LEGO® MINDSTORMS EV3 Set

Den Gang wechseln

Ein Getriebefahrzeug bauen und untersuchen, welche Auswirkung die Verwendung verschiedener Zahnradgetriebe hat.

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

Die Schülerinnen und Schüler lernen,

  • wann man einen Gang hoch- oder herunterschaltet und
  • dass unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zu verschiedenen Geschwindigkeiten führen.
Diese Aufgabe ist mit folgenden Betriebssystemen kompatibel:
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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 und Analyse von Daten
  • Informationsaufnahme durch Sensoren

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 Zahnradgetriebe zusammen, um Ihren Schülerinnen und Schülern dabei zu helfen, Konzepte wie Hochschalten und Herunterschalten 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 Getriebefahrzeug 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 das Experiment für jedes vorgeschlagene Zahnradgetriebe mindestens dreimal 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, in welchem Zusammenhang das Übersetzungsverhältnis, die zurückgelegte Strecke und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs stehen.
  • 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

Mit dem Fahrrad bergauf oder gegen den Wind zu fahren, ist mühsam. Eine gute Gangschaltung kann helfen, die Kraft anzupassen und so leichter weiterzufahren. Wenn man auf einer geraden Fläche fährt, legt man zuerst einen niedrigen Gang ein. Wenn man dann schneller fährt, wechselt man in höhere Gänge.

Regen Sie eine Diskussion über das Wechseln von Gängen an, indem Sie Fragen stellen, wie zum Beispiel:

  • Was bedeuten die Begriffe Kraftübertragung und Untersetzung?
  • Warum sind Getriebe meist in einem Gehäuse verbaut?
  • In welchem Zusammenhang stehen das Übersetzungsverhältnis und die zurückgelegte Strecke?
  • In welchen Situationen ist es hilfreich, in einen niedrigeren Gang zu schalten? In welchen Situationen ist es nicht hilfreich?

Bautipps

Bauanleitung

Verwenden des Modells
Platzieren Sie das Fahrzeug mindestens 10 cm von einer Wand entfernt. Der Ultraschallsensor muss dabei senkrecht zur Wand angeordnet sein. Führen Sie das Programm aus und warten Sie, bis das EV3 Symbol auf dem Display angezeigt wird. Drücken Sie auf die mittlere Taste des EV3 Steins, um den Testlauf zu starten. Die ursprüngliche Distanz zur Wand wird mit dem Ultraschallsensor gemessen. Der Zeitgeber wird zurückgesetzt. Anschließend fährt das Fahrzeug von der Wand weg. Zu diesem Zweck dreht sich der große Motor einmal. Jetzt werden die Distanz zur Wand sowie die verstrichene Zeit gemessen. Mit diesen Werten werden dann die zurückgelegte Strecke, die Geschwindigkeit und die Drehgeschwindigkeit berechnet. Die berechneten Werte werden auf dem Display angezeigt, bis die mittlere Taste erneut gedrückt wird, um einen weiteren Testlauf durchzuführen.

Verwenden des Ultraschallsensors
Der Ultraschallsensor erzeugt Schallimpulse, die einen Schallkegel bilden. So können Gegenstände erfasst werden, die sich innerhalb dieses Kegels befinden. Während des Experiments darf sich niemand neben dem Fahrzeug oder innerhalb des Schallkegels befinden. Am besten bleiben alle hinter dem Ultraschallsensor.

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

  • Auf dem Display werden die zurückgelegte Strecke (in cm), die Geschwindigkeit (in m/s) und die Umdrehungsgeschwindigkeit (in Umdrehungen pro Sekunde) angezeigt.
  • Es sollen folgende Daten in einer Tabelle aufgezeichnet werden: Nummer des Experiments, Übersetzungsverhältnis, eine Vorhersage, was passieren wird, zurückgelegte Strecke und Geschwindigkeit Es sollte ausreichend Platz für weitere Beobachtungen gelassen werden.
  • Das Experiment muss für jedes Zahnradgetriebe mindestens dreimal durchgeführt werden. Mithilfe der Durchschnittswerte sollen die Teams möglichst zuverlässige Ergebnisse sicherstellen.
  • Die Abbildungen unter „Tipp“ zeigen, wie die Zahnradgetriebe gewechselt werden.

Programmiertipps

Programm

Differenzierung

Um die Aufgabe zu vereinfachen, können Sie Folgendes tun:

  • Gemeinsam mit den Schülerinnen und Schülern analysieren, in welchem Zusammenhang das Übersetzungsverhältnis, die zurückgelegte Strecke und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs stehen
  • Die Anzahl an Zahnradgetrieben verringern, die untersucht werden sollen

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

  • Die Bedeutung von Durchschnittswerten erklären (z. B. arithmetisches Mittel im Vergleich zum Mittelwert, Einfluss von Ausreißern), mit denen man Messfehler über eine Reihe von Experimenten hinweg ausgleichen kann
  • Die Teams dazu ermutigen, eine Funktion zu erstellen, mit der man die zurückgelegte Distanz in Abhängigkeit vom Übersetzungsverhältnis vorhersagen kann
  • Die Teams Möglichkeiten finden lassen, wie sie die Genauigkeit ihrer Experimente verbessern könnten

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 erklärt, welche Rolle das Übersetzungsverhältnis beim Vorhersagen der Ergebnisse spielt.
  • Sie haben mathematische Konzepte und/oder Verfahren angewendet, um den Zusammenhang zwischen Übersetzungsverhältnis und zurückgelegter Strecke zu bestimmen.
  • Sie haben die Vorgehensweise bei den Experimenten beurteilt und können unabhängige, abhängige und Kontrollvariablen bestimmen.

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

  • Bronze: Ich habe die Experimente durchgeführt, aber nicht erklärt, welche Rolle das Übersetzungsverhältnis beim Vorhersagen der Ergebnisse spielt.
    *Silber: Ich habe mit etwas Hilfe erklärt, welche Rolle das Übersetzungsverhältnis beim Vorhersagen der Ergebnisse spielt.
  • Gold: Ich habe mein Wissen über die Rolle des Übersetzungsverhältnisses in den Experimenten genutzt, um vorherzusagen, welches Übersetzungsverhältnis für Fahrzeuge mit schwerer Last geeignet ist.
  • Platin: Ich habe mein Wissen über die Rolle des Übersetzungsverhältnisses in den Experimenten genutzt, um vorherzusagen, welches Übersetzungsverhältnis für Fahrzeuge mit schwerer Last geeignet ist. Außerdem habe ich vorhergesagt, welches Übersetzungsverhältnis verwendet werden sollte, wenn man ein schnelles Fahrzeug bauen will.

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 ergänzen, bei denen es hilfreich ist, hoch- und herunterzuschalten.
  • 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)
  • Transportwesen (Automobiltechnik)
Unterstützung für Lehrkräfte

Die Schülerinnen und Schüler lernen,

  • wann man einen Gang hoch- oder herunterschaltet und
  • dass unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zu verschiedenen Geschwindigkeiten führen.
Diese Aufgabe ist mit folgenden Betriebssystemen kompatibel:
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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 und Analyse von Daten
  • Informationsaufnahme durch Sensoren

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