„Licht an – Licht aus!“ Wir konstruieren einfache Schalter für unseren Stromkreis (Unterrichtsentwurf, 4. Schuljahr)

1. Thema der Unterrichtsreihe

„Uns geht ein Licht auf!“ Wir werden Experten im Umgang mit Elektrizität

Eine handlungs- und produktionsorientierte Unterrichtsreihe zur Einführung in das Themengebiet „Elektrizität“, mit dem Ziel, die grundlegenden Gesetze der Schwachstromtechnik zu entdecken und zu beschreiben, einfache elektrische Stromkreise konstruieren zu können und darüber hinaus die Methode des wissenschaftlichen Arbeitens (Versuchsmethode) zu vertiefen.

2. Aufbau der Unterrichtsreihe

1. Sequenz:

„Was ist elektrischer Strom?“ Was wissen wir schon über Elektrizität und was wollen wir noch erfahren?

Die Schülerinnen und Schüler^[1] sammeln auf Grundlage ihres Vorwissens und ihrer Vorerfahrungen erste Fragen und Ideen zur Thematik, erarbeiten Verhaltensregeln zumUmgang mit elektrischem Strom und stellen im Sinne einer MitplanungÜberlegungen zu einem möglichen Handlungsprodukt an.

2. Sequenz:

„Wie bringe ich ein Lämpchen zum Leuchten?“ Wir konstruieren unsere ersten einfachen Stromkreise

Die Kinder experimentieren^[2] unter Zuhilfenahme verschiedener Materialien, wie sie ein Glühlämpchen auf unterschiedliche Arten zum Leuchten bringen können, um nachfolgend notwendige Bestandteile eines Stromkreises abstrahieren zu können. Darüber hinaus lernen die SuS die entsprechenden symbolischen Notationsformen für die Bestandteile eines Stromkreises kennen, um die von ihnen selbst erstellten Stromkreise in eine normierte, für alle SuS allgemein verständliche Darstellungsform (Schaltskizze) überführen zu können.

3. Sequenz:

„Woher kommt das Licht?“ Wir untersuchen eine Glühlampe und ihre Bestandteile

Die SuS entdecken und beschreiben den Aufbau einer Glühlampe, um darauf aufbauend grundlegende Einsichten in verschiedene Wirkprinzipien des elektrischen Stroms – hier exemplarisch aufgezeigt anhand von Licht- und Wärmewirkung – zu erlangen und des Weiteren Schlüsse über die Linearität und Bewegungsrichtung elektrischer Ladungen in einem geschlossenen Stromkreis zu ziehen.

4. Sequenz:

„Welche Materialien leiten den elektrischen Strom?“ Wir bauen eine Testvorrichtung, um leitende und nicht leitende Materialien zu ermitteln

Durch Einbringen verschiedener Materialien aus der Lebenswelt der Kinder in einen einfachen Stromkreis sollen die SuS entdecken, welche Feststoffe und Flüssigkeiten den elektrischen Strom leiten, um daraus resultierend technische Bezüge bzw. Anwendungsmöglichkeiten von Leitern und Nichtleitern (Isolatoren) im Alltag ableiten zu können.

5. Sequenz:

„Licht an – Licht aus!“ Wir konstruieren einfache Schalter für unseren Stromkreis

Die SuS werden für die Anzahl verschiedenartiger Stromschalter in ihrem Alltag sensibilisiert und konstruieren niveaudifferenziert verschiedene Schalter aus mitgebrachten Materialien, um einerseits das in der vorherigen Sequenz erlangte Wissen bezüglich Leitern und Nichtleitern zu festigen und andererseits, um die elementare Einsicht zu erlangen, dass Schalter generell die Funktion besitzen, einen Stromkreis zu unterbrechen oder zu schließen.

6. Sequenz

„Es knistert und glüht“ Wir gewinnen Strom aus Zitronen, Äpfeln und Kartoffeln

Die SuS bauen eine Zitronen-Batterie nach vorgegebener Bauanleitung und weisen nach, dass zwischen den beiden Elektroden ein schwacher Strom fließt, um darauf fußend grundlegende Einsichten in den Aufbau und die Funktionsweise von Batterien zu erlangen.

7. Sequenz:

„Wie kommt der Strom in die Steckdose?“ Wir informieren uns über verschiedene Arten der Stromgewinnung

Die SuS recherchieren selbstständig unterschiedliche Arten der Stromgewinnung und stellen diese in einem Kurzbeitrag vor, um anschließend die Begriffe „erneuerbare“ und „nicht erneuerbare“ Energie mit Inhalt füllen zu können und daran anschließend die Zukunftsträchtigkeit fossiler Brennstoffe zu diskutieren.

8. Sequenz:

„Warum Strom so wertvoll ist“ Wir formulieren Tipps für das Stromsparen zu Hause und in der Schule

Anknüpfend an die vorhergehende Sequenz erarbeiten die SuS, dass die Herstellung von Strom sowohl die Umwelt belastet als auch teuer ist. Die SuS werden für den Aspekt sensibilisiert, dass ein maßvoller Umgang mit Energie in Zukunft wichtiger denn je sein wird, und erstellen ein Heft mit Energiespar-Tipps, um einen Transfer auf das Verhalten der Kinder im Umgang mit Strom im Alltag anzubahnen.

