Block 2 – Wochen 2-3: Hydraulische Systeme

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NTSY1 2015-2016, Herbstsemester
Block 2 – Wochen 2-3: Hydraulische Systeme
In diesem Block wird ein erstes Thema aus der natürlichen und technischen Umwelt bearbeitet. Die hier entworfenen Konzepte und Ideen für Zusammenhänge
und Erklärungen werden später auf andere Phänomene übertragen. Da man im
Gegensatz zu vielen anderen Vorgängen sieht und spürt, womit man es zu tun
hat, eignen sich hydraulische Systeme ganz besonders für eine Einführung in die
Modellierung dynamischer Systeme.
Das Thema wird teilweise anhand eines Leitthemas für Wochen 2-9 (Blöcke 2-5)
erarbeitet: der Blutkreislauf von Säugetieren.
Interessanterweise dienen Wahrnehmung und Erfahrung mit Fluiden den Menschen als grundlegende Domäne (source domain) für das metaphorische Verständnis anderer Phänomene. Mit anderen Worten, wir reden über andere Phänomenbereiche, als ob sie aus der Welt der Fluide stammten.
Im Folgenden wird die Planung für diesen Block in Tabellenform vorgestellt. Aufgaben für Ihre Arbeit während den zugeteilten zwei Wochen werden dort zeitlich
gestaffelt definiert.
A. Lesen
[NTS]
Fuchs H. U., Dumont E. (2013-2015): Natur, Technik, Systeme.
Kapitel 3 (Kapitel 2)
[DoH]
Fuchs H. U. (2010): The Dynamics of Heat. Springer, New York.
Chapter 1
[Phys]
Fuchs H. U., T. Borer, P. Frommenwiler, H. Knoll, G. Kopacsy,
W. Maurer, E. Schütz, K. Studer (2010): Physik. Ein
systemdynamischer Zugang für die Sekundarstufe II. 3. Auflage,
h.e.p. Verlag, Bern. Kapitel 1
Datum
Lesen (auf den Termin hin)
Bemerkungen / zusätzliches Material
Woche 2/1
[NTS] Kapitel 3.1
Ergänzung: [DoH] pp.17-20, 22-23
[Phys] Kapitel 1.1
Woche 2/2
[NTS] Kapitel 2.1.2,
Kapitel 3.2.1
Ergänzung: [DoH] pp.20-21
[Phys] Kapitel 1.4, 1.5
Woche 3/1
[NTS] Kapitel 3.2.2, 3.2.3
Ergänzung: [DoH] pp.26-31
[Phys] Kapitel 1.2, 1.3, 1.7, 1.8
Woche 3/2
[NTS] Kapitel 3.2.5
Ergänzung: [NTS] Kapitel 3.2.4
[DoH] pp.32-38
[Phys] Kapitel 1.10
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Das [NTS] Kapitel gilt als hauptsächliches Lesematerial. [DoH] und [Phys] sind
Ergänzungen. Die [NTS] Texte enthalten allerdings im Moment noch keine Zusammenfassungen der Konzepte und Beziehungen in formaler Form. Konzepte und Ideen
für Zusammenhänge erscheinen als Teile der dynamischen Modelle, die in Abschnitt
3.2 aufgebaut werden.
Da [DoH] und [Phys] nicht voll auf [NTS] abgestimmt sind, passen die Aufgabenstellungen zum Lesen nicht immer direkt aufeinander. Vielmehr stellen sie leicht
verschiedene Sichtweisen des selben Themas dar.
Damit Sie auf die Arbeit im Studio auf den jeweiligen Termin hin vorbereitet sind,
ist es wichtig, dass Sie die [NTS] Texte vorher schon gelesen haben (Stufen 1 bis 3,
siehe Anleitung unten). Spätere Nachbearbeitung des Themas ist immer notwendig.
Vorgehen beim Lesen. Verschiedene Leute lesen und verarbeiten Gelesenes auf
verschiedene Weise. Hier ist ein Vorschlag zum Umgang mit Texten:
1. Kurzes Überfliegen, Lesen der Einleitung und der (Unter-)Titel: Zweck:
Übersicht gewinnen. Was kommt überhaupt vor?
