Der Hebel des Archimedes

Zusammenfassung: Diese Aktivität beinhaltet die Schaffung und Untersuchung eines ersten Mechanismus: des archimedischen Hebels. Dieser Mechanismus ermöglicht es Kindern indirekt, Konzepte zu verstehen, die auf das Gewicht und Volumen von Objekten bezogen sind. Schlüsselwörter: Hebel des Archimedes, einfacher Mechanismus, 3D-Drucker Die Ressourcenliste: ein 3D-Drucker, 3D-Drucker-Filament, gewöhnliche Gegenstände wie Münzen usw.

Die in diesem Dokument beschriebene Aktivität wird in ihrer grundlegendsten Form dargestellt, wobei ein Ansatz verwendet wird, der jedoch ein viel höheres Maß an Komplexität zulässt. Beispielsweise ist es möglich, in die Aktivität Elemente aufzunehmen, die Technologien wie Augmented Reality oder Virtual Reality kombinieren, die sich speziell auf den Umfang und die Umgebung anpassen lassen, in der die Aktivität entwickelt wird. Diese Aktivität kann daher als eine der ersten grundlegenden Aktivitäten angesehen werden, die innerhalb des Lehrplans für mathematische Kompetenzen und naturwissenschaftlich-technische Grundkompetenzen, einschließlich technologischer Systeme, Maschinen und Werkzeuge, durchgeführt werden. Das Hauptziel der hier vorgestellten Aktivitäten besteht darin, Kindern die Vorteile aufzuzeigen, die selbst die einfachsten Maschinen, wie in diesem Fall der archimedische Hebel, bieten können. Durch die Verwendung dieses Hebel Modells können Kinder grundlegende Konzepte verstehen, welche sie auf das Gewicht von Gegenständen beziehen, sowie auf die zum Anheben erforderliche Kraft, abgesehen vom Konzept des Hebels selbst, und es somit auch auf gewöhnliche Gegenstände übertragen, denen sie in ihrem alltäglichen Leben begegnen. Diese Aktivität steht im Einklang mit den sozialen Herausforderungen in der Bildung, jedoch wird es in einer eher tangentialen Weise möglich, diese Aktivität mit anderen ähnlichen Aktivitäten zu verbinden, die sich mit einfachen Maschinen zur Erzeugung grüner Energie befassen, wie z. B. Windturbinen, mit ein paar Änderungen in einem der in diesem Dokument beschriebenen Teile und deren Montage.

Archimedes (287-212 v. Chr.) war einer der bedeutendsten Wissenschaftler der Antike.  Während seiner langjährigen Forschungstätigkeit leistete er viele Beiträge in sehr unterschiedlichen Gebieten. Er ist zum Beispiel bekannt für seine Arbeit in der Hydrostatik, beginnend mit seinem berühmten Ausruf "Heureka!" zum Auftriebsprinzip oder allgemein aus der Physik, wie z. B. die Schraube, die auch seinen Namen trägt. Er ist zum Teil auch in der Volkskultur für seine Erklärung der Funktionsweise des Hebels von Bedeutung, denn er hat den folgenden Satz berühmt gemacht: „Gebt mir einen festen Punkt, und ich hebe die Welt aus den Angeln.“ Die Bedeutung dieses Satzes bezieht sich auf das Konzept des Hebels; ein sehr einfaches physikalisches Konzept, das es durch einen einfachen Mechanismus ermöglicht, die vom Benutzer ausgeübte Kraft zu vervielfachen, der dadurch eine viel größere Kraft erhält als die, die er aufbringt (wie dies beispielsweise auch bei der Verwendung von Riemenscheiben der Fall ist). Wenn wir versuchen, irgendein Objekt mit unserer Hand anzuheben, müssen wir eine Kraft direkt auf das Objekt ausüben. Die auszuübende Kraft muss in diesem Fall vertikal und nach oben sein, immer gleich oder größer als das Gewicht des zu hebenden Objekts, und das bedeutet, dass es eine sehr klare Grenze gibt. Um diese Kraft zu vervielfachen, können wir eben die Wirkung eines Hebels nutzen. Aus physikalischer Sicht ist der Hebel (Abb. 1) eine einfache Maschine, dessen Funktion darin besteht, eine Kraft von seinem Angriffspunkt über den Hebel bis zu seinem Ende zu übertragen. Er besteht aus einem starren Stab/Arm, der sich frei um einen Drehpunkt drehen kann. Die Funktion des Hebels besteht darin, die auf ein Objekt am anderen Ende des Hebels auszuübende Kraft als Reaktion auf die aufgebrachte Kraft zu verstärken.