9.Sequenz:

„Wir bauen einfache elektrische Spielzeuge und stellen unser Heft mit Energiespar-Tipps vor.“

Die SuS konstruieren –in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Leistungsstand mehr oder minder angeleitet – verschiedene batteriebetriebene Spielzeuge, um die im Verlaufe der Unterrichtsreihe erlangten Kompetenzen bei deren Erstellung anzuwenden.

3. Thematik und Ziele der Stunde

3.1 Thema der Stunde

„Licht an – Licht aus!“ Wir konstruieren einfache Schalter für unseren Stromkreis.

Die SuS werden für die Anzahl verschiedenartiger Stromschalter in ihrem Alltag sensibilisiert und konstruieren niveaudifferenziert verschiedene Schalter aus mitgebrachten Materialien, um einerseits das in der vorherigen Sequenz erlangte Wissen bezüglich Leitern und Nichtleitern zu festigen und andererseits, um die elementare Einsicht zu erlangen, dass Schalter generell die Funktion besitzen, einen Stromkreis zu unterbrechen oder zu schließen.

3.2 Ziele der Stunde

Das übergeordneteZiel der hier beschriebenen Unterrichtssequenz besteht schwerpunktmäßig darin, dass die SuS den Aufbau und die generelle Funktionsweise^[3] verschiedenartiger Stromschalterin ihrer Lebenswelt beschreiben und erläutern können, indem sie ihr bisheriges Wissen über Stromkreise im Allgemeinen und Leiter und Nichtleiter im Speziellen einsetzen, um experimentell^[4] Stromschalter zu konstruieren und anhand dieser Eigenkonstruktionen Parallelen zu Stromschaltern im Alltag aufzuzeigen.

3.2.1 Ziele im Bereich der Fachkompetenz

a) Bereich: Natur und Leben

Schwerpunkt: Magnetismus und Elektrizität^[5]

- Die SuS sollen auf Grundlage ihrer bisherigen Fachkompetenz einen einfachen Stromkreis bei freier Materialauswahl erstellen, indem sie rekapitulieren, auf welche Weise Quelle und Verbraucher in einem Stromkreis miteinander verbunden sein müssen.
- Die SuS sollen für die Vielfalt von Stromschaltern in ihrer Lebenswelt sensibilisiert werden, indem sie entsprechendes Bildmaterial analysieren und sich über ihre Vorerfahrungen austauschen.
- Die SuS sollen die grundlegende Funktionsweisevon Stromschaltern – nämlich das Unterbrechen und Schließen von Stromkreisen – abstrahieren, indem sie beschreiben, auf welche Weise ein Lämpchen in einem, einfachen Stromkreis zum Erlöschen gebracht werden kann.
- Die SuS sollen erkennen, dass bei allen Schaltertypen im Alltag durch das Ausschalten eine Lücke im Leitungssystem entsteht, die beim Einschalten wieder geschlossen wird, indem sie diesen Prozess bei selbst gebauten Stromschaltern nachvollziehen und wiedergeben

b) Bereich: Technik und Arbeitswelt

Schwerpunkt: Werkzeuge und Materialien^[6]

- Die SuS sollen in Auseinandersetzung mit einer technischen Problemstellung eine Vorrichtung (Schalter) konstruieren, die es ermöglicht, einen einfachen Stromkreis^[7] zu schließen oder zu unterbrechen, indem sie Leiter und Nichtleiter zielgerichtet und funktionsangemessen bei der Konstruktion der Vorrichtung verwenden.
- Die SuS sollen die Funktionsweise des von ihnen konstruierten Schalters beschreiben können, indem sie auf das bisher erlernte Fachvokabular zurückgreifen.

3.2.2 Ziele im Bereich der Sozialkompetenz

- Das kooperative Lernen innerhalb des Klassenverbandes soll gestärkt werden, indem die SuS bei der Zusammenarbeit in den Kleingruppen die ihnen bekannten Regeln zur Gruppenarbeit beachten.
- Die SuS sollen beim Vortragen der Arbeitsergebnisse die Leistung der jeweils vortragenden SuS würdigen, indem sie ggf. ein positives Feedback abgeben.

3.2.3 Ziele im Bereich der Methodenkompetenz

- Die SuS sollen die ihnen gegebene Problemstellung lösen, indem sie sich der Methode des freien Experimentierens^[8] bedienen und ihre Arbeitsschritte vorausschauend planen.
- Die SuS sollen ihrselbstständiges Arbeiten in den Kleingruppen möglichst zielgerichtet gestalten, indem sie sich einerseits die ihnen zur Verfügung stehende Zeit effektiv einteilen und andererseitsdie jeweiligen Kompetenzen der einzelnen Gruppenmitglieder bündeln, um die Aufgabe lösen zu können.
- Die SuS sollen die Funktionsweise von Stromschaltern im Alltag verstehen lernen, indem sie Schnittzeichnungen von Schaltern analysieren, deren wesentliche Bestandteile isolieren und bei der Konstruktion ihrer eigenen Schalter berücksichtigen.

