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Erstellung einer digitalen Schaltung mit dem Kleinsteuergerät „LOGO!“. Planung, Durchführung und Evaluation einer Unterrichtseinheit

Durchgeführt in einer Berufsfachschule für Mechatroniker

Hausarbeit 2011 98 Seiten

Elektrotechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1.EINLEITUNG

2.THEORETISCHE GRUNDLAGEN
2.1 Thematische Analyse in Bezug auf die Steuerungstechnik
2.1.1 Digitale Schaltung
2.1.2 Steuerungstechnik
2.1.3 Die Kleinsteuerung LOGO!
2.1.4 LOGO!Learn
2.2 Pädagogische Analyse
2.2.1 Mechatroniker
2.2.2 Handlungsorientierung
2.2.2.1 Kundenauftrag
2.2.3 Selbstorganisiertes Lernen (SOL)
2.2.3.1 Advance Organizer
2.2.3.2 Gruppenpuzzle

3.PLANUNG DER UNTERRICHTSEINHEIT
3.1 Lehr- und Lernbedingungen
3.1.1 Die Lerngruppe
3.1.2 Der Referendar
3.1.3 Organisatorische Rahmenbedingungen
3.2 Didaktisch-methodisches Konzept
3.2.1 Inhaltliche Vorrausetzung der Unterrichtseinheit
3.2.2 Analyse der curricularen Vorgaben
3.2.3 Auswahl und Reduktionsentscheidungen
3.2.4 Makrosequenz der Unterrichtseinheit
3.2.5 Beschreibung der Lernziele in der Makrosequenz

4.PLANUNG, DURCHFÜHRUNG UND REFLEXION DER UNTERRICHTSSTUNDEN
4.1 Die erste Doppelstunde (1/2 Stunde)
4.1.1 Planung der Unterrichtsstunde
4.1.2 Durchführung und Reflexion der Unterrichtsstunde
4.1.3 Lernziele der Stunde
4.1.4 Lernerfolgskontrolle
4.2 Die zweite Doppelstunde (3/4 Stunde)
4.2.1 Planung der Unterrichtsstunde
4.2.2 Durchführung und Reflexion der Unterrichtsstunde
4.2.3 Lernziele der Stunde
4.2.4 Lernerfolgskontrolle
4.3 Die dritte Doppelstunde (5/6 Stunde)
4.3.1 Planung der Unterrichtsstunde
4.3.2 Durchführung und Reflexion der Unterrichtsstunde
4.3.3 Lernziele der Stunde
4.3.4 Lernerfolgskontrolle
4.4 Die vierte Doppelstunde (7/8 Stunde)
4.4.1 Planung der Unterrichtsstunde
4.4.2 Durchführung und Reflexion der Unterrichtsstunde
4.4.3 Lernziele der Stunde
4.4.4 Lernerfolgskontrolle
4.5 Die fünfte Doppelstunde (9/10 Stunde)
4.5.1 Planung der Unterrichtsstunde
4.5.2 Durchführung und Reflexion der Unterrichtsstunde

5.EVALUATION DER UNTERRICHTSEINHEIT
5.1 Evaluationsbogen
5.2 Resümee aus Sicht des Referendars
5.3 Schlussbetrachtung

LITERATURVERZEICHNIS

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

ANLAGEN

A 1. Advance Organizer

A 2. Unterrichtsstruktur (Makro)

A 3. Unterrichtsverlaufspläne

A 4. Kundenauftrag

A 5. Aufgabenblatt 1

A 6. Aufgabenblatt 2

A 7. Aufgabenblatt 3

A 8. Aufgabenblatt 4

A 9. Lösung Kundenauftrag

A 10. Eingangs- und Ausgangstest

A 11. Arbeitsschritte Kundenauftrag

A 12. LOGO! mit Kundenauftrag

A 13. Befehlsübersicht: Kleinsteuergerät LOGO!

A 14. LOGO!Learn_Advanced

A 15. Anschlüssen der LOGO!Learn_Advanced

A 16. Technische Daten der LOGO!Learn_Advanced

A 17. Ausbildungsprofil Mechatroniker

A 18. Ausbildung zum Mechatroniker/in bei Volkswagen

A 19. Klassendaten

A 20. Unterrichtsraum

A 21. Evaluationsbogen

1. Einleitung

Im Alltag und in der Arbeitswelt begegnen uns bewusst sowie unbewusst Steuerungen. Insbe­sondere im Auto werden wir damit tagtäglich konfrontiert. Wenn wir das Fenster öffnen wol­len reicht ein einziger Knopfdruck und die Fensterscheibe fährt herunter. Doch gerade im Sicherheitsbereich hat sich viel getan. Um das Steuern in einer Bremsphase zu ermöglichen, wurde unter Anderem das Antiblockiersystem (ABS) erfunden. Steuerungen verbessern die Fahrsicherheit. In der Arbeitswelt hat sich hier ein großer Markt entwickelt. Beispielsweise wurden ganze Fertigungsstraßen in der Autoindustrie automatisiert, um der Produktion, aber auch den Sicherheitsaspekten, nachzukommen.

Das Thema Steuerungstechnik spiegelt sich daher in den entsprechenden Lernfeldern der Rahmenlehrpläne für die Mechatroniker/in wider (s. Kapitel 2.1.2)1.

In dieser Hausarbeit wird eine Unterrichtseinheit mit einem Umfang von fünf Doppelstunden beschrieben, die die Einführung digitaler Schaltungen unter Mithilfe des Kleinsteuergerätes LOGO! in der einjährigen Berufsfachschule Mechatronik beschreibt. Diese Unterrichtseinheit legt den Grundstein für ein Unterrichtsmodul, das fächerübergreifend eingesetzt werden soll. Aufgrund dessen ist ein modularer Einsatz möglich.

Die aktuellen Rahmenlehrpläne für die Berufsbildenden Schulen fordern einen handlungsori­entierten Unterricht mit dem Ziel, die Selbständigkeit der Schüler zu fördern. Diese Forderung findet sich auch beim Konzept des selbstorganisierten Lernens (SOL).

Der Anstoß zu dieser Unterrichtseinheit war eine enge Verzahnung mit der Fachpraxis im Automatisierungsbereich der BBS. Hier soll eine Innovation geschaffen werden, um die Schüler im Bereich Handlungsorientierung und Selbstorganisierung zu fördern. Durch eine LOGO!Learn Advanced (Modell und Verbindungskabel), welche die Schule zur Zeit nur besitzt, habe ich versucht dieses umzusetzen. In der nachfolgend beschriebenen Unterrichtseinheit war meine Idee einen Klassensatz der LOGO!Learn_Advanced anzufordern, um die Schüler in diesem Lernfeld individuell zu fördern und fächerübergreifend in den beruflichen Handlungs­kompetenzen zu stärken und besonders die Fach-, Methoden- und Sozialkompetenz zu för­dern.

Anschließend soll die Frage gestellt werden, „ob die LOGO!Learn_Advanced hierfür geeignet ist oder nicht?" um die geplante Unterrichtseinheit zu evaluieren.

Das Ziel der geplanten Reihe ist, dass die Schüler einfache logische Verknüpfungen mit Hilfe der Kleinsteuerung LOGO! realisieren können. Darüber hinaus beabsichtige ich Erfahrungen zu sammeln, und der Frage nachzugehen, wie Mechatroniker eine komplexe Unterrichtseinheit im Lernfeld 4 umsetzen.

Vor diesem Hintergrund, meinem persönlichen Interesse und dem Bedarf der Schule den be­rufsfeldbezogenen Lernbereich der Berufsfachschule Mechatronik im Lernfeld 4 mit angemes­senen Lerngegenständen und Inhalten zu füllen, habe ich mich entschlossen, eine entspre­chende Unterrichtseinheit auszuarbeiten, die im Nachfolgenden ausführlich dargestellt und evaluiert wird.

Im nachfolgenden Kapitel werden die theoretischen Grundlagen der Steuerungstechnik sowie die pädagogischen Aspekte behandelt. Das Thema der Steuerungstechnik ist sehr umfangreich. Im Hinblick auf die Lerngruppe und den curricularen Vorgaben kann hier nicht die vollständige Thematik betrachtet werden. Aufgrund dessen bezieht sich die Arbeit auf die für die Lerngrup­pe wesentlichen Aspekte der Steuerungstechnik, die zum Verständnis und der Einordnung der Unterrichtssequenz dienen.

Die Planung der durchzuführenden Unterrichtsstunden erfolgt in Kapitel 3. Hier werden die Lehr-und Lernbedingungen für die Unterrichtseinheit dargestellt und die zum Teil daraus resul­tierenden didaktisch-methodischen Entscheidungen getroffen. Dabei werden die Aspekte der Handlungsorientierung und des selbstorganisierten Lernens noch einmal aufgegriffen.

Das Kapitel 4 beinhaltet die einzelnen Doppelstunden. Diese sind in vier Bereiche gegliedert und werden chronologisch behandelt.

- Planung
- Durchführung mit Reflexion
- Stundenlernziele
- Lernerfolgskontrolle

Die Hausarbeit beinhaltet abschließend die Reflexion und Evaluation der Unterrichtseinheit in Kapitel 5. Hier werden die Auswertungen der Schüler sowie des Referendars dargestellt und mit der Schlussbetrachtung eine Rückführung zu den allgemeinen Lernzielen dieser gezeigten Unterrichtseinheit erzielt.

2. Theoretische Grundlagen

Das nachfolgende Kapitel ist in zwei theoretische Bereiche aufgeteilt. Zuerst werden die fachli­chen Grundlagen in Bezug auf die Steuerungstechnik thematisiert und im Anschluss werden die pädagogischen Bereiche dieser Unterrichtseinheit näher erläutert.

2.1 Thematische Analyse in Bezug auf die Steuerungstechnik

Im folgenden Kapitel werden die fachlichen Grundlagen für die konzipierte Unterrichtseinheit einer digitalen Schaltung unter Berücksichtigung des Logikmoduls LOGO! dargestellt. Wichtige Elemente hierfür sind die digitale Schaltung selbst und eine inhaltliche Darstellung der Steue­rungstechnik bis hin zur Vorstellung des LOGO!Learn_Advanced.

2.1.1 Digitale Schaltung

Digitale Schaltungen (s. Abbildung 1), auch logische Schaltungen genannt, bestehen im Auftrag aus einer großen Anzahl häufig wiederkehrender Grundelemente (s. Anlage A 13), die mitei­nander verschaltet sind. Diese Gatter (Verknüpfungen) sind die elementaren Bausteine der Digitaltechnik.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Digitale Schaltung

Sie verknüpfen die binären Schaltvariablen nach den Gesetzen der Schaltalgebra miteinander und werden deshalb nach DIN (Deutsches Institut für Normung) auch Verknüpfungsglieder genannt (vgl. Beuth, 1992, S. 23). Zwischen den binären Ein- und Ausgangsvariablen der Gatter bzw. der gesamten logischen Schaltung besteht eine Abhängigkeit, die mit logischen Begriffen wie UND, ODER, NICHT beschrieben werden kann. Binäre Signale haben zwei mögliche Zustän­de „0" und „1" (s. Abbildung 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein Beispiel soll dieses verdeutlichen. An einer Leuchte kann Spannung anliegen oder nicht. Sie leuchtet oder leuchtet nicht. Logische Schaltungen realisieren Funktionen der Schaltalgebra und werden durch einen Schaltplan (FDB, LAD) dargestellt.

Bei der praktischen Realisierung logischer Schaltungen (Schaltnetze, Schaltwerke) als elektro­nische Schaltung werden die binären Variablen meist in Form von Spannungen erzeugt und verarbeitet. Somit werden auf physikalischer Ebene binäre Schaltvariablen mit Hilfe elektroni­scher Schalter und Verknüpfungsglieder nach den Gesetzen der Schaltalgebra verknüpft (vgl. Tkotz, 2009, S. 226f).

2.1.2 Steuerungstechnik

Um die Steuerungstechnik zu erläutern, möchte ich zu Beginn einige Alltagsgegenstände nen­nen, die mit Hilfe dieser Technik arbeiten. Beispielsweise auf dem Weg zur Arbeit steuert die Autoelektronik die technischen Prozesse im Auto, wie z.B. die Sicherheitssysteme oder der Komfort einer Klimaanlage. Auf der Straße werden Ampeln oder die Straßenbeleuchtung von Steuerungen geschaltet.

Die Steuerungstechnik ist in der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken und erleichtert den Alltag in vielerlei Hinsicht, indem Prozesse automatisiert werden (vgl. Tapken, 2008, S. 7).

Die Automatisierungstechnik unterscheidet grundsätzlich zwischen verbindungsprogrammier­ten (VPS) und speicherprogrammierten (SPS) Steuerungen (s. Abbildung 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Steuerungen (Tapken, 2008, S. 7)

Die ursprüngliche Technik der fest programmierten Relaissteuerung und Schütztechnik (Ver­bindungsprogrammierte Steuerung - VPS) wird zunehmend abgelöst von der frei program­mierbaren Steuerungstechnik (Speicherprogrammierbare Steuerung - SPS). Die Entwicklung der so genannten SPS nahm ihren Ursprung in den 6oer Jahren des 20. Jahrhunderts von den amerikanischen Automobilherstellern. Die Anforderungskataloge der Automobilhersteller ver-langten leicht veränderbare Programme für die Steuerung in den Fertigungseinrichtungen. Die unterschiedlichen Aufgaben wurden zu dieser Zeit bereits von Computern gelöst. Aufgrund dessen lag es nahe, diese Technik auch in Steuerungsanlagen anzuwenden (vgl. Kätzig, 1992, S. 35f). Dieser technologische Wandel von der elektrotechnischen Steuerung in Form von Re­lais und Schütze hin zur Steuerung aus elektrotechnischen Halbkreisen mit Halbleitern be­stückt, war damit vorgegeben. Ab diesem Zeitpunkt setzte die SPS neue Maßstäbe (vgl. Kätzig, 1992, S. 36f).

Für die Verarbeitung eines Prozessablaufes ist es zunächst einmal von untergeordneter Bedeu­tung, ob diese Steuerung in konventioneller oder in moderner elektronischer Form realisiert wird. Bei beiden Techniken bestimmen logische Verknüpfungen (s. Kapitel 2.1.1) den Prozess­ablauf, die von der Steuerung erfüllt und nach festgelegten Richtlinien wiederholt abgearbeitet werden. Die Sicherheitssysteme, wie z. B. der Not-Halt Schalter, die Zweihandbetätigung oder die Drahtbruchsicherheit sind bei beiden Verfahren zu beachten. Obwohl diese eine wesentli­che Rolle in der Programmierung spielen, verweise ich aus Platzgründen auf die Anlage, in der diese näher beschrieben sind (s. Anlage A 9).

Bei den elektronischen Steuerungen wird die Schaltlogik in Form eines Programms erstellt und im Speicher des Steuergerätes abgelegt. Die Bearbeitung des Funktionsablaufs erfolgt nach dem EVA-Prinzip (s. Abbildung 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: EVA-Prinzip (Tapken, 2008, S. 8)

Die SPS arbeitet das Programm zyklisch ab (s. Abbildung 5). Als erstes werden die aktuellen Signalzustände der Eingänge gelesen und im Prozessabbild der Eingänge (PAE) gespeichert.

Hier werden alle Eingänge im Speicher festgehalten. Die SPS greift jedoch nicht auf die Eingän­ge, sondern auf das PAE zu. Die speicherprogrammierte Steuerung holt sich die Informationen mit Hilfe von Sensoren (Taster, Endschalter oder auch Lichtschranken). Diese Informationen braucht die Steuerung, um den Prozess steuern zu können (Eingabe).

Diese werden von der Steuerung verarbeitet (Verarbeitung). Das Steuerprogramm in Form einer Programmiersprache (AWL, KOP, FUP oder FBD, LAD (LOGO!)) arbeitet Anweisung für Anweisung ab.

Sie leitet Maßnahmen ab, die den Prozess in der gewünschten Weise beeinflussen. Dieses ge­schieht mit Hilfe von Aktoren (Lampen, Motoren, Schütze) (Ausgabe). Die Sensoren sind an die Eingänge und die Aktoren an die Ausgänge der speicherprogrammierbaren Steuerung ange­schlossen.

Die Vielzahl unterschiedlicher Sensoren lässt sich grob in binäre, digitale und analoge Sensoren aufteilen. Binäre Sensoren finden Anwendung bei der Erfassung von Positionen, Abständen und Längen, indem sie die Schaltzustände An/Aus annehmen. Digitale Sensoren werden bei der zahlenmäßigen Erfassung von Wegstrecken und Zeiten angewendet und analoge Sensoren liefern Werte von Temperaturen, Druck oder Lichtstärken. Die Auswertung analoger Messwer­te mit digitalen Steuerungen erfordert die Digitalisierung von Messwerten, wobei die Messgrößen unter Anwendung eines physikalischen Prinzips in elektrische Größen umgewan­delt werden.

Wird durch die Programmbearbeitung ein Ausgangssignal verändert, geschieht dieses im Pro­zessabbild der Ausgänge (PAA) und nicht direkt am Ausgang. PAE und PAA arbeiten ähnlich. Auch hier hat jeder Ausgang einen Speicherplatz.

Ist das Programm einmal bis zum Ende durchgelaufen, beginnt die Bearbeitung des Programms erneut. So entsteht eine zyklische Bearbeitung des Programms. Die Länge eines Zyklus hängt von der Anzahl der Befehle ab und liegt im Millisekunden-Bereich (vgl. Tkotz, 2009, S. 517).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein wesentlicher Vorteil ist die einfache Erstellung eines Programms für einen geforderten Ablauf einer zu steuernden Maschine oder Anlage und die Übertragung in den Programmspei­cher der Steuerung. Zudem ist eine schnelle Umstrukturierung im Programm ohne aufwendige Umverdrahtung vorteilhaft (vgl. Kätzig, 1992, S. 36f). Tapken spricht von einer Handhabung, die flexibel geworden ist (vgl. Tapken, 2008, S. 7). Die SPS ist zudem ein komplexes Kommuni­kationssystem geworden und ermöglicht eine Kommunikation über Datenleitungen zwischen PC und SPS, so dass eine Fernwartung möglich ist (vgl. Wellers, 1985, S.7). Hierbei können In­formationen abgerufen sowie ausgetauscht werden.

2.1.3 Die Kleinsteuerung LOGO!

Speicherprogrammierte Steuerungen lassen sich u. a. in die Kategorien „Kleinsteuerung" (z.B. LOGO! von Siemens) und „Speicherprogrammierbare Steuerung" (SPS) aufteilen. Diese Klein­steuerungen werden unter den verschiedenen (Hersteller-) Bezeichnungen, wie z.B. Steuerre­lais, Programmierbare Relais, Intelligente Steuerrelais und Logikmodul geführt.

Bei der SPS handelt es sich um ein Automatisierungssystem (z.B. die SIMATIC-Baureihe von Siemens), welches für größere Steuerungen in der Autoindustrie oder Förderanlagen einge­setzt wird. Dagegen ist das Steuergerät LOGO! schon bei kleinen Steuerungsaufgaben wirt­schaftlich und wird in den Einsatzgebieten Installationstechnik, Maschinensteuerung und Anla­gensteuerung eingesetzt. Ein weiterer Unterschied zur SPS liegt in der Software zur Program­mierung der Steuerung. Diese ist bei den Kleinsteuerungen zugunsten der Übersichtlichkeit und Bedienerfreundlichkeit auf die wichtigsten Funktionen beschränkt. Eine schnelle Einarbei­tung und Programmierung ist somit möglich. Neben der LOGO! gibt es noch die „Easy" und die „Pharao" von anderen Herstellern.

Bei der Siemens LOGO! gibt es Grundmodule für Spannungen von 12V, 24V und 230V. Dane­ben gibt es noch verschiedene Erweiterungsmodule, um z. B. zusätzliche Ein- und Ausgänge zur Verfügung zu haben. Für die Stromversorgung der 12V und der 24V Variante sind extra Module vorhanden welche in Abbildung 6 dargestellt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die LOGO! bietet zwei Möglichkeiten der Programmierung. Zum einen ist eine Programmie­rung über ein Tastenbedienfeld direkt an der LOGO! möglich, welches sich als sehr mühsam und unübersichtlich erweist. Hier stehen vier Cursortasten sowie eine ESC- und OK-Taste zur Verfügung (vgl. Tapken, 2008, S. 18). Die zweite Möglichkeit der Programmierung ist die Soft­ware LOGO!Soft Comfort. Dieses gewährt nicht nur eine bessere Übersicht, sondern auch gleichzeitig eine Simulation sowie ein Online-Test zur Beobachtung von Steuersignalen im lau­fenden Betrieb. Hierbei kann auf einfache Programmierweise eine Funktions-Block-Darstellung (FBD) (s. Abbildung 7) oder eine Ladder-Darstellung (LAD) (s. Abbildung 8) für das Logikmodul erstellt werden. Das FBD ist in der SPS-Programmierung als Funktionsplan (FUP) bekannt, das LAD wird in der SPS-Programmierung als Kontaktplan (KOP) bezeichnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der geplanten Unterrichtseinheit sollen die Schüler beide Programmierverfahren (Program­mierung direkt an der Logo! und per Simulation mit anschließender Übertragung auf die LO­GO!) kennen lernen, damit sie das Programm auch ändern können, falls die Software mal nicht zur Verfügung steht. Über ein Schnittstellenkabel (Verbindungskabel) kann dann das FBD bzw. LAD in die Kleinsteuerung übertragen werden. Dieses geht allerdings nur mit der Version LO- GO!Soft Comfort 6.0.

Die LOGO! bietet 29 verschiedene Funktionen an (s. Anlage A 13), die miteinander zu einem Programm verknüpft werden können, damit ein bestimmtes Prozessverhalten erreicht wird. Diese Funktionalität ist in Grundfunktionen (wie z.B. UND, ODER, NOR, NAND usw.) und Sonderfunktionen, wie Zeitbausteine (z.B. Ein- und Ausschaltverzögerung, Zeituhren), Zähler (Vorwärts/Rückwärts), Analog (z.B. PI-Regler, Rampenfunktionen) und Sonstige (z.B. Strom­stoßrelais, Selbsthalterelais) aufgeteilt. Für die geplante Unterrichtseinheit im Bereich der Pro­grammierung sind die Grundfunktionen und die Sonderfunktionen „Ein- und Ausschaltverzöge­rung", sowie die Zeitverzögerung relevant (s. Anlage A 13).

Die Zeitverzögerungen müssen parametriert werden. Durch Eingabe einer Zeit, wird die Zeit­verzögerung das auszugebende Signal verzögert weitergeben (s. Anlage A 9).

Über das Anklicken des Zeitbausteins lässt sich dieser in seinen Elementen parametrieren. Die eingestellten Parameterwerte werden mit der Farbe „grün" neben dem Funktionsblock ange­zeigt. Die Software bietet neben einer Simulation noch eine detaillierte Hilfefunktion für alle Bausteine an. Dies ist vor allem bei komplexen und neuen Funktionen hilfreich.

Durch die Vielseitigkeit in Form von direkter und indirekter Eingabe (Software) sowie der ein­fachen Handhabung ist die Kleinsteuerung LOGO! in der beruflichen Grundbildung nicht mehr wegzudenken. Nicht nur die LOGO! an sich, sondern auch die Software zum Erstellen, Simulie­ren, Online-Testen und Dokumentieren von Schaltprogrammen sind prädestiniert für den Ein­satz in der Schule und entsprechen dem Stand der heutigen Technik für Schulungszwecke im Grundlagenbereich der Steuerungstechnik.

2.1.4 LOGO!Learn

Die LOGO!Learn ist ein Trainingsgerät, welches von dem Unternehmen IKHDS in Verbindung mit Siemens konzipiert wurde (s. Anlage A 14).

Die IKHDS (IKH Didactic System) steht für innovative Lehrmittel. Hier werden praxisorientierte Lernsysteme entwickelt, welche didaktisch „von einfachen zum schweren" aufgebaut sind (vgl. http://www.ikhds.com (Stand 6.12.2010)). Die Firma Siemens stellt die Kleinsteuerung LOGO! für das Trainingssystem bereit.

Die LOGO!Learn gibt es in zwei Variationen (s. Anlage A 14). Während das Basis-System die grundlegenden Fähigkeiten zur Bedienung der Kleinsteuerung LOGO! schult, vermittelt die Advanced-Ausführung mit ihren anspruchsvollen Übungsaufgaben vertiefende Kenntnisse. Beide Varianten sind zur besseren Handhabbarkeit auf einem stabilen Aluminiumwinkel auf­gebaut. Um die jeweilige Übungsaufgabe möglichst anschaulich darzustellen, werden Lernkar­ten genutzt. Für die geplante Unterrichtseinheit wurde eine Presse gewählt (s. Anlage A 12). Die Kleinsteuerung ist, wie die anderen Komponenten des Trainingsgerätes, auf einer Platine montiert. Anspruchsvolle Problemstellungen können durch das Aufstecken von externen Simu­latoren an einen 24-poligen Interface-Stecker realisiert werden. Die Produktfamilie enthält neben verschiedenen Varianten des „intelligenten" Logikbausteins Module zur Realisierung zusätzlicher digitaler Ein- und Ausgänge und Module zur Erweiterung der Anzahl der analogen Eingänge. Zur Verbindung mit anderen Systemen stehen zwei Kommunikationsmodule zur Verfügung. Ein zusätzliches Textdisplay kann zur Anzeige und Bedienung genutzt werden. Während das Display über ein spezielles Kabel am Logikmodul angeschlossen wird, erfolgt die Ankopplung der anderen Erweiterungsmodule durch seitliches Aufstecken (vgl. Möbus, 2010,S. 6f). Das Trainingsgerät LOGO!Learn folgt einem überzeugenden methodischen Konzept. Schrittweise kann der Schwierigkeitsgrad der Aufgaben erhöht werden.

2.2 Pädagogische Analyse

Im folgenden Kapitel werden die pädagogischen Grundlagen der geplanten Unterrichtseinheit dargestellt und erläutert. Zuerst wird der Ausbildungsberuf dieser Lerngruppe (Mechatronik) näher betrachtet. Anschließend werden die pädagogischen Vorgehensweisen dargestellt. Er­gänzend dazu werden die angewendeten Methoden betrachtet.

2.2.1 Mechatroniker

Bedingt durch die Tatsache, dass die Gesellschaft sich in einem stetigen Wandel in immer kür­zeren Intervallen verändert, ändert sich auch die Anforderung an die Ausbildung im Handwerk und der Industrie und damit auch der Anspruch der Wirtschaft sowie der Auszubildenden an die Ausbildung von/zum Handwerker oder Facharbeiter (vgl. Wagner, 2005, S. 4). Gefordert wird heute eine fortlaufende Verbesserung der Prozess- und Produktqualität. Dazu braucht das Unternehmen Mitarbeiter, die sich mit dem Geschäfts- und Produktionsprozess identifizieren. Diese Bereiche werden unter anderem von Mechatroniker/in abgedeckt. Doch seit wann gibt es die Mechatroniker/in?

Der Begriff Mechatronik wurde vor ca. 40 Jahren geprägt und setzt sich aus den drei Bestand­teilen Mechanik, Elektronik und Informatik zusammen (Mechatronik = MECHAnik + ElekTRO­Nik + InformtIK) (s. Abbildung 9).

Mechatronische Systeme zeichnen sich durch das Zusammenwirken von mechanischen, elekt­ronischen und informationstechnischen Systemen aus. Beispiele für mechatronische Systeme sind: ABS, ESP, Autopilot, Roboter, Werkzeugmaschinen, Kameras, Festplatten, CD-Laufwerke, etc.

Was zeichnet Mechatronik jetzt aus?

Bei der Konstruktion von Autos, Flugzeugen, Robotern, medizinischen Geräten, Waschmaschi­nen, Kameras, Unterhaltungselektronik und vielen anderen Maschinen zählt die Mechatronik zu den Schlüsseltechnologien. Die Notwendigkeit für diese neue Disziplin ergibt sich aus der immer weiter zunehmenden Durchdringung maschinenbaulicher Produkte mit Anteilen aus der Elektrotechnik und der Informatik. Dabei werden nicht nur einzelne Komponenten konven­tioneller Erzeugnisse ersetzt, sondern man folgt einem ganz neuen Denkansatz. Ziel der Me­chatronik ist es, das Gesamtsystem durch Anwendung moderner computergestützter Berech­nungsmethoden zu verstehen und zu optimieren. Die Auswahl der Teillösungen aus Maschi- nenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik zielen auf die Gesamtlösung (vgl. http://www.bmbf.de (Stand 06.12.2010)).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Mechatronik (vgl. http://www.bk-opladen.de (Stand 23.12.2010))

- Mechanische Systeme (Maschinenbau, Feinwerktechnik)
- Elektronische Systeme (Mikroelektronik, Leistungselektronik, Sensorik, Aktorik)
- Informationstechnik (Regelungs- und Automatisierungstechnik, Softwaretechnik)

Diese Vorgehensweise des Zusammenschlusses der drei Bereiche erlaubt die Konstruktion von einfacheren, preiswerteren und funktionaleren Gesamtsystemen. Dies ist aber nur dann mög­lich, wenn die Produktentwickler die notwendigen, fachübergreifenden Kenntnisse aus den Bereichen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik besitzen. Seit 1997 ergriff der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) zusammen mit Experten aus der Arbeits- und Ausbildungspraxis von VDMA und IG Metall gemeinsam mit dem Bundesinsti­tut für Berufsausbildung (BIBB) die Initiative zur Anerkennung eines neuen Ausbildungsberu­fes, welcher seit August 1998 mit Beginn von 21 Schulstandorten in Kraft getreten ist.

Bereits im ersten Ausbildungsjahr wurden 1300 Ausbildungsverträge abgeschlossen, welche in den Jahren stetig anstiegen (vgl. http://www.mechatronik-portal.de (Stand 06.12.2010)).

Durch die Veränderungen der Arbeitsorganisationen in den Betrieben erhält der Gesichtspunkt Handlungsorientierung (vgl. Kapitel 2.2.2) in der täglichen Betriebspraxis eine hohe Bedeutung. Dem Mechatroniker liegt somit ein erweitertes Verständnis von beruflicher Handlungskompe­tenz zugrunde.

Neben den fachlichen Qualifikationen soll dieser während der Ausbildung im besonderen Ma­ße Kompetenzen erwerben, die zur Gestaltung des Arbeitsprozesses befähigen. Diese nehmen im Ausbildungsrahmenlehrplan ca. 30 Prozent ein und sind für die durchgeführte Unterrichts­einheit von entscheidender Bedeutung. Nachfolgend sind die Qualifikationen aufgelistet:

- Beschaffen und Bewerten von Informationen
- Planen von Arbeitsabläufen nach funktionalen, fertigungstechnischen, wirtschaftli­chen, organisatorischen und informatorischen Kriterien
- Planen der Teamarbeit, Verteilen der Aufgaben im Team
- Handhaben von EDV-Anlagen; Anwenden von Software
- Dokumentieren von Änderungen in der Hard- und Software
- Anfertigen von Protokollen, Berichten und Skizzen
- Bewerten, Dokumentieren und Präsentieren von Arbeitsergebnissen (vgl. Rahmenlehrplan für Mechatroniker, 1998, S. 4f)

Die Unternehmen erhalten in einem vielschichtigen Ausbildungsberuf Personen (Auszubilden­de, Gesellen), die die betriebliche Wirklichkeit in den Bereichen der Fertigung, Montage, War­tung und Instandhaltung von komplexen Maschinen und Anlagen optimal abbilden. Diese in­terdisziplinäre Zusammenführung aus den drei Bereichen der Elektrotechnik, Mechanik und Informatik entspricht dem Stand der heutigen Technik in der produzierenden Wirtschaft und deckt diesen Bereich ab.

2.2.2 Handlungsorientierung

Eine Kritik aus der Wirtschaft war bzw. ist, dass die Berufsbildende Schule träges Wissen pro­duziert, welches in der Praxis wenig Anwendung findet. Diese Kritik und reformpädagogische Einflüsse haben Anfang der 1990er Jahre zum Kompetenzansatz in den Rahmenlehrplänen geführt, welchen ich im Nachfolgenden näher ausführen werde (vgl. Tenberg, 2006, S. 74f).

In den Handreichungen für die Erstellung von Rahmenlehrplänen der Kultusministerkonferenz (KMK, 1998, S. 2f) zur Gestaltung von lernfeldorientierten Lehrplänen wurde festgelegt, dass das oberste Ziel des berufsbezogenen Unterrichts die Entwicklung von Handlungskompetenz ist. „Handlungskompetenz entfaltet sich in den Dimensionen von Fachkompetenz, Human­kompetenz und Sozialkompetenz" (KMK, 1998, S. 4). Fachkompetenz ist das fachliche Wissen und dessen Anwendung und Vernetzung zur Lösung von Aufgaben. Personalkompetenz orien­tiert sich an Werten mit dem Ziel, dass sich der Auszubildende/Lehrling selber entwickelt und sich gesellschaftlich positioniert. Auch die Sozialkompetenz ist normativ, sie drückt sich in der Bereitschaft und der Fähigkeit, Wollen und Können, aus, sich rationell und verantwortungsbe­wusst mit seinen Mitmenschen in der Gesellschaft, am Arbeitsplatz und des Betriebes ausei­nanderzusetzen (vgl. Wagner, 2005, S. 8; Tenberg, 2006, S. 76f). Die Definitionen finden sich ausführlich in den Handreichungen der KMK.

Wie die Handlungskompetenz zu erreichen ist, also der Wegaspekt wird durch die Handrei­chungen nicht direkt vorgegeben. Es wird aber in den Handreichungen nahe gelegt, hand­lungsorientiert vorzugehen, welches das nachfolgende Ziel verdeutlicht. „Zur Erreichung dieser Ziele muss die Berufsschule - den Unterricht an einer für ihre Aufgabe spezifischen Pädagogik ausrichten, die Handlungsorientierung betont" (KMK, 1998, S. 3).

Beim handlungsorientierten Unterricht geht es um die Erschließung theoretischer Zusammen­hänge und Hintergründe im Zuge der Problemlösung und stellt ein Konzept zur Verfügung, in der Fachsystematik und Handlungssystematik miteinander verschränkt sind (vgl. KMK, 1998, S. 5; Tenberg, 2006, S. 191). Riedl stellt fest, dass für den handlungsorientierten Unterricht keine geregelte Definition besteht (vgl. Riedl, 2004, S. 129). Er spricht zum Beispiel von acht Bestim­mungsgrößen die einen beruflichen handlungsorientierten Unterricht ausmachen (vgl. Riedl 2004, 89). Das Landesinstitut NRW 92 nennt sechs Punkte, die einen handlungsorientierten Unterricht kennzeichnen (vgl. Wagner, 2005, S. 10). Dieses sind Handlungsziel, Subjektbezo- genheit, Handlungsstruktur, Ganzheitlichkeit, Gegenstandsbezug und Systemdenken.

Zwei bestechende Kriterien für einen handlungsorientierten Unterricht sind laut Meyer die Ganzheitlichkeit sowie die Schüleraktivität (vgl. Meyer, 1987, S. 402). Für die berufliche Bildung gilt dabei, dass die Gestaltung der Aufgabenstellung komplex, beruflich und problemhaltig sein soll (vgl. Tenberg, 2006, S. 190). Ein stark verbreitetes Methodenkonzept zur Umsetzung von handlungsorientierten Unterricht ist die vollständige Handlung (s. Abbildung 10). Sie gliedert den Unterricht in zeitlich nacheinander zu durchlaufende Phasen (vgl. Wagner, S. 49).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Modell der vollständigen Handlung (Hahne, 2004, S. 13)

Die vorangestellten Ausführungen bestimmen damit die Grundlage für die Gestaltung von Lehr-/Lernarrangements. Die Zielsetzung für das Ausbildungs- und Lehrpersonal ist: „Hilfe beim Aufbau eines aktiven - im Gegensatz zu einem trägen - Fachwissens, die Förderung eines flexiblen Einsatzes dieses Wissens in unterschiedlichen Situationen, die Förderung der Fähig­keiten, dass eigene Lernen zu steuern und zu kontrollieren sowie der Fähigkeit, schwierige fachliche Probleme selbstständig zu lösen" (Frackmann, 2003, S. 11).

Diese Herausforderung ist langfristig nur durch eine intensive Kooperation der Unterneh­men/Betriebe und der berufsbegleitenden Schule zu meistern, sowie durch eine enge Zusam­menarbeit von Fachtheorie und Fachpraxis (s. Kapitel 1). Diese Lehr- und Lernarrangement erfordern aber auch von den Lernenden die Bereitschaft und Fähigkeit, also das Wollen und Können, und damit zusammenhängend die Akzeptanz zum selbstgesteuerten, eigenverant­wortlichen lebenslangen Lernen.

Wie muss ein Lehr-/Lernarrangement aufgebaut sein, um dieses Bildungsziel bestmöglich zu erreichen?

Ideal wäre eine Bearbeitung von realen betrieblichen Aufträgen. Dieses lässt sich in der Berufs­schule aber meist nicht umsetzen, so dass die Praxissituation häufig in Form einer Simulation dargestellt wird (vgl. Richter/Meyer, 2004 S. 31).

„Für den Unterricht eignen sich daher methodische Konzepte, die es ermöglichen, einen be­trieblichen Prozess in seiner Gesamtheit für den Unterricht erlebbar zu machen. All diesen methodischen Konzepten ist die Abbildung einer vollständigen Handlung" (vgl. Richter/Meyer, 2004 S. 31).

Methodische Konzepte hierzu sind unter anderem die Produktorientierung, die Geschäftspro­zessorientierung oder die Auftragsorientierung.

Bei der Produktorientierung wird ein Gerät, eine Maschine oder nur ein Schaltplan als Funktion der Lernaufgabe genommen. Bei der Geschäftsprozessorientierung stehen der betriebliche Ablauf und der Kontakt mit dem Kunden im Vordergrund. Bei der Auftragsorientierung wird der Arbeitsauftrag von einem Kundenauftrag oder einem Teil davon abgeleitet. Die Grundlage der Auftragsorientierung für den Unterricht ist ein Kundenproblem mit einem Kundenauftrag an die Schüler (vgl. Richter/Meyer, 2004 S. 32f).

Das Modell der vollständigen Handlung könnte für diese Unterrichtseinheit (s. Anlage A 2) so aussehen:

Informieren: Wie ist der Ist-Zustand? Allgemeine Analyse des Kundenauftrages.

Planen: Was ist als Erstes zu tun? Erste Strukturen festlegen.

Entscheiden: Erst Informieren (Was ist eine LOGO! Wie funktioniert diese?), dann programmie­ren! Aus der Praxis für die Praxis, d.h. es werden Elemente aus dem Kundenauftrag geholt und bearbeitet.

Ausführen: z. B. Theoriewissen oder Ablauf der Programmierschritte.

Kontrollieren: Ist die Funktion gegeben! Ist das Ziel erreicht?

Bewerten: Vergleich IST- und SOLL-Zustand. Abgleich mit dem Kundenauftrag.

Welche Rolle nimmt der Lehrer im handlungsorientierten Unterricht ein?

In der Vorbereitungsphase und in den sechs Kernphasen der vollständigen Handlung ist der Lehrer in erster Linie „Initiator" von individuellen Lernprozessen. Bei genauer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass der Lehrer ungeachtet der Schwerpunktsetzung selbstverständlich auch andere Rollen oder Positionen einnehmen muss - die Rolle des Moderators, des Lernberaters und des Experten (Fachwissen) (vgl. Pampush, 1987, S. 43 - 51, Möller, 1999, S. 135).

Der Lernprozess selbst ist während der selbständigen Aneignung von Lerninhalten und deren Kontrolle nicht vollständig reglementiert und lehrerzentriert. Er basiert auf einer deutlichen Kompetenzausweitung der Lernenden, die zunehmend eigenverantwortlich lernen. Der Lehrer stellt also nicht die zentrale Schaltstation und Entscheidungsinstanz da, sondern nimmt die Rolle als Lern- bzw. Prozessinitiator ein und unterstützt die Lernenden.

Die inhaltliche Ausgestaltung der geplanten Unterrichtseinheit soll mit Hilfe der Methode „Kundenauftrag", sowie den SOL-Elementen Advance-Organizer (s. Kapitel 2.2.3.1) und des Gruppenpuzzles (s. Kapitel 2.2.3.2) erfolgen, um den Aspekten des handlungsorientierten Un­terrichts und damit den Rahmenbedingungen der KMK gerecht zu werden. Diese Methoden werden nachfolgend theoretisch beschrieben.

2.2.2.1 Kundenauftrag

Die geplante Unterrichtseinheit basiert auf einen Kundenauftrag (s. Anlage A 4), bei dem eine Presse als Modell mit einer Kleinesteuerung (LOGO!) automatisiert werden soll. Die Schüler nehmen während der Unterrichtsreihe eine selbständige Rolle ein, da sie in Teamarbeit diese praxisrelevante Aufgabenstellung bearbeiten.

Der komplexe Auftrag sollte dem Schüler vom Wissenstand und vom Können her immer voraus sein, damit sich die Schüler in den Prozess einarbeiten müssen. Dadurch wird das selbstständi­ge Handeln der Schüler gefördert. In der Unterrichtseinheit sowie in jeder einzelnen Stunde wird die Rückführung zum Kundenauftrag erfolgen, sodass die Schüler das Ziel des Auftrages im Blick behalten.

Zu Beginn des Kundenauftrages erfolgt eine Aufgabenstellung, in der Zielvereinbarungen ge­troffen werden. Die Durchführung des Kundenauftrag orientiert sich dann an den Phasen des handlungsorientierten Unterrichts (Information, Planen, Entscheiden, Durchführen, Kontrollie­ren und Bewerten) (s. Kapitel 2.2.2). Es werden verschiedene Reflexions- und Lernschleifen, wie Beispielsweise die selbstständig-produktive Erarbeitung und die Präsentation und Bespre­chung der Arbeitsergebnisse durchlaufen. Der Lehrer beobachtet, protokolliert und gibt bei Bedarf individuelle Hilfestellung. Er nimmt in diesen Phasen eine Moderatoren- bzw. Berater­rolle ein.

Die Bewertung erfolgt durch eine Selbstbewertung (Reflexion) der Teilnehmer sowie durch eine Fremdbewertung des Lehrenden (vgl. Ott, 2007, S.221).

Die Lernenden werden nach Schelten ganzheitlich angesprochen. Dies ist erkennbar daran, dass bei dieser Methode ein praktisches und lebensechtes Vorhaben in Zielsetzung, Planung, Ausführung und Beurteilung zu weiten Teilen von den Lernenden selbst getragen wird.

Gerade der kognitive (Verstand) und vor allem der affektive (Verantwortung), sowie der psychomotorische (Bewegung) Lernbereich sind wichtig (vgl. Schelten, 2005, S.101).

2.2.3 Selbstorganisiertes Lernen (SOL)

SOL „ist keine Methode" (vgl. Herold/Landherr, 2003, S.5), sondern ein Ansatz eines Unter­richtskonzeptes, der bekannte aber auch neue Methoden verbindet. Nach Herold/Landherr ist es kein wissenschaftliches Konzept, da es sich an der schulischen Praxis, dem Unterricht, orien­tiert (vgl. Herold/Landherr, 2003, S.6f). SOL will dem Anspruch an eine moderne Unterrichts­praxis gerecht werden. Diese erfordert, dass die Schüler im Unterricht nicht nur fachliche Kompetenzen erwerben sollen, sondern auch übergreifende Kompetenzen, z.B. Kooperations­fähigkeit, Selbständigkeit (vgl. KMK, 1998, S. 4). Als entscheidender Punkt ist der aktive, selb­ständige und selbstverantwortliche Schüler zu sehen, der dabei „Nachhaltigkeit und Lernbe­reitschaft" (vgl. Kaiser, 2003, zit. Nach Landherr, 2003) entwickeln soll. Weiterhin sind für eine moderne Unterrichtspraxis der direkte Praxisbezug und die Verwendung von Handlungsorien­tierung (s. Kapitel 2.2.2) wichtig. SOL fördert, neben vernetztem Fachwissen, vor allem Lern-, Sozial-, Methoden- und Personalkompetenz (vgl. Herold/Landherr, 2003, S.6). Eine Zielformu­lierung für SOL ist, dass die Schüler die Fähigkeit erlangen, ihren Lernprozess selbstorganisie­ren zu können.

