Lehrplan PLUS

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Naturwissenschaften 13 (W, IW)

gültig ab Schuljahr 2019/20

Alle Lernbereiche in Jahrgangsstufe 13 sind Wahlmodule. Lehrkräfte wählen vier Lernbereiche aus dem Angebot aus. Es sind auch Module der Jahrgangsstufe 12 wählbar, falls diese für Module der Jahrgangsstufe 13 vorausgesetzt werden müssen und bislang nicht unterrichtet wurden.

NT13 Lernbereich 1: Werkstoffanwendung (optional)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • unterscheiden zwischen Funktions- und Strukturwerkstoffen und ordnen der jeweiligen Gruppe wichtige Einsatzgebiete und Werkstoffeigenschaften zu.
  • vergleichen (z. B. mittels geeigneter Tabellenwerke) charakteristische Werkstoffeigenschaften, um unterschiedliche Materialien zweckgebunden nach vordefinierten Kriterien einzusetzen.
  • analysieren Herstellungsverfahren verschiedener Werkstoffe und leiten daraus Möglichkeiten ab, Werkstoffeigenschaften gezielt zu verändern.
  • erläutern Möglichkeiten und Grenzen, Werkstoffeigenschaften verschiedener Werkstoffe in Verbundwerkstoffen zu kombinieren, um Einsatzgebiete für Werkstoffe zu erweitern.
  • stellen unter Benutzung von Fachinformationen Verfahren dar, um Werkstoffoberflächen (z. B. unter technischen, biologischen oder gestalterischen Gesichtspunkten) zu optimieren.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Verwendung (z. B. im Maschinenbau oder in der Elektrotechnik); Eigenschaften, z. B. Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit
  • Werkstoffe (z. B. Stahl, Kunststoff, Keramik oder Glas); Werkstoffeigenschaften, z. B. Formbarkeit, Alterungsbeständigkeit
  • Herstellungsverfahren (z. B. von Kunststoffen, Gläsern oder Stahl); Fertigungsschritte, z. B. Legieren, Zugabe von Additiven
  • Aufbau und Eigenschaften, z. B. von GFK oder Stahlbeton
  • Veränderung der Oberfläche (z. B. durch Härten, Beschichten); weitere Aspekte, z. B. Funktionalität, Verschleißfestigkeit oder Haptik

NT13 Lernbereich 2: Energieträger (optional)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • analysieren die Entstehung bzw. Herstellung, Gewinnung und Reichweite verschiedener fossiler und nicht-fossiler Primärenergieträger und vergleichen die dabei entstehenden Umweltauswirkungen.
  • ermitteln den chemischen Aufbau von unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen und leiten daraus physikalische und chemische Eigenschaften von Primärenergieträgern (z. B. Erdöl, Erdgas, Kohle oder Holz) ab.
  • erklären die Herstellung von herkömmlichen und alternativen Kraftstoffen und vergleichen diese bzgl. technischer Anwendbarkeit und Umweltfolgen.
  • analysieren Verbrennungsvorgänge, stellen dafür vereinfachte chemische Reaktionsgleichungen auf und beurteilen damit Umgebungsparameter, z. B. hinsichtlich der Motorleistung und der Entstehung von Schadstoffen.
  • ermitteln unterschiedliche Antriebskonzepte für Fahrzeuge und vergleichen deren Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit unseres Verkehrssystems.
  • bewerten kritisch ihr eigenes Konsum- sowie Mobilitätsverhalten, dessen Auswirkungen auf den Verkehr und den resultierenden Energieverbrauch, um Alternativen zu entwickeln.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Entstehung, Herstellung und Zusammensetzung von Energieträgern, z. B. Erdöl, Erdgas und Kohle, Ethanol, Faulgas, Wasserstoff
  • Bau und Nomenklatur von einfachen Kohlenwasserstoffen, Aromaten und Alkoholen
  • Herstellung und Verwendung von Kraftstoffen (z. B. Benzin, Diesel, Agrartreibstoffe); Umweltfolgen der Herstellung, z. B. von Palmöl, Biodiesel
  • Anforderungen an Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren; Verbrennungsvorgänge allgemein und Optimierungsmöglichkeiten; Schadstoffe, wie NOX, CO, Feinstaub
  • alternative Antriebskonzepte, Elektromobilität; Mobilität und Nachhaltigkeit
  • Energieverbrauch im Verkehrssektor, Konsumverhalten in Verbindung mit Energie- und Ressourcenverbrauch