Der Drehpunkt muss zwischen der Last (oder dem Widerstand) und der aufgebrachten Kraft (oder Leistung) liegen. Je nachdem, wo sich der Drehpunkt, die aufgebrachte Kraft und die Last befinden, können wir möglicherweise mit einer kleinen Kraft eine größere Kraft auf die Last ausüben. Je länger der Arm Abschnitt zwischen dem Punkt, an dem die Kraft Bp aufgebracht wird, und dem Drehpunkt im Vergleich zur Länge des Arm Abschnitts zwischen der Last Br und dem Drehpunkt (Abb. 2) ist, desto weniger Kraft wird benötigt, um das gleiche Ergebnis bei der Last zu erzielen. Mit einem ausreichend langen (und stabilen) Hebel und einem geeigneten Auflager für den Drehpunkt hätte Archimedes die ganze Welt bewegen können. Auch wenn dies nicht möglich ist, ist der archimedische Hebel also eine Maschine, die uns hilft, schwere Lasten zu heben. Gesetz des Hebels. In der Physik wird das Gesetz der Kräfte, die an einem Hebel im Gleichgewicht beteiligt sind, durch die folgende Gleichung ausgedrückt (Abb. 2):                                                      Dabei ist die Kraft, die wir anwenden; ist die Länge zwischen dem Ort, an dem wir die Kraft anwenden und dem Drehpunkt;  wo sich die resultierende Kraft befindet, die auf den Widerstand ausgeübt wird; und ist die Länge zwischen dem Drehpunkt und dem Ort, an dem sich der Widerstand befindet. Mit anderen Worten, es gibt ein Drehmoment (das Produkt aus Kraft und Distanz), das sowohl mit der von uns aufgebrachten Kraft als auch mit der über den Widerstand wirkenden Kraft verbunden ist. Das Gesetz des Hebels kann auch als Gesetz der Momente oder Drehmomente ausgedrückt werden, das besagt, dass das Drehmoment im Uhrzeigersinn (aufgrund unserer Kraft) und das Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn (aufgrund des Widerstands) gleich sein müssen. Daher erhalten wir durch die Änderung der Abstände auch verschiedene Kräfte.

2. 3D-Drucker 3D-Drucker sind zu einem sehr nützlichen Werkzeug geworden, um schnelle Prototypen, Elemente in verschiedenen Phasen des Designs und der Neugestaltung zu erstellen sowie Bildungsumgebungen vorzubereiten, um Teile oder Spielelemente ganz nach unseren Bedürfnissen herzustellen. Beim Entwerfen von Teilen, die mit einem 3D-Drucker erzeugt werden sollen, müssen wir Überlegungen zur Größe der Teile berücksichtigen, da nicht alle Drucker die gleiche Kapazität haben. In der vorgeschlagenen Aktivität werden verschiedene Entwürfe vorgestellt, von denen einer das Aufteilen in kleinere Teile beinhaltet, um dieses Problem zu lösen. Zu berücksichtigen ist auch die Handhabung des Druckers, die zwar nicht schwierig ist, aber neben den Überlegungen zur notwendigen Wartung des 3D-Druckers etwas Übung und Erfahrung erfordert.

Dieser Abschnitt beschreibt die Aktivität und die Materialien, die für die Entwicklung der vorgeschlagenen Aktivität benötigt werden. Die Teile, aus denen die Maschine (Hebel) besteht, wurden in AutoCAD entworfen (Abb. 3) und in STL-Dateien exportiert, dem Format, das von 3D-Druckern verwendet wird (Abb. 4). Derzeit stehen diese STL-Dateien jedem Lehrer zur Verfügung, der die Aktivität durchführen möchte. Je nach Alter der Teilnehmer sollten einige Unterschiede bei der Auswahl der geeigneten STEAM-Aktivitäten berücksichtigt werden. In diesem Sinne muss berücksichtigt werden, dass der Satz von Teilen, aus denen das System besteht, sehr einfach ist und es nicht vorgesehen ist, im Rahmen der frühkindlichen Bildung unterschiedliche Versionen je nach Alter der Teilnehmer herzustellen.  Wie später angegeben wird, ist es angemessener, je nach Alter mit verschiedenen Elementen zu spielen, die auf dem Hebel "gewogen" werden sollen, wie Tiere, Münzen oder andere Gegenstände.

