Unterrichtseinheit Holzmaschine

Vorbemerkung

Der Titel Holzmaschine suggeriert möglicherweise, dass es in dieser Einheit um Holzbearbeitungsmaschinen ginge. Dies ist nicht der Fall: Im Zentrum dieser Einheit steht ein großes zweigeteiltes Projekt, dessen Ziel die Herstellung einer elektrisch betriebenen hölzernen Maschine ist.

Autor und Randbedingungen

Rainer Kügele, Rotteck-Gymnasium in Freiburg, holzmaschine@kuegele.net

Die Einheit wurde von  entworfen und am Rotteck-Gymnasium in Freiburg in G9 Klasse 9 jeweils in voller Klassenstärke (28-33 SchülerInnen) getestet. Die SchülerInnen der Lerngruppe NwT stammten dabei stets aus zwei Parallelklassen und trafen sich in dieser Konstellation nur im Fach NwT.
NwT wird am Rotteck-Gymnasium stets mit zwei Doppelstunden pro Woche unterrichtet. Von der Teilungsstunde wurde kein Gebrauch im Sinne der Teilung gemacht – hingegen wurden einzelne Schülergruppen allerdings über die vier Wochenstunden hinaus intensiver betreut oder bei eigenständiger Arbeit beaufsichtigt.

Lernziele

Die Einheit Holzmaschine wurde als Einstiegseinheit für ein vergleichsweise technisches NwT-Curriculum konzipiert. In etwa einem Schulhalbjahr sollen die SchülerInnen und Schüler

• mechanische Anfangserfahrung sammlen
• die Zieldimension von Ingenieursarbeit kennen lernen
• die Bedeutung von Selbst- und Projektmanagement erfahren
• lernen, wie Arbeit zu dokumentieren ist
• kennenlernen, wie die Arbeit im Fach NwT abläuft

Unsere großstädtisch geprägten SchülerInnen bringen in der Regel keine Vorerfahrungen in mechanischer Konstruktion mit. In vielen Fällen besitzen die Familien keine Gärten und keinen Werkkeller, so dass die SchülerInnen niemals ein Baumhaus oder eine Bank gebaut haben, sie haben in vielen Fällen nie an ihrem Fahrrad herummontiert und bringen kaum Gefühl für die Stabilität von Werkstoffen und Verbindungen mit.

Das primäre Lernziel dieser Einheit ist es, SchülerInnen am Beispiel von Holzwerkstoffen sowie genagelten, geschraubten, verschraubten und gedübelten Verbindungen diese mechanischen Anfangserfahrungen machen zu lassen.
Der elektrische Antrieb, mit dem sich die SchülerInnen beim Bau ihrer Maschinen ebenfalls auseinandersetzen müssen, bringt ihnen zusätzlich Erfahrung mit altersgemäß einfachen elektrischen Schaltungen und bereichert die mechanischen Erfahrungen um Hebelwirkung und Reibung.
Methodisch stellt die Einheit ein für die SchülerInnen recht großes Projekt ins Zentrum. So groß, dass die in der Bewältigung eines Projekts unerfahrenen SchülerInnen an etlichen Stellen nicht nur auf technische sondern auch auf organisatorische Schwierigkeiten stoßen werden. Dies ist erwünscht, da der begleitende Lehrer den SchülerInnen so organisationale Hinweise zur Projektarbeit immer dann aufzeigen kann, wenn echter Bedarf besteht.

Bildungsplanbezug

Der Schwerpunkt der Bildungsplanbezüge dieser Einheit ist im Betrachtungsbereich Technik zu finden, in dem konkret gefordert ist, dass Die Schülerinnen und Schüler ... mechanische Konstruktions- und Funktionsprinzipien anwenden. können. Dabei lernen Sie (Systemgedanke) das Zusammenwirken von Teilsystemen praktisch kennen und beginnen sich mit Steuerungen und Regelung auseinanderzusetzen.
Je nach konkret gewähltem Projektschwerpunkt lernen die SchülerInnen verschiedene Arbeits- und Messmethoden aus der Liste des Bildungsplanes praktisch kennen, andere bekommen sie durch die Arbeiten ihrer KameradInnen mit. Insbesondere lernen sie Messungen zu planen, durchzuführen und die Ergebnisse grafisch darzustellen, Diagramme zu erstellen, auszuwerten und zu interpretieren sowie in Größenordnungen zu denken und sinnvolle Abschätzungen durchzuführen.

