UB  II Elektrotechnik Trinus Bußmann  

Inhaltsverzeichnis

1  Analyse des Bedingungsfeldes.  1

1.1  Angaben zur Lerngruppe.  1

1.2  Kompetenzen der Lerngruppe.  1

1.3  Der Referendar  2

1.4  Organisatorische Rahmenbedingungen.  2

2  Didaktisch-methodische Konzeption  2

2.1  Didaktische Überlegungen  2

2.1.1  Analyse der curricularen Vorgaben.  2

2.1.2  Analyse der Thematik  2

2.1.3  Auswahl- und Reduktionsentscheidungen  4

2.2  Methodische Konzeption.  5

2.2.1  Makrostruktur.  5

2.2.2  Mikrostruktur  5

3  Lern- und Handlungsziele/Kompetenzen.  6

4  Lernerfolgskontrolle.  7

5  Anlagen  8

Anlagenverzeichnis   

Anlage  I: Quellenangabe.  8

Anlage  II: Erklärung.  8

Anlage  III: Geplanter Unterrichtsverlauf.  9

Anlage  IV: Makrostruktur.  11

Anlage  V: Stundenverlauf (Stellwand)  13

Analge  VI: Klassendaten.  13

Anlage  VII: Sitzplan.  14

Anlage  VIII: Kundenauftrag 1  15

Anlage  IX: Aufgabenblatt 1  16

Anlage  X: Kundenauftrag 2.  20

Anlage  XI: Arbeitsschritte für Kundenauftrag (Stellwand)  21

Anlage  XII: Aufgabenblatt 2  22

Anlage  XIII: Modell einer Flutlichtanlage  26

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1 Analyse des Bedingungsfeldes

1.1 Angaben zur Lerngruppe

Die X ist eine Klasse der einjährigen Vollzeitschulform Berufsfachschule Mechatronik. Die Berufsfachstufe vermittelt eine theoretisch-fachliche und allgemeine Ausbildung. Zudem wird eine praktische Ausbildung von 160 Zeitstunden durchgeführt.

Mit dem erworbenen Abschluss ist der Eintritt in die Fachstufe einer Berufsausbildung möglich. Der erweiterte Sekundarabschluss I kann mit einem bestimmten Gesamtnotendurchschnitt erworben werden. 1

Die Klasse besteht aus einer Schülerin und zwölf Schülern ² . Die Altersstruktur ist als heterogen zu bezeichnen. Dies spiegelt sich auch im Leistungsvermögen der Schüler wieder. (vgl. Anlage VI). Schüler wie z.B. X, X verfolgen den Unterricht aufmerksam und hinterfragen Themenabschnitte. Sie weisen eine Vielzahl von guten Wortbeiträgen auf und treiben die Gruppenarbeiten voran. Andere Schüler wie z.B. X haben Probleme den Unterrichtsverlauf zu folgen und beteiligen sich kaum eigeninitiativ am Unterricht.

Die geringe Klassenstärke ermöglicht eine gute Beobachtung und Betreuung der einzelnen Schüler.

1.2 Kompetenzen der Lerngruppe

Fachkompetenz: Die Schüler kennen die logischen Grundfunktionen, wie „UND“, „ODER“ und „NICHT“ der Digitaltechnik und können diese in einfachen Aufgaben als logische Funktionen umsetzen. Der Aufbau einer Wertetabelle, einer Funktionsgleichung und einer Zuordnungsliste ist bekannt. Die Schüler können aus einer Wertetabelle eine Funktionsgleichung bilden und diese in ein FBD schreiben. Durch Arbeiten mit der Simulationssoftware LOGO!Soft Comfort ist die Eigenkontrolle gewährleistet. Während X der Umgang mit der Digitaltechnik aufgrund ihrer Vorkenntnisse bereits zu Anfang leichter fiel, konnten auch die Schüler, wie z.B. X ihre Kenntnisse verbessern. Es fällt den schwächeren Schülern immer noch schwer die Aufgabenstellungen richtig zu erfassen und in angemessener Zeit zu lösen. Durch Bearbeiten eines Kundenauftrages (vgl. Anlage IV) sind das Interesse und die Motivation für das Lösen der Aufgaben extrem gestiegen. Die Sonderfunktionen der LOGO!Soft haben die Schüler noch nicht kennen gelernt. Sie kennen jedoch den Aufbau eines Schaltsymbols und Signal-Zeit-Planes.

