Lehrplan PLUS

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• vergleichen Eigenschaften nichtmetallischer Werkstoffe mit metallischen und erläutern damit deren Verwendung in Alltagsprodukten.
• unterscheiden die Mikrostrukturen verschiedener Kunststoffarten (z. B. durch Betrachtung der Molekülketten) und leiten damit charakteristische Werkstoffeigenschaften ab.
• beschreiben (z. B. mithilfe geeigneter Fachliteratur) grundsätzliche Verfahren zur Kunststoffherstellung und ordnen diesen gängige Kunststoffe zu.
• skizzieren Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe und zeigen auf, dass sich Eigenschaften durch den Produktionsprozess gezielt verändern lassen.
• beschreiben, wie sich durch Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Kunststoffen die Werkstoffeigenschaften verbessern lassen und grenzen deren Einsatzgebiete nach vorab definierten Kriterien ab.
• überprüfen Kunststoffe hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit und schaffen damit ein Bewusstsein für den nachhaltigen Einsatz von Ressourcen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Werkstoffeigenschaften, z. B. Verformbarkeit, Festigkeit, Härte, elektr. Leitfähigkeit
• Duroplaste, Elastomere und Thermoplaste, Molekularstrukturen, Vernetzungsgrad, Kettenlänge
• Polymerisation, Polyaddition, Polykondensation, Kunststoffarten, z. B. PP, PE, PS, Polyamid
• Herstellungsverfahren (z. B. Extrusion, Spritzguss, Blasverfahren), Zugabe von Additiven, z. B. Füllstoffe, Weichmacher, Stabilisatoren, Farben
• Herstellungsschritte (z. B. Laminieren, Pressen, Aushärten), Verbundwerkstoffe, z. B. GFK, CFK, FKV
• Entsorgung, Recycling von Werkstoffen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern auf Basis der historischen Entwicklung von Rechnernetzen Anforderungen und Ziele eines Rechnerverbunds.
• analysieren verschiedene Netzwerktopologien und Netzwerkkomponenten, um lokale Rechnernetze selbständig, z. B. mit einer Simulationssoftware, zu entwickeln.
• erläutern die Adresszuweisung mittels DHCP in Rechnernetzen und wenden Netzwerkadressen und Adressräume an (z. B. anhand einer Simulationssoftware), um eine gezielte Kommunikation zwischen Rechnern zu ermöglichen.
• erläutern grundsätzlich die Kommunikation und Datenübertragung zwischen zwei Rechnern auf Basis des vereinfachten Schichtenmodells und derer Protokolle.
• wenden Maßnahmen und technische Geräte zur Absicherung eines Netzwerks gezielt an (z. B. anhand einer Simulationssoftware) und bewerten deren Vor- und Nachteile.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• vom ARPANet zum Internet, Anforderungen und Ziele, z. B. Lastverbund, Ressourcenverbund, Kommunikationsverbund, Verfügbarkeitsverbund, Steuerungsverbund
• Netzwerktopologien in lokalen Rechnernetzen, Netzwerkkomponenten, z. B. Switch, Router, Aufbau eines LAN
• MAC-Adresse, IP-Adresse, Subnetze, Netzwerkklassen und Adressbereiche, DHCP
• vereinfachtes Schichtenmodell und Protokolle: Netzwerkschicht (z. B. Ethernet), Internetschicht (z. B. IP), Transportschicht (z. B. TCP), Anwendungsschicht (z. B. HTTP, FTP), Datenübertragung und Datenkommunikation im Schichtenmodell
• Paket- und Dienstefilterung (z. B. Portfreigaben, NAT, Firewall), Datenverschlüsselung, sichere Datenübertragung im Netz, z. B. HTTPS, WPA, VPN

