Lehrversuch Holz

Inhaltsverzeichnis Seite:

1. Einleitung

2. Handlungsorientierter Unterricht
2.1. Gruppenarbeit

3. Fachwissenschaftliche Grundlagen
3.1. Kenngrößen der Holzfeuchte
3.2. Fasersättigung
3.3. Quellen und Schwinden

4. Theorie-Praxis-Transfer
4.1. Auswirkungen des Quell- und Schwindverhaltens

5. Einbindung des Themas in den Rahmenlehrplan

6. Beschreibung des Lehrversuches

7. Versuchseinbettung in die Unterrichtseinheit

8. Bewertung des Lehrversuches

Quellenangaben

1. Einleitung

Die Berufsschule wird von den Schülern oftmals nur mit einer gewissen Kneipenmentalität besucht: "Hier ist es warm, hier treffe ich Freunde". Das eigentliche Lernen findet ihrer Meinung nach im Betrieb statt, hier tritt das sogenannte Lernen durch Handeln auf. Lernen durch Handeln ist eine „beiläufige Art des Lernens“, nämlich durch Versuch u. Irrtum (Trial and Error). Lernen durch Handeln ist dann gerechtfertigt, wenn z.B. durch das Ausprobieren nichts beschädigt werden kann u. der Zeitaufwand verträglich ist. Da Lernen durch Handeln eine „beiläufige Art des Lernens“ ist, kann es daher bis auf wenige Ausnahmen nicht Aufgabe der Schule sein Lernen durch Handeln zu vermitteln. Aufgabe der Berufsschule muß es jedoch sein, Lernen und Verstehen so zu gestalten, daß die Schüler ähnlich gefordert werden, wie im Betrieb. Dabei soll vor allem Selbständigkeit und Verantwortung für das eigene lernen geübt werden. Hierzu bieten sich Versuche eingebettet in einen handlungsorientierten Unterricht an.

Wir haben uns für einen Versuch aus dem Holzbereich entschieden, der sich mit dem Verhalten von Holz gegenüber Feuchte, genauer mit dem Quellen und Schwinden, beschäftigt. Bevor wir die fachwissenschaftlichen Grundlagen dieses Themas näher erläutern, werden wir zunächst kurz den methodischen Überbau der handlungsorientierten Arbeitsweise im Unterricht darstellen. Im weiteren werden wir unser Thema in den fachwissenschaftlichen Gesamtzusammenhang einordnen und anschließend auf den Rahmenlehrplan der beruflichen Schulen abstimmen. Im Folgenden stellen wir einen möglichen Versuchsaufbau und - ablauf einer Unterrichtseinheit entsprechend vor. Abschließend nehmen wir eine Bewertung des Lehrversuches vor.

2. Handlungsorientierter Unterricht

Zur Erklärung soll hier zunächst eine kurze Definition dienen:

Handlungsorientierter Unterricht ist ein ganzheitlicher und schüleraktiver Unterricht, in dem die zwischen der Lehrkraft und den Schülern vereinbarten Handlungsprodukte die Gestaltung des Unterrichtsprozesses leiten, so daß Kopfund Handarbeit der Schüler in ein ausgewogenes Verhältnis zueinander gebracht werden können ( vgl. Jank/Meyer S.354 ).

Im handlungsorientierten Unterricht sollen, wie dies die Begriffswahl zum Ausdruck bringt, Schülerhandlungen in den Mittelpunkt der Unterrichtsarbeit gestellt werden. Die Lehrer sollen - häufiger als im herkömmlichen Unterricht üblich - mit ihren Schülern etwas tun, das "Hand und Fuß" hat. Der Unterricht soll, wenn irgend möglich, zu Ergebnissen kommen, die man anfassen oder vorführen, mit denen man spielen oder weiterarbeiten kann, die für die Schüler augenblicklich und auch noch später Gebrauchswert besitzen. Dies läßt sich beispielsweise durch Unterrichtsversuche, wie dem im folgenden vorgestellten, umsetzen.

Als sinnvolle Arbeitsform zur Umsetzung dieser Ziele im handlungsorientierten Unterricht bietet sich die Gruppenarbeit an.

