Unterrichtsentwurf
Klasse:
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4a
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Unterrichtsfach:
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Sachunterricht
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Thema der
Unterrichtseinheit:
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Fachwerkhäuser
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Thema der Unterrichtsstunde:
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Das
stabile Dreieck
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Ziele
Hauptziel:
SuS sollen lernen, dass das Dreieck die stabilste geometrische Form ist. Sie
sollen zwischen stabil und beweglich/instabil unterscheiden können. Insgesamt
sollen sie Dreiecke als wichtige Konstruktionselemente beibehalten, die
verschiedenen Baukonstruktionen Stabilität verleihen.
Teilziele:
-
SuS sollen erkennen, dass das stabile
Dreieck ihnen oft im Alltag begegnet (z.B. Fahrrad)
-
Kinder sollen angeregt werden, ihre Umgebung bewusster wahrzunehmen und mit einem
„statischen“ Blick zu betrachten
-
SuS sollen erkennen, dass Papier eine
stabile Struktur bekommt und somit Gewicht tragen kann, wenn sie es
ziehharmonikaartig falten (Versuch 1)
-
SuS sollen lernen, dass sich durch
das gebildete Dreieck aus Holzstäben, das Gewicht gut auf die verschiedenen
Teile (Gläser) der Brücke verteilt (Versuch 2)
-
SuS sollen durch die
unterschiedlichen Versuche ihre Feinmotorik weiter ausbauen
(Versuch 2)
-
SuS sollen geometrische Formen auf
Stabilität prüfen (Versuch 3)
-
SuS sollen erkennen, dass durch
Diagonalverstrebung zwei Dreiecke entstehen und es somit stabil wird
Sachanalyse
Ein
Dreieck ist immer stabil, man kann es nicht verformen, ohne die Seiten zu
verbiegen. Wenn man ein Dreieck aus drei Streichhölzern legt, erhält man immer
dieselbe Form. Legt man vier Streichhölzer zu einem Viereck zusammen, so gibt es unendlich viele
verschiedene Möglichkeiten. Diesen Umstand nutzt die Technik.
Beispielsweise an Fahrrädern, an Brücken oder in einem Dachgebälk finden sich oft
Dreiecke, denn diese sind absolut stabil. Ein Fahrrad oder eine Brücke klappen
nicht in sich zusammen, wenn sie auf Dreiecken aufgebaut sind. Ein Dachgebälk
aus Dreiecken ist ebenso sehr tragfähig und kann sich nicht verbiegen. (vgl. )
In Bezug auf das Fachwerk war
mittelalterlichen Baumeistern schnell klar, dass Fachwerk sich verschieben
würden, wenn es keinen diagonalen Balken gibt. Wenn man Fachwerkhäuser
betrachtet, sieht man das sie immer Balken, durch die Dreiecke entstehen,
besitzen. Regale werden gleichermaßen oft dadurch stabilisiert, dass eine Latte
oder Stange in der Diagonalen angeschraubt wird. So werden Regale ohne Rückwand
winkelstabil. (vgl. )
Um zu einer umfassenderen Erläuterung
zu kommen, muss man das Prinzip der Stabilität durch Aussteifung genauer
betrachten. Eine Möglichkeit, eine ebene Fläche auszusteifen, besteht durch die
Bildung von Dreiecken im Sinne von dreiecksförmigen Aussteifungsverbänden.
Jedes Dreieck besteht aus drei geraden Linien und drei Ecken. In der Mathematik
ist das Dreieck die einfachste geradlinig begrenzte Fläche. Von Flächen spricht
man, wenn eine ebene geometrische Figur allseitig geschlossen ist. Auch das
einfachste Fachwerk bildet aus drei Stäben und drei Knoten ein Dreieck. In den
Knoten, den Verbindungsstellen, sind die Stäbe gelenkig miteinander verbunden.
Das einfachste Fachwerk basiert auf der statischen Grundannahme, dass sich ein
Dreieck bei Belastung nicht verwindet oder verformt. Bei den Kräften die auf
Gegenstände einwirken wird zwischen äußeren und inneren Kräften unterschieden.
Äußere Kräfte wirken von außen, z.B. auf ein Gebäude ein. Zu ihnen gehören die
vertikalen und horizontalen Aktions- und Reaktionskräfte sowie Drehmomente.
Innere Kräfte und Biegemomente werden durch äußere Kräfte und Drehmomente
hervorgerufen. Aus den inneren Kräften lassen sich Rückschlüsse auf die
Spannung um Tragteil ziehen. Bei unserem Thema sind die angreifende Kraft
(Aktionskraft) und der Verlauf der inneren Kräfte wichtig, was sich auf Druck-
und Zugkräfte beschränkt.
