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Umwelttechnik
Vorbemerkungen
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Profilübergreifendes Bildungsziel des Technischen Gymnasiums
Wenn Technik als Teilbereich der Kultur mehr und mehr den Alltag und die Zukunft der Arbeit und der Gesellschaft als Ganzes prägt, dann kommt dem Erwerb technischer Kompetenzen, der Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten der Technik, den sich aus ihrem Einsatz ergebenden Folgen sowie den wirtschaftlichen Aspekten, die in der Technik liegen, eine besondere Rolle zu. Die Schülerinnen und Schüler der Technischen Gymnasien sollen Technik nicht nur als Mittel zu einem Ziel oder als Form methodisch-planvollen Handelns begreifen, sondern befähigt werden, die in der Welt ablaufenden technischen Vorgänge ganzheitlich zu erfassen, um sie in ein zielgerichtetes und verantwortliches Handeln einbinden zu können.
Zukunftsfähige technische Lösungen erfordern neben fundiertem technischem Fachwissen verstärkt Handlungskompetenz, die auf fachlichen, personalen, methodischen und sozialen Kompetenzen beruht, sowie systemische Denk- und Arbeitsweisen, um auch bei komplexen Problemstellungen selbstständig, rational und reflektiert handeln und somit erfolgreiche und nachhaltig wirksame Entscheidungen treffen zu können. Das Technische Gymnasium stellt dies unter Berücksichtigung der Heterogenität der Schülerinnen und Schüler mit seinem wissenschaftspropädeutischen Ansatz sicher und schafft in diesem Sinne die Voraussetzungen für das Studium an Universitäten. Zudem ermöglicht es eine vertiefte Profilierung für anspruchsvolle Tätigkeiten und Führungspositionen im Bereich naturwissenschaftlich-technischer, gestalterisch-technischer sowie wirtschaftstechnisch geprägter beruflicher Tätigkeiten. Der Erwerb technikwissenschaftlicher Grundkompetenzen durch die Verzahnung von Theorie und Praxis – insbesondere im Profilfach – stellt hierbei ein besonderes Merkmal der Technischen Gymnasien dar.
Unter dem Aspekt der Bildung zur nachhaltigen Entwicklung wird im Technischen Gymnasium das Bewusstsein geschaffen, dass technische Systemlösungen anhand ökonomischer, ethischer und ökologischer Kriterien beurteilt sowie im gesamtgesellschaftlichen Kontext betrachtet werden müssen.
Fachbezogene Vorbemerkungen
1. Fachspezifischer Bildