Lade Inhalt...

Vereinfachung einer logischen Verknüpfung mit KV-Diagrammen anhand eines Kundenauftrags

Unterrichtsentwurf 2011 27 Seiten

Elektrotechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Analyse des Bedingungsfeldes
1.1 Angaben zur Lerngruppe
1.2 Kompetenzen der Lerngruppe
1.3 Der Referendar
1.4 Organisatorische Rahmenbedingungen

2 Didaktisch-methodische Konzeption
2.1 Didaktische Überlegungen
2.1.1 Analyse der curricularen Vorgaben
2.1.2 Analyse der Thematik
2.1.3 Auswahl- und Reduktionsentscheidungen
2.2 Methodische Konzeption
2.2.1 Makrostruktur
2.2.2 Mikrostruktur

3 Lern- und Handlungsziele/Kompetenzen

4 Lernerfolgskontrolle

5 Anlagen
Anlage I: Quellenangabe
Anlage II: Erklärung
Anlage III: Geplanter Unterrichtsverlauf
Anlage IV: Makrostruktur
Anlage V: Stundenverlauf (Stellwand)
Anlage VI: Klassendaten
Anlage VII: Sitzplan
Anlage VIII: Kundenauftrag
Anlage IX: Aufgabenblatt I
Anlage X: Aufgabenblatt II
Anlage XI: Informationsblatt für das KV-Diagramm
Anlage XII: Informationsblatt für die IC-Kosten
Anlage XIII: Voraussichtliche Schülerlösung
Anlage XIV: Arbeitsschritte zur Lösung des Kundenauftrages
Anlage XV: Rollenspielinformationen

1 Analyse des Bedingungsfeldes

1.1 Angaben zur Lerngruppe

Die x ist eine geteilte Klasse. Elf Schülerinnen und Schüler absolvieren eine einjährige Vollzeitschulform Berufsfachschule Mechatronik. Die Berufsfachstufe vermittelt 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.1

Neun Schüler absolvieren die Berufsschule Mechatronik in Teilzeitform. Sie sind zwei Tage die Woche in der Berufsschule und drei Tage im Betrieb.

An der heutigen Stunde nehmen die elf Schülerinnen und Schüler der Vollzeitschulform teil, da die anderen Schüler im Ausbildungsbetrieb sind. Aus diesem Grund nehme ich auch nur auf diese Schülerinnen und Schüler Bezug. Der heutige Teil der Klasse besteht aus sechs Schülerinnen und fünf Schülern2. Die Altersstruktur ist als heterogen zu bezeichnen. Dies spiegelt sich auch im Leistungsvermögen der S. (Schüler) wieder (vgl. Anlage VI). S. wie z.B. x verfolgen den Unterricht aufmerksam und hinterfragen Themenabschnitte. Sie weisen eine Vielzahl von guten Wortbeiträgen auf und treiben die Gruppenarbeiten voran. Andere S. wie z.B. x beteiligen sich kaum eigeninitiativ am Unterricht.

Die geringe Klassenstärke ermöglicht eine gute Beobachtung und Betreuung der einzelnen S..

1.2 Kompetenzen der Lerngruppe

Die Fachkompetenz im Bereich der Erstellung einer logischen Verknüpfung aus einem Kundenauftrag ist den S. aus der vorherigen Unterrichtseinheit bekannt und wurde mit Interesse verfolgt und bearbeitet. Diese vorhandenen Kenntnisse bilden für die heutige Stunde die Grundlage. Die meisten S. beherrschen die Vorgehensweise dieser Arbeitsstruktur in Form von Erstellen einer Wertetabelle aus dem Kundenauftrag, umwandeln in eine disjunktive Normalform (s. 2.1.2) bis hin zum Anfertigen einer logischen Verknüpfung (FBD). Aufgrund der letzten Klassenarbeit ist dies jedoch noch optimierbar. Insbesondere x hatten in der letzten Klassenarbeit Probleme mit Aufgaben dieses Typs. Ina, Imke und Christian setzten dieses gut um.

