Vorbereiten auf Naturgefahren

(HINWEIS: Diese Aufgabe besteht aus zwei Teilen: Teil A und Teil B. Beide Teile sind wichtig, um das Lernziel zu erreichen. Wenn die Zeit begrenzt ist, lesen Sie sich beide Teile durch und wählen Sie die Elemente aus, die den Bedürfnissen Ihrer Schülerinnen am besten entsprechen.)*

In dieser Aufgabe geht es darum, durch einen Vergleich mehrerer Möglichkeiten zu lernen, wie sich die Folgen eines Erdbebens auf Gebäude und darin lebende Menschen verringern lassen. Die Klasse muss dafür mehrere verschiedene Lösungen entwickeln, um den Vergleich zu unterstützen. Das Beispielmodell/-programm zeigt einige mögliche Gebäudeentwürfe sowie eine Maschine zum Testen. Leiten Sie die Schüler*innen an, die Beispiele zur Anregung zur nutzen und dann ihre eigenen Ideen für ein erdbebensicheres Bauwerk zu entwerfen und zu bauen.

• Achten Sie darauf, dass jede Schülerinnengruppe ein Gebäudekonzept erarbeitet. Die Gruppen vergleichen dann ihre Entwürfe und Ergebnisse. Helfen Sie den Schülerinnen, Vergleichskriterien zu finden.

• Naturwissenschaftlicher Hintergrund – Erdbeben: Natürliche Erdprozesse, wie ein plötzliches Abrutschen der Erdkruste oder vulkanische Aktivität, können Erdbeben verursachen.

• Vorwissen aufbauen – Vorbereitung auf Erdbeben: Nutzen Sie Lehrmaterialien aus den Naturwissenschaften (und Video, wenn vorhanden – vgl. Materialien), wie Informationen, Bilder und Definitionen.

  • Erdbeben sind eine Gefahr, die sich aus einem natürlichen Prozess der Erde ergibt (andere sind Überschwemmungen, Tsunamis und Vulkanausbrüche). Bei einem Erdbeben kann der Boden heftig beben, was Gebäude beschädigen oder zerstören und die Sicherheit der Menschen gefährden kann.
  • Menschen können die Auswirkungen von Erdbeben auf vielfältige Weise reduzieren, z. B. durch die Gestaltung erdbebensicherer Gebäude. Für diese Gebäude werden Formen und Materialien genutzt, um Gefahren zu reduzieren. Sie enthalten Teile, die sogar beschädigt werden sollen, um das gesamte Gebäude vor dem Einsturz zu bewahren, ähnlich wie der Kotflügel an einem Auto brechen kann, um die Menschen im Inneren zu schützen, indem sie die Energie bei einem Zusammenstoß aufnehmen.
  • Auch Vorkehrungen, wie z. B. Gefahrenalarmsysteme, können helfen, Menschen zu warnen, um sich schnell in Sicherheit zu bringen.
  • Die wichtigen Begriffe: Naturprozesse, Naturgefahren, Erdbeben

• Bau- und Programmiererfahrung: Sehen Sie sich die Vorschläge im Unterrichtsplan an. Für diese Aufgabe empfiehlt sich auch,

  • das Motor-Tutorial im Startmenü der SPIKE App zur Unterstützung nutzen;
  • die Hilfestellungen in den Abschnitten Ereignis, Motorblöcke im Menü Hilfe > Textblöcke in der SPIKE App zu nutzen.

• Materialien: Suchen Sie Videos von Erdbeben-Erschütterungstests (Suche: erdbebensichere Strukturen). Sie können diese ggf. beim Aufbau von Hintergrundwissen nutzen.

TEIL A (45 Minuten)

• Stellen Sie die Hauptfigur(en) der Geschichte vor und erteilen Sie den ersten Arbeitsauftrag: Leo weiß, dass es an manchen Orten Erdbeben gibt. Um die Sicherheit der Menschen zu gewährleisten, helft ihm, Gebäude zu entwerfen, die nicht durch Erdbeben zerstört werden.

• EINSTIEG – Regen Sie eine kurze Diskussion über das Thema an – unter Umständen mit den Bildern aus der Unterrichtseinheit.

