Jetzt geht’s bergauf

• Das Thema dieser Aufgabe ist Energieumwandlung. Ihre Schülerinnen und Schüler werden lernen, dass man Energie aufwenden muss, um mit dem Fahrrad einen Berg hinaufzufahren (die potenzielle Energie zu vergrößern) und dabei eine konstante Geschwindigkeit (konstante kinetische Energie) aufrechtzuerhalten. Für diese Aufgabe wird das Modell eines E-Bikes verwendet. Es nutzt Energie, die von einem Motor erzeugt wird. Dabei verbraucht der Motor zunehmend mehr Strom. Bei einem Fahrrad ohne Motor müsste sich der Radfahrer immer mehr anstrengen bzw. mehr Kraft aufwenden.
• Verwenden Sie verschiedene Materialien, um eine spannende Einführung in das Thema „Energieumwandlung“ zu geben.

Eine Diskussion anregen

Beginnen Sie ein Gespräch, indem Sie relevante Fragen stellen. Hier sind einige Vorschläge:

• Was passiert mit der Geschwindigkeit, wenn man einen Berg hinauffährt?
• Welche Form von Energie wird gewonnen, wenn man einen Berg hinauffährt?
• Was ist nötig, um ein gleichbleibendes Energieniveau aufrechtzuerhalten, wenn man mit einem Fahrrad (oder einem E-Bike) fährt?
• Was glaubt ihr, woran das liegt?

Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler ihre Gedanken als Hypothese aufschreiben.

• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler ein smartes E-Bike bauen, das den Stromverbrauch seines Motors sowie den Steigungswinkel aufzeichnen kann. Sie können eigene Modelle bauen oder sich an die Bauanleitung für das smarte E-Bike in der App halten.
• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler ihre Modelle auf einer ebenen Oberfläche ausprobieren. Dazu sollen sie das vorgeschlagene Programm verwenden.
• Dann sollen sie sich das Diagramm ansehen und ihre Beobachtungen dokumentieren:
  • Warum sehen die beiden Linien gerade so aus?

• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler das Experiment mit einer Rampe wiederholen, die sie mithilfe der SPIKE Prime-Box und einem Brett aufbauen können.
• Fragen Sie sie, wie der Motor Energie erzeugt, um eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten.
• Dann sollen sie den Zusammenhang zwischen dem Stromverbrauch des Motors und dem Steigungswinkel erklären.
• Lassen Sie sie ihre Daten als CSV-Datei exportieren, damit sie die Daten bei Bedarf in einer anderen Software bearbeiten können.

• Falls die Schülerinnen und Schüler auch nach dem Unterricht Zugang zu den SPIKE Prime-Sets haben, lassen Sie sie die Aufgaben aus der SPIKE App abschließen, um das praktische Lernerlebnis zu erweitern. Beispiel:
  • Fordern Sie die Schülerinnen und Schüler dazu heraus, eine eigene Route zu bauen. Sie sollen dabei sowohl flache Strecken als auch Strecken mit Steigung (aufwärts und abwärts) einbauen.
  • Sie sollen skizzieren, wie ihrer Meinung nach das Diagramm für den Stromverbrauch des Motors auf ihrer Route aussehen wird. Anschließend können sie mit ihrem E-Bike überprüfen, ob sie richtiglagen.
• Falls Ihre Schülerinnen und Schüler keinen Zugang zu den Sets haben, sollen sie an ihrem Schüler-Erfinderheft arbeiten oder eine der unten aufgeführten Erweiterungsübungen erledigen. Die meisten Erweiterungsübungen können mithilfe der Daten bearbeitet werden, die sie bei der praktischen Arbeit erfasst haben.
• Organisieren Sie eine Gesprächsrunde, bei der sich alle Schülerinnen und Schüler über ihre Überlegungen und die Ergebnisse des Experiments austauschen können. Hierfür können Sie flexibel die am besten geeignete Vorgehensweise auswählen (persönlich oder online).

