1. Thema einfügen
STE-PS Science Teacher Education - Principles and Standards
Dokumentation einer
themenorientierten Unterrichtseinheit
Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (GWRHS) Nürtingen, 2010 – http://www.ste-ps.eu
Einfache Maschinen helfen Menschen:
Beim Bau “Einfacher Maschinen“ erwerben Schülerinnen und Schüler der 2.
Klasse grundlegendes Wissen über technische Funktionszusammenhänge und zu
physikalischen Grundgesetzen der Mechanik.
Fächerverbund:
Mensch, Natur und Kultur
Klasse: 2
Zeitraum:
15.04.2010 - 01.07.2010
Lernort Schule
Datum Unterrichtssequenzen Std.
15.04.10 Erstkontakt mit der Klasse
• Potentialorientierte Einzelgespräche
3
• Peernomination
• Problemorientierte Teamaufgabe „Brückenbau“
29.04.10 Wie und wodurch erleichtern einfache Maschinen Menschen die Arbeit?
• Themenfelderöffnung
• Sokratisches Gespräch 3
• Gruppenarbeit mit schriftlicher Arbeitsaufgabe
• Bauen mit Materialien
06.05.10 Wirkungsprinzipien von Stange, Hebel, Seil, Schiefe Ebene erfahren
• Erproben technischer Funktionszusammenhänge „einfache Maschinen“
an Stationen in der Sporthalle (Stange, Hebel, Seil und Rolle, Schiefe 3
Ebene, Rollen)
• Lerntagebuch
20.05.10 Bau einer Hebelmaschine / Durchführung von Versuchen zur Messung
der eingesetzten Kraft
• Bau der Hebelmaschine mit Hilfe einer Baulanleitung
• Versuche zur Hebelwirkung mit unterschiedlichen Gewichtsbelastungen 3
• Dokumentation der Ergebnisse
• Festigen der Erkenntnisse im Auswertungsgespräch
• Lerntagebuch
10.06.10 Hebelgesetz anhand von Versuchen erproben, erkennen und
formulieren
• Versuchsreihen zum zweiseitigen Hebel mit unterschiedlichen
Ausgangsbedingungen (Hebellänge, Gewicht) 3
• Ermittlung von Messergebnissen
• Erstellung von Messtabellen
• Lerntagebuch
1

2. 17.06.10 Experimente zur „Schiefen Ebene“ mit Hilfe eines Federkraftmessers,
• Problemstellung und Präkonzepte (Concept Cartoon)
• Einführung des Kraftmessers
• Umbau der Hebelmaschinen zur „Schiefen Ebene“ 3
• Versuchsreihen zur Schiefen Ebene
• Ergebnissicherung in Form einer Regelformulierung
• Lerntagebuch
24.06.10 Erproben und Vertiefen der zwei Grundprinzipien der Kraftersparnis in
einer Stationsarbeit
• Sokratisches Gespräch
3
• Begriffsklärung „Schiefe Ebene“ und „Hebel“
• Einweisung in Stationsarbeit und anschließende Arbeitsphase
• Lerntagebuch und Rückmeldegespräche
01.07.10 Erkenntnisse aus der Einheit
• Individuelle Rückmeldungen der Kinder
• Lernstandserhebung 3
• Erarbeiten der Texte für die Homepage
• Rückmeldegespräche und Übergabe der „Diplome“
1. Kompetenzanalyse
1.1 Kompetenzen, Kriterien und Indikatoren
In dieser Einheit sollen erste Kompetenzen im naturwissenschaftlich-technischen
Bereich angebahnt und entwickelt werden, die sich im Bildungsplan der Grundschule
im Fächerverbund MeNuK wieder finden:
Kompetenzfeld 8:
Erfinderinnen, Erfinder, Künstlerinnen, Künstler, Komponistinnen und Komponisten
entdecken, entwerfen und bauen, stellen dar
Kompetenzen:
• Kennen Beispiele wichtiger technischer Erfindungen aus ihrem Alltag.