Hebelarm (Abb. 3 – in grün): Es ist das größte gestreckte Teil, welches wir in Grün sehen können, an dem wir 3 gut differenzierte Teile finden.

• An einem Ende haben wir den Korb, in dem die zu hebenden Gegenstände platziert werden können. Es ist der Widerstandspunkt R gemäß der Terminologie, die wir verwendet haben, um das Gesetz des Hebels auszudrücken.

• An der gegenüberliegenden Spitze des Hebels haben wir den Punkt, an dem wir unsere Kraft aufbringen werden, also nach der bisherigen Terminologie den Punkt P. Zur Veranschaulichung wurde er so gestaltet, dass er einer Hand ähnelt (Zeichentrickstil).

• Schließlich haben wir den Arm selbst. Es hat 7 Steckplätze, die es ermöglichen, den Arm durch eine zapfenförmige Achse an der Stütze zu verankern und die Achse in einem der erwähnten 7 Steckplätze zu positionieren. Je nach gewähltem Steckplatz können wir die Abstände zwischen der Stütze und dem Korb (gemäß der verwendeten Terminologie Br) sowie zwischen der Stütze und der Hand (gemäß der bisher verwendeten Terminologie Bp) ändern.

Hebelauflager (Abb. 3 – in Blau): Es ist das Auflager des Hebels und es wird empfohlen, es an einer Oberfläche zu verankern, um die Stabilität des gesamten Systems zu gewährleisten. Es wird daher empfohlen, dass das Material beispielsweise eine Holzplatte umfasst, auf die sie geklebt werden kann.  Seine Funktion besteht darin, die Drehung des Hebelarms zu ermöglichen, und je nach gewähltem Steckplatz hat die Maschine unterschiedliche Neigungsgrade.

Achse (Abb. 3 – in Rot): Dies ist die Achse, die als Verbindung zwischen den beiden vorherigen Teilen dient, dem Hebelarm und dem Auflager, und die daher die relative Drehbewegung des Arms um das Auflager ermöglicht.

Gewichte: Um die Hebelbetätigung zu demonstrieren, ist es notwendig, dass wir eine Reihe von Gegenständen haben, die in den Korb gelegt werden sollen. Die Idee ist, die verschiedenen Kombinationen von Gewichten und Drehpunkt Positionen austesten zu können. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, die unterschiedlichen Gewichte als Tiere darzustellen, mit unterschiedlichen Materialien, mit verschiedener Dichte (z. B. Kunststoff, Holz, Metall usw.) und mit unterschiedlichen Tieren, wie z. B. einer Maus, einem Pferd und einem Elefant.

Andere Bestandteile die für die Aktivität nützlich sein können, könnten beispielsweise die Darstellung verschiedener Planeten im Sonnensystem sein. In diesem Fall können wir größere und schwerere Planeten darstellen und die Idee verwirklichen, die Erde aus den Angeln zu heben. Wir schließen diesen Abschnitt mit einigen Empfehlungen zu den grundlegenden und ergänzenden Materialien, welche für die Aktivität genutzt werden können, wie z. B. in Situationen wie der aktuellen COVID-19-Pandemie, die eine Desinfektion der Materialien erfordert. Da alle Komponenten der Maschine 3D-gedruckt sind (Abb. 4), ist es einfach, sie nach jeder Sitzung zu reinigen, ohne ihren Verschleiß zu beschleunigen oder die spätere Verwendung zu beeinträchtigen. Es ist ebenso notwendig, die verschiedenen verwendeten Gegenstände zu desinfizieren, wie beispielsweise die als Gewichte genutzten Komponenten.

