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Automatisierungstechnik
Vorbemerkungen
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Fachliche Vorbemerkungen
Die Automatisierungstechnik erstreckt sich über weite Anwendungsfelder, ausgehend von der Automatisierung industrieller Produktionsprozesse bis hin zur Home Automation (Smarthome). Sie leistet einen wichtigen Beitrag bei der Digitalisierung und Auswertung physikalischer Größen und übernimmt sowohl Steuerungs- als auch Regelungs- und Visualisierungsaufgaben.
Im Unterrichtsfach „Automatisierungstechnik“ eignen sich die Schülerinnen und Schüler systematische Strategien zur Lösung steuerungstechnischer Problemstellungen an. Die Themen und Inhalte orientieren sich am aktuellen Stand der Steuerungstechnik, wie sie im industriellen Umfeld angewendet und eingesetzt werden.
In den ersten Bildungsplaneinheiten werden Grundbegriffe der Steuerungstechnik exemplarisch anhand der Verbindungsprogrammierten Steuerung erarbeitet. Des Weiteren lernen die Schülerinnen und Schüler einige Ansteuerelemente und Aktoren der Elektropneumatik kennen.
Die Bildungsplaneinheiten des ersten Schuljahres vermitteln die Grundlagen der Speicherprogrammierbaren Steuerungen (Aufbau, Anschluss der Sensorik/Aktorik, Programmabarbeitung, Grundverknüpfungen). Die Funktionalität weiterer Programmierelemente wie z. B. Speicherfunktionen, Flankenauswertung und Zeitfunktionen werden erarbeitet. Dadurch sind sie in der Lage, einfache Steuerungsprobleme zu analysieren und zu strukturieren, um diese anschließend in einer geeigneten Programmiersprache nach IEC 61131-3 umzusetzen.
Im zweiten Jahr werden weitere elementare Funktionen einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) erörtert.
Mit dem Prinzip der Schrittkette lernen die Schülerinnen und Schüler einen weiteren strukturierten Ansatz zur Programmierung von Ablaufsteuerungen kennen und realisieren damit die Ansteuerung mechatronischer Systeme.
Die Schülerinnen und Schüler können zwischen Steuerungs- und Regelungsprozessen unterscheiden. Sie sind imstande, das Verhalten von Regelstrecken zu analysieren, geeignete Regelparameter zu bestimmen und einfache Regelungen zu realisieren.
Hinweise:- Das Fach „Automatisierungstechnik“ dient der Vermittlung theoretischer Inhalte. Die fachpraktische Umsetzung und Transferierung der erworbenen Kenntnisse erfolgt im Fach „Praktikum Automatisierungstechnik“.
- Das Fach „Automatisierungstechnik“ ist eng verknüpft mit dem Fach Informationstechnik und setzt eine Absprache der beteiligten Lehrkräfte voraus. Die Grundlagen der Digitaltechnik, die für die SPS-Programmierung benötigt werden, werden im Fach Informationstechnik vermittelt. Diese Kenntnisse werden ab der BPE 3 vorausgesetzt.
- Ab der BPE 3 sind nur die in der IEC-61131-3 definierten Programmiersprachen „Funktionsplan (FUP)“ und „Structured Text“(ST) bzw. „Structured Control Language“ (SCL) anzuwenden.
- Die Programmierung im industriellen Umfeld erfordert eine bibliotheksfähige Programmerstellung, um eine hohe Wiederverwendbarkeit der POE zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist darauf zu achten, dass alle zu erstellenden Programme ab der BPE 3.3 allen Anforderungen der Bibliotheksfähigkeit entsprechen.
