Allgemeines zum Fach

Erste Berührungspunkte mit dem Fach Technik bietet der TAG der OFFENEN TÜR In Form eines MIT-MACH Programms für Grundschüler, um nach kurzer Einweisung eine fertige Schaltung mit nach Hause nehmen zu können.

Die ausgestellten Modelle ermöglichen Eltern einen Einblick in die Programmvielfalt des Technikunterrichts bis Klassenstufe 10  zu erhalten, ergänzt durch Vorführungen von Schülerinnen und Schülern und allgemeinen Ausführungen zum Unterrichtsfach Technik durch einen Fachlehrer.

In den Jahrgängen 5 bis 7  können Schülerinnen und Schüler im Rahmen von Arbeitsgemeinschaften erste Einblicke in den Technikunterricht gewinnen und sich praktisch erproben.

In Jahrgangsstufe 8 ist der Technikunterricht für alle Schülerinnen und Schüler im halbjährlichen Wechsel mit dem Fach Hauswirtschaft verbindlich.

Für den Unterricht im Fach Technik werden vier große Handlungsfelder benannt, die der wissenschaftlichen Systematik weitestgehend entsprechen. Jeder Handlungsbereich ist wiederum in unterschiedliche Themenfelder gegliedert.

Die im Handlungsbereich Arbeiten und Produzieren – Technik und Technisches Handeln aufgeführten Themenfelder „Sicheres Arbeiten mit Werkzeugen und Maschinen“, „ Planen, Konstruieren und Herstellen“ und „Technisches Zeichnen“ weisen Kompetenzen aus, die Voraussetzung für technisches Handeln in allen anderen Handlungsbereichen sind. Aus diesem Grund ist dieser Handlungsbereich im 8. Schuljahrgang verpflichtend zu unterrichten und dient auch als Vorbereitung auf die Wahlpflichtkurse bzw. Profilkurse in den Schuljahrgängen 9 und 10. Theorie und Praxis Eine Umsetzung der im theoretischen Bereich vermittelten Kenntnisse erfolgt mit der Herstellung möglichst realitätsnaher Modelle. Lange prägte die Baukastentechnologie den Technikunterricht.

Überlegungen zum UMT

Das UMT Modell ist ein Grundmodul für alle Teile und Maße, um eine weitestgehende Variabilität und Vielfalt der Kombinationsmöglichkeiten zu gewährleisten. Durch ein System von Arbeitsvorrichtungen in Verbindung mit speziellen Werkzeugen sollten Schülerinnen und Schüler nach kurzer Einweisung in der Lage sein, präzise Bauteile in passgenauer Qualität rationell zu fertigen.

Abdeckung aller denkbaren Sachgebiete des Technikunterrichts, vor allem Verbindung von Herstellungstätigkeiten und technisch-konstruktiven Denkanforderungen in jeweils einer Aufgabe. Verbindung von Anforderungen an präzises und diszipliniertes Arbeiten unter strengen Normen mit freier schöpferischer Entfaltung. Zur Ergänzung der von Schülerinnen und Schülern aus Halbzeugen gefertigten Systembausteine sollte eine ausreichende Anzahl handelsüblicher Bauteile, wie Befestigungselemente, Zahnräder, elektromechanische Teile usw. genau passend zum Rastersystem zur Verfügung stehen. Halbzeuge, Bauteile, Vorrichtungen und Werkzeuge sollten möglichst preisgünstig und dabei gleichzeitig von guter Qualität sein.

Mit dem Halbzeugsystem UMT lässt sich ein breites Spektrum von Themenstellungen aus den Sachgebieten  Produktionstechnik, Maschinentechnik sowie Elektro- und Informationstechnik erarbeiten. Bei der Arbeit mit einem Halbzeugsystem ergibt sich auch ein breiter methodischer Ansatz. So ist etwa die Konstruktionsaufgabe mit all ihren Entwicklungsphasen immer zugleich eine Werkaufgabe: Montieren und Konstruieren setzt dabei Fertigen und Produzieren voraus; vor der Fertigung und Produktion wiederum steht die Planung und Organisation der dazu notwendigen Arbeitsabläufe.

Für Schülerinnen und Schüler ist damit die Notwendigkeit zum Überprüfen und Weiterentwickeln, zum Experimentieren und zum Suchen neuer Lösungen verbunden.

Bild zeigt eine eine Zusammenstellung der im Technikunterricht verwendeten Bauteile.

Arbeitsgemeinschaften im Fachbereich 5-7

Die hier aufgeführten Beispiele stehen stellvertretend für eine Vielzahl an altersgemäßen Themen, die sich in einer Arbeitsgemeinschaft anbieten.