Methodenkompetenz: Die Schüler sind unterschiedliche Methoden gewohnt. Sowohl die Einzelarbeit als auch die Gruppenarbeit haben die Schüler mehrfach durchgeführt. Aus den Erfahrungen der letzten Stunden hat sich gezeigt, dass die Schüler in Gruppenarbeitsphasen mehrheitlich in der Lage sind Aufgaben strukturiert und zielorientiert zu bearbeiten. Sie können die wichtigen Punkte herauskristallisieren und diese visualisieren und präsentieren. Hinsichtlich der Präsentation im Plenum wurden verschiedene Varianten praktiziert. Das Auftreten und Verhalten hat sich bei vielen Schülern schon verbessert, jedoch besteht hier noch Verbesserungsbedarf. Die Schüler sind es gewohnt Kundenaufträge zu bearbeiten (vgl. Anlage IV).

¹ vgl. www.bbs-emden.de, Stand 03.2010

² Im Folgenden wird zu Gunsten des Leseflusses auf die explizite Nennung der weiblichen Form verzichtet.

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Sozialkompetenz: Es herrscht grundsätzlich eine angenehme Lern- und Arbeitsatmosphäre. Der Umgangston ist freundlich und offen. Im Unterricht ist zu beobachten, dass sich die Schüler gegenseitig akzeptieren und respektieren. Die fachlich stärkeren Schüler unterstützen ihre Mitschüler bei der Erledigung der Arbeitsaufträge. Allgemein ist bei der Gruppenarbeit- und Präsentationsphase bislang kein unkonzentriertes Verhalten einzelner Schüler zu beobachten gewesen.

1.3 Der Referendar

Ich unterrichte die Klasse X seit Februar 2010 mit zwei eigenverantwortlichen Wochenstunden. Das Verhältnis zur Klasse empfinde ich als freundlich und entspannt. Ich fühle mich von der Klasse akzeptiert, da ich nicht nur bei selbstständigen Arbeitsphasen als Lehrperson zur Klärung fachlicher Probleme, sondern auch über den Unterricht hinaus um Rat gefragt werde. Meine Kompetenzen zu diesem Unterrichtsgebiet habe ich durch meine Ausbildung, meines Ingenieurstudiums und meiner Tätigkeit als Ingenieur erworben. Vertieft wurden die Inhalte durch eigenes Literaturstudium und praktischer Programmierung. Unterrichtet habe ich das Thema nur im Rahmen der Makrosequenz (s. Anhang IV).

1.4 Organisatorische Rahmenbedingungen

Die X wird in Raum W 16 unterrichtet. Der heutige Besuch wird in Raum 360 stattfinden, da die Lichtverhältnisse für den Beamer in W 16 zu hell sind. Über den Beamer werden die Schülerergebnisse dargestellt. Die Tische sind zu drei Gruppenarbeitsplätzen zusammen gestellt. Die Schülergruppen arbeiten an Laptops, da zum Einen die Software (LOGO!Soft Comfort 2.0) installiert wurde und zum Anderen können sie an den Beamer angeschlossen werden.

2 Didaktisch-methodische Konzeption

2.1 Didaktische Überlegungen

2.1.1 Analyse der curricularen Vorgaben

Für die Berufsfachschule -Mechatronik- ist der Rahmenlehrplan nach Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 30.01.1998 maßgebend ³ .

Im Rahmenlehrplan zum Lernfeld 4 „Untersuchen der Energie- und Informationsflüsse in elektrischen, pneumatischen und hydraulischen Baugruppen“ ist dieser inhaltliche Schwerpunkt der Stunde explizit mit einem Lernziel ausgewiesen: „(…) beherrschen steuerungstechnische Grundschaltungen (…) Inhalte: (…) Grundschaltungen der Steuerungstechnik(…)“ ⁴ . In dieser Unterrichtseinheit lernen die

Schüler den Sonderfunktionsbaustein Einschaltverzögerung kennen. Dieses ist ein Grundbaustein für den weiteren Verlauf der Makrosequenz (s. Anhang IV).

