Sondergebiete der Technik

Ministerium für Kultus, Jugend und Sport
Baden-Württemberg
Schulversuch
41-6624.10/104
vom 16. August 2007
Lehrplan
für das berufliche Gymnasium
der dreijährigen Aufbauform
Technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Eingangsklasse
Jahrgangsstufen 1 und 2
Der Lehrplan tritt
für die Eingangsklasse und
für die Jahrgangsstufen 1 und 2
am 1. August 2011 in Kraft.
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2
Inhalt
Fach LS-Nr.
Sondergebiete der Technik* ....................................................................................... L – 08/3661
Wahlthemen für die Eingangsklasse Seite
Solar- und Wasserstofftechnik***.......................................................................................................3
Astronomie und Raumfahrttechnik.....................................................................................................9
Umwelt, Technik und regenerative Energien ...................................................................................17
Bionik I** ..........................................................................................................................................23
Mechatronische Systeme I** ...........................................................................................................29
Wahlthemen für die Jahrgangsstufen 1 und 2
Energiewirtschaft .............................................................................................................................35
Mikrosystemtechnik .........................................................................................................................41
Bautechnik .......................................................................................................................................49
Umweltmanagement ........................................................................................................................55
Holztechnik ......................................................................................................................................61
Messtechnik .....................................................................................................................................67
Bionik II** .........................................................................................................................................73
Bionik III** ........................................................................................................................................79
Industrielle Bildverarbeitung I**…. .......................................................................................... …….85
Industrielle Bildverarbeitung II**.......................................................................................................91
Mechatronische Systeme II**...........................................................................................................97
Mechatronische Systeme III**........................................................................................................101
* In der Eingangsklasse und in den Jahrgangsstufen 1 und 2 ist jeweils ein Thema zu wählen.
Die Wahlthemen sind als Ergänzung zu den profilbezogenen Fächern zu verstehen. Daraus
können sich in einzelnen Lehrplaneinheiten Berührungspunkte mit dem Lehrplan in den
profilbezogenen Fächern ergeben. Die unterrichtenden Lehrkräfte stimmen sich hierbei
hinsichtlich der Schwerpunktsetzung so ab, dass inhaltliche Wiederholungen im Fach
Sondergebiete der Technik vermieden werden.
** Die einzelnen Module der Wahlthemen Bionik, Mechatronische Systeme sowie Industrielle
Bildverarbeitung bauen inhaltlich aufeinander auf und sind in der genannten Reihenfolge zu
belegen.
*** Sofern in der Eingangsklasse das Wahlthema Umwelt, Technik und Regenerative Energien
unterrichtet wurde, kann Solar- und Wasserstofftechnik in der Jahrgangsstufe unterrichtet werden.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Solar- und Wasserstofftechnik (TG) 3
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Solar- und Wasserstofftechnik
Eingangsklasse
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4 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Solar- und Wasserstofftechnik (TG)
Vorbemerkungen
Die in der Gesellschaft zunehmende Wahrnehmung von Problemen im Zusammenhang mit Energiegewinnung
und -verbrauch erfordert verstärkt Lösungsansätze zum Entwurf einer zukunftsfähigen
Welt. Dieses Wahlthema ermöglicht es den Schülerinnen und Schülern technische Geräte zur
Gewinnung und Speicherung regenerativer Energien zu verstehen und zu entwickeln. Damit kann
das Engagement der Schülerinnen und Schüler bei Wettbewerben, wie zum Beispiel "Jugend
forscht", gefördert werden. Die Schülerinnen und Schüler erhalten Einblick in die physikalischen
Grundlagen der Energiegewinnung mit Solarzellen und der Energiespeicherung mit Wasserstoff.
Sie experimentieren mit Brennstoffzellen als Energiewandler und beschreiben über die physikalischen
Grundlagen hinaus die Anwendung industrie- und handelsüblicher Anlagen. Es bleibt den
Lehrerinnen und Lehrern überlassen, ob sie mit Schülerinnen und Schülern zur Wirkungsanalyse
von Solaranlagen handelsübliche Simulationssoftware einsetzen.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Solar- und Wasserstofftechnik (TG) 5
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Eingangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 6
klasse 1 Solare Energie 10 6
2 Herstellung und Anwendung von Solarzellen 15 6
3 Wasserstoff als Energieträger 15 7
4 Brennstoffzelle als Energiewandler 10 60 8
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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6 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Solar- und Wasserstofftechnik (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Eingangsklasse Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Solare Energie 10
Die Schülerinnen und Schüler stellen den Energiehaushalt der Erde dar und bewerten den Stellenwert
der von der Sonne gelieferten Energie. Sie beschreiben die Strahlungsgrößen der Sonne
und nutzen moderne Informationsquellen zur Ermittlung von geografischen und zeitlichen Einflüssen.
Energiehaushalt der Erde Energiearten, Begrenztheit der fossilen
Energieträger, Regenerative Energien,
Treibhauseffekt
Globalstrahlung Direkte und Indirekte Strahlung,
Globalstrahlungskarten
Deutscher Wetterdienst
Solarkonstante
2
Herstellung und Anwendung von Solarzellen 15
Mit der Beschreibung und Messung ihrer elektrischen Eigenschaften erarbeiten sich die Schülerinnen
und Schüler die Funktion einer Solarzelle und erklären die Energieumwandlung in einer
Solarzelle. Sie messen deren elektrische Kennwerte und entdecken bei der Kennlinienmessung
den Diodencharakter. Sie beschreiben die technologischen Schritte zur Herstellung von Solarzellen
Energieumwandlung in Solarzellen Betreiben von Verbrauchern in einfachen
Versuchen
Funktion einer Solarzelle
Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung
Beschreibung der Leitungsvorgänge in einer
Solarzelle
Die Solarzelle als Diode Messung von Hell- und Dunkelkennlinie
Maximum-Power-Point (MPP)
Reihen und Parallelschaltung
Zellenverschaltung in Modulen
Wirkungsgrad
Füllfaktor
Strom- und Spannungsmessung an
verschalteten Zellen
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10

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Solar- und Wasserstofftechnik (TG) 7
Herstellung von Solarzellen Herstellung kristalliner Zellen,
Dünnschichttechnologie,
Herstellung von PN-Übergängen,
Veredlung und Endfertigung
Photovoltaik-Systeme Module und Photovoltaikgeneratoren,
Speichertechnologien,
Wechselrichter,
Insel- und Netzverbundanlagen
3
Wasserstoff als Energieträger 15
Den Schülerinnen und Schülern beschreiben nach intensiver Recherche die Gewinnung von und
den Umgang mit Wasserstoff. Sie beurteilen diesen Energieträger und setzen sich kritisch mit
dessen Gewinnung und Handhabung auseinander.
Verfügbarkeit Chemische und physikalische Eigenschaften,
Herstellung von Wasserstoff (Elektrolyse,
chemische Gewinnung, biochemische
Herstellung
Materialwechselwirkung
Transport Gastransport,
Flüssigtransport
Rohrleitungssysteme
Unfallgefahren
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8 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Solar- und Wasserstofftechnik (TG)
4
Brennstoffzelle als Energiewandler 10
Experimente mit einfachen (reversiblen) Wasserstoffzellen erlauben den Schülerinnen und Schülern
Einblicke in eine Vision mit Wasserstoff als möglichem sekundären Energieträger.
Brennstoffzelle Geschichte, möglicher Einsatz im
Zusammenhang mit der CO2 Diskussion
PEM-Zelle Zersetzung von Wasserstoff,
Elektrochemische Prozesse an
Grenzschichten,
Verbrennung, Oxidation,
Wasserstoffoxidation und
Sauerstoffreduktion
Strom- Spannungskennlinie
Vergleich unterschiedlicher Wandler bezüglich Leistung und Wirkungsgrad
z. B. Verbrennungsmotoren, Turbinen
Technische Realisierung von
Wasserstoffenergiesystemen
Stack,
Dauerbetrieb
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Astronomie und Raumfahrttechnik (TG) 9
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dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Astronomie und Raumfahrttechnik
Eingangsklasse
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10 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Astronomie und Raumfahrttechnik (TG)
Vorbemerkungen
Seit der Beobachtung der Jupitermonde durch Galilei mit Hilfe des Fernrohrs hat die Entwicklung
der Beobachtungstechnik unser Weltbild grundlegend verändert. Aussagen über die Ursprünge
des Kosmos, dessen Aufbau und zukünftige Entwicklung werden heute mit multispektralen Untersuchungen
Satelliten gestützter Observatorien und mit erdgebundenen Großteleskopen gewonnen.
Die heute nur noch im staatlichen Verbund mögliche Großforschung ermöglicht faszinierende
Einblicke in Zustände der Materie, die im Labor nicht darstellbar sind. Gleichzeitig findet die
Raumfahrttechnik intensive Anwendung im ökonomischen Sektor und ist mit Satellitenfernsehen,
GPS und Wettersatelliten Bestandteil des täglichen Lebens geworden.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Astronomie und Raumfahrttechnik (TG) 11
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Eingangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 12
klasse 1 Grundlegende Phänomene 10 12
2 Wandel des Weltbildes 8 13
3 Das Sonnensystem 8 13
4 Astrophysik: Lebenslauf der Sterne 8 14
5 Aufbau des Universums, Kosmologie 8 15
6 Grundlagen der Raumfahrttechnik 8 60 15
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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12 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Astronomie und Raumfahrttechnik (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Eingangsklasse Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Grundlegende Phänomene 10
Die Schülerinnen und Schüler erklären die beobachtbaren Bewegungserscheinungen der Sonne,
des Mondes und des Sternenhimmels sowie die Finsterniserscheinungen der Erdrotation und der
Bewegung von Erde und Mond um die Sonne.
Jahreszeiten Polarkreis,
Neigung der Erdachse
Ekliptik
Mitternachtssonne und Polarnacht,
Nördlicher und südlicher Wendekreis,
Äquinoktien und Solstitien,
Bau einer Sonnenuhr,
Meridiandurchgang der Sonne beobachten,
Zeitgleichung
Mondphasen Beobachtung der Mondbewegung,
Sternbedeckungen beobachten,
Ebbe und Flut,
Synodischer Monat
Partielle und totale Sonnenfinsternisse
und Mondfinsternisse
Mondbahnneigung
Aufsteigender und absteigender Knoten
Zirkumpolare und jahreszeitliche
Sternbilder
Drakonitischer Monat,
Saroszyklus
Planetariumsbesuch,
Besuch einer Sternwarte
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10