Hinweise zum Umgang mit dem Bildungsplan
Der Bildungsplan zeichnet sich durch eine Inhalts- und eine Kompetenzorientierung aus. In jeder Bildungsplaneinheit (BPE) werden in kursiver Schrift die übergeordneten Ziele beschrieben, die durch Zielformulierungen sowie in jeweils einer Inhalts- und Hinweisspalte konkretisiert werden. In den Zielformulierungen werden die jeweiligen fachspezifischen Operatoren als Verben verwendet. Operatoren sind handlungsinitiierende Verben, die signalisieren, welche Tätigkeiten beim Bearbeiten von Aufgaben erwartet werden; eine Operatorenliste ist jedem Bildungsplan im Anhang beigefügt. Durch die kompetenzorientierte Zielformulierung mittels dieser Operatoren wird das Anforderungsniveau bezüglich der Inhalte und der zu erwerbenden Kompetenzen definiert. Die formulierten Ziele und Inhalte sind verbindlich und damit prüfungsrelevant. Sie stellen die Regelanforderungen im jeweiligen Fach dar. Die Inhalte der Hinweisspalte sind unverbindliche Ergänzungen zur Inhaltsspalte und umfassen Beispiele, didaktische Hinweise und Querverweise auf andere Fächer bzw. BPE.
Der VIP-Bereich des Bildungsplans umfasst die Vertiefung, individualisiertes Lernen sowie Projektunterricht. Im Rahmen der hier zur Verfügung stehenden Stunden sollen die Schülerinnen und Schüler bestmöglich unterstützt und bei der Weiterentwicklung ihrer personalen und fachlichen Kompetenzen gefördert werden. Die Fachlehrerinnen und Fachlehrer nutzen diese Unterrichtszeit nach eigenen Schwerpunktsetzungen auf Basis der fächer- und bildungsgangspezifischen Besonderheiten sowie nach den Lernvoraussetzungen der einzelnen Schülerinnen und Schüler.
Der Teil „Zeit für Leistungsfeststellung“ des Bildungsplans berücksichtigt die Zeit, die zur Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung von Leistungsfeststellungen zur Verfügung steht. Dies kann auch die notwendige Zeit für die im Rahmen der Besonderen Lernleistungen erbrachten Leistungen, Nachbesprechung zu Leistungsfeststellungen sowie Feedback-Gespräche umfassen.
Bildungsplanübersicht
Schuljahr | Bildungsplaneinheiten | Zeitricht-wert | Gesamt-stunden | ||
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Schuljahr 1 | Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) | 20 | |||
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24 | ||||
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8 | ||||
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18 | 70 | |||
Zeit für Leistungsfeststellung | 10 | ||||
80 | |||||
Schuljahr 2 | Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) | 20 | |||
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17 | ||||
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10 | ||||
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23 | 70 | |||
Zeit für Leistungsfeststellung | 10 | ||||
80 |
Schuljahr 1
Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) |
20 |
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Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung fächerverbindender Aspekte zu erfolgen.
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BPE 1 |
Verbindungsprogrammierte Steuerungen |
24 |
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Die Schülerinnen und Schüler erfassen die Grundlagen der Verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS) und erfahren den Aufbau und die Funktion von steuerungstechnischen Aktoren. Sie eignen sich ein systematisches Vorgehen bei der Erstellung von Schaltungen unter Berücksichtigung sicherheitstechnischer Maßnahmen an.
Des Weiteren nutzen die Schülerinnen und Schüler Zeitglieder zur Umsetzung zeitabhängiger Schaltfunktionen. |
BPE 1.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den grundlegenden Aufbau einer Verbindungsprogrammierten Steuerung. Sie charakterisieren die Grundgliedverschaltungen und wenden diese bei der Erstellung von normgerechten Stromlaufplänen an. |
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BPE 1.2 |
Schülerinnen und Schüler erläutern den Aufbau und die Funktion von Relais und Schützen. Sie entwerfen Hauptstromkreise für gegebene Problemstellungen und ordnen Schutzelemente abhängig vom Anwendungsfall zu. |
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BPE 1.3 |
Die Schülerinnen und Schüler charakterisieren die Unterschiede zwischen grundlegenden Zeitgliedern und übertragen die Erkenntnisse auf neue Aufgabenstellungen. |
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BPE 2 |
Elektropneumatik |
8 |
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Die Schülerinnen und Schüler eignen sich die Grundlagen und den Aufbau elektropneumatischer Steuerungen an.
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BPE 2.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau elektropneumatischer Anlagen und entwerfen einfache elektropneumatische Schaltungen. |
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BPE 3 |
Speicherprogrammierbare Steuerungen 1 |
18 |
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Die Schülerinnen und Schüler erwerben die Grundlagen zum Aufbau und der Arbeitsweise einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und deren Programmierung. Sie entwickeln eigene SPS-Programme zu gegebenen Aufgabenstellungen.
