Ein Auto für Daniel Düsentrieb - FWU

Franz Tichy, Hajo Koch,
Herbert Wild,
Gymnasium Grootmoor
Hamburg
Ein Auto
für Daniel Düsentrieb
SEMIK-Projekt
Lernen mit Notebooks
Hamburg

Impressum
Herausgeber:
Friedhelm Schumacher
FWU Institut für Film und Bild
in Wissenschaft und Unterricht gem. GmbH
Bavariafilmplatz 3
82031 Grünwald/München
Betreuung des Wettbewerbs und redaktionelle Bearbeitung:
Valeska Hölzer M.A.,
Dr. Friedhelm Schumacher
Franziska Zur
Kontakt:
Mail: semik@fwu.de
Web: http://www.fwu.de/semik
1. Auflage 2003
© 2003, FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht
Nachdruck - auch auszugsweise - nur mit ausdrücklicher Genehmigung des FWU.
Diese Veröffentlichung entstand im Rahmen des BLK-Programms SEMIK Systematische Einbeziehung
von Medien, Informations- und Kommunikationstechnologien in Lehr- und Lernprozesse.
Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.

Ein Auto für Daniel Düsentrieb
Für den Wettbewerb „Daniel Düsentrieb“, ausgeschrieben von der TU Hamburg Harburg, wurde
ein Auto entwickelt, das sich im Geschwindigkeitstest und an der Steigung bewähren sollte. Es
galt, die scheinbar widersprüchlichen Anforderungen in einem Modell zu vereinen. Der Elektromotor
und die Energiequelle wurden vom Wettbewerbsveranstalter vorgegeben. Das Projekt
wurde der interessierten Hamburger Fachwelt präsentiert.
SEMIK-
Projekt
Schule
Lehrer
Klasse
Fächer
Zeitansatz
URL
Zielsetzungen
Fachlich
Lernen mit Notebooks,
Hamburg
Gymnasium Grootmoor, Hamburg
www.grootmoor.hh.schule.de
Franz Tichy franz.m.tichy@web.de, Hajo Koch, Herbert Wild
10;
16-20 Schülerinnen und Schüler
Physik (MMS d.i. Wahlbereich der Klassenstufe 10, Kurs „Messen, Modellbildung,
Simulation“),
Wahlbereichskurs mit 2 Wochenstunden im Schuljahr 2001/02
-
Die Teilaspekte einer offenen Aufgabenstellung in konkrete Fragestellungen zerlegen.
Physikalische Fragestellungen formulieren.
Für eine physikalische Fragestellung ein Experiment konzipieren, durchführen und auswerten.
Die Auswertung eines Experimentes in einen komplexen Sinnzusammenhang einordnen und
nutzen.
Das Notebook als geeignetes Hilfsmittel für die physikalische Erkenntnisgewinnung nutzen.
Arbeitstechniken
Das Notebook für die Organisation der Gruppenarbeit einsetzen können.
Das physikalische Experiment gezielt zur Lösung von Problemen einsetzen.
Für die Sammlung von Gruppenergebnissen geeignete Methoden entwickeln und erproben.
Geeignete Präsentationsformen finden.
Sozial
Die Zusammenarbeit mit anderen Lerngruppen zielgerecht ausgestalten können.
Die Verantwortung für den eigenen Beitrag in der Gruppenarbeit erkennen.
Die Hilfe anderer in Anspruch nehmen, anderen Hilfestellung leisten.
In der Gruppenarbeit Rücksicht auf andere Gruppenmitglieder nehmen, die Probleme mit der
Erfüllung ihrer Aufgabe haben.