Die neu eingeführte Vereinfachung mit den KV-Diagrammen (s. 2.1.2) bereitet den S. mangels fehlender Übung noch Probleme. Die Herstellung von logischen Verknüpfungen in Form von ICs und die dafür berechneten Kosten ist den S. noch unbekannt. Der Umgang mit LOGO!Soft Comfort zur Simulierung von logischen Verknüpfungen ist den S. aus den vorherigen Stunden bekannt und wird gut umgesetzt. Die S. können ein gegebenes Technologieschema nachvollziehen (s. Anlage VIII). Methodenkompetenz: Die S. sind unterschiedliche Methoden gewohnt. Sowohl die Einzelarbeit als auch die Gruppenarbeit haben die S. anhand von Kundenaufträgen durchgeführt. Aus dieser Erfahrung hat sich gezeigt, dass die S. in Gruppenarbeitsphasen mehrheitlich in der Lage sind, Aufgaben strukturiert und zielorientiert zu bearbeiten. Sie können die wichtigsten Punkte herausarbeiten, diese visualisieren und präsentieren. Das Auftreten und Verhalten hat sich bei vielen S. schon verbessert, jedoch besteht hier noch Verbesserungsbedarf. Die S. haben wenig Erfahrung mit Rollenspiele (vgl. Anlage IV).

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

1.3 Der Referendar

Ich unterrichte in der Klasse x seit August 2010 mit zwei Wochenstunden. 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, meines Ingenieurstudiums und meiner Tätigkeit als Ingenieur erworben. Vertieft wurden die Inhalte im letzten Schuljahr, durch eigenes Literaturstudium und praktischer Programmierung. Unterrichtet habe ich das Thema im letzten Schulhalbjahr und im Rahmen der Makrosequenz (s. Anlage IV).

1.4 Organisatorische Rahmenbedingungen

Die x wird in Raum W 16 unterrichtet. Der heutige Besuch findet aus Platzgründen in Raum 105-107 statt.

2 Didaktisch-methodische Konzeption

2.1 Didaktische Überlegungen

2.1.1 Analyse der curricularen Vorgaben

Für die Berufsfachschule -Mechatronik- ist der Rahmenlehrplan nach Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 30.01.1998 maßgebend3.

Im Rahmenlehrplan zum Lernfeld 4 „Untersuchen der Energie- und Informationsflusse in elektrischen, pneumatischen und hydraulischen Baugruppen" ist dieser inhaltliche Schwerpunkt der Stunde explizit mit einem Lernziel ausgewiesen: „(...) beherrschen steuerungstechnische Grundschaltungen (...) Inhalte: (...) Grundschaltungen der Steuerungstechnik(...)"4. In dieser Unterrichtseinheit lernen die S. logische Verknüpfungen mit mehreren Eingangsvariablen anhand von KV-Diagrammen zu vereinfachen. Dieses ist ein Grundbaustein für den weiteren Verlauf der Makrosequenz (s. Anlage IV).

2.1.2 Analyse der Thematik

Das Lernfeld 4 der Mechatroniker befasst sich mit dem Thema Steuerungstechnik (s. 2.1.1). Die ursprüngliche Technik der fest programmierten Relaissteuerung und Schütztechnik (Verbindungsprogrammierte Steuerung, VPS) wird zunehmend abgelöst von der frei programmierbaren Steuerungstechnik (Speicherprogrammierbare Steuerung - SPS).

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).

Speicherprogrammierte Steuerungen, welche seit den sechziger Jahren immer mehr Einzug in die Lösung von Steuerungsaufgaben erhalten haben, lassen sich u. a. in die Kategorien „Kleinsteuerung" (z.B. LOGO! von Siemens) und „Speicherprogrammierbare Steuerung" (SPS) aufteilen (vgl. Tapken, 2008, S. 7f). Die Speicherprogrammierten Steuerungen funktionieren nach dem EVA - Prinzip (Eingabe ± Verarbeitung ± Ausgabe) (vgl. Graue, 2009, S. 7). Die Steuerung holt sich die Informationen mit Hilfe von Sensoren (Taster, Endschalter oder auch Lichtschranken). Dieses braucht die Steuerung, um den Prozess steuern zu können (Eingabe). Diese Informationen werden über logische Verknüpfungen (Schaltungen) von der Steuerung verarbeitet (Verarbeitung). 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 Speicherprogrammierten Steuerung angeschlossen.

Logische Verknüpfungen (s. Anlage XIII) bestehen aus einer großen Anzahl häufig wiederkehrender Grundelemente, die miteinander verschaltet sind. Sie realisieren Funktionen und werden als FBD/LAD (LOGO!) oder FUP/KOP/AWL (S7/S5) dargestellt. Diese Gatter (Verknüpfungen) sind die elementaren Bausteine der Digitaltechnik. 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 ZustänGH (vgl. Tkotz, 2009, S. 221).