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BPE 3.1 |
Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Aufbau einer „Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS)“. Sie ordnen die Ein- und Ausgänge der SPS der zugehörigen Peripherie zu und geben die Unterschiede der verwendeten Programmiersprachen wieder. |
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BPE 3.2 |
Die Schülerinnen und Schüler entwerfen SPS-Programme mit binären Operationen in der Funktionsbausteinsprache. |
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BPE 3.3 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Programmorganisationseinheiten des eingesetzten Steuerungssystems und benennen die Vorgehensweise der bibliotheksfähigen Programmierung. |
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BPE 3.4 |
Die Schülerinnen und Schüler entwerfen SPS-Programme mit IEC Zeitfunktionen in der Funktionsbausteinsprache. |
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Schuljahr 2
Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) |
20 |
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Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung fächerverbindender Aspekte zu erfolgen.
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BPE 4 |
Speicherprogrammierbare Steuerungen 2 |
17 |
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Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich die theoretischen Grundlagen erweiterter SPS-Operationen. Sie beschreiben grundlegende Prinzipien der Analogwertverarbeitung.
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BPE 4.1 |
Die Schülerinnen und Schüler entwerfen SPS-Programme mit IEC-Zählglieder in der Funktionsbausteinsprache. Sie benennen die erforderlichen Datentypen zur Realisierung der Aufgaben. |
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BPE 4.2 |
Die Schülerinnen und Schüler legen die in der SPS zur Verfügung stehenden logischen und mathematischen Operatoren dar. |
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BPE 4.3 |
Die Schülerinnen und Schüler benennen die analogen Normsignale und die Eigenschaften eines analog-digital gewandelten Signals. Sie berechnen die normierten Größen physikalischer Signale. |
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BPE 5 |
Ablaufsteuerungen |
10 |
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Die Schülerinnen und Schüler eignen sich eine strukturierte Vorgehensweise zur Umsetzung von Ablaufsteuerungen durch den Entwurf von Ablaufplänen für mechatronische Systeme an.
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BPE 5.1 |
Die Schülerinnen und Schüler entwerfen Ablaufsteuerungen mithilfe eines Funktionsablaufplans und stellen diese normgerecht dar. |
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BPE 6 |
Regelungstechnik |
23 |
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Die Schülerinnen und Schüler erklären den Unterschied zwischen steuern und regeln. Sie bewerten das Verhalten unterschiedlicher Regelstrecken und vergleichen einfache Reglerprinzipien. Die Schülerinnen und Schüler wählen einen geeigneten einfachen Regler aus.
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BPE 6.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben einen Regelkreis. |
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BPE 6.2 |
Die Schülerinnen und Schüler analysieren und beschreiben das Verhalten von Regelstrecken. |
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BPE 6.3 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und analysieren das Verhalten unterschiedlicher Regler. Sie beurteilen das Verhalten des geschlossenen Regelkreises und wenden einfache Optimierungsverfahren an. |
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Operatorenliste
Anforderungsbereiche:
Anforderungsbereich I umfasst die Reproduktion und die Anwendung einfacher Sachverhalte und Fachmethoden, das Darstellen von Sachverhalten in vorgegebener Form sowie die Darstellung einfacher Bezüge.
Anforderungsbereich II umfasst die Reorganisation und das Übertragen komplexerer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Anwendung von technischen Kommunikationsformen, die Wiedergabe von Bewertungsansätzen sowie das Herstellen von Bezügen, um technische Problemstellungen entsprechend den allgemeinen Regeln der Technik zu lösen.
Anforderungsbereich III umfasst das problembezogene Anwenden und Übertragen komplexer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Auswahl von Kommunikationsformen, das Herstellen von Bezügen und das Bewerten von Sachverhalten.