2.1. Die Gruppenarbeit

Zunächst eine Definition zur Verständigung.

Gruppenarbeit ist gekennzeichnet durch die zeitlich begrenzte Teilung des Klassenverbandes in mehrere arbeitsfähige Kleingruppen, die Bearbeitung von vom Lehrer oder selbst gestellten Aufgaben, die Vorstellung der Arbeitsergebnisse und deren weitere Nutzung im Klassenunterricht, soziale Interaktion und sprachliche Verständigung.

Die Vorzüge der Gruppenarbeit liegen grundsätzlich im sozial-erzieherischen Bereich. Gruppenarbeit kann jedoch auch die Ergebnisse der Sacharbeit deswegen günstig beeinflussen, weil die Findungsleistung der Gruppe größer ist als die des einzelnen Schülers.

Die Schwächen der Gruppenarbeit ergeben sich vor allem aus der Komplexität von Gruppenarbeit. Schwierig ist in jedem Fall die Phase, in der die Arbeitsergebnisse zusammengeführt und im Plenum verarbeitet werden sollen (vgl. Meyer S. 238 ).

3. Fachwissenschaftliche Grundlagen

3.1. Kenngrößen der Holzfeuchte

Holz ist ein kapillarporöser Stoff. Der Porenanteil beträgt je nach Rohdichte des Holzes im Durchschnitt 50 ... 60%. Dadurch bedingt, hat Holz eine sehr große innere Oberfläche. Dieses Hohlraumsystem absorbiert - wie alle porösen Stoffe - Wasser aus der Luft und kann darüber hinaus durch kapillare Transportprozesse unmittelbar flüssiges Wasser oder andere Flüssigkeiten (z. B. Holzschutzmittel, Klebstoffe) aufnehmen.

In Abhängigkeit vom Wasseranteil in der Holzsubstanz werden drei Grenzzustände unterschieden:

- Darrtrocken

Es ist keinerlei Wasser im Holz vorhanden, die Holzfeuchte beträgt 0%

- Fasersättigung (Fasersättigungsbereich)

Das gesamte Mikrosystem des Holzes, d. h. das

Hohlraumsystem in den Zellwänden, ist mit Wasser gefüllt.

- Wassersättigung

Das Mikro- und das Makrosystem des Holzes (Zellumina, Hohlräume in Zellwänden) ist maximal mit Wasser gefüllt.

Der Wasseranteil des Holzes wird dabei in freies Wasser (Anteil des Wassers, der oberhalb des Fasersättigungsbereiches liegt) und gebundenes Wasser (Anteil des Wassers der unterhalb des Fasersättigungsbereiches liegt) unterteilt (vgl. Niemz S.38).

Es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Holz unterliegt infolge seines strukturellen Aufbaus den Gesetzmäßigkeiten kapillarporöser Körper. Sowohl das Mikro- als auch das Makrosystem können Wasser aufnehmen und abgeben.

3.2. Fasersättigung

Der Fasersättigungsbereich kennzeichnet den höchstmöglichen Gehalt an gebundenem Wasser. Beim lebenden Stamm befindet sich das Wasser im Zellhohlraum und in der Zellwand. Je nach Holzart und -dichte können zu der Holzmasse noch 60...130% Wasser hinzugerechnet werden. Schon nach dem Fällen beginnt das Wasser aus den Zellräumen von den Schnittflächen her auszutrocknen. Zunächst verdunstet das in den Zellräumen lagernde Wasser, ohne daß sich an der Form des Holzes etwas ändert.

Befinden sich noch annähernd 30% Feuchte in den Zellwänden, so spricht man vom Fasersättigungsbereich. Er ist deshalb so wichtig, weil nach Verdunsten weiteren Wassers, das nun aus den Zellwänden heraustritt der Holzkörper an Volumen verliert, er schrumpft oder "schwindet".