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Astronomie und Raumfahrttechnik (TG) 13
2
Wandel des Weltbildes 8
Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Bedeutung astronomischer Beobachtungen für das
landwirtschaftliche, politische, kulturelle und religiöse Leben im Altertum. Sie erklären die kopernikanische
Wende.
Sie beschreiben die technischen Fortschritte bei der Himmelsbeobachtung von der Erfindung des
Fernrohres bis zur Satellitentechnik und beurteilen deren Bedeutung für den Wandel des Weltbildes.
Historische Bedeutung der Astronomie Himmelsscheibe von Nebra,
Kalender,
Termine für Saat und Ernte,
Astrologie und Astronomie
Ptolemäisches Weltbild
Kopernikanische Wende
Heliozentrisches Weltbild
Epizyklen,
Schleifenbewegung der Planeten,
Paradigmenwechsel
Keplersche Gesetze Umlaufzeiten und Bahnhalbachsen der
Planeten berechnen
Gravitationsgesetz Anziehungskraft der Sonne und der Erde auf
den Mond berechnen
Moderne Beobachtungsinstrumente und der
Wandel des Weltbildes
Refraktor und Spiegelteleskop
Satelliten-Observatorien
3
Entwicklung der Astronomie und Astrophysik
seit der kopernikanischen Wende,
Spektroskopie,
Radioteleskop,
Große Sternwarten (z. B. ESO),
Gravitationswellendetektor,
Neutrinoteleskope
Das Sonnensystem 8
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau des Sonnensystems. Sie erklären den
Aufbau der Sonne, benennen die beobachtbaren Sonnenphänomene und beurteilen deren Auswirkungen
auf die Erde. Sie beschreiben die Planeten und größten Monde des Sonnensystems
und erläutern die besondere Stellung des Systems Erde und Erdmond.
Aufbau der Sonne
Sonnenflecken
Protuberanzen
Korona
Sonnenwind
Ergebnisse von Raumfahrtmissionen
Rotationsdauer der Sonne messen,
Polarlichter,
Sonnenfleckenzyklus,
Granulation,
Koronale Massenauswürfe (CME) und deren
Auswirkungen auf die Erde,
Solarkonstante messen
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14 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Astronomie und Raumfahrttechnik (TG)
Merkur, Venus, Mars
Jupiter und die galileischen Monde
Präsentation der Planeten und Monde
durch die Schüler mit Bezug zu den
entsprechenden Raumfahrtmissionen
Saturn und der Mond Titan Landung auf dem Saturnmond Titan
Uranus und Neptun
Erde und Erdmond
Bedingungen für das Leben
Kleinplaneten, Asteroide, Kometen und
Meteorite
4
Erde und Mond als Doppelplanetensystem,
Magnetfeld der Erde,
Die Erde als einziger Planet mit
Plattentektonik,
Zusammensetzung der Atmosphäre,
Ozonschicht,
Ozeane
Pluto und Charon,
Gefährdung durch Meteorite,
Nördlinger Ries und Steinheimer Becken
(Museumsbesuch möglich)
Asteroidengürtel,
Kuipergürtel,
Oortsche Wolke
Astrophysik: Lebenslauf der Sterne 8
Die Schülerinnen und Schüler erklären die Bildung der Sterne aus Gas und Staub, begründen die
Energiefreisetzungung mittels Kernfusion und lesen den Entwicklungszustand des Sterns aus dem
Hertzsprung-Russell-Diagramm ab. Sie erklären die Entstehung Roter Riesensterne, Weißer
Zwerge, Neutronensterne und Schwarzer Löcher.
Sternentstehung Bildung von Sternhaufen,
Planetenbildung,
Gas und Staub
Hertzsprung-Russell-Diagramm
Hauptreihe
Fusion von Wasserstoff zu Helium
Salpeterprozesse und Rote Riesensterne
Einfluss der Masse auf die Sternentwicklung
Weiße Zwerge, Neutronensterne, Schwarze
Löcher
Beobachtung der Farbe der Sterne,
Berechnung der in Energie umgewandelten
Sonnenmasse aus der Solarkonstanten
Bildung schwerer Elemente bis zur
Eisengruppe
Entstehung von Elementen oberhalb der
Eisengruppe durch Supernovae
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Astronomie und Raumfahrttechnik (TG) 15
5
Aufbau des Universums, Kosmologie 8
Die Schülerinnen und Schüler nennen astronomische Entfernungsmaße und erklären deren Berechnung.
Sie erklären die Struktur des Universums mit der Theorie des Urknalls.
Astronomische Einheit
Parsec, Lichtjahr
Entfernungsbestimmung astronomischer
Objekte
Struktur des Universums
Milchstraße
Galaxien
Galaxienhaufen
Rotverschiebung und Hubble-Konstante
Alter des Universums
Urknalltheorie
6
Sternparallaxen,
Cepheiden,
Entfernungsbestimmung durch Supernovae
Galaktische Superhaufen,
Kosmische Leerräume,
Ergebnisse des Hubble-Weltraumteleskops
Kosmische Hintergrundstrahlung,
Expansion des Raumes,
Dunkle Materie,
Dunkle Energie,
Zukunft des Universums
Grundlagen der Raumfahrttechnik 8
Die Schülerinnen und Schüler erklären die Grundlagen der Raketentechnik. Sie beschreiben ausgewählte
Raumfahrtmissionen und begründen die Bedeutung der Raumfahrttechnik für die Wirtschaft.
Raketentechnik
Mehrstufenprinzip
Satelliten und Raumstationen in Forschung
und Wirtschaft
Chemische Triebwerke,
Ionentriebwerk und andere alternative
Triebwerke,
Hohmann-Bahn und Bahnformen bei
geringem Schub (Low Thrust),
Swing-by Manöver
Raumfahrende Nationen,
NASA und ESA,
Internationale Raumstation und deren
Versorgung
Erdbeobachtung Umweltbeobachtung,
Wettersatelliten,
Vermessung der Erde
Navigation und Kommunikation mit Hilfe der
Satellitentechnik
Geostationäre Bahnen,
GPS, Galileo,
Fernsehen, Radio und Telefon
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16 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Astronomie und Raumfahrttechnik (TG)
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umwelt, Technik und regenerative Energien (TG) 17
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Umwelt, Technik und regenerative
Energien
Eingangsklasse
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18 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umwelt, Technik und regenerative Energien (TG)
Vorbemerkungen
Bevölkerungswachstum, zunehmender Energiebedarf und vor allem die Nutzung fossiler Brennstoffe
führen zu Umweltproblemen von globaler Bedeutung. Das Wahlthema Umwelt und Technik
soll das Bewusstsein der Schülerinnen und Schüler für diese Problematik schärfen und sie in die
Lage versetzen, die Auswirkungen des eigenen Verhaltens kritisch zu reflektieren. Die jetzigen und
zukünftigen Potenziale regenerativer Energien werden unter technischen, ökonomischen und
ökologischen Gesichtspunkten als Beitrag zur Erhaltung unseres Lebensraumes bewertet.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umwelt, Technik und Regenerative Energien (TG) 19
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Eingangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 20
klasse 1 Solarthermie 8 20
2 Wasserkraft 6 20
3 Windkraft 6 20
4 Biomasse 12 21
5 Geothermie 6 21
6 Marine Energien 4 21
7 Rationelle Energieverwendung 8 60 21
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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20 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umwelt, Technik und regenerative Energien (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Eingangsklasse Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Solarthermie 8
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die verschiedenen Möglichkeiten zur Wärmegewinnung
im privaten Haushalt und in der Industrie. Sie beurteilen ökonomische und ökologische Aspekte.
Niedertemperaturbereich Kollektorentypen,
Simulation zur Bedarfsberechnung,
Wirtschaftlichkeitsrechnung
Hochtemperaturbereich Sonnenkraftwerke,
Prozesswärme,
CO2 - Einsparung
2
Wasserkraft 6
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Wasserkraft als eine indirekte Nutzung der Sonnenenergie
sowie den Einsatz unterschiedlicher Wasserkraftwerkstypen.
Laufkraftwerke
Speicherkraftwerke
Pumpspeicherwerke
3
Turbinentypen
Tages- bzw. Jahresbelastungskurven
Windkraft 6
Die Schülerinnen und Schüler bewerten neben rein technischen Aspekten auch
ökonomische, ökologische und landschaftliche Problematiken erneuerbarer Energien.
Terrestrische Anlagen EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz),
Landschaftsschutz
Offshore-Anlagen
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10

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umwelt, Technik und Regenerative Energien (TG) 21
4
Biomasse 12
Die Schülerinnen und Schüler beurteilen sowohl globale als auch regionale Konsequenzen von
nachhaltiger bzw. nicht nachhaltiger Energiewirtschaft.
Globaler Kohlenstoffkreislauf
Grundlagen der Photosynthese
Holz
Energiepflanzen
Biokraftstoffe
Biogas
5
CO2 – Problematik
Veränderungen in der Rolle der
Landwirtschaft,
Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion
Geothermie 6
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Verfahren zur Nutzung dieser Energiequelle,
diskutieren aber auch die technischen Probleme und Herausforderungen bei ihrer Umsetzung.
Erdgekoppelte Wärmepumpen
Hydrothermale Geothermie
Hot-Dry-Rock-Verfahren
6
Leistungszahl
Marine Energien 4
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Szenarien der zukünftigen Möglichkeiten der
Energiegewinnung.
Gezeitenkraftwerke
Meeresströmungskraftwerke
Wellenkraftwerke
7
Rationelle Energieverwendung 8
Die Schülerinnen und Schüler reflektieren ihr eigenes Verhalten beim Energieverbrauch. Sie
schätzen ihre persönlichen Möglichkeiten zur schonenden Nutzung der Energieressourcen ein.
Brennwerttechnik
Kraft-Wärme-Kopplung
Wärmedämmung
Hybridfahrzeuge
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22 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umwelt, Technik und regenerative Energien (TG)
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik I (TG) 23
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Bionik I
Eingangsklasse
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24 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik I (TG)
Vorbemerkungen
Ziel der Bionik ist die Übertragung von Problemlösungen aus der Natur in den Bereich der Technik,
um die in Jahrmillionen entwickelten und optimierten natürlichen Erfindungen zu nutzen. Voraussetzung
für erfolgreiches bionisches Arbeiten ist das Erfassen der Funktionsprinzipien dieser
Lösungen, nicht einfaches Kopieren der Natur in die Technik. Bionik erfordert ein neues Denken
und eine Umorientierung auf interdisziplinäres und ganzheitliches Vorgehen.
Im Wahlthema Bionik erhalten die Schülerinnen und Schüler anhand von vielfältigen Beispielen
einen Einblick in das weitverzweigte Fachgebiet. Die Auseinandersetzung mit der Fülle an Lösungen
aus der Natur soll die Kreativität der Schülerinnen und Schüler fördern und ihren Respekt vor
den Lebewesen und dem Ökosystem Erde verstärken. Vertiefende Experimente und das Fertigen
von Modellen zu ausgewählten Lehrplaneinheiten ergänzen die handlungsorientierte Themenbearbeitung.
Das Wahlthema besteht aus den drei aufeinander aufbauenden Modulen Bionik I, Bionik II und
Bionik III. Im dritten Modul Bionik III vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihre Kenntnisse aus
den beiden vorherigen Modulen und wenden diese praxisbezogen an.
Anmerkung zur Anordnung der Beispiele in der Hinweisspalte der Lehrplaneinheiten:
Das natürliche Vorbild und das dazu gehörige künstliche Abbild werden mit einem Spiegelstrich
einander gegenüber gestellt, z. B. Haifischhaut – Schwimmanzug.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik I (TG) 25
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Eingangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 26
klasse 1 Grundlagen der Bionik 6 26
2 Oberflächenbionik 20 26
3 Bewegungsbionik 14 27
4 Energiebionik 10 60 27
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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80
Seite