 

ELEKTROTECHNIK / EINSTIEG in den ELEKTRONIKBEREICH

Experimente mit Glühlämpchen, Leuchtdioden, Dioden, …, zum Kennenlernen und Verstehen der Bauteile, die nach einem Grundkurs LÖTEN in verschiedenen Schaltungen (Reihenschaltung, Parallelschaltung, …) zur Anwendung kommen. In diesem Zusammenhang bietet sich das Konstruieren von Schaltern an, die nach eigenen Vorstellungen aus den bereits erwähnten Halbzeugen des Systems unter Verwendung entsprechender Vorrichtungen hergestellt werden können.

Ampelanlage :Konstruktion des Ampelgehäuses, LEDs und Widerstände einlöten, Verkabelung mit Kontaktstiften, die das Programm abtasten, Aufhängung der Programmwalze mit anschließender Programmierung der Ampelphasen.

Arbeitsgemeinschaften im Fachbereich 8-10

Die aufgezeigten Beispiele für die praktische Umsetzung der Themenfelder stellen nur eine Auswahl der sich anbietenden Möglichkeiten dar. Die Unterrichtsinhalte sind den erwarteten Kompetenzen zuzuordnen.

Basierend auf dem Grundmodul (Lochplatte) werden mit Hilfe spezieller Vorrichtungen die für ein anspruchsvolles Konstruieren notwendigen passgenauen Bauteile aus Halbzeugen der verschiedensten Art hergestellt. Die so entstandenen „Grundbausteine“ lassen sich bei Bedarf jeweils wieder in eine Reihe  „Spezialbausteine“ weiterentwickeln.  Desweiteren steht ein umfangreiches Angebot an handelsüblichen Bauteilen mit dem Maß (M4) zur Verfügung, wie etwa Schrauben /Muttern, Gewindestangen, Messingbuchsen,  Zahnräder, Motoren, …, .

Die Schülerinnen und Schüler lernen bei den unterschiedlichen Arbeitsvorgängen wichtige technologische Verfahren, wie das passgenaue Bohren, Senken, Gewindeschneiden, Fräsen, Möglichkeiten zur thermoplastischen Umformung von Kunststoffen und wenden Verbindungstechniken an, wie das Schrauben, Nieten, Löten, Kleben.

Beispiel 1

RADLADER

Planen – Konstruieren  -  Herstellen

Steuern  -  Antriebstechnik  -  Getriebetechnik  -  Lenkungssysteme  -  Verbindungstechniken Konstruktion der Hebevorrichtung mit einer im Gelenk beweglichen Gabel, um die Last in der Waagerechten zu halten, Fertigung von Abstandsbolzen  - Innengewinde schneiden, Steuerung der für einen Radlader typischen Knicklenkung über ein Getriebe, passgenaue Zusatzbohrungen für die Aufnahme der Zahnräder, um ein genaues Ineinandergreifen zu gewährleisten, Lagerung der Achsen, Anwendung entsprechender Verbindungstechniken.

Beispiel 2

GABELSTAPLER

Steuern-Antriebstechnik-Getriebetechnik-Lenksysteme (Achsschenkellenkung/Lenktrapez) -Lagerung von Achsen-Radaufhängung-Führungen (Geradführungen/Parallelführung  für den Hubmechanismus des Gabelstaplers)

Die beiden Führungsbahnen bestehen aus PVC-Lochstreifen, die durch Abstandbolzen (Innen-  gewinde schneiden) und Senkkopfschrauben zu einem stabilen Gestell verbunden werden.

Führungsschlitten aus Lochleisten -  Hubgabeln herstellen - (Thermoplastische Umformung )  - Vor dem Abkühlen wird der 90 Grad Winkel auf 100Grad zurückgeformt, um eine leichte Schrägstellung der Hubgabel zu erreichen.

Seilwinde mit Sperrklinke  

Beispiel 3

GETRIEBE

Im engeren Sinne versteht man unter einem Getriebe eine Einrichtung, die eine Drehbewegung überträgt. Zumeist wird dabei das Drehmoment umgewandelt. Im weiteren Sinne gehört jedoch jede kinematische Einrichtung (Kette) zu den Getrieben, die der Kopplung und Umwandlung von Bewegungen und der Energieübertragung dient.

Zahnradgetriebe ermöglichen durch Formschluss die schlupflose Übertragung großer Drehmomente und Übersetzungen von der Antriebs- auf die Abtriebsachse. Stirnradgetriebe werden bei parallellaufenden Wellen, Kegelzahnräder bei sich schneidenden und Schneckenzahnräder bei sich kreuzenden Wellen eingesetzt.

