Geschwindigkeit

• 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 Ansatzpunkte für Diskussionen.

1. Heutzutage ermög lichen uns A utos, s chnell v on einem Or t zum ander en zu fahren. Die ersten Autos waren allerdings langsamer als ein Pferd und hatten insgesamt eine geringere Leistung.
2. Bei der S uche nach V erbesserungsmöglichkeiten der Ges chwindigkeit eines Autos haben Ingenieure und Wissenschaftler schon immer versucht die verschiedenen beeinflussenden Elemente genauer unter wechselnden Bedingungen zu untersuchen.
3. Ingenieure und W issenschaftler v ersuchen immer wieder, A utos stabiler, sicherer, aber auch schneller zu machen.
4. An A utoreifen wir d s ehr viel gef orscht. F orscher v ersuchen immer wieder, das Material, die Größe, die Form oder das Profil zu verändern, um die Qualität und die Sicherheit der Reifen zu verbessern.
5. Heutzutage k önnen manche A utos mit einer Ges chwindigkeit v on mehr als 400 km/h fahren.

Fragen für die Diskussion
1.Wodurch kann ein Rennauto schneller werden? Welche Teile am Rennauto beeinflussen die Geschwindigkeit?
Es gibt verschiedene Faktoren, die die Geschwindigkeit von Autos beeinflussen (z.B. Größe der Reifen, Art der Reifen, Aerodynamik, Motorenleistung, Getriebe, Gewicht). Bei diesem Projekt kann die Geschwindigkeit des Autos z.B. durch die Räder oder die Motorenleistung verändert werden.

2.Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit und der Zeit, die ein Auto für eine bestimmte Strecke braucht?
Je höher die Geschwindigkeit, umso weniger Zeit braucht das Auto für die Strecke.

3.Wie kann man die Geschwindigkeit des Rennautos messen?
Bei einer konstanten Geschwindigkeit gilt:
Geschwindigkeit (v) = zurückgelegter Weg (s) / benötigte Zeit (t) Wenn die Geschwindigkeit nicht konstant ist, ergibt sich mit der genannten Gleichung eine mittlere Geschwindigkeit (Durchschnittsgeschwindigkeit).

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

Ein Rennauto bauen und programmieren
Anhand der Bauanleitung bauen die Schüler ein Rennauto.

1. Das Rennauto bauen
Das Basismodell „Fahren”, das beim Rennauto zum Einsatz kommt, nutzt eine Rolle. Der Antrieb des Rennautos kann dabei auf zwei verschiedenen Wegen erfolgen:

• Mit reduzierter Geschwindigkeit: Die kleinere Rolle treibt die größere Rolle an – die Drehgeschwindigkeit der angetriebenen Rolle wird gesenkt
• Mit normaler Geschwindigkeit: Die größere Rolle treibt eine gleich große Rolle an – die Drehgeschwindigkeit der angetriebenen Rolle bleibt gleich.

2. Das Rennauto programmieren
Die Schüler müssen eine Hand vor das Rennauto halten, bevor Sie das Programm starten. Das Programm zeigt zu Beginn die Zahl 0 auf der Anzeige auf der Programmierfläche des Geräts an und wartet dann auf das Startsignal. Sobald die Schüler ihre Hand heben, startet das Programm den Motor mit der maximalen Motorenleistung 10. Auf der Anzeige wird kontinuierlich jeweils + 1 hinzugefügt (Dies ist eine Art Zeitmessung, jedoch entspricht es nicht einer standardisierten Einheit.). Das Auto bewegt sich, bis die Schüler das Auto wieder mit der Hand stoppen (Ende des Rennens).

Wichtig
Bei diesem Programm müssen die Schüler eine Hand vor das Rennauto halten, bevor sie das Programm starten. Sobald sie ihre Hand entfernen, beginnt das Auto zu fahren. Die Rennstrecke muss mindestens 2 m lang sein.

Wichtig
Bei der Untersuchung ist es notwendig, dass die Versuche immer unter denselben Bedingungen (z.B. Länge der Rennstrecke) durchgeführt werden. Nur so können die Schüler beim Verändern einzelner Variablen Unterschiede feststellen.

Das Rennauto testen
Mithilfe des Rennautos sollten die Schüler in der Lage sein, eigene Untersuchungen zur Geschwindigkeit durchzuführen.

1. Wie lange braucht euer Rennauto für eine Strecke von 2 m? Wiederholt den Test dreimal, damit ihr ein möglichst genaues Ergebnis bekommt.
Die Schüler sollen die Ergebnisse ihrer Tests genau protokollieren. Hierzu können sie ggf. auch eine Tabelle anlegen.

2. Wie verändert sich die Fahrzeit des Rennautos, wenn ihr

• die Größe der Reifen verändert?
• die Größe der Antriebsrolle verändert?
• die Motorenleistung verändert?

Je nach Veränderung wird das Rennauto entweder schneller (z.B. höhere Motorenleistung, Übersetzung) oder langsamer (z.B. kleinere Reifen, Untersetzung).