2. Ausführlicheres Lesen, aber noch ohne Anspruch auf grundlegendes und solides Verstehen. Zweck: Was für Konzepte (Begriffe) und Ideen (Zusammenhänge von Konzepten) treten auf? Was für Beispiele werden behandelt?
Die Erarbeitung des Verständnisses des Themas geschieht nicht durch Lesen allein sondern daruch, dass Sie im Thema aktiv werden, das heisst, kleinere und
grössere Probleme mit den im Gebiet verwendeten Werkzeugen bearbeiten (hier:
Experimentieren, Messen, Daten verarbeiten, Modelle erstellen, Modelle simulieren, Simulationsergebisse mit Daten vergleichen, etc. Diese Form des Vorgehens
ist ein Beispiel von → Inquiry Based Learning).
3. Lesen von Teilen mit dem Anspruch, diese Teile verstehen zu wollen. Bearbeitung von (Lern-)Fragen aus dem Text. Durcharbeiten von Beispielen
(nachzeichnen von Diagrammen, Aufbau von Modellen auf Papier oder im
Computer, etc.).
4. Lesen beim praktischen Arbeiten. Zweck: Unterstützung für das → Inquiry
Based Learning finden.
5. Weiteres Lesen von Teilen mit dem Anspruch, diese Teile verstehen zu wollen.
Bearbeitung von (Lern-)Fragen aus dem Text. Durcharbeiten von Beispielen
(nachzeichnen von Diagrammen, Aufbau von Modellen auf Papier oder im
Computer, etc.).
6. Nachlesen mit Aufbau einer eigenen Zusammenfassung. Ziel: Besseres Verständnis im grösseren Zusammenhang und in Bezug auf das aktiv erarbeitete
Wissen und Können. Wissen, wo welche Information in welcher Form vorhanden ist.
→ Inquiry Based Learning starts by posing questions, problems or scenarios—rather than simply presenting established facts or portraying a smooth path
to knowledge. (Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Inquiry-based_learning)
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B. Fragen und Aufgaben im Text
Die Aufgaben, die in den [NTS] Text eingebaut sind, haben einen wichtigen Zweck:
sie sollen Ihnen helfen, das Gelesene zu vertiefen und zu verarbeiten. Texte versteht
man, wenn man selber Fragen dazu stellen und beantworten kann. In einem noch
unbekannten Gebiet Fragen zu stellen ist schwierig, das muss man erst lernen –
deshalb werden Fragen im Text formuliert, die Ihr Lesen leiten sollen.
Zusätzlich sollen die Fragen Sie dazu anleiten, im Unterricht selber wichtige Fragen
zu stellen. Unabhängig davon, ob ein Thema von Dozierenden vorgetragen wird,
oder ob Sie alleine für die Erarbeitung des Themas zuständig sind – Sie sollten auf
jeden Fall lernen, gute Fragen zu stellen.
Datum
Bearbeiten (auf den Termin hin,
zusammen mit Lesen)
Ergänzungen / Bemerkungen
Woche 2/1
[NTS 3] 1, 2, 3, 5, 6, 8, 10, 12,
13, 16, 18
4, 7, 9, 11, 14, 15, 17
Woche 2/2
[NTS 2] 18, 23, 24, 25, 26
[NTS 3] 21, 23, 26, 27
[NTS 2] 19, 20, 21, 27, 28 [NTS
3] 19, 24, 25, 29
Woche 3/1
[NTS 3] 30, 33, 34, 39, 41
[NTS 3] 31, 37, 42
Woche 3/2
[NTS 3] 46, 47, 50, 53
[NTS 3] 48, 52
C. Experimente
Wir verwenden zwei verschiedene Formen von Experimenten, um konkrete Erfahrungen zu sammeln und Daten für den Vergleich mit Ergebnissen der Modellierung
von Systemen zur Verfügung zu haben:
1. Selber durchgeführte Experimente.
2. Verwendung von Beschreibungen von Experimenten mit zugehörigen Daten
(“eingemachte” Experimente). Dazu gehört auch, Daten von Kollegen und
Kolleginnen zu übernehmen, die selber Experimente durchgeführt haben. Wir
stellen Ihnen zu bestimmten Phänomenen solche “eingemachten” Experimente
zur Verfügung (hauptsächlich auf PSS_VLE:
https://home.zhaw.ch/~fusa/PSS_VLE_C/index.html).
