Wie bauen wir ein Fahrzeug so, dass es den TÜV besteht? (Mathematik, 1./ 2. Klasse)

Thema der Unterrichtsreihe

„Wir bauen Räderfahrzeuge“

Die SuS^[1] konstruieren und bauen selbstständig rollfähige Räderfahrzeuge aus Alltagsgegenständen.

Thema der Unterrichtsstunde

„Wie bauen wir ein Fahrzeug so, dass es den TÜV besteht?“

Die SuS konstruieren und bauen Räderfahrzeuge, unter Berücksichtigung zuvor erarbeiteter Kriterien, und überprüfen ihre Rollfähigkeit auf der Teststrecke.

- Einbettung der Stunde in die Unterrichtsreihe

Zentrale Absichten der Unterrichtsreihe

Die SuS sollen…

- die Entwicklung des Rades sowie die Bedeutung von Räderfahrzeugen für die heutige Zeit erkennen und bewerten^[2].
- über das eigene Konstruieren und Herstellen von Räderfahrzeugen mit unstrukturierten Materialien lebenspraktisches, technisches Können und Wissen erwerben^[3].
- grundlegende technische Funktions- und Herstellungszusammenhänge von Räderfahrzeugen verstehen^[4].
- einfache technische Problemstellungen erfassen, Lösungsansätze entwerfen, realisieren und optimieren, um ein technisches Verständnis anzubahnen^[5].
- durch den eigenständigen Bau einen sachgerechten Umgang mit Hilfsmitteln und Werkzeugen erlernen.
- durch den gemeinsamen Austausch beim Fahrzeugbau in Partnerarbeit ihre Sozial- und Reflexionskompetenzen erweitern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Zentrale Absicht der Stunde und Lernchancen

Meine Absicht

Die SuS lernen die technischen Funktionszusammenhänge der Bauteile für ein rollfähiges Fahrzeug kennen, indem sie einfache Räderfahrzeuge aus Alltagsgegenständen konstruieren sowie deren Rolleigenschaften überprüfen, technische Problemstellungen erfassen und Lösungsansätze entwerfen.

Im Sinne meiner formulierten Absicht eröffne ich folgende Lernchancen:

Auf der Ebene der Sacherfahrungen

Die SuS haben die Chance,

- den Aufbau, die Materialien und die Funktion der einzelnen Bauteile (Räder, Achse, Fahrgestell) von Räderfahrzeugen auf ihre Rollfähigkeit zu untersuchen und folgende Funktionszusammenhänge zu entdecken:
- die Achsen verlaufen genau durch den Mittelpunkt der Räder (sonst „eiert“ das Rad)
- die Achsen sind parallel zueinander, sowie zur Vorderkante des Fahrgestells angebracht (sonst fährt das Fahrzeug nicht geradeaus)
- die Räder sind gleichgroß, stehen senkrecht und sind in gleicher Höhe angebracht (sonst berühren sie nicht den Boden)
- die Räder sind nicht zu dicht am Fahrgestell angebracht (um die Reibung zwischen Fahrgestell und Rädern zu vermeiden)
- die Achsen bzw. Räder müssen sich leicht drehen können (um ein Bremsen zu vermeiden)
- einfache technische Problemstellungen zu erfassen, Lösungsansätze zu entwerfen, zu realisieren und zu optimieren.

Auf der Ebene der Individualerfahrungen

Jede/r SchülerIn hat die Chance,

- über das eigene Konstruieren und Herstellen eine technisch-praktische Handlungsfähigkeit auszubilden sowie mit Werkzeugen sachgerecht umzugehen^[6].
- zu lernen exakt zu arbeiten, da bei Ungenauigkeiten das Fahrzeug nicht den Kriterien entspricht.
- eine gewisse Frustrationstoleranz zu entwickeln, bei nicht sofortigem Gelingen des Bauvorhabens.

Auf der Ebene der Sozialerfahrungen

Die SuS haben die Chance,

- sich über gelungene Aspekte und Schwierigkeiten zum Bau der eigenen Fahrzeuge in Partnerarbeit auszutauschen und gemeinsam die Vorgehensweise zu reflektieren.
- ihre Konstruktion dem Urteil des Plenums zu stellen und Lob, sowie Entwicklungsanregungen anzunehmen.
- das Produkt eines anderen anzuerkennen und konstruktiv zu kritisieren.

