Wir bauen eine stabile Fahrbahn

Datum: 17. Juni 2009 Autor: Valle83 Kommentare: 4

Zusätzliche Informationen:

Wir bauen eine stabile Fahrbahn

Thema der Unterrichtsreihe:

„Brücken“ – eine problem- und handlungsorientierte Auseinandersetzung mit dem Aspekt des Baus und der Konstruktion von Brücken zur Anbahnung bautechnischer Erfahrungen und statischer Grundkenntnisse.

Thema der Unterrichtsstunde:

„Wir bauen eine stabile Fahrbahn“ – eigenständige Konstruktion einer stabilen Fahrbahn aus Papier.

Ziel der Unterrichtsstunde:

Die SchülerInnen entwickeln durch entdeckende, problemlösende Faltversuche die Bauweise einer Fahrbahn aus Papier und überprüfen deren Festigkeit und Belastbarkeit.

1 Aufbau der Unterrichtsreihe

1. „Wieso gibt es Brücken? Was weißt du über Brücken?“ – Sammeln und Ordnen des individuellen Vorwissens der Kinder (Standortbestimmung).
2. „Wir lernen unterschiedliche Brückenarten kennen“ – selbstständige Erarbeitung der drei am weitesten verbreiteten Typen von Brückenkonstruktionen (Balken-, Hänge- und Bogenbrücke) anhand von Bildern.
3. „Wir bauen eine stabile Fahrbahn“ – eigenständige, problemlösende Auseinandersetzung mit Konstruktion einer Fahrbahn aus Papier.
4. „Wir konstruieren Balken aus mehreren Bögen Papier“ - eigenständige, problemlösende Auseinandersetzung mit Konstruktion von Pfeilern aus Papier.
5. „Wir bauen eine Balkenbrücke“ – unter der Nutzung der bisher erworbenen Kenntnisse wird eine vollständige Brücke mit Fahrbahn und Pfeilern gebaut.
6. „ Was ist an einer Bogenbrücke anders?“ – auf experimenteller Weise vergleichen die Kinder eine Balken- und eine Bogenbrücke.
7. „Wir bauen eine Bogenbrücke“ – handlungsorientierte Auseinandersetzung mit der Konstruktion einer Bogenbrücke.
8. „Wir schauen uns eine Hängebrücke genauer an“ – Ausarbeitung der Besonderheit und Eigenschaften einer Hängebrücke.
9. „ Wir konstruieren eine Hängebrücke“ – selbstständige Planung und Konstruktion einer Hängebrücke.

2 Situation der Lerngruppe

2.1 Allgemeine Lernvoraussetzungen

Die „Schafe – Klasse“ der XY-Schule in Köln ist eine jahrgangsübergreifende Klasse und setzt sich aus 3 Erstklässlern und 15 Zweitklässlern zusammen. In der Klasse sind 7 Mädchen und 11 Jungen. Alle Kinder dieser Klasse sind ausländischer Herkunft. Die Mehrheit der Schüler und Schülerinnen ist zwar in Deutschland geboren und aufgewachsen, hat aber heterogene sprachliche Barrieren und Verständnisschwierigkeiten. Dies ist sicherlich sowohl auf die mehrsprachige Erziehung als auch auf mangelhafte Deutschkenntnisse der Eltern zurückzuführen.
Die Kinder der Klasse weisen insgesamt eine große Bandbreite bezüglich des Leistungsniveaus auf. Es gibt sowohl leistungsstarke (XY, XY, XY) als auch sehr leistungsschwache (XY, XY, XY) Schüler sowie ein Mittelfeld, bestehend etwa aus 11 Kindern. Insgesamt gibt es zwei GU-Kinder (XY, XY) in dieser Klasse. Bei XY wird ein Antrag auf AO-SF gestellt.
Die Schüler und Schülerinnen haben gelernt, im GU mit Kindern verschiedener Behinderungen umzugehen und weisen zumeist ein tolerantes und verständnisvolles Verhalten auf. Das Sozialverhalten kann als gut bezeichnet werden.