26 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik I (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Eingangsklasse Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen,
Bau von Modellen,
Experimente
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Grundlagen der Bionik 6
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Geschichte der Bionik. Sie vergleichen Prinzipien
aus der belebten Natur mit denen in technischen Konstruktionen oder Verfahren und vollziehen
den Abstraktions- und Übertragungsvorgang an Beispielen nach.
Definition der Bionik
Geschichte der Bionik
Leonardo da Vinci, Otto Lilienthal, Georges de
Mestral, Werner Nachtigall
Methoden der Bionik Bottom-up- und Top-down-Prinzip
Bionik im Alltag Klettverschluss, Stacheldraht
2
Oberflächenbionik 20
Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Bedeutung von Oberflächen als Kontaktstellen
zwischen Lebewesen und der Umwelt. Sie begründen ausgewählte Eigenschaften des Lebewesens
mit dem Aufbau auf der Nanoebene oder speziellen Eigenschaften der Oberfläche. Sie
beschreiben aktuelle technische Anwendungsmöglichkeiten.
Lotuseffekt
– Benetzung
– Selbstreinigung
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10
Pflanzenblätter von Kohl, Tulpe, Kapuzinerkresse
– Nanotechnologie: Wandfarben,
schmutzabweisende Textilien, Beschichtungen
Reibungsreduzierung Haifischhaut – Schwimmanzug
Wüstenechse („Sandfisch“)
Reflexionsminderung Mottenauge: Sehen und Nicht-gesehenwerden
– Entspiegelung von Displays,
Beschichtung von Solarzellen
Haften und Kleben
– Haftstrukturen
– Van-der-Waals-Kräfte
– Kleben mit Klebstoff
Geckofuß
Seepocken, Miesmuschel

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik I (TG) 27
Farbe durch Oberflächenstruktur Morphofalter
Wassergewinnung Wüstenkäfer der Gattung Stenocara
3
Bewegungsbionik 14
Die Schülerinnen und Schüler analysieren die natürlichen Vorbilder von strömungsgünstigen Formen.
Sie erläutern bionische Konstruktionsprinzipien und stellen Anwendungsmöglichkeiten dar.
Sie würdigen das kreative Potential des Fin-Ray-Effekts.
Fliegen
– Auftriebskräfte (Bernoulli-Effekt)
– aerodynamische Eigenschaften
– Randwirbel
Schwimmen
– Strömungsgünstige Formen
– cw-Wert
Vogelflug
Flugzeugflügel
Winglets
Delfinnase – Schiffsbug
Pinguin – Schiffs- oder Flugzeugrumpf
Kofferfisch – bionisches Automobil
Fin-Ray-Effekt Fischflosse – adaptive Rückenlehne,
technischer Greifer
Künstlicher Fisch oder künstliche Qualle
4
Energiebionik 10
Die Schülerinnen und Schüler analysieren bionische Konzepte zum Umgang mit Energie. Sie erläutern
die aktive und passive Solarenergienutzung in Natur und Technik.
Energienutzung beim Eisbär
Fell- und Hautbeschaffenheit – transparente
Wärmedämmung
Natürliche Klimatisierung Termitenbau – Solarkamin, natürliche Lüftung
Fotosynthese
– Bio-Solarzelle
Farbstoffzelle nach Grätzel
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28 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik I (TG)
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme I (TG) 29
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Mechatronische Systeme I
Eingangsklasse
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30 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme I (TG)
Vorbemerkungen
Mechatronik ist eine Ingenieurwissenschaft, die sich mit der Funktionalität eines technischen
Systems durch eine enge Verknüpfung mechanischer, elektronischer und datenverarbeitender
Komponenten beschäftigt.
Im Wahlthema „Mechatronische Systeme“ werden die Schülerinnen und Schüler mit den Grundlagen
der Pneumatik, der Elektropneumatik, der Steuerungstechnik und der Robotertechnik vertraut
gemacht. Sie erkennen, dass viele Prozesse in Natur und Technik auf grundlegend gleichen Prinzipien
beruhen und werden in die Lage versetzt, diese Prozesse zu analysieren.
In projektorientierten Aufgaben können Lösungen für einfache Steuerungsaufgaben erprobt und
die Kenntnisse vertieft werden. Durch den Einsatz des Computers mit Entwurfs- und Simulationssoftware
wird den Schülerinnen und Schülern die Bedeutung des PC als Werkzeug zur Planung
und Gestaltung verdeutlicht.
Je nach vorhandener Ausstattung der Schule können die projektorientierten Aufgaben im gerätebezogenen
Unterricht oder mithilfe einer Simulationssoftware bearbeitet werden, z. B. die Umsetzung
einer Steuerung oder die Programmierung eines Roboters.
Das Wahlthema besteht aus den drei aufeinander aufbauenden Modulen Mechatronische Systeme
I, Mechatronische Systeme II und Mechatronische Systeme III.
Im ersten Modul werden die Grundlagen der Pneumatik, der Elektropneumatik und der Steuerungstechnik
erarbeitet, im zweiten Modul die der speicherprogrammierbaren Steuerungen. Das
dritte Modul befasst sich mit Robotertechnik und Roboterprogrammierung.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme I (TG) 31
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Eingangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 32
klasse 1 Pneumatische Steuerungen 15 32
2 Elektropneumatische Steuerungen 15 33
3 Ablaufsteuerungen 10 33
4 Projekt Ablaufsteuerung 10 60 33
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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32 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme I (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Eingangsklasse Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Pneumatische Steuerungen 15
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau einer pneumatischen Anlage. Sie lösen
steuerungstechnische Aufgaben der Pneumatik, indem sie einfache pneumatische Schaltungen
entwerfen. Hierzu berechnen sie pneumatische Kenngrößen und wählen geeignete Zylinder aus.
Die Schülerinnen und Schüler bauen Schaltungen ausstattungsabhängig praktisch auf oder
simulieren diese mit einer Software, überprüfen deren Funktion und beseitigen auftretende
Steuerungsfehler. Sie berechnen und bewerten die Kosten für den Luftverbrauch eines Zylinders.
Grundlagen Pneumatik
– Physikalische Größen
– Steuerungsarten
– Komponenten einer pneumatischen Anlage
Pneumatische Schaltungen
– Entwurf
– Schaltungslogik
– Schaltplan
– Ventil- und Zylinderauswahl
– Fahrgeschwindigkeiten
– Kennlinien
– Pneumatische Kenngrößen
– Luftverbrauch
– Aufbau/Simulation
– Fehlerbehebung
Nach DIN ISO 1219
Druckbegrenzungsventil,
Druckaufbau im Zylinder
Kolbenkraft, Zylinderdurchmesser
Energieeffizienz
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme I (TG) 33
2
Elektropneumatische Steuerungen 15
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau einer elektropneumatischen Anlage. Sie
lösen steuerungstechnische Aufgaben der Elektropneumatik, indem sie einfache elektropneumatische
Schaltungen entwerfen. Sie erstellen Stromlaufpläne und bauen Schaltungen ausstattungsabhängig
praktisch auf oder simulieren diese mit einer Software, überprüfen deren Funktion und
beseitigen auftretende Steuerungsfehler.
Grundlagen der Elektropneumatik
– Ventilansteuerung
– Steuerungstechnische Bauelemente
– Sensoren
– Sicherheitstechnische Maßnahmen
Verbindungsprogrammierte Steuerung
– Entwurf
– Schaltungslogik
– Schaltplan, Stromlaufplan
– Aufbau/Simulation
– Fehlerbehebung
3
Nach DIN EN 60617
Ablaufsteuerungen 10
Die Schülerinnen und Schüler planen eine lineare Ablaufsteuerung mithilfe eines Funktionsablaufplans,
stellen ihn normgerecht dar und setzen diesen in einer elektropneumatischen Steuerung
um.
Elektropneumatische Ablaufsteuerungen
– Funktionsablaufplan
– Aufbau/Simulation
– Fehlerbehebung
– Betriebsarten
4
Projekt Ablaufsteuerung
Darstellung nach DIN EN 61131-3
(Ablaufsprache – AS) oder
DIN EN 60848 (GRAFCET)
Die Schüler und Schülerinnen planen eigenständig eine elektropneumatische Ablaufsteuerung für
eine vorgegebene Problemstellung mit zwei oder drei Zylindern. Sie setzen diese ausstattungsabhängig
praktisch um oder simulieren diese mit einer Software und dokumentieren ihre
Ergebnisse. Sie vergleichen und bewerten unterschiedliche Lösungsansätze.
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10

34 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme I (TG)
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Energiewirtschaft (TG) 35
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Energiewirtschaft
Jahrgangstufe 1 oder
Jahrgangsstufe 2
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36 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Energiewirtschaft (TG)
Vorbemerkungen
Die Bedeutung der Energiewirtschaft für die künftige Entwicklung der Menschheit bzw. einzelner
Gesellschaften wird in den kommenden Jahren dramatisch zunehmen. Im Modul Energiewirtschaft
erarbeiten die Schülerinnen und Schüler einen Überblick über die Relevanz verschiedener Energiesysteme.
Energieszenarien, die den Zusammenhang zwischen Energieangebot und Reichweite
verschiedener Energieträger beschreiben, sollen nach ihrer Umsetzbarkeit, Wirtschaftlichkeit und
Nachhaltigkeit bewertet werden. Im Unterricht sollen von den Schülerinnen und Schülern im Zusammenhang
mit der Bewertung konkreter Anlagen (in der Schule oder der Kommune) auch praktische
Erfahrungen gesammelt, analysiert, bewertet und präsentiert werden.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Energiewirtschaft (TG) 37
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 38
stufe 1 1 Energie und Energiebilanzen 6 38
oder 2 Künftige Entwicklung der Energieversorgung 14 38
Jahrgangs- 3 Projektierung und Beurteilung von Energiesystemen 20 39
stufe 2 4 Umweltrelevanz von Energiesystemen 10 60 39
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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38 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Energiewirtschaft (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 1 oder 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Entwicklung eines Energiekonzeptes für
ausgewählte Ressourcen (Strom, Wasser,
Heizenergie) in der Standortgemeinde der
Schule,
Energiekonzept für die Schule selbst
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Energie und Energiebilanzen 6
Die Schülerinnen und Schüler verwenden die entsprechenden Fachbegriffe situationsbezogen. Sie
lesen und erstellen Energiebilanzen und schätzen damit den Energieverbrauch verschiedener
Systeme ab.
Energiebegriff, Energieformen, Energiequellen Physikalisch, primär-, End- und Nutzenergie
Energieeinsatz und
Energiewandlungsprozesse
Unterscheidung von Verbrauchssektoren
(Privathaushalte, Verkehr, Industrie, Schule)
und einzelnen Energiewandlern (z. B.
elektrischer Wasserkocher)
Energiebilanzen Für ein technisches System und/oder für ein
Wirtschaftssystem
Entwicklung der Energienachfrage und des
Energieeinsatzes
2
Bedarfsbegriff, saisonale Schwankungen,
Struktur des End- und Nutzenergiebedarfes
Künftige Entwicklung der Energieversorgung 14
Die Schülerinnen und Schüler nennen Einflussfaktoren für die zukünftige Entwicklung des Energiebedarfs,
des Energieangebotes und der Reichweite verschiedener Energiequellen. Sie beurteilen
verschiedene Energieversorgungsszenarien.
Nationaler und weltweiter Energiebedarf
Bevölkerungszahl
Effizienz bei der Umwandlung
Produktionsfaktor Energie
Wirtschaftliche Entwicklung
Reichweite konventioneller Energiequellen Fossile Energiequellen, Uran,
Globale Verteilung der Reserven
Anforderungen an die künftige
Energieversorgung
Versorgungssicherheit, Umwelt- und
Klimaverträglichkeit, Sozialverträglichkeit,
Risiko- und Krisenarmut, Systemverletzlichkeit
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10

