LEGO® MINDSTORMS EV3 Set

Erster Gang

Ein Getriebe-Modell bauen und damit die Grundlagen der Kraftübertragung verstehen.

45-90 Min.
Einsteiger
Klassen 5–8
Unterstützung für Lehrkräfte

Die Schülerinnen und Schüler lernen,

  • Übersetzungsverhältnisse zu berechnen und
  • einfache Getriebekonfigurationen zu verwenden.
Diese Aufgabe ist mit folgenden Betriebssystemen kompatibel:
device_logo

INFORMATIK
Algorithmen

  • Logische Verknüpfungen
  • Ausbau von grundlegenden Algorithmen zu Programmen
  • Zusammenführung von Algorithmen und Datenspeicherung
  • Vermeidung von redundantem Code
  • Anforderungen an Programme beschreiben

NATURWISSENSCHAFTEN UND TECHNIK
Denk- und Arbeitsweisen der Naturwissenschaften und Technik

  • Vorgehensweisen planen, beschreiben und erläutern
  • Messwerte erfassen
  • Ergebnisse protokollieren
  • Systeme und Prozesse
  • Fachsprache benutzen

Informationsaufnahme und ‑verarbeitung

  • Gewinnung von Daten

Prozessbezogene Kompetenzen

  • Erkenntnisgewinnung und Forschen
  • Kommunikation und Organisation
  • Entwicklung und Bewertung

MATHEMATIK
Funktionaler Zusammenhang

  • Funktion zur Beschreibung eines linearen Zusammenhangs aufstellen

Daten und Zufall

  • Datenerhebung planen und durchführen
  • Daten auswerten, vergleichen und bewerten

PHYSIK
Mechanik

  • Wirkung von Kräften
  • Übersetzungsverhältnis

Energie

  • Energieübertragung
  • Energie, Leistung und Wirkungsgrad

Lesson Plan

Unterrichtsplan

1. Vorbereiten

  • Lesen Sie das Schülermaterial in der EV3 Classroom App durch.
  • Tragen Sie einige Informationen über Getriebe zusammen, um Ihren Schülerinnen und Schülern dabei zu helfen, Begriffe wie Übersetzungsverhältnis, Antriebsrad und Antriebsritzel sowie Zwischenrad zu verstehen.

2. Einführen (5 Min.)

  • Nutzen Sie die unten stehenden Diskussionsideen, um ein Gespräch über diese Aufgabe anzuregen.
  • Teilen Sie die Klasse in Zweierteams auf.

3. Erkunden (20 Min.)

  • Lassen Sie die Teams ihr Getriebe-Modell bauen.
  • Geben Sie ihnen etwas Zeit, um einen Testlauf durchzuführen und so sicherzustellen, dass das Modell korrekt zusammengebaut ist und wie erwartet funktioniert.

4. Erklären (10 Min.)

  • Lassen Sie die Teams die Experimente mit den vorgeschlagenen Zahnradkombinationen durchführen und ihre Ergebnisse aufzeichnen.
  • Achten Sie darauf, dass sie in der Lage sind, eigene Tabellen für die Tests zu erstellen.

5. Vertiefen (10 Min.)

  • Lassen Sie die Teams analysieren, wie die einzelnen Zahnradkombinationen und die Anzahl an Umdrehungen sowie die Drehrichtung zusammenhängen.
  • Bitten Sie jedes Team, kurz die Ergebnisse seiner Experimente zusammenzufassen.
  • Denken Sie daran, ausreichend Zeit zum Aufräumen einzuplanen.

6. Beurteilen

  • Geben Sie allen Schülerinnen und Schülern einzeln Rückmeldung zu ihrer jeweiligen Leistung.
  • Zur Unterstützung können Sie hierfür die Bewertungsraster benutzen.

Eine Diskussion anregen

Zahnräder gibt es überall! Einfach ausgedrückt sind Getriebe einfach nur Zahnräder. Zwei oder mehr ineinandergreifende Zahnräder können Kraft übertragen, die Geschwindigkeit erhöhen oder verringern und die Drehrichtung ändern.

Regen Sie eine Diskussion über Getriebe an, indem Sie Fragen stellen, wie zum Beispiel:

  • Was ist ein Zahnrad?
  • Kennt ihr Maschinen, in denen Getriebe vorkommen?
  • Was geschieht mit der Drehrichtung, wenn zwei Zahnräder ineinandergreifen?
  • Was hat das Übersetzungsverhältnis mit der Anzahl an Zähnen zu tun?

Bautipps

Bauanleitung

Verwenden des Modells
Platzieren Sie das Modell auf einer festen und ebenen Oberfläche. Achten Sie darauf, dass sowohl der Getriebezeiger als auch der Referenzzeiger nach oben zeigen. Führen Sie das Programm aus und achten Sie dabei darauf, dass der Getriebezeiger die Anzahl an Umdrehungen zählt. Beide Motoren sollten sich exakt einmal drehen. Die Schülerinnen und Schüler sollen das Getriebe des rechten Motors verändern und dabei den linken Motor als Referenz verwenden.

Durchführen des Experiments
Während die Teams ihre Experimente durchführen, erinnern Sie sie an Folgendes:

  • Es sollen die folgenden Daten in einer Tabelle aufgezeichnet werden: die Nummer des Experiments, ob hoch- oder heruntergeschaltet wird, das Übersetzungsverhältnis, eine Vorhersage, was passieren wird, die Anzahl an beobachteten Umdrehungen sowie die Drehrichtung. Es sollte ausreichend Platz für weitere Beobachtungen gelassen werden.
  • Das Experiment muss für jede Zahnradkombination durchgeführt werden.