Die pädagogischen Aktivitäten, die auf der Grundlage dieses Vorschlags, welcher auf dem Hebel des Archimedes beruht, durchgeführt werden können, sind vielfältig. Im Folgenden stellen wir eine einfache Idee zur Umsetzung vor, welche mit anderen zusätzlichen Maßnahmen ergänzt werden kann, abhängig von den Charakteren der Schüler, den verfügbaren Ressourcen und den verfolgten didaktischen Zielen. Der Inhalt dieses Abschnitts ist in die folgenden Teile gegliedert: a. Liste der benötigten Materialien b. Vorbereitung der Aktivität c. Entwicklung der Aktivität                                   i. Pädagogische/didaktische Ziele                                   ii. Teilnahme/Einbindung                                  iii. Einbeziehung der Ziele in die Aktivität

In diesem speziellen Beispiel ist die Liste der Materialien die gleiche Liste wie im Abschnitt der Komponenten der Aktivität, da nur ein Teil in jeder Klasse verwendet wird. Wenn wir mehrere Hebel replizieren wollen, müssen wir natürlich die Liste der unten angegebenen Materialien vervielfältigen. Daher benötigen wir für die Durchführung dieser Aktivität die folgenden Dinge:

• STL-Dateien zum Drucken.
• Zugriff auf einen 3D-Drucker.
• Nachdem wir alle Komponenten gedruckt haben, werden wir Folgendes haben:

  • Hebelarm (Abb. 3 – in grün): Er ist das größte gestreckte Stück in grün

  • Hebel Auflager (Abb. 3 – in Blau): Das ist der Halt für das System und es ist ratsam, es an einer Oberfläche zu verankern

  • Achse (Abb. 3 – in Rot): Dies ist die Achse, die als Verbindung zwischen den beiden vorherigen Teilen dient

• Verschiedene Gewichte, die in den Korb gelegt werden können, wie zum Beispiel:

  • Gegenstände mit ähnlichem Volumen, aber aus unterschiedlichen Materialien, wie z.B. Kunststoff, Holz und Metall.

  • Objekte aus demselben Material, aber mit unterschiedlichem Volumen, die beispielsweise Tiere mit unterschiedlichem Gewicht darstellen, wie eine Maus, ein Pferd und einen Elefanten.

  • einen Satz Münzen, die wir nacheinander in den Korb legen, so dass, je mehr Münzen darin sind, umso mehr Kraft aufgewandt werden muss, um sie anzuheben, oder indem die Achse des Hebels verlagert wird.

• Wir brauchen auch eine Version des Hebels als Papierausdruck, wie in Abbildung 7 gezeigt, die dazu dient, das Konzept des Hebels theoretisch zu erklären und die Idee vom „Heben der Welt" zu vertiefen.

Der Hebelarm hat 7 verschiedene Steckplätze, die es ermöglichen, das System unterschiedlich einzustellen (mit unterschiedlichen relativen Abständen vom Auflager zu den Stellen, an denen die Kraft und die Last platziert werden). Somit ist es möglich, unterschiedliche Anordnungen für die Durchführung verschiedener Tests zu erhalten (Abb. 6).

Um diese unterschiedlichen Situationen zu visualisieren (Abb. 6 a und b), kann der Lehrer die Drehachse entfernen und sie in eine andere Nut des Hauptraums stecken. Bei gleicher Last im Korb zeigt der Lehrer den Kindern so, wie die aufzuwendende Kraft je nach Armlänge größer oder kleiner ist (wie es das archimedische Gesetz besagt).

i. Pädagogische/didaktische Ziele. Beschreiben Sie die pädagogischen Ziele der Aktivität. Die Grundaktivität (und die vorgeschlagenen ergänzenden oder zusätzlichen Aktivitäten, Punkt 3.4) tragen dazu bei, den Wissenserwerb zu fördern, einschließlich der Beobachtung und Erforschung der Umgebung der Kinder, der Entwicklung von Kreativität und der Einführung der Kinder in Kenntnisse der Naturwissenschaften und andere Themen. Zu den Zielen gehören unter anderem:

1. Verstehen, dass eine Maschine/ein Mechanismus uns helfen kann, Aufgaben zu erledigen, die wir alleine nicht erledigen können.
2. Intuitives Verstehen, was ein Hebel ist.
3. Verständnis, dass größere Tiere mehr wiegen (Maus < Pferd < Elefant). Weiterhin wird vermittelt, dass die unterschiedlichen Materialien, aus denen Gegenstände hergestellt werden, auch dazu beitragen, dass diese unterschiedliche Gewichte besitzen.

ii. Teilnahme/Beteiligung. Beschreiben Sie die Umgebung der Aktivität, um sie für die Teilnehmer attraktiv zu machen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass der Lehrer einige oder alle der folgenden Aktivitäten durchführt:

1. Führen Sie das Konzept eines einfachen Mechanismus oder einer Maschine ein.

2. Identifizieren Sie ein Beispiel, das Kinder vielleicht kennen, z. B. eine Waage, die sich dorthin neigt, wo das höhere Gewicht ist, oder eine Wippe, mit der Kinder auf dem Spielplatz spielen können.