Neuen Unterrichtsinhalten stehen die Kinder sehr offen und aufgeschlossen gegenüber. Die Klasse beteiligt sich insgesamt interessiert und aktiv am Unterrichtsgeschehen und zeigt gegenüber der Lehrperson ein diszipliniertes sowie motiviertes Arbeitsverhalten.
Zu den vertrauten Arbeitsformen in der Klasse gehören Einzel- und Partnerarbeit sowie der Sitzkreis.

2.2 Spezifische Lernvoraussetzungen

Das Thema „Brücken“ wird in dieser Klasse zum ersten Mal thematisiert. In den vorausgehenden Stunden haben die Kinder die verschiedenen Bezeichnungen der Grundformen kennen gelernt und die ersten Unterscheidungsmerkmale herausgearbeitet. Ebenso wurden die unterschiedlichen Baumaterialien und Größen von Brücken geklärt. Bei der Standortbestimmung berichteten die Kinder von Erlebnissen mit Brücken auf Urlaubsreisen und Situationen, die sich in ihrem Umfeld zugetragen haben.
Es ist davon auszugehen, dass die SchülerInnen die Grundeinsichten im spielerischen Bauen haben, an die angeknüpft werden kann.
Die Lernvoraussetzungen in den Bereichen „handwerkliches Geschick“ und „Feinmotorik“ sind bei diesen Kindern heterogen.
Des Weiteren ist den Kindern eine problem- und handlungsorientierte Vorgehensweise aus anderen Unterrichtseinheiten und Fächern bekannt.
Sinnentnehmendes Lesen von kurzen Texten stellt für die Kinder der zweiten Klasse kein Problem dar.

3 Begründung von Thema und Ziel unter Berücksichtigung von Richtlinien und Lehrplan

Die Kinder sollen in dieser Stunde erste Einsichten in grundlegende statische Zusammenhänge gewinnen. Sie sollen auch Möglichkeiten der Erlangung von Stabilität durch Materialumformung (Falten) sowie Verstrebungen erfahren. Sie erweitern ihre handwerklichen Fähigkeiten und auch ihr Wissen über Materialeigenschaften von Papier. Des Weiteren sollen die SchülerInnen verschiedene Profilformen, deren Belastbarkeit und Einsatzmöglichkeiten kennen lernen.
Die SchülerInnen sollen lernen, mit einem Partner zu arbeiten und sich mit ihm abzusprechen, sich gegenseitig bei Problemen zu unterstützen, selbstständig einen Arbeitsauftrag zu bearbeiten und sich mit Anderen über ihre Ergebnisse und Beobachtungen auszutauschen und diese zu diskutieren. Laut Rahmenplan wird der Erwerb dieser Qualifikation als „Mit anderen umgehen“ beschrieben.
Dieses Thema eignet sich für den Unterricht in dieser Klasse, da die Kinder schon früh durch spielerisches Bauen Grundeinsichten gewinnen, an die angeknüpft werden kann. Der frühkindliche Umgang mit Bauklötzen und ersten Konstruktionsversuchen im Kindergartenalter prägen das konstruktive Denken aus.[1] Des Weiteren stellen Brücken einen Teil der kindlichen Umwelt dar, der allein durch seine Konstruktion Interesse hervorruft und somit das Thema für die SchülerInnen und den Unterricht legitimiert.
Das Themengebiet lässt sich gemäß dem Lehrplan dem Bereich des Faches Sachunterricht „Technik und Arbeitswelt“ zuordnen. Unter dem Schwerpunkt „Bauwerke und Konstruktionen“ sollen die SchülerInnen in der Schuleingangsphase mit einfachen Werkstoffen Modelle bauen und einfache Modellzeichnungen anfertigen und nutzen.[2]
Die Arbeit ermöglicht es, Stufen wie Planen, Entwickeln, Konstruieren, Fertigen, Kontrollieren und Präsentieren miteinander zu verbinden bzw. als notwendige Aufeinanderfolge kennen zu lernen, oder auch auf andere Bereiche übertragen zu lernen. Des Weiteren schulen die Kinder ihre Fähigkeiten und Fertigkeiten, Probleme zu identifizieren und zu lösen.[3]