NT13 Lernbereich 3: Festigkeitslehre (optional)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erläutern die durch äußere Belastungen verursachten Wirkungen in technischen Bauteilen, unterscheiden Normal- von Schubspannungen und begründen damit den Zusammenhang zwischen äußeren Kräften und Formänderung.
  • begründen mithilfe des Zugversuchs quantitativ die Beziehung zwischen Zugspannung und Dehnung, unterscheiden plastische und elastische Verformungen und ermitteln damit die wichtigsten Werkstoffeigenschaften und Werkstoffkennwerte.
  • erläutern den Einfluss der Kerbwirkung auf den Spannungsverlauf bei Zug- bzw. Druckbelastungen an technischen Systemen, untersuchen quantitativ die maximal auftretenden Spannungen und prüfen die Sicherheit gegen Bauteilversagen.
  • erläutern mithilfe der Spannungsverteilung im Querschnitt eines biegebelasteten Trägers das Verhältnis zwischen Querschnittsgeometrie, Biegewiderstand und Spannung und analysieren die Eigenschaften zugehöriger physikalischer Größen.
  • analysieren die durch Biegemomente verursachten Formänderungen, führen komplexere Festigkeitsberechnungen auch unter Verwendung genormter Profile durch und bewerten die Werkstoffwahl und Dimensionierung von Bauteilen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Belastungsarten, z. B. Zug, Druck, Biegung, Torsion, Schub, Dehnung
  • einachsiger Spannungszustand; Spannungs-, Dehnungsdiagramm (E-Modul, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehngrenze, Bruchdehnung)
  • gefährdeter Querschnitt, Reißlänge, zulässige Spannungen, Sicherheitszahl
  • Gleichung der Biegung, Biegespannung, Flächenträgheitsmoment, Widerstandsmoment
  • Durchbiegung, Biegesteifigkeit, genormte Profile (z. B. U–Profil, C-Profil) sowie regelmäßige Querschnitte, Verwenden von Tabellen und Formelsammlungen

NT13 Lernbereich 4: Bautechnik und Gestaltung (optional)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • unterscheiden Baukonstruktionen hinsichtlich bauphysikalischer und gestalterischer Prinzipien, um grundsätzliche Wechselwirkungen zwischen Zweckmäßigkeit und Ästhetik anhand ausgewählter Beispiele zu beschreiben.
  • analysieren anhand ausgewählter Bauwerke angreifende konstante und veränderliche Belastungs- und Beanspruchungsarten und begründen ggf. notwendige Konstruktions-, Wartungs- und Instandhaltungskonzepte.
  • analysieren ein einfaches Bauvorhaben auf Basis bautechnischer Notwendigkeiten und Abläufe. Hierzu unterteilen sie dieses Vorhaben in Bauphasen und dokumentieren ihre Ergebnisse.
  • wählen für eine praxisgerechte Baukonstruktion geeignete Baustoffe aus und begründen ihre Entscheidungen auf Basis von bauphysikalischen, ökonomischen, ökologischen und ästhetischen Aspekten.
  • erläutern die Funktions- und Wirkungsweise ausgewählter haustechnischer oder veranstaltungstechnischer Anlagen, beurteilen sie hinsichtlich gestalterischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte und präsentieren ihre Ergebnisse.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Baukonstruktionen (z. B. Metallbau, Holzbau, Massivbau), Baustile, z. B. Romanik, Gotik, Renaissance, moderne Baugestaltungen
  • ständige und veränderliche Einwirkungen, z. B. Lasten, Beanspruchungen, Zug und Druck, Schubspannungen als Folge von Witterungseinflüssen, Bauschäden, Korrosionsschutz
  • Bauphasen und Bauplanung bei einfachen Bauvorhaben (z. B. Carports, Fertiggaragen, Terrassen), Bauorganisation und Bauablaufplanungen
  • ausgewählte Baustoffe (z. B. Ziegel, Beton, Holz, Stahl, Verbundstoffe, Materialien zur Dämmung), technische Anforderungen an Farben, Form folgt Funktion vs. Funktion folgt Form
  • ausgewählte Haustechniken, z. B. Heizung, Elektroinstallationen, Veranstaltungstechnik

