Eine der wichtigsten Ressourcen unserer menschlichen Existenz ist unbestritten die Energie. Im Fokus der weltweiten Energieversorgung zeigt sich, dass der Bedarf an Energie stetig wächst, jedoch fossile Energieträger, wie Kohle und Öl, aber auch Uran, nicht unendlich verfügbar sind. Hinzu kommt noch der nicht unwesentliche Aspekt, dass durch Transformation von fossilen Energieträgern die Kohlenstoff-Emissionen immer weiter ansteigen. Daher erscheint es sinnvoll, wie auch notwendig, auf Alternativenergiequellen zurück zu greifen.
Hierbei bietet vor allem die Sonne das wohl größte nutzbare Potential für die Energiegewinnung. Expertenaussagen zufolge kann die Solartechnik als eine tragende Säule im zukünftigen Energiemix der regenerativen Energien (z. B. Wasserkraft, Biomasse, Wind) gesehen werden. Aufgrund der unumgänglich sich verändernden Energiegewinnungsmöglichkeiten ergibt sich die Notwendigkeit, das Thema „Alternative Energiequellen“ auch im Technikunterricht aufzugreifen, um Schülerinnen und Schüler für den Schutz und für die Erhaltung der natürlichen Umwelt zu sensibilisieren .
Auch innerhalb des Technikseminars beschäftigten wir uns, wenn auch zeitlich bedingt, kurzweilig mit dem Thema „Regenerative Energien“ am Beispiel der Solarenergie. Die vorliegende Arbeit ist primär aus den Überlegungen entstanden, sich einmal näher und intensiv mit diesem Teilgebiet der Technik zu beschäftigen.
Nach verschiedenen Denkanstößen und einer intensiven Recherche im Internet wie auch in der Literatur kam mir die Idee, ein Experimentierboard zu entwickeln, das den Ansprüchen eines handlungs- und problemorientierten Unterrichts entspricht, wodurch Schüler größtenteils eigenständig durch verschiedene technische Experimente elektrische Eigenschaften von Solarzellen erarbeiten. Durch den Anspruch an einen handlungs- und problemorientierenden Unterricht soll es den Schülern vor allem durch den methodischen Einsatz des technischen Experimentes ermöglicht werden, ein gemeinsames Handeln zu stärken, mehr Freude und Interesse zu entwickeln, um somit letztlich eine Trennung von Schule und Leben ein Stück weit aufzuheben.
Somit ergibt sich auch in Hinblick auf diese Arbeit die Frage, inwiefern sich Schüler mit Hilfe des Experimentierboards „EXPESOLA “ unter der Beachtung des handlungs- und problemorientierenden Unterrichts elektrische Eigenschaften der Solarzelle erarbeiten können.
Inhaltsverzeichnis
EINLEITUNG
I. VORÜBERLEGUNGEN
1. PROBLEMSTELLUNG
2. DAS UNTERRICHTSVERFAHREN „TECHNISCHES EXPERIMENT“
2.1 Allgemeine Grundlagen
2.2 Arten von Experimenten
2. 3 Planung und Ablauf von Experimenten im Technikunterricht
II. BESCHREIBUNG DES EXPERIMENTIERBOARDS „EXPESOLA“
1. ENTWICKLUNG UND BAU
2. FUNKTION
III. PLANUNG DER UNTERRICHTSEINHEIT
1. ÜBERSICHT DER UNTERRICHTSEINHEIT
2. BESCHREIBUNG DER LERNGRUPPE
3. SACHANALYSE
3.1 Abhängigkeit der Leistung einer Solarzelle von der Beleuchtungsstärke
3.2 Abhängigkeit der Leistung einer Solarzelle vom Einfallwinkel der Lichtstrahlen
3.3 Reihen‐ Parallelschaltung von Solarzellen
3.4 Spannungs‐ und Stromstärkemessungen an der Solarzelle
4. DIDAKTISCHE ANALYSE
IV. DURCHFÜHRUNG DER UNTERRICHTSSEQUENZ
1. BEISPIELSTUNDE
1.1 Methodische Analyse
1.2 Geplanter Unterrichtsverlauf
1.3 Reflektion der 1. Unterrichtsstunde
2. BEISPIELSTUNDE
2.1 Methodische Analyse
2. 2 Geplanter Unterrichtsverlauf
2.3 Reflektion der 2. Unterrichtsstunde
3. BEISPIELSTUNDE
3.1 Methodische Analyse
3.2 Geplanter Unterrichtsverlauf
3.3 Reflektion der 3. Unterrichtsstunde
4. BEISPIELSTUNDE
4.1 Methodische Analyse
4.2 Geplanter Unterrichtsverlauf
4.3 Reflektion der Unterrichtsstunde
V. SCHLUSSBETRACHTUNG
VII. ANHANG
ARBEITSBLÄTTER
F O T O D O K U M E N T A T I O N
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit untersucht, inwiefern Schüler der 9. Klasse an einer Hauptschule durch den Einsatz des selbst entwickelten Experimentierboards „EXPESOLA“ im Rahmen eines handlungs- und problemorientierten Unterrichts die elektrischen Eigenschaften von Solarzellen eigenständig erarbeiten können.