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(vgl. Glinski u.a. S.20)

Man spricht bei der Fasersättigung deshalb nicht von einem Punkt, sondern von einem Bereich, weil bei den heimischen Holzarten der Fasersättigungsbereich zischen 22 und 35% Feuchtegehalt liegt. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Holzarten werden dabei durch Differenzierung im Zellwandfeinbau und im chemischen Aufbau hervorgerufen. Die nachfolgende zeigt die Einteilung der Hölzer nach ihrem Feuchtegehalt im Fasersättigungsbereich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(vgl. Niemz S. 50)

3.3. Quellen und Schwinden

Im gleichen Maße, indem das Holz durch Verdunstung seines Wassers an Volumen verliert, dehnt es sich bei Wasseraufnahme solange, bis seine alte Form annähernd wieder hergestellt ist, es quillt. Diese ständige, von der Luftfeuchte abhängige Volumenveränderung ist bei verschiedenen Hölzern unterschiedlich, aber auch bei Hölzern gleicher Art. Generell gilt, daß verkerntes Holz langsamer schwindet als unverkerntes.

Außerdem schwindet das gleiche Holz in seinen drei Wuchsrichtungen verschieden stark:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(vgl. Glinski u.a. S.20)

Harte Hölzer, das heißt Hölzer mit größerer Rohdichte, schwinden bzw. quellen stärker als weiche Hölzer.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(vgl. Niemz S. 55)

Das Schwinden beginnt erst, wenn das Wasser die Zellwände verläßt, und eine dicke Buchenzellwand schwindet mehr als eine dünne Zellwand der Fichte. Bei Nadelhölzern mit dünnen Zellwänden ist in radialer Richtung wenig Schwindmasse vorhanden, dagegen wirkt sich in tangentialer Richtung der geschlossene Spätholzring aus und zieht die dünnwandigen Zellen mit. Die zahlreichen querliegenden Markstrahlen behindern das Schwinden in radialer Richtung zusätzlich.

Also wird das Quell- und Schwindverhalten von Holz wird durch die Rohdichte, den Spätholzanteil, den anatomischen Aufbau und den Ligninanteil deutlich beeinflußt. Die geringe Längsquellung, bzw. -schwindung wird mit der Orientierung der Fibrillen in Faserlängsrichtung und dem relativ geringen Anteil quer zur Faserrichtung liegender Zellwände begründet.

Folgende Ursachen werden für die Unterschiede in Radial- und Tangentialrichtung angeführt:

- Ein größerer Durchmesser der radial verlaufenen quellfähigen Mittellamellen.

- Unterschiede im Fibrillenaufbau von Radial- und Tangentialwand.

- Eine in radialer Richtung bessere Verankerung der Zellwände durch die Holzstrahlen.

Auch der Ligningehalt und andere Parameter wirken sich deutlich aus. Stark lignifizierte Holzarten schwinden weniger als schwach lignifizierte.

4. Theorie-Praxis-Transfer

4.1. Auswirkungen des Quell- und Schwindverhaltens

Eine Änderung der relativen Luftfeuchte führt zwangsläufig zur Änderung des Feuchtegehalts von Holz und damit zu Quell- und Schwinderscheinungen. Das unterschiedliche Quell- und Schwindverhalten in den drei Hauptschnittrichtungen hat eine erhebliche Verformung des Holzes und innere Spannung zur Folge. So wird z.B. die linke, dem Kern abgewandte Seite eines Brettes stets hohl.

Bei unsachgemäßer Trocknung (d. h. bei einem zu hohen Feuchtegefälle zwischen den äußeren und inneren Schichten des Holzes) kommt es insbesondere bei Holz mit hoher Rohdichte vor allem in Radialrichtung zu erheblichen Rissbildungen. Für die Verarbeitung ergeben sich daraus folgende Schlußfolgerungen:

- Vor der Verarbeitung muß der Feuchtegehalt des Holzes dem zu erwartenden Gleichgewichtsfeuchtegehalt angepaßt werden.

- Bei großflächigen Holzkonstruktionen wie z.B. Fußböden oder Deckenverkleidungen müssen entsprechende Dehnungsfugen vorgesehen werden (Nut-Feder-Verbindungen).

- Beim Holzeinsatz ist die Schnittrichtung zu berücksichtigen, so sollten z.B. Rahmenstücke nicht aus Seitenbrettern gefertigt werden.