NT13 Lernbereich 5: Modellbildung-Grundlagen (optional)
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Die Lernbereiche „Modellbildung-Grundlagen“ sowie „Modellbildung-Anwendung“ können in enger Abstimmung mit dem Lernbereich „Modellbildung und Simulation“ aus dem Fach Informatik behandelt werden.
Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erläutern die modellhafte Abbildung von diskreten bzw. dynamischen Prozessen und Systemen von realen Vorgängen aus den Bereichen Technik, Ökonomie oder Ökologie, um Verhaltensvorhersagen zu treffen, Zusammenhänge zu verstehen und innere Funktionsabläufe zu beschreiben.
  • stellen die Vorgehensweise bei der Entwicklung eines Modells dar und beurteilen die einzelnen Schritte in Bezug auf deren Plausibilität im Rahmen einer machbaren Modellbildung.
  • analysieren unterschiedliche Modelltypen zur Abbildung realer diskreter bzw. dynamischer Prozesse und Systeme und untersuchen das jeweilige Modellverhalten, um die Modelle genauer den tatsächlichen Bedingungen anzupassen.
  • erläutern verschiedene Darstellungsmöglichkeiten von Modellen und vergleichen deren Vor- und Nachteile, um deren Verwendungsmöglichkeiten zu beurteilen.
  • analysieren einfache Problemstellungen zu realen Prozessen und Systemen, entwickeln hierfür geeignete Modelle, dokumentieren diese nach vorgegebenen Kriterien.
  • untersuchen einfache selbstentwickelte Modelle realer Systeme und Prozesse mithilfe von geeigneter Simulationssoftware und identifizieren mögliche Modellverbesserungen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Grenzen der Analyse realer diskreter und dynamischer Prozesse bzw. Systeme
  • 7-Schritt-Methode: Analyse realer Systeme, Problembeschreibung, Wortmodell, Wirkungsplan, Flussdiagramm, Simulation, Modelltest
  • grundlegende Modelltypen: linear, quadratisch, exponentiell, harmonisch schwingend, logistisch
  • Modelldarstellungen, wie Kausaldiagramm, Flussdiagramm oder Modellgleichungen, grafische Darstellung, Fallbeispiele
  • Grundlagen der modellhaften Abbildung einfacher realer dynamischer oder diskreter Prozesse bzw. Systeme, Entwicklung einfacher Modelle
  • Simulation der Modelle mithilfe geeigneter Software, System-Dynamic-Notation

NT13 Lernbereich 6: Modellbildung-Anwendung (optional)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • planen weitestgehend selbständig die Modellentwicklung eines komplexen realen diskreten bzw. dynamischen Prozesses oder Systems, dokumentieren die Vorgehensweise fachgerecht und erläutern die gewählten Gewichtungen von Einflüssen und Störgrößen.
  • analysieren verschiedene einfache numerische Näherungsverfahren zur Bestimmung der mittleren Änderungsrate dynamischer Prozesse und Systeme und beurteilen deren Vor- und Nachteile. Sie stellen die zugehörigen Modellgleichungen selbständig auf und erläutern sicher den Sachzusammenhang der jeweiligen Terme.
  • prüfen die Gültigkeit von selbstentwickelten Modellen anhand zuvor festgelegter Kriterien und beurteilen die Qualität der Ergebnisse eigener Modellbildungsschritte.
  • bewerten mithilfe geeigneter Simulationssoftware die Güte von Modellen dynamischer Prozesse bzw. Systeme, prüfen deren Einsatzbereich und erläutern mögliche Verfeinerungen und Verbesserungen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Entwicklen komplexer Modelle; Ausgangsbedingungen, Randbedingungen, Störgroßen; Whitebox- und Blackboxmodelle
  • Modellgleichungen (Differenzialgleichungen), Zustandsgrößen, Änderungsrate und mittlere Änderungsrate, numerische Näherungsverfahren (z. B. Euler, Runge–Kutta, Runge–Kutta 2)
  • Gültigkeitsprüfung nach Struktur, Verhalten, Empirik und Anwendung
  • Optimieren von Modellen mit Computern

NT13 Lernbereich 7: Regelungstechnik (optional)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • begründen anhand der Funktion technischer Systeme den Unterschied zwischen Steuerung und Regelung, stellen Regelkreise als Blockschaltbild dar und strukturieren die Sprungantworten von einfachen und zusammengesetzten Regelkreisen.
  • erläutern anhand realer Regelungen die Funktion von verschiedenen Regelkreisgliedern und ihrer Kombinationen und überprüfen deren Einsatzmöglichkeiten.
  • analysieren weitgehend selbständig die Regelstrecke eines Prozesses, um dafür die passenden Regler und zugehörigen Parameter auszuwählen.
  • beurteilen die Qualität der Ergebnisse von simulierten Regelungen, um damit Optimierungen durchzuführen und dokumentieren diese fachgerecht.
  • unterscheiden stetige und unstetige Regler und vergleichen deren Eigenschaften, um einige Einsatzgebiete festzulegen.
  • analysieren Einflüsse von Rückkopplungen auf die Eigenschaften von Regelkreisen und begründen damit deren Notwendigkeit für die Automatisierung von Prozessen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Definition von Steuerung und Regelung; Darstellung von Regelkreisen (z. B. Heizungsregelung; Sprungfunktionen) und Sprungantworten von einfachen und zusammengesetzten Regelkreisgliedern
  • einfache Regelkreisglieder (z. B. P, I, D, T und deren Kombinationen), z. B. PT, IT, DT, PI, PD, PID, PDT
  • Analyse von Regelstrecken und Parameter von Reglern
  • Simulation von Regelkreisen auch mittels spezieller Software; Optimierung und Dokumentation von Regelkreisen
  • stetige und unstetige Regler
  • Eigenschaften von Regelkreisen, z. B. Stabilität, Regelgüte, Führungsverhalten, Störungsverhalten