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Energiewirtschaft (TG) 39
3
Projektierung und Beurteilung von Energiesystemen 20
Die Schülerinnen und Schüler bewerten Energiesysteme hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit und
Realisierbarkeit. Sie begründen die Bedeutung der Energieeffizienz.
Klassische Verfahren zur Kostenbewertung in
der Energiewirtschaft
Methoden der Investitionsrechnung,
Systemlebensdauer,
Beispielrechnung an ausgewählten Systemen
z. B. Fotovoltaik, Windkraft, konventionelle
Systeme
Externe Kosten von Energiesystemen Staatliche Subventionen, Forschungs- und
Entwicklungskosten, Entsorgung, Umwelt- und
Gesundheitsschäden,
Internalisierung dieser Kosten
Energiedienstleistungen und Energieeffizienz Umwandlung von Endenergie in die eigentliche
erwünschte Energiedienstleistung,
Energierückgewinnung
Erzeugungs- bzw. Anlagensysteme Elektrische Maschinen, Umrichter,
Regelungssysteme
Projektierung eines Konzeptes Z. B. anhand der Energieflüsse der Schule
4
Umweltrelevanz von Energiesystemen 10
Die Schülerinnen und Schüler bewerten umweltbezogene Wirkungen von Energiewandlungssystemen.
Sie beschreiben Lösungsansätze für nachhaltige Systeme.
Emmission,
Immission,
Nachhaltigkeit
Bundesimmisionsschutzgesetz und
Verordnungen,
EU-Gesetzgebung
Klimaschutzanforderungen Klimaziele weltweit und national,
Abschätzung der Realisierbarkeit
Weitere Umweltwirkungen Flächenverbrauch,
Ökosysteme und Vernetzung
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40 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Energiewirtschaft (TG)
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mikrosystemtechnik (TG) 41
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Mikrosystemtechnik
Jahrgangsstufe 1 oder
Jahrgangsstufe 2
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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42 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mikrosystemtechnik (TG)
Vorbemerkungen
Das Wahlthema Mikrosystemtechnik beschäftigt sich mit miniaturisierten elektronischen, mechanischen
und fluidischen Bauteilen sowie daraus gefertigten komplexen Mikrosystemen, deren Größe
im Bereich von wenigen Millimetern oder darunter liegt. Die Mikrosystemtechnik kann als Weiterentwicklung
der Mikroelektronik im Hinblick auf nichtelektronische Gebiete angesehen werden. Sie
eröffnet die Möglichkeit, statt eines einzelnen Sensors ein ganzes Sensorarray mit hoher Packungsdichte
zu fertigen. Parallele Signalverarbeitung, hohe Selektivität und Berücksichtigung von
Störgrößen erhöhen die Qualität der Anwendung. Mikrosysteme werden in zunehmendem Umfang
in allen Bereichen der Technik angewendet.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mikrosystemtechnik (TG) 43
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 44
stufe 1 1 Anwendung und Aufbau von Mikrosystemen 6 44
oder 2 Physikalisch-chemische Grundlagen 10 44
Jahrgangs- 3 Silizium-Einkristallscheiben 6 45
stufe 2 4 Silizium-Mikromechanik 12 46
5 LIGA-Verfahren 8 46
6 Nanotechnik 8 60 47
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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44 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mikrosystemtechnik (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 1 oder 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Anwendung und Aufbau von Mikrosystemen 6
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau eines Mikrosystems und gliedern in Funktionsblöcke.
Sie erklären den Unterschied zwischen einzelnen Komponenten und einem System.
Anwendung von Mikrosystemen
Analyse eines Mikrosystems
Funktionsblöcke des Mikrosystems
Sensoren
Aktoren Pumpen
Signalverarbeitung
Speicher
Schnittstellen zur Umwelt
2
An einem geeigneten Mikrosystem dessen
Aufbau und Verwendung untersuchen
Beschleunigungssensor,
Riechsensor,
Drucksensor,
Schalter
Physikalisch-chemische Grundlagen 10
Die Schülerinnen und Schüler nennen die wichtigsten Werkstoffklassen und unterscheiden sie
anhand ihrer charakteristischen Eigenschaften.
Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe
Kunststoff
Keramik
Halbleiter
Metall
Elektrische, thermische, magnetische,
piezoelektrische Eigenschaften.
Flüssigkristalle, Gele
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10

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mikrosystemtechnik (TG) 45
Kristalle
Gitter und Kristallstruktur
100, 110 und 111 Gitterebene
kristallografische Richtungen
Experimente an Kristallen mit kubischer
Symmetrie, z. B. Alaun KAl(SO4)2·12 H2O
können die kristallografischen
Grundbegriffe verdeutlichen,
Kristallzucht, Ätzfiguren, Symmetrien,
Wachstumsgeschwindigkeiten
unterschiedlich indizierter Flächen
Kristallstruktur von Silizium Verwandte Materialien, z. B. Diamant,
Galliumarsenid
3
Silizium-Einkristallscheiben 6
Die Schülerinnen und Schüler erklären die Herstellung von Silizium-Einkristallen und die Fertigung
von Wafern. Sie begründen die Bedeutung der Vakuumtechnik und der Reinraumtechnik für die
Mikrotechnik.
Herstellung und Reinigung von Silizium Metallurgic Grade Silicon (MG-Si),
Electronic Grade Silicon (EG-Si)
Kristallzucht
Czochralski-Verfahren
Zonenziehverfahren
Dotierung
Herstellung von Wafern Schleifen der Barren zu Zylindern,
Orientieren,
Sägen,
Kodieren
Abscheidung und Manipulation von Schichten Chemische Abscheidung (CVD),
Aufdampfen und Sputtern (PVD),
Epitaxie,
Mechanisch-Chemisches Polieren (MCP),
Verborgene Substrate,
Implantierung
Vakuumtechnik, Vakuumbereiche Grob-, Fein-, Hochvakuum,
Ultrahochvakuum,
Gastransferpumpen,
Gas bindende Pumpen
Reinraumtechnik, Reinraumklassen Aufbau eines Reinraums
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46 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mikrosystemtechnik (TG)
4
Silizium-Mikromechanik 12
Die Schülerinnen und Schüler erklären die Herstellungsverfahren mikromechanischer Bauteile. Sie
erläutern mikromechanische Systeme und deren Einsatzmöglichkeiten. Mit ausgewählten Systemen
führen sie Messungen durch und entwerfen Anwendungen.
Lithografische Verfahren
Masken
Resist
Tiefenätztechnik
Anisotrope Ätzverfahren
Optische Verfahren,
Elektronenstrahllithografie
Aufbau und Verbindungstechnik Hybridtechnik, Löten, Bonden,
SMD-Technik
Mikromechanische Bauelemente
Anwendungen
5
Ein geeignetes Bauteil näher untersuchen
z. B.
Druck- und Beschleunigungssensoren,
Durchflusssensoren,
Lichtmodulatoren,
Mikrospiegel,
Magnetische Mikrosensoren,
Chemische Mikrosensoren,
Mikrofluidische Komponenten
LIGA-Verfahren 8
Die Schülerinnen und Schüler erklären die unter dem Begriff LIGA zusammengefassten Verfahren
und erläutern Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu den Fertigungsverfahren der Mikroelektronik
und Silizium-Mikromechanik.
Maskenherstellung Absorber,
Trägerfolien
Röntgentiefenlithografie Röntgenstrahlung,
Synchrotronstrahlung,
Dicke Resistschichten,
Qualität der abgebildeten Struktur
Galvanische Abscheidung Formeinsatzherstellung für die
Mikroabformung,
Galvanoformung
Kunststoffabformung Reaktionsgießen,
Spritzgießen,
Heißprägen
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mikrosystemtechnik (TG) 47
6
Nanotechnik 8
Die Schülerinnen und Schüler erklären den Unterschied zwischen Mikro- und Nanotechnologie.
Sie erläutern Beispiele für nanotechnologische Entwicklungen und deren Integration in Mikrosysteme.
Zusammenhang zwischen struktureller Größe
und Funktionalität
Eigenschaften wie Härte, Leitfähigkeit, Farbe
und Reaktivität hängen von der Partikelgröße
ab,
Längenskala
Grenzen der Skalierbarkeit Moores Gesetz,
Downscaling makroskopischer
Funktionalitäten,
Bottom-up und Top-down Verfahren,
Bedeutung der Nanotechnik für die Wirtschaft
Beispiele nanotechnologischer Entwicklungen
und Verfahren
Integration in Mikrosysteme
Rasterkraftmikroskopie,
Entwicklungen in verschiedenen
technologischen Gebieten z. B.
Chemie, Werkstofftechnik,
Medizintechnik, Pharmazie,
Feinmechanik, Optik
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48 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mikrosystemtechnik (TG)
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bautechnik (TG) 49
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Bautechnik
Jahrgangsstufe 1 oder
Jahrgangsstufe 2
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50 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bautechnik (TG)
Vorbemerkungen
Für neue Entwicklungen werden von der Wirtschaft immer kürzere Fristen gesetzt (z. B. immer
kürzere Produktzyklen). Vorgaben erfordern gleichzeitiges Tätigwerden verschiedener Disziplinen;
in der Industrie sind dies Plattform-Teams aus Designern, Produktplanern, Konstrukteuren, Produktionsingenieuren
sowie Finanz-, Marketing- und Vertriebsexperten. Innovation setzt Kenntnisse
kreativitätsfördernder und gestalterischer Methoden voraus. Am Beispiel eines konkreten Projektes
sollen die Einflussfaktoren auf Gebäudeplanungen erkannt und evtl. noch nicht realisierbare
Alternativen angedacht und erarbeitet werden.
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bautechnik (TG) 51
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 52
stufe 1 1 Planung und Gestaltung von Gebäuden 10 52
oder 2 Bauausführung von Hochbauten 30 52
Jahrgangs- 3 Energieeinsatz von Baukonstruktionen 10 60 53
stufe 2 Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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80
Seite

