Schwerkraft

(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 Schüler*innen am besten entsprechen.)

Bei dieser Aufgabe bauen die Schüler*innen unter Zuhilfenahme von Fotos das Modell eines Vogels, der sein Gleichgewicht halten kann. Ermutigen Sie sie dazu, ihre eigenen Ideen für den Entwurf und Bau des Vogelmodells umzusetzen.

• Naturwissenschaftlicher Hintergrund – Schwerkraft:
  • Der Schwerpunkt eines Gegenstands ist dort, wo sich sein Gewicht ausbalanciert. Je niedriger sein Schwerpunkt, desto stabiler ist der Gegenstand.
  • Wenn die Schüler*innen das Vogelmodell nach unten kippen, verschiebt sich der Schwerpunkt nach oben und das Modell wird instabiler.
  • Die nach unten gerichtete Schwerkraft zieht den Vogel wieder nach oben, damit sein Schwerpunkt möglichst tief liegt.
  • Ganz gleich, wie der Vogel geneigt ist, die auf ihn wirkende Schwerkraft zieht den Schwerpunkt stets in Richtung Erdmittelpunkt.
• Vorwissen aufbauen – Schwerkraft: Nutzen Sie die Lehrmaterialien aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht wie Informationen, Bilder und Definitionen und die oben bereitgestellten Hintergrundinformationen.
  • Kräfte drücken oder ziehen etwas in eine bestimmte Richtung.
  • Die Schwerkraft ist eine Kraft, mit der ein Gegenstand in Richtung Erdmittelpunkt zu Boden gezogen wird.
  • Ein Argument, das eine Behauptung oder Aussage über Beobachtungen in der Natur unterstützt (z. B. aufgrund der Schwerkraft der Erde fallen Gegenstände nach unten). Es sollte anhand von Daten bzw. Fakten und/oder einem Modell, das die Beobachtungen darstellt, belegt werden.
  • Schlüsselvokabular: Kraft, Schwerkraft
• Bau- und Programmiererfahrung: Sehen Sie sich die Vorschläge im Unterrichtsplan an. Für diese Aufgabe empfiehlt sich auch,
  • das Gyrosensor-Tutorial im Startmenü der SPIKE App zu nutzen;
  • die Hilfestellungen in den Abschnitten Ereignis- und Soundeffekt-Blöcke im Menü Hilfe > Textblöcke in der SPIKE App zu benutzen. (Schauen Sie sich zur Vorbereitung den Abschnitt Sensorblöcke > Wird der Hub geneigt? an; der Hub muss sich in einer geraden Position befinden, wenn das Basismodell stillsteht.)
  • die Aufgabe Hightech-Spielplatz zu nutzen, um mehr Erfahrung mit Ereignisblöcken zu sammeln.

TEIL A (45 Minuten)

• Stellen Sie die Hauptfigur(en) der Geschichte vor und erteilen Sie den ersten Arbeitsauftrag: Helft Daniel das Modell eines Vogels zu bauen, der auch sein Gleichgewicht halten kann.

• EINSTIEG – Regen Sie eine kurze Diskussion über das Thema an:

  • Was passiert mit einem Gegenstand, den man in der Hand hält und dann loslässt? Warum? (Der Gegenstand fällt auf den Boden, weil die Schwerkraft ihn nach unten zieht.)
  • Was passiert, wenn man eine Schaukel oder ein Pendel nach oben zieht und dann loslässt? Warum? (Die Schaukel kehrt zur niedrigsten Ruheposition zurück, weil die Schwerkraft sie nach unten zieht.)

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

• Bei der Bearbeitung der Aufgabe könnten die Schülerinnen ggf. die unten stehenden Bau- und Programmierbeispiele zur Unterstützung nutzen. Erklären Sie, dass die Bilder nur als Anregung dienen. Die Schülerinnen sollen ihr eigenes Modell eines ausbalancierenden Vogels bauen.

• Lassen Sie die Schüler*innen

  • mithilfe des Basismodells einen Vogel für Daniel BAUEN, der sein Gleichgewicht halten kann, um damit zu zeigen, dass die Schwerkraft den Vogel in seine ursprünglich gerade Position zurückversetzen kann, wenn er gekippt wird;
  • den integrierten Gyrosensor mit Ereignis- und Soundeffekt-Blöcken verwenden, damit sie ihr Modell so PROGRAMMIEREN können, dass es verschiedene Vogelgeräusche erzeugt, wenn es nach rechts oder links geneigt wird und sich in aufrechter Position befindet.

• Sammeln Sie mit den Schülerinnen und Schülern Ideen, wie sie mit LEGO Teilen ein Vogelmodell bauen können, das in seine ursprünglich gerade Position zurückkehrt, wenn es gekippt wird. Zeigen Sie bei Bedarf, wie der Hub des Basismodells an einem Drehpunkt (z. B. einem Verbindungsstück oder einer Achse) hängt, damit sich der Vogel bewegen lässt und in seine ursprünglich gerade Position zurückkehren kann, wenn er gekippt und losgelassen wird. Die Schüler*innen können das Basismodell variieren, solange der Hub an einem einzigen Drehpunkt hängt.

• Geben Sie den Schülerinnen und Schülern 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

• Bitten Sie die Schüler*innen, über ihre Arbeit zu sprechen. 

• Jedes Team soll sein Modell vorstellen und Folgendes erklären:

  • die Richtung der Schwerkraft ihres Vogelmodells („fällt auf den Boden”);
  • wie die Schwerkraft beim Kippen des Modells in seine ursprüngliche Position zurückkehrt;
  • wie ihr Programm Geräusche benutzt, um die verschiedenen Positionen des Vogels anzuzeigen.

• 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 („Erklären”) – Lassen Sie weitere Gruppen das Gelernte vorführen und erklären.

• (5 Min.) Vermitteln Sie den Schülerinnen und Schülern zur Vertiefung das nötige Hintergrundwissen:
• Die Schüler*innen sollen ihre Vogelmodelle um 160 Grad drehen (quasi kopfüber) und dann loslassen.
• Lassen Sie ihre Beobachtungen bei Bedarf wiederholen:
  • Damit diese Aufgabe funktioniert, muss sich der Hub über dem Drehpunkt befinden, da er sich wieder in seiner stabilsten Position einpendelt, d. h. unterhalb des Drehpunkts. Das schwere Gewicht oberhalb des Drehpunkts ist nicht stabil, da die Schwerkraft den Hub wieder nach unten zieht.
• (10 Min.) Um den nächsten Arbeitsauftrag in der App abzuschließen, müssen die Teams ihre Modelle wiederholt testen und anpassen:
  • Baut ein ausbalancierendes Vogelmodell ohne Hub, das aber seine aufrechte Position beibehält, auch wenn es gekippt wird. (Tipp: Der Teil des Vogels, der sich unterhalb des Drehpunkts befindet, muss schwerer sein als der Teil über dem Drehpunkt.)
  • Zeigt, dass der untere Teil eures Vogels schwerer ist als der obere Teil und erklärt, warum das wegen der Schwerkraft richtig ist. (Wenn der obere Teil des Vogels schwerer wäre, würde ihn die Schwerkraft nach unten ziehen und den Vogel zum Kippen bringen.)
• (15 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).

• Sie können die Aussage begründen, dass die Schwerkraft, die die Erde auf Gegenstände ausübt, nach unten gerichtet ist.

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

  • In ihrem Modell richtet sich der Vogel wieder von selbst auf.
  • Teil A: Ihre Erklärung zeigt, dass die Schwerkraft auf das Modell nach unten gerichtet ist. Der schwere Hub wird durch die Schwerkraft nach unten gezogen; damit bleiben die leichteren Teile des Vogels oben.
  • Teil B: Mit ihrer Erklärung zeigen sie, dass die untere Hälfte des neuen Vogelmodells schwerer sein muss als die obere Hälfte, damit der Vogel seine aufrechte Position beibehält. Das Vogelmodell im Schritt „Erweitern” unterscheidet sich vom Modell im Schritt „Erklären” in einem wesentlichen Punkt: Unterhalb des Drehpunkts befindet sich kein schwerer Hub, der den Vogel in aufrechter Position hält.

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 der 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:

• Schließen Sie die Einheit nach dem ersten Arbeitsauftrag ab. Lassen Sie ein ausbalancierendes Vogelmodell bauen, das über einen Hub in der unteren Hälfte verfügt. Stellen Sie den Schülerinnen und Schülern Entscheidungsfragen, die sie zu Erklärungen motivieren.

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

• Erweiterung von Teil A – Schritt „Erforschen”: Lassen Sie die Schüler*innen ein anderes Tier (d. h. keinen Vogel) mit einem Hub wie in Teil A bauen und programmieren, damit sich das Tier von selbst aufrichtet, wenn es gekippt wird. Als Tiermodell könnten z. B. Eichhörnchen oder Affen dienen.

• Stellen Sie Lernmaterialien zur Verfügung, die zeigen, wie verschiedene Objekte ( z. B. Rennwagen, Trinkbecher für Babys), so entworfen wurden, dass sie nicht umkippen können. Die Schüler*innen sollen anhand eines Beispiels ihr Wissen vertiefen und es dann schriftlich festhalten, z. B. mit einem Videoskript für eine Produktwerbung.

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