Elemente der SOL sind unter anderem der Advance Organizer und das Gruppenpuzzle auf wel­ches ich im Nachfolgenden eingehen werde.

2.2.3.1 Advance Organizer

Ausgangspunkt für eine Planung einer Unterrichtseinheit mit SOL ist der Advance Organizer. In dieser Organisationshilfe oder Lernlandkarte (vgl. Landherr, 2003, S. 62) werden die verschie­denen Lerninhalte miteinander verknüpft in einer Übersicht dargestellt (s. Anlage A 1). Auf­grund der allgemeinen gedanklichen Struktur ist der Advance Organizer eine wesentliche Vo­raussetzung für selbstorganisierte Lernprozesse und erleichtert die Verbindung des zu erwer­benden Fachwissens mit dem Vorwissen. Ausschlaggebend sind Bilder, Begriffe, kurze Texte und Verknüpfungen (z. B. Pfeile), die zur Visualisierung herangezogen werden (vgl. He­rold/Landherr, 2003, S.62f). Nach Herold und Landwerr sollte jeder Unterricht „auf einem Ad- vance Organizer aufgebaut sein" (vgl. Herold/Landherr, 2003, S.62f). Advance Organizer er­leichtern das individuelle Lernen durch gezieltere Aufmerksamkeit, besseres Verstehen, weni­ger Missverständnisse, langfristiges Behalten und bessere Transferleistung" (Wahl, 1996, zit. Nach Herold/Landherr, 2003, S. 64).

2.2.3.2 Gruppenpuzzle

Die Methode Gruppenpuzzle trägt zur Förderung der Fach-, Methoden- und Sozialkompetenz bei. Der Schwerpunkt liegt im Bereich der Sozialkompetenz, da das Verantwortungsbewusst­sein sowie Team-, Kooperations- und Kommunikationsfähigkeit gefördert werden. Gleichwohl wird die Fachkompetenz nicht außer Acht gelassen und entspricht somit dem SOL. Die Effekti­vität des Gruppenpuzzles beruht darauf, dass sich die Schüler aktiv austauschen müssen, um an die Gesamtinformationen zum Thema zu gelangen. Die Schüler agieren kooperativ und ar­beiten selbständig in kleinen Gruppen. Der entscheidende Unterschied zur normalen Grup­penarbeit besteht darin, dass die Schüler in den Stammgruppen „selber als Vermittler von Wis­sen" gefordert sind (vgl. Geving/Paradies, 2008, S. 216). Bei dieser kooperativen Lernform kommt das Grundprinzip des kooperativen Lernens „besser lernen durch selbst lehren" (vgl. Weidner, 2009, S. 170) zum Tragen. Auch leistungsschwächere Schüler machen die positive Erfahrung, (als Experte) wichtige Beiträge zur Gruppenarbeit zu leisten. Dies ist ein wichtiger Aspekt hinsichtlich weiterer Motivation im Lernprozess. Eine direkte Kooperation der Schüler untereinander besteht, da die „Effektivität des Wissens und seines Erwerbes" (vgl. Peterßen, 2009, S. 128) von einzelnen Gruppenteilnehmern abhängt. Jeder Schüler trägt somit Verant­wortung für seinen eigenen, aber auch für den Lernprozess und Lernerfolg der Gesamtgruppe. Laut Peterßen setzen sich die Schüler intensiver mit der Thematik und Wissensvermittlung auseinander (vgl. Peterßen, 2009, S. 128). Weiterhin entsteht durch das notwendige selbstor­ganisierte Lernen eine Verbesserung der eigenen Lernfähigkeit. Es fördert demzufolge die grundlegenden Kompetenzen, die zum selbstorganisierten Lernprozess vorhanden sein müs­sen.

Beim Ablauf erfolgt ein Wechsel zwischen Wissensverarbeitung in Expertengruppen und Wis­sensvermittlung in Stammgruppen. Dabei wird das zu bearbeitende Thema in gleichgroße Un­terthemen aufgeteilt. Jeder Schüler bearbeitet aus den Stammgruppen einen Teilbereich in den Expertengruppen, welches im Anschluss in den Stammgruppen gemeinsam als Arbeitsauf­trag bearbeitet wird.

3. Planung der Unterrichtseinheit

In diesem Kapitel werden die Lehr- und Lernbedingungen sowie die didaktisch-methodische Konzeption der Unterrichtseinheit näher beschrieben und erläutert.

3.1 Lehr- und Lernbedingungen

Die Rahmenbedingungen unter denen der Unterricht stattfinden soll, sind bei der Planung der Unterrichts von besonderer Bedeutung. Dazu gehören die Beschreibung der Lerngruppe, der Lehrenden und die Lernumgebung.

3.1.1 Die Lerngruppe

Die x ist eine Berufsfachschule Mechatronik. Die einjährige Vollzeitschulform absolvieren 20 Schülerinnen und Schüler. Aufgeteilt ist die Schulform in eine theoretisch-fachliche und allge­meine Ausbildung. Zudem wird eine praktische Ausbildung von 160 Zeitstunden durchgeführt. Mit dem erworbenen Abschluss ist der Eintritt in die Fachstufe einer Berufsausbildung möglich. Der erweiterte Sekundarabschluss I kann mit einem bestimmten Gesamtnotendurchschnitt erworben werden.

Die Altersstruktur ist als heterogen zu bezeichnen. Dies spiegelt sich auch im Leistungsvermö­gen der Schüler wieder (vgl. Anlage A 19).

Schüler wie z.B. x verfolgen den Unterricht aufmerksam und hinterfragen Themenabschnitte. Sie weisen eine Vielzahl von guten Wortbeiträgen auf und fördern die Gruppenarbeiten voran. Sie sind in der Lage, Zusammenhänge darzustellen und auch weitergehende Fragen zu beant­worten. Mit guten Leistungen beteiligen sich auch x. Andere Schüler wie z.B. x beteiligen sich kaum eigeninitiativ am Unterricht. x ist erst später in die Klasse gewechselt. Sie hat sich jedoch gut integriert, wobei sie im Leistungsvermögen noch Schwächen zeigt.

Kompetenzen der Lerngruppe Fachkompetenz:

Die Schüler kennen die logischen Grundfunktionen, wie „UND", „ODER" und „NICHT" der Digi­taltechnik und können diese in einfachen Aufgaben als logische Funktionen umsetzen. Der Aufbau einer Wertetabelle, elektrischer Kontaktplan, logischer Schaltplan, Signal-Zeit-Verlauf, Funktionsgleichung und einer Zuordnungsliste ist bekannt. Die Schüler haben aus einer einfa­chen Aufgabenstellung eine Wertetabelle, daraus eine Funktionsgleichung und anschließend ein FBD (Funktionsblockdiagramm) erstellt. Während x der Umgang mit der Digitaltechnik auf­grund ihrer Vorkenntnisse bereits zu Anfang leichter fiel, konnten auch die Schüler, wie z.B. x ihre Kenntnisse verbessern. Es fällt den schwächeren Schülern immer noch schwer die Aufga­benstellungen richtig zu erfassen und in angemessener Zeit zu lösen. Durch gezielte Aufgaben-Stellung und die daraus resultierende Bearbeitung des Arbeitsauftrages sind das Interesse und die Motivation für das Lösen der Aufgaben extrem gestiegen.