SEMIK@work
Arbeitsformen
Voraussetzungen
Am Kurs MMS9 (Messen, Modellbildung, Simulation in Klasse 9, Kursleiter Herr Tichy, zugleich
SEMIK-Projektleiter) nahmen 12 Schüler der Notebook-Klasse teil, die seit 1999 in den Modellversuch
SEMIK eingebunden waren. 4 weitere Schüler gesellten sich aus den Parallelklassen
dazu. Ein „freier Mitarbeiter“ war Felix, ein Schüler aus dem Physik-Leistungskurs. Zusammengearbeitet
wurde mit der „Offenen Physik“, eine Einrichtung am Gymnasium Grootmoor, die
Interessierten Schülern jeden Alters einmal in der Woche die Physik-Räume und die Physik-
Sammlung zur Verfügung stellt. Hier können Schüler unter Anleitung und Aufsicht von Herrn
Koch ganz frei experimentieren.
Die Vorerfahrung der Notebook-Schüler umfasste den sicheren Umgang mit dem Notebook und
mit den zur Verfügung stehenden Programmen, wie Office, Mediator, CASSY, Smart, u.a.
Im Rahmen des Modellversuches haben die Schüler an verschiedenen Unterrichtsprojekten
teilgenommen und dabei zunehmend projektartiges Arbeiten gelernt.
Das Abschätzen einer benötigten Zeitspanne, die Gliederung eines Themas, die Aufgabenverteilung,
die Zusammenarbeit, die Ergebnissicherung und die Ergebnispräsentation wurden geübt.
Die Präsentationen von Ergebnissen wurden auch schon im vorangegangenen Unterricht multimedial
gestaltet; PowerPoint oder Mediator bildeten die Grundlage für derartige Ausgestaltungen.
Photos, Filme, Tondokumente und Internetseiten wurden vielfach eingebunden.
Der vorliegende Wettbewerbsbeitrag wurde von den Schülern bereits bei der öffentlichen Präsentation
der Wettbewerbsteilnehmer in der TU Harburg gezeigt (verantwortlich für den Partnerschaftsvertrag
mit der TU Harburg ist Herr Wild); für die eingereichte Arbeit wurde dem
Gymnasium Grootmoor der Sonderpreis für den Einsatz neuer Medien im naturwissenschaftlichen
Unterricht verliehen. Das entwickelte Automodell kam übrigens von 21 an den Start gegangenen
Modellen auf Platz 7.
Ablauf
Gesamtplanung
4
Zeitansatz Inhalt Lehrplanbezug
Entsprechend den Wettbewerbsbedingungen der TU
Harburg sollte das zu konstruierende Gefährt eine
Strecke von 20m bei fliegendem Start möglichst
schnell durchfahren und zudem eine 5m lange möglichst
steile Strecke bewältigen!
Die Fragestellung des Wettbewerbs führte die Schüler
zu folgenden Schwerpunktthemen:
1) Wie kann die Energie des Akkus optimal für den
Antrieb des Motors genutzt werden?
2) Wie können Reibungsverluste möglichst klein
gehalten werden?
3) Wie kann der Wirkungsgrad des Motors erhöht
werden?
4) Wie können Stabilität und Masse optimiert werden?
Induktion,
Energieerhaltung/
Energiewirtschaft

Beschreibung des Unterrichtsverlaufs
Ein Auto für Daniel Düsentrieb
Die MMS-Gruppe wurde in Teilgruppen für jeweils verschiedene Aufgabenbereiche eingeteilt;
die Einteilung wurde zunächst vom Lehrer vorgegeben, hätte aber auf Schülerwunsch durchaus
geändert werden können.
So gab es eine Organisations- und Koordinierungsgruppe, eine Präsentationsgruppe und
mehrere Arbeitsgruppen, die sich mehrfach in der Zusammensetzung wandelten. Auf die Zusammensetzung
der Arbeitsgruppen, die sich mit aktuellen Fragestellungen oder Experimenten
befassten, wurde von den Schülern im Allgemeinen allein festgelegt; hierbei half der Lehrer
nur auf Wunsch oder wenn sich die Notwendigkeit dazu ergab (etwa weil ein Schüler über
weitere Tätigkeiten Ratlosigkeit zeigte).