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

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

• Erwartungen zum Teil erfüllt
• Erwartungen vollständig erfüllt
• Erwartungen übertroffen

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

• Sie können ein Gerät so programmieren, dass es Daten als Liniendiagramm aufzeichnet.
• Sie können die Werte in einem Liniendiagramm interpretieren.
• Sie können die Umwandlung von Energie mithilfe der richtigen Terminologie erklären.

Selbsteinschätzung
Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler selbst den Stein auswählen, der am besten ihrer Leistung entspricht.

• Blau: Ich kann Daten mit dem Programm in der App grafisch darstellen.
• Gelb: Ich kann ein eigenes Liniendiagramm erstellen und meine Ergebnisse erklären.
• Lila: Ich habe mir selbst neue Experimente ausgedacht und durchgeführt.

Lernbeobachtung durch Mitschüler

Ermutigen Sie die Schülerinnen und Schüler dazu, einander Rückmeldungen zu geben:

• Lassen Sie sie einander mit der Steine-Skala (siehe oben) bewerten.
• Lassen Sie sie einander konstruktives Feedback geben, damit sie ihre Leistung in der nächsten Unterrichtsstunde verbessern können. Dies ist eine großartige Gelegenheit, um im Rahmen des integrierten Lernens Online-Tools für Videokonferenzen oder Blogs einzubinden.

Um die Aufgabe zu vereinfachen, können Sie Folgendes tun:

• Sich Zeit nehmen, um zu erklären, was direkte Proportionalität bedeutet
• Die Schülerinnen und Schüler Alltagsbeispiele für direkte Proportionalität nennen lassen

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

• Die Schülerinnen und Schüler eigene E-Bikes bauen lassen
• Die Schülerinnen und Schüler eigene wissenschaftliche Protokolle anfertigen lassen und festlegen, welche Werte sie auf welche Weise untersuchen sollen

Bautipps

Programmiertipps

Für diese Aufgabe sollte der Hub per USB-Kabel oder Bluetooth mit dem Gerät verbunden werden. Wenn die Verbindung hergestellt ist, werden die vom Hub erfassten Daten direkt auf das Gerät übertragen und in Echtzeit als Liniendiagramm dargestellt.

Hauptprogramm

Tipp: Wissenschaftliche Daten

Hier sehen Sie ein Beispiel dafür, mit welchen Daten die Schülerinnen und Schüler bei diesem Experiment zu tun haben werden.

Erweiterung: Mathematik

Um die Entwicklung mathematischer Fähigkeiten zu fördern, können Sie Folgendes tun:

• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler selbst herausfinden, dass die beiden Werte in dieser Aufgabe im Zeitverlauf aufgezeichnet werden (d. h. der Winkel bzw. der Stromverbrauch des Motors in Abhängigkeit von der Zeit).
• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler ihre Daten bearbeiten, um damit den Motorstrom in Abhängigkeit vom Steigungswinkel grafisch darzustellen (per Hand und mit Online-Tools).

* Hinweis: Die Erweiterungen erfordern zusätzliche Zeit.*

Erweiterung: sprachliche Ausdrucksfähigkeit

Um die Entwicklung der sprachlichen Ausdrucksfähigkeit zu fördern, können Sie Folgendes tun:

• Lassen Sie alle Schülerinnen und Schüler je ein eigenes Forschungstagebuch erstellen, in dem sie ihre Hypothesen und Schlussfolgerungen wie echte Wissenschaftler dokumentieren.
• Lassen Sie sie je einen eigenen Zeitungsartikel über eine wichtige wissenschaftliche Entdeckung verfassen. Dabei sollen sie wie echte Journalisten die verwendeten wissenschaftlichen Protokolle dokumentieren.
• Teilen Sie wissenschaftliche Artikel aus Zeitungen und aus Fachmagazinen aus. Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler dann beide Arten von Artikeln vergleichen und ihre Beobachtungen aufschreiben.

* Hinweis: Die Erweiterungen erfordern zusätzliche Zeit.*

In welchen Berufen sind diese Fähigkeiten gefragt?

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

• Gesundheitswesen
• Bildungswesen und Weiterbildung
• Naturwissenschaften, Technik, Maschinenbau und Mathematik
• Transportwesen, Vertrieb und Logistik