Die Realisierung einer logischen Schaltung wird aus einer Wertetabelle (Funktionstabelle) mit Hilfe einer disjunktiven Normalform (DNF) gebildet. Die DNF ermöglicht die systematische Erstellung einer logischen Schaltung aus einer beliebigen Wertetabelle. Damit ist jedoch nicht sicher gestellt, dass die entwickelte Schaltung diejenige ist, welche die geringste Anzahl an Bauteilen besitzt. Da dies, meist aus ökonomischen Gründen, gewünscht wird, gibt es unterschiedliche Techniken zur Optimierung der logischen Schaltung. Dazu gehören die Anwendungen der Schaltalgebra und der de morganschen Gesetze (vgl. Elpers, 1993, S. 407ff) . Ebenso bilden die Karnaugh-Veitch-Diagramme (KV- Diagramme) eine Möglichkeit der Minimierung der entwickelten Logik (vgl. Elpers, 1993, S. 411ff). Die KV-Diagramme entwickeln eine grafische Darstellung der DNF und lässt diese somit in einen logischen Ausdruck umwandeln. Wichtige Voraussetzung ist, dass die Funktionstabelle aufgestellt wird. Aus der Funktionstabelle heraus werden die „1" und „0" in das KV-Diagramm eingetragen. Beispiel (s. folgende Seite) „rote Zeile": Wenn I1=0 und I2=1, dann ist Q1=1 siehe gestrichelte Schnittmenge!

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.: Funktionstabelle Abb.: KV-Diagramm

Wenn alle „ler" und „0er" eingetragen sind, konnen waagerecht oder senkrecht nebeneinander liegende „ler" zu 2er, 4er-Blocke (usw.) zusammengefasst werden. Hier sind zwei 2er Blocke moglich (Q2-waagerecht, Q3-senkrecht). Es muss immer versucht werden alle „ler" zusammenzufassen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.: KV-Diagramm mit möglichen Blöcken

Als letzter Schritt wird nun die neue Funktionsgleichung aufgestellt.

Diese Vereinfachung gilt auch mit einer größeren Anzahl von Eingängen. Dadurch vergrößert sich das KV-Diagramm (s. Anlage XIII). Das Diagramm enthält ebenso viele Felder wie eine Funktionstabelle Zeilen hat. Diese Zeilen werden bestimmten Feldern zugeordnet. Die Felder sind so angeordnet, dass sich benachbarte Felder in nur einer Variablen unterscheiden (vgl. Bartenschlager, 2008, S. 395).

2.1.3 Auswahl- und Reduktionsentscheidungen

Die Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) erfolgt in anderen Makrosequenzen dieses Lernfeldes und wird in dieser Makrosequenz nicht näher thematisiert (s. Anlage IV).

Die SPS-Steuerung wird in den höheren Lernfeldern im Rahmen der weiteren Berufsausbildung der S. im zweiten bis vierten Ausbildungslehrjahr vermittelt.

Das Lernfeld 4 stellt den Einstieg in die Steuerungstechnik dar. Somit müssen den S. die Grundlagen dieses Bereiches der Elektrotechnik vermittelt werden. Das sind vorrangig die Grundelemente der Logik und der sichere Umgang mit ihnen. Dies ist das übergeordnete Ziel dieser Unterrichtseinheit. Dabei verzichte ich auf die Schaltalgebra und die de morgansche Gesetze (vgl. 2.1.2), da ich die S. damit überfordern würde. Vielmehr lege ich den Fokus auf die Aufstellung und Vereinfachung einer logischen Schaltung zu einem steuerungstechnischen Problem. Die logischen Grundelemente stellen dazu die Basis dar.

Die S. werden über Problemstellungen aus dem täglichen Berufsleben eines Kundenauftrages an die Funktionsweisen und vor allem an die Einsatzmöglichkeiten mit Hilfe der LOGO!Soft Comfort herangeführt. Diese Simulation ist den S. vertraut (s. 1.2). Damit wird den S. über die Anwendung der Computertechnik ein einfacher Zugang zu der Programmierung der Steuerung ermöglicht. Der mittlerweile tägliche Umgang mit dem PC stellt für die S. kein Problem dar und ist sehr motivierend. Mit der Software kann der Betrieb simuliert und die Funktion des Programms getestet werden. Somit reduzieren sich Fehlermöglichkeiten und die Hardware wird geschont. Aus Zeitgründen verzichte ich auf das Hardwaremodel LOGO!.