SCHEIBENWISCHER

Antrieb durch eine Kurbelschwinge

Bei zahlreichen Maschinen und technischen Geräten ist es erforderlich, eine Drehbewegung in eine Hin- und Herbewegung umzuformen. 

Gesetz nach Grashoff

Die Kurbel als das kleinste Glied  einer Kurbelschwinge ist voll drehfähig, wenn die Kurbel zusammen mit dem längsten Glied der Kurbelschwinge kleiner ist als die beiden übrigen Glieder.

Beispiel 4

Öffnen und Schließen einer TOREINFAHRT

Aufgabenstellung: Herabsetzung der hohen Drehzahl des Elektromotors in langsame und kraftvolle Drehbewegungen durch den Bau eines mehrstufigen Getriebes. Antrieb – Kurbelschwinge, … .

Berechnen der Übersetzung eines Getriebes.

Beispiel 5

KRANMODELLE im Technikunterricht

Von ersten Hebezeugen der Antike bis in die heutige Zeit hinein sind in einer langen Entwicklungsphase Krane für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche entwickelt worden.

KONSTRUKTIVE Anforderungen

Standfestigkeit – Kippsicherheit

Ein Körper steht nur fest, wenn das Lot vom Massenmittelpunkt (Schwerpunkt) durch die Unterstützungsfläche geht. Bei hohen Kränen mit weit ausfahrbaren Auslegern bzw. Laufkatzen und den zu hebenden großen Lasten kommt der Standfestigkeit eine große Bedeutung zu.

 

STATISCHER AUFBAU

Die meisten Kräne, die man heute auf Baustellen oder Industrieanlagen findet, sind als Raumfachwerke nach dem Fachwerkprinzip konstruiert. Das statische Element des stabilen Dreiecks sorgt neben der großen Stabilität für eine enorme Gewichtseinsparung gegenüber einer vollwandigen Bauweise.

Allerdings führten die hohen Kosten für Pflege und Unterhaltung dieser Konstruktionsform (Witterungseinflüsse) dazu, dass z.B. Portalkräne sowie alle Containerbrücken  heute nur noch in vollwandiger Konstruktion (Rechteckrohre) gebaut werden. Es gibt kaum einen anderen technischen Bereich, in dem die Aufgabe, einen ausladenden, gleichzeitig leichten aber hochstabilen Baukörper zu konstruieren,  verwirklicht werden  kann.

Für die Lastenhebung sind Flaschenzug bzw. Seilwinde mit entsprechender Sperrvorrichtung zur Funktionssicherung erforderlich. Soll das Heben und Senken des Kranarms, die Betätigung der Seilwinde, der Einsatz der Laufkatze, die Drehbarkeit des Krans  motorisch gesteuert werden,  müssen für die zum Einsatz kommenden Elektromotoren natürlich entsprechende Übersetzungsgetriebe ins  Langsame  konstruiert werden.

Mit den herzustellenden Polwendeschaltern  erfolgt die Steuerung des Krans. Die insgesamt anspruchsvolle Elektrik (evtl. erweitert durch  elektronische Komponenten)  ist eine weitere technologische Detailaufgabe. Der Kran bietet als komplexes Maschinensystem eine ganze Reihe relevanter technischer  bzw. technologischer Aufgabenstellungen, eröffnet ein breites Spektrum für die Bearbeitung der in den curricularen Vorgaben  vorgegebenen Schwerpunkte in einer sinnvollen Kombination  unterschiedlicher Handelsfelder bzw. Themenfelder.

Planen – Konstruieren – Herstellen - Energie u. Technik - Energieumwandlung - Antriebssysteme -  Elektromotor   (Aufbau und Zusammenwirken der Funktionsteile) -  Getriebetechnik /Getriebearten - Übersetzungsverhältnisse - Mechanik / Kraftübertragung - Statik  (Stabilität) - Die Wirkung  von Kräften in Tragwerken - Dreiecksverstrebungen - Elektrotechnik -  Stromkreise -  Elektronik -  Polwendeschalter

Beispiel 6

OPTISCHE RUFANLAGE

Planen – Konstruieren – Herstellen

Elektrische Stromkreise - Elektrotechnik – Elektronik (LED / Widerstand/DIODE) - Steuern u. Regeln - Verbindungstechniken  ( Schrauben/Kontern – Nieten – LÖTEN )

Aufgabenstellung:

Herstellung von Schaltern aus Halbzeugen (PVC-Lochstreifen, PVC-Rundstäbe, …),  handelsüblichen Bauteilen (Schrauben, Zahnräder, …) nach eigenen Vorstellungen.