Ablauf

Der gesamte Zeitraum zur Durchführung der Unterrichtseinheit liegt bei etwa einem halben Schuljahr, kann durch Verlängerung oder Verkürzung der Projektphasen aber etwas angepasst werden. Für ein Drittel eines Jahres ist die Einheit allerdings – so zeigte es sich - zu lang.
Die folgende Abbildung zeigt grob den Verlauf der Einheit, in deren Zentrum eine zweigeteilte Projektarbeit (hellblau) zur Erstellung und Optimierung der "Holzmaschine" steht. Diese Projektarbeit in Vierergruppen besteht zunächst aus der Konstruktion der Maschine gemäß einem mit dem Lehrer vereinbarten Leistungskatalog (Lastenheft). In einem zweiten Teil sollen diese Maschinen dann hinsichtlich eines vom Lehrer gegebenen Parameters optimiert werden. 

Die Einheit ist letztendlich sehr einfach aufgebaut:

In einer Methodenbereitstellungsphase werden den SchülerInnen die Fähigkeiten und Fertigkeiten mit auf den Weg gegeben, die sie benötigen, um die zweigeteilte Projektphase inhaltlich bewältigen zu können. Der hier als "Findephase" bezeichnete Unterrichtszeitraum muss den SchülerInnen ermöglichen, einerseits geeignete Gruppen zu bilden und andererseits eine Projektidee zu finden, hinter der möglichst die gesamte Gruppe mit einer gewissen Begeisterung steht. Gerade dazu sind ein Museumsbesuch und zwei Doppelstunden, in denen die SchülerInnen alte Geräte ausschlachten, recht gut geeignet.
Die Referate sind tatsächlich - auch in der Empfindung der SchülerInnen - etwas zusätzlicher Ballast. Sie zeigen einerseits, dass NwT immer bedeutet, über den eigenen Tellerrand in andere Disziplinen zu schauen und geben andererseits die Möglichkeit, pädagogisch in den Arbeitsprozess der Gruppen einzugreifen.