2.1.2 Analyse der Thematik

Das Lernfeld 4 der Mechatroniker befasst sich mit dem Thema Steuerungstechnik (s. 2.1.1). Die Schüler sollen in der geplanten Unterrichtsstunde ihre Programmierkenntnisse (LOGO!Soft) erweitern (Sonderfunktion: Einschaltverzögerung) und an einem praxisrelevanten Beispiel (Flutlicht-Steuerung

³ Rahmenlehrplan für den berufsfeldbezogenen Lernbereich in der Berufsfachschule, Berufsfeld Mechatronik

⁴ Rahmenlehrplan für den berufsfeldbezogenen Lernbereich in der Berufsfachschule, Berufsfeld Mechatronik, Beschluss der

Kultusministerkonferenz (1998), S.9.

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über die LOGO!) anwenden und erkennen. Die ursprüngliche Technik der fest programmierten Relaissteuerung und Schütztechnik (Verbindungsprogrammierte Steuerung, VPS) wird zunehmend abgelöst von der frei programmierbaren Steuerungstechnik (Speicherprogrammierbare Steuerung -SPS).

Speicherprogrammierte Steuerungen, welche seit den sechziger Jahren immer mehr Einzug in die Lösung von Steuerungsaufgaben erhalten hat, lassen sich u. a. in die Kategorien „Kleinsteuerung“ (z.B. LOGO! von Siemens) und „Speicherprogrammierbare Steuerung“ (SPS) aufteilen ⁵ .

Bei der SPS handelt es sich um ein Automatisierungssystem (z.B. die SIMATIC-Baureihe von Siemens), das für größere Steuerungen in der Autoindustrie oder Förderanlagen eingesetzt wird. Dagegen ist das Steuergerät LOGO! schon bei kleinen Steuerungsaufgaben wirtschaftlich und wird in ⁶ . den Einsatzgebieten Installationstechnik, Maschinensteuerung und Anlagensteuerung eingesetzt Neben der LOGO! gibt es noch die „Easy“ und die „Pharao“ von anderen Herstellern. Die Speicherprogrammierten Steuerungen funktionieren nach dem EVA - Prinzip (Eingabe - ⁷ . Verarbeitung - Ausgabe)

Die Speicherprogrammierte Steuerung holt sich die Informationen mit Hilfe von Sensoren (Taster, Endschalter oder auch Lichtschranken). Dieses braucht die Steuerung, um den Prozess steuern zu können (Eingabe).

Diese Informationen werden von der Steuerung verarbeitet (Verarbeitung). Sie leitet Maßnahmen ab, die den Prozess in der gewünschten Weise beeinflussen. Dieses geschieht mit Hilfe von Aktoren (Lampen, Motoren, Schütze) (Ausgabe). Die Sensoren sind an die Eingänge und die Aktoren an die Ausgänge der Speicherprogrammierbaren Steuerung angeschlossen.

Die Vielzahl unterschiedlicher Sensoren lässt sich grob in binäre, digitale und analoge Sensoren aufteilen. Binäre Sensoren finden Anwendung bei der Erfassung von Positionen, Abständen und Längen, indem sie die Schaltzustände An/Aus annehmen. Digitale Sensoren werden bei der zahlenmäßigen Erfassung von Wegstrecken und Zeiten angewendet und analoge Sensoren liefern Werte von Temperaturen, Druck oder Lichtstärken. Die Auswertung analoger Messwerte mit digitalen Steuerungen erfordert die Digitalisierung von Messwerten, wobei die Messgrößen unter Anwendung eines physikalischen Prinzips in elektrische Größen umgewandelt werden. Die LOGO! bietet zwei Möglichkeiten, um diese zu programmieren. Zum einen über ein Tastenbedienfeld direkt an der LOGO!, welches sich als sehr mühsam und unübersichtlich erweist. Die zweite Möglichkeit, die wir in der heutigen Stunde nutzen, ist die Software LOGO!Soft Comfort V2.0. Hiermit ist nicht nur eine bessere Übersicht gewährt, sondern auch gleichzeitig eine Simulation vorhanden. Hierbei kann auf einfache Programmierweise ein Funktionsblockdiagramm (FBD) oder eine Ladder-Darstellung (LAD) für das Logikmodul erstellt werden. Die Schüler benutzen in meinem Unterricht ausschließlich die FBD, da sie dieses als einfacher empfinden. Über ein Schnittstellenkabel kann dann das FBD bzw. LAD in die Kleinsteuerung übertragen werden. Dieses geht allerdings nur mit der Version LOGO!Soft 6.0.