4 Sachbezogene Überlegungen

Eine Brücke ist ein Bauwerk, was einen ununterbrochenen Übergang über diverse natürliche oder künstliche Hindernisse bietet. Natürliche Hindernisse könnten zum Beispiel Flüsse, Täler, Meerengen oder Schluchten sein, wobei künstliche Hindernisse Straßen, Schienen oder Wasserstraßen, also Verkehrswege allgemein wären. So gut wie alle Brücken sind unterteilt in den Brückenunterbau und in den Brückenüberbau. Das Grundgerüst einer Brücke ist der Unterbau. Dieser besteht aus Fundamenten, Pfeilern und (Wider-) lagern. Den oberen Teil einer Brücke, also die Fahrbahn, bezeichnet man als Überbau. Aufkommende Lasten wie das Eigengewicht der Brücke, der Verkehr und Wettereinflüsse (Schnee, Wind, Regen) werden vom Überbau aufgenommen und über (Lager), Widerlager, Pfeiler und Fundamente, also den Unterbau, in den Baugrund abgeleitet.

4.1 Balkenbrücken

Charakteristisch für eine Balkenbrücke ist, dass der Überbau vom Unterbau klar durch Lager abgegrenzt ist. Genauso wie bei den meisten anderen Brücken ist es auch hierbei der Fall, dass sämtliche Lasten des Überbaus auf den Unterbau und somit auf das Erdreich übertragen werden. Dadurch wird garantiert, dass die Brücke bei starker Belastung sicher ist und Bewegungsmöglichkeiten hat.
Eine Balkenbrücke ist so aufgebaut, dass an beiden Enden der Brücke ein Pfeiler vorhanden ist. Diese beiden Pfeiler werden mit einem Balken verbunden, der darüber gelegt wird, woher der Name „Balkenbrücke“ stammt. Werden Balkenbrücken nun immer länger gebaut, so reichen zwei Pfeiler an den Enden der Brücke nicht aus. In regelmäßigen Abständen werden noch weitere Pfeiler als Stütze für die Brücke zwischen die bereits vorhandenen Pfeiler gebaut. Dadurch werden die aufkommenden Lasten auf die einzelnen Pfeiler verteilt und die Länge der Brücke kann somit zunehmen. Balkenbrücken gehören zu den ältesten Brücken der Welt und deren Spannweiten wurden bereits im 19. Jahrhundert bis zu 100m lang gebaut. Inzwischen erreichen die Spannweiten der Balkenbrücken dank neuen Konstruktionsprinzipien und Bauweisen Längen bis zu über 200m. Aufgrund der einfachen Bauweise ist das Prinzip der Balkenbrücke häufig anzutreffen und wird vor allem für Autobahnen oder andere vielbefahrene Straßen verwendet.

4.2 Zug- und Druckkräfte

Bewegt sich eine Last über eine Brücke, so können die Kräfte, die dabei auf die Brücke einwirken, durch Druck bzw. Zug in den festen Baugrund zu beiden Enden der Brücke geleitet werden. Im Folgenden werden wir nun die Zug- und Druckkräfte einer Balkenbrücke untersuchen: Die einfachste Form der Balkenbrücke ist ein Balken, der nur auf zwei Pfeilern, jeweils an den Enden der Brücke, aufliegt. An diesen Aufliegepunkten drückt der Balken bei einer auftretenden Last in die Pfeiler, es entstehen also Druckkräfte. Auf den Punkt der Brücke, auf den die Last (beispielsweise ein LKW) drückt, wirken ebenfalls Druckkräfte hin. Die Last auf der Brücke verursacht außerdem eine Biegung des Balkens, somit treten Zugkräfte an der Unterseite des Balkens auf. Diese Zugkräfte kann er im Gegensatz zu den Druckkräften an den Aufliegepunkten nicht ableiten. Dadurch besteht die Gefahr, dass der Balken unter Umständen brechen kann.
Im Gegensatz dazu bricht die Bogenbrücke nicht so schnell, da die Steine, die zu einem Bogen aufeinander geschichtet werden, sich gegenseitig tragen und zusätzlichen Lasten auch noch standhalten. Bei einer Bogenbrücke wirken lediglich Druckkräfte, die zu beiden Enden der Brücke in den Baugrund abgeleitet werden. Früher konnte man mit Bogenbrücken die größten Spannweiten erzielen, doch seitdem das Material Spannbeton für Balkenbrücken verwendet wird, können diese die Zugkräfte aufnehmen, wodurch ein Brechen des Balkens so gut wie unmöglich gemacht wird und größere Spannweiten erreicht werden können.[4]

