Standfestigkeit

• Beachten Sie die Hinweise im Kapitel „Unterrichtsvorbereitung”.
• Benutzen Sie die folgenden Seiten der Lehrerhandreichung, um sich mit dem Projekt, der Projektplanung, den verschiedenen Inhalten der drei Phasen und der integrierten Lernstandserhebung im Projekt vertraut zu machen.
• Definieren Sie Ihre Erwartungen und die Ihrer Schüler.
• Legen Sie die Ziele des Projekts fest: Jeder Schüler sollte die Möglichkeit bekommen, zu bauen, zu programmieren und zu dokumentieren.
• Vergewissern Sie sich, dass die Schüler zum Erreichen der Ziele genügend Zeit zur Verfügung haben.

Das einführende Video kann als Grundlage genutzt werden, um mit den Schülern die folgenden Ideen zu diskutieren.

Video
Die folgende Auflistung bietet mögliche Anhaltspunkte für Diskussionen.

1. Vor 320 Millionen Jahren gab es nur zwei Großkontinente. Im Laufe der Zeit drifteten die Kontinente und schlossen sich die Erdkrustenplatten immer wieder in unterschiedlichen Formen zusammen. Auch heute noch sind die Erdteile in Bewegung, und in 100 Millionen Jahren wird sich das Gesicht der Erde weiter verändert haben.
2. Da die Erdkrustenplatten auf dem Erdinneren schwimmen, stoßen sie aneinander, schieben sich aneinander vorbei oder entfernen sich voneinander. Wenn sie sich aneinander vorbeischieben, vibriert die Erdkrustenplatte in diesem Gebiet. Wir nennen diese Vibration „Erdbeben”.
3. Durch ein Erdbeben können z.B. Gebäude, Straßen, Brücken oder andere Bauwerke zerstört werden.
4. Heute können wir Gebäude bauen, die viel stabiler und standfester sind als früher. Wissenschaftler und Forscher arbeiten aber immer daran, noch bessere Materialien zu entwickeln, neue Strukturen zu erfinden und noch stabilere und standfestere Häuser zu bauen.

Fragen für die Diskussion

1. Welchen Einfluss hat die Höhe von Gebäuden auf ihre Standfestigkeit?
   Je höher ein Gebäude ist, desto geringer ist die Standfestigkeit – das heißt, dass mehr Maßnahmen zur Sicherung des Gebäudes ergriffen werden müssen.
2. Welchen Einfluss hat die Verankerung von Gebäuden im Boden auf ihre Standfestigkeit?
   Die Verankerung von Gebäuden im Boden kann die Standfestigkeit verbessern.
3. Wie kann die Standfestigkeit von Gebäuden verbessert werden?
   Die Standfestigkeit von Gebäuden kann unter anderem durch die Verwendung spezieller Baustoffe, Verankerungen, Strukturen und Fundamente verbessert werden. Bei diesem Projekt kann die Standfestigkeit vor allem durch Verankerung bzw. durch das Fundament verbessert werden.

Lassen Sie die Schüler die Ergebnisse ihrer Diskussion im Dokumentationstool festhalten.

Zu diesem Zeitpunkt ist es durchaus möglich, dass die Schüler auf die Fragen noch falsche Vermutungen äußern. Im Rahmen des Projekts werden sie jedoch Erkenntnisse zum Thema Standfestigkeit gewinnen und anschließend die Fragen richtig beantworten können.

Ergänzende Fragen

1. Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Breite und Tiefe (Dicke)
   eines Gebäudes und seiner Standfestigkeit?
   Im Allgemeinen sind dünne, lange Bauwerke eher weniger standfest als
   dicke und kurze. Allerdings hängt die Standfestigkeit noch von vielen
   anderen Faktoren ab, sodass ein Faktor allein nicht ausschlaggebend
   sein kann.
2. Wie kann man sicherstellen, dass die Tests fair sind?
   Indem die Versuchsbedingungen immer identisch sind und immer nur
   eine Variable variiert wird.

Wichtig
Stellen Sie sicher, dass die Schüler verstehen, dass die Standfestigkeit von
Häusern nicht nur von einem einzelnen Faktor abhängt.

Einen Erdbebensimulator bauen und programmieren
Anhand der Bauanleitung bauen die Schüler einen Erdbebensimulator.

1. Den Erdbebensimulator bauen
Das Basismodell „Ankurbeln”, das bei dem Erdbebensimulator zum Einsatz kommt, nutzt eine Stange. Durch das Befestigen der Stange am Motor wird die Stange zum Kolben. Durch den Kolbenantrieb wird die Drehbewegung des Motors in eine Auf- und Abwärts- oder Vorwärts-Rückw.rts-Bewegung umgewandelt. Die Motorenleistung beeinflusst die Stärke der Bewegungen.