- Bei allen Passungen sind die Quell- und Schwindmasse des Holzes in Rechnung zu stellen (Klemmen von Fenstern, Schubkästen).

- Das unterschiedliche Quell- und Schwindverhalten des Holzes in den drei Hauptschnittrichtungen kann bei empfindlichen Holzarten, vor allem bei Hartholz zu Rissbildung führen. Eine rasche Trocknung ist deshalb zu vermeiden (vgl. Niemz S.61).

Kenntnisse über das Arbeiten des Holzes, bzw. über das Quellen und Schwinden, müssen zu Beginn einer Tischlerausbildung stehen. Sie sind elementar wichtig für sämtliche Arbeiten in diesem Berufszweig deren Konstruktionsweisen häufig auf diese Probleme abgestimmt sein müssen.

5. Einbindung des Themas in den Rahmenlehrplan

In dem Ausbildungsrahmenplan für Tischler/Tischlerin gemäß §5 der Ausbildungsverordnung vom 31.01.´97 ist dieses Thema für das erste Lehrjahr vorgesehen.

Unter dem Kapitel I. Berufliche Grundbildung sieht der Rahmenplan Fertigkeiten und Kenntnisse, die unter Einbeziehung selbständigen Planens, Durchführens und Kontrollierens zu vermitteln sind vor.

Punkt 7, der sich mit dem Unterscheiden von Holz und Holzwerkstoffen und dem Auswählen nach Verwendungszweck und Wirtschaftlichkeit beschäftigt, ist mit einem zeitlichen Richtwert von drei Wochen veranschlagt. Unser Thema findet sich hier im Unterpunkt c):

Holz und Holzwerkstoffe im Hinblick auf den Verwendungszweck, die Formgebung, die Wirtschaftlichkeit sowie unter Berücksichtigung der Holzfeuchte und des Verschnitts auswählen (vgl. BIBB S.38f).

Für die Unterpunkte der einzelnen Kapitel finden sich im Rahmenlehrplan keine festen Zeitvorgaben.

Unser Versuch ist eingebettet in eine 90-minütige Unterrichtseinheit.

6. Beschreibung des Lehrversuches

Unser Lehrversuch soll das unterschiedliche Quellverhalten von Holz in tangentialer und radialer Richtung verdeutlichen. Hierzu dient uns eine Apparatur, die mittels eines Zeigerausschlags die Volumenveränderung bewässerter Holzstücke verdeutlicht. Wir haben uns für diesen vergleichsweise einfachen Versuchsaufbau entschieden, da er problemlos von den Schülern selbst durchgeführt werden kann.

Die Probestücke sind aus Kiefer und haben die Maße 60 x 60 x 60 cm. Sie sind mehrfach tief eingenutet. Damit erreichen wir eine größere Oberfläche für die Wasseraufnahme und der Effekt des Quellens wird dadurch verstärkt und beschleunigt. Da die Versuche innerhalb einer nur 90-minütigen Unterrichtseinheit stattfinden scheint uns diese Maßnahme sinnvoll.

Die Probestücke werden nun folgendermaßen in den Versuchsaufbau integriert:

Bei der Umsetzung unseres Versuches haben wir uns nach den Gegebenheiten der meisten beruflichen Schulen gerichtet. Die Apparatur muß nicht teuer und umständlich beschafft werden, sondern kann mit vergleichsweise einfachen Mitteln in der Schulwerkstatt selber angefertigt werden. Für die Verdeutlichung der Volumenveränderung ist es hier wichtig die Lage des Drehpunktes so zu wählen, das der Zeiger möglichst lang ist und somit ein großer Ausschlag erreicht wird. In Vorversuchen mit beispielsweise normalen Unterlegstücken kann die Skala in Millimeterschritte eingeteilt (geeicht) werden.

Für die Holzproben ist kein Darrofen notwendig. Für die Dauer und den gewünschten Effekt genügt es, sie auf einer normalen Heizung oder einem Ofen zu trocknen.

Das so getrocknete Holz wird in den Behälter gelegt (hierbei ist auf den Verlauf der Jahrringe zu achten) und - nach Auflegen des Gelenkarmes mit Abnehmer - mit Wasser übergossen.