Themenstellungen für die Arbeitsgruppen ergaben sich aus drei Quellen: 1) Ideen einzelner
Schüler (z.B. Wir wollen mal die Reibung von Gummi auf Holz untersuchen!“); 2) Das Kursgespräch
zu Beginn einer Doppelstunden (z.B. „Wir haben uns noch gar nicht überlegt, ob der
Elektromotor schnell oder langsam laufen soll!“); 3) Die Organisations- und Koordinierungsgruppe
(„Wir bräuchten da mal eine schiefe Ebene , um die Steigfähigkeit des Autos zu untersuchen!“).
Die Präsentationsgruppe war für die Anfertigung der Abschlusspräsentation verantwortlich,
gleichzeitig auch für die Dokumentation des Arbeitsfortschritts des Kurses (Zwischenpräsentationen);
zugleich waren sie die Sammelstelle für Notizen über Stundenergebnisse sowie Protokolle
der Arbeitsgruppen.
Die Organisations- und Koordinierungsgruppe war für den Überblick über den Arbeitsfortschritt
verantwortlich, für die Zusammenarbeit der einzelnen Arbeitsgruppen, für die Zusammenarbeit
mit der Offenen Physik und für die Einhaltung der Termine. Diese Gruppe war auch
ständige Anlaufstelle für alle Beteiligten (Schüler und Lehrer), um sich über die Tätigkeit der
einzelnen Gruppen zu informieren. Zugleich hatte diese Gruppe auch die etwas undankbare
Aufgabe, zeitliche Absprachen zu überwachen und die vom Veranstalter vorgegebenen Termine
zu berücksichtigen.
Lernzielkontrolle
Natürlich war der Wettbewerb selbst eine Lernzielkontrolle. Er spielte letztlich aber nur eine
untergeordnete Rolle, wenngleich er für die Schüler häufig das Ziel ihrer Arbeit markierte.
Jede Arbeitsgruppe fertigte zu jedem Experiment Protokolle an; diese wurden benotet. Die
Bewertungskriterien für Protokolle waren den Schülern aus dem vorangegangenen Unterricht
bekannt.
Jede Arbeitsgruppe gab am Ende einer jeden Doppelstunde einen Notizzettel oder eine Datei
mit Stichworten oder wenigen Sätzen an die Präsentationsgruppe; diese Gruppe sammelte die
Notizen und gab sie in größeren Zeitintervallen an den Lehrer weiter; damit konnte der Fortschritt
der Arbeitsgruppen bewertet werden.
Die Organisations- und Koordinierungsgruppe berichteten am Anfang einer jeden Sitzung über
den aktuellen Stand der Kursarbeit; dabei wurde für jede Arbeitsgruppe, somit auch für den
einzelnen Schüler und den Lehrer eine kleine Zwischenbilanz sichtbar. Hierbei konnten die
Leistungen der Organisations- und Koordinierungsgruppe eingeschätzt werden.
Die Präsentationsgruppe wurde nach dem Fortschritt der Dokumentation beurteilt.
Die Tätigkeit der Arbeitsgruppen und die Leistung der einzelnen Schüler konnten beim „Herumgehen“
des Lehrers eingeschätzt werden; die Häufigkeit, mit der der Lehrer einzelne Arbeitsgruppen
„besuchte“ hing manchmal davon ab, wie viel physikalische oder handwerkliche
Hilfe die jeweiligen Gruppen benötigten.
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SEMIK@work
Umsetzung / innovative Aspekte
Problemorientierung
Die scheinbar widersprüchlichen Anforderungen
des Daniel Düsentrieb-Wettbewerbs („Rennwagen
oder Geländewagen“) waren immer wieder Ausgangspunkt
für neue Ideen.
So entstanden die Ideen für experimentelles Vorgehen
und theoretisches Untersuchen von Detailfragen
fast von selbst.
Selbstgesteuertes Lernen
Die „Leitung“ oblag weitgehend der Koordinierungsgruppe.
Damit war der gesamte zeitliche
Ablauf und der inhaltliche Aufbau in Schülerhand;
die von der Koordinierungsgruppe geleiteten Kursgespräche
und die von den Arbeitsgruppen an die
„Koordinatoren“ weitergereichten Notizen und
Protokolle hielten den Informationsfluss stets aufrecht.