2. Den Erdbebensimulator programmieren
Das Programm zeigt zu Beginn die Zahl 0 auf der Anzeige auf der Programmierfläche des Geräts an. Dann wird auf der Anzeige + 1 hinzugefügt. Das Programm führt eine Reihe von Befehlen aus und macht dann eine Pause von 1 Sekunde, bevor es wieder auf der Anzeige + 1 hinzufügt und die Befehle wieder ausführt. Das Programm mach insgesamt 5 Wiederholungen und stoppt dann. Die Zahlen auf de Gerät entsprechen der Motorenleistung in den verschiedenen Phasen und repräsentieren die verschiedenen Erdbebenstärken.

Wichtig
Um die Erdbebenstärke an ihrem Simulator zu erhöhen, müssen die Schüler die Programmierung entsprechend verändern. Stellen Sie sicher, dass die Schüler ausreichend Zeit zum Ausprobieren und Testen haben.

Wichtig
Die Richterskala steigt in der Realität nicht linear, sondern logarithmisch
an (Basis 10). Das heißt, dass die jeweils nächsthöhere Stufe einer zehnmal
größeren Erdbebenstärke entspricht. Im Modell hingegen ist der Anstieg der Motorenleistung linear.

Die Gebäude mit dem Erdbebensimulator testen
Mithilfe des Erdbebensimulators sollten die Schüler in der Lage sein, eigene Untersuchungen zur Standfestigkeit von Gebäuden durchzuführen.

1. Wie standfest sind die drei Gebäude A, B und C? Wie verändert sich die Standfestigkeit von Gebäuden, wenn sich
• die Höhe der Gebäude verändert?
• die Verankerung von Gebäuden im Boden verändert?

Beim Modell nimmt die Stabilität ab, je höher die Gebäude sind. Die Stabilität nimmt zu, wenn die Gebäude besser im Boden verankert sind (größere Standplatte).

Wichtig
Da nicht alle Motoren exakt gleich arbeiten, können bei den Modellen
unterschiedlich starke Bewegungen (Erdbebenstärken) auftreten. Untersuchungen sollten daher immer mit demselben Modell durchgeführt werden.

Wichtig
Stellen Sie sicher, dass die Schüler verstehen, dass die Standfestigkeit von
Häusern nicht nur von einem einzelnen Faktor abhängt.

Weiterführende Entwicklungsphase (optional)
Wenn Sie möchten, können Sie die Schüler noch den Expertenauftrag bearbeiten lassen. Beachten Sie, dass der Expertenauftrag auf den bereits durchgeführten Teilen des Projekts Standfestigkeit aufbaut und als Ergänzung für ältere oder erfahrenere Schüler konzipiert wurde.

Expertenauftrag

1. Wie muss euer Gebäude gebaut sein, damit es möglichst groß und standfest ist? Schaut euch eure Testergebnisse an. Baut ein neues Gebäude.

Lassen Sie die Schüler neue Modelle von Gebäuden bauen. Lassen Sie sie die neuen Modelle entsprechend testen und die Ergebnisse mit denen der ersten Untersuchungen vergleichen.

Vorschlag Zusammenarbeit
Lassen Sie die Schüler einander die Modelle der anderen Teams beschreiben und diese testen.
• Was sind die Vorteile der Bauweise?
• Was sind die Nachteile der Bauweise?
• Wird das Gebäude den Erdbebentest bestehen?

Die Dokumentation überarbeiten
Die Projekte können auf unterschiedliche Weise dokumentiert werden:
• Stellen Sie sicher, dass die Schüler die Ergebnisse ihrer Tests im Dokumentationstool festhalten.
• Lassen Sie die Schüler einander die Ergebnisse ihrer Untersuchungen vorstellen.
• Lassen Sie die Schüler mit eigenen Worten beschreiben, wodurch die Standfestigkeit von Gebäuden verbessert werden kann.
• Lassen Sie die Schüler ihre Präsentationen mithilfe des Dokumentationstools fertigstellen. Sie können dabei noch wichtige Informationen, Bilder, Videos oder Bildschirmfotos ergänzen.

Vorschlag
Die Schüler können die Ergebnisse ihrer Versuche in einer Tabelle oder in einer Grafik festhalten. Sie können auch Dokumentationsvideos ihrer verschiedenen Tests aufnehmen und diese für die Präsentation nutzen.

Präsentation
Lassen Sie die Schüler am Ende des Projekts ihre Ergebnisse präsentieren.

Vorschlag
Um die Präsentationen der Schüler noch zu verbessern können Sie darauf achten, dass sie
• Begriffe wie Erdbeben, Erdbebenstärke und Standfestigkeit richtig benutzen
• Ihre Untersuchungsergebnisse zur Argumentation nutzen
• Die Folgen von Erdbeben für Gebäude, Menschen und Tiere in der Realität beschreiben.

Projekttyp: Forschung
In den drei Projektphasen werden Ihre Schüler verschiedene Arten von Fertigkeiten,
Fähigkeiten und Kompetenzen anwenden und weiterentwickeln. Im Folgenden finden
Sie einige Anregungen für die Erhebung des Lernstandes und Lernfortschritts Ihrer Schüler, ausgerichtet auf die Thematik des Projektes und gegliedert nach den drei Phasen.

Erforschungsphase
Die Schüler können

1. Ideen und Vorschläge zu möglichen Antworten auf die Fragen zum Thema
   Standfestigkeit erarbeiten
2. aktiv zur Zusammenarbeit mit Mitschülern im Team beitragen und engagiert an
   der Beantwortung der Fragen mitarbeiten
3. Vermutungen äußern und mit eigenen Worten beschreiben, wodurch die Standfestigkeit von Gebäuden beeinflusst werden kann. (Zu diesem Zeitpunkt können ihre Vorstellungen und Erklärungen teilweise noch unzureichend sein, etwa in puncto Genauigkeit oder Verwendung der richtigen Fachausdrücke.)

Entwicklungsphase
Die Schüler können

1. einen Erdbebensimulator konstruieren, der ihnen helfen kann, ihre Ideen und
   Lösungsvorschläge (ihre Hypothesen) anhand der gesammelten Testergebnisse zu überprüfen.
2. in Teams zusammenarbeiten und aktiv zum Verständnis der Standfestigkeit von
   Gebäuden und der verschiedenen beeinflussenden Faktoren (wie Höhe der Gebäude und Verankerung im Boden) beitragen.
3. die verschiedenen praktischen Aspekte des wissenschaftlichen Erkenntnisprozesses anwenden.
4. verstehen, weshalb sie den wissenschaftlichen Prozess in diesem Zusammenhang verwenden, um Antworten auf ihre Fragen zu erhalten.

Ergebnisphase
Die Schüler können

1. ihre Präsentationsfähigkeiten in Zusammenarbeit mit ihrem Team entwickeln.
2. die erarbeiteten Ergebnisse präsentieren und ihre Lösungsvorschläge und Ideen
   durch relevante Beispiele untermauern.
3. während der Präsentation und im fertigen Dokument den Zusammenhang zwischen ausgewählten Faktoren und der Standfestigkeit von Gebäuden adäquat erklären.
4. erläutern, ob und inwieweit ihre ersten Vorstellungen und ihr anfängliches Verständnis der Faktoren, welche die Standfestigkeit von Gebäuden beeinflussen
   können, richtig waren.

Erwägen Sie ggf. andere Arten der Präsentation für das nächste Projekt. So können Sie gezielt daran arbeiten, das Selbstvertrauen von Schülern, denen die Präsentation besonders schwergefallen ist, zu stärken.

Um den Lernerfolg Ihrer Schüler sicherzustellen, geben Sie ihnen ggf. mehr Hilfestellungen beim Konstruieren, Programmieren und Dokumentieren:
• Zeigen Sie den Schülern, wie man eine Untersuchung durchführt
• Zeigen Sie den Schülern, wie man Untersuchungsergebnisse zur evidenzbasierten Argumentation nutzen kann
• Definieren Sie inhaltliche Schwerpunkte, wie etwa Stabilität und Material.

Geben Sie genau vor, wie die Schüler ihre Projekte und Ergebnisse präsentieren sollen.

Weiterführende Forschung
Als zusätzliche Herausforderung können die Schüler eigenständig weiterführende Untersuchungen mit ihren Modellen durchführen. Sie können ihre Modelle auch umgestalten und erneut untersuchen oder umprogrammieren. So können sie sich ergänzende und weiterführende Erkenntnisse aneignen.

Schülervorstellungen
Schüler glauben häufig, dass starre Gegenstände stabiler sind als flexible; dabei werden in modernen Gebäuden bewusst mitschwingende Materialien verwendet, um eine hohe Stabilität zu gewährleisten.

Auch in Bezug auf Erdbeben haben Schüler häufig falsche Konzepte. So glauben viele von ihnen, dass Erdbeben zufällig und überall auf der Erde entstehen können.

Die Schülervorstellungen bieten eine hervorragende Lernmöglichkeit. Sie können diese im Unterricht aktiv aufgreifen und hinterfragen. Dies kann Ihren Schülern beim Verstehen der Konzepte und Verwenden der korrekten Fachbegriffe helfen.