NT13 Lernbereich 8: Mechatronik (optional)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • analysieren die einzelnen Komponenten einfacher mechatronischer Systeme, z. B. anhand von Blockschaltbildern, und unterscheiden damit Sensoren, Aktoren, Wandler, Schnittstellen und Verarbeitungseinheiten.
  • analysieren die Funktionsweise einfacher Sensoren sowie die Möglichkeiten der Signalverarbeitung bei den zugehörigen analogen und digitalen Wandlern und beurteilen deren Einsatzmöglichkeiten.
  • analysieren die Funktionsweise von Aktoren, erläutern verschiedene technische Verfahren zu deren Ansteuerung und beurteilen deren Einsatzmöglichkeiten.
  • betrachten kritisch Möglichkeiten und Grenzen des Informationsaustausches zwischen einem mechatronischen System und dem Menschen.
  • analysieren das Zusammenspiel einzelner mechatronischer Komponenten und Verarbeitungseinheiten, um einfache Steuerungs- und Regelungsvorgänge zu programmieren.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Blockschaltbilder mechatronischer Systeme; Aufgaben von Sensoren, Aktoren, Wandler, Schnittstellen und Verarbeitungseinheiten
  • Sensoren, Wandler und Schnittstellen für die Erfassung und Verarbeitung physikalischer Größen, z. B. Spannung und Temperatur
  • Aktoren, Wandler und Schnittstellen, z. B. Relais, Motoren
  • Schnittstelle Mensch und Maschine, z. B. Taster, Tastaturansteuerung, Display-Ansteuerung
  • Verarbeitungseinheiten und deren Programmierung, Regelungs- und Steuerungsfunktion, z. B. Temperaturregelung, Ampelsteuerung

NT13 Lernbereich 9: Komplexe technische Systeme (optional)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • analysieren weitgehend selbständig, auch unter Verwendung fachbezogener Informationsquellen, Aufbau, Funktion, Entwicklungsgeschichte und Innovationskraft komplexer technischer Systeme. Hiermit erläutern sie die Verknüpfung technischer Teilbereiche untereinander und zu anderen Fachgebieten, dokumentieren ihre Ergebnisse fachgerecht und stellen sie mithilfe geeigneter Präsentationstechniken zielgruppenorientiert dar.
  • beurteilen verschiedene grafische Darstellungsformen komplexer technischer Zusammenhänge, prüfen den Informationsgehalt von technologischen und physikalischen Größen und Einheiten und analysieren deren Genauigkeit, Vergleichbarkeit und Aussagekraft.
  • vergleichen Lösungen technischer Problemstellungen ähnlicher oder gleicher komplexer Systeme (wie z. B. gleiche Produkte verschiedener Hersteller), erläutern die dazu benötigten Fertigungsprozesse und bewerten die jeweiligen Entwicklungsschritte.
  • begründen im Rahmen einer Abschlussdiskussion die Vor- und Nachteile von untersuchten komplexen technischen Systemen aus ökonomischer, ökologischer und technischer Sicht, um Entscheidungskriterien für weitere Forschungen zu identifizieren.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Aufbau und Funktionsweise von komplexen technischen Systemen (z. B. Antriebsmotor, Raffinerie, Elektronik, Computer, Automatisierungstechnik), Entwicklungsgeschichte komplexer technischer Systeme
  • grafische Darstellung technischer Daten (z. B. Kennlinienfeld, Zeigerdiagramm, 3-D-Diagramm, ZTU-Schaubild, Gesamtzeichnung, Blockschaltbild, Flussdiagramm); komplexe technische/physikalische Größen, z. B. Wärmekapazität, Lumen, Entropie, spezifischer Kraftstoffverbrauch
  • exemplarischer Vergleich technischer Problemlösungen, moderne Fertigungsprozesse, Produktlebenszyklus
  • Ökonomie und Ökologie technischer Systeme, Forschungsgebiete und zukünftige technische Entwicklungen
Alltagskompetenzen Alltagskompetenzen