4.3 Profile

Bei Balkenbrücken ist ein möglichst geringes Eigengewicht entscheidend für die Stabilität. Die Wahl eines geeigneten Profils ermöglicht ein geringes Eigengewicht des Balkens bei einer hohen Festigkeit bzw. Belastbarkeit.

Profile verleihen Konstruktionen bei einem minimalen Materialbedarf eine große Stabilität.
Für Stahlkonstruktionen verwendet man z.B. gewalzte Profile in Form von Winkel-, T-, Doppel-T-, U- und Rohrprofilen.
Der Grad der Stabilität ist abhängig von der Profilform. Je mehr Material in Richtung des Kraftverlaufs bzw. in der Richtung der Belastung angeordnet wird, desto größer ist die Stabilität. Darüber hinaus können geschlossene Profile aufgrund ihrer höheren Formfestigkeit stärker belastet werden als offene.

4.4 Papier als Material

Mit dem wenig stabilen und formfesten Werkstoff Papier lassen sich die Möglichkeiten der Stabilisierung durch Profilgebung (rollen oder knicken) besonders gut verdeutlichen.
So kann z.B. durch eine einfache Zick-Zack-Faltung die Tragfähigkeit um ein Vielfaches erhöht werden.
Die Faltung bzw. Profilgebung versteift das Material, weil die einwirkenden Zug- und Druckkräfte aufgefangen und in verschiedene Richtungen abgeleitet werden.
Daneben bestimmen noch weitere Faktoren die Festigkeit des Papiers. Ein kleineres Stück ist z.B. weniger biegsam als ein größeres gleicher Dicke, da seine steifere Fläche mehr Widerstand bietet. Dementsprechend weisen auch kürzere Kanten eine höhere Festigkeit auf.[5]

5 Didaktisch-methodische Entscheidungen

Der Schwerpunkt der heutigen Stunde liegt darin, dass die Kinder sich mit dem Bauen einer stabilen Fahrbahn (Balkenbrücke) aus Papier beschäftigen und die Stabilität ihrer Konstruktion überprüfen. Sie sollen mit Hilfe des Belastungstests erkennen, dass Verstrebungen aus Papierröhren die größte Stabilität erzeugen.
Zieltransparenz: Es wird an den Unterrichtsstoff der vorherigen Stunde erinnert und angekündigt, dass an bestimmten Inhalten weiter gearbeitet wird.