Veränderte Lehrer- und Schülerrolle
Der Lehrer als wissenschaftlicher Ratgeber, der
Schüler als Organisator, Koordinator, Experimentator,
der Schüler als Planer und zugleich Ausführender,
und das in voller Verantwortung für das
Gelingen der Kursarbeit
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Das ungestüme Probieren (Basteln)
und die ersten Fahrversuche brachten
die Schüler schnell auf eine systematische
und naturwissenschaftliche Vorgehensweise.
Die „Gut-Glück“-Methode
erwies sich als nicht effizient; die
Mehrzahl der Schüler versuchte von
sich aus, die gestellte Aufgabe zu zergliedern
und zu lösen. Einige Schüler
hielten aber auch hartnäckig an der
„Gut-Glück“-Methode fest; vielleicht
war das Problem zu komplex. Die Gespräche
unter der Leitung der Koordinierungsgruppe
zum Beginn einer jeden
Sitzung brachten doch oft spontane
Ideen.
Die Koordinierungsgruppe wurde ja
zunächst vom Lehrer eingesetzt; es
dauerte ca. 6 Stunden, bis sich die
Gruppe etabliert hatte. Hier hätte man
besser die Aufgabenverteilung insbesondere
einschließlich der Koordinations-,
Organisations- und Präsentationsaufgaben
ausführlicher mit den
Schülern besprochen und die Gruppeneinteilung
im Kurs festgelegt. Der
ungestüme Drang der Schüler, endlich
mit dem Autobau zu beginnen, hat
mich veranlasst, die Planungsphase
kurz zu halten.
Die Aufgabenverteilung in Arbeitsgruppen
und Koordinations- und Präsentationsgruppe
erwies sich als vorteilhaft
(trotz der anfänglichen Akzeptanzprobleme,
s.o.)!
Die Aufgabenstellung („Wir nehmen an
dem Wettbewerb teil!“) war zwar vorgegeben,
die Schüler waren aber in
ihren Tätigkeitsbereichen völlig frei.
Dies wirkte sehr motivierend.
Die SEMIK-Schüler erwiesen sich gegenüber
den Schülern aus den Parallelklassen
deutlich Im Vorteil, wenn es
um Planung, Strukturierung und eigenständiges
Arbeiten ging.

Medienkompetenz
Die vorgelegte Daniel-Düsentrieb-Präsentation
wurde mit Mediator ® erstellt; für die Übersicht
über die Arbeitsgruppen wurde EXCEL verwendet.
ULEAD ViedoStudio diente der Bearbeitung der
Filme. Tonaufnahmen wurden mit verschiedenen
CD-Recordern angefertigt. Die CASSY ® -Software
von Leybold half bei der Aufnahme von Messwerten.
Graphiken wurden mit einem ULEAD-
Graphikprogramm erstellt oder bearbeitet, ebenso
die digitalen Photos. Internetrecherchen wurden
mit einem der üblichen Browser ausgeführt, z.T.
mit Hilfe des Klassenraum-Funknetzwerkes.
Kooperation
Die Kooperation fand auf zwei Ebenen statt:
1. Innerhalb des Kurses (zwischen den Gruppen
für Absprachen, Aufgabenverteilung, usw. und
zwischen Gruppen und dem Lehrer für Hilfe
und Ratsuchende, für Anregungen usw.)
2. Zwischen dem MMS-Kurs und der Offenen Physik
am Grootmoor sowie der Technischen Universität
Harburg.
Übertragbarkeit
Ohne die Hinführung zum eigenständigen projektartigen
Arbeiten der SEMIK-Schüler und die Erfahrungen
in der Präsentation von Unterrichtsergebnissen
wäre diese freie und eigenständige Vorgehen
nicht möglich gewesen.