Methodenkompetenz:

Die Schüler sind unterschiedliche Methoden gewohnt. Sowohl die Einzel- bzw. Partnerarbeit als auch die Gruppenarbeit haben die Schüler durchgeführt. Zudem ist das Gruppenpuzzle den Schülern aus den vorherigen Unterrichtsreihen bekannt. Aus dieser Erfahrung hat sich gezeigt, dass die Schüler in Gruppenarbeitsphasen mehrheitlich in der Lage sind, Aufgaben strukturiert und zielorientiert zu bearbeiten. Die Schüler können die wichtigsten Punkte herauskristallisie­ren, diese visualisieren und präsentieren. Das Auftreten und Verhalten bei der Präsentation hat sich bei vielen Schülern schon verbessert, jedoch besteht hier noch Verbesserungsbedarf. Die Schüler haben noch keinen Kundenauftrag durchgeführt.

Sozialkompetenz:

Es herrscht grundsätzlich eine angenehme Lern- und Arbeitsatmosphäre. Der Umgangston ist freundlich und offen. Im Unterricht ist zu beobachten, dass sich die Schüler gegenseitig akzep­tieren und respektieren. Die fachlich stärkeren Schüler unterstützen ihre Mitschüler bei der Erledigung der Arbeitsaufträge. Allgemein ist bei der Gruppenarbeits- und Präsentationsphase bislang kein unkonzentriertes Verhalten einzelner Schüler zu beobachten gewesen.

3.1.2 Der Referendar

Die Klasse x wird von mir seit August 2010 mit zwei eigenverantwortlichen Wochenstunden im Lernfeld 4 unterrichtet. Das Verhältnis zur Klasse empfinde ich als freundlich und entspannt. Ich fühle mich von der Klasse akzeptiert, da ich nicht nur bei selbstständigen Arbeitsphasen als Lehrperson zur Klärung fachlicher Probleme, sondern auch über den Unterricht hinaus um Rat gefragt werde. Meine Kompetenzen zu diesem Unterrichtsgebiet habe ich durch meine Ausbil­dung, während meines Ingenieurstudiums und meiner Tätigkeit als Ingenieur erworben. Ver­tieft wurden die Inhalte durch eigenes Literaturstudium und praktischer Programmierung. Unterrichtet habe ich das Thema im letzten Schulhalbjahr im Rahmen der Makrosequenz.

3.1.3 Organisatorische Rahmenbedingungen

Der Unterricht für das Lernfeld 4 findet für die Klasse in Raum 16 statt. Dieser Raum bietet mehrere Vorteile. Zum einen besitzt er fünf Gruppentische in der Mitte, sowie an den Außenbereichen 12 Computer. Diese verfügen über einen Internetzugang. Jedoch werden für die durchgeführte Unterrichtseinheitseinheit fünf Laptops mit der Software LOGO!Soft Com­fort verwendet. So kann flexibel auf unvorhersehbare Raumbelegungen reagiert werden. Über einen Laptop und Beamer werden die Schülerergebnisse an die Wand projiziert. Die LOGO!-Elemente werden in einem, von Fachtheorie und Fachpraxis zugänglichen Schrank, gelagert. Somit ist eine enge Verzahnung mit der Fachpraxis möglich, da diese nach Absprache von Bei­den (Fachtheorie und Fachpraxis) benutzt werden können. Die LOGO!Learn_Advanced, sowie das Verbindungskabel zwischen PC und LOGO!, welches zum Übertragen der Simulation als Schnittstelle dient, ist aus besagten Gründen (s. Kapitel 1) nur einmal vorhanden.

3.2 Didaktisch-methodisches Konzept

In diesem Unterkapitel werden die didaktisch-methodischen Entscheidungen für die Unter­richtseinheit erläutert. Um die Unterrichtseinheit didaktisch zu reduzieren ist eine Verzahnung aus der Lerngruppe (s. Kapitel 3.1.1), den inhaltlichen Voraussetzungen (s. Kapitel 3.2.1) und aus den curricularen Vorgaben (s. Kapitel 3.2.2) relevant.

3.2.1 Inhaltliche Vorrausetzung der Unterrichtseinheit

Das Lernfeld 4 der Mechatroniker befasst sich mit dem Thema der Steuerungstechnik (s. Kapi­tel 2.1.2). Die Schüler sollen in der geplanten Unterrichtseinheit ihre Programmierkenntnisse durch die Kleinsteuerung LOGO! erweitern und Elemente wie die Sonderfunktionen (Einschalt­verzögerung) an einem praxisrelevanten Beispiel eines Kundenauftrages in Form einer Presse anwenden und erkennen.

Wie komme ich von der Aufgabenstellung zur logischen Verknüpfung?

Die Schüler müssen die Grundelemente (das Fundament) der Logik, die logischen Grundver­knüpfungen in ihren unterschiedlichen Darstellungsarten (Wertetabelle, elektrischer Kontakt­plan, logischer Schaltplan, Funktionsgleichung, Signal-Zeit-Verlauf) kennen und anwenden können. Darauf aufbauend gibt es einige grundlegende Techniken zur Erstellung einer Logik für eine Steuerungsaufgabe. Dazu gehört beispielsweise der Aufbau einer logischen Schaltung aus einer Wertetabelle mit Hilfe der disjunktiven Normalform (DNF) (vgl. Elpers, 1993, S. 400]. Durch diese grundlegende Technik wurde den Schülern die Methode von der Aufgabenstellung zur logischen Verknüpfung klar. Diese Methode haben sie sich durch eine einfache Aufgaben­stellung in der vorherigen Unterrichtseinheit erarbeitet. Die Schüler bearbeiteten einen Ar­beitsauftrag, in Form von einer einfachen Aufgabe (UND-Schaltung) (s. Kapitel 3.1.1).

Für die geplante Unterrichtseinheit war mir wichtig, dass die Schüler einen „Roten Faden" in Bezug auf anstehende Aufgabenstellungen bzw. Kundenaufträge bekommen. Um den Schülern den roten Faden deutlich zu machen, wurde die Arbeitsreihenfolge als Rezept bezeichnet und zur Verständnissicherung mit einem Kuchenrezept (Metapher) verglichen. Kundenauftrag->Wertetabelle->Funktionsgleichung->FBD (LAD)

[...]


1 Im Folgenden wird zu Gunsten des Leseflusses auf die explizite Nennung der weiblichen Form verzichtet.

Details

Seiten
98
Jahr
2011
ISBN (eBook)
9783668076570
ISBN (Buch)
9783668076587
Dateigröße
2.5 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v166020
Institution / Hochschule
Berufsbildende Schulen Emden
Note
2,0
Schlagworte
erstellung schaltung kleinsteuergerät logo planung durchführung evaluation unterrichtseinheit durchgeführt berufsfachschule mechatroniker/mechatronikerin

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Titel: Erstellung einer digitalen Schaltung mit dem Kleinsteuergerät „LOGO!“. Planung, Durchführung und Evaluation einer Unterrichtseinheit