Wichtig
Bei der Durchführung der Versuche ist es wichtig, dass die Schüler immer nur eine Variable pro Test verändern. Nur so können sie Zusammenhänge zwischen der Geschwindigkeit und einzelnen Variablen erkennen.

Vorschlag
Durch Erhöhung der Anzahl der Testfahrten kann die Messgenauigkeit gesteigert werden.

Weiterführende Entwicklungsphase (optional, 45-60 minuten)
Wenn Sie möchten, können Sie die Schüler noch den Expertenauftrag bearbeiten lassen. Beachten Sie, dass der Expertenauftrag auf den bereits durchgeführten Teilen des Projekts Geschwindigkeit aufbaut und als Ergänzung für ältere oder erfahrenere Schüler konzipiert wurde.

Expertenauftrag
1. Wie muss euer Rennauto gebaut sein, damit es am schnellsten fährt? Probiert beide Motorentypen (A und B) aus. Schaut euch eure Testergebnisse an. Baut euer Rennauto entsprechend um.

Lassen Sie die Schüler neue Rennauto-Modelle bauen.
Lassen Sie sie die neuen Modelle entsprechend testen und die Ergebnisse mit denen der ersten Untersuchungen vergleichen. Machen Sie die Schüler darauf aufmerksam, dass sie der Konstruktionsbibliothek weitere Anregungen entnehmen können.

Vorschlag
Zusammenarbeit
Veranstalten Sie ein Autorennen.

• Lassen Sie die Schüler in Teams ihre Rennautos auf ein bestimmtes Signal hin gleichzeitig starten. Welches Rennauto ist das schnellste der Klasse?

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 Geschwindigkeit von Rennautos beeinflusst werden kann.
• Lassen Sie die Schüler ihre Präsentationen mithilfe des Dokumentationstools fertigstellen. Dabei können sie 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 ein Dokumentationsvideo aufnehmen, in dem sie ihr Projekt der Klasse vorstellen.

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 Geschwindigkeit, Beschleunigung und Variable richtig verwenden
• ihre Untersuchungsergebnisse zur Argumentation nutzen
• Situationen in ihrem Alltag beschreiben, in denen sie unterschiedliche Geschwindigkeiten wahrnehmen konnten.

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

• Ideen und Vorschläge für mögliche Antworten auf die Fragen zum Thema Geschwindigkeit erarbeiten
• aktiv zur Zusammenarbeit mit Mitschülern im Team beitragen und engagiert an der Beantwortung der Fragen mitarbeiten
• Vermutungen äußern und mit eigenen Worten beschreiben, wodurch die Geschwindigkeit von Autos 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

• ein Rennauto konstruieren, das ihnen helfen kann, ihre Ideen und Lösungsvorschläge (ihre Hypothesen) anhand der gesammelten Testergebnisse zu überprüfen
• in Teams zusammenarbeiten und aktiv zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Geschwindigkeit von Autos und den verschiedenen beeinflussenden Faktoren (wie Größe der Reifen, Motorenleistung, Größe der Antriebsrolle etc.) beitragen
• die verschiedenen praktischen Aspekte des wissenschaftlichen Erkenntnisprozesses anwenden
• verstehen, weshalb sie den wissenschaftlichen Prozess in diesem Zusammenhang verwenden, um Antworten auf ihre Fragen erhalten.

Ergebnisphase
Die Schüler können

• ihre Präsentationsfähigkeiten in Zusammenarbeit mit ihrem Team entwickeln
• die erarbeiteten Ergebnisse präsentieren und ihre Lösungsvorschläge und Ideen durch relevante Beispiele untermauern
• während der Präsentation und in ihrem fertigen Dokument den Zusammenhang zwischen ausgewählten Faktoren und der Geschwindigkeit von Autos adäquat erklären
• erläutern, ob und inwiefern ihre ersten Vorstellungen und ihr anfängliches Verständnis der Faktoren, welche die Geschwindigkeit von Autos beeinflussen können, richtig waren.

Um den Lernerfolg Ihrer Schüler sicherzustellen, geben Sie ihnen ggf. mehr Hilfestellungen beim Konstruieren, Programmieren und Dokumentieren:

• Erklären Sie die Verwendung des Motors
• Erklären Sie einfache Programme
• Zeigen Sie den Schülern, wie man eine Untersuchung durchführt
• Definieren Sie inhaltliche Schwerpunkte, z.B. Geschwindigkeit, unterschiedliche Bereifung usw.

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 verwechseln häufig Geschwindigkeit und Beschleunigung. Eine typische Schülervorstellung ist die Annahme, dass bei gleichbleibender Geschwindigkeit auch die Beschleunigung konstant bleibt. Geschwindigkeit und Beschleunigung sind allerdings zwei unterschiedliche Konzepte Beschleunigung findet überhaupt nur statt, wenn sich die Geschwindigkeit verändert.

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.