Beurteilung
Schülerurteil
Hier zwei „O-Töne“, die für die Schülermeinung repräsentativ sind:
Ein Auto für Daniel Düsentrieb
Die Medienkompetenz der SEMIK-
Schüler war bereits hinreichend ausgeprägt.
Von den vier Schülern der Parallelklassen
verfügte einer über recht ausgeprägte
Fertigkeiten im Umgang mit
Graphik- und Videoprogrammen, dafür
aber kaum über Präsentationserfahrungen.
Auch in der Anwendung der
CASSY-Software waren die SEMIK-
Schüler deutlich geschickter.
Die Kooperationsgruppe hatte viel zu
tun! Sie sorgte für den Informationsfluss
auf beiden Ebenen. So fielen die
Besuche bei den Veranstaltungen der
TU ebenso in ihren Tätigkeitsbereich
wie auch Materialbeschaffung und
Terminverantwortlichkeit.
Mit Schülern ähnlicher Vorerfahrungen
kann dieses Projekt in einem Wahlbereichskurs
jederzeit wiederholt und
empfohlen werden. Für Schüler, die
wenig Projekterfahrung haben, eignet
sich das Projekt in dieser Länge weniger;
wohl aber halte ich die Strukturierung
des Kurses in Gruppen,wie es
hier geschehen ist, für außerordentlich
gelungen.
„Insgesamt war die Arbeit eine interessante Abwechslung vom normalen Unterricht. Das Basteln
am Elektroauto hat Spaß gemacht, auch wenn nicht immer alles geklappt hat.
Die Gruppenarbeit hat nicht immer optimal funktioniert. Die Gruppen selbst waren teilweise
gut organisiert, doch die Absprache mit anderen Gruppen hat nicht gut geklappt. Meistens
wussten die einzelnen Gruppen nicht, was die anderen machen oder gemacht haben und auch
nicht, welche Ergebnisse erzielt wurden.
Ich glaube, dass wir mit einer durchdachteren Organisation schneller und vor allem bessere
Ergebnisse erzielt hätten.
Ich denke, dass man bei kommenden Projekten dieser Art von Anfang an ein klares Konzept
haben muss, das von Anfang bis Ende durchgezogen wird.“
Gernot
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SEMIK@work
„Die Idee, ein Auto aufgrund physikalischer Kenntnisse zu konstruieren und es dann zu bauen,
fand ich gut. Um das Auto optimal auf den Wettbewerb vorzubereiten, mussten wir uns mit
den verschiedensten Themen, wie Getriebe, Aufhängung und Gewichtsverteilung des Autos
auseinandersetzen, um die optimale Lösung zu finden.
Gut fand ich das Ausprobieren. Um z.B. die optimale Getriebeeinstellung zu finden, haben wir
mit Massen gearbeitet. Wir haben den Motor mit dem Getriebe jeweils verschieden schwere
Massen hinaufziehen lassen. Das Getriebe wurde dafür jedes Mal verändert. Mir hat an dem
Projekt besonders gefallen, dass es interessant und vielfältig gestaltet war. Es war nicht trokken
und mit Theorie überfüllt. Schließlich hab ich durch das Projekt erfahren, wie viel physikalisches
Wissen, Arbeitsschritte und Testen notwendig sind, um ein gut fahrendes Auto bauen
zu können. Tüfteln, Ärger und Faszination liegen nah beieinander.
Was ich etwas schade fand war, dass die Kommunikation zwischen den einzelnen Gruppen
und der Offenen Physik nicht gut funktionierte. Über einige Dinge wurde man sich einfach
nicht einig. Eine Gruppe wusste nicht, was die andere machte. Dies behinderte unheimlich das
Vorankommen. Fast in jeder Stunde musste erneut über ein Thema diskutiert werden, weil
wieder irgendetwas nicht geklappt hatte. Dies war natürlich ziemlich zeitraubend und zugleich
nervig. Dadurch verlor man auch auf Dauer die Lust am Projekt.