Steuerung:

Schalter 1  -  LED 1

Schalter 2  -  LED 2

Schalter 3  -  LED 1 und 2

Experimentierphase:

Schüler erkennen, dass die Umsetzung der Aufgabenstellung per Verkabelung keine Lösung bietet, um unerwünschte Stromflüsse zu unterbinden. Einführung der DIODE (Modellversuch) als Lösungsbaustein.

Beispiel 7

RELAIS

Bei komplizierten Schaltvorgängen oder beim Steuern größerer elektrischer Ströme werden elektromagnetisch betriebene  Schalter, sogenannte Relais, eingesetzt, die aber heute in vielen  Anwendungsfeldern von elektronischen Schaltern (z.B. Transistoren) abgelöst wurden.

Der Aufbau und die Wirkungsweise des Relais lässt sich anschaulich in Form eines Modells erschließen. Die dafür benötigten Teile (Elektromagnet, Kontaktsatz, Gestell, …,  wurden von den Schülerinnen und Schülern eigenständig angefertigt.

Information und Kommunikation

ELEKTRISCHE  STROMKREISE  /  STEUERN und REGELN

Elektrischer Strom – Nutzen und Gefahr Stromquellen  (Im Schutzkleinspannungsbereich bis 24 Volt) Elektrische Bauteile und ihre Wirkungsweise. Für bestimmte Anwendungsbereiche benötigt man Schaltungen mit elektronischen Bauteilen, die empfindlicher reagieren und auf schwache Impulse leichter ansprechen, als dies Schaltungen mit elektrischen Bauteilen können.

BISTABILE KIPPSTUFE

Ein Flipflop (engl. flip-flop), oft auch bistabile Kippstufe bistabiles Kippglied genannt, ist eine elektronische Schaltung, die zwei stabile Zustände einnehmen kann und damit eine Datenmenge von einem Bit über eine lange Zeit speichern kann. Grundbaustein der sequentiellen Schaltungen (verarbeitet verschiedene Eingangswerte einem festgelegten Schaltmuster zu einem Ausgangswert. Bei einer sequentiellen Schaltung ist mindestens einer der Ausgänge auf mindestens einen der Eingänge rückgekoppelt, wodurch die Schaltung einen speichernden Charakter (Gedächtnis) erhält, ein unverzichtbares Bauelement der Digitaltechnik und damit fundamentaler Bestandteil vieler elektronischer Schaltungen bis zum Mikroprozessor. Es ist massenhaft in bestimmten Ausführungen von Computerspeicherchips als elementarer 1-Bit-Speicher enthalten.

 ASTABILE KIPPSTUFE

 Die astabile Kippstufe (ast. Multivibrator) ist eine selbsttätige Schaltung, die sofort nach dem Einschalten der Versorgungsspannung arbeitet. Sie ist die häufigste Anwendung des  TIMER NE555. Die astabile Kippstufe kann keinen stabilen Zustand einnehmen. Sie wechselt in periodischen Abständen ständig ihre Ausgangsspannung. Der Grund ist, dass das Ausgangssignal auf den Eingang zurückgekoppelt ist.

Schautafel:

Elektrotechnik/Elektronik

Alarmanlage

Information u. Kommunikation, Elektrische Stromkreise, Steuern u. Regeln Elektrische Eigenschaften von: LEDs, Widerständen, Dioden, Transistoren, Kondensatoren, Sensoren, Relais, Daten verarbeiten – digitale Schaltkreise.

Zusammensetzung der Anlage: Speicher (Steuermodul) – astabile Kippstufe – Bewegungsmelder – Geheimschalter

Der Speicher besitzt die Eingänge  0 und  I. Am Eingang  I  sind Erschütterungsschalter / Bewegungsmelder / Sensoren angeschlossen. Es genügt ein winziger Impuls, um für einen Sekundenbruchteil die (-) Verbindung zum Eingang I zu schließen.

Der Speicher kippt in den Zustand I, sodass jetzt die astabile Kippstufe an (-) gelangt und aktiviert wird. Die angeschlossenen Signalgeber können nur durch einen Geheimschalter abgestellt werden. Er stellt die Verbindung von (-) zum Eingang  0  her, wodurch der Speicher  in den Zustand 0  kippt.

Sicherung von Fenstern und Türen über elektronische Schaltkreise.