Operator | Erläuterung | Zuordnung Anforderungsbereiche |
---|---|---|
ableiten |
auf der Grundlage relevanter Merkmale sachgerechte Schlüsse ziehen
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II |
abschätzen |
auf der Grundlage von begründeten Überlegungen Größenordnungen angeben
|
II |
analysieren, untersuchen |
für eine gegebene Problem- oder Fragestellung systematisch bzw. kriteriengeleitet wichtige Bestandteile, Merkmale oder Eigenschaften eines Sachverhaltes oder eines Objektes erschließen und deren Beziehungen zueinander darstellen
|
II |
anwenden, übertragen |
einen bekannten Zusammenhang oder eine bekannte Methode zur Lösungsfindung bzw. Zielerreichung auf einen anderen, ggf. unbekannten Sachverhalt beziehen
|
II, III |
aufbauen |
Objekte und Geräte zielgerichtet anordnen und kombinieren
|
II |
aufstellen |
fachspezifische Formeln, Gleichungen, Gleichungssysteme, Reaktionsgleichungen oder Reaktionsmechanismen entwickeln
|
II |
auswerten |
Informationen (Daten, Einzelergebnisse o. a.) erfassen, in einen Zusammenhang stellen und daraus zielgerichtete Schlussfolgerungen ziehen
|
II, III |
begründen |
Sachverhalte oder Aussagen auf Regeln, Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Zusammenhänge oder weitere nachvollziehbare Argumente zurückführen
|
II |
benennen, nennen, angeben |
Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten oder Fakten ohne Erläuterung und Wertung aufzählen
|
I |
beraten |
eine Entscheidungsfindung fachkompetent und zielgruppengerecht unterstützen
|
III |
berechnen |
Ergebnisse aus gegebenen Werten/Daten durch Rechenoperationen oder grafische Lösungsmethoden gewinnen
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II |
beschreiben |
Strukturen, Situationen, Zusammenhänge, Prozesse und Eigenschaften genau, sachlich, strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten darstellen, dabei wird auf Erklärungen oder Wertungen verzichtet
|
I, II |
bestimmen |
Sachverhalte und Inhalte prägnant und kriteriengeleitet darstellen
|
I |
bestätigen, beweisen, nachweisen, überprüfen, prüfen |
die Gültigkeit, Schlüssigkeit und Berechtigung einer Aussage (z. B. Hypothese, Modell oder Naturgesetz) durch ein Experiment, eine logische Herleitung oder sachliche Argumentation belegen bzw. widerlegen
|
III |
beurteilen, Stellung nehmen |
zu einem Sachverhalt oder einer Aussage eine eigene, auf Fachwissen sowie fachlichen Methoden und Maßstäben begründete Position über deren Sinnhaftigkeit vertreten
|
III |
bewerten, kritisch Stellung nehmen |
zu einem Sachverhalt oder einer Aussage eine eigene, auf gesellschaftlich oder persönliche Wertvorstellungen begründete Position über deren Annehmbarkeit vertreten
|
III |
charakterisieren |
spezifischen Eigenheiten von Sachverhalten, Objekten, Vorgängen, Personen o. a. unter leitenden Gesichtspunkten herausarbeiten und darstellen
|
II |
darstellen, darlegen |
Sachverhalte, Strukturen, Zusammenhänge, Methoden oder Ergebnisse etc. unter einer bestimmten Fragestellung in geeigneten Kommunikationsformaten strukturiert und ggf. fachsprachlich wiedergeben
|
I, II |
diskutieren, erörtern |
Pro- und Kontra-Argumente zu einer Aussage bzw. Behauptung einander gegenüberstellen und abwägen
|
III |
dokumentieren |
Entscheidende Erklärungen, Herleitungen und Skizzen zu einem Sachverhalt bzw. Vorgang angeben und systematisch ordnen
|
I, II |
durchführen |
eine vorgegebene oder eigene Anleitung bzw. Anweisung umsetzen
|
I, II |
einordnen, ordnen, zuordnen, kategorisieren, strukturieren |
Begriffe, Gegenstände usw. auf der Grundlage bestimmter Merkmale systematisch einteilen; so wird deutlich, dass Zusammenhänge unter vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichtspunkten begründet hergestellt werden
|
II |
empfehlen |
Produkte und Verhaltensweisen kunden- und situationsgerecht vorschlagen
|
II |
entwickeln, entwerfen, gestalten |
