Transcript Automatisierungstechnik im Unterricht - DGTB --

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
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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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12.
Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010
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Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010
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Mögliche Gründe
- Wo finde ich es im Lehrplan?
Handlungsfelder
-Was gehört zur Automatisierungstechnik?
Definition Automatisierungstechnik
-Wie setze ich es im Unterricht um?
Unterrichtsbeispiele
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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
- Ausrichtung eines
Windkonverters und
Veränderung des
Anstellwinkels der Flügel
in Abhängigkeit von der
Windgeschwindigkeit
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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.:
Heizung, Waschmaschine, Ofen,
Toaster, Eierkocher, Trockner, Fön,
elektrische Zahnbürste, Bügeleisen,
Boiler, Kühlschrank, Gefrierschrank…
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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 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.
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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.
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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 im
1. Jahrhundert)
http://www.realschule.bayern.de/lehrer/dokumente/untmat/ph/heron/heron.htm
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Mechanische
Öllampe
Heron von
Alexandria
(lebte vermutlich im
1. Jahrhundert)
http://www.sn.schule.de/~gyfloeha/rt/lex01/lex0100.html
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Heutige Automaten
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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
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3 grundlegende Begriffe
- Messen
- Steuern
- Regeln
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Messen
Erfassen der physikalischen Basisgrößen:
- Länge
- Masse
- Zeit
- Stromstärke
- Temperatur
- Lichtstärke
- (Stoffmenge)
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Messen
Abgeleitete Größen:
- Kraft
- Druck
- Geschwindigkeit
- Volumen
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Steuern  Steuerkette
Regeln  Regelkreis
Basiswissen Schule – Technik, Dudenverlag, 2001
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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
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Erstellen eines Flussdiagrammes
Elemente:
Operation
Start / Stopp
Verzweigung
Ja
Nein
Verbindung
zum nächsten
Element
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Flussdiagramm
Thermolüfter
Struktogramm
Thermolüfter
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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
umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
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Bauanleitung zur Ampelsteuerung
Auszug aus der Bauanleitung „105.071 Ampelschaltung“ von Opitec
Analyse von Technik:
SuS sollen die Ampelphasen einer
realen Ampel selber überprüfen
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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
Rot
Gelb
Grün
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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
umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
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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 von
elektronischen Schaltungen
zu Steuer- und Regelungsprozessen
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Beispielschaltung
umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006
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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
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Entdeckendes / Erfindendes Lernen
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Aufgabe:
Black Box Methode
Wie könnte der
Türöffner von
Heron von
Alexandria
funktioniert
haben?
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Aufgabe:
Black Box Methode
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
Aufgabe:
Beschreibe die
Funktionsweise
eines
Spülkastens!
http://de.wikipedia.org/wiki/Toilettensp%C3%BClung
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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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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
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Diskussion
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