1 Funktionen und Anlage der - Bildungsserver Sachsen
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Niveaubestimmende Aufgaben zum Kurslehrplan Sekundarschule Erprobungsfassung 1.7.2014 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 An der Erarbeitung der niveaubestimmenden Aufgaben haben mitgewirkt: Kelch, Dirk Wernigerode Koeck, Uta Falkenstein Dr. Pommeranz, Hans-Peter Halle (Leitung der Fachgruppe) Dr. Pötter, Matthias Halle Schmidt, Ines Braunsbedra Die vorliegende Publikation ist unter der „Creative Commons“-Lizenz veröffentlicht. CC BY-SA 3.0 DE Sie dürfen das Material weiterverbreiten, bearbeiten, verändern und erweitern. Wenn Sie das Material oder Teile davon veröffentlichen, müssen Sie den Urheber nennen und kennzeichnen, welche Änderungen Sie vorgenommen haben. Sie müssen das Material und Veränderungen unter den gleichen Lizenzbedingungen weitergeben. http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/ Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Inhaltsverzeichnis 1 Funktionen und Anlage der niveaubestimmenden Aufgaben .................................. 2 1.1 Funktionen der niveaubestimmenden Aufgaben ...................................................... 2 1.2 Aspekte der Aufgabenkonstruktion .......................................................................... 4 1.3 Fachspezifische Charakterisierung der Anforderungsbereiche ................................ 5 2 Aufgaben ............................................................................................................... 11 2.1 Schuljahrgänge 7/8 ................................................................................................ 11 Untersuchungen von Fluggeräten ...................................................................... 11 Zucker – Gift für unseren Körper? ...................................................................... 15 Wasseruhren ..................................................................................................... 19 Eigenschaften von Gesteinen untersuchen 2.2 ........................................................ 22 Schuljahrgänge 9/10 .............................................................................................. 28 Der Weg der Sonne durch den Tierkreis Wie nachhaltig ist eine Biogasanlage? Unser Haus – ein Chemielabor? ............................................................... 31 ........................................................................ 44 Untersuchungen von farbigem Licht Muster im Sand ............................................................ 28 ................................................................... 49 .................................................................................................. 53 Bildquellenverzeichnis ........................................................................................... 57 Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 1 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 1 Funktionen und Anlage der niveaubestimmenden Aufgaben 1.1 Funktionen der niveaubestimmenden Aufgaben Die niveaubestimmenden Aufgaben haben drei wesentliche Funktionen: (1) Forderungen des Lehrplans veranschaulichen (2) Anregungen für die Unterrichtsgestaltung geben (3) Beiträge zur Entwicklung der Aufgabenkultur leisten (1) Veranschaulichung der Forderungen des Lehrplans Im Kapitel 2 des Kurslehrplanes ist das Konzept der Entwicklung fachbezogener Kompetenzen mithilfe eines Kompetenzmodells beschrieben. Im Kapitel 3 erfolgt eine Präzisierung für die einzelnen Kompetenzschwerpunkte durch eine genauere Beschreibung der zu entwickelnden Kompetenzen, wobei auch zugehörige grundlegende Wissensbestände für einzelne Schuljahrgänge ausgewiesen sind. Ausgehend von dieser allgemeinen Planungsebene sollen die niveaubestimmenden Aufgaben Forderungen des Lehrplanes in Form von Aufgaben verdeutlichen. Eine wesentliche Funktion besteht deshalb darin, exemplarisch die Ausprägung ausgewählter fachspezifischer und überfachlicher Kompetenzen, die zum Ende der Schuljahrgänge 8 und 10 angestrebt werden, zu konkretisieren. (2) Anregungen für die Unterrichtsgestaltung Eine weitere Funktion dieser niveaubestimmenden Aufgaben ist es, Anregungen für eine Unterrichtsgestaltung zu geben, die die Ausbildung der beschriebenen Kompetenzen sowie eine Evaluierung des beim einzelnen Lernenden erreichten Standes der Kompetenzentwicklung ermöglichen. Dazu gehört, dass die Aufgabenstellungen - vielfältige Schüleraktivitäten initiieren, - zur Nutzung von unterschiedlichen Medien auffordern, - neben der Einzelarbeit auch Partner- und Gruppenarbeit anregen, - die Lernenden dazu auffordern, ihre eigenen Lernprozesse und deren Ergebnisse zu reflektieren. Dadurch soll u. a. auch die Ausbildung überfachlicher Kompetenzen unterstützt werden. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 2 Niveaubestimmende Aufgaben (3) Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Weiterentwicklung der Aufgabenkultur Schließlich sollen die niveaubestimmenden Aufgaben durch ihre Konstruktion und Gestaltung die Entwicklung der Aufgabenkultur befördern. Eine Aufgabenkultur, die den aktuellen Erkenntnissen der Didaktik und der Lernpsychologie gerecht wird, ist einerseits gekennzeichnet von „guten“ Aufgaben und andererseits vom gezielten Einsatz dieser Aufgaben in Lernsituationen und zur Diagnose der Schülerleistungen. Aufgaben können als gute Aufgaben bezeichnet werden, wenn sie durch mindestens eines der folgenden Merkmale gekennzeichnet sind: Förderung von Kompetenzen aller Kompetenzbereiche Das heißt, dass zur Bearbeitung der Aufgaben Kompetenzen nicht nur aus dem Bereich Fachwissen anwenden, sondern auch aus den Bereichen Erkenntnisse gewinnen, Kommunizieren, Bewerten und/oder Gestalten notwendig sind und damit zugleich entwickelt werden. Vernetzung von Wissens- und Könnenselementen Die Bearbeitung der Aufgaben erfordert die Verknüpfung von grundlegenden Wissensbeständen oder Methoden aus den naturwissenschaftlichen und weiteren Pflichtfächern, aber auch aus den verschiedenen Kompetenzschwerpunkten – auch aus zurückliegenden Schuljahrgängen. Flexibilität und Anwendungsbereitschaft des Wissens Das Grundwissen wird durch die Bearbeitung von Problemstellungen aus unterschiedlichen, für die Schülerinnen und Schüler sinnstiftenden, Kontexten flexibel anwendbar und dauerhafter. differenzierte Förderung der Schülerinnen und Schüler Dies kann zum Beispiel durch die Gestaltung der Aufgaben als offene Aufgaben, die unterschiedliche Bearbeitungsvarianten und verschiedene Lösungen ermöglichen, realisiert werden. Durch das Angebot von gestuften Lernhilfen kann die Förderung der Schülerinnen und Schüler auf sehr differenzierte Weise erfolgen. Beim Einsatz von Aufgaben im Unterricht ist zu beachten, dass alle Merkmale entsprechend den konkreten Bedingungen berücksichtigt werden. Die niveaubestimmenden Aufgaben dienen damit vorrangig der Auseinandersetzung mit den im Grundsatzband und im Kurslehrplan gestellten Anforderungen. Zugleich geben sie Anregungen zur Erstellung eigener guter Aufgaben. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 3 Niveaubestimmende Aufgaben 1.2 Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Aspekte der Aufgabenkonstruktion Die Auswahl und Konstruktion der Aufgaben erfolgte unter folgenden Gesichtspunkten: - wesentliche Kompetenzen bzgl. naturwissenschaftlicher Prozesse, - bedeutsame inhaltliche Schwerpunkte des Kurslehrplans, - fächerübergreifende Aspekte, - Vielfalt der Aufgabenformate (nach der Art der Fragestellung bzw. dem Format der Antwort wie offene Aufgabenstellung, Multiple Choice, Units), - ein ausgewogenes Verhältnis der drei Anforderungsbereiche, - Einsatz der Aufgaben in Lern- und Leistungssituationen. Insbesondere wurden die niveaubestimmenden Aufgaben so konstruiert, dass durch Vergleich der Aufgaben der einzelnen Schuljahrgänge ein Kompetenzzuwachs erkennbar wird, z. B. hinsichtlich - des Planens, Durchführens und Auswertens von Beobachtungen, Messungen und Experimenten, - der Überführung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse in funktionstüchtige Technik, - des Bewertens technischer Anwendungen naturwissenschaftlicher Erkenntnisse, - des Erschließens von Informationen aus verschiedenen Quellen, - der Präsentation von Arbeitsergebnissen. Der zielgerichtete Einsatz von Aufgaben in Lern- und Leistungssituationen wird begünstigt, wenn die Aufgabengestaltung dies unterstützt. Das wurde bei den niveaubestimmenden Aufgaben in folgender Weise berücksichtigt: (1) Sollen mit den niveaubestimmenden Aufgaben Lernprozesse initiiert, Interesse der Schülerinnen und Schüler geweckt, Aktivitäten ausgelöst und selbstgesteuerte Lernprozesse angeregt werden (Lernaufgaben), dann weisen sie in der Regel bestimmte Merkmale auf. Sie bieten ein differenziertes Lernangebot, das verschiedene Zugänge und Bearbeitungsvarianten gestattet sowie das Lernen in verschiedenen Sozialformen ermöglicht. Diese Aufgaben erfordern aber eine Einbettung in ein auf die jeweilige Klassensituation abgestimmtes Lernarrangement. Die dazu erforderliche umfangreiche Darstellung ist jedoch innerhalb dieser Veröffentlichung nicht möglich, da sie die konkreten pädagogischen Bedingungen nicht berücksichtigen kann. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 4 Niveaubestimmende Aufgaben (2) Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Soll mit diesen Aufgaben die Ausprägung ausgewählter Teilkompetenzen bei den Schülerinnen und Schülern möglichst genau erfasst werden (Testaufgaben), weisen die Aufgaben andere Merkmale auf. Sie sind in der Regel stark strukturiert, für alle Schülerinnen und Schüler einheitlich und werden von diesen in Einzelarbeit in einer genau begrenzten Zeit bearbeitet. Mit diesen Aufgaben, insbesondere jenen, die ausschließlich schriftlich zu bearbeiten sind, ist jedoch nur eine Auswahl der im Lehrplan geforderten Kompetenzen überprüfbar. (3) Die Bearbeitung niveaubestimmender Aufgaben kann auch Auskunft über die Ausprägung von Kompetenzen von Schülerinnen und Schülern in ihrer Komplexität geben (Evaluationsaufgaben). Sie veranlassen die Lernenden, sich mit einem fachlichen Problem selbstständig auseinanderzusetzen. Diese Aufgaben sind deshalb relativ offen bzgl. der Bearbeitungswege und der Lösungsmöglichkeiten. Sie erfordern eine gut ausgeprägte fachspezifische Problemlösekompetenz, die eigenverantwortliche Organisation der Arbeit und die Kooperation mit anderen Lernenden. Dadurch dass diese Aufgaben einen komplexen, problemlösenden Charakter haben, sind sie formal in den Anforderungsbereich III einzuordnen. Durch die hinsichtlich der fachlichen Breite und Tiefe sehr unterschiedliche Bearbeitung dieser Aufgaben einerseits und die geringe Strukturierung andererseits ist eine Zuordnung einzelner Teilschritte zu Anforderungsbereichen nur sehr eingeschränkt möglich. Auch die im Erwartungshorizont beschriebenen Schülerleistungen erfassen nur einen Teil der möglichen Bearbeitungsvarianten und beschreiben nur ein mögliches, aber für alle Schülerinnen und Schüler anzustrebendes Bearbeitungsniveau. 