52 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bautechnik (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 1 oder 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Planung und Gestaltung von Gebäuden 10
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Grundlagen der Planung und Gestaltung von Gebäuden
und geben die Einflussfaktoren für Gebäudeplanungen an.
Grundlagen von Planung und Gestaltung
Gestaltungsprozess
Kreativitätsfördernde Methoden,
Projektteam
Methodenlehre Synektik, Brainstorming, Black-Box-Theorie
Anthropometrie, Ergonomie Bauentwurfslehre
Gestaltungsmittel Struktur, Farbe, Linie, Helligkeit,
Gliederung
Einflussfaktoren auf Gebäudeplanungen
Gebäudetypen, Grundrisstypologie,
Bauwerksart
Raumprogramm
Raumbedarf
Wohnfunktion
Städtebau
Bauökologie
2
Wohngebäude, Büros, Geschäfte
Einzelbau, Zeilenbau
Bauausführung von Hochbauten 30
Die Schülerinnen und Schüler geben den baubetrieblichen Ablauf an, definieren konstruktive Bauelemente
und beschreiben bauphysikalische Grundlagen. Sie erläutern Maßnahmen der Haustechnik
in Bezug auf den Innenausbau.
Baubetrieblicher Ablauf Netzplan
Vermessungstechnik Vermessungsinstrumente,
Lageplan
Geologie Erdbewegung
Grundbau, Gründung Fundamente
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
LS-FB 4 29.07.11/gi BG2-TG-SV_Sondergebiete-der-Technik_08_3661.doc
10

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bautechnik (TG) 53
Konstruktive Elemente Wand, Decke, Dach
Bauphysikalische Grundlagen Wärmeschutz, Feuchtigkeitsschutz,
Schallschutz, Brandschutz
Energieversorgung Elektrische Energie- und Informationstechnik
Sanitär- und Klimatechnik Wasser, Lüftung, Heizung
Decken-, Wand-, Bodenbeschichtungen Anstriche, Beläge aus Holz, Kunststoff, Fliesen
3
Energieeinsatz bei Baukonstruktionen 10
Die Schülerinnen und Schüler bewerten den Energieverbrauch bei der Herstellung und beim Betrieb
von Gebäuden.
Energiebilanz, Energieeinsparung Baustoffauswahl,
Wärmeschutzverordnung,
Gebäudeenergiepass,
Energieeinsparverordnung (EnEV)
Alternative und regenerative Energien Solar-, Windenergie, Erdwärme
Gebäudemanagement
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54 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bautechnik (TG)
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umweltmanagement (TG) 55
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Umweltmanagement
Jahrgangsstufe 1 oder
Jahrgangsstufe 2
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56 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umweltmanagement (TG)
Vorbemerkungen
Nachhaltigkeit gelingt auch in der Technik nur, wenn technisch-betriebliches Handeln in ein Management
eingebettet ist, welches den ökologischen Konsequenzen modernen Technikeinsatzes
Rechnung trägt. Mit dem Wahlthema Umweltmanagement eignen sich die Schülerinnen und
Schüler über die Technik hinausgehend betriebswirtschaftliche Methoden zur verantwortungsvollen
Gestaltung einer technologischen Welt an. Das Thema lädt dazu ein, die Methoden in Umwelt-
und Qualitätsmanagement selbst auszuprobieren und zu gestalten.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umweltmanagement (TG) 57
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 58
stufe 1 1 Grundlagen 12 58
oder 2 Umweltkenndaten und Umweltcontrolling 12 58
Jahrgangs- 3 Projekt- und Umweltmanagement 16 59
stufe 2 4 Umweltrecht und Arbeitsrecht 10 60 59
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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58 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umweltmanagement (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 1 oder 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekt,
Fallstudie,
Planspiel,
Rollenspiel,
Exkursion,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen und
kann sich an einer im Unterricht simulierten
oder einer realen Umwelt-Zertifizierung der
Schule orientieren.
Die Teilnahme an einem schulinternen oder
schulübergreifenden Wettbewerb mit umwelt-
oder klimarelevanter Themenstellung ist ebenso
geeignet.
Grundlagen des Umweltmanagements 12
Die Schülerinnen und Schüler begründen die Notwendigkeit zum nachhaltigen Handeln in der Gesellschaft
und in der Arbeitswelt. Sie beschreiben die wesentlichen Bestandteile eines Umweltmanagementsystems.
Nachhaltigkeit Magisches Dreieck der Nachhaltigkeit,
(ökologische, ökonomische und soziale
Aspekte)
Qualitätsmanagement nach ISO 9000 Deming-Kreis,
Modell nach ISO 9000:2000,
Zertifizierung und Audit
Eco Management and Audit Scheme (EMAS)
und ISO 14000
Integriertes Management
2
Wesentliche Elemente und deren Intention,
Überblick und Vergleich
Umweltkenndaten und Umweltcontrolling 12
Die Schülerinnen und Schüler planen eine Bestandsaufnahme und entwickeln für einen Betrieb,
einen Prozess oder die eigene Schule umweltrelevante Aspekte. Sie leiten für diese Aspekte
Kennzahlen ab, für deren Ermittlung sie Checklisten entwerfen. Sie schätzen aus ermittelten
Kennzahlen Umweltkosten und CO2-Bilanz ab.
Umweltcontrolling
Umweltaspekte Direkte, indirekte, wesentliche und
unwesentliche Aspekte
Umweltkenndaten Anwendung und Arten von Umweltkennzahlen
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10

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umweltmanagement (TG) 59
CO2-Bilanz CO2-Rechner im Internet,
Klimabereinigung und Gradtagzahlen
3
Projekt- und Umweltmanagement 16
Die Schülerinnen und Schüler planen die Einführung eines Umweltmanagementsystems. Sie dokumentieren
die wesentlichen Schritte und berücksichtigen dabei die Vorgaben durch Normen und
Verordnungen.
Projektmanagement Phasen eines Projektes, Zeitplanung,
Meilensteine,
Verantwortlichkeiten
Umweltpolitik und Leitbild Funktion eines Leitbildes,
Leitbild als langfristige Zielsetzung in Abgrenzung
zum Umweltprogramm
Umweltprogramm Umweltprogramm und Umweltziele als
Ableitung und Konkretisierung von Umweltbetriebsprüfung
und Umweltleitbild
Umweltmanagementsystem Erstellen eines Handbuchs,
Beschreibung von Tätigkeiten,
Prozessabläufen und Verantwortlichkeiten,
Organigramm,
Betriebsanweisungen
Umwelterklärung Öffentliche Funktion der Umwelterklärung
Audit Internes und externes Audit,
Zertifizierung und Validierung
4
Umweltrecht und Arbeitssicherheit 10
Aus der Vielzahl an gesetzlichen Regelungen ermitteln die Schülerinnen und Schüler für einen
beispielhaften Betrieb oder Prozess wesentliche Gesetze und erläutern deren Anwendung in der
Gestaltung von Betriebsabläufen.
Umweltrecht und Arbeitsicherheit im
Umweltmanagement
Konsequenz der bei Umweltgesetzen häufig
verwendeten Beweislastumkehr für Verantwortliche,
Dokumentationspflicht
Aktuelle Gesetze Überblick über Gesetze zum Umweltschutz
und zur Arbeitssicherheit,
Intention und Anwendung dieser Gesetze
Umgang mit Gefahrenstoffen
Gefahrstoffkataster
Kennzeichnung und Entsorgung von
Gefahrenstoffen
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60 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Umweltmanagement (TG)
Umgang mit Maschinen und Geräten Betriebsanweisungen,
Maximale Arbeitsplatzkonzentration
EU- Maschinenrichtlinie, CE-Zertifikat
Elektro-Check
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Holztechnik (TG) 61
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Holztechnik
Jahrgangsstufe 1 oder
Jahrgangsstufe 2
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62 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Holztechnik (TG)
Vorbemerkungen
Ausgehend von der Bedeutung des Waldes als Rohstoffquelle und Lebensraum lernen die Schülerinnen
und Schüler Holz und Holzwerkstoffe zu unterscheiden, sowie Holzverbindungen und
Holzverbindungsmittel auszuwählen. Sie lernen Holzbearbeitungsverfahren zu unterscheiden und
Oberflächenbehandlungen auszuwählen. Anhand eines konkreten Projektes sammeln Sie Erfahrungen
mit diesem Werkstoff.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Holztechnik (TG) 63
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 64
stufe 1 1 Holz- und Holzwerkstoffe 12 64
oder 2 Holzverbindungen und Verbindungsmittel 20 64
Jahrgangs- 3 Holzverarbeitung und Oberflächenverarbeitung 18 60 64
stufe 2 Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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64 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Holztechnik (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 1 oder 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Holz- und Holzwerkstoffe 12
Die Schülerinnen und Schüler entdecken den Wald als wichtige Ressource und beschreiben verschiedene
Holzarten. Sie vergleichen unterschiedliche Holzwerkstoffe hinsichtlich deren Einsatz
und Kosten.
Wald als Lebensraum und Rohstoffquelle Wasser, Klima, Erholung
Aufbau eines Baumes Kern, Jahresringe, Kambium
Unterscheidungsmerkmale Struktur,
Dichte,
Härte,
Farbe
Vollholz und Holzwerkstoffe Weich- und Hartholz,
Sperrholz,
Holzspanplatten
2
Holzverbindungen und Verbindungsmittel 20
Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden verschiedene Holzverbindungen und Verbindungsmittel
und setzen sie anwendungsgerecht ein.
Holzverbindungen Schrauben,
Kleben,
Nut und Feder,
Dübel
3
Holzverarbeitung und Oberflächenbearbeitung 18
Die Schülerinnen und Schüler nennen verschiedene Holzverarbeitungsverfahren und vergleichen
sie mit Verfahren aus der Metallbearbeitung. Sie wählen für ein konkretes Projekt geeignete Verfahren
und gestalten dessen Oberfläche werkstoffgerecht.
Holztrocknung Verfahren, Holzfeuchte
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10

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Holztechnik (TG) 65
Trennen Sägen
Hobeln
Fräsen
Schleifen
Arbeiten des Holzes
Oberflächenbehandlung Vorbereiten,
Beschichten
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66 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Holztechnik (TG)
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Messtechnik (TG) 67
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Messtechnik
Jahrgangsstufe 1 oder
Jahrgangsstufe 2
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68 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Messtechnik (TG)
Vorbemerkungen
Im Teilgebiet Sensorik lernen die Schülerinnen und Schüler die Wirkungsprinzipien verschiedener
messtechnischer Aufnehmer für physikalische und chemische Größen kennen. Aufbauend auf
elementaren Inhalten - insbesondere der Physik und Mathematik - werden sie befähigt, die technologischen
Systeme einer Reihe klassischer Sensoren zu verstehen und sinnvolle Einsatzgebiete
vorzuschlagen. Vereinfachte rechnerische Beschreibungen ermöglichen eine überschlägige Konzeption
von Messanordnungen vor dem Hintergrund konkreter technischer Aufgabenstellungen.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Messtechnik (TG) 69
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 70
stufe 1 1 Grundlagen 20 70
oder 2 Ausgewählte Sensoren 10 70
Jahrgangs- 3 Systemintegration 20 60 71
stufe 2 Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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Seite