• Können einfache technische Funktionszusammenhänge erkennen.
• Können einfache Gegenstände selbst herstellen und Werkzeuge sachgerecht
benutzen.
Kriterien Indikatoren
Sach-fachlicher Bereich:
Technische Erfindungen („Einfache • betrachten Bilder, beschreiben was sie sehen und
Maschinen“) aus dem was die Menschen damit machen
Erfahrungsbereich der Kinder • erklären, welche Arbeit die Menschen ausführen
und wie die abgebildeten Maschinen dabei helfen.
• führen mit Alltagsmaterialien Versuche durch
bauen mit Alltagsgegenstände einfache
Maschinen nach und dokumentieren ihre
Einfache technische Beobachtungen
Funktionszusammenhänge
• Erproben spielerisch mit Alltagsgegenständen
und Sportgeräten einfache technische
Funktionszusammenhänge wie Hebel, Schiefe
Ebene, Roll- und Gleitreibung
2

3. • Erleben die konkrete Arbeits- oder
Gewichtsentlastung beim Heben und
Fortbewegen von schweren Lasten und können
ihre Erfahrungen verbalisieren
Hebelmaschine nach Anleitung • Können mit Hilfe von Bauanleitungen (Bild und
zusammenbauen Text) die Hebelmaschine zusammenbauen und
Bauteile mit den Fachbegriffen benennen
Werkzeuge sachgerecht benutzen • Können Werkzeuge zum Montieren und Bauen
sachgerecht benutzen und kennen ihre Funktion
Hebel und Schiefe Ebene als • Untersuchen die Funktion von Haushaltsgeräte
mechanisches Prinzip bei Geräten und Alltagsgegenstände hinsichtlich ihrer
und Gebrauchsgegenständen technischen Funktionsprinzipien
• Beschreiben das Funktionsprinzip und erklären
weshalb diese Geräte die menschliche Arbeit
erleichtern
Kompetenzfeld 7:
Natur macht neugierig: Forschen, experimentieren, dokumentieren, gestalten
Kompetenz:
• Einfache Experimente mit und ohne Anleitung durchführen, beobachten und
dokumentieren
Kriterien Indikatoren
Methodischer Bereich:
Experimente zu Hebelwirkung • Erproben mit Hilfe der Hebelmaschine die
Gesetzmäßigkeiten des zweiseitigen Hebels
• Variieren die Aufgaben, beobachten und
formulieren auf der Wenn-Dann-Ebene das
Hebelgesetz
Experimente zur Schiefen Ebene • Erproben mit Hilfe der Hebelmaschine die
Gesetzmäßigkeiten der Schiefen Ebene
• Variieren die Aufgaben beobachten und
formulieren auf der Wenn-Dann-Ebene die
Kraftersparnis durch den Einsatz der Schiefen
Ebene
Einfache Experimente zur • Experimentieren mit der Hebelmaschine indem
Hebelwirkung und Schiefen Ebene sie unterschiedliche Versuchsreihen erproben
mit und ohne Anleitung und sich die Gesetzmäßigkeiten des zweiseitigen
Hebels selbst erarbeiten.
• Experimentieren mit der zur Schiefen Ebene
umgebauten Hebelmaschine indem sie
unterschiedliche Längen und Steigungen
erproben und sich die Gesetzmäßigkeiten der
Schiefen Ebene selbst erarbeiten.