Wissen und Methoden zielgerichtet und ggf. kreativ miteinander verknüpfen, um eine eigenständige Antwort auf eine Annahme oder eine Lösung für eine Problemstellung zu erarbeiten oder weiterzuentwickeln
|
III |
erklären |
Strukturen, Prozesse oder Zusammenhänge eines Sachverhalts nachvollziehbar, verständlich und fachlich begründet zum Ausdruck bringen
|
I, II |
erläutern |
Wesentliches eines Sachverhalts, Gegenstands, Vorgangs etc. mithilfe von anschaulichen Beispielen oder durch zusätzliche Informationen verdeutlichen
|
II |
ermitteln |
einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren
|
I, II |
erschließen |
geforderte Informationen herausarbeiten oder Sachverhalte herleiten, die nicht explizit in dem zugrunde liegenden Material genannt werden
|
II |
formulieren |
Gefordertes knapp und präzise zum Ausdruck bringen
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I |
herstellen |
nach anerkannten Regeln Zubereitungen aus Stoffen gewinnen, anfertigen, zubereiten, be- oder verarbeiten, umfüllen, abfüllen, abpacken und kennzeichnen
|
II, III |
implementieren |
Strukturen und/oder Prozesse mit Blick auf gegebene Rahmenbedingungen, Zielanforderungen sowie etwaige Regeln in einem System umsetzen
|
II, III |
informieren |
fachliche Informationen zielgruppengerecht aufbereiten und strukturieren
|
II |
interpretieren, deuten |
auf der Grundlage einer beschreibenden Analyse Erklärungsmöglichkeiten für Zusammenhänge und Wirkungsweisen mit Blick auf ein schlüssiges Gesamtverständnis aufzeigen
|
III |
kennzeichnen |
Markierungen, Symbole, Zeichen oder Etiketten anbringen, die geltenden Konventionen und/oder gesetzlichen Vorschriften entsprechen
|
II |
optimieren |
einen gegebenen technischen Sachverhalt, einen Quellcode oder eine gegebene technische Einrichtung so verändern, dass die geforderten Kriterien unter einem bestimmten Aspekt erfüllt werden
|
II, III |
planen |
die Schritte eines Arbeitsprozesses antizipieren und eine nachvollziehbare ergebnisorientierte Anordnung der Schritte vornehmen
|
III |
präsentieren |
Sachverhalte strukturiert, mediengestützt und adressatengerecht vortragen
|
II |
skizzieren |
Sachverhalte, Objekte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduzieren und übersichtlich darstellen
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I |
übersetzen |
einen Sachverhalt oder einzelne Wörter und Phrasen wortgetreu in einer anderen Sprache wiedergeben
|
II |
validieren, testen |
Erbringung eines dokumentierten Nachweises, dass ein bestimmter Prozess oder ein System kontinuierlich eine Funktionalität/Produkt erzeugt, das die zuvor definierten Spezifikationen und Qualitätsmerkmale erfüllt
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I |
verallgemeinern |
aus einer Einsicht eine Aussage formulieren, die für verschiedene Anwendungsbereiche Gültigkeit besitzt
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II |
verdrahten |
Betriebsmittel nach einem vorgegebenen Anschluss‑/ Stromlaufplan systematisch elektrisch miteinander verbinden
|
I, II |
vergleichen, gegenüberstellen, unterscheiden |
nach vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichtspunkten problembezogen Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln und gegenüberstellen sowie auf dieser Grundlage ggf. ein gewichtetes Ergebnis formulieren
|
II |
wiedergeben |
wesentliche Information und/oder deren Zusammenhänge strukturiert zusammenfassen
|
I |
zeichnen |
einen beobachtbaren oder gegebenen Sachverhalt mit grafischen Mitteln und ggf. unter Einhaltung von fachlichen Konventionen (z. B. Symbole, Perspektiven etc.) darstellen
|
I, II |
zeigen, aufzeigen |
Sachverhalte, Prozesse o. a. sachlich beschreiben und erläutern
|
I, II |
zusammenfassen |
das Wesentliche sachbezogen, konzentriert sowie inhaltlich und sprachlich strukturiert mit eigenen Worten wiedergeben
|
I, II |