Wenn Sie Ergebnisse “eingemachter” Experimente übernehmen, behandeln Sie die
Daten, als ob Sie sie selber erhoben hätten, d.h., Sie stellen die Datenreihen in
Diagrammen dar, rechnen Daten um, etc.
Datum
Im Unterricht
Bemerkungen / Ergänzungen
Woche 2/1
NTS_Experiment_02_01
Kommunizierende Gefässe
(Füllhöhe und Druck
messen)
Anleitung:
NTS_Experiment_02_01.pdf
Beispiel von Daten:
Two_Comm_Tanks_01.xls
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Datum
Im Unterricht
Woche 2/2
Woche 3/1
Bemerkungen / Ergänzungen
Ergänzende Beispiele:
Auslaufen eines Gefässes durch
horizontales Rohr
Auslaufen eines Gefässes mit
gleichzeitigem konstantem Zufluss
NTS_Experiment_02_02
Pumpe zwischen zwei
kommunizierenden Gefässen
Woche 3/2
Ergänzendes Beispiel:
Kommunizierende Gefässe mit
zusätzlichem Ausfluss.
Ergänzendes Beispiel: Kette von
Gefässen. . . (RC Kette und
Diffusion)
D. Modelle
Datum
Im Unterricht
Bemerkungen
Woche 2/1
Kommunizierende Gefässe
(erste Schritte)
Woche 2/2
Kommunizierende Gefässe
Zwei kommunizierende
Gefässe mit Auslauf
Woche 3/1
Gefäss mit Pumpe füllen
(erste Schritte)
Ergänzende Beispiele:
Kette von kommunizierenden
Gefässen
Woche 3/2
Gefäss mit Pumpe füllen
Gefäss mit Zufluss und Abfluss (statinoärer Zustand)
Ergänzende Beispiele:
Hydraulishes Windkesselmodell
E. Leitthema
Das Leitthema soll eine Klamme um die Themen und Arbeiten während der ersten Wochen dieses Semesters bild. Sie sollen dadurch in die Lage versetzt werden,
Einzelheiten eines wissenschaftlichen Gebietes in ein grösseres Ganzes einzubetten.
Ein grosses Thema dient der Motivation – es ist realitätsnah und komplex – und
demonstriert die Art der Probelemstellung, die Sie auch in der Semesterarbeit lösen
sollen.
Datum
Im Unterricht
Woche 2
Lesen [NTS] 3.1.7
Woche 3
Lesen [NTS] 3.2.4
Bemerkungen
Modell: Hydraulishes
Windkesselmodell
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F. Aufgaben und Untersuchungen
Datum
Im Unterricht
Woche 2/1
Woche 2/2
...
PSS_VLE >
Chapter 1 > Activities >
Problems > Problem 1
Woche 3/1
Woche 3/2
Bemerkungen / Ergänzungen
PSS_VLE >
Chapter 1 > Activities >
Problems > Problem 3, 5
PSS_VLE >
Chapter 1 > Activities >
Problems > Problem 7
PSS_VLE >
Chapter 1 > Activities >
Problems > Problem 9
PSS_VLE >
Chapter 1 > Activities >
Problems > Problem 8
G. Projekschiene: Semesterarbeit
Internet-Recherche anfangen: Solartechnik, Photovoltaik, Sonnenstrahlung
Kurze Beschreibung der Semesterarbeit
Experimentelle und modellierungsbasierte Untersuchung eines
Photovoltaik-Systems
Sie sollen ein physisches Photovoltaik-Modell, das mit einer Lampe betrieben wird,
bauen und experimentell untersuchen. Das System soll Speicher und Verbraucher
enthalten. Das Modell wird als dynamisches Computer-Modell dargestellt, mit dem
Simulationen durchgeführt werden, die das Verhalten realer Systeme nachbilden
können.
Die Arbeit wird in einem formalen wissenschaftlichen Bericht dokumentiert, der sich
an technisch gebildete Personen – wie Sie selber – richtet. Der Bericht soll eine längere Beschreibung der Möglichkeiten der Photovoltaik enthalten. Die Beschreibung
soll für ein breiteres Publikum zugänglich sein.

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