechnik
„Unter Automatisierungstechnik versteht man nach DIN
19233 das Einsetzen technischer Mittel, um einen Vorgang
selbstständig ablaufen zu lassen.
Einen großen Anteil an der Automatisierungstechnik eines
Prozesses nimmt die Steuerungs- und Regelungstechnik
ein.
Produktionsprozesse werden hierbei so konzipiert, dass
mechanische, elektrische, pneumatische oder hydraulische
Einheiten selbstständig – häufig mit Hilfe von Computern –
arbeiten können.“
Fachkunde Mechatronik, Europa Lehrmittel Verlag, 2008
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
3 grundlegende Begriffe
- Messen
- Steuern
- Regeln
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Messen
Erfassen der physikalischen Basisgrößen:
- Länge
- Masse
- Zeit
- Stromstärke
- Temperatur
- Lichtstärke
- (Stoffmenge)
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Messen
Abgeleitete Größen:
- Kraft
- Druck
- Geschwindigkeit
- Volumen
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Steuern  Steuerkette
Regeln  Regelkreis
Basiswissen Schule – Technik, Dudenverlag, 2001
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Vergleich Steuern und Regeln
umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
4. Unterrichtsbeispiele
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Typisches Beispiel für
Automatisierung im
Technikunterricht:
CNC-Drehmaschine
http://de.opitec.com/opitec-web/articleNumber/314204/zz/cID/1285061561297
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
„Klassische“ Bausätze
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Erstellen eines Flussdiagrammes
Elemente:
Operation
Start / Stopp
Verzweigung
Ja
Nein
Verbindung
zum nächsten
Element
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Flussdiagramm
Thermolüfter
Struktogramm
Thermolüfter
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Welche anderen (Haushalts-) Geräte
benötigen ebenfalls eine
Temperaturregelung?
Gibt es neben dem Verwenden von Bimetall
noch weitere Steuerungsmöglichkeiten?
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Technische Analyse: Demontage von
Haushaltsgeräten mit Temperaturregelung
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Möglicher Schülerversuch:
Verhalten einer Zweipunktregelung
+
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Graphische Darstellung des Verhaltens
einer Zweipunktregelung
umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Bauanleitung zur Ampelsteuerung
Auszug aus der Bauanleitung „105.071 Ampelschaltung“ von Opitec
Analyse von Technik:
SuS sollen die Ampelphasen einer
realen Ampel selber überprüfen
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Analyse der Ampelphasen
- Wie viele Phasen gibt es?
- Dauern alle Phasen gleich lang?
- Wozu dient die Phase Rot-Gelb?
- Wenn zwei Ampeln an einer Kreuzung stehen:
Warum überschneiden sich zwei Rotphasen?
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Technik konstruieren
- Wie bestimme ich die Länge der einzelnen Phasen?
- Wie bestimme ich die Länge des gesamten Zyklus?
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Variationsmethode
Wie kann ich die Ampelschaltung
verändern / verbessern?
- Ansteuerung der Dose durch einen Motor
(+ elektronische Zeitschaltung)
- Nockensteuerung mit Tastern anstelle von
Schleifkontakten an einer Dose
- anstatt der Dose eine Metallscheibe verwenden
 Möglichkeit, eine Platine zu ätzen
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Beispiel Platinenlayout
Rot
Gelb
Grün
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Technik bewerten
Welche Vor- und Nachteile haben die
unterschiedlichen Lösungsmöglichkeiten?
- Dualbewertung
- gestufte Bewertung
- Punktbewertung
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Verwendung von Hard- und Software zu
computerunterstützten
Steuer- und Regelungsprozessen
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Automatisierungstechnik
mit Lego RCX und Lego NXT
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Beispielaufgaben
umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Weitere Beispielaufgaben
- Einschalten einer Lampe in Abhängigkeit von der
Umgebungshelligkeit
- Ansteuerung eines Ventilators beim Erreichen einer
bestimmten Temperatur
- Erzeugen von verschiedenen Signaltönen in
Abhängigkeit vom Abstand zum Ultraschallsensor
- Konstruieren und Programmieren eines Linienfolgers
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Erstellen von
elektronischen Schaltungen
zu Steuer- und Regelungsprozessen
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Beispielschaltung
umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Beispiele für elektronische Steuerungen
Ab einer vorgegebenen Dunkelheit soll eine Lampe
eingeschaltet werden.
Schaltung mit LDR und Glühlampe
Bei Unterschreitung einer bestimmten Temperatur soll
eine Heizung eingeschaltet werden.
Thermistor und Heizwiderstand
Bei Überschreitung einer Temperatur soll ein Ventilator
eingeschaltet werden.
Thermistor und Motor
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Entdeckendes / Erfindendes Lernen
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Aufgabe:
Black Box Methode
Wie könnte der
Türöffner von
Heron von
Alexandria
funktioniert
haben?
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Aufgabe:
Black Box Methode
Zeichne in das
Kästchen eine
mögliche Lösung,
wie die
automatische Tür
funktioniert
haben kann!
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Aufgabe:
Entwerfe eine
Öllampe, bei der
der Docht
automatisch
weitergeführt
wird!
http://www.sn.schule.de/~gyfloeha/rt/lex01/lex0100.html
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Aufgabe:
Wie funktioniert
der Spülkasten
einer Toilette?
(Fertige eine Skizze
seiner
Funktionsweise an!)
?
http://www.badshop-world.de/images/nova.jpg
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
WC Spülung
http://de.wikipedia.org/wiki/Toilettensp%C3%BClung
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
WC Spülung
Aufgabe:
Beschreibe die
Funktionsweise
eines
Spülkastens!
http://de.wikipedia.org/wiki/Toilettensp%C3%BClung
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Wie kann man ein Bimetall zur
Temperaturmessung einsetzen?
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Diskussionen zum Thema
Automatisierungstechnik
und ihre Bedeutung und Auswirkung
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Diskussionen im Technikunterricht
- Wie verändert die Automatisierungstechnik
Deinen Alltag?
- Welche Vor- und Nachteile ergeben sich dadurch
für Dich?
- Kannst Du mögliche Gefahren der
Automatisierungstechnik nennen?
- Welche Auswirkung hat der Einsatz der
Automatisierungstechnik auf die Gesellschaft?
 Technikgeschichte
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Diskussion
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

similar documents