  • Welche Gebäudeformen werden wahrscheinlich am wenigsten durch Erdbeben beschädigt? Warum? (Dreiecks- und Pyramidenform; sie sind stabil und schwanken am wenigsten.)
  • Welche Baustoffe halten einer Erschütterungskraft durch ein Erdbeben stand? Warum? (Stahl; Er ist stark, biegt sich aber immer noch eher, als dass er bricht.)
  • Wie kann man Gebäude so konstruieren, dass die Auswirkungen eines Erdbebens reduziert werden? (Verwendet geeignete Materialien/Formen, z. B. Stahl + eine dreieckige Form; testet und verbessert die Entwürfe, um die beste Lösung zu finden.)

• Jede Gruppe erhält dafür ein SPIKE^™ Essential-Set und ein digitales Endgerät.

• Bei der Bearbeitung der Aufgabe können die Schülerinnen ggf. die folgenden Bau- oder Programmierbeispiele zur Unterstützung nutzen. Machen Sie deutlich, dass es darum geht, Vorschläge für erdbebensichere Bauten zu zeigen. Die Schülerinnengruppen sollen ihre eigene Idee für ein solches Bauwerk entwerfen und bauen.

• Lassen Sie die Schüler*innen

  • die Basismodelle nutzen, um ein Gebäude und eine Erschütterungsmaschine zu bauen, die ein Erdbeben simuliert; mithilfe der Maschine einen Gebäudeentwurf testen, um zu sehen, ob er durch Erdbeben zerstört wird.
  • ihr Modell PROGRAMMIEREN, um das Gebäude mit unterschiedlichen Motordrehzahlen (Geschwindigkeiten) zu erschüttern. Sie sollen testen und notieren, wie lange es bei den verschiedenen Drehzahlen stehen bleibt (Erschütterungsstärke). Sie sollen daran denken, den Test mit einer niedrigen Drehzahl zu beginnen und diese dann schrittweise zu erhöhen (25 %, 50 %, 75 % und 100 %). Sie sollen feststellen, welche Gebäudeentwürfe sofort einstürzen. Und warum?

• Sammeln Sie mit der Klasse Ideen, wie sie LEGO^® Elemente nutzen können, um Modelle zu bauen, die sich während der Tests unterschiedlich verhalten (z. B. weil sie unterschiedliche Größen oder Formen haben – lang oder schmal sind, oben schwer mit breiter Basis – oder flexible Teile nutzen, die sich biegen, aber nicht brechen.) Sie sollen untersuchen, wie sie die Motordrehzahl nutzen können, um die zunehmende Kraft auf das Gebäude darzustellen.

• Geben Sie den Schüler*innen nach der Hälfte der Arbeitszeit die Gelegenheit, sich über ihre Ideen im Rahmen einer vertrauten Unterrichtsroutine auszutauschen und ihre Modelle danach entsprechend zu überarbeiten.

Beispielideen

• Sprechen Sie gemeinsam mit der Klasse über ihre Ideen. 

• Jedes Team soll sein Modell und seine Entwürfe vorstellen und anhand dessen Folgendes erklären:

  • das Gebäudedesign; (Bitten Sie die Teams, Größe, Grundform, Struktur oder Flexibilität der Materialien zu beschreiben.)
  • ihre Testergebnisse;
  • warum hat ihre Gebäudeplanungslösung funktioniert oder ist gescheitert?

• Lassen Sie die Schüler*innen anhand der vorgestellten Erklärungen und Testergebnisse einzeln entscheiden, welche Konstruktionslösung die Auswirkungen von Erdbeben auf Menschen am besten verringert. Sie sollen mindestens zwei Entwürfe vergleichen, um ihre Wahl zu begründen.

• Fordern Sie die Schüler*innen dazu auf, den anderen zu erklären, wie sie ihr Modell überarbeitet und verbessert haben.

Falls Sie mit Teil B „Erklären“ fortfahren möchten, können die Schüler*innen ihre Modelle weiterverwenden oder sie umbauen, wofür Sie zusätzlich Zeit einplanen müssen.