3. Fragen Sie die Kinder, was das Schwerste ist, das sie anheben können.

4. Fragen Sie als nächstes, ob jemand glaubt, dass er beispielsweise etwas so Großes wie einen Erwachsenen, die ganze Erde usw. anheben kann.

5. Fragen Sie die Kinder ohne weitergehende Kommentierung, ob sie wissen, was ein Hebel ist. Lassen Sie verschiedene Optionen verbalisieren und ihre Funktionsweise erklären, auch wenn sie falsch sind, bevor sie den Hebel formal erklären.

6. Fragen Sie, ob jemand weiß, wie das antike Griechenland war, ob sie es in einer Serie oder einem Film gesehen haben (z. B. ist es möglich, dass jemand den Disney-Film Hercules oder etwas ähnliches gesehen hat). Bereiten Sie ein Bild wie das in Abbildung 7 gezeigte vor. Sprechen Sie den Satz „Gebt mir einen festen Punkt und ich heben die Welt aus den Angeln“ aus und fragen Sie, ob sie verstehen, was Sie damit meinen, indem Sie eine einfache Erklärung abgeben.

iii.Einbeziehung der Ziele in die Aktivität. Passen Sie die pädagogischen Ziele an die Umgebung und die Geschichte (Erzählung) an, die für die Aktivität verwendet werden. Das heißt, ein paar Leitlinien vorzustellen, wie die in der Aktivität zu verwirklichen den Ziele auf praktische Weise eingeführt werden können.

1. Sobald die Aktivität mit den in der Teilnahme-/Beteiligungsphase beschriebenen Fragen begonnen hat, werden den Schülern 3 mögliche Gewichte zum Heben präsentiert. Jedes kann aus unterschiedlichem Material bestehen, beispielsweise Kunststoff, Holz und Metall, aber sie können ein ähnliches Volumen haben.

2. Die Gewichte verschiedener Materialien werden den Kindern präsentiert, wobei ihnen erklärt wird, dass einige Tiere mehr wiegen als andere, und dass sie dies selbst überprüfen müssen.

3. Die Achse wird in einer mittleren Position der Hebel Löcher zwischen der Achse Baugruppe und dem Auflager platziert. Die Gewichte werden nacheinander in den Korb gelegt und jeweils mit der Hand hochgedrückt, wobei befunden wird, dass es für uns einfacher ist, sie zu heben, aber dass es etwas mehr Kraft kostet, den Elefanten zu heben als die Maus.

4. Die Position der Achse und der Gewichte, die wir in den Korb legen, werden variiert, damit die Kinder überprüfen können, ob sich die nötige Kraft ändert und ob der Hebel bei dieser Aufgabe hilft. Außerdem kann mit Fragen gestellt werden, in welcher Position die Achse es schwieriger ist, die Gewichte zu heben – nämlich falls die Achse näher an der Hand oder näher am Korb ist. Oder stellen Sie Fragen wie „Ist es schwieriger, eine Maus mit der Achse in der Position, die der Hand am nächsten ist, oder den Elefanten mit der Achse in der Position, die am weitesten von der Hand entfernt ist, zu heben?“ Der Leitgedanke ist, es den Kindern zu überlassen, mit allen Optionen zu experimentieren und ihre eigenen Schlussfolgerungen daraus zu ziehen.