Auf der Skala kann man nun den Zeigerausschlag als Index für die Volumenveränderung ablesen.

7. Versuchseinbettung in der Unterrichtseinheit

Die Unterrichtseinheit soll unter dem Thema Arbeiten des Holzes stehen. Zu Beginn soll geklärt werden, was darunter zu verstehen ist. Es sollten die Begriffe Form-, Volumenveränderung, Quellen und Schwinden fallen.

Im Zusammenhang mit dem Begriff des Quellens sollen unsere Versuchsapparaturen präsentiert werden und die Klasse je nach Schüler und Apparateanzahl in drei bis fünf Gruppen eingeteilt werden. Nun wollen wir zunächst das Quellverhalten in radialer Richtung betrachten. Die Schüler werden in die Handhabung der Versuchsapparatur eingewiesen und es wird eine Versuchsdauer von 30 Minuten vereinbart.

Während dieser Zeit wird der Unterricht fortgesetzt. Zunächst soll es um die Vorgänge bei der Holztrocknung gehen und hierbei besonders um die Begriffe freies und gebundenes Wasser, Fasersättigungsbereich und Darrpunkt. Weiterhin wird die Abhängigkeit des Holz- von der Luftfeuchte dargestellt und über unterschiedliche Einbaufeuchten gesprochen.

Im nächsten Punkt soll es um Schwundrichtungen und Schwundmaße des Holzes gehen. Die Frage nach eventuellen Unterschieden soll mit der Auswertung des ersten und der Durchführung des zweiten Versuchs geklärt werden. Im zweiten Versuch wird eine Holzprobe auf das Quellverhalten in tangentialer Richtung beobachtet. Während der erneuten 30-minütigen Versuchsdauer soll es um die unterschiedlichen Schwundmaße in radialer, tangentialer und längsrichtung gehen. Den Schülern soll klar werden, daß dieser theoretische Teil anschließend mit den Ergebnissen der beiden Versuche auf anschauliche Art und Weise untermauert wird.

8. Bewertung des Lehrversuches

Der Versuch hat in erster Linie die Aufgabe den Schülern anschaulich zu machen, daß das Quellverhalten des Holzes in tangentialer Richtung weitaus größer ist als das in radialer Richtung. Das Quellverhalten in längsrichtung haben wir aufgrund der zu erwartenden geringen Veränderung in den Versuchen nicht berücksichtigt.

Bei unseren eigenen Versuchsdurchführungen konnten wir folgende Werte feststellen: In radialer Richtung hatte sich das Maß der Holzprobe nach etwa 30 Minuten um einen Millimeter vergrößert Die Maßänderung in tangentialer Richtung setzte beinahe sofort nach Wasserkontakt ein und betrug nach 30 Minuten ca. vier Millimeter. Diese Ergebnisse lassen sich sicherlich nicht auf die fachwissenschaftlichen Grundlagen unseres Themas übertragen, was allerdings wie bereits erwähnt auch nicht unser vorrangiges Ziel war. Die klare Verdeutlichung des Arbeiten des Holzes steht für uns im Vordergrund.

Die Form der Gruppenarbeit hat in unseren Augen den Vorteil, daß die Schüler so die Möglichkeit haben, die Versuche im kleinen Kreis selbst durchzuführen. Dies fördert eine erhöhte Selbstverantwortung der Schüler für den Versuch und somit auch eine erhöhte Aufmerksamkeit. Zu dem wird durch die Arbeit in der Gruppe auch das Sozialverhalten gefördert.

Quellenangaben

1. BIBB: Tischler, Tischlerin; Erläuterungen und Praxishilfen zur Ausbildungsverordnung, Nürnberg 1997

2. GLINSKI, W. u.a.: Grundwissen Holztechnik, Hamburg 1996

3. JANK, W./MEYER, H.: Didaktische Modelle, Frankfurt am Main 1994

4. MEYER, H.: Unterrichtsmethoden II, Frankfurt am Main 1994

5. NIEMZ, P.: Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe, Tübingen 1993

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