TEIL B (45 Minuten)

• Wiederholen Sie die Schritte aus Teil A – Lassen Sie weitere Gruppen das Gelernte vorführen und erklären.

• (5 Min.) Vermitteln Sie den Schüler*innen zur Vertiefung das nötige Hintergrundwissen: In einigen Teilen der Vereinigten Staaten löst das ShakeAlert^® System (ein Erdbeben-Frühwarnsystem) eine Alarmsirene aus, um die Menschen zu informieren, dass es zu einem Erdbeben gekommen und mit Erschütterungen zu rechnen ist.

• (15 Min.) Um den nächsten Arbeitsauftrag in der App abzuschließen, müssen die Teams ihre Modelle wiederholt testen und anpassen:

  • Sie sollen ihr Gebäudemodell so verbessern und programmieren, dass ein Alarm die Menschen vor einem bevorstehenden Erdbeben warnt.

• (10 Min.) Fragen Sie die Schüler*innen, welche Kenntnisse, Ideen und Fähigkeiten ...

  • ihnen geholfen haben, die Aufgabe zu erfüllen;
  • sie beim Bauen gelernt haben.

• Bitten Sie die Schüler*innen, die Sets und Arbeitsbereiche aufzuräumen.

• Ermutigen Sie die Teams durch Fragen dazu, nachzudenken und ihre Entscheidungen zu begründen, die sie beim Bauen und Programmieren getroffen haben.

Checkliste für Beobachtungen

• Sehen Sie sich die Lernziele an (Feld Unterstützung für Lehrkräfte).

• Ermitteln Sie den Fortschritt der Schüler*innen anhand der Checkliste:

  • Sie haben ein Modell und Programm für ein Gebäude und einen Erdbebensimulator entwickelt, die zusammenarbeiten, um die Erschütterungsfestigkeit des Gebäudes zu testen.
  • Anhand von Kriterien bewerten sie, wie gut ihre Lösung funktioniert, um die Auswirkungen eines Erdbebens auf den Menschen zu reduzieren.
  • Ihre Erklärung vergleicht mindestens zwei Gebäudemodelle, um zu entscheiden, welches am besten funktioniert.

Selbsteinschätzung

Lassen Sie die Schüler*innen selbst den Stein auswählen, der am besten ihrer Leistung entspricht.

• Blauer Stein: Ich denke, ich kann Anweisungen befolgen, um ein Programm zu erstellen.
• Gelber Stein: Ich kann Anweisungen befolgen, um ein Programm zu erstellen.
• Grüner Stein: Ich kann Anweisungen befolgen, um ein Programm zu erstellen. Außerdem kann ich anderen dabei helfen.

Feedback von Mitschüler*innen

Lassen Sie die Schüler*innen in ihren Teams über ihre Zusammenarbeit sprechen.
Ermutigen Sie sie dazu, ihre Rückmeldungen wie folgt zu formulieren:

• Ich fand es gut, wie/dass du …
• Ich würde gern mehr darüber wissen, wie du …

Um die Aufgabe zu vereinfachen, können Sie Folgendes tun:

• Anpassung des ersten Arbeitsauftrags: Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler ihr Gebäude mit nur einer Erschütterungsstärke testen. Geben Sie ein Zeitlimit an, um zu entscheiden, ob das Gebäude „sofort“ einstürzt, oder nach 5 oder 10 Sekunden.

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

• Vertiefen der Erweiterungsaufgabe: Lassen Sie die Schüler*innen ihre Modelle erweitern, um zu zeigen, welche weiteren Möglichkeiten es gibt, um Menschen über die Gefahren einer Naturkatastrophe zu warnen.

• Stellen Sie Lernmaterialien zur Verfügung, das Material beschreibt, das von alten japanischen, chinesischen oder römischen Baumeistern verwendet wurde, um gegen Erdbebenschäden zu bestehen. (Suchen Sie nach erdbebensicheren Gebäudenaus alten chinesischen/japanischen/römischen Bildern). Lassen Sie die Schüler*innen ein Beispiel unter die Lupe nehmen und über die wichtigsten Konzepte und Details aus dem Gelernten sprechen.

Wenn Sie die Erweiterungen nutzen, dauert die Aufgabe länger als 45 Minuten.