1.3 Fachspezifische Charakterisierung der Anforderungsbereiche Zur differenzierten Erfassung des Leistungsvermögens der Schülerinnen und Schüler ist die Berücksichtigung von Anforderungen aus allen drei Anforderungsbereichen (AFB) hilfreich. Obwohl sich diese Anforderungsbereiche nicht immer scharf voneinander abgrenzen und sich die erforderlichen Teilleistungen nicht in jedem Fall eindeutig einem bestimmten Anforderungsbereich zuordnen lassen, fördert ihre Berücksichtigung die Durchschaubarkeit und Vergleichbarkeit der Aufgaben sowie die Transparenz ihrer Bewertung. Die Anforderungsbereiche sind in ihrer wechselseitigen Abhängigkeit zu sehen. Insbesondere bei der Bearbeitung von Aufgaben, bei denen ein komplexes Problem zu Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 5 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 lösen ist, sind auch immer Tätigkeiten auszuführen, die in den Anforderungsbereich II bzw. I eingeordnet werden können. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 6 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Anforderungsbereich I Im AFB I beschränken sich die Aufgabenstellungen auf die Reproduktion und die Anwendung einfacher Sachverhalte und Fachmethoden, das Darstellen von Sachverhalten in vorgegebener Form sowie die Darstellung einfacher Bezüge. Anforderungsbereich II Im AFB II verlangen die Aufgabenstellungen die Reorganisation und das Übertragen von Sachverhalten und Fachmethoden, die situationsgerechte Anwendung von Kommunikationsformen, die Wiedergabe von Bewertungsansätzen sowie das Erstellen einfacher Bezüge. Anforderungsbereich III Im AFB III verlangen die Aufgabenstellungen das problembezogene Anwenden und Übertragen komplexer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Auswahl von Kommunikationsformen, das Herstellen von Bezügen und das Bewerten von Sachverhalten. Ein einzelner Arbeitsauftrag lässt sich meist relativ genau einem Anforderungsbereich mithilfe folgender Kriterien zuordnen: - Komplexität des zu bearbeitenden Gegenstandes (z. B. technisches Gerät, Sachtext, Diagramm), - Komplexität der zur Bearbeitung notwendigen geistigen Operationen, - Maß an Hilfen (z. B. Hinweise, erläuternde Skizzen, Angabe von Teilschritten). Diese Zuordnung eines Arbeitsauftrages ist aber auch wesentlich vom Bekanntheitsgrad dieser Aufgabe sowie der Aufgabenart, also vom vorangegangenen Unterricht abhängig. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 7 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 In der folgenden Übersicht ist eine Zuordnung von wesentlichen geistigen und praktischen Tätigkeiten in Anforderungsbereiche für die Schuljahrgänge 9/10 dargestellt. Anforderungsbereich I Fachwissen anwenden - - - - Erkenntnisse gewinnen - - Anforderungsbereich II Wiedergeben von Daten, Fakten, Begriffen, Größen und Einheiten Wiedergeben von Gesetzen und deren Erläuterung Berechnen von Größen mit vorgegebenen Gleichungen - Beschreiben einfacher Untersuchungen Aufbauen von Experimenten nach vorgegebenem Plan Durchführen von Untersuchungen nach einem einfachen Verfahren - - - - - - Anforderungsbereich III fachgerechtes Wiedergeben von Zusammenhängen Auswählen und Verknüpfen von Daten, Fakten und Methoden eines abgegrenzten Gebietes Übertragen von Betrachtungsweisen und Gesetzen - Planen einfacher experimenteller Anordnungen zur Untersuchung vorgegebener Fragegestellungen selbstständiges Aufbauen und Durchführen von Untersuchungen Gewinnen von Aussagen und Verallgemeinerungen aus Beobachtungen und Messdaten Erkennen von Messabweichungen bei Experimenten - - - - Auswählen und Verknüpfen von Daten, Fakten und Methoden problembezogenes Einordnen und Nutzen von Wissen in verschiedenen naturwissenschaftliche n Wissensbereichen Entwickeln eigener Fragestellungen bzw. sinnvolles Präzisieren einer offenen Aufgabenstellung Planen, Durchführen und Auswerten eigener Untersuchungen und Experimente für vorgegebene Fragestellungen Entwickeln alternativer Lösungswege Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 8 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Anforderungsbereich I - Bewerten Kommunizieren - Anforderungsbereich II Entnehmen von Informationen über bekannte Sachverhalte aus einfachen Texten, Tabellen, Diagrammen und Abbildungen - Ermitteln von Informationen über neue Sachverhalte aus einfachen Texten, Tabellen, Diagrammen und Abbildungen Einbringen von Ideen zur Lösung naturwissenschaftlicher Probleme in einer verständlichen Form - Führen eines Fachgespräches zu einem Sachverhalt auf angemessenem Niveau - strukturiertes schriftliches oder mündliches Präsentieren komplexer Sachverhalte unter Nutzung vorgegebener Medien - Darstellen von Sachverhalten in vorgegebenen Darstellungsformen (z. B. Tabelle, Graph, Skizze, Schemata) - Beschreiben einfacher Sachverhalte unter Nutzung der Fachsprache - adressatengerechtes Darstellen naturwissenschaftlicher Sachverhalte in verständlicher Form - Angeben von Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei Untersuchungen, im Alltag und bei Nutzung von Technologien - Erkennen der Gültigkeitsbereiche von Modellen und Gesetzen - Bewerten alternativer Lösungen nach vorgegebenen Kriterien - Einordnen von Sachverhalten in historische und gesellschaftliche Bezüge - Angeben von historischen Bezügen Stand 1.7.2014 Anforderungsbereich III - Recherchieren in unterschiedlichen Quellen über neue Sachverhalte - Analysieren komplexer Texte und Darstellen der daraus gewonnenen Kenntnisse - Beziehen einer Position zu einem naturwissenschaftlichen Sachverhalt, Begründen und Verteidigen dieser Position - Darstellen eines eigenständig bearbeiteten komplexeren Sachverhaltes unter Nutzung geeigneter Medien - Darstellen von Chancen und Grenzen der naturwissenschaftlichen Sichtweise an Beispielen - Bewerten alternativer Lösungen unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit - Beziehen einer Position zu gesellschaftlich relevanten Fragen unter naturwissenschaftlicher Perspektive Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 9 Niveaubestimmende Aufgaben Gestalten - - Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Fertigen eines einfachen Objektes (nach Vorgaben) - Planen der Fertigung eines Objektes (unter Anleitung) Beschreiben von Verfahren und Regeln für Fertigung und Gestaltung - sach- und sicherheitsgerechtes Nutzen von Werkzeugen, Geräten und Maschinen - Nutzen des Computers als Werkzeug Stand 1.7.2014 - Konstruieren eines Objektes - Optimieren der gefundenen Lösung Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 10 Niveaubestimmende Aufgaben 2 Aufgaben 2.1 Schuljahrgänge 7/8 Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 7/8 – A 1 Untersuchungen von Fluggeräten In der Geschichte der Menschheit gab es viele Versuche, es den Vögeln gleich zu tun und zu fliegen. a) Ordne die Bilder in Gruppen. Gib dein Ordnungskriterium an. A B C D E F G H I Ergänze dazu folgende Tabelle: Gruppe 1 In diese Gruppe gehören alle Flugobjekte, die ... Gruppe 2 In diese Gruppe gehören alle Flugobjekte, die ... Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 11 Niveaubestimmende Aufgaben b) Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Gasgefüllte Ballons werden unter anderem zur Aufnahme von Messdaten aus großen Höhen benutzt. Dazu müssen sie die verschiedenen Messgeräte in diese Höhen transportieren. Um festzustellen, wie die Nutzlast vom Volumen der Ballons abhängt, wurden verschiedene mit Helium gefüllte Ballons untersucht. Dabei wurde die im Diagramm dargestellte Messreihe 45 aufgenommen. - - - c) Ermittle, wie viele 20-LiterBallons man benötigt, um mit einer Minikamera (m = 40 g) Luftaufnahmen machen zu können. Erläutere, warum diese Ballons mit Helium und nicht mit Luft gefüllt wurden. Warum füllt man sie nicht mit Wasserstoff? 40 35 Nutzlast in Gramm - 30 25 20 15 10 Begründe, warum Ballons, deren Volumen kleiner als vier Liter ist, keine Nutzlast tragen können. 5 0 0 5 Erkläre, warum ein doppelt so großer Ballon eine mehr als doppelt so große Nutzlast tragen kann. 10 15 20 25 30 35 Volumen in Litern Vor 100 Jahren wurden Prallluftschiffe (sogenannte Zeppeline) für den Personen- und Postverkehr eingesetzt. Ende des 20. Jahrhunderts erlebten diese Luftschiffe als Transportmittel und als Touristenattraktion eine kleine Renaissance. Vergleiche Luftschiff und Flugzeug in einer Tabelle miteinander. Gehe dabei auch auf folgende Aspekte ein: Geschwindigkeit, Platzbedarf, Sicherheit, Lärmbelästigung, Einsatzmöglichkeiten. Aspekt Luftschiff Flugzeug Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 12 40 45 50 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 7/8 – H 1 Untersuchungen von Fluggeräten Lehrplanbezug Kompetenzschwerpunkt: Das Fliegen in der Natur und der Technik untersuchen Kompetenzen: - Flugobjekten die Antriebsart zuordnen - experimentell die Tragfähigkeit eines Fluggerätes ermitteln - die Nutzung anderer technischer Lösungen (z. B. Starrluftschiff) beurteilen Bezug zu Wissensbeständen: - Flugtechniken in Natur und Technik - statischer und dynamischer Auftrieb - Auswirkungen des Flugverkehrs (vgl. Kurslehrplan Angewandte Naturwissenschaften, S. 12) Anregungen und Hinweise zum unterrichtlichen Einsatz Diese Aufgabe dient insbesondere der Überprüfung von ausgewählten kognitiven Kompetenzen nach der Behandlung der Probleme des Fliegens im Unterricht. Die in Teilaufgabe b beschriebene Untersuchung zum Traglastverhalten gasgefüllter Ballons lässt sich auch im Schülerexperiment durchführen. Verschiedene Händler bieten über das Internet geeignete Ballons verschiedener Größen und Heliumgas zur Füllung kostengünstig an. Der in Teilaufgabe c geforderte Vergleich kann auch mithilfe des Internets (unter Vorgabe ausgewählter URLs) oder von Fachliteratur in Gruppen erarbeitet und danach präsentiert werden. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 13 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Erwarteter Stand der Kompetenzentwicklung TA erwartete Schülerleistung AFB KB a Eine mögliche Einteilung ist nach der Auftriebsart. I F Mögliches Vorgehen: Mithilfe des Diagramms wird ermittelt, dass die Tragfähigkeit von einem 20-Liter-Ballon ca. 8 g beträgt. Damit werden mindestens fünf solcher Ballons benötigt. II F, K Erläuterung, z. B.: Damit ein Auftrieb entsteht, muss die Dichte des Füllgases kleiner als die von Luft sein. Wasserstoff hat die kleinste Dichte, ist aber brennbar. II F Begründung, z. B.: Damit der Ballon etwas tragen kann, muss sein Auftrieb größer als sein Gewicht (Hülle und Füllgas) sein. Das ist erst ab einer Mindestgröße so. III F Erklärung, z. B.: Die Tragfähigkeit wird durch den Auftrieb und das Gewicht bestimmt. Der Auftrieb hängt vom Volumen des Ballons ab (V ~ r3), das Gewicht im Wesentlichen von seiner Oberfläche (A ~ r2). Damit wächst der Auftrieb bei wachsendem Radius schneller als das Gewicht. III F II B Gruppe 1 Gruppe 2 In diese Gruppe gehören alle Flugobjekte, die durch den statischen Auftrieb fliegen. In diese Gruppe gehören alle Flugobjekte, die durch den dynamischen Auftrieb fliegen. A, E b c B, C, D, F, G, H, I Vergleich, z. B.: Aspekt Geschwindigkeit Platzbedarf Sicherheit Luftschiff ca. 100 km/h große Halle (Hangar) keine Start- und Landebahn groß bei gutem Wetter (kann nicht abstürzen) bei Sturm klein Lärmbelästigung Flugzeug ca. 750 km/h kein Hangar notwendig lange Start- und Landebahn relativ groß im Flug, bei Nebel und Eis kann es bei der Landung gefährlich werden bei Start und Landung sehr laut Passagier- und Gütertransport über große Entfernungen kein oder nur geringer Lärm Einsatzmöglichkeiten Besichtigungen (Tourismus, Forschung) Transport schwerer Lasten Ergebnis des Vergleiches, z. B. Jedes dieser Flugmittel hat spezifische Vorund Nachteile, die den konkreten Einsatz bestimmen. TA Teilaufgabe, AFB Anforderungsbereich, KB Kompetenzbereich Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 14 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Zucker – Gift für unseren Körper? Stand 1.7.2014 7/8 – A 2 Zucker ist ein wichtiger Bestandteil unserer Nahrung. Er ist in allen Nahrungspflanzen in unterschiedlichen Formen und Konzentrationen enthalten. Durch die menschliche Verdauung wird der Energiebedarf des Körpers gedeckt. Diese Energie stammt u. a. aus Zucker. Zahlreiche Krankheiten, z. B. Diabetes, Kreislaufprobleme, Fettsucht werden häufig mit hohen Zuckerwerten in Zusammenhang gebracht. Auch für die Entstehung von Karies soll er verantwortlich sein. Lebensmittel Ananaskonfitüre 1 Zuckergehalt (pro 100 g) 60 g Apfelsaft 11 g Äpfel 13 g Bananen 18 g Zucker in Lebensmitteln Birnen 9g In der Tabelle sind die Zuckergehalte verschiedener Lebensmittel angegeben. Brot 4g Cola 11 g Dominosteine 56 g Eis 21 g Gurken 5g Honig 70 g Nudeln 2g Orangensaft 10 g Russisch Brot 49 g Schokolade 65 g a) Stellt den Zuckergehalt der einzelnen Lebensmittel in einem Säulendiagramm dar und wertet dieses aus. b) Zieht Schlussfolgerungen für eure eigene Ernährung 2 Das gesunde Frühstück Der tägliche Energiebedarf eines Jugendlichen wird meist durch drei Hauptmahlzeiten gedeckt. a) Stellt mit Hilfe des Tafelwerkes ein gesundes Frühstück zusammen. Der Energiebedarf sollte ca. 2500 kJ betragen (Fett 20 g, Eiweiß 15 g, Kohlenhydrate 95 g). b) Vergleicht es mit eurem Frühstück und zieht Schlussfolgerungen. c) Erstellt ein Merkblatt mit Regeln für eine gesunde Ernährung. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 15 Niveaubestimmende Aufgaben 2 Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Experimente zu Zucker Experiment 1: Süß oder nicht süß? Menschen können Zucker erst ab einer bestimmten Konzentration schmecken. Dieser Wert wird Wahrnehmungsschwelle genannt. Ihr sollt ein Experiment zur Bestimmung dieses Wertes entwickeln, durchführen und auswerten. Hinweise: - - - Erhöht schrittweise die Konzentration in einer Wasserlösung, z. B. in Schritten von jeweils 2 Gramm pro Liter. Füllt die Lösung in kleine Trinkgläser. Lasst jeweils die Flüssigkeit kosten. In der Medizin wird die Wirkung von Medikamenten in Blindstudien untersucht. Der Patient weiß also nicht, ob er das Medikament oder nur eine gleich aussehende, aber wirkungslose Pille bekommt. Damit soll verhindert werden, dass das Wissen der Patienten die Wirkung des Medikaments beeinflusst. Übertragt dieses Vorgehen auf eure Untersuchung. Dieser Wert hängt von mehreren Faktoren ab, z. B. der Temperatur der Flüssigkeit, dem Alter der Verkoster oder ob diese hungrig sind. Führt also eure Untersuchung mit mehreren Personen durch und erfasst (z. B. mit einem kleinen Fragebogen) die Bedingungen, die das Ergebnis beeinflussen können. Experiment 2: Enthält Zucker oder nicht? Untersucht, ob folgende „nichtsüße“ Lebensmittel Zucker enthalten: Eistee-Zitrone, Kartoffel, Kürbis, Radieschen, Zitronenlimonade, Zwiebel Vorgehen (1) Zur Wiederholung deiner Kenntnisse aus dem Biologieunterricht führe zuerst das Vorexperiment durch. (2) Sorge dafür, dass aus den Lebensmitteln jeweils genügend Saft austritt. Untersuche diesen auf Zuckergehalt. Vorexperiment zum Nachweis von Glukose Geräte Reagenzglas, Tropfpipette, Wasserbad, Bunsenbrenner oder andere Wärmequelle Chemikalien Traubenzucker, destilliertes Wasser, Fehling Reagenz (C) Durchführung Für die Nachweisreaktion wird eine Spatelspitze Traubenzucker in 1 ml destilliertem Wasser gelöst. Die Lösung wird tropfenweise mit 1 ml Fehling-Reagenz versetzt. Anschließend erhitzt man das Reagenzglas vorsichtig im Wasserbad bis eine Verfärbung der Lösung eintritt. Beobachtung In allen Reagenzgläsern hat sich nach dem Erhitzen im Wasserbad ein ziegelroter Niederschlag gebildet. Sicherheitshinweis: Schutzbrille aufsetzen! 3 Zucker im Überblick Erstellt eine Mindmap zum Thema Zucker und präsentiert diese. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 16 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Zucker – Gift für unseren Körper? Stand 1.7.2014 7/8 – H 2 Lehrplanbezug Kompetenzschwerpunkt: Gesundheitsbewusst handeln Kompetenzen: - positive und negative Einflüsse der Ernährung auf unsere Gesundheit erkunden Mahlzeiten hinsichtlich Energiebilanz, Zusammensetzung und Geschmack untersuchen Schlussfolgerungen für die eigene gesunde Lebensweise ableiten Bezug zu Wissensbeständen: - gesundheitsbeeinflussende Faktoren: Ernährung, Freizeitverhalten, Schlaf, Stress, Drogen, Umwelt (vgl. Kurslehrplan Angewandte Naturwissenschaften, S. 13) Anregungen und Hinweise zum unterrichtlichen Einsatz Diese Aufgabe dient insbesondere der Entwicklung von Kompetenzen in den Bereichen Erkenntnisse gewinnen und Kommunizieren sowie der Sozialkompetenz, da sie für Partnerbzw. Gruppenarbeit empfohlen ist. Die unterrichtende Lehrkraft sollte sich hinsichtlich des Vorgehens beim Experimentieren über den Stand der Kompetenzentwicklung der Schüler mit dem Hauswirtschafts- und Biologielehrer abstimmen. Sicherheitsbestimmungen müssen beachtet werden. Die Aufgabe weist einen hohen Lebenspraxisanteil auf. Alternativ könnte man in Vorbereitung auf diese Aufgabe den Schülern den Auftrag erteilen, Lebensmittelverpackungen zu sammeln. Vorhandenes Fachwissen zum Nachweis von Glukose ermöglicht den Schülern die Bearbeitung dieser Aufgabe. Die Teilaufgabe 2a kann als Hausaufgabe gelöst werden. Die Schüler sollten in die Planung einbezogen werden. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 17 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Erwarteter Stand der Kompetenzentwicklung TA erwartete Schülerleistung AFB KB 1a ein Säulendiagramm erstellen, d. h. Maßstäbe festlegen, Achsen einteilen und beschriften, Werte eintragen, treffende Diagrammunterschrift formulieren I K 1b Schlussfolgerungen für eigene Ernährung bzgl. des Zuckergehalts von Lebensmitteln ziehen II E, B 2a ein gesundes Frühstück erstellen und dabei auf die Einhaltung der vorgegebenen Werte achten II W 2b ein eigenes Frühstück und gesundes Frühstück nach den vier Kriterien vergleichen und Schlussfolgerungen ziehen II K 2c ein Merkblatt mit Regeln zur gesunden Ernährung erstellen, d. h. einen Text in überschaubarer Länge verfassen, fassbare Informationsdichte beachten, bildhafte Elemente integrieren III K, B 3 Experimente unter Berücksichtigung des Arbeitsschutzes durchführen, protokollieren und auswerten II/III E 4 eine Mindmap zum Thema Zucker erstellen und präsentieren, d. h. unter Einhaltung der Merkmale: übersichtlich, anschaulich, aussagekräftig, präzise Informationen II F, K TA Teilaufgabe AFB Anforderungsbereich KB Kompetenzbereich Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 18 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 7/8 – A 3 Wasseruhren Neben den Sonnenuhren gehören die Wasseruhren zu den ältesten und am längsten gebräuchlichsten Uhren in der Geschichte der Menschheit. a) Recherchiert, in welchen Ländern Wasseruhren eingesetzt wurden, welche Aufgaben sie in der Antike erfüllen sollten und wie sie funktionierten. Stellt eure Erkenntnisse mit einem Plakat dar. b) Untersucht an einem Modell, wie mit einer Wasseruhr die Zeit gemessen werden kann. So könnt ihr dabei vorgehen: Vorbereitung: - Bringt von zuhause eine leere PET-Flasche mit Deckel mit. Entfernt die Aufkleber. - Haltet mit einer Zange einen kleinen Nagel eine Minute in eine Kerzenflamme. Bohrt dann mit dem heißen Nagel ungefähr fünf Zentimeter über dem Boden ein Loch in die Flasche. Kühlt den Nagel unter Wasser ab. - Füllt die Flasche mit Wasser und schraubt sie dann schnell zu. h Erklärt, warum jetzt kein Wasser aus der Flasche läuft. Durchführung: - Stellt die gefüllte Flasche in eine große flache Schale. - Dreht den Verschluss etwas auf und ermittelt, wie lange es jeweils dauert, bis die Höhe h des Wasserspiegels sich jeweils um einen Zentimeter gesenkt hat oder um welche Strecke sich die Höhe h des Wasserspiegels jeweils in 30 Sekunden senkt. Auswertung: - Stellt eure Messergebnisse in einem t(h) - Diagramm dar. - Beschreibt den Verlauf des Graphen. - Erläutert, wie sich der Verlauf des Graphen ändern würde, wenn - · das Loch größer wäre, · der Querschnitt der Flasche größer wäre. Vergleicht eine Wasseruhr mit einer Sonnenuhr sowie einer Armbanduhr. Ergänzt dazu folgende Tabelle: Vergleichskriterien Sonnenuhr Wasseruhr Armbanduhr Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 19 Niveaubestimmende Aufgaben c) Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Im Laufe der Jahrhunderte wurden die Wasseruhren immer weiter verbessert. Der entscheidende Vorteil der abgebildeten Konstruktionen (1) und (2) besteht darin, dass das Wasser kontinuierlich ausfließt. Erkläre physikalisch, warum das so ist. Konstruktion (1) Konstruktion (2) Bei der Konstruktion (3) konnten nicht nur die Stunden sondern auch die Tage abgelesen werden Erklärt die Funktionsweise dieser Konstruktion. d) Konstruiert und baut eine möglichst genau gehende Wasseruhr. Konstruktion (3) Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 20 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 7/8 – H 3 Wasseruhren Hinweise zur Einordnung in den Lehrplan und zum Erwartungshorizont Aspekte der Teilaufgaben a Recherche Beschreibung einer sehr guten Schülerleistung Lehrplanbezug - die Geschichte der Zeitmessung recherchieren und anschaulich präsentieren - systematisch und zielgerichtet recherchieren und die Ergebnisse vollständig und übersichtlich dokumentieren - das Plakat übersichtlich, ordentlich, ansprechend und ohne Fehler unter Beachtung einfacher Regeln (Form, Farbe, Schrift) gestalten Experimente zur Untersuchung des Einflusses verschiedener Parameter auf die Ganggenauigkeit von Uhren planen, durchführen und auswerten - das Experiment arbeitsteilig und ohne Wasserschäden durchführen die Messwerte ohne Hilfen darstellen die Variation des Graphen korrekt erläutern Varianten der Zeitmessung vergleichen und beurteilen - mindestens drei Vergleichskriterien aufstellen und für die vorgegebenen Uhren korrekt beurteilen den Aufbau von Uhren beschreiben und ihre prinzipielle Wirkungsweise erklären - unter Nutzung der wirkenden Gesetze die Verbesserungen der Uhren erklären die Funktionsweise der Uhr erklären Uhren mit hoher Ganggenauigkeit konstruieren, fertigen und testen - Plakat b Experiment - - c Verbesserungen erklären d neue Konstruktion - - - eine einfache Konstruktion entwickeln, diese mit Hinweisen als funktionstüchtige Uhr realisieren, testen und ggf. verbessern Hinweise zur Variation dieser Aufgabe Beim Einsatz dieser Aufgabe könnten folgende Veränderungen vorgenommen werden: - Es können statt Wasseruhren auch andere räderlose Uhren (Feueruhren, Sanduhren, Sonnenuhren) untersucht werden. - Es könnte auch genauer auf Temporalstunden (vgl. Anzeige in Konstruktion 3) und deren Überwindung mit der industriellen Revolution und den Räderuhren eingegangen werden. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 21 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 7/8 – A 4 Eigenschaften von Gesteinen untersuchen Gesteine begleiten unser tägliches Leben: Sie sind Rohstoffe in der Industrie, finden als Bau-und Pflastersteine Verwendung, auch viele Denkmäler sind aus Stein. Ihre Eigenschaften bestimmen den Verwendungszweck. Ihr habt die Aufgabe, diese Eigenschaften und die Verwendung für folgende drei ausgewählte Gesteine genauer zu untersuchen. Sandstein Granit Schiefer a) Beschreibt diese Steine genau. Nutzt dazu die Handstücke und eine Lupe. Achtet auf Farbe, Körnung, Schichtung und Anordnung der einzelnen Bestandteile. b) In Sandstein und in Schiefer findet man manchmal Abdrücke. Betrachtet diese Abdrücke. Stellt eine Vermutung darüber auf, was das gewesen sein könnte. Sandstein Ölschiefer Recherchiert, warum man in diesen Gesteinen solche Abdrücke finden kann, aber nicht in Granit. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 22 Niveaubestimmende Aufgaben c) Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Ergänzt folgende Tabelle zu den Eigenschaften dieser drei Gesteine. Führt dazu die im Material beschriebenen Experimente an den einzelnen Stationen durch. Eigenschaft Sandstein Granit Schiefer Dichte Härtegrad Säurebeständigkeit Spaltbarkeit Leitet aus den Eigenschaften mögliche Verwendungen für diese Gesteine ab. Beispiel: Der ... ist relativ weich, deshalb kann man ihn gut bearbeiten. Er wird verwendet ... . d) Erkundet die Verwendung der drei Gesteine in eurem Schul- oder Wohnort. Dokumentiert die Fundorte und den Einsatz mit eigenen Fotos. e) Gestaltet ein Lernplakat mit den Ergebnissen der Aufgaben a bis d. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 23 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Material Station 1: Wir bestimmen die Dichte von Gesteinen Geräte Gesteine, Federkraftmesser, Schnur, Messbecher Auftrag Bestimmt die Dichte der drei Gesteine mit der Differenzmethode. Falls ihr vergessen habt, wie das gemacht wird, informiert euch im Physikbuch. Sandstein Granit Schiefer Volumen in cm Masse in g Dichte in g cm3 Station 2: Wir bestimmen die Härte von Gesteinen Geräte Gesteine, Münze, Nagel, Feile, Glas, Quarz Auftrag Bestimmt die Härte der drei Gesteine. Orientiert euch dabei an der Beschreibung der Härteprüfung nach Mohs. Härteprüfung nach Mohs Harte Stoffe ritzen weiche. Diese Härtegrad Beschreibung Erkenntnis hat der Geologe Friedrich Gestein ist mit einem Fingernagel schabbar. 1 Mohs schon vor 200 Jahren genutzt, 2 Gestein ist mit Fingernagel ritzbar. um die Härte von Gesteinen zu 3 Gestein ist mit Kupfermünze ritzbar. bestimmen. Dazu prüfte er, womit 4 Gestein ist mit einem Nagel gut ritzbar. man Steine ritzen kann: mit dem 5 Gestein ist mit einem Nagel noch ritzbar Fingernagel oder mit einer Münze. 6 Gestein ist mit einer Stahlfeile ritzbar. Danach hat er die Gesteine in einer 7 Gestein ritzt Fensterglas. Skala von weich bis sehr hart 8 Gestein ritzt einen Quarzkristall. geordnet. Diese Skala wird heute noch verwendet. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 24 Niveaubestimmende Aufgaben Station 3: Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Wir untersuchen, welche Gesteine durch Säure angegriffen werden Geräte Gesteine, Säure (Essigessenz, verdünnte Salzsäure), Pipette, Petrischale Auftrag Wenn Gesteine Kalk enthalten, werden sie von Säure angegriffen. Dieser wird durch die Säure aufgelöst, der Stein zerbröselt. Untersucht, ob die Gesteine viel, wenig oder gar keinen Kalk enthalten. Vorgehen Sicherheitshinweis: Schutzbrille aufsetzen. Legt den Stein in eine Petrischale. Gebt mit der Pipette einige Tropfen Säure auf den Stein und beobachtet seine Reaktion. Orientiert euch dabei an folgender Tabelle: Beobachtung Gestein schäumt stark Gestein zeigt schwaches Aufschäumen Gestein reagiert nicht Kalkgehalt >4% 1-4% <1% Station 4: Wir untersuchen, welche Gesteine gespalten werden können Geräte Gesteine, Bunsenbrenner, Tiegelzange, Behälter mit Wasser Auftrag Schon in der Antike wurde beim Anlegen von Tunneln oder beim Straßenbau die Eigenschaft der Steine genutzt, sich bei Wärme auszudehnen und sich bei Abkühlung wieder zusammenzuziehen. Geschieht dieser Wechsel sehr schnell, zerspringen die Steine. Dieses Phänomen sollt ihr nutzen, um zu untersuchen, welche Gesteine so gespalten werden können. Vorgehen Sicherheitshinweis: Schutzbrille aufsetzen Stellt den Bunsenbrenner auf die höchste Temperatur ein. Haltet die erste Steinprobe ca. drei Minuten in die Flamme. Danach taucht den Stein in das Wasser. Beobachtet die Veränderungen am Stein. Führt dieses Experiment auch mit den anderen Steinproben durch. Vergleicht eure Beobachtungen und zieht daraus Schlussfolgerungen. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 25 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 7/8 – H 4 Eigenschaften von Gesteinen untersuchen Lehrplanbezug Kompetenzschwerpunkt: Mineralien und Gesteine Verwendung erkunden untersuchen und ihre Kompetenzen: Handstücke beschreiben Eigenschaften und Strukturen von Steinen und Mineralien durch Experimente und Mikroskopieren untersuchen - eine Exkursion vorbereiten, durchführen und deren Ergebnisse adressatengerecht dokumentieren Bezug zu Wissensbeständen: - - Entstehung, Struktur, Eigenschaften und Nutzung von Gesteinen und Mineralien (vgl. Kurslehrplan Angewandte Naturwissenschaften, S. 17) Anregungen und Hinweise zum unterrichtlichen Einsatz Diese Aufgabe dient insbesondere der Entwicklung von Kompetenzen in den Bereichen Erkenntnisgewinnung und Gestalten sowie der Sozialkompetenz, da sie für Partner- bzw. Gruppenarbeit geeignet ist. Die unterrichtende Lehrkraft sollte sich hinsichtlich des Vorgehens beim Experimentieren über den Stand der Kompetenzentwicklung der Schüler und Schülerinnen mit dem Physik- und Biologielehrer oder der Techniklehrerin abstimmen. Sicherheitsbestimmungen müssen beachtet werden. Auch eine Absprache mit dem Geographielehrer ist zu empfehlen, da „ausgewählte Gesteine“ im Kompetenzschwerpunkt „Veränderungen der Gestalt der Erde“ zu den Wissensbeständen gehören. Die Aufgabe weist einen hohen Praxisanteil auf. Um ein zusammenhängendes Arbeiten zu ermöglichen, sollte sie im Rahmen von Doppelstunden gelöst werden. Eine ausreichende Menge von Handstücken muss zur Verfügung stehen. Alternativ könnte man in Vorbereitung auf diese Stationsarbeit den Schülern den Auftrag erteilen, Gesteine zu sammeln. Die Lehrkraft muss dann geeignete Handstücke (z. B. auch Porphyr, Basalt, Muschelkalk, Gneis) auswählen. Vorhandenes Fachwissen zur Entstehung und Bestimmung von Gesteinen erleichtert den Schülern die Bearbeitung dieser Aufgabe. Teilaufgabe d kann während einer Exkursion oder als Hausaufgabe gelöst werden. Die Schüler sollten in die Planung einbezogen werden. Die Schüler benötigen Geräte zum Fotografieren. Des Weiteren müssen technische Möglichkeiten zur Bearbeitung der Fotos bereitgestellt werden. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 26 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Erwarteter Stand der Kompetenzentwicklung TA erwartete Schülerleistung AFB KB a Beschreiben der Handstücke, z. B.: Beim Granit sind drei unterschiedlich farbige (schwarz, weiß-grau oder rötlich, weiß-glasig oder grau) Kristalle gut erkennbar. Diese sind unregelmäßig angeordnet. Es ist keine Schichtung erkennbar I E b Vermutung: Die Abdrücke zeigen Fossilien (Fisch, Schnecke) I E Rechercheergebnis, z. B.: Sandstein und Schiefer/Tonstein können Abdrücke von Fossilien oder Fossilien enthalten. Diese kommen nur in Sedimentgesteinen vor. Überreste von Organismen (Tiere oder Pflanzen) sind im Laufe der Ablagerung in das Sediment gelangt. Granit ist ein magmatisches Gestein. Es entsteht bei der Abkühlung von Magma im Erdinneren. Organismen können sich hier nicht ablagern. II/III K Die Experimente an den Stationen werden nach Anleitung geplant und in Gruppen durchgeführt. Messgeräte werden sachgerecht eingesetzt. Die Ergebnisse werden übersichtlich notiert. Ergebnis: II/III E c Dichte in g/cm3 Härtegrad Sandstein Granit Schiefer 2,3 - 2,7 2,6 2,4 - 2,8 3-4 5-7 3-5 * Säurebeständigkeit gering gut Spaltbarkeit leicht schwer gering* leicht* * abhängig vom Handstück Verwendungsmöglichkeiten, z. B.: Der Sandstein ist relativ weich, deshalb kann man ihn gut bearbeiten. Er wird als Baumaterial (Gebäude, Wege, Denkmäler) verwendet. d Die Schüler dokumentieren die Verwendung der verschiedenen Gesteine durch Fotos und ordnen diese. Fotos von Granit zeigen z. B. Fußwege, Treppen, Gedenktafeln, aus Sandstein sind oft Statuen, Kirchen oder andere ältere Gebäude. Schiefer kann man auf Dächern oder als Hausverkleidung fotografieren. II G e Die Schüler gestalten und präsentieren ihr Lernplakat zu den drei Gesteinen. Sie setzen ihre Fotos zur Erläuterung ein und verdeutlichen Zusammenhänge durch Verbindungslinien oder Pfeile. Texte bestehen nur aus Stichwörtern, sind durch einen geeigneten Schriftgrad gut lesbar. Die Inhalte sind übersichtlich angeordnet und mit geeigneten Farben gestaltet. II/III G TA Teilaufgabe, AFB Anforderungsbereich, KB Kompetenzbereich Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 27 Niveaubestimmende Aufgaben 2.2 Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Schuljahrgänge 9/10 Der Weg der Sonne durch den Tierkreis 9/10 - A 1 Die Sonne ist die Quelle des Lebens auf unserer Erde. Im Verlauf eines Jahres umläuft unser Planet die Sonne und eine der Folgen ist der Wechsel der vier Jahreszeiten. Über sehr lange Zeit glaubte man, dass die Erde im Mittelpunkt des Sonnensystem steht und alle anderen Körper um sie kreisen. Mit sehr einfachen Mitteln kann man jedoch die Revolution der Erde nachvollziehen. Um ein besseres Verständnis für die Zusammenhänge der Bewegungen von Sonne, Erde und Mond zu erlangen, sollst du ein Modell anfertigen. Wenn man nämlich den Lauf der Sonne ein Jahr lang verfolgt, so stellt man fest, dass sie sich etwa in jedem Monat – von der Erde aus gesehen – in einem anderen Sternbild aufhält. Diese Sternbilder sind auch als Tierkreissternbilder bekannt. Auftrag Fertige ein Modell, mit dem die Bewegungen der Erde um die Sonne veranschaulicht werden können. 