Zeit	Thema	Inhalt	Methoden und Materialien
2h	Einstieg	Einstieg mit einer   Präsentation  , die einen Überblick über die Einheit gibt. Kurze Führung durch den NwT-Raum mit Vorstellung der einzelnen Werkzeuge und deren Namen. Anschließend ein erster   Planungsauftrag   für einen Teil einer Werkzeugkiste in Zweiergruppen.	Zusammensetzung der Zweiergruppen: z.B. je eine Person aus jeder Parallelklasse. Bereits in dieser Stunde kann die Aufforderung ergehen, zuhause nach defekten und nicht mehr benötigten elektromechanischen Kleingeräten zu fragen.
2h	Praxis elektrischer Schaltungen	Frontale Vorstellung der Klassifikation von Schaltelelementen. SchülerInnen bearbeiten anschließend fünf freie Aufgaben dazu ( Präsentation ). Einführung der SchülerInnen in Sicherheitsvorschriften der Holzbearbeitungsmaschinen.	Frontale Phasen zur Etablierung von Unterrichtsregeln nutzen.
10h	Lernzirkel und Bau der Werkzeugkiste	Die folgenden Doppelstunden sind einem  Lernzirkel (10 MB)  mit insgesamt sieben verschiedenen Stationen gewidmet, den die SchülerInnen in Zweiergruppen durchlaufen. Zeitgleich arbeiten die SchülerInnen an der Herstellung ihrer Werkzeugkistenteile. Jede der Doppelstunden beginnt mit einer etwa 20-minütigen  Mechanikübung.	Der Lernzirkel ist bewusst reduziert auf die Inhalte, die für die SchülerInnen später in der Projektphase nützlich sind.
1d	Exkursion	Das   Tinguely-Museum in Basel bietet raumgroße, sinnfreie Maschinen, die den SchülerInnen interessante mechanische Einblicke geben.	Bei rechtzeitiger Anmeldung der Gruppe ist der Eintritt frei. Kooperation mit dem Fach Kunst bietet sich an.
4h	Ausschlachten	Ziel dieser Doppelstunden ist, dass sich Vierergruppen für die Hauptprojektphase finden und gemeinsam mit dem Lehrer ein  Projektziel (Holzmaschine) mit möglichst konkreten Leistungsdaten (Lastenheft) vereinbaren. Wenn eine Gruppe keine Ideen entwickelt, können einfache Kreativitätstechniken eingeführt werden. Nebenbei werden von den SchülerInnen mitgebrachte Kleingeräte zerlegt. Neben unzähligen Entdeckungen werden Zahnräder und Kleinmotoren für eine mögliche zukünftige Verwendung gesammelt.	In jeder Gruppe sollten möglichst beide Geschlechter sowie möglichst viele Kompetenzen vorhanden sein. Die Gruppen sollten sich also möglichst so zusammen finden, dass Informationen über alle Lernzirkelstationen vorhanden sind. SchülerInnen dürfen defekte oder geöffnete Geräte nicht in Betrieb nehmen. Gleichwohl ist es faszinieren, wenn der Lehrer die ein oder andere Teilfunktion eines geöffneten Geräts (z.B. Videorekorder) demonstriert. Mit einzelnen Vierergruppen können bereits Themen für Referate abgesprochen werden. Termine bleiben noch offen.
2h	Projektauftakt	Jede Gruppe stellt kurz ihr Lastenheft für alle anderen Gruppen vor und erhält einen Zettel zur Bestellung von Holz sowie gegen   Unterschrift  eine befüllte Werkzeugkiste.	Die Ausgabe sehr einfachen und kostengünstigen Werkzeugs gegen Unterschrift in den selbst gebauten und gut in einem abschließbaren Schrank stapelbaren Werkzeugboxen hat sich sehr bewährt. Diebstahl und beschädigender Umgang sind so deutlich zurückgegangen. Am Ende der Einheit müssen die Werkzeuge zurückgegeben oder eben bezahlt werden.
22h	Projektphase	Die SchülerInnen arbeiten zu viert an ihren Projekten. Der Lehrer versucht, in jeder Doppelstunde bei jeder Vierergruppe einmal Platz genommen zu haben (10-Augen-Gespräch). Er notiert sich die Situation sowie Bedarf an Material. Bei Problemen in der Selbstorganisation der Gruppe greift er beratend oder verpflichtend ein (Zeitplan, Meilensteine, Strukturplan). In vorsichtiger Zurückhaltung ist er auch technischer Berater.	Der Lehrer ist in dieser Phase zwischen den Unterrichtsstunden stark damit gefordert, alles Material rechtzeitig zu besorgen.
	Zwischenpräsentation	Nach etwa 2 Wochen stellen alle Gruppen ihr Zwischenergebnis vor.	Jede Gruppe stellt alles, was sie bereits hat, auf einem Tisch auf und zeigt es den MitschülerInnen und dem Lehrer. Das Ziel dieser angekündigten Maßnahme ist es, die SchülerInnen dazu zu bringen, recht schnell sichtbare Ergebnisse zu erzeugen. Ansonsten verlaufen sich manche Gruppen in endlosen und zugleich (aufgrund mangelnder Erfahrung) nutzlosen Planungen.
2h	Präsentation	Jede Gruppe stellt die fertige Maschine vor allen anderen vor. Mit kritischem aber stets wertschätzendem Blick wird abgeglichen, in wie weit die Maßgaben des Lastenhefts erfüllt sind.	Ein günstiger Zeitpunkt, um das Laborheft einzusammeln.
16h	Optimierungsphase	In einer frontalen Veranstaltung wird den Gruppen mitgeteilt, wie ihre Maschinen jeweils zu optimieren ist. Die Wirksamkeit aller Maßnahmen zur Optimierung ist sauber zu belegen. Geeignete Optimierungsparameter sind neben unerfüllten Punkten im Lastenheft die Optimierung von Geschwindigkeiten, Lautstärke (Lärmschutz), "Stromverbrauch", Zuverlässigkeit, Masse...	Wieder werden die Gruppen recht eng begleitet. Es ist dringend notwendig, dass sich der Lehrer mit jeder Gruppe pro Doppelstunde einmal intensiv beschäftigt, um eine zu hohe Zahl chaotoischer Ansätze und ungangbarer Holzwege zu vermeiden.
	Zwischenpräsentation	Wiederum werden nach etwas mehr als zwei Wochen Zwischenergebnisse verlangt. Die einzelnen Gruppen stellen vor der Gesamtklasse ihre Problematik, ihre Bewertungsverfahren und ihre Lösungsansätze vor.
2h	Abschlusspräsentation	Jede Schülergruppe stellt ihre optimierte Maschine der gesamten Klasse vor. Die Optimierungsergebnisse sind dabei auf einem Poster dargestellt.	Günstiger Zeitpunkt zum Einsammeln der Laborhefte.
	Die Referate	Während der beiden Projektphasen hat jede der Vierergruppen ein Referat zu halten, dessen Thema entweder vorab oder in einem der 10-Augen-Gespräche festgelegt bzw. auch terminlich konkretisiert wird. Es hat sich sehr bewährt, dabei nicht Referate im engeren Sinne zur Aufgabe zu machen, sondern gemeinsam mit dem Thema auch die Form des Vortrags festzulegen. Geeignet sind "Tropenholzdebatte" (als Podiumsdiskussion), Verfahren der Holzernte (als Werbeverkaufsveranstaltung), einheimische Holzarten (als Waldlehrpfad), "vom Baum zum Brett" (szenisches Spiel), Methoden und freie Software zur Projektsteuerung (Softwaretest), berühmte Holzbauwerke (Vortragsreihe), Holz als Energieträger (Praxisberichte Pellet, Kohle, Hackschnitzel, Kaminofen), Holzverbindungstechniken (Werbeveranstaltung)...	Die Referate bieten eine gute Möglichkeit, um schnelle Gruppen zu bremsen oder erfolglosen Gruppen ein Erfolgserlebnis zu verschaffen. Die Inhalte der Referate können Teil einer schriftlichen Abfrage sein. Es erscheint kaum möglich, die Referate so spannend zu machen, wie die Projektarbeit - sie zeigen aber, dass NwT mehr ist, als nur an Projekten zu arbeiten.