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 ‑kennwerte.
• 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, Verwendung von Tabellen und Formelsammlungen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern den einfachen Aufbau eines idealen ebenen Fachwerks, begründen die dafür notwendigen Vereinfachungen und verwenden die Fachbegriffe sachgerecht.
• analysieren weitgehend selbständig die durch äußere statische Belastungen eingeleiteten Kraftverläufe in ebenen Fachwerken und unterscheiden Zug-, Druck- und Nullstäbe.
• prüfen anhand des Aufbaus ebener Fachwerke deren statische Bestimmtheit, untersuchen mithilfe des Knotenpunktverfahrens quantitativ die jeweiligen Stabkräfte und bewerten die auftretenden Belastungen hinsichtlich einer gleichmäßigen Kräfteverteilung.
• begründen die Vorteile des Ritter'schen Schnittverfahrens bei Fachwerken mit nicht einfachem Aufbau und bestimmen damit die Beträge und Richtung einzelner Stabkräfte komplexer Strukturen.
• beurteilen die Vor- und Nachteile der grafischen Bestimmung von Stabkräften mittels des Cremonaplans gegenüber rechnerischer Verfahren, um geeignete Anwendungsgebiete zu identifizieren.
• prüfen die bautechnischen Vor- und Nachteile von Fachwerken in Geschichte und Gegenwart, wie Hausbau, Brückenbau, Leichtbau, und begründen deren ökonomischen, ökologischen und technologischen Nutzen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Modell des idealen ebenen Fachwerks mit einfachem Aufbau Stäbe und Knoten
• Nullstäbe, Zugstäbe, Druckstäbe
• statische Bestimmtheit von ebenen Fachwerken, s=2k-3, Knotenpunktverfahren
• Ritter'sches Schnittverfahren bei Fachwerken mit nicht einfachem Aufbau
• Cremonaplan
• Fachwerkkonstruktionen in der Praxis

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 eventuell 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

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:

• Entwicklung komplexer Modelle, Ausgangsbedingungen, Randbedingungen, Störgroßen, Whitebox- und Blackboxmodelle
• Modellgleichungen (Differenzialgleichungen), Zustandsgrößen, Änderungsrate/mittlere Änderungsrate, numerische Näherungsverfahren, z. B. Euler, Runge-Kutta, Runge-Kutta 2
• Gültigkeitsprüfung nach Struktur, Verhalten, Empirik und Anwendung
• Optimierung von Modellen mit Computern

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 mögliche Einsatzgebiete zu identifizieren.
• 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, PI, 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

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 zugehörigen analogen und digitalen Wandlern und beurteilen deren Einsatzmöglichkeiten.
• analysieren die Funktionsweise von Aktoren, erläutern verschiedene technische Verfahren zur 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 und zugehörige Wandler und Schnittstellen für die Erfassung physikalischer Größen, z. B. Spannung, Temperatur
• Aktoren, Wandler und Schnittstellen, z. B. Relais, Motoren
• Schnittstelle Mensch und Maschine, z. B. Taster, Tastaturansteuerung, Display-Ansteuerung
• Verarbeitungseinheiten und deren Programmierung, Regelungs- oder Steuerungsfunktion, z. B. Temperaturregelung, Ampelsteuerung

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• analysieren Eigenschaften von analogen Signalen im Frequenzbereich von Sprache und erläutern Möglichkeiten, diese zu digitalisieren.
• erläutern technische Möglichkeiten der analogen sowie digitalen Sprachübertragung im Alltag und vergleichen deren Vor- und Nachteile, um Einsatzmöglichkeiten voneinander abzugrenzen.
• analysieren die Funktion und Verwendung von technischen Signalwandlern und Signalumsetzern und beurteilen deren technische Einschränkungen.
• erläutern technische Möglichkeiten der drahtgebundenen und drahtlosen Signalübertragung und beurteilen deren technische Einsatzmöglichkeiten und Einsatzgrenzen.
• erläutern verschiedene Modulations- und Signalübertragungsverfahren, analysieren deren technische Grenzen und beurteilen damit Einflüsse auf die Übertragungsqualität.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Signalform (z. B. Sinus-, Rechtecksignal), Signaleigenschaften (z. B. Frequenz, Amplitude), Sprachsignal
• Sprachübertragung, z. B. analoges Radio, DAB+, mp3-Dateien, Schallplatte
• A/D- und D/A-Wandler (z. B. Stufen- und Parallelumsetzer, Abtastrate, Filter, Umsetzartefakte), technische Einschränkungen, z. B. Bandbreite, Signalrauschabstand, Dämpfung, Datenrate, Kompressionsgrad, Übertragungsqualität
• leitungsgebundene Signalübertragung (z. B. Kupferleitung, Lichtwellenleiter), leitungsfreie Signalübertragung (z. B. Funkübertragung, Infrarot), Einsatzbereiche, z. B. LAN, WLAN
• Modulation (z. B. zeitkontinuierlich und zeitdiskret, wertkontinuierlich und wertdiskret), Modulationsverfahren (z. B. Amplituden-, Frequenzmodulation, Abtasttheorem, Multiplexverfahren), Modulation und Demodulation, Einflüsse auf Übertragungsqualität (Informationsgehalt, Informationskomprimierung)

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 und 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