⁵ vgl. Tapken, H, (2008), LOGO!, S. 7/8

⁶ vgl. Tapken, H, (2008), LOGO!, S. 9

⁷ vgl. Graue, U., Thielert, M., Wenzl, L. (2009), LOGO! Praxistraining, S. 7

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Die LOGO! bietet 29 verschiedene Funktionen an, die miteinander zu einem Programm verknüpft werden können, damit ein bestimmtes Prozessverhalten erreicht wird. Dieses ist in Grundfunktionen (wie z.B. UND, ODER, NOR, NAND u.s.w.) und Sonderfunktionen wie Zeitbausteine (z.B. Ein- und Ausschaltverzögerung, Zeituhren), Zähler (Vorwärts/Rückwärts), Analog (z.B. PI-Regler, Rampenfunktionen) und Sonstige (z.B. Stromstoßrelais, Selbsthalterelais) aufgeteilt. Für die heutige Stunde werden die Zeitbausteine (Einschaltverzögerung) von besonderer Bedeutung sein. Über das anklicken des Bausteins lässt sich dieser in seinen Elementen parametrieren. Die eingestellten Parameterwerte, wie die Zeit in der heutigen Stunde, werden mit der Farbe „grün“ neben dem Funktionsblock angezeigt. Die Software bietet neben einer Simulation noch eine detaillierte Hilfefunktion für alle Bausteine an. Dies ist vor allem bei komplexen und neuen Funktionen (Einschaltverzögerung) sehr hilfreich.

2.1.3 Auswahl- und Reduktionsentscheidungen

Die Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) erfolgt in anderen Makrosequenzen dieses Lernfeldes und wird in dieser Makrosequenz nicht näher thematisiert (s. Anlage IV). Mit der SPS werden ganze Fabriken überwacht und gesteuert. Sie können vielfältige und komplexe Aufgaben übernehmen. Die SPS-Steuerung wird in den folgenden Lernfeldern im Rahmen der weiteren Berufsausbildung der Schüler im zweiten bis vierten Ausbildungslehrjahr vermittelt. Die Grundlagen für die komplexeren Steuerungen werden bereits berufsfeldübergreifend im ersten Ausbildungslehrjahr anhand von Kleinsteuerungen (LOGO!) erarbeitet.

Die Schüler werden über Problemstellungen aus dem täglichen Leben eines Kundenauftrages an die Funktionsweisen und vor allem an die Einsatzmöglichkeiten der LOGO! bzw. der LOGO!Soft Comfort herangeführt.

Neben anderen Herstellern solcher Kleinsteuerungen (s. 2.1.2) wird an der BBS II Emden die Kleinsteuerung LOGO! der Fa. Siemens angeboten. Aus diesem Grund werden die Kundenaufträge (Problemstellungen) an diesen Kleinsteuerungen gewählt. Zudem besitzt die Schule ein LOGO!Lern_Advanced (s. Anlage XIII.)

An diesem Modell habe ich den Kundenauftrag der heutigen Stunde gewählt. Hier ist die Simulation des Auftrages noch ersichtlicher und stärkt vor allem für die leistungsschwächeren Schüler (S. 1.1) das Vorstellungsvermögen für solch einen Auftrag. Dadurch, das die Schule z.Z. nur ein Modell besitzt, wird das Programm auf den jeweiligen Laptops der Gruppen mit dem Programm LOGO!Soft Comfort V 2.0 geschrieben und anschließend auf das Modell übertragen (s. 2.1.2). Zum Programmieren habe ich Laptops gewählt, da die Lichtverhältnisse in einigen Räumen sehr bescheiden sind und wir (Schüler und ich) mobil und flexibel sind. Dadurch, dass die Schule die Version V 2.0 besitzt, habe ich diese für die Schüler gewählt. Die Version 2.0 und 6.0 sind kompatibel und deswegen gibt es keine Probleme bei der Übertragung der Software auf das Modell (s. 2.1.2). Damit wird den Schülern über die Anwendung der Computertechnik ein einfacher Zugang zu der Programmierung der Steuerung ermöglicht. Die Schüler haben aus der täglichen Erfahrung im Umgang mit dem PC eine sehr anwenderfreundliche Weise für die Problemlösung.