Dokumentation im Lerntagebuch • Erstellen Zeichnungen, Tabellen, Versuchsreihen
und dokumentieren dies im Lerntagebuch
3

4. Kompetenzfeld 1:
Wer bin ich, was kann ich: Kinder entwickeln und verändern sich, stellen sich dar
Kompetenzen:
• Eigene Fähigkeiten und Fertigkeiten erkennen, weiterentwickeln und
situationsgerecht anwenden
• Aus praktischen Tun Freude und Zuversicht in die eigene Leistungsfähigkeit
entwickeln
Kriterien Indikatoren
Personaler Bereich:
Technische Fähigkeiten und • Können durch eigenes, praktisches Handeln im
Fertigkeiten ausbilden Umgang mit der Hebelmaschine Erfahrungen
machen, diese verbalisieren, reflektieren und
weiter entwickeln
Eigene Leistungsfähigkeit erkennen • erkennen in der Arbeit im Team, die eigenen
Stärken und bringen diese in die Gruppe ein
Kompetenzfeld 2:
Ich du wir: Zusammen leben, miteinander gestalten, voneinander lernen
Kompetenzen:
• Erkennen, dass eigen Fähigkeiten und Fertigkeiten in der Gruppe wirksam
werden
• Einander zuhören, Erfahrungen und Meinungen anderer aufnehmen, sowie die
eigene Meinung äußern
8
Kriterien Indikatoren
Sozial-kommunikativer Bereich:
• Arbeiten und experimentieren im Team und
Arbeiten im Team bringen ihre Potentiale in die Arbeitsaufgaben ein
• Diskutieren und Reflektieren ihre Erfahrungen,
Diskutieren und Reflektieren modifizieren die Aufgaben und bewerten ihre
Erkenntnisse
2. Didaktisches Konzept1
Wir verstehen im STE-PS Projekt Lernen grundsätzlich als konstruktiven, aktiven,
kumulativen und zielgerichteten, sowie als situierten, interaktiven und selbstgesteuerten
Prozess. Dieser Grundsatz wurde in der vorliegenden Einheit durch verschiedene
didaktische Prinzipien gewährleistet.
Scientific Literacy:
Grundlage war der Ansatz von Scientific Literacy, der naturwissenschaftlichen Grundbildung.
Schülerinnen und Schüler werden hierbei durch das Aufzeigen von Phänomenen dazu
angeregt, naturwissenschaftliche Fragestellungen zu entwickeln und diese mit Hilfe von
naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen zu bearbeiten, um so Erkenntnisse daraus
zu gewinnen. Ebenso gilt dies auch für die Technische Grundbildung, bei der es um die
Anwendung technischer Methoden und Verfahren zur Lösung entsprechender
Problemstellungen geht.
Gestaltete Lernumgebung:
Außerdem war eine gestaltete Lernumgebung einer der Bausteine der Einheit. Durch eine
genaue und durchdachte Vorbereitung der Materialien und Bereitstellung verschiedener
1
http://www.scribd.com/doc/27484894/STE-PS-Didaktisches-Rahmenkonzept-v01
4

5. Hilfsmittel sowie ein durchgängiges Regel-/Ritualkonzept können Schülerinnen und Schüler
ihren Lernprozess selbständig steuern. Dies begünstigt einen schülerorientierten Lernansatz.
Der Lehrer kann sich somit zurücknehmen und als Begleiter und Moderator des Lernens
fungieren. Jede Unterrichtssequenz folgte einem ritualisierten Ablauf, der mit einem
informierenden Einstieg begann und jeweils mit einem Abschiedsritual endete.
Wiederkehrende Methoden, wie das sokratische Gespräch oder die Bauphase, gaben den
Schülerinnen und Schülern Sicherheit und Gelegenheit ihre Erkenntnisse auch mündlich im
Plenum zu reflektieren.
Authentic Assessment:
Konstruktives und situiertes Lernen impliziert im naturwissenschaftlich-technischen
Unterricht eine Form der Leistungsbewertung, die die Kompetenzen und Fähigkeiten der
Schülerinnen und Schüler in authentischen Prozessen berücksichtigt, in denen sie alleine
oder im Team Probleme bearbeiten und dabei miteinander kommunizieren und sich
unterstützen (Authentic Assessment). Dies kann unter Anderem die Arbeit mit einem
Lerntagebuch sein. In der Unterrichtseinheit diente das Lerntagebuch den Schülerinnen und
Schülern dazu, ihre Lernprozesse zu reflektieren und sich über eventuelle Verständnis-
schwierigkeiten klar zu werden. Außerdem waren die Lerntagebücher eine gute Grundlage,
um die Inhalte der Einheit immer wieder aufs Neue zu überdenken und sie so besser auf die
Klasse abzustimmen.