Das Material wurde so konzipiert, dass es die Beteiligung der Schüler erleichtert und die Entwicklung verschiedener, aber verwandter Aktivitäten fördert, die auf der Verwendung modifizierter Mechaniken und Spiele Komponenten basieren.  In diesem Abschnitt finden Sie einige Vorschläge zur Verbesserung der vorgeschlagenen Basisaktivität:

1. Sie können mit den Materialien experimentieren. Sie können z.B. über Münzen sprechen, wobei Materialien Gold, Silber und Bronze simulieren.
2. Sie können eine Erde darstellen und in den Korb legen, und damit das Bild mit dem berühmten Satz von Archimedes in Verbindung bringen.
3. Es ist möglich, den Hebel zu nutzen, um den Begriff der Kräfte und Drehmomente für Schüler der Oberstufe zu erklären.
4. Sie können die Verwendung des Hebels ändern und ihn beispielsweise in ein Katapult verwandeln.
5. Sie können kleinere Versionen des Mechanismus nutzen (kleinere Modelle für 3D-Drucker sind in den bereitgestellten Materialien enthalten) oder die große Konstruktion, welche in kleinere Teile unterteilt ist, die dann zusammengebaut werden (diese Modelle sind ebenfalls enthalten).

Schüler mit Lernschwierigkeiten und/oder geringen kognitiven Fähigkeiten sollten den Roboter individuell kennenlernen, bevor sie Aktivitäten mit einer Gruppe durchführen - dies hilft ihnen, die Aufgabe besser zu verstehen und bei gemeinsamen Aktivitäten erfolgreich zu sein. Berücksichtigen Sie bei der Bildung von Gruppen die unterschiedlichen kognitiven Fähigkeiten verschiedener Schüler – manchmal ist es sinnvoll, homogene Gruppen zu bilden, damit Lernende mit ähnlichen Möglichkeiten Erfahrungen austauschen können, aber manchmal ist es auch sinnvoll, eine heterogene Gruppe zu bilden, damit ein Schüler einem anderen Schüler helfen und ihn anleiten kann. Für Schüler mit ASS ist es sehr oft schwierig, Entscheidungen zu treffen und/oder kreative Aufgaben zu lösen – sie sollten behutsam angeleitet werden, eine bestimmte Aufgabe zu lösen.

Wenn Sie keinen Zugang zu einem 3D-Drucker haben, können Sie auch nur mit den genannten CAD-Tools experimentieren, um einen virtuellen Satz an Komponenten zu erstellen, welchen Sie später verwenden können, wenn der Drucker verfügbar ist, oder ihn nur als 3D-Design-Tool verwenden. Die Verwendung des Thingiverse Speichers wird auch empfohlen, um zu verstehen, dass die Erstellung der Modelle ein optionaler Teil der Aktivität ist.

Die Aktivität stellt ein Beispiel für einen einfachen Mechanismus dar. Die Idee ist, dass durch die Erstellung einfacher Prototypen und einer Reihe von Spielen das Konzept der Maschine eingeführt werden kann. Der archimedische Hebel ist einer der ältesten existierenden Mechanismen. Mit Hilfe eines CAD-Tools wie TinkerCAD, wird ein Modell des Hebels nachgebildet und anschließend in 3D gedruckt. Das Spiel wird durch eine Reihe von Tieren mit unterschiedlicher Größe und unterschiedlichem Gewicht sowie mit Objekten und durch die Simulation von Münzen usw. ergänzt. Der Mechanismus ermöglicht es Ihnen, die Länge des Hebels einzustellen und so mit unterschiedlichen Gewichten und unterschiedlichen Hebelarmen experimentieren zu können. Weitere komplementäre Modelle können mittels 3D-Druck erstellt werden. Die Teilnehmer werden verschiedene archimedische Hebel in unterschiedlichen Maßstäben nutzen, größer oder kleiner, und außerdem werden diese unterschiedlich lange Arme haben. Es kann mit zunehmender Größe mehr Volumen und mit zunehmender Länge mehr Gewicht gehoben werden. Das Spiel muss gespielt werden, indem die Achse bewegt wird, sodass der Hebel einen längeren oder kürzeren Arm hat, wodurch die Kinder lernen, wie sie die Wirkung der eingesetzten Kraft erhöhen oder verringern können. Wie oben besprochen, erwarten wir nicht, dass die Teilnehmer Vorkenntnisse über Maschinen, Mechanismen oder grundlegende Physik haben. Innerhalb des Workshops jedoch werden die Teilnehmer mit dem Konzept einer einfachen Maschine, sowie dem Gewicht und Volumen vertraut gemacht. Workshop