Wenn eine Kraft von oben auf die
Spitze eines Dreiecks, den gelenkigen Knoten, wirkt, entsteht in den beiden
schrägen Stäben, Druckkräfte und im unteren horizontalen Stab Zugkräfte. Bei
einer horizontal von links auf die Spitze des Dreiecks wirkenden Kraft,
entsteht im rechten Schrägen Stab eine Druckkraft und im linken schrägen Stab
eine Zugkraft. Bei beiden Krafteinwirkungen kommt es zu keiner sichtbaren
Verformung des Dreiecks. Die Struktur bleibt stabil.
Wirken auf ein Quadrat, das nicht
durch eine Diagonale ausgesteift ist, zwei vertikale Kräfte von oben auf die
gelenkigen Knoten, so entstehen in den beiden vertikalen Stäben Druckkräfte.
Bei einer horizontal angreifenden Kraft auf die linke obere Ecke, den
gelenkigen Knoten, verformt sich das Quadrat erheblich. Die Struktur wird
offenbar instabil bzw. beweglich.
Bei einem mit einem Diagonalstab
ausgesteiften Quadrat ist der Kräfteverlauf bei zwei angreifenden vertikalen Kräften
von oben wie in dem Quadrat, das nicht ausgesteift ist. Die vertikalen Stäbe
nehmen die Druckkräfte auf. Bei der horizontal angreifenden Kraft auf die linke
obere Ecke, entstehen im oberen horizontalen Stab Druckkräfte und im Diagonalstab
Zugkräfte. Da durch den Diagonalstab das Quadrat in zwei Dreiecke unterteilt
wird, bleibt die Struktur ebenso wie bei der Krafteinwirkung auf ein einzelnes
Dreieck stabil.
(vgl.
Didaktische
Analyse
Bei der Unterrichtsstunde am
12.05 im Fach Sachunterricht ist das Thema, sowie der Bildungsinhalt, das
stabile Dreieck. Um das den Kindern anschaulich und verständlich näher zu
bringen, führen die SuS Versuche dazu aus. Der Bildungswert, der in dem
Bildungsinhalt steckt, beschreibt das was die Kinder nach der Unterrichtsstunde
behalten sollen. Unser Ziel ist es, dass die SuS Dreiecke
als wichtige Konstruktionselemente beibehalten, die verschiedenen
Baukonstruktionen Stabilität verleihen. Nun werden vier der fünf
Grundfragen nach Klafki, anhand unseres Themas, beantwortet.
Die exemplarische Bedeutung des Inhaltes, also wofür das stabile Dreieck
repräsentativ, typisch ist, sind nahlegende, bekannte Dinge in der Umgebung der
Kinder, auf die sie oft im Alltag treffen
(à Bezug zur Gegenwartsbedeutung), wie zum Beispiel das Fachwerkhaus, Fahrrad,
Fachwerkbrücken, Strommäste und Regale.
Bei der Gegenwartsbedeutung gehen wir davon aus, dass ein Teil der Kinder den
Begriff Fachwerkhäuser kennt und zuordnen kann, aber noch kein Vorwissen über
das stabile Dreieck besitzt. (Möglicherweise besucht Herr Mauermann mit den SchülerInnen
vorab die Keßlerstraße, wodurch die Kinder Vorwissen erlangen könnten.) Zugang
zu dem Thema erlangen die Kinder durch die gezeigten Bilder am Anfang der
Unterrichtsstunde (Fahrrad, Fachwerkhaus, -brücke und Strommast), da vor allem
das Fahrrad ein alltäglicher Gegenstand für die Kinder ist und es in der
Lebenswelt der Kinder liegt. Dadurch spielt es auch im außerschulischen Leben
der Kinder eine Rolle. Auch in Bezug zur Keßlerstraße, die möglicherweise ein
Teil der Kinder schon kennt, oder spätestens nach der Besichtigung mit Herr Mauermann.
Die Kinder wissen danach das Fachwerkhäuser in ihrer nahen Umgebung liegen und
in der Unterrichtstunde sollen sie etwas über die Stabilität erfahren. Nach der
Stunde sollen die Kinder ihre Umgebung bewusster wahrnehmen und mit einem
„statischen“ Blick betrachten. Was jedoch das Fahrrad mit dem stabilen Dreieck
zu tun hat, wird den Kindern noch fremd sein.