Deutsch als Unterrichtsprinzip:
Bei der Arbeit mit dem Lerntagebuch konnte so auch Deutsch als Unterrichtsprinzip stärker
mit eingebunden werden. Die Schülerinnen und Schüler konnten hier gemäß ihren
individuellen Fähigkeiten schriftliche oder bildliche Einträge zu ihren Erkenntnissen festhalten
und diese so weiter vertiefen. In gezielt eingesetzten Reflexionsphasen und
Unterrichtsgesprächen konnten die Schülerinnen und Schüler ihre Fertigkeiten im Bereich
Sprechen ausdifferenzieren.
Heterogenität:
Lerngruppen sind heterogen zusammengesetzt. Dies bietet zum Einen neue Lernchancen
für den Einzelnen, zum Anderen bedingt die Heterogenität auch eine Abstimmung der
Methoden, sowie der Inhalte und Konzepte. In dieser Einheit wurden daher auf der Basis der
Ergebnisse eines Soziogramms und verschiedener diagnostischer Tests Kleingruppen
gebildet. Dies gewährleiste, dass Schülerinnen und Schüler mit unterschiedlichen Interessen
wie auch mit unterschiedlichem Vorwissen in einem entsprechenden Lernszenario arbeiten
konnten. Weiterhin wurde durch eine „natürliche Differenzierung“ von der Sache aus, der
heterogenen Zusammensetzung Rechnung getragen.
3. Analyse der Sache und des Inhalts
3.1 Einfache Maschinen2
Unter einer einfachen Maschine versteht man in der Physik und der Technischen
Mechanik eine Vorrichtung, welche Ansatzpunkt, Richtung oder Größe einer Kraft verändert,
um die vorhandene Kraft möglichst zweckmäßig zur Verrichtung von Arbeit einzusetzen.
Bis heute besteht praktisch jede mechanische Maschine aus einer Kombination von
einfachen Maschinen.
Es lassen sich vier grundlegende einfache Maschinen unterscheiden, die sich nicht weiter in
Wirkprinzipien untergliedern lassen:
Das Seil und die Stange, sie verlagern den Punkt, an dem eine Kraft ansetzt
Die Rolle, zum Umlenken der Kraft, sie verlagert Angriffspunkt und Richtung der Kraft
Der Hebel, verändert Ansatzpunkt und Größe einer Kraft, und kehrt ihre Richtung um
Die Schiefe Ebene, verändert die Größe und Richtung einer Kraft
2
http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/378726
5

6. 3.2 Beispiele kombinierter einfacher Maschinen
Flaschenzug: Seil und Rolle
Wellrad: Hebel und Stange
Keil: zwei schiefe Ebenen
Schraube: Stange und schiefe Ebene (sie wird in der Antike zu den fünf grundlegenden
Maschinen gezählt)
Zahnrad: Wellrad und schiefe Ebene
Kurbel: Hebel und Wellrad
Diese Kombinationen bilden die Basis aller Werkzeuge.
Eine der einfachsten Anwendungen ist die, bei der die Richtung der Kraft so verändert wird,
dass die Schwerkraft unterstützend mit eingesetzt werden kann (Waage, Rad).
Andere dienen der Ergonomie, unterstützen also etwa „mangelnde Ausrüstung“ des
Menschen (Zange, Stock) oder „konzentrieren“ den Krafteinsatz (Seilwinde, Klinge, Nagel).
3.3 Geschichtliche Aspekte
Einfache Maschinen sind in Verwendung, seitdem der Mensch gelernt hat, mit Werkzeugen
umzugehen.
Die Stange als Stock oder Keule,
der Keil als Faustkeil,
das Seil gehören zu den Anfängen des Menschen als homo habilis – obschon sich ihre
Verwendung auch bei Tieren im Sinne dieser einfachen Mechanik nachweisen lässt.