Zu Beginn des Workshops vermitteln wir den Teilnehmern das notwendige Vokabular, sowie die benötigten Begriffe und Konzepte zur Nutzung des archimedischen Hebels. Eine kleine theoretische Einführung ist ebenfalls beigefügt, in der die in der Aktivität zu präsentierenden mechanischen Konzepte auf einfache Weise erklärt werden. Dann erklären wir, wie wichtig es ist, einen ersten einfachen Mechanismus zu verstehen, damit Kinder anhand dieses Wissens Schritt für Schritt immer komplexere Konzepte gelehrt werden können. Als nächstes wird der Druck eines einfachen Stückes im 3D-Druck als Beispiel vorgestellt, was darauf hinweist, dass diese Maschine potentiell ermöglicht, jedes Objekt zu reproduzieren, das wir in einer unserer Aktivitäten verwenden möchten. Die grundlegende Bedienung eines 3D-Druckers wird erklärt. Sobald diese Erklärung abgeschlossen ist, wird das TinkerCAD-Tool vorgestellt, mit dem auf einfache Weise 3D-Modelle erstellt werden können, ohne dass Kenntnisse im technischen Zeichnen benötigt werden. Es werden einige einfache Beispiele erstellt, damit die Teilnehmer ihre 3D-Modelle druckfertig machen können. Als Ergänzung wird unten der Thingiverse Speicher gezeigt, an dem die Teilnehmer feststellen können, dass es nicht zwingend notwendig ist, neue Modelle zu erstellen, da bereits viele in diesem Speicher verfügbar sind und heruntergeladen sowie für die Aktivität verwendet werden können. Anschließend diskutierten wir einige Minuten lang die Benutzerfreundlichkeit jedes dieser Tools und wie attraktiv deren grundlegende Verwendung ist, um eine unbegrenzte Anzahl von Komponenten für die Spiele zu erstellen, die Lehrer mit ihren Kindern im Klassenzimmer verwenden. Schließlich teilen wir unser forschungsbasiertes Verständnis darüber, warum 3D-Designs und Drucktechnologien sowie andere STEAM-Suiten von Lehrern noch nicht weithin genutzt werden. Als nächstes bilden wir drei Teams mit jeweils einem Satz Hebel unterschiedlicher Länge und fahren mit dem Workshop fort. Die Teams müssen zunächst verschiedene Sätze von zu wiegenden Teilen bilden, einschließlich allgemein verfügbarer Gegenstände wie Münzen, Bleistifte und Radiergummis, indem sie mit unterschiedlichen Positionen der Drehachse des Hebels und den unterschiedlich langen Hebeln experimentieren. Schließlich muss jede Gruppe eine andere einfache Anwendung des Mechanismus finden, entweder unverändert oder mit minimalen Änderungen, wobei häufig vorkommende Beispiel sind, dass der Mechanismus zu einem Katapult oder mit kleinen Änderungen in eine Waage verwandelt wird. Die Lernergebnisse für die Teilnehmer sind unten aufgeführt. Jeder Teilnehmer kann: ●  die Möglichkeiten des Einsatzes von 3D-Druckern und CAD-Werkzeugen als motivierende Werkzeuge im naturwissenschaftlichen und künstlerischen Unterricht erkennen, ●  digitale, interaktive Lernressourcen verwenden, die in GeoGebra erstellt wurden, ●  die Qualität und Anwendbarkeit der digitalen Lernressource kritisch bewerten.   Der 60-minütige Workshop vermittelt Lehrern praktische Erfahrungen und das Gefühl dafür, wie sie von der Verwendung von 3D-Druckern, CAD-Tools usw. als Lernwerkzeuge während ihres regulären Mathematikunterrichts profitieren können. Wir hoffen auf eine ergiebige Diskussion mit den Workshop-Teilnehmern zur Effektivität solcher Kurzworkshops. Der Fokus der Diskussion liegt darauf, herauszufinden, ob diese Workshops genutzt werden können, ein Bewusstsein für die Vorteile von STEAM-Kits und insbesondere für einfache Mechanismen zu schaffen, um die Angst vor dem Einsatz von STEAM in der Unterrichtspraxis abzubauen.

3D-Druck aus STL-Dateien

• Archimedes and the Law of the Lever https://physics.weber.edu/carroll/archimedes/theIndex.htm
• Ultimaker 3D printers. 3D printing in education https://ultimaker.com/es/applications/education
• Repository of 3D models ready to print https://www.thingiverse.com/
• Tinkercad | Create 3D digital designs with online CAD  https://www.tinkercad.com/