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Automatisierungstechnik im Unterricht. Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010. Gliederung. Einleitung Automatisierungstechnik in den / als Handlungsfeld ( ern ) ? ! Definition Automatisierungstechnik Unterrichtsbeispiele zur Automatisierungstechnik.

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institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 2010

Automatisierungstechnik

im Unterricht

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 20101

Gliederung

  • Einleitung
  • Automatisierungstechnik in den / als Handlungsfeld(ern) ?!
  • Definition Automatisierungstechnik
  • Unterrichtsbeispiele zur Automatisierungstechnik

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 20102

Einleitung

Warum eine Präsentation zum Thema Automatisierungstechnik?

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

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Persönliches Interesse.

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institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 20104

Automatisierung ist allgegenwärtig und Bestandteil unseres modernen und alltäglichen Lebens.

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 20105

Automatisierungstechnik findet im Technikunterricht zu wenig Beachtung.

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 20106

Automatisierungstechnik in der Schule

Deutschlandweite Umfrage von M. Radermacher aus dem Jahr 2008

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

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12.

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010

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Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010

institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 20109

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

institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 201010

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

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

&

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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 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.

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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)

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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)

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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 Einheitenselbstständig – 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

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Basiswissen Schule – Technik, Dudenverlag, 2001

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Vergleich Steuern und Regeln

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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

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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

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Verzweigung

Nein

Verbindung zum nächsten Element

Ja

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Flussdiagramm

Thermolüfter

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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

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006

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Bauanleitung zur Ampelsteuerung

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

Auszug aus der Bauanleitung „105.071 Ampelschaltung“ von Opitec

  • Analyse von Technik:
  • SuS sollen die Ampelphasen einer realen Ampel selber überprüfen
institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 201043

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

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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

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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:

Wie könnte der Türöffner von Heron von Alexandria funktioniert haben?

Black Box Methode

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institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 201057

Aufgabe:

Zeichne in das Kästchen eine mögliche Lösung, wie die automatische Tür funktioniert haben kann!

Black Box Methode

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Aufgabe:

Entwerfe eine Öllampe, bei der der Docht automatisch weitergeführt wird!

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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!)

?

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http://www.badshop-world.de/images/nova.jpg

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WC Spülung

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http://de.wikipedia.org/wiki/Toilettensp%C3%BClung

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WC Spülung

Aufgabe:

Beschreibe die Funktionsweise eines Spülkastens!

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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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institut f r technik und ihre didaktik thomas weber 201065

Diskussion

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