Material

Für den Ablauf der Einheit und insbesondere der Projektarbeitsphase ist eine ausreichende Menge an Werkzeug unerlässlich. Für die Arbeit mit einer gesamten Klasse haben sich

• 3 Dekupiersägen
• 3 kleine Ständerbohrmaschinen
• 5 Bohrschrauber
• 1 Tellerschleifmaschine mit Absaugung
• 2 Schwingschleifer

als ausreichend erwiesen.

Zusätzlich werden die Werkzeugkisten der einzelnen Gruppen zu Beginn der Projektphase mit einer Anfangsausstattung kostengünstigen Werkzeugs befüllt.

Um den SchülerInnen in der Projektarbeit Möglichkeiten zur entdeckenden Entfaltung geben zu können, ist es sinnvoll, Materialsortimente verfügbar zu haben. Dazu gehören vor allem

• ein Sortiment verschiedener Elektromotoren bzw. Getriebemotoren bis zum Scheibenwischermotor
• ein Lager mit Holzbrettern und Latten
• ein Sortiment an Holzschrauben
• ein Sortiment an metrischen Schrauben, Unterlegscheiben und Muttern
• ein Sortiment an Zahnrädern, Rollen, Seilen
• ein Sortiment an Kunststoffteilen
• Plexiglasreste
• Kabel und Lüsterklemmern
• Stoffreste
• Farben
• ...

Kleinteile sollten in einem den Schülern zugänglichen Schrank aufbewahrt werden, teurere Teile wie z.B. Motoren werden auf Anfrage und unter Beratung des Lehrers ausgegeben.

Modifizierungsmöglichkeiten

Die Betreuung von 8 Gruppen in den Projektarbeitsphasen, die allesamt an verschiedenen Projekten arbeiten, erfordert einen in der Holzkonstruktion und elektrischen Schaltungen erfahrenen Lehrer. Etwas einfacher ist es, den SchülerInnen einen gemeinsamen Auftrag mit einem einzigen Lastenheft zu erteilen, der für alle Gruppen verbindlich ist. Geeignet hierfür könnte z.B. ein Kran sein, der selbststehend ein 500g schweres Werkstück über eine 70 cm hohe Hürde an einen 1m entfernten Ort versetzen können muss. Der Kran wird dabei mit Hilfe von Schaltern und Hebeln gesteuert. Der Optimierungsauftrag kann die Geschwindigkeit, die Lautstärke oder den Energieverbrauch betreffen.
Wird die Einheit an dieser Stelle auf Kräne reduziert, könnte sie in Absprache mit dem Physiklehrer um die mathematische Betrachtung von Hebeln und statischen Verstrebungen bereichert werden.
Mit der Vereinfachung hin zu einem Projektauftrag handelt man sich neue Probleme ein: Die Schülergruppen können voneinander abschauen (was zu sozialen Spannungen führt) und sogar Teile anderer Gruppen entwenden. Außerdem entfallen natürlich die bereichernden Ausblicke auf technische Lösungen in anderen Bereichen.