Abgesehen davon war das Projekt eine interessante und spannende Erfahrung für mich.“
Christoph
Lehrerurteil
Charakteristisch für dieses Projekt war die nahezu vollständige Verantwortlichkeit der Schüler
für den gesamten Ablauf und für die inhaltliche Ausgestaltung. Keineswegs überraschend kam
es dabei zu physikalisch hervorragenden und bewertbaren Schülerleistungen.
Die veränderte Lehrerrolle fiel mir nach drei Jahren SEMIK-Arbeit nicht schwer, die Vorerfahrungen
aus der SEMIK-Arbeit kamen Schülern und Lehrern zu gute! Praktisches, d.i. vor allem
experimentelles Arbeiten findet in dieser Vielfalt sonst nicht im Physikunterricht statt. Die in
den Schülerkommentaren genannten Kritikpunkte sind klingen zunächst negativ („Ich glaube,
dass wir mit einer durchdachteren Organisation schneller und vor allem bessere Ergebnisse
erzielt hätten.“) Gerade in diesen Situationen wurde m.E. für die Schüler in hohem Maße
sichtbar, wie groß die Eigenverantwortung in der Gruppenarbeit ist. Dies wurde oft in Einzelgesprächen
mit Schülern reflektiert und führte in mehreren Situationen zu einer Verhaltensänderung
im Sinne eines sich in die Gruppe aktiveren Einbringens, damit auch zu besseren
Ergebnissen.
Empfehlungen
Nur Mut! Die im Projekt untergeordnete Lehrerrolle führt zu besonderen Schülerleistungen!
Ein Wettbewerb, wie Daniel-Düsentrieb, muss nicht der Anlass für ein solches Projekt sein.
Warum nicht ein Segelschiff aus Beton bauen, einen Heißluftballon, eine Wasserstoffbrennstoffzelle,
oder einfach die Physik-Olympiade-Aufgaben lösen?
Übertragbarkeit
Das Projekt ist in seinem Umfang gut auf Schülergruppen mit medialen Vorerfahrungen (z.B.
Schüler mit einem Computerführerschein) und mit Projekterfahrungen übertragbar.
Anschlussplanungen
Das Gymnasium Grootmoor nimmt auch in diesem Jahr am Daniel-Düsentrieb-Wettbewerb
teil. Dieses Mal soll ein breiteres Schülerspektrum einbezogen werden und die Offene Physik
rückt in den Vordergrund. Dies liegt vor allem daran, dass die Notebook-Klasse des SEMIK-
Modellversuches jetzt in der Vorstufe ist, die SEMIK-Unterrichtszeit ist ja inzwischen vorüber.
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Verwendete Materialien
Ein Auto für Daniel Düsentrieb
Die Materialien waren für die physikalische Arbeit gängige Physikbücher aus der Freihand-
Bibliothek und verschiedene Quellen im Internet, die jeweils über die Stichwortsuche gefunden
wurden. Die Links wurden zwar dokumentiert, die Dateien sind aber mit der Auflösung der
Notebook-Klasse verlorengegangen. Weitere Informationsquellen waren Lehrer, z.T. auch Eltern
und Herr Professor Mackens von der TU Harburg. Ihm sei an dieser Stelle für sein Engagement
für die Zusammenarbeit mit Schülern besonders gedankt!
Unterrichtsbeispiele und –produkte, Arbeitsblätter,
Ergebnisse, Screenshots
Die Mediator-Präsentation „Daniel Düsentrieb 2002“ liegt auf zwei CDs vor; die Größe von
50MB wird leider überschritten, da die eingebundenen Filme im avi-Format vorliegen (auf zu
langsamen Rechnern oder CD-ROM-Laufwerken hakeln sie deswegen auch). Die Umwandlung
etwa in mpg1-Format wäre weiter kein Problem, leider liegt die Präsentation jedoch nur als
Runtime-Datei vor, so dass die Filme nicht neu eingebunden werden können.
Da ich das Ergebnis aber für so herausragend halte, dass ich es gerne einer größeren Öffentlichkeit
zugänglich machen möchte, reiche ich es trotz des Umfanges ein!
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