- Methodische Grundlagen des technischen Experimentes im Unterricht.
- Konstruktion und Funktion des Experimentierboards „EXPESOLA“.
- Analyse der elektrischen Eigenschaften von Solarzellen (Leistungsabhängigkeit von Beleuchtungsstärke und Einfallswinkel).
- Experimentelle Untersuchung von Reihen- und Parallelschaltungen von Solarzellen.
- Planung und Reflexion handlungsorientierter Unterrichtsstunden.
Auszug aus dem Buch
1. Problemstellung
In Hinblick auf die thematische Auswahl der Themenbereiche des Faches Technik in Klasse 9 der Hauptschule liegt der wesentliche Schwerpunkt in der Erarbeitung der Grundlagen der Elektrotechnik, der unter Beachtung und Absprache mit dem Fachlehrer für Physik aufgegriffen und vertieft behandelt werden soll. Als neue Bauteile der Elektrotechnik werden neben den bekannten Bauteilen wie Schalter, Widerstand und Stromquelle nun auch die Diode, der Fotowiderstand und der Transistor behandelt. Aufgrund der Tatsache, dass die Diode ebenso wie die Solarzelle ein Halbleiter ist, bietet es sich an, aufbauend auf den wiederholten und erweiterten Grundlagen, die Solarzelle als elektronisches Bauteil zu behandeln. Der so gemachte „Exkurs“ bietet die Möglichkeit das Themengebiet der „regenerativen Energien“ mit dem Schwerpunkt Photovoltaik näher zu beleuchten.
Um eine eindeutige Grundlage für die zu erklärenden und zu erarbeitenden elektrischen Eigenschaften der Solarzelle zu schaffen, wird im Folgenden zunächst die Funktionsweise der Solarzelle als solches näher beschrieben.
Die Solarzelle besteht aus Halbleitermaterial, das unter dem Einfluss von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig wird. Wird das Halbleitermaterial einer kalten Umgebung ausgesetzt, wirkt dieses isolierend. In der Regel verwendet man für die Herstellung von Halbleitermaterial Silizium. Jedes Siliziumatom besitzt auf der äußeren Schale 4 Elektronen, die auch als Valenzelektronen bezeichnet werden.
Da die Leitfähigkeit von reinen Halbleitern bei Zimmertemperatur sehr schlecht ist, bringt man während der Herstellung in das 4- wertige Halbleitermaterial 5- bzw. 3-wertige Fremdatome ein. Diese gezielte Veränderung der Leitfähigkeit nennt man auch Dotieren bzw. Verunreinigen. Dadurch kann man einen positiven (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen (n-leitende Halbleiterschicht) Ladungsträgerüberschuss erzielen.
Zusammenfassung der Kapitel
EINLEITUNG: Die Arbeit beleuchtet die Notwendigkeit regenerativer Energien und das Ziel, Schülern durch handlungsorientierte Experimente elektrische Eigenschaften von Solarzellen mittels eines selbstentwickelten Boards näherzubringen.