Die Initiation und Orientierung erfolgt im Sitzkreis. Dies soll den gemeinsamen Austausch fördern und die Aufmerksamkeit der Kinder auf den Lerngegenstand fokussieren. Durch die Präsentation einer aufgebauten Szene mit einem Fluss und einer Schlucht sollen die Kinder auf das Unterrichtsgeschehen motiviert werden. Bevor die Kinder mit dem „Experimentieren“ beginnen, sollen sie im Sitzkreis ihre Vermutungen bezüglich der Umformung von Papier äußern. Die kurze Auseinandersetzung mit dieser Problematik schafft das übergeordnete Problem und ist der rote Faden der Stunde. Dieses Vorgehen soll bei den Kindern die Fähigkeit, Lösungsmöglichkeiten für offene Problemstellungen selbständig zu entwickeln, fördern. Durch den Verweis auf die Reflexionsfrage erhalten die Kinder die Möglichkeit, zielorientiert zu arbeiten.
Der Arbeitsauftrag wird an der Tafel notiert. Dies soll eine planvolle und zielgerichtete Arbeit ermöglichen.
In der Transformation arbeiten die Kinder zu zweit (Partnerarbeit). Dies ermöglicht eine gegenseitige Hilfestellung und fördert das soziale Lernen. Dadurch kann auch gewährleistet werden, dass alle Kinder aktiv am Unterrichtsgeschehen beteiligt sind. Auch der Rückzug oder der Ausschluss einzelner Kinder soll dadurch vermieden werden. Die Aufteilung der Kinder erfolgt durch Kärtchen – zwei gleiche Symbole bilden ein Paar. Diese Entscheidung wurde getroffen, um Paare zu bilden, die sowohl handwerklich geschickt als auch kreativ sind. Dadurch soll auch erreicht werden, dass ein Erstklässler mit einem Zweitklässler zusammen arbeitet. Somit ist die Problematik der Lesekompetenz von Erstklässlern behoben.

Die Differenzierung liegt darin, dass die Kinder individuell, nach ihrem Arbeitstempo der Aufgabe nachgehen können (natürliche Differenzierung).
Als Hilfestellung gibt es vier verschiedene Tippkarten mit unterschiedlichen Faltideen (qualitative Differenzierung). Durch unterschiedliche Anregungen soll vermieden werden, dass alle Gruppen nach Lesen einer Tippkarte die gleiche Brücke bauen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten für den Bau von Papierbrücken: Das Papier kann an den Rändern nach oben oder unten umgeknickt werden, man kann es rollen oder im Zickzack falten und jeweils ein Blatt darüber legen.
Die Arbeitsphase wird durch ein akustisches Signal (Klangschale) beendet. Das Signal zeigt den Kindern, dass sie ihre Arbeit abschließen müssen.
Die Reflexion verläuft im Sitzkreis. Dadurch soll der gemeinsame Austausch unterstützt werden. Der Wechsel der Sozialform trägt dazu bei, bei den Kindern neue Aufmerksamkeit zu erreichen.
Die Präsentation der Modelle würdigt die Arbeit der Kinder und ist der Ausgangspunkt für eine Diskussion über die unterschiedlichen Baumöglichkeiten.
In der Reflexion wird der Belastungstest an zwei fertig gestellten Fahrbahnen (Balkenbrücken) durchgeführt. Falls eine oder gar keine Fahrbahn fertig gestellt wird, werden begonnene Modelle vorgestellt. Sowohl bei der Durchführung des Belastungstests, als auch bei der Vorstellung der begonnenen Modelle sind die Kinder dazu aufgefordert, Vermutungen und Begründungen zu äußern, welche Brücke die stabilere wird. Dadurch erhalten die SchülerInnen einen strukturierten Einblick in den Verlauf und das Ziel ihrer Arbeit.

6 Literaturangabe

- Laux, H.: Brücken: Ein Thema für den Sachunterricht in der Grundschule. In: Sach- und Mathematikunterricht in der Primarstufe, Heft 2. Köln: Aulis Verlag Deubner 1992
- Ministerium für Schule und Weiterbildung Nordrhein-Westfalen Richtlinien und Lehrpläne für die Grundschule NRW. Sachunterricht.
- Klein, K., Winter, M., Engel, K.: Technik im Sachunterricht be-greifen. Schneider Verlag Hohengehren, 2002. S.91-94
- Zolg M, Wodzinski R., Wöhrmann H.: Materialien für den naturwissenschaftlichen und technischen Sachunterricht. Brücken – Türme – Häuser. Statisch-kostruktives Bauen in der Grundschule. Kassel 2007
- http://www.juniorstudium.net/downloads/Los_remadores_1a.pdf
- http://www.learn-line.nrw.de/angebote/gssachunterricht/FW_Bauwerke.htm
- http://gs-katzenelbogen.bildung-rp.de/archiv/bruecken.htm
- http://www.elefantenklasse.de
- http://www.lehrer-online.de/url/bruecken