4. Fachwissenschaftliche Analyse des Unterrichtsgegenstandes

Der Schwerpunkt der vorliegenden Stunde liegt in der forschend-entdeckenden Auseinandersetzung der Kinder mit dem Gegenstand „Schalter“. Im Folgenden soll der Begriff „Schalter“ in Kürze definiert und in Bezug auf die Unterrichtsstunde spezifiziert werden.

Als Schalter bezeichnet man in der Elektrotechnik eineBaugruppe, die mittels zweier elektrisch leitender Materialien oder eines Halbleiterbauelements eine elektrisch leitende Verbindung herstellt oder trennt. Ein Schalter funktioniert somit nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip, das heißt, eine Betätigung führt immer eindeutig zu einem Schaltzustand „offen“ oder „geschlossen.“Des Weiteren lassen sich Schalter, auch Schaltgeräte genannt, nach zahlreichen Merkmalen unterschieden. Beispielsweise nach der Art der Betätigung, nach Bauart und konstruktiven Merkmalen oder Nutzungsmerkmalen.^[9]

Als Kernelement eines Schalters lassen sich die Kontakte benennen. Sie bestehen aus chemisch edlen Metallen, meist Silber, die eine optimale Leitfähigkeit gewährleisten. Die Kontaktträgerelemente hingegen sind oft aus Buntmetallen oder Federstählen gefertigt, um je nach Anwendungsfall entsprechend guteelektrische Leitfähigkeit mit mechanischer Festigkeit und Elastizität zu kombinieren.^[10]

In privaten Anwendungsbereichen, z.B. im Haushalt, finden sich am häufigsten mechanische Schalter, die direkt betätigt werden. Als Beispiele aus dem Alltag seien hier exemplarisch der Kippschalter, der Tast-, Wipp- und der Drehschalter genannt. Hiervon zu unterscheiden sind indirekt betätigte Schalter^[11] und über Sensoren betätigte Schalter.^[12]

Bezogen auf die eigentliche Schaltfunktion steht in der vorliegenden Unterrichtsstunde der sog. „Einschalter“ im Mittelpunkt. Ein Einschalter ist ein Schalter mit zwei Anschlüssen, der nur einen Stromkreis öffnet oder schließt. Er wird zum Ein- und Ausschalten elektrischer Verbraucher verwendet (Ausschaltung), zum Beispiel als Lichtschalter.^[13] Hiervon zu unterscheiden ist die große Gruppe der sog. „Wechselschalter“.

Im Zusammenhang mit dem Begriff „Schalter“ und mit Blick auf den Aspekt „Sicherheit im Umgang mit elektrischem Strom“ sind an dieser Stelle auch moderne Sicherungsschalter zu nennen. Die heutigen Sicherungsschalter beruhen auf der magnetischen Wirkung des Stroms und sind so konstruiert, dass ein Schalter bei einer zu hohen Stromstärke ein so starkes Magnetfeld aufbaut, dass damit der Schalter betätigt wird. Erwähnt sei hier zudem der sog. „Feldstromschalter“ (FI).^[14]

[...]

^[1] Im Folgenden durch „SuS“ zugunsten der Lesefreundlichkeit abgekürzt. Aus Gründen der vereinfachten Lesbarkeit wird an entsprechenden Stellen zudem auf die geschlechtsneutrale Differenzierung verzichtet. Entsprechende Begriffe gelten aber im Sinne der Gleichbehandlung grundsätzlich für beide Geschlechter.

^[2] Der Begriff des Experimentierens wird im Kontext der vorliegenden Unterrichtsreihe mit Blick auf das Postulat eines forschend-entdeckend ausgerichteten Sachunterrichts weitgehend im Sinne eines „freien Experimentierens“/ Tüftelns und Erprobens verstanden. Vgl. hierzu: Meyer, Hilbert: Unterrichtsmethoden II: Praxisband, S. 313.

^[3] Nämlich das Unterbrechen und Schließen von Stromkreisen.

^[4] Vgl. hierzu: Meyer, Hilbert: Unterrichtsmethoden II: Praxisband, S. 313.

^[5] Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen: Richtlinien und Lehrpläne für die Grundschule in Nordrhein-Westfalen, S. 44.

^[6] Ebd., S. 45.

^[7] Unter diesem Begriff lässt sich die den SuS bekannte Reihenschaltung fassen.

^[8] Vgl. hierzu: Meyer, Hilbert: Unterrichtsmethoden II: Praxisband, S. 313 und S. 317.

^[9] Vgl. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Schalter_%28Elektrotechnik%29, abgerufen am 16.06.2010.

^[10] Vgl. ebd.

^[11] So werden bspw. Schwimmschalter oder Öldruckschalter durch pneumatische Steuerungssignale betätigt.

^[12] Vgl. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Schalter_%28Elektrotechnik%29, abgerufen am 16.06.2010.

^[13] Vgl. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Einschalter , abgerufen am 16.06.2010.

^[14] Vgl. Haider, Michael und Thomas: Gefahren des elektrischen Stroms, S. 34.