70 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Messtechnik (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 1 oder 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Grundlagen 20
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben elementare Sensortechnologien und wenden diese auf
messtechnische Problemstellungen an.
Aktive und passive Sensoren
Messbereich,
Auflösung,
Toleranz,
Umgebungsbedingungen
Anwendung von Sensoren
Wärmesensor
Drucksensor
Lichtsensor
2
Charakteristische Einsatzgebiete
Thermoelement
Dehnungsmessstreifen
LDR, VDR
Wirkungsweise ausgewählter Sensoren 10
Die Schülerinnen und Schüler erklären klassische und innovative Verfahren aus den Bereichen
Positionserfassung und Gasanalyse, um diese im Hinblick auf typische Messaufgaben zu bewerten.
Positionssensoren Taktile und berührungslose Aufnehmer,
Widerstandsgeber und Differenzialtransformator,
Inkrementale und kodierte Geber,
Lasertriangulation
Gassensoren Wärmeleitverfahren,
Chemosensorik
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10

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Messtechnik (TG) 71
3
Systemintegration 20
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Messaufgabe, bestimmen Format und Aufbereitung
der Messdaten und planen Messsysteme in Übereinstimmung mit den technischen Anforderungen.
Signalaufbereitung und Messdatenübertragung
Entwurf eines ausgewählten Messsystems
– Auswahl des Sensorprinzips,
– Auslegung der Informationsübertragung
– Auswertung von Herstellerdatenblättern
Analoge und digitale Information,
Analog-Digital-Wandlung,
Verstärken und Filtern analoger
Signalspannungen
technische Dokumentation
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72 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Messtechnik (TG)
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik II (TG) 73
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Bionik II
Jahrgangsstufe 1 oder
Jahrgangsstufe 2
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74 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik II (TG)
Vorbemerkungen
Ziel der Bionik ist die Übertragung von Problemlösungen aus der Natur in den Bereich der Technik,
um die in Jahrmillionen entwickelten und optimierten natürlichen Erfindungen zu nutzen.
Voraussetzung für erfolgreiches bionisches Arbeiten ist das Erfassen der Funktionsprinzipien
dieser Lösungen, nicht einfaches Kopieren der Natur in die Technik. Bionik erfordert ein neues
Denken und eine Umorientierung auf interdisziplinäres und ganzheitliches Vorgehen.
Im Wahlthema Bionik erhalten die Schülerinnen und Schüler anhand von vielfältigen Beispielen
einen Einblick in das weitverzweigte Fachgebiet. Die Auseinandersetzung mit der Fülle an
Lösungen aus der Natur soll die Kreativität der Schülerinnen und Schüler fördern und ihren
Respekt vor den Lebewesen und dem Ökosystem Erde verstärken. Vertiefende Experimente
und das Fertigen von Modellen zu ausgewählten Lehrplaneinheiten ergänzen die
handlungsorientierte Themenbearbeitung.
Das Wahlthema besteht aus den drei aufeinander aufbauenden Modulen Bionik I, Bionik II und
Bionik III. Im dritten Modul Bionik III vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihre Kenntnisse aus
den beiden vorherigen Modulen und wenden diese praxisbezogen an.
Anmerkung zur Anordnung der Beispiele in der Hinweisspalte der Lehrplaneinheiten:
Das natürliche Vorbild und das dazu gehörige künstliche Abbild werden mit einem Spiegelstrich
einander gegenüber gestellt, z. B. Haifischhaut – Schwimmanzug.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik II (TG) 75
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 76
stufe 1 oder 1 Baubionik 12 76
Jahrgangs- 2 Evolutionsstrategien und Optimierung 8 76
stufe 2 3 Faltung und Verpackung 8 77
4 Kommunikation 10 77
5 Bioroboter und Umgang mit Komplexität 12 60 78
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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76 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik II (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 1 oder 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen,
Bau von Modellen,
Experimente
1
Baubionik
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Die Schülerinnen und Schüler analysieren die Vielfalt und die unterschiedliche Komplexität von
bionischen Konstruktionsprinzipien. Sie bewerten die Materialausnutzung in Leichtbaukonstruktionen
und beschreiben ihre Anwendung in Architektur und Produktdesign.
Druckstabilisierte Konstruktionen
– Pneu-Prinzip
– Pneumatikbauwerke
Effizienter Materialeinsatz
– Leichtbauweise
– Funktionelle Anatomie der Pflanze
2
Evolutionsstrategien und Optimierung
Schaum, Zelle
Traglufthalle, Tensairity-Brücke, Stadiondach
Parkplatzüberdachung
Diatomeen und Radiolarien – Felgen
Bienenwaben – Optimalwinkel durch Selbstorganisation
Knochenanatomie – Eiffelturm
Spinnennetz – Zelttragwerke
Spross und Wurzel – Technischer
Pflanzenhalm, Hochhausbau nach
Baumstamm-Vorbild
Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die Natur in der Evolution durch Variation und Selektion
geeignete Lösungen in Bezug auf sich verändernde Umweltbedingungen hervorbringt. Sie
erörtern die Optimierung von Eigenschaften und Konstruktionen in der Technik.
Darwinsche Evolutionstheorie Darwinfinken
Lösung technischer Probleme auf der Basis
von Evolutionsfaktoren
Logistikoptimierung
Optimierung eines 180-Grad-Rohrkrümmers
mittels Evolutionsstrategie nach Rechenberg
Transportwege, Arbeitsabläufe, Fahrpläne
Gestaltoptimierung von Bauteilen Computer Aided Optimization (CAO)
Vermeidung von Kerbspannung: Baumwachstum,
Tigerkralle – orthopädische
Schrauben
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10
12
8

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik II (TG) 77
3
Faltung und Verpackung
Die Schülerinnen und Schüler analysieren die Prinzipien von Konstruktionen und Verpackungen in
der Natur und beschreiben den Zusammenhang von Form und Funktion.
Stabilität durch Falten, Rillen, Knicke
Falttechnik
Verpackungsbeispiel Ei
– Formstabilität
– Atmungsaktivität
4
Kommunikation
Fächerpalmen – Dachkonstruktionen
Braunalgen – Sandwichmaterialien im
Flugzeugbau
Sonnensegel in der Raumfahrt,
Knautschzonen in der Automobilindustrie
Stabile Schalenkonstruktionen
Verpackungsfolien
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben verschiedene Kommunikationswege und Reizwahrnehmungen
in der Natur, die sich von der menschlichen Sinneswahrnehmung unterscheiden. Sie
erläutern, wie bionisch inspirierte technische Systeme die Sicherheit verbessern. Am Beispiel
Schwarmintelligenz zeigen sie, dass einfache Spielregeln komplexe Ergebnisse liefern können.
Bionische Sensoren
– Ultraschall-/Infraschall-Sensoren
– Infrarot-Sensoren
– Molekülsensoren
Schwarmintelligenz
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8
10
Fledermäuse – Abstandsmesssysteme,
Wale und Delfine – Unterwasserkommunikation
Schwarzer Kiefernprachtkäfer als Feuermelder
Schlüssel-Schloss-Prinzip als Basis komplexer
Analytik nach dem Vorbild der Insekten
Fisch- oder Vogelschwarm, Bienenvolk,
Ameisenstaat – Auslastung von Internetservern
oder Frachtkapazitäten
„Ameisenroboter“

78 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik II (TG)
5
Bioroboter und Umgang mit Komplexität
Die Schülerinnen und Schüler analysieren die Bewegungen von Lebewesen als Vorbild für einen
Roboter. Sie beschreiben komplexe Bewegungsabläufe in der Natur, die über den optimierten Einsatz
von Hard- und Software realisiert werden.
Bewegung von Lebewesen
– Klettern
– Biokybernetik
– Laufen als komplexe Tätigkeit
Ratte, Gecko – Kletterroboter
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12
Künstliche Muskeln, Bänder und adaptive
Greifer für sanfte Roboter
Regelung von Lage und Bewegung, z. B. Kniescheibensehnenreflex
Stabheuschrecke – Laufroboter LAURON
Zentrale/dezentrale Steuerung bzw. Regelung

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik III (TG) 79
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Bionik III
Jahrgangsstufe 2
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80 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik III (TG)
Vorbemerkungen
Ziel der Bionik ist die Übertragung von Problemlösungen aus der Natur in den Bereich der Technik,
um die in Jahrmillionen entwickelten und optimierten natürlichen Erfindungen zu nutzen. Voraussetzung
für erfolgreiches bionisches Arbeiten ist das Erfassen der Funktionsprinzipien dieser
Lösungen, nicht einfaches Kopieren der Natur in die Technik. Bionik erfordert ein neues Denken
und eine Umorientierung auf interdisziplinäres und ganzheitliches Vorgehen.
Im Wahlthema Bionik erhalten die Schülerinnen und Schüler anhand von vielfältigen Beispielen
einen Einblick in das weitverzweigte Fachgebiet. Die Auseinandersetzung mit der Fülle an Lösungen
aus der Natur soll die Kreativität der Schülerinnen und Schüler fördern und ihren Respekt vor
den Lebewesen und dem Ökosystem Erde verstärken. Vertiefende Experimente und das Fertigen
von Modellen zu ausgewählten Lehrplaneinheiten ergänzen die handlungsorientierte Themenbearbeitung.
Das Wahlthema besteht aus den drei aufeinander aufbauenden Modulen Bionik I, Bionik II und
Bionik III. Im dritten Modul Bionik III vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihre Kenntnisse aus
den beiden vorherigen Modulen und wenden diese praxisbezogen an.
Anmerkung zur Anordnung der Beispiele in der Hinweisspalte der Lehrplaneinheiten:
Das natürliche Vorbild und das dazu gehörige künstliche Abbild werden mit einem Spiegelstrich
einander gegenüber gestellt, z. B. Haifischhaut – Schwimmanzug.
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik III (TG) 81
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- 1 Bionik als Wissenschaft 6 82
stufe 2 2 Methodik der Bionik 6 82
3 Umsetzung bionischer Projekte 12 83
4 Projekt Bionik 24 48 83
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 16
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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82 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik III (TG)
1
Bionik als Wissenschaft
Jahrgangsstufe 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler ordnen die Wissenschaftsdisziplin Bionik zwischen den Polen Biologie
und Technik ein. Sie beschreiben die Anforderungen beim Lösen bionischer Fragestellungen
mithilfe der Begriffe System und Komplexität. Sie erläutern die Reduktion von Komplexität auf ein
bearbeitbares Maß mithilfe von Modellbildung und Simulation.
Bionik als Disziplin
– Biologie als erkenntnisorientierte
Naturwissenschaft
– Technik als anwendungsorientierte
Ingenieurwissenschaft
– Dolmetscherrolle der Bionik
Systeme
– Lebendige Strukturen als komplexe
Systeme
– Systemeigenschaften
– Reduktion von Komplexität
– Modellbildung
– Simulation
2
Methodik der Bionik
Z. B. Zelle, Organ, Organismus
Z. B. Selbstorganisation
Z. B. Nervenmembran, Regelkreis
Vernetzung, kybernetisches Umweltplanspiel
Die Schülerinnen und Schüler vertiefen die Methodik bionischen Arbeitens am Beispiel des
Fliegens. Sie beschreiben die methodischen Schritte der Entwicklung von aktuellen biomechatronischen
Modellen aus natürlichen Flugvorbildern. Sie vergleichen die theoretische
Vorgehensweise von Leonardo da Vinci mit der experimentellen von Otto Lilienthal.
Stationen bionischer Methodik
– Beobachtung
– Erkenntnis aus Theorie und Experiment
– Abstraktion einzelner Segmente
– Transfer aus der Physik
– Übertragung in die Technik
– Funktionsintegration zum Modell
Ohne experimentelle Überprüfung
Strömungslehre, Mechanik
Mechatronischer Vogel
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6

Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik III (TG) 83
3
Umsetzung bionischer Projekte
Die Schülerinnen und Schüler vergleichen die Steuerung von Bewegungen in Biologie und Technik
an zwei ausgewählten Beispielen aus der Bionik, abhängig von der Ausstattung der Schule. Sie
analysieren die Arbeitsweise und den Arbeitsaufwand bei bionischen Projekten und begründen
das Vorgehen bei der Umsetzung der Lösungsstrategie.
Steuerung von Bewegungen
– Modell oder Simulation
– Kniescheibensehnenreflex
– Fin-Ray-Greifer
4
Projekt Bionik
Z. B. Holzmodell zu elektrischen oder pneumatischen
Muskeln, Muskelspindel und
Muskelkontraktion mikrocontrollergesteuert
Z. B. Simulation über CAD-Programm
Z. B. mehrfingriger Greifer und Ansteuerung in
der Automatisierungstechnik
Abhängig von der Ausstattung der Schule lösen die Schülerinnen und Schüler selbständig eine typische
Aufgabenstellung aus der Bionik. Hierzu planen und realisieren sie den Bau eines Modells
oder führen eine Simulation mit einer geeigneten Software durch. Sie dokumentieren und präsentieren
ihre Ergebnisse.
Auswahl eines der nachstehenden Themen:
Bewegungsbionik
Informationsbionik und -management
Stoff- und Energiemanagement
Schuleigenes Projekt
Z. B. Laufroboter, Flugmodell, bionischer
Muskel
Z. B. zentrale und dezentrale Steuerung
eines Laufroboters, Biosensor
Z. B. Biologische Wachstumsprinzipien –
Leichtbau mithilfe von Soft Skill Option (SKO)
und Computer Aided Optimization (CAO)
Z. B. Ökosystem – effizientes Ressourcen-
Management.
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84 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Bionik III (TG)
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung I (TG) 85
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Industrielle Bildverarbeitung I
Jahrgangsstufe 1 oder
Jahrgangsstufe 2
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86 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung I (TG)
Vorbemerkungen
Das interdisziplinäre Fachgebiet „Industrielle Bildverarbeitung“ (IBV) ist ein Teilbereich der Automatisierungstechnik
und Qualitätssicherung. Sichtprüfsysteme mit Kameras und Beleuchtungssystemen
finden sich in Firmen vieler Branchen und Größen.
Die gesellschaftliche Forderung nach hochwertigen Produkten mit einer 100%igen Qualitätskontrolle
führt zu einer stetigen Entwicklung von innovativen Lösungen in der IBV.
Deshalb werden die Anwendungsgebiete dieses neuen Fachgebiets kontinuierlich erweitert.
Im Wahlthema IBV erhalten die Schülerinnen und Schüler eine Einführung in die „Industrielle Bildverarbeitung“
und lernen den Umgang mit einer Simulationssoftware kennen. Der Aufbau eines
typischen Bildverarbeitungssystems mit Hard- und Softwarekomponenten sowie die typischen Anwendungsgebiete
der IBV werden praxisnah vermittelt.
Das Wahlthema besteht aus den beiden aufeinander aufbauenden Modulen Industrielle Bildverarbeitung
I und Industrielle Bildverarbeitung II. Im ersten Modul erhalten die Schülerinnen und
Schüler einen umfassenden Einblick in das Fachgebiet und können im zweiten Jahr ihre Kenntnisse
vertiefen und praxisbezogen anwenden.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung I (TG) 87
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 88
stufe 1 oder 1 Grundlagen der industriellen Bildverarbeitung 12 88
Jahrgangs- 2 Typen von Sichtprüfaufgaben 8 88
stufe 2 3 Komponenten eines IBV-Systems 15 89
4 Umsetzung von Sichtprüfaufgaben 15 60 89
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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88 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung I (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 1 oder 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Grundlagen der industriellen Bildverarbeitung 12
Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden zwischen Bildverarbeitung und Bildbearbeitung. Sie
geben verschiedene Einsatzbereiche der industriellen Bildverarbeitung an und ordnen diese dem
entsprechenden Fachgebiet zu. Sie benennen die notwendigen Hardwarekomponenten und Sensoren
eines typischen Bildverarbeitungssystems und konzipieren eine Prüfanwendung. Sie beschreiben
die Merkmale von Graubild- und Farbbildauswertung und vergleichen unterschiedliche
Bilddateiformate.
Grundbegriffe IBV-Systeme
– Unterscheidung Bildverarbeitung und Bildbearbeitung
– Zugehörigkeit des Fachgebiets
– Einsatzbereiche
– Sensorik
– Hardwarekomponenten
Automatisierungstechnik, Qualitätssicherung
Optisch, kapazitiv, induktiv
Konzeption einer Prüfanwendung Vorarbeiten, Machbarkeitsuntersuchung,
Pflichtenheft, Systemaufbau, Konfiguration in
der Fertigung, Systeminstallation, Einsatz in
der Fertigung
Bildauswertung
– Graubildauswertung
– Farbbildauswertung Farbräume
– Bilddateiformate
2
Digitaler Bildaufbau, Binäres Zahlensystem,
Matrix, Histogramm
Typen von Sichtprüfaufgaben 8
Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden Typen von Sichtprüfaufgaben und teilen sie nach
dem Prüfziel ein. Sie lösen Sichtprüfaufgaben mithilfe einer konfigurierbaren Bildverarbeitungssoftware
und erstellen einfache Prüfprogramme.
Typen von Sichtprüfaufgaben
– Einteilung nach Prüfziel
VDI 2628
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung I (TG) 89
Konfigurierbare Bildverarbeitungssoftware
– Benutzeroberfläche
– Prüfprogrammschritte
– Auswertungsprogramm
– Betriebsarten
3
Demoversion
Manuell, Automatik, Live-Bild-Kamera
Komponenten eines IBV-Systems 15
Die Schülerinnen und Schüler wählen die notwendigen Hardwarekomponenten und die geeignete
Software für ein typisches Bildverarbeitungssystem anwendungsbezogen aus.
Hardwarekomponenten
– Kameras
– Einteilung
– technische Daten
– Sensoren zum Auslösen der Bildaufnahme Aufbau und Funktion
A/D-Wandler
– Objektive
– Grundlagen der Optik
– Bauarten
– Fachbegriffe
– Anschlusssystem
– Beleuchtungstechnik
– Leuchtmittel
– Einteilung
– Datenübertragung
Abbildungsgesetz, Auslegungsbeispiel
Fest/verstellbar
C-Mount, F-Mount
Bauarten, Dunkel-/Hellfeld-/Auflicht/-
Durchlichtbeleuchtung
Signalaustausch mit einer speicherprogrammierbaren
Steuerung (SPS)
Schnittstellen, Kabeltypen
Software Aktuelle BV-Software
Point-and-click-Software
Bibliotheken mit Programmiersprache
4
Umsetzung von Sichtprüfaufgaben 15
Die Schülerinnen und Schüler lösen typische Sichtprüfaufgaben. Hierzu erstellen und entwickeln
sie mit einer geeigneten Bildverarbeitungssoftware Auswertungsprogramme und setzen unterschiedliche
Filter zur Bildverbesserung ein.
Praktische Beispiele zur Sichtprüfung
IBV-Software
– Auswertungsprogramm
– Vorverarbeitung von Bildern
Anwesenheitskontrolle
Identifikation: Barcodelesen, Data Matrix Code
OCR-Erkennung (Schrifterkennung)
Form und Maßprüfung, Lageerkennung
Druckbildkontrolle, Farbauswertung, Mustererkennung
Filteroperationen
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90 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung I (TG)
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung II (TG) 91
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Industrielle Bildverarbeitung II
Jahrgangsstufe 2
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92 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung II (TG)
Vorbemerkungen
Das interdisziplinäre Fachgebiet „Industrielle Bildverarbeitung“ (IBV) ist ein Teilbereich der Automatisierungstechnik
und Qualitätssicherung. Sichtprüfsysteme mit Kameras und Beleuchtungssystemen
finden sich in Firmen vieler Branchen und Größen.
Die gesellschaftliche Forderung nach hochwertigen Produkten mit einer 100%igen Qualitätskontrolle
führt zu einer stetigen Entwicklung von innovativen Lösungen in der IBV.
Deshalb werden die Anwendungsgebiete dieses neuen Fachgebiets kontinuierlich erweitert.
Im Wahlthema IBV erhalten die Schülerinnen und Schüler eine Einführung in die „Industrielle Bildverarbeitung“
und lernen den Umgang mit einer Simulationssoftware kennen. Der Aufbau eines
typischen Bildverarbeitungssystems mit Hard- und Softwarekomponenten sowie die typischen Anwendungsgebiete
der IBV werden praxisnah vermittelt.
Das Wahlthema besteht aus den beiden aufeinander aufbauenden Modulen Industrielle Bildverarbeitung
I und Industrielle Bildverarbeitung II. Im ersten Modul erhalten die Schülerinnen und
Schüler einen umfassenden Einblick in das Fachgebiet und können im zweiten Jahr ihre Kenntnisse
vertiefen und praxisbezogen anwenden.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung II (TG) 93
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- 1 Marktanalyse von 2-D-Bildverarbeitung* 24 94
stufe 2 2 Verfahren der 3-D-Bildverarbeitung* 24 94
3 Schnittstellen und Ergebnisauswertung* 24 94
4 Umsetzung einer Aufgabenstellung aus der IBV* 24 48 95
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 16
* Aus den Lehrplaneinheiten 1 bis 4 sind zwei auszuwählen. Die Umsetzung erfolgt handlungsorientiert,
z. B. in Projekten oder konkreten praxisrelevanten Aufgabenstellungen. Inhaltliche Wiederholungen
sind dabei zu vermeiden.
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94 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung II (TG)
1
Marktanalyse von 2-D-Bildverarbeitung
Jahrgangsstufe 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler erläutern den aktuellen Stand der Technik zur industriellen 2-D-Bildverarbeitung
mithilfe einer Marktanalyse. Hierzu recherchieren sie in unterschiedlichen Medien und
werten verschiedene Quellen und Datenblätter aus. Sie dokumentieren und präsentieren ihre
Ergebnisse.
Aktueller Stand der IBV-Technik
– Hersteller
– Produkte
– technische Datenblätter
2
Verfahren der 3-D-Bildverarbeitung
Intelligente Kameras, Auswertesysteme mit
PC, Auswertesoftware, Kosten, Grenzen,
Algorithmen, Beleuchtungstechnik,
Einsatzgebiete
Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden die 3-D-Technik von der 2-D-Technik. Sie ermitteln
Vor- und Nachteile und Anwendungsgebiete der 3-D-Bildverarbeitung in der Technik. Sie entwickeln
und bewerten verschiedene Verfahren, um aus der Bauteilgeometrie die Maße von Bauteilen
zu bestimmen. Sie dokumentieren und präsentieren ihre Ergebnisse.
3-D-Technik
Laser und Kamerasystem: Bestimmung der
Höhe oder der Tiefe eines Bauteils, Vor- und
Nachteile, messtechnische Grenzen
3-D-Verfahren Z. B. Laser-Triangulation (Punktprojektion),
Lichtschnittverfahren (Linienprojektion,
Projektion eines Streifenmusters),
Stereo-Bildauswertung
3
Schnittstellen und Ergebnisauswertung
Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Funktionsweise eines Bussystems zur Datenkommunikation.
Sie simulieren digitale Ein- und Ausgangssignale mit einer geeigneten Software und
übergeben sie an die SPS. Sie werten die erfassten Messwerte mit einem Tabellenkalkulationsprogramm
statistisch aus.
Datenkommunikation
– Schnittstellen
– Bussystem
– Ergebnisausgabe
Software zu Tabellenkalkulation
CAN-Bus, Profibus
In Dateien oder Bildschirmausgabe
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24
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung II (TG) 95
4
Umsetzung einer Aufgabenstellung aus der IBV
Abhängig von der Ausstattung der Schule lösen die Schülerinnen und Schüler eine typische
Aufgabenstellung aus dem Bereich „Industrielle Bildverarbeitung“. Sie dokumentieren und präsentieren
ihre Ergebnisse.
Schuleigenes Projekt Z. B. Erstellung eines Bild-Filters, neuronale
Netze, Mustererkennung
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96 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Industrielle Bildverarbeitung II (TG)
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme II (TG) 97
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Mechatronische Systeme II
Jahrgangsstufe 1 oder
Jahrgangsstufe 2
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98 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme II (TG)
Vorbemerkungen
Mechatronik ist eine Ingenieurwissenschaft, die sich mit der Funktionalität eines technischen
Systems durch eine enge Verknüpfung mechanischer, elektronischer und datenverarbeitender
Komponenten beschäftigt.
Im Wahlthema „Mechatronische Systeme“ werden die Schülerinnen und Schüler mit den Grundlagen
der Pneumatik, der Elektropneumatik, der Steuerungstechnik und der Robotertechnik vertraut
gemacht. Sie erkennen, dass viele Prozesse in Natur und Technik auf grundlegend gleichen Prinzipien
beruhen und werden in die Lage versetzt, diese Prozesse zu analysieren.
In projektorientierten Aufgaben können Lösungen für einfache Steuerungsaufgaben erprobt und
die Kenntnisse vertieft werden. Durch den Einsatz des Computers mit Entwurfs- und Simulationssoftware
wird den Schülerinnen und Schülern die Bedeutung des PC als Werkzeug zur Planung
und Gestaltung verdeutlicht.
Je nach vorhandener Ausstattung der Schule können die projektorientierten Aufgaben im gerätebezogenen
Unterricht oder mithilfe einer Simulationssoftware bearbeitet werden, z. B. die Umsetzung
einer Steuerung oder die Programmierung eines Roboters.
Das Wahlthema besteht aus den drei aufeinander aufbauenden Modulen Mechatronische Systeme
I, Mechatronische Systeme II und Mechatronische Systeme III.
Im ersten Modul werden die Grundlagen der Pneumatik, der Elektropneumatik und der Steuerungstechnik
erarbeitet, im zweiten Modul die der speicherprogrammierbaren Steuerungen. Das
dritte Modul befasst sich mit Robotertechnik und Roboterprogrammierung.
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme II (TG) 99
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 100
stufe 1 oder 1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) 30 100
Jahrgangs- 2 Projekt Ablaufsteuerung mit speicherprogrammierba- 20 60 100
stufe 2
rer Steuerung
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 20
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100 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme II (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 1 oder 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) 30
Die Schülerinnen und Schüler lösen steuerungstechnische Aufgaben mithilfe einer SPS. Sie beschreiben
den Aufbau und die Arbeitsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung. Sie
erstellen SPS-Programme, überprüfen deren Funktion ausstattungsabhängig an einer realen SPS-
Station oder mit einer Simulationssoftware und beseitigen auftretende Steuerungsfehler.
Aufbau und Funktionsweise einer SPS
– Elektrische Signale
– Adressierung
– Zyklische Programmbearbeitung
– Programmstrukturen
Sicherheitstechnische Maßnahmen
– Drahtbruchsicherheit
– Verriegelung
– NOT-AUS
Programmerstellung in Funktionsbausteinsprache
(FBS)
– Binäre Verknüpfungen
– Speicherfunktionen
– Zeitfunktionen
– Flankenauswertung
Funktionsüberprüfung und Fehlerbehebung
2
Belegungsliste (Zuordnungsliste)
Organisationsbaustein OB1, Funktion FC,
Funktionsbaustein FB mit Instanz-Datenbaustein
DB
Projekt Ablaufsteuerung mit speicherprogrammierbarer Steuerung
Die Schüler und Schülerinnen planen eigenständig eine lineare Ablaufsteuerung für eine vorgegebene
Problemstellung. Hierzu entwerfen sie einen Funktionsablaufplan und stellen ihn normgerecht
dar. Sie erstellen ein SPS-Programm, überprüfen seine Funktion ausstattungsabhängig an
einer realen SPS-Station oder mit einer Simulationssoftware und beseitigen auftretende Steuerungsfehler.
Sie dokumentieren und präsentieren ihre Ergebnisse.
Schuleigene Aufgabenstellung oder
Einsatz eines mechatronischen Modells
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme III (TG) 101
Berufliches Gymnasium der
dreijährigen Aufbauform
– technische Richtung (TG)
Sondergebiete der Technik
Wahlthema:
Mechatronische Systeme III
Jahrgangsstufe 2
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102 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme III (TG)
Vorbemerkungen
Mechatronik ist eine Ingenieurwissenschaft, die sich mit der Funktionalität eines technischen
Systems durch eine enge Verknüpfung mechanischer, elektronischer und datenverarbeitender
Komponenten beschäftigt.
Im Wahlthema „Mechatronische Systeme“ werden die Schülerinnen und Schüler mit den Grundlagen
der Pneumatik, der Elektropneumatik, der Steuerungstechnik und der Robotertechnik vertraut
gemacht. Sie erkennen, dass viele Prozesse in Natur und Technik auf grundlegend gleichen Prinzipien
beruhen und werden in die Lage versetzt, diese Prozesse zu analysieren.
In projektorientierten Aufgaben können Lösungen für einfache Steuerungsaufgaben erprobt und
die Kenntnisse vertieft werden. Durch den Einsatz des Computers mit Entwurfs- und Simulationssoftware
wird den Schülerinnen und Schülern die Bedeutung des PC als Werkzeug zur Planung
und Gestaltung verdeutlicht.
Je nach vorhandener Ausstattung der Schule können die projektorientierten Aufgaben im gerätebezogenen
Unterricht oder mithilfe einer Simulationssoftware bearbeitet werden, z. B. die Umsetzung
einer Steuerung oder die Programmierung eines Roboters.
Das Wahlthema besteht aus den drei aufeinander aufbauenden Modulen Mechatronische Systeme
I, Mechatronische Systeme II und Mechatronische Systeme III.
Im ersten Modul werden die Grundlagen der Pneumatik, der Elektropneumatik und der Steuerungstechnik
erarbeitet, im zweiten Modul die der speicherprogrammierbaren Steuerungen. Das
dritte Modul befasst sich mit Robotertechnik und Roboterprogrammierung.
Berufliches Gymnasium, dreijährige Aufbauform Schulversuch 41-6624.10/104 vom 16.08.2007
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Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme III (TG) 103
Lehrplanübersicht
Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert
Gesamtstunden
Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 8 104
stufe 2 1 Robotertechnik und Roboterprogrammierung 25 104
2 Projekt Roboter 15 48 104
Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 16
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Seite