1 Recherchiere zuvor folgende Fakten. Nutze dazu das Internet. 2 a) Namen und Reihenfolge der Tierkreissternbilder b) Aufenthalt der Sonne in den Sternbildern c) Bahnform der Erde um die Sonne d) Zeitpunkte, an denen die Erde den kleinsten bzw. größten Abstand zur Sonne hat e) Beginn der Jahreszeiten Baue das Modell. Hinweise zum Bau des Modells: - Fertige eine Grundplatte für dein Modell. - Stelle Sonne und Erde mit passenden Farben her. - Lege den Ort der Sonne fest und markiere die Erdbahn. - Trage die Ergebnisse aus den Teilaufgaben 4 und 5 in dein Modell ein. - Teile die Bahnabschnitte in die vier Jahreszeiten ein. Gestalte diese Abschnitte. - Skizziere die 12 Tierkreissternbilder auf dunklem Hintergrund. - Verteile die Tierkreissternbilder am Rand des Modells unter Beachtung der Ergebnisse aus Teilaufgabe 2. - Verbinde die Sonne und die Erde mit einem Zeiger. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 28 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Der Weg der Sonne durch den Tierkreis Stand 1.7.2014 9/10 - H 1 Lehrplanbezug Kompetenzschwerpunkt: Astronomische Sachverhalte erkunden und diskutieren Kompetenzen: - Himmelskörper einteilen und Bewegungen ausgewählter Himmelskörper beschreiben - astronomische Ereignisse beobachten und erklären - die Erarbeitung und die Ergebnisse von Beobachtungen und Untersuchungen situations- und adressatengerecht dokumentieren und präsentieren - Modelle zu astronomischen Sachverhalten konstruieren und anfertigen Bezug zu Wissensbeständen: - Himmelskörper: Sterne, Planeten, Monde, Kleinkörper - Zeitmessung und Kalender Bezüge zu Kompetenzschwerpunkten anderer Fächer Geographie: Die Erde als Planet und Lebensraum beschreiben (Sjg. 5/6) Physik: Bewegungen von Körpern untersuchen, beschreiben und vorhersagen (Sjg. 9/10) (vgl. Kurslehrplan Angewandte Naturwissenschaften, S. 19) Anregungen und Hinweise zum Einsatz Die Bearbeitung der Aufgabe fördert bei den Schülerinnen und Schülern das Verständnis für die Bewegungen von Sonne und Erde. Die Begriffe Ekliptik, Tierkreis sowie scheinbare Bewegung können gefestigt werden. Je nach Qualität der Bearbeitung der Aufgabe ist es möglich, das Verständnis für die Entstehung der Jahreszeiten zu verbessern. Die Tatsache, dass sich die Erde im Winter näher an der Sonne befindet kann anschaulich am Ergebnis demonstriert werden. Es kann ein Bezug zu den in den Horoskopen verwendeten Daten der Tierkreiszeichen und dem wahren Aufenthaltsort der Sonne hergestellt werden. Um eine angemessene Qualität der Beantwortung zu erreichen, ist auch eine Wiederholung des Themas „Maßstab“ entscheidend. Das zeigt sich im besonderen Maße bei der Herstellung der einzelnen Bestandteile des zu fertigenden Modells. Die Vorkenntnisse über die Bewegungen der Sonne, der Erde und des Mondes sind bei den Schülern seit der Grundschule, aber auch seit der 6. Klasse erfahrungsgemäß verblasst. Die Internetrecherche wird deshalb ein gutes Mittel sein, die fünf Fragen zu beantworten. Um die Darstellung der Ergebnisse effektiver zu gestalten, könnte folgende Tabelle vorgegeben werden: Tierkreissternbild Fische Astrologischer Aufenthalt 19.2. bis 20.3. Wahrer Sonnendurchgang 12.3. bis … Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 29 19.4. Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 An dieser Stelle könnte der Umgang mit Wikipedia wiederholt werden. Wenn den Schülerinnen und Schülern das Ermitteln der Daten der „Fische“ gezeigt wird, ist die Motivation höher, denn es sind für die Datenermittlung sowohl eine Tabelle als auch Fließtext zu lesen. Gibt man Frage 3 bei GOOGLE in das Suchfeld ein, bekommt man die Antwort bereits in der Kurzbeschreibung der gefundenen Links. Wählt man wiederum den Wikipedialink, so können auch die übrigen Fragen beantwortet werden. Erwarteter Stand der Kompetenzentwicklung TA 1 2 erwartete Schülerleistung Fakten aus dem Internet recherchieren a Fische, Widder, Stier……Wassermann b vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Tierkreiszeichen c elliptisch, Brennpunkte, kleine und große Halbachse Das Perihel liegt bei 147,1 Mio. km und das Aphel bei 152,1 d Mio. km. Der Perihel-Durchgang erfolgt um den 3. Januar und der Aphel-Durchgang um den 5. Juli. e astronomisch: 21.12. / 21.3./ 21.6./ 22.9. Wi/Frü/So/He ein Modell entsprechend der Hinweise anfertigen AFB KB I I II K K E II K I III E, F G Vorschlag zur Bewertung der Rechercheleistungen Für die Bewertung könnte eine Zeit von zehn bis maximal 15 Minuten vorgegeben werden, um z. B. 22 Punkte für die Tabelle, 1 Punkt für die Bahnform, 2 Punkte für die Abstände und 4 Punkte für Jahreszeiten zu erreichen. Vorschlag zur Bewertung der Herstellung und Gestaltung des Modells Arbeitsschritte Aufbauen auf einer Grundplatte Herstellen von Sonne und Erde mit passender Farbe Festlegen des Sonnenortes und markieren der Erdbahn Eintragen der Ergebnisse aus den Teilaufgaben 4 und 5 Aufteilen der Bahnabschnitte in die vier Jahreszeiten. Gestalten dieser Abschnitte. Skizzieren der 12 Tierkreissternbilder auf dunklem Hintergrund Verteilen der Tierkreissternbilder am Rand des Modells unter Beachtung der Ergebnisse aus Teilaufgabe 2. Verbinden von Sonne und die Erde mit einem Zeiger Beispiel Pappe, Styropor, Holz TT-Ball halbieren, bemalen Ellipse, Brennpunkt(e) Bahnaufteilung mittels Winkelmesser, Perihel, Aphel festlegen, dann Monate Jahreszeiten markieren, Abschnitte gestalten Umfang des Tierkreises ermitteln, in 12 Teile teilen, Sternbilder skizzieren Tierkreis als geschlossenes Papierband senkrecht zur Grundplatte aufstellen Sonne, Erde auf die Grundplatte setzen, Zeiger montieren, Funktion prüfen bzw. demonstrieren Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 30 BE 1 4 3 6-9 8 15 3 5 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Wie nachhaltig ist eine Biogasanlage? Stand 1.7.2014 9/10 – A 2 Stammgruppenarbeit 1 1 Schaut euch auf www.YouTube.com Beiträge zur Entstehung von Biogas an und tauscht eure Erkenntnisse aus. 2 Einigt euch in der Stammgruppe, wer Experte für - das „Futter“ (Expertengruppe 1) - den „Fermenter“ (Expertengruppe 2) bzw. - die „Produkte“ (Expertengruppe 3) einer Biogasanlage wird. In Sachsen-Anhalt gibt es über 300 Biogasanlagen. Luftaufnahme einer Biogasanlage Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 31 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Expertengruppe 1: Das „Futter“ einer Biogasanlage Als Ausgangsstoffe für die Biogaserzeugung wird organisches Material benötigt. Die Ausgangsstoffe werden auch Substrate genannt. Substrate aus der Landwirtschaft Der Wirtschaftsdünger ergibt vor allem bei Rinder- und Schweinegülle ein enormes Substratpotenzial, das für die Verwendung in Biogasanlagen geeignet ist. Rinder- und Schweinegülle haben einen niedrigen Trockenanteil und lassen sich gut mit anderen Substraten (Ko-Substraten) kombinieren. Die Vorgehensweise ist einfach und unproblematisch, da die Gülle direkt in die Biogasanlage eingebracht werden kann. Auch nachwachsende Rohstoffe eignen sich, um in eine Biogasanlage eingebracht zu werden. Mais hat einen sehr hohen Energieertrag und ist für die Einbringung hervorragend geeignet. Als Silage kann Mais sehr gut konserviert werden. Unter Silage versteht man ein durch Milchsäurevergärung konserviertes Pflanzenmaterial. Die Maissilage kann unproblematisch eingebracht werden. Es besteht auch die Möglichkeit, Maissilage als KoSubstrat mit Gülle zu vergären. Weiterhin können Sonnenblumen, Roggen- und Ganzpflanzensilage, Rüben und Grassilage verwendet werden. Gerade bei der Verwendung von Mais wird häufig die Frage diskutiert, ob es vernünftig ist, ein Vorprodukt der Nahrungsmittelherstellung in einer Biogasanlage zu vergären. Substrate aus der weiterverarbeitenden Industrie Darunter fallen Nassschnitzel und Melasse aus der Zuckerherstellung, Reststoffe aus der Kartoffel- und Alkoholverarbeitung. Organische Reststoffe aus Kommunen und Haushalten Hierzu zählen die Biotonne oder Speiseabfälle, wobei deren Eignung auf Grund der hygienischen Bedingungen zu prüfen ist. Grün- und Rasenschnitt Nach der Silierung eignen sich auch solche Abfälle in Kombination mit anderen Substraten für Biogasanlagen. Aufgaben Erarbeitet eine Übersicht über die möglichen Ausgangsstoffe einer Biogasanlage. Recherchiert im Internet über die Vor- und Nachteile des Einsatzes dieser Stoffe. Informiere als „Experte“ die Mitschüler Ausgangsstoffe einer Biogasanlage. in deiner Stammgruppe Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 32 über die Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Expertengruppe 2: Der Fermenter oder von der Kuh abgeschaut Der Verdauungstrakt von Kühen gleicht einem Ökosystem. Besonders die 4 Mägen spielen hierbei eine große Rolle. Einer von ihnen ist der Pansen mit einem Fassungsvermögen von 100 bis 150 Liter. In dem Pansen wird die aufgenommene pflanzliche Nahrung nach wiederholter Zerkleinerung und Durchmischung durch Mikroorganismen abgebaut. Da die Kühe ihre aufgenommene Pflanzennahrung nicht selbst verwerten, sind sie auf die Symbiosen z. B. mit Bakterien angewiesen. Bevor die pflanzliche Nahrung vergoren wird, zersetzen Enzyme bei ca. 39°C in einem leichtsauren Milieu diese. Aufgrund dieser Gärungsprozesse bezeichnet man den Pansen auch als Gärkammer. Aus den Nebenprodukten der Gärung entsteht Methan, welches zusammen mit dem überschüssigen Kohlenstoffdioxid durch Aufstoßen und Blähungen den Verdauungstrakt des Rindes verlässt. Bei näherer Betrachtung der Landwirtschaft mit Rindern, Schafen, Schweinen und Hühnern, ist erkennbar, dass heute viele Landwirte eine Biogasanlage besitzen. Das, was Wiederkäuer als Schadstoffe (Methan) in die Atmosphäre abgeben, versucht der Landwirt biotechnisch zu produzieren. Es wurden unterschiedliche Biogasanlagen entwickelt, die alle nach dem Prinzip der „Methangärung“ der Kuh arbeiten. Aufgaben Erarbeitet eine Übersicht über den Fermenter einer Biogasanlage. Recherchiert dazu im Internet: - zum Aufbau des Fermenters sowie - zu den mikrobiellen (chemischen, biologischen und physikalischen) Prozessen bei der Entstehung von Biogas. Informiere als „Experte“ die Mitschüler deiner Stammgruppe über die ablaufenden Prozesse im Fermenter. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 33 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Expertengruppe 3: Die Produkte einer Biogasanlage Die Produkte einer Biogasanlage sind sehr zahlreich. An erster Stelle ist natürlich das Biogas zu nennen, welches zu einem hohen Anteil aus ________________ und ____________________, ______________________ sowie ____________________ besteht Es gibt Biogasanlagen, _____________________, die nach ___________, einer Reinigung ____________________) (z. B. des Trocknung, Gases das Endprodukt direkt in das Erdgasnetz einspeisen. Hier spricht man von Bioerdgas. Bei der Vergärung der Substrate entsteht Wärme. Diese Abwärme kann in Form von KraftWärme-Kopplung zur Stromerzeugung und zu Heizzwecken genutzt werden. Die Abfallprodukte der Vergärung werden auch als _____________ bezeichnet. Diese Reststoffe eignen sich als Düngemittel in der Landwirtschaft. Damit wird der Anteil an mineralischem Dünger erheblich verringert. Aufgaben Erarbeitet eine Übersicht über die Produkte einer Biogasanlage. Recherchiert im Internet über die Vor- und Nachteile der Verwendung dieser Produkte. Informiere als „Experte“ die Mitschüler deiner Stammgruppe über die Endprodukte einer Biogasanlage. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 34 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Stammgruppenarbeit 2 Teilt euer Expertenwissen eurer Stammgruppe mit. Ergänzt unter Verwendung der Begriffskärtchen den Aufbau einer Biogasanlage. Beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise einer Biogasanlage. Nutzt dazu die weiteren Materialien. Diskutiert die Frage: „Wie nachhaltig ist eine Biogasanlage?“ weitere Materialen - Versuchsanleitungen – Biogasherstellung - Begriffskarten - Infoblatt Versuchsanleitung zur Biogasherstellung Geräte und Chemikalien - Erlenmeyerkolben - pneumatische Wanne - Glastrichter - Gasableitungsrohr - Gummischlauch - Stopfen - Schlauchklemme - Stativmaterial - Glaswolle - Gärgut (Faulschlamm/Gülle) - organische Abfälle (Kaninchenkot, Bananenschalen) Durchführung Den Erlenmeyerkolben mit Gärgut zu zwei Dritteln füllen. Nach Zugabe von Wasser und wenigen organischen Abfällen das Gemisch zu einem Brei verrühren. Den Versuchsaufbau an einen warmen Ort stellen. Die Schlauchklemme zunächst verschließen. (Die Glaswolle im Glasrohr dient als Rückschlagsicherung. Im Trichter wird entstehendes Biogas aufgefangen.) Nach einiger Zeit das entstandene Gas auf Brennbarkeit durch Öffnen der Schlauklemmen prüfen. Dazu ein brennendes Streichholz an das Glasröhrchen halten. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 35 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Begriffskarten Substrate aus der Landwirtschaft Substrate aus der Industrie Substrate aus den Haushalten Grün- und Rasenschnitt Silo für Biomasse Nachwachsende Rohstoffe Vertikaldosierer mikrobielle Prozesse chemische Prozesse biologische Prozesse Fermenter Biogas Gasaufbereitungsanlage Methan Bioerdgas Stromerzeugung Heizkraftwerk Gülle Gärrestlager Düngemittel Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 36 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand 1.7.2014 Infoblatt Jahresfutterplanung einer Biogasanlage vom 1. Oktober 2010 bis zum 30. September 2011 Fütterung 1 (Herbst 100 Tage) Fermenter 1 bis 15 Mais Pressschnitzel GPS* Getreide Hühnertrockenkot Fermenter 16 Pressschnitzel pro Tag 100 Tage m³ Biogas je t Substrat 200 140 180 600 110 t / Fermenter 7 12,5 1,5 2,5 1 t 105 187,5 22,5 37,5 15 m³ 21.000,00 26.250,00 4.050,00 22.500,00 1.650,00 t 10.500,00 18.750,00 2.250,00 3.750,00 1.500,00 m³ 2.100.000,00 2.625.000,00 405.000,00 2.250.000,00 165.000,00 140 30 30 4.200,00 3.000,00 420.000,00 *) Getreidepressschnitzel 79.650,00 7.965.000,00 Fütterung 2 (Rest 265 Tage) Fermenter 1 bis 15 pro Tag 265 Tage m³ Biogas je t Substrat t / Fermenter t m³ t m³ Mais 200 12 180 36.000,00 47.700,00 9.540.000,00 Pressschnitzel 140 3,5 52,5 7.350,00 13.912,50 1.947.750,00 GPS 180 3 45 8.100,00 11.925,00 2.146.500,00 Getreide 600 2,5 37,5 22.500,00 9.937,50 5.962.500,00 Hühnertrockenkot 110 1 15 1.650,00 3.975,00 437.250,00 150 30 30 4.500,00 7.950,00 1.192.500,00 Fermenter 16 Pressschnitzel 80.100,00 21.226.500,00 Die stündliche Biogasproduktion beträgt ca. 3330 m3 mit einem Anteil von 52% Methan im Biogas, d. h. stündlich werden ca.1750 m3 Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist. Die Anlage produziert den Jahresbedarf von ca.12.000 Haushalten. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 37 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 9/10 – H 2 Wie nachhaltig ist eine Biogasanlage? Lehrplanbezug Kompetenzschwerpunkt: Die Nutzung regenerativer Rohstoffe erkunden und untersuchen Fachwissen anwenden - Rohstoffe und ihre Verwendung ordnen Erkenntnisse gewinnen - Untersuchungen von Eigenschaften regenerativer Rohstoffe planen, durchführen und auswerten Kommunizieren - die Nutzung regenerativer Rohstoffe anschaulich darstellen - (ein Expertengespräch mit einem Betreiber einer Anlage zur Nutzung regenerativer Rohstoffe vorbereiten, durchführen und auswerten) Bewerten - die Erzeugung von Kraftstoff und Elektroenergie aus regenerativen Rohstoffen unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit bewerten Grundlegende Wissensbestände - regenerative pflanzliche Rohstoffe - Nachhaltigkeit (umweltgerecht, sozialverträglich, wirtschaftlich) (vgl. Kurslehrplan Angewandte Naturwissenschaften, S. 20) Anregungen und Hinweise zum unterrichtlichen Einsatz Der geplante Unterrichtseinsatz muss die beabsichtigte fachwissenschaftliche Tiefe und den vorhandenen Leistungsstand der Lerngruppe berücksichtigen (eine Abstimmung unter den Fachkollegen ist notwendig). Unterrichtsphasen Arbeitsphasen Unterrichtsmaterial Einstieg (1.-2. Std.) Plenum Stammgruppenarbeit Cartoon, Experiment, Materialien, Besuch einer Biogasanlage Erkenntnisgewinnung (3.-4. Std.) Expertengruppenarbeit Notierhilfen 1-3 Festigung (5.-6. Std.) Stammgruppenarbeit Begriffskärtchen Systematisierung (7.-8. Std.) Einzelarbeit Plenum Kartenmethoden Material zur Weiterarbeit Der Unterricht beginnt mit der Vorstellung des Themas. Hierzu können u. a. die Auswertung des Cartoons, das Experiment zur Herstellung von Biogas, Fotos, Videos oder die Besichtigung einer ortsnahen Biogasanlage als Ausgangspunkt dienen. Im Klassenverband werden die weiteren Schritte und die Unterrichtsmaterialien für das Arbeiten in Stamm- und Expertengruppen mit den Schülern besprochen. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 38 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Arbeiten in den Stamm- und Expertengruppen Die Stamm- und Expertengruppenarbeit orientieren sich an der Methode des Gruppenpuzzles und sind durch die entsprechenden Schüleraufträge konkretisiert. Die angeführte Diskussion kann auch im Klassenverband durchgeführt werden und zusätzlich die folgenden Aspekte enthalten: Energiepflanzen für Biogasanlagen - reduzieren die Anbaufläche für Nahrungsmittel bzw. Futtermittel, - schaffen Agrarwüsten und zerstören Artenvielfalt, - zerstören Wiesen und Weiden, - verursachen weltweit Preisexplosionen und Hunger, - brauchen noch mehr Dünger und Pflanzenschutzmittel und - unterstützen die Entwicklung der Gentechnik. Zusätzliche Materialien Begriffskärtchen Die Begriffskarten können sowohl zur Unterstützung der Stammgruppenarbeit als auch später zur Festigung von Begriffen und deren Inhalten genutzt werden. Der Aufbau und die Funktionsweise lassen sich durch die vorgegebenen Begriffe wie folgt beschreiben. 1. Das Futter der Biogasanlage: Die zur Erzeugung von Biogas eingesetzten Rohstoffe werden als Substrate bezeichnet. Diese sind ausschließlich nachwachsende Rohstoffe und kommen aus der Landwirtschaft (Maissilage, Zuckerrübenschnitzel), aus der Industrie (Massentierhaltung, Mist, Gülle) und den Haushalten (Bioabfälle) und werden im Silo für Biomasse gelagert. 2. Der Fermenter Der Prozess zur Bildung von Biogas erfolgt in vier aufeinanderfolgenden biochemischen Phasen. Bei den gängigen Biogasanlagen findet eine kontinuierliche „Befütterung“ der Anlage statt, so dass diese Phasen parallel ablaufen. Hydrolyse Die Mikroorganismen können die Makromoleküle wie Kohlenhydrate, Proteine nicht direkt verarbeiten. Die Aufspaltung (Hydrolyse) dieser Makromoleküle in lösliche Oligomere (Oligosaccharide, Peptide) und Monomere (Monosaccharide, Aminosäuren, Fettsäuren und Glycerin) erfolgt durch Zugabe von Enzymen (Amylasen, Proteasen und Lipasen). Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 39 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Acidogenese (Versäuerungsphase) Durch säurebildende Mikroorganismen werden die Oligomere und Monomere der Hydrolyse verstoffwechselt. So entstehen Carbonsäuren, wie Propan-, Butan-, Pentansäure, Alkohole wie Ethanol sowie Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Weiterhin entstehen Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid, die als Ausgangsprodukte für die Methanbildung (Biogas) dienen. Acetogenese (essigbildende Phase) Durch acetogene Mikroorganismen werden Carbonsäuren und Alkohole zu Essigsäure umgesetzt. Methanogenese (methanbildende Phase) In dieser, anaerob ablaufenden Phase wird die Essigsäure durch acetoklastische Methanbildner in Methan umgewandelt: CH3COOH CO2 + CH4 . Etwa 30 % des Methans wandeln sich aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid um: CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O 3. Produkte der Biogasanlage Durch die kontinuierliche „Fütterung“ erfolgt gleichzeitig eine ständige Entnahme von Biogas und Gärresten. Das Biogas besteht je nach Zusammensetzung der eingesetzten Substrate aus 50–75 % Methan, 25–45 % Kohlendioxid, <1 % Schwefelwasserstoff, <1 % Wasserstoff und <3 % Stickstoff. Die Gärreste werden weitestgehend als Düngemittel verwendet. Sie sind gegenüber den Pflanzen weniger aggressiv als Rohgülle bei gleichzeitig höherer Stickstoffverfügbarkeit und geringer Geruchsbelästigung. Biogas wird hauptsächlich zur Strom- und Wärmeerzeugung in Blockheizkraftwerken genutzt. Dazu muss das Gasgemisch getrocknet, entschwefelt und einem Biogasmotor zugeführt werden, der einen Generator antreibt. Die hierbei gebildete Wärme wird in einem Wärmeaustauscher zurückgewonnen. Eine weitere Möglichkeit der Nutzung von Biogas ist die Einspeisung ins Erdgasverbundnetz. Hierzu ist es erforderlich, das Biogas umfassend aufzuarbeiten. Durch Entschwefelung (Entfernung von H2S), Trocknung (Entfernung von Wasserdampf und NH3) und der Abtrennung von Kohlendioxid erfolgt eine Konditionierung bezüglich Trockenheit, Druck und Heizwert. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 40 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Infoblatt Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 41 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Das beigefügte Infoblatt (siehe Infoblatt, Online-Ergänzung) dient zur Verdeutlichung der Dimension der Biogasanlage in Könnern (siehe http://www.nordmethan.de/koennern.html). Zur Festigung und Rückkopplung zum Einstieg in die Thematik kann mithilfe des Infoblattes eine Diskussion über das Ziel des Energie- und Klimapakets der Bundesregierung, den Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung bis 2020 auf 30 Prozent und bei der Wärmeversorgung auf 14 Prozent zu erhöhen, geführt werden. Erwarteter Stand der Kompetenzentwicklung TA St 1 E St 2 Z TA St 1 TA E TA St 2 Z AFB KB erwartete Schülerleistung AFB KB I E, F, K Die Schüler erarbeiten eine Übersicht (Skizze, Modell) über das „Futter“, den Fermenter oder die Produkte einer Biogasanlage auch unter Verwendung der Begriffskarten als Orientierungshilfe. II/III E, F Die Schüler recherchieren im Internet über das „Futter“, den Fermenter oder die Produkte einer Biogasanlage. II/III K Die Schüler beschreiben den Aufbau einer Biogasanlage (unter Verwendung der Begriffskärtchen) in ihrer Stammgruppe und stellen diesen auch in der Klasse vor. II/III E, F Die Schüler führen eine Diskussion zur Nachhaltigkeit von Biogasanlagen sowohl in ihrer Stammgruppe als in der Klasse durch. II/III B Die Schüler diskutieren über das Ziel des Energie- und Klimapakets der Bundesregierung, den Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung bis 2020 auf 30 Prozent und bei der Wärmeversorgung auf 14 Prozent zu erhöhen. III E, B Die Schüler tauschen sich über die Entstehung von Biogas aus. Teilaufgaben Stammgruppenarbeit 1 Teilaufgaben Expertengruppenarbeit Teilaufgaben Stammgruppenarbeit 2 zusätzliche Aufgaben Anforderungsbereich Kompetenzbereich Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 42 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Mögliche Schülerlösung zur Darstellung einer Biogasanlage Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 43 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Unser Haus – ein Chemielabor? Stand: 1.7.2014 9/10 – A 3 Täglich haben wir mit einer Vielzahl von Chemikalien zu tun. Im Haus, in der Schule oder in der Freizeit finden sie ihren Einsatz. Immer neue Produkte sollen uns das Leben vereinfachen. Besonders gekennzeichnet, richtig gelagert und angewendet bestehen keine Gefahren bei ihrem Einsatz. 1 Recherchiert, welche Haushaltschemikalien in eurem Haushalt vorhanden sind. Bringt Ordnung in diese Stoffe, geht dabei auf die unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten ein. 2 In Deutschland sind heute (2013) ca. 54000 Haushaltschemikalien im Einsatz. Viele von ihnen enthalten gesundheitsschädigende Stoffe. Jeder sollte deshalb über den sicheren Einsatz von Haushaltschemikalien informiert sein. a) Stellt mithilfe des Tafelwerkes mindestens drei wichtige Gefahrensymbole zusammen, die ihr auf vielen Haushaltschemikalien findet. Erläutert die Bedeutung des jeweiligen Symbols. Tragt die mit den gefundenen Symbolen versehenen Haushaltschemikalien in eine Tabelle ein. b) Ergänzt die Tabelle mit den in eurem Haushalt verwendeten Chemikalien. c) Erstellt ein Merkblatt mit Regeln für den sicheren Umgang und die richtige Lagerung wichtiger Haushaltschemikalien. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 44 Niveaubestimmende Aufgaben 3 Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Untersucht die Wirkung folgender Haushaltschemikalien auf Baumwolle, Marmor, Haare, Wolle und Holz: - Abflussreiniger - Glasreiniger - Waschmittel - Allzweckreiniger a) Plant entsprechende Experimente. Lasst euren Plan von der Lehrkraft abnehmen. Führt die Experimente unter Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen durch. b) Tragt eure Ergebnisse in einer Tabelle zusammen. Diskutiert positive und negative Folgen für die Verwendung im Haushalt. 4 Unterbreitet Vorschläge zur umweltgerechten Entsorgung wichtiger Haushaltschemikalien. Informiert euch dazu bei den örtlichen Entsorgungsbetrieben und über das Internet. 5 Lest die im Material angegebene Gebrauchsanleitung und entscheidet, ob folgende Aussagen dieser Anleitung entsprechen: ja Die Einwirkzeit beträgt mindestens eine halbe Stunde. Der WC-Reiniger riecht unangenehm. Der WC-Reiniger sollte nicht direkt mit der Haut in Kontakt kommen. Der WC-Reiniger löst Kalk- und Schmutzablagerungen. Der WC-Tab muss immer in Verbindung mit einem chlorhaltigen Reinigungsmittel eingesetzt werden. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 45 nein Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Material Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 46 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Unser Haus – ein Chemielabor? Stand: 1.7.2014 9/10 – H 3 Lehrplanbezug Kompetenzschwerpunkt: Chemie im Haushalt erkunden Kompetenzen: - Haushaltschemikalien hinsichtlich der Eigenschaften und Verwendung ordnen - Wirkungsweise von Haushaltschemikalien beschreiben - Experimente zur Untersuchung von Haushaltschemikalien planen, durchführen und auswerten - Ergebnisse aus Untersuchungen in Tabellen darstellen und diskutieren - die Lagerung von Chemikalien im eigenen Haushalt kritisch prüfen und Schlussfolgerungen ziehen Bezug zu Wissensbeständen: - Gruppen und Eigenschaften von Haushaltschemikalien - umweltgerechte Entsorgung von Chemikalien (vgl. Kurslehrplan Angewandte Naturwissenschaften, S. 21) Anregungen und Hinweise zum unterrichtlichen Einsatz Diese Aufgabe dient insbesondere der Entwicklung von Kompetenzen in den Bereichen Fachwissen anwenden, Erkenntnisse gewinnen, Bewerten und Kommunizieren sowie der Sozialkompetenz. Sie ist für Partner- bzw. Gruppenarbeit geeignet. Die unterrichtende Lehrkraft sollte sich hinsichtlich des Vorgehens beim Experimentieren über den Stand der Kompetenzentwicklung der Schüler mit dem Hauswirtschafts- und Chemielehrer abstimmen. Sicherheitsbestimmungen müssen beachtet werden. Die Aufgabe weist einen hohen Lebenspraxisanteil auf. Als langfristigen Auftrag könnte man das Sammeln von Verpackungen von Haushaltschemikalien erteilen. Vorhandenes Fachwissen aus dem Chemieunterricht zum Kompetenzschwerpunkt „Säuren, Basen und Salze des Alltags untersuchen und vergleichen“ kann durch diese Aufgabe gefestigt werden. Die Schüler sollten in die Planung einbezogen werden. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 47 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Erwarteter Stand der Kompetenzentwicklung TA erwartete Schülerleistung AFB KB I/II E II/III W 1 Haushaltschemikalien in Gruppen (z. B. Waschmittel, Metallreiniger...) ordnen 2a mithilfe des Tafelwerkes Gefahrensymbole bestimmten Haushaltschemikalien zuordnen und sich über Gefahren informieren 2b vergleichen mit im eigenen Haushalt vorhandenen Haushaltschemikalien bzgl. der Gefahrensymbole und Tabelle korrekt ergänzen K 2c ein Merkblatt mit Regeln zur sachgerechten Lagerung und des sicheren Gebrauchs von Haushaltschemikalien erstellen B 3a,b TA Experimente unter Berücksichtigung des Arbeitsschutzes planen, durchführen, protokollieren und auswerten, II/III E 4 eine umweltgerechte Entsorgung und sichere Lagerung von Haushaltschemikalien erkunden II K 5 Informationen aus dem Sachtext erschließen II K Teilaufgabe, AFB Anforderungsbereich, KB Kompetenzbereich Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 48 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 9/10 – A 4 Untersuchungen von farbigem Licht Farbige Erscheinungen in der Natur begegnen uns in vielfältigen Situationen, z. B. die verschiedenen Färbungen des Meerwassers, die Färbung von Wolken am Abendhimmel oder ein Regenbogen. Ihr habt die Aufgabe zu untersuchen, wie einige dieser Farberscheinungen zustande kommen. 1 Erzeugung von farbigem Licht Die Sonne und andere Lichtquellen im Alltag senden weißes Licht aus. Seine Zusammensetzung soll genauer untersucht werden. Auftrag A Zerlege das weiße Licht einer Glühlampe in seine farbigen Bestandteile. Versuchsaufbau Du benötigst: 1 Lampe 1 gleichseitiges Prisma 1 Schirm oder weißes Blatt 1 Stromversorgung 2 Verbindungsleiter Durchführung - Ordne die Geräte entsprechend der Skizze an. - Stelle an der Lampe ein paralleles Lichtbündel ein. - Bringe das gleichseitige Prisma in den Strahlenverlauf. - Richte den Schirm passend aus. Auswertung Beschreibe das Spektrum. Erkläre die Entstehung eines Spektrums bei diesem Versuch. Ergänze dazu den Versuchsaufbau durch den vollständigen Strahlenverlauf und das entstandene Spektrum. Auftrag B Untersuche, wie man mithilfe folgender Materialien weißes Licht zerlegen kann: - CD - Lupe - Seifenblase/Seifenhaut - Wasserglas Beschreibe dein Vorgehen und deine Beobachtungen. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 49 Niveaubestimmende Aufgaben 2 Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Farbige Schatten Untersuche, welche Farbe ein Schatten hat, - der durch einfarbiges Licht auf einem weißen Schirm, - der durch farbiges Licht auf einem andersfarbigen Schirm erzeugt wird. Fotografiere die Erscheinungen und präsentiere deine Ergebnisse. 3 Farben mischen Auftrag A Untersuche mithilfe eines Farbkreisels, welche Farben sich zu welchen Farben mischen. Bauanleitung Schneide aus Pappe einen Kreis mit einem Radius von 3 cm. Bohre durch die Mitte ein kleines Loch und stecke einen kurzen Bleistift mit der Spitze nach unten durch. Befestige beide aneinander z. B. mit einem Gummi. Schneide aus weißem Papier sechs weitere Kreise und male sie mit den abgebildeten Farben aus. Schneide jeden Papierkreis von Rand bis zum Mittelpunkt auf. Jetzt kannst du zwei oder mehr farbige Scheiben auf den Kreisel schieben. Durch Drehen kannst du die Anteile der Farben ändern. Auftrag B Auch beim Drucker und beim Display des Computers, des Fernsehers oder Handys werden Millionen von Farben aus wenigen Grundfarben erzeugt. Suche eine technische Anwendung aus. Recherchiere, wie bei dieser die Farben erzeugt werden und erläutere das deinen Mitschülerinnen und Mitschülern in einem kurzen Vortrag. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 50 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 9/10 – H 4 Untersuchungen von farbigem Licht Lehrplanbezug Kompetenzschwerpunkt: Die Welt der Farben erschließen Kompetenzen: - die Entstehung von Farbeindrücken beschreiben - die Gewinnung von Farben erläutern - Bedingungen zur Erzeugung von Mischfarben untersuchen - Techniken zur Farbgewinnung anwenden - Farbveränderungen von Pflanzen und Tieren dokumentieren Bezug zu Wissensbeständen: - Körperfarben - additive und subtraktive Farbmischung - Bedeutung der Farben Bezüge zu Kompetenzschwerpunkten anderer Fächer Biologie: Wechselwirkungen zwischen Organismen und Umwelt erläutern (Sjg. 9/10) Physik: Optische Phänomene beschreiben und mit verschiedenen Modellen erklären (Sjg. 9/10) Kunsterziehung: Mensch und Natur (Sjg. 7/8) (vgl. Kurslehrplan Angewandte Naturwissenschaften, S. 22) Anregungen und Hinweise zum Einsatz Die Zerlegung von weißem Licht in seine Spektralfarben ist ein einfach zu realisierender Versuch zum Beginn dieser Unterrichtssequenz. Die Erweiterung des Experiments auf andere Gegenstände zur Farbzerlegung kommt den an praktischen Tätigkeiten interessierten Schülerinnen und Schülern zugute. Hier könnte ein kleiner Wettbewerb zur Erzeugung eines besonders kräftigen Spektrums gestartet werden. Der Einsatz von Fototechnik im Unterricht erfordert eine gesonderte Belehrung, auch wenn Schülerinnen und Schüler nur von hinten fotografiert werden sollen. Die Schule sollte die Möglichkeit bieten, aufgenommene Fotos auch farbig auszudrucken – noch kompakter wäre die Gestaltung des Plakates im A3 Format komplett am PC mit anschließendem Ausdruck. Bei der Anfertigung von Farbkreiselscheiben kommt es auch auf Sauberkeit an – auch hier bietet sich als Alternative zum Basteln der Einsatz eines Kalkulationsprogramms (z. B. Farbkreisel) an, mit dem entsprechende Kreisdiagramme farbig und in passender Größe schnell erstellt und variiert werden können. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 51 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Erwarteter Stand der Kompetenzentwicklung TA 1A 1B 2 erwartete Schülerleistung AFB KB ein Spektrum auf dem Schirm laut Schrittfolge erzeugen I E die Entstehung über die unterschiedliche Brechung der farbigen Anteile des Lichtes erklären II K Experimente mit den genannten (und weiteren) Gegenständen zur Erzeugung eines Spektrums planen und durchführen II E beschreiben, wie sie z. B. die Lichtquelle halten müssen und worauf es bei der Zerlegung von Licht in Seifenblasen ankommt II K Schatten erzeugen und fotografieren II E II K Farbkreisel bauen und die Mischfarben erfassen II E, K zu einer technischen Anwendung recherchieren und ihre Erkenntnisse in einem Vortrag darstellen III F, K ihre Arbeitsergebnisse präsentieren, z. B.: 3 einfarbige Lichtquelle, weißer Schirm schwarzer Kernschatten, beleuchteter Bereich hat Farbe der Lichtquelle einfarbige Lichtquelle, Schirm mit gleicher Farbe Kernschatten ist schwarz, beleuchteter Bereich hat die Farbe des Schirms einfarbige Lichtquelle, andersfarbiger Schirm Kernschatten ist schwarz, beleuchteter Bereich ist Mischfarbe Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 52 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 9/10 – A 5 Muster im Sand Beim Wandern oder beim Baden habt ihr bestimmt schon einmal Muster im Sand sogenannte Sandrippel - bemerkt. Sandrippel durch Wellen erzeugt Sandrippel durch Wind erzeugt Wie entstehen eigentlich diese Sandrippel? Wovon hängt es ab, ob sie klein oder groß, eng oder weit sind? Diese Fragen sollt ihr durch die Bearbeitung folgender Aufträge beantworten. a) Beschreibt das im Bild abgebildete Muster. Geht dabei auch auf auftretende Symmetrien und Wiederholungen ein. b) Untersucht Sandrippel im Experiment. c) - Erzeugt durch strömendes Wasser oder durch Wind Sandrippel. Hinweise findet ihr im Material 1. - Verändert bei euren Experimenten zielgerichtet mindestens zwei Bedingungen (z. B. Größe der Sandkörner, Windgeschwindigkeit, Wassertiefe) und untersucht die dadurch hervorgerufenen Veränderungen. - Zeichnet und beschriftet diese verschiedenen Sandrippel. Lest den Text im Material 2 und beantwortet folgende Fragen: - Gebt die Größe von Sandkörnern an, damit sich Rippel bilden können. - Begründet, dass die Rippel bei einer Fläche alle ungefähr den gleichen Abstand haben. Gib an, wovon dieser abhängt. d) Erkundet die Umgebung eurer Schule oder eures Wohnortes nach Sandrippeln. Fotografiert diese und haltet jedes Mal wichtige Informationen fest. e) Stellt eure Forschungsergebnisse in einem Artikel für eure Schülerzeitung vor. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 53 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Material 1 Experimente zur Erzeugung von Sandrippeln Experiment 1 Geräte langes, großes Reagenzglas mit Stopfen, feiner Sand, Wasser Durchführung Das Reagenzglas wird zu einem Viertel mit Sand gefüllt. Anschließend wird es vollständig mit Wasser aufgefüllt und mit dem Stopfen verschlossen. Jetzt wird das Reagenzglas waagerecht gehalten und periodisch vertikal hin und her bewegt. Experiment 2 Geräte durchsichtige Wanne, feiner Sand, Wasser Durchführung Auf den Boden der Wanne wird eine ca. drei Zentimeter dicke Sandschicht aufgebracht. Anschließend wird die Wanne vorsichtig mit Wasser soweit aufgefüllt, dass die Oberfläche ca. fünf Zentimeter über dem Sand steht. Jetzt wird die Wanne an einer Seite periodisch hochgehoben und wieder abgesenkt. Eine Möglichkeit dazu ist in der Abbildung dargestellt. Experiment 3 Geräte abgebildete Vorrichtung aus Pappe oder Holz, feiner Sand, Gebläse (z. B. Fön) 40 cm 100 cm Durchführung Auf den Boden der Vorrichtung wird eine ca. zwei Zentimeter dicke Sandschicht aufgebracht. Anschließend wird von der linken Öffnung über die Sandschicht mit dem Fön ein Luftstrom erzeugt. Von oben kann auch zusätzlich noch Sand eingerieselt werden. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 54 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Material 2 Warum entstehen Sandrippel? Auf Sandkörner wirken nur die Gewichtskraft und die Kraft des Windes. Wie sie sich aber verhalten, hängt von ihrer Größe ab: - Sehr kleine Sandkörner (< 80 m) lösen sich leicht vom Boden und können sehr lange in der Luft schweben. - Große Sandkörner (> 300 m) können von Wind kaum aufgewirbelt werden, sie „rollen“ nur direkt über den Boden. - Mittelgroße Sandkörner werden von Wind vom Boden losgerissen und vollführen in Windrichtung kurze Sprünge. Diese mittelgroßen Sandkörner sind es, die die Rippel bilden. Ihr Verhalten wird jetzt genauer betrachtet. Windrichtung Flugbahn springender Sandkörner Abstand der Rippel Einzelne Sandkörner werden losgerissen, springen ein Stückchen und landen wieder. Beim Auftreffen schleudern sie mitunter weitere Sandkörner hoch, die nun - wenn sie die richtige Größe haben - ihrerseits springen. Beim Landen rollen viele Sandkörner aber einfach nur aus und bleiben liegen. Es bildet sich eine kleine Erhöhung, bei der im Laufe der Zeit weitere Sandkörner landen. Geschieht diese Landung auf der Luvseite (dem Wind zugewandt), dann rollen die Sandkörner den Berg hoch; können erneut hoch geschleudert werden und wieder springen. Die Wahrscheinlichkeit, auf der Leeseite (dem Wind abgewandt) zu landen, wird immer geringer, da die Sandkörner weiter springen müssen. Es bildet sich die unsymmetrische Form des Rippels heraus. Nach kurzer Zeit stellt sich auf der ganzen Sandfläche eine annähernd konstante Sprungweite und damit ein konstanter Rippelabstand ein. Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 55 Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 9/10 – H 5 Muster im Sand Hinweise zur Einordnung in den Lehrplan und zum Erwartungshorizont Aspekte der Teilaufgaben Beschreibung einer ausreichenden Schülerleistung Lehrplanbezug a Beschreibung - Eigenschaften von Mustern in der Natur beschreiben - die Lage und Form der abgebildeten Sandrippel beschreiben, gehen dabei aber nicht auf die Unsymmetrie einzelner Rippel und Musterstörungen ein b Experimente - Experimente zur Untersuchung von Bedingungen für das Entstehen von Strukturen planen, durchführen und auswerten - mindestens eines der angegebenen Experimente mit geringen Hilfen durchführen nur mit Hinweisen einzelner Parameter zielgerichtet variieren die Fotos unter geringer Anleitung in ihre Auswertung einbinden - - c Texterschließung - Ursachen der Herausbildung von Strukturen recherchieren - - d Erkundung - e Artikel - Muster in der Natur entdecken und ordnen Verlauf und Ergebnis ihrer Arbeit dokumentieren (LP S. 7) - Ergebnisse der eigenen Arbeit adressatenbezogen präsentieren (LP S. 7) - - aus dem Text direkt gegebene Informationen erschließen die im Text gegebene Begründung vereinfacht in eigene Worte fassen Bedingungen für den Abstand der Rippel nennen, aber nicht erläutern das Vorkommen von Rippeln relativ zielgerichtet erkunden die Ausprägung der Rippel nach Vorgaben beschreiben nach vorgegebenen Kriterien für diese Textsorte einen Artikel relativ fehlerfrei und mit einer nachvollziehbaren Gliederung verfassen Hinweise zur Variation dieser Aufgabe Beim Einsatz dieser Aufgabe könnten folgende Veränderungen vorgenommen werden: - Die Erkundung der Rippel könnte als zufällige „Entdeckung“ am Anfang stehen, wenn z. B. eine Erkundung an einen Flusslauf oder See aus anderen Gründen vorgenommen wird. - Die Betrachtung von Sandrippeln könnte entsprechender Filme) ausgedehnt werden. auf Wanderdünen (unter Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 56 Einsatz Niveaubestimmende Aufgaben Angewandte Naturwissenschaften ERPROBUNG Stand: 1.7.2014 Bildquellenverzeichnis S. 9 Heißluftballon http://pdphoto.org/PictureDetail.php?mat=pdef&pg=8160 Gleitfallschirm http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Gleitschirm_1988.jpg Löwenzahn Uwe Friese http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Pusteblume.JPG Segelflugzeug Paul Hailday http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:DG1000_glider_crop.jpg Prallluftschiff http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Zeppelin_NT_im_Flug.jp g Johannes Rohrer Ahornsamen Kobako http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Maple-seed.jpg Möwe me. Banse http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Blacktailed_gull.jpg Hubschrauber http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Alouette_Motte_Piquet.jpg Flugzeug http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/43/LAN _A343_CC-CQA.JPG/800px-LAN_A343_CC-CQA.JPG S. 10 Zeppelin http://commons.wikimedia.org/wiki/File:LZ126_arriving_at_Lake hurst,_NJ.jpg S. 13 Zucker, Obst Uta Koeck, Falkenstein S. 14 Glas mit Zucker Uta Koeck, Falkenstein S. 17 Getränkeflasche Hans-Peter Pommeranz, Halle S. 18 Wasseruhren http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/ClepsydraDiagram-Fancy.png S. 20 Steine Hans-Peter Pommeranz, Halle S. 23 Stein in Flamme Ines Schmidt, Braunsbedra S. 26 Tierkreis Quelle: http://montalk.net/gnosis_images/zodiac.jpg S. 29 Cartoon Roman Ritscher, Seefeld Karte http://www.sachsen-anhalt.de/typo3temp/pics/70cd52ca5b.jpg Biogasanlage Martina Nolte http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9c/201 2-05-13_Nordsee-Luftbilder_DSCF8495.jpg/800px-2012-0513_Nordsee-Luftbilder_DSCF8495.jpg S. 40 Biogasanlage (Schema) Matthias Pötter, Halle S. 41 Chemikalien Uta Koeck, Falkenstein S. 46 Abendhimmel http://картинки.cc/img/1/7/4/174774.jpg S. 47 Schatten http://www.frankfurtlese.de/files_frankfurt_lese/bunte_schatten_experimintap1030857_crop.jpg-37093a41.jpg S. 50 Sandrippel Hans-Peter Pommeranz, Halle Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-SA 3.0) 57
