Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010 Automatisierungstechnik im Unterricht
Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
Automatisierungstechnikim Unterricht
1. Einleitung
2. Automatisierungstechnik in den / als Handlungsfeld(ern) ?!
3. Definition Automatisierungstechnik
4. Unterrichtsbeispiele zur Automatisierungstechnik
Gliederung
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1. Einleitung
Warum eine Präsentation zum Thema Automatisierungstechnik?
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Persönliches Interesse.
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Automatisierung ist allgegenwärtig und Bestandteil unseres modernen und
alltäglichen Lebens.
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Automatisierungstechnik findet im Technikunterricht zu wenig
Beachtung.
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Automatisierungstechnik in der Schule
Deutschlandweite Umfrage von M. Radermacher aus dem Jahr 2008
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Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010
12.
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Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010
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- Wo finde ich es im Lehrplan?Handlungsfelder
-Was gehört zur Automatisierungstechnik?
Definition Automatisierungstechnik
-Wie setze ich es im Unterricht um?Unterrichtsbeispiele
Mögliche Gründe
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2. Automatisierungstechnik
in den / als
Handlungsfeld(ern) ?!
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Handlungsfelder im Technikunterricht
· Arbeit und Produktion
· Bauen und Wohnen
· Transport und Verkehr
· Versorgung und Entsorgung
· Information und Kommunikation
· Haushalt und Freizeit
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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)
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Bauen und Wohnen
- Steuerung bzw. Regelung des Warmwassers und der Heizungsanlage im Haus
- (Optimierung der) Verlegung der Stromleitungen zur Lichtsteuerung in Gebäuden
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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
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Versorgung und Entsorgung- Wasserstandregelung (z.B. Spülkasten)
- Regulierung der konstanten Spannungsversorgung durch Kraftwerke
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- Ausrichtung eines Windkonverters und
Veränderung des Anstellwinkels der Flügel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit
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
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&
Haushalt und Freizeit
Aufbau und Funktion von nahezu sämtlichen Haushaltgeräten, in denen Steuerungs- und
Regelungsprozesse stattfinden, z.B.:
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Heizung, Waschmaschine, Ofen, Toaster, Eierkocher, Trockner, Fön, elektrische Zahnbürste, Bügeleisen,
Boiler, Kühlschrank, Gefrierschrank…
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
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Ziele und Inhalte der Automatisierungstechnik
Die Schülerinnen und Schüler können:
- den Unterschied zwischen Steuern und Regeln erklären.
- Geräte aus ihrer Lebenswelt nennen, in denen Steuerungs- bzw. 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.
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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!
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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.“
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3. Definition Automatisierungstechnik
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Mechanischer Türöffner
Heron von Alexandria
(lebte vermutlich im1. Jahrhundert)
http://www.realschule.bayern.de/lehrer/dokumente/untmat/ph/heron/heron.htm
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Mechanische Öllampe
Heron von Alexandria
(lebte vermutlich im1. Jahrhundert)
http://www.sn.schule.de/~gyfloeha/rt/lex01/lex0100.html
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Heutige Automaten
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„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
Definition Automatisierungstechnik
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3 grundlegende Begriffe- Messen- Steuern- Regeln
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Erfassen der physikalischen Basisgrößen:
- Länge
- Masse
- Zeit
- Stromstärke
- Temperatur
- Lichtstärke
- (Stoffmenge)
Messen
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Abgeleitete Größen:
- Kraft
- Druck
- Geschwindigkeit
- Volumen
Messen
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Steuern Steuerkette
Basiswissen Schule – Technik, Dudenverlag, 2001
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Regeln Regelkreis
Vergleich Steuern und Regeln
umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
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4. Unterrichtsbeispiele
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Typisches Beispiel für Automatisierung im Technikunterricht:
CNC-Drehmaschine
http://de.opitec.com/opitec-web/articleNumber/314204/zz/cID/1285061561297
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„Klassische“ Bausätze
oft nur reine Werkaufgabe
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Erstellen eines Flussdiagrammes
Elemente:
Start / Stopp Operation
Verzweigung
Ja
Nein Verbindung zum nächsten
ElementInstitut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010
ThermolüfterFlussdiagramm
ThermolüfterStruktogramm
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Welche anderen (Haushalts-) Geräte benötigen ebenfalls eine
Temperaturregelung?
Gibt es neben dem Verwenden von Bimetall noch weitere Steuerungsmöglichkeiten?
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Technische Analyse: Demontage von Haushaltsgeräten mit Temperaturregelung
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Möglicher Schülerversuch:Verhalten einer Zweipunktregelung
+
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Graphische Darstellung des Verhaltens einer Zweipunktregelung
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umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
Bauanleitung zur Ampelsteuerung
Analyse von Technik:
SuS sollen die Ampelphasen einer realen Ampel selber überprüfen
Auszug aus der Bauanleitung „105.071 Ampelschaltung“ von Opitec
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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?
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Technik konstruieren- Wie bestimme ich die Länge der einzelnen
Phasen?
- Wie bestimme ich die Länge des gesamten Zyklus?
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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
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Beispiel Platinenlayout
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Rot
Gelb
Grün
Technik bewerten
Welche Vor- und Nachteile haben die unterschiedlichen Lösungsmöglichkeiten?
- Dualbewertung
- gestufte Bewertung
- Punktbewertung
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Verwendung von Hard- und Software zu computerunterstützten
Steuer- und Regelungsprozessen
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Automatisierungstechnik mit Lego RCX und Lego NXT
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Beispielaufgaben
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umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
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
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Erstellen vonelektronischen Schaltungen
zu Steuer- und Regelungsprozessen
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umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
Beispielschaltung
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
Beispiele für elektronische Steuerungen
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Entdeckendes / Erfindendes Lernen
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Black Box MethodeAufgabe:
Wie könnte der Türöffner von
Heron von Alexandria funktioniert
haben?
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Black Box MethodeAufgabe:
Zeichne in das Kästchen eine
mögliche Lösung, wie die
automatische Tür funktioniert haben kann!
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Aufgabe:
Entwerfe eine Öllampe, bei der
der Docht automatisch weitergeführt
wird!
http://www.sn.schule.de/~gyfloeha/rt/lex01/lex0100.html
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Aufgabe:
Wie funktioniert der Spülkasten einer Toilette?
(Fertige eine Skizze seiner
Funktionsweise an!)
http://www.badshop-world.de/images/nova.jpg
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WC Spülung
http://de.wikipedia.org/wiki/Toilettensp%C3%BClung
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WC Spülung
http://de.wikipedia.org/wiki/Toilettensp%C3%BClung
Aufgabe:Beschreibe die Funktionsweise
eines Spülkastens!
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Wie kann man ein Bimetall zur Temperaturmessung einsetzen?
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Diskussionen zum Thema Automatisierungstechnik
und ihre Bedeutung und Auswirkung
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- 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
Diskussionen im Technikunterricht
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Diskussion
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