104 Sondergebiete der Technik, Wahlthema: Mechatronische Systeme III (TG)
Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)
Jahrgangsstufe 2 Zeitrichtwert
Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert.
Z. B.
Projekte,
Exkursionen
1
Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden
Lehrplaneinheiten unter Beachtung
Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
Robotertechnik und Roboterprogrammierung 25
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Merkmale von Handhabungsvorgängen in einem
technischen Fertigungsprozess und unterscheiden verschiedene Handhabungsgeräte. Sie programmieren
Roboter zur Durchführung von Handhabungsvorgängen ausstattungsabhängig an einem
realen Gerät oder mit einer Simulationssoftware und beachten dabei die Sicherheitsvorschriften.
Die Schülerinnen und Schüler stellen den aktuellen Stand der Robotertechnik in
Wissenschaft, Medizin, Service und Technik fest und beurteilen die gesellschaftlichen Veränderungen
durch den Technikeinsatz.
Handhabungsgeräte
– Einteilung nach Steuerungsart und
Programmierung
– Einsatzgebiete von Handhabungsgeräten
– Aktuelle Anwendungsfälle
Roboter
– Merkmale
– Einteilung
– nach Konstruktionsart
– Arbeitsraum
– Einsatzbereich
– Teilsysteme
– Programmierung
– Arbeitssicherheit (Schutzeinrichtungen)
– Roboterkoordinatensysteme
– Programmierverfahren
– Betriebsarten
VDI 2861
Folgen des Technikeinsatzes Z. B. fächerübergreifendes Planspiel
2
Projekt Roboter 15
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln eine Lösungsstrategie für eine vorgegebene Problemstellung
aus der Automatisierungstechnik. Hierzu erstellen sie ein Programm für einen Roboter
oder ein Handhabungsgerät, testen es je nach vorhandener Ausstattung an einem realen Gerät
oder mit einer Simulationssoftware. Sie beseitigen vorhandene Fehler und optimieren das Programm.
Sie dokumentieren und präsentieren ihre Ergebnisse.
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