Mit der Software kann der Betrieb simuliert werden und die Funktion des Programms getestet werden. Somit reduzieren sich Fehlermöglichkeiten und die Hardware wird geschont.

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Die Übung zur Erstellung von Automatisierungen an zunächst kleineren Problemstellungen (s. Anlage IV) aus dem täglichen Leben, wie z.B. eines Flüssigkeitstand eines Öltanks (s. Anlage IV), ermöglicht den einfachen Zugang zu den Grundprinzipien dieser Technik und bildet die Grundlage für die spätere Anwendung an komplexeren Aufgabenstellungen und Steuerungsprozessen.

Die Schüler lösen die Programmierung eines Kundenauftrages über (s. 1.2) das Ausfüllen von einer Wertetabelle und Funktionsgleichung. Dadurch ist eine Struktur zum Lösen einer solchen Aufgabe gegeben. Ich bespreche die Wertetabelle mit den Schülern (s. Anlage IV), damit alle Gruppen auf dem richtigen Pfad sind und keine Missverständnisse auftauchen. Wie schon in 2.1.2 beschrieben, sind die Sonderfunktionen sehr komplex. Deswegen habe ich ein zusätzliches Arbeitsblatt (s. Anlage XII) zur Bearbeitung herausgegeben, damit die Schüler den Zusammenhang verstehen. Die Erweiterung des Kundenauftrages (s. Anlage X) ist mit einer Sonderaufgabe versehen. Dadurch werden die Schüler abgeholt, die die Aufgabe bereits gelöst haben. Mir ist im Unterricht sehr wichtig, dass die Schüler in ihrem Wissensstand abgeholt werden und auch individuell gestärkt werden. Das möchte ich mit dem Zusatz (s. Anlage X) erreichen. Ich habe die Sonderfunktion Einschaltverzögerung gewählt, da sie häufig benutzt wird und einfach zu parametrieren ist.

2.2 Methodische Konzeption

2.2.1 Makrostruktur (s. Anlage IV)

2.2.2 Mikrostruktur

Zu Beginn der Stunde werde ich Transparenz schaffen, indem ich den Schülern das heutige Stundenthema „Flutlichtanlage“ - Simualtion einer Realsituation“ vorstelle. Zudem zeige ich den Stundenverlauf auf einem Flipchartbogen, um die Schüler für die heutige Stunde zu sensibilisieren. Ich teile die Klasse in vier heterogene Leistungsgruppen ein (s. Anlage VII). Ich hätte auch eine Partnerarbeit wählen können, doch aus Zeitgründen ist eine Gruppenarbeit mit einer Gruppengröße von 3 - 4 Schülern effektiver.

Nachdem ich die Schüler in Gruppen eingeteilt habe, lege ich den Kundenauftrag auf einen OHP (Overheadprojektor) auf. Damit ist die ganze Aufmerksamkeit der Klasse bei der Aufgabe. Ich hätte auch die Aufträge austeilen können, doch dann schweifen viele Schüler ab. Ich zeige den Schülern das Modell der Flutlichtanlage (s. Anlage XIII), um ihre Motivation zu steigern.

Den schriftlichen Arbeitsauftrag werde ich von Karsten vorlesen lassen, damit er motiviert ist und eine positive Einstellung zur Aufgabe entwickelt. Danach lasse ich noch einmal Les mit eigenen Worten wiedergeben, was als Arbeitsauftrag zu machen ist (s. 1.1). Durch gezieltes Ansprechen der beiden Schüler wird noch einmal das Interesse zur Aufgabe geweckt. Alle Schüler kennen bereits dieses Verfahren, da ich es bei jeder Stunde, je nach Situation, einstreue.

Bevor die Schüler mit dem Arbeitsauftrag beginnen, frage ich ins Plenum, welcher Arbeitsschritt als erstes ausgeführt werden muss, um das Problem zu lösen. Ich möchte die Schüler kognitiv dazu bringen, gewisse Schritte am Anfang zu bearbeiten. Die Schüler sollen durch Fragen meinerseits aufgefordert werden Entscheidungen zu treffen. Diese lasse ich von einem Schüler (X) am Flipchart festhalten. Dadurch können die Schüler sich noch einmal bei der Reihenfolge der Arbeitschritte vergewissern.