GEHEIMSCHALTER

Entwickeln einer Mechanik, die durch eine Vielzahl an Bedienungselementen von außen gesteuert wird, um im Inneren über immer neu herzustellende kleine „Brücken“ den Strom durch die Box zu leiten, bis der beabsichtige „Kurzschluss“ die Warnsignale unterbricht. Die unzähligen Kombinationsmöglichkeiten machen es für einen Außenstehenden unmöglich, den Code zu „knacken“, sodass nur der „Entwickler“ den Alarm abstellen kann. Die Aufgabenstellung ermöglicht verschieden Handlungs- und Themenfelder miteinander zu kombinieren, unterschiedlichste Bauteile/Materialien einzusetzen, wenn erforderlich, eigene Bauteile mit Hilfe des UMT-Systems herzustellen, sodass die ganze Bandbreite des Technikunterrichts hier Anwendung findet, vor allem die Verbindung von Herstellungstätigkeiten und technisch-konstruktiven Denkanforderungen in einer Aufgabe.

Elektromotor

Die Vorzüge des Elektromotors: Er ist immer und sofort betriebsbereit, langlebig und wenig reparaturanfällig, kann raumsparend gebaut werden, hat selber kein Getriebe und arbeitet daher reibungsarm, ist abgasfrei, läuft geräuscharm und kann auf den Verwendungszweck genau abgestimmt werden.

Aufbau und Funktionsweise des Gleichstrommotors

Zum Verständnis der Funktion eines Elektromotors sind Kenntnisse über Magnetismus und die Wirkung eines Elektromagneten erforderlich. In einer Versuchsreihe kann die Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter kennen gelernt werden. 

Planen, Konstruieren, Herstellen / Energie und Technik  (Energiewandlung) / Antriebstechnik / Elektrische Stromkreise (Elektrotechnik)

Konstruktion des Motors:

Herstellung des Stators – Stromwenders – Rotors

Die für den Bau des Elektromotors benötigten Teile wurden von den Schülern eigenständig angefertigt.

Dampfturbine

Mit der Erfindung des Dynamos durch Werner v. Siemens im Jahre 1866 wuchs der Bedarf an einer schnelllaufenden Kraftmaschine. Im Jahre 1883 baute der Schwede Laval die erste technisch ausgereifte Dampfturbine. Ab 1900 wurden Dampfturbinen in Großkraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt. In der heutigen Zeit arbeiten Dampfkraftanlagen mit mehrstufigen Turbinen, bei denen der Dampf nach Durchlauf eines Laufkranzes von einem feststehenden Schaufelkranz jeweils auf das nächste Laufrad gelenkt wird.

Aufbau und Funktion einer Dampfturbine

Wasser dehnt sich beim Übergang zu Dampf um mehr als das Tausendfache aus. Dadurch entsteht ein hoher Dampfdruck, der beim Abfließen durch ein Rohr Strömungsenergie erzeugt. Mit speziell konstruierten Düsen lässt sich die Strömungsenergie des Dampfes stark erhöhen und optimal auf die Turbinenschaufeln lenken.

Bau einer Modellanlage 

Fertigung einer möglichst leistungsfähigen einstufigen Turbine (Weißblech). Die Welle aus Schweißdraht soll leichtgängig in einem anzufertigenden Gestell gelagert werden. Herstellung eines Dampfkessels mit konstruiertem Sicherheitsventil. Eine Lavaldüse durch Rundstauchen an einem Ende des Rohres fertigen. (Aus Sicherheitsgründen muss der Innendurchmesser mindestens 1,5 mm betragen.)   

Planen, Konstruieren, Herstellen  -  Energie und Technik  (Energiewandlung) – Verbindungstechniken (Löten,…), Metallbearbeitung

Regenerative Energien

Der Begriff „erneuerbare Energien“ ist nicht im streng physikalischen Sinne zu verstehen, denn Energie lässt sich nach dem Energieerhaltungssatz weder vernichten noch erschaffen, sondern lediglich in  verschiedene Formen überführen.

Aus „erneuerbaren Energien“ gewonnene Energieträger (Elektrizität, Wärme, Kraftstoff) werden oft unpräzise als erneuerbare Energien bezeichnet. Als Bezeichnung für thermische Energie, die aus GEOTHERMIE, SOLARTHERMIE oder BIOENERGIE  gewonnen wird und für die indirekte Nutzung von Sonnenenergie durch Solararchitektur wird auch der Begriff „erneuerbare Energien“ verwendet.   

Direkte Umwandlung der Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie mit Hilfe einer Solarzelle.

SOLARMOBIL

Energie und Technik – Antriebssysteme – Energiewandlung – Lenkung – Kraftübertragung – Mechanik – Getriebe – Übersetzungen – Solarmotor – Information u. Kommunikation - Elektrische Stromkreise – Natur und Technik – Regenerative Energieträger und -wandler