Werkzeuge wie Hebel und Keil zum Heben schwerer Massen,
die Rolle zum Bewegen sind wohl schon bei den ersten steinzeitlichen Bautätigkeiten
verwendet worden.
In Ägypten wurden Umlenkrollen verwendet, um z. B. Obelisken aufzustellen.
Auch die Römer verwendeten sie bei ihren Baukränen.
Einfache Maschinen bilden auch die Basis der Maschine im heutigen Sinne
Der Bau der großen Kathedralen des Mittelalters wäre ohne die Anwendung mechanischer
Maschinen, wie dem Flaschenzug, Seilwinden und Treträdern, die von Windenknechten
bedient wurden, nicht möglich gewesen.
4. Sachstruktur des Themenfeldes
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7. 5. Medien und Materialien
Materialien für die Unterrichtsarbeit
Materialbox: - schriftliche Bauanleitung für die Hebelmaschine
Kleingruppe (3 Kinder) - Bauteile für die Hebelmaschine/Schiefe Ebene
- Arbeitsaufträge, Arbeitsblätter
- Gruppensymbole zur Orientierung
Ganze Klasse - Symbolkarten für Unterrichtsphasen
- Symbolkarten zur Einhaltung der Gruppenregeln
- Differenzierungsaufgaben (jeweils pro Unterrichtssequenz)
- Symbolkarten zum Begrüßungs-/Abschiedslied
- Lerntagebuch
- Namensschild mit Gruppensymbol
6. Literaturangaben
Mandl, Heinz / Kopp, Birgit: Auf dem Weg zu einer neuen Lehr-Lern-Kultur. Ein Beitrag zum situierten
Lernen. In H. Altenberger, P. Schettgen & M. Scholz (Hrsg.) 2003: Innovative Ansätze konstruktiven
Lernens (S. 70-88), Augsburg: ZIEL
Siebert, Horst: Konstruktivistisch lehren und lernen, 2008
Siebert Horst: Pädagogischer Konstruktivismus – Lernen als Konstruktion von Wirklichkeit, 2003
Gudjons, Herbert: Handbuch Gruppenunterricht, 2003
Gudjons, Herbert: Handlungsorientiert lehren und lernen. Schüleraktivierung. Selbsttätigkeit.
Projektarbeit, 2008
Zolg, Monika (2010):
Ein Maschinenbaulehrgang: Grundschulkinder erforschen, konstruieren und Bauen Maschinen in:
Weltwissen Sachunterricht 2/2010 Seite 16-21
Benchner, Gundula / Schneider, Elfriede (2010):
Fantastische Maschinen. Technisch-konstruktives Bauen im Anfangsunterricht in: Weltwissen
Sachunterricht 2/2010 Seite 9-11
Bildungsserver Nordrhein- Westphalen
http://www.learn-line.nrw.de/angebote/gssachunterricht/UG_Maschinen.htm Abgerufen am 10.11.2010
Phänomenta Lüdenscheid e.V. ▪ Gustav-Adolf-Str. 9-11 ▪ 58507 Lüdenscheid E-Mail:
verein@phaenomenta-luedenscheid.de Internet: http://www.phaenomenta-luedenscheid.de/verein
Michaela Bühler, Tobias Kraft und Julian Leitner (2009)
Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (RS) Reutlingen
„Einfache Maschinen“ vorgestellt an den Beispielen „schiefe Ebene“, „Hebel“ und „Flaschenzug“
Bildungsserver Naturwissenschaften, Rheinland-Pfalz, Themenfeld 6: Geräte und Maschinen im Alltag
http://naturwissenschaften.bildung-rp.de/naturwissenschaften/materialien-zur-unterrichtspraxis/6-
themenfeld-geraete-und-maschinen-im-alltag/charakterisierung-des-themenfeldes.html
abgerufen 10.11.2010
Ministerium für Kultus, Jugend und Sport: Bildungsplan für die Grundschule. Stuttgart: Neckar-Verlag,
2004
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