Schrittzähler

• In dieser Aufgabe wird die kinetische Energie beim Gehen mit konstanter Geschwindigkeit untersucht. Zuerst messen die Schülerinnen und Schüler die Anzahl an Schritten. Dann berechnen sie mit diesem Wert die zurückgelegte Strecke, die durchschnittliche Geschwindigkeit und die durchschnittliche kinetische Energie für diese Bewegung. Der Hub verfügt über einen eingebauten Beschleunigungssensor, der Bewegungen um drei Achsen erkennt (d. h. oben/unten, links/rechts und vorn/hinten). Wenn man den Hub an der Hüfte befestigt, bewegt er sich beim Gehen mit und zeichnet die Beschleunigungswerte auf. Das daraus entstehende Diagramm zeigt den Minimal- und Maximalwert der erfassten Beschleunigung. Die Genauigkeit dieser Minimal- und Maximalwerte hängt von der vertikalen Position des Hubs beim Gehen ab. Die Genauigkeit der gezählten Schritte hängt wiederum von der Qualität dieser Minimal- und Maximalwerte ab sowie von den im Programm verwendeten Kalibrierwerten.

• Verwenden Sie verschiedene Materialien, um eine spannende Einführung in das Thema „kinetische Energie“ zu geben.

Eine Diskussion anregen

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

• Wie könnt ihr messen, wie schnell ihr geht?
• Wie könnt ihr die Energie eines sich bewegenden Objekts messen oder berechnen?
• Welche Energieform ist das?

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

• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler einen Schrittzähler bauen. Sie können eigene Modelle bauen oder sich an die Bauanleitung für den Schrittzähler in der App halten.
• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler ihre Modelle ausprobieren. Dazu sollen sie das vorgeschlagene Programm verwenden.
• Anschließend sollen sie sich das Diagramm ansehen, das die Beschleunigung im Zeitverlauf darstellt, und erklären, was ein „Schritt“ ist.

• Geben Sie den Schülerinnen und Schülern etwas Zeit, um ihre Programme anzupassen und ihre Leistung zu verbessern.
• Ermutigen Sie sie dazu, so viele Daten wie möglich aufzuzeichnen, während sie experimentieren.
• 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:
  • Lassen Sie sie die kinetische Energie beim Gehen oder als Bestandteil ihres Programms veranschaulichen. Dazu können sie die Dockingstation verwenden und programmieren.
• 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 gemeinsame Besprechung, in der Ihre Schülerinnen und Schüler Informationen 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 den Zusammenhang zwischen kinetischer Energie und Geschwindigkeit 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:

• Die Schülerinnen und Schüler das Experiment nur mit dem Hub wiederholen lassen - Solange der Hub senkrecht zum Boden gehalten wird, sollten die Daten geeignet sein, um die Schritte zu zählen

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

• Die Schülerinnen und Schüler eigene Schrittzähler bauen lassen
• Die Schülerinnen und Schüler das Experiment mit einem Smartphone oder Tablet als Schrittzähler wiederholen lassen, sodass sie die Ergebnisse von zwei Experimenten miteinander vergleichen können
• Dazu ist eine App nötig, welche die vom Gerät aufgezeichneten Sensorwerte anzeigen kann

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

Beispielprogramm

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:

• Fragen Sie, bei welchen Elementen ihres Experiments die Schülerinnen und Schüler auf Näherungswerte angewiesen waren. Weisen Sie darauf hin, dass Schrittlängen nicht immer genau sind und dass Schrittzähler daher gewissen Grenzen unterliegen (d. h. sie sind innerhalb einer gewissen Fehlertoleranz präzise).
• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler eine theoretische Version ihres Experiments entwickeln, indem sie beschreiben, wie eine ideale Kurve einen Schritt darstellen würde.

* Hinweis: Die Erweiterungen erfordern zusätzliche Zeit.*

Erweiterung: sprachliche Ausdrucksfähigkeit

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

• Lassen Sie Ihre Schülerinnen und Schüler recherchieren, wie Smartwatches, Fitnesstracker oder Smartphones Schritte zählen. Dann sollen sie schriftlich erläutern, wie diese Technik funktioniert, und dabei auch auf die Fehlertoleranzen eingehen.
• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler erforschen, wie das Erkennen von Mustern diesen Smartgeräten dabei hilft, Schritte zu zählen. Dabei sollen sie insbesondere darauf eingehen, wie künstliche Intelligenz davon Gebrauch macht.

* 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:

• Therapeutische Dienstleistungen
• Maschinenbau und Technik