- Sachinformationen zur Stunde / Fachdidaktische Analyse / Analyse der Lernaufgabe

Kinder wachsen heute in einer zunehmend technisierten Welt auf, die sie immer weniger durchschauen können; stattdessen reduziert sich ihr Umgang mit Technik meist auf ein bloßes Bedienungswissen^[7]. Innerhalb dieser Unterrichtsreihe möchte ich den SuS bewusste Erfahrungen mit Technik ermöglichen, damit sie einen Einblick in technische Funktionen und Zusammenhänge bekommen sowie einen aktiven, verstehenden Umgang mit Technik erlernen können^[8].

In der heutigen Stunde sollen die SuS eigenaktiv ein Räderfahrzeug konstruieren und bauen sowie dieses an einer Teststrecke überprüfen. Beim Bau ihres Räderfahrzeuges sollen die SuS folgende Kriterien als Zielsetzung berücksichtigen:

- Das Fahrzeug rollt geradeaus die Teststrecke herunter.
- Das Fahrzeug fährt die Teststrecke, ohne auseinanderzufallen.
- Alle vier Räder drehen sich.
- Alle vier Räder berühren den Boden.

Die Lernaufgabe der Stunde bezieht sich auf die folgenden fachlichen Hintergründe:

Zu den wesentlichen Konstruktionsmerkmalen von einfachen rollfähigen Fahrzeugen gehören Räder, Achsen sowie ein Fahrgestell. Mit Rädern wird aus der Gleitreibung, also die Kraft, die auftritt, wenn sich zwei Flächen gegeneinander bewegen, eine Rollreibung, die weitaus geringer ist und somit den Transport erleichtert. Bei der Rollreibung wird von jener bremsender Kraft gesprochen, die auftritt, wenn ein Körper rollt. Je geringer diese Rollreibung ist, desto weiter kann ein Räderfahrzeug also rollen^[9]. Neben der Reibung beeinflussen die Radgröße, der Radstand, die Spurbreite sowie das Fahrzeuggewicht die Fahreigenschaften. Nicht nur die Art und Beschaffenheit der Bauteile von Räderfahrzeugen (ausgewählte Alltagsmaterialien) haben einen Einfluss auf ein problemloses Rollverhalten, sondern auch die Konstruktion dieser. Dabei müssen die SuS, um die TÜV-Kriterien zu erfüllen, durch handelndes Ausprobieren und Überprüfen an der Teststrecke, die Funktionszusammenhänge der einzelne Bauteile verstehen und bei der Konstruktion beachten (s. Lernchancen Sacherfahrungen S.1). Es gibt beim Bau zwei Möglichkeiten von Achsenkonstruktionen. Die feststehenden Achsen sind fest mit dem Fahrgestell verbunden und die Räder drehen sich mit Lagern auf der Achse (wie bei echten Autos). Bei der beweglichen Achse sind die Räder fest mit der Achse verbunden (typisch für Spielzeugautos). Die Schwierigkeit dieser zweiten Konstruktion besteht darin, dass ein weiteres Bauteil (das Achsenlager, beispielsweise ein Strohhalm) benötigt wird, dessen funktionale Bedeutung bisher nicht mit den SuS herausgearbeitet wurde (die SuS bekommen hierzu Hinweise in der Tipp-box).

Die SuS verfügen, zur Umsetzung der heutigen Lernaufgabe, über Kenntnisse der einzelnen Bauteile von Räderfahrzeugen und haben ihr Bauvorhaben mit Hilfe einer Sachzeichnung geplant, sowie Regeln zum Umgang mit Werkzeugen erlernt und gemeinsam TÜV-Kriterien entwickelt.

Methodisch müssen die SuS in der Lage sein, kooperativ mit einem Partner zu arbeiten und in der Partnerreflexion, sowie im Plenum persönliche Vorstellungen zu erläutern, sowie Tipps und Anregungen anzunehmen^[10].