Programmiertipps

Programm

Differenzierung

Um die Aufgabe zu vereinfachen, können Sie Folgendes tun:

  • Gemeinsam mit den Schülerinnen und Schülern analysieren, in welchem Zusammenhang die Zahnradkombination, die Anzahl an Umdrehungen und die Drehrichtung des Getriebezeigers stehen
  • Die Anzahl an Zahnradkombinationen verringern, die untersucht werden sollen

Um die Aufgabe anspruchsvoller zu gestalten, können Sie Folgendes tun:

  • Die Teams dazu ermutigen, eine Funktion zu erstellen, um die Anzahl an Umdrehungen in Abhängigkeit vom Übersetzungsverhältnis vorherzusagen
  • Die Teams dazu herausfordern, das Programm für jede Zahnradkombination zu verändern, sodass sich der Getriebezeiger exakt einmal dreht

Leistungsbewertung

Checkliste für Beobachtungen
Erstellen Sie eine geeignete Bewertungsskala, wie zum Beispiel:

  1. Erwartungen zum Teil erfüllt
  2. Erwartungen vollständig erfüllt
  3. Erwartungen übertroffen

Nutzen Sie die folgenden Kriterien, um den Lernfortschritt der Schülerinnen und Schüler zu beurteilen:

  • Sie haben verstanden, wie Getriebe die Drehrichtung des angetriebenen Rads beeinflussen.
  • Sie können erklären, in welchem Zusammenhang das Übersetzungsverhältnis und die Anzahl an Umdrehungen des angetriebenen Rads stehen.
  • Sie wissen, wie man das Übersetzungsverhältnis auf Grundlage der Anzahl an Zähnen an den Zahnrädern berechnet.

Selbsteinschätzung:
Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler ihre Leistung anhand der folgenden Skala selbst beurteilen.

  • Bronze: Ich habe das Experiment durchgeführt, aber das Ergebnis nicht auf Grundlage der Zahnradkombinationen vorhergesagt.
  • Silber: Beim Durchführen der Experimente habe ich mit etwas Hilfe die Drehrichtung auf Grundlage der Zahnradkombinationen vorhergesagt.
  • Gold: Ich habe mein Wissen über Zahnradkombinationen angewendet, um die Drehrichtung und die Anzahl an Umdrehungen in den Experimenten richtig vorherzusagen.
  • Platin: Ich habe mein Wissen über Zahnradkombinationen angewendet, um die Drehrichtung und die Anzahl an Umdrehungen in den Experimenten richtig vorherzusagen. Außerdem habe ich vorhergesagt, wie sich diese Faktoren auf die Geschwindigkeit und das Drehmoment des angetriebenen Rads auswirken.

Erweiterung: sprachliche Ausdrucksfähigkeit

Um die sprachliche Ausdrucksfähigkeit zu fördern, können Sie Folgendes tun:

  • Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler einen kurzen Ergebnisbericht zu ihren Experimenten anfertigen und durch einige Alltagsbeispiele für Maschinen mit Getriebe ergänzen.
  • Lassen Sie sie eine Präsentation ausarbeiten, in der sie die Ergebnisse ihrer Experimente vorstellen und erklären, was sie gelernt haben.

Hinweis: Die Erweiterung erfordert zusätzliche Zeit und verlängert die Aufgabe.

In welchen Berufen sind diese Fähigkeiten gefragt?

Schülerinnen und Schüler, die sich für diese Aufgabe begeistern, könnten sich auch für folgende Berufszweige interessieren:

  • Fertigungstechnik und Maschinenbau (Planungsbüros)
  • Naturwissenschaften, Technik, Maschinenbau und Mathematik (Naturwissenschaften und Mathematik)
Unterstützung für Lehrkräfte

Die Schülerinnen und Schüler lernen,

  • Übersetzungsverhältnisse zu berechnen und
  • einfache Getriebekonfigurationen zu verwenden.
Diese Aufgabe ist mit folgenden Betriebssystemen kompatibel:
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INFORMATIK
Algorithmen

  • Logische Verknüpfungen
  • Ausbau von grundlegenden Algorithmen zu Programmen
  • Zusammenführung von Algorithmen und Datenspeicherung
  • Vermeidung von redundantem Code
  • Anforderungen an Programme beschreiben

NATURWISSENSCHAFTEN UND TECHNIK
Denk- und Arbeitsweisen der Naturwissenschaften und Technik

  • Vorgehensweisen planen, beschreiben und erläutern
  • Messwerte erfassen
  • Ergebnisse protokollieren
  • Systeme und Prozesse
  • Fachsprache benutzen

Informationsaufnahme und ‑verarbeitung

  • Gewinnung von Daten

Prozessbezogene Kompetenzen

  • Erkenntnisgewinnung und Forschen
  • Kommunikation und Organisation
  • Entwicklung und Bewertung

MATHEMATIK
Funktionaler Zusammenhang

  • Funktion zur Beschreibung eines linearen Zusammenhangs aufstellen

Daten und Zufall

  • Datenerhebung planen und durchführen
  • Daten auswerten, vergleichen und bewerten

PHYSIK
Mechanik

  • Wirkung von Kräften
  • Übersetzungsverhältnis

Energie

  • Energieübertragung
  • Energie, Leistung und Wirkungsgrad