I. VORÜBERLEGUNGEN: Es wird die Problemstellung der Unterrichtsplanung im Fach Technik erörtert und die Methode des „Technischen Experiments“ sowie deren Bedeutung für die Aktivierung von Schülern theoretisch fundiert.
II. BESCHREIBUNG DES EXPERIMENTIERBOARDS „EXPESOLA“: Dieses Kapitel erläutert die Beweggründe für die Eigenentwicklung des Boards, den konstruktiven Aufbau sowie dessen vielseitige Funktionsweise für den Unterrichtseinsatz.
III. PLANUNG DER UNTERRICHTSEINHEIT: Hier erfolgt eine Übersicht über die gesamte Unterrichtssequenz, die detaillierte Beschreibung der Lerngruppe sowie eine fachwissenschaftliche Sachanalyse zu den elektrischen Parametern von Solarzellen.
IV. DURCHFÜHRUNG DER UNTERRICHTSSEQUENZ: In diesem Kapitel werden vier konkrete Beispielstunden in Methodik, Ablauf und ausführlicher Reflexion dargestellt, um den Lernprozess transparent zu machen.
V. SCHLUSSBETRACHTUNG: Der Autor reflektiert das Unterrichtsverfahren und den Erfolg des Experimentierboards, zieht Bilanz zum Lernerfolg und gibt Ausblicke auf eine mögliche Weiterentwicklung des Systems.
Schlüsselwörter
Solarzelle, Technikunterricht, Technisches Experiment, Photovoltaik, EXPESOLA, Reihenschaltung, Parallelschaltung, Elektrotechnik, Unterrichtsplanung, Handlungsorientierung, Problemorientierung, Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, Halbleiter, Regenerative Energien
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Konzeption und dem praktischen Einsatz eines selbst entwickelten Experimentierboards zur Vermittlung elektrischer Eigenschaften von Solarzellen im Technikunterricht der 9. Klasse.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die Funktionsweise von Solarzellen, die Elektrotechnik, der methodische Einsatz von Experimenten im Technikunterricht sowie die handlungsorientierte Unterrichtsgestaltung.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Die zentrale Forschungsfrage lautet, inwiefern sich Schüler mithilfe des Experimentierboards „EXPESOLA“ unter Beachtung handlungs- und problemorientierter Prinzipien elektrische Eigenschaften der Solarzelle selbstständig erarbeiten können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt die Methode des technischen Experiments, die in Phasen wie Problemstellung, Hypothesenbildung, Versuchsaufbau und Auswertung strukturiert ist.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Planung und Durchführung von vier Unterrichtsstunden, in denen spezifische Eigenschaften wie Stromstärke- und Spannungsabhängigkeit bei Solarzellen praktisch untersucht werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Solarzelle, Technikunterricht, Technisches Experiment, Photovoltaik, EXPESOLA, Reihen- und Parallelschaltung sowie handlungsorientiertes Lernen.
Warum wurde das Experimentierboard „EXPESOLA“ eigenständig entwickelt?
Da bestehende Versuchseinheiten die speziellen didaktischen und technischen Anforderungen an eine einfache, kostengünstige und übersichtliche Handhabung für den Schulalltag nicht vollumfänglich erfüllten, wurde eine eigene Lösung entwickelt.
Welche Rolle spielt das „Hausmodell“ im Unterricht?
Das Hausmodell dient als motivierender Einstieg, um Alltagsbezüge zur Solartechnik herzustellen und das Interesse der Schüler durch Beobachtungen und Vermutungen zu wecken.
Wie werden leistungsschwächere Schüler unterstützt?
Dies geschieht durch differenzierte Hilfestellungen (z.B. Hilfe-Karten, Lückentexte), die gezielte Partnerarbeit und die aktive Unterstützung durch die Lehrperson, um eine Teilhabe am Lernprozess zu gewährleisten.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor für den weiteren Unterricht?
Der Autor betont, dass das Experimentiersystem als Medium eingebettet in einen methodischen Mix aus verschiedenen Sozialformen und alltagsnahen Situationen am besten funktioniert, um die Trennung zwischen Schule und Leben aufzuheben.
- Arbeit zitieren
- Daniel von Kirchner (Autor:in), 2006, Technische Experimente zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Solarzellen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/318925