In der zurückliegenenden Klassenarbeit zeigten gewisse S. Defizite im Bereich der Aufstellung der DNF (s. 1.2). Aus diesem Grunde werde ich die Umwandlung vom Kundenauftrag auf die Wertetabelle vorgeben, damit die S. sich auf die DNF konzentrieren und dieses als zusätzliche Übung nutzen können. Das KV-Diagramm stellt ein grundsätzliches Element der Digitaltechnik da (s. 2.1.2). Durch den Vergleich der DNF mit der vereinfachten logischen Verknüpfung fördert dies unter anderem die Einsicht der S. über den Sinn der Vereinfachung. Hier werden unter anderem die Vorteile der Minimierung aufgezeigt (s. 2.1.2). Ergänzend dazu verbessert diese Übung den Umgang der S. mit den logischen Grundverknüpfungen. Die Strukturvorgabe des KV-Diagramms mit 4 Eingängen und dem dazugehörigen Informationsblatts sollen die S. bei der Bearbeitung unterstützen, da sie wenig Erfahrung mit der Vereinfachung besitzen (s. 1.2).

Ich habe mich bewusst für die Gruppenarbeit entschieden, da die leistungsschwächeren S. von den Gruppenmitgliedern unterstützt werden sollen. Wichtig ist mir dabei, dass die S. in der Gruppe die Arbeitsstruktur selbst organisieren. Das Präsentieren der Schülerergebnisse in Form von einem Rollenspiel, soll die Bindung zum Kundenauftrag stärken und wird durch Leitsätze vorgeben, da die S. wenig Erfahrung mitbringen (s. 1.2).

Die Kostenrechnung der ICs dient der Binnendifferenzierung und wird nur bei fertigem Arbeitsauftrag bearbeitet. Die komplexe Tätigkeit reduziere ich durch ein Informationsblatt, wo die S. das wesentliche komprimiert wieder finden und dadurch umsetzen können (s. Anlage XIII).

2.2 Methodische Konzeption

2.2.1 Makrostruktur

(s. Anlage IV)

2.2.2 Mikrostruktur

Zu Beginn der Stunde schaffe ich Transparenz, indem ich den S. das heutige Stundenthema

„Vereinfachung einer logischen Verknupfung mit KV-Diagrammen" anhand eines Kundenauftrags vorstelle. Zudem wird der Stundenverlauf auf einem Flipchartbogen gezeigt, um die S. für die heutige Stunde zu sensibilisieren. Die Klasse wird von mir in drei heterogene Leistungsgruppen eingeteilt (s. Anlage VII). Hier wäre auch eine Partnerarbeit angebracht gewesen, doch aus Zeitgründen ist eine Gruppenarbeit mit einer Gruppengröße von 3 ± 4 S. effektiver.

Nach der Gruppeneinteilung, wird der Kundenauftrag auf einen OHP (Overheadprojektor) aufgelegt. Damit ist die ganze Aufmerksamkeit der Klasse bei dem Kundenauftrag. Ich hätte auch die Aufträge austeilen können, doch dann schweifen viele S. ab. Der schriftliche Arbeitsauftrag wird von x vorgelesen, damit sie motiviert ist und eine positive Einstellung zum Kundenauftrag entwickelt. Danach gibt x mit eigenen Worten wieder, was als Arbeitsauftrag zu bearbeiten ist (s. 1.1). Durch gezieltes Ansprechen der beiden S. wird noch einmal das Interesse zur Aufgabe geweckt. Alle S. kennen bereits dieses Verfahren, da ich es bei jeder Stunde, je nach Situation, einstreue.

[...]


1 vgl. www.bbs2-emden.de, Stand 09.2010

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

3 Rahmenlehrplan für den berufsfeldbezogenen Lernbereich in der Berufsfachschule, Berufsfeld Mechatronik

4 Rahmenlehrplan für den berufsfeldbezogenen Lernbereich in der Berufsfachschule, Berufsfeld Mechatronik, Beschluss der Kultusministerkonferenz (1998), S. 9.

Details

Seiten
27
Jahr
2011
ISBN (eBook)
9783640855711
ISBN (Buch)
9783640855681
Dateigröße
718 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v168252
Institution / Hochschule
Berufsbildende Schulen Emden
Note
1,0
Schlagworte
vereinfachung verknüpfung kv-diagrammen kundenauftrags

Teilen

Zurück

Titel: Vereinfachung einer logischen Verknüpfung mit KV-Diagrammen anhand eines Kundenauftrags