Lernbereichsspezifisch sollen die SuS selbsttätig ein rollfähiges Fahrzeug aus Alltagsgegenständen konstruieren, d.h. ihre aufgebauten Vorstellungen im Konstruktionsprozess anwenden sowie überprüfen, und mit Hilfe gelernter Fachbegriffe und fachlicher Beschreibungen die eigenen und fremden Fahrzeuge im Hinblick auf ihre Rollfähigkeit bewerten^[11].

Mit dem Bau von Räderfahrzeugen erwerben die Kinder grundlegende technische Erkenntnisse, die sie im Sinne des Spiralcurriculums, zu einem späteren Zeitpunkt auf komplexere Bereiche übertragen können.

Die vorliegende Stunde ist im Lehrplan dem Bereich „Technik und Arbeitswelt“ unter dem Schwerpunkt „Maschinen und Fahrzeuge“ zuzuordnen. In dieser Stunde bauen die SuS „Fahrzeuge […] mit unstrukturiertem Material und erproben ihre Funktionsweisen“^[12]. Die Kinder bekommen gemäß dem Lehrplan Raum, im Rahmen einer Problemstellung, eigene Ideen, Herangehensweisen und Konstruktionen zu finden, um elementare technische Erfahrungen durch das Probieren und Optimieren zu gewinnen^[13]. Außerdem erlernen sie beim Herstellen von Fahrzeugen, mit Werkzeugen und Werkstoffen sachgerecht umzugehen^[14] und einen Herstellungsvorgang zu planen, vorzubereiten und durchzuführen^[15].

Das Thema Räderfahrzeuge bietet sich besonders an, da diese ein fester Bestandteil im Alltagslebens der Kindern sind (Roller, Fahrrad, Skateboard etc.). Das Vorwissen der SuS zu Räderfahrzeugen beschränkt sich jedoch weitestgehend auf den Benutzungsaspekt von Fahrzeugen und die technischen Funktionszusammenhänge wurden bisher noch nicht durchdrungen. Kinder haben eine natürliche Neugier hinter die Dinge zu schauen und Funktions- und Wirkungsweisen zu ergründen. In dieser Unterrichtsreihe soll am Vorwissen der Kinder angeknüpft und darauf aufgebaut werden, sowie das Interesse der Kinder an technischen Zusammenhängen aufgegriffen werden, „um Technik zu entdecken, nachzuvollziehen, zu gestalten, zu verstehen und zu bewerten“^[16].

Dabei geht es nicht darum, dass die SuS die komplexen Zusammenhänge aller Bedingungen für ein funktionierendes Fahrzeug begreifen, sondern vielmehr um das Ermöglichen erster Einsichten in die Bedingung der Rollfähigkeit von einfachen Fahrzeugen. Die Kinder sollen erste Kenntnisse über die grundlegenden technischen Funktionszusammenhänge der Achsen, der Räder und des Fahrgestells durch einen spielerischen und selbstentdeckenden Umgang mit den Baumaterialien erlangen, um grundlegende Tipps zum Bauen formulieren zu können. Über das Bauen der Fahrzeugmodelle, können Bereiche, die über originale Begegnungen nicht zu erschließen sind, erkundet werden, um technische Vorgänge verstehbar zu machen. Zudem machen Kinder in ihren Zeichnungen und Konstruktionen von Modellen zugänglich, was sie sprachlich oft nicht formulieren können^[17]. Es werden in dieser Stunde, abhängig von den SuS, individuelle Problemstellungen aufgegriffen, reflektiert und passende Lösungsansätze entworfen sowie überprüft. Die SuS erarbeiten sich dabei schrittweise, während der gesamten Bauphase, die technischen Eigenschaften und konstruktiven Umsetzungen für ein rollfähiges Fahrzeug, indem immer wieder Teilprobleme reflektiert und Bauhinweise gesammelt werden.

Als Arbeitsmaterialien stehen von den Kindern mitgebrachte und in der Materialtheke nach Bauteilen sortierte Alltagsgegenstände zur Verfügung (z.B. Verpackungen, Holzspieße, Strohhalme, Knete, Korken, Flaschendeckel etc.). Ich habe mich bewusst gegen den Bau von Fahrzeugen mit vorstrukturierten Baukastenmaterialien entschieden, da somit schon viele konstruktive Entscheidungen vorgegeben wären^[18]. Dadurch geht das handelnde Ausprobieren, Konstruieren mit anschließendem Überprüfen von technischen Zusammenhängen zum großen Teil verloren. Zugleich erlernen die SuS einen sachgerechten Umgang mit verschiedenen Werkzeugen (Hammer, Prickelnadel, Handbohrer, Kleber etc.), um ihre Räderfahrzeuge selbstständig zu erbauen.

Während der Bauphase sollen die SuS darauf achten, welche Materialien sich besonders gut eignen, um ein rollendes Fahrzeug anzufertigen. Kinder, die noch keine Ideen zur Konstruktion ihrer Fahrzeuge haben oder keine Lösungsansätze für ihr Problem finden, bekommen die Möglichkeit sich in der Tippbox Bauhinweise anzuschauen (Modelle mit unterschiedlichen Lösungen der Rad- und Achsenanbringung). SuS die schon mit dem Bau ihres Fahrzeuges fertig sind, können die Rollfähigkeit und TÜV-Kriterien an der Rampe erproben. Sollten einige Kinder wieder Erwartens sehr schnell damit fertig werden, sollen diese entweder als Expertenkinder fungieren oder ihr eigenes Fahrzeug weiter ausbauen (Rollweite optimieren, Gestaltung des Fahrgestells etc.).

In der Reflexion werden die Fahrzeuge auf dem „Parkplatz“ für alle sichtbar abgestellt, somit erfolgt eine Würdigung der Ergebnisse. Einzelne „fertige“ Fahrzeuge werden präsentiert und anhand der Kriterien auf der Teststrecke überprüft. So können gemeinsam Überlegungen und Bauhinweise besprochen und durch Modelle veranschaulicht werden. Besonders gelungene Werke können ebenfalls hervorgehoben werden, um den SuS Gelegenheit zu geben, sich das Vorgehen und die Produkte anderer anzuschauen. Im Gegensatz zum sonstigen Unterricht, ist Abschauen und Nachmachen in diesem Fall eine wirksame Lernweise^[19]. Sollte noch kein Fahrzeug fertig sein, betrachten wir die unterschiedlichen Möglichkeiten der Konstruktion, beispielsweise unterschiedlichen Achsenanbringungen oder Materialauswahl für die Räder, der noch nicht fertigen Fahrzeuge.

Da die Lerngruppe keine technischen Vorerfahrungen besitzt, sollen die SuS zunächst einfache rollende Fahrzeuge ohne Antrieb und Lenkung planen und herstellen. Um die Motivation beim Fahrzeugbau zu steigern, stelle ich den Kindern in Aussicht, in der folgenden Stunde an einem TÜV-Test teilzunehmen, um die TÜV-Kriterien zu überprüfen und bei Bestehen, eine TÜV- Plakette zu erhalten.

- Erhebung der Lernvoraussetzungen für die konkrete Sachunterrichtsstunde

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]

^[1] Im Folgenden wird die Abkürzung SuS für Schüler und Schülerinnen verwendet.

^[2] vgl. GDSU S.68- 72

^[3] vgl. Möller 2002, S.51

^[4] vgl. ebd. S.51

^[5] vgl. GDSU S.66

^[6] vgl. Möller 2002, S. 52

^[7] vgl. Möller 2002, S. 51

^[8] vgl. ebd., S. 51

^[9] vgl. Zolg 2008, S. 12

^[10] vgl. GDSU, S. 24

^[11] vgl. ebd. S.65ff

^[12] LP 2008, S. 45

^[13] vgl. LP 2008, S. 39

^[14] vgl. LP 2008, S. 44

^[15] vgl. Möller 2002, S. 52

^[16] ebd., S. 51

^[17] Meier 2007, S. 10

^[18] vgl. Tegethoff 2002, S. 3-4

^[19] Meier 2007, S. 12