In Hinblick auf die Zukunftsbedeutung des Inhaltes für die SuS kann man sagen,
dass bei künftigen Baumaßnahmen Wissen über die stabile geometrische Form, das
Dreieck, vorhanden ist und sie ihr Wissen umsetzen können, wie beispielsweise
bei dem Regalaufbau (wenn es instabil ist, kann man es stabilisieren durch das
Einfügen einer Diagonalstrebe). Darüber hinaus stellen kleine Teile Elemente
der Allgemeinbildung dar, jedoch tiefgründigeres Wissen nur im Sinne eines
verfrühten Vorgriffes auf eine spezielle Ausbildung.
Nun kommen wir zu der thematischen Strukturierung.
Der Inhalt steht mit Mathematik im Zusammenhang, sachlich müssen geometrische
Formen vorausgegangen sein. Außerdem gibt es begriffliche Voraussetzungen, wie stabil,
instabil, beweglich und geometrische Formen.
Methodische
Vorüberlegungen
1.
Situation:
Einstieg in das Stundenthema
Möglichkeiten:
- Lehrervortrag
- Schülervortrag
- stummer Impuls
Wir haben uns für den stummen Impuls entschieden, da sich dies gut eignet für
den Einstieg in eine neue Unterrichtsstunde. Dadurch wollen wir das Interesse
der SuS wecken und die Motivation erhöhen. Außerdem können die SuS ggf.
Vorwissen zu dem Thema miteinbringen.
Der Lehrer kann durch Stichworte oder Leitfragen die Situation beeinflussen,
falls die SuS nicht auf den stummen Impuls reagieren. Im Gegensatz zum
Lehrervortrag werden die SuS dazu aufgefordert sich selbst Gedanken zu machen.
Wir haben uns nicht für einen Schülervortrag entschieden, da eine vorherige
Absprache mit den SuS nicht möglich war.
2.
Situation:
Erarbeitung des Stundenthemas durch die Sozialform Gruppenarbeit.
Möglichkeiten:
- Gruppenarbeit
- Einzelarbeit
- Partnerarbeit
- Frontalunterricht
In der Unterrichtsstunde wollen wir eine methodische Vielfalt erreichen, um die
Aufmerksamkeit der SuS aufrecht zu erhalten. Wir beginnen und beenden den
Unterricht im Plenum und die Erarbeitung des Unterrichtsthemas erfolgt in
Gruppenarbeit. Alle SuS bekommen die Chance aktiv mitzuarbeiten. Durch die
Gruppenarbeit können sich die SuS gegenseitig helfen und Impulse geben, weshalb
wir uns nicht für Einzelarbeit oder Frontalunterricht entschieden haben.
Partnerarbeit haben wir ebenfalls ausgeschlossen, da wir in Gruppenarbeit
weniger Gruppen haben als in Partnerarbeit und so den einzelnen Gruppen mehr
Hilfestellung leisten können. Insgesamt fördert Gruppenarbeit die soziale und
kommunikative Kompetenz sowie die Motivation der SuS.
Arbeitsmaterialien
1. Tafelbild:
2. Versuche:
Versuch 1:
Arbeitsauftrag:
Versucht
mithilfe der Materialien (2 Schuhkartons,
1 Gewicht, 3 Blätter DinA4) eine stabile Brücke zwischen den beiden
Schuhkartons zu bauen.
Ob eure Brücke wirklich stabil ist, könnt ihr prüfen, indem jemand das Gewicht
oben drauf stellt.
Versuch 2:
Arbeitsauftrag:
Versuch 3:
Arbeitsauftrag:
Versucht mithilfe der Materialien (Pappstreifen, Musterklammern) stabile verschiedene
geometrische Formen zu stecken.
Was passiert, wenn ihr die Modelle aufrecht auf den Tisch stellt und dann gegen
die linke Seite (oben) eurer Form drückt?
Versuch 4:
Bierdeckelturm
Arbeitsauftrag: Versucht einen möglichst hohen Turm aus Bierdeckeln zu bauen.
3. Ergebnissicherung
Instabiles
Regal durch fehlende Rückwand oder Diagonalleiste
Stabiles Regal durch viele
stabile Dreiecke
Literaturangaben
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Unterrichtsentwurf zum Thema Fachwerkbau, Universität Münster
.uni-muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/technik_didaktik/
fachwerkbau.pdf
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Materialien für den naturwissenschaftlichen und technischen
Sachunterricht 1, Anette Lambert, Petra Reddeck, Brücken-Türme-Häuser, Zolg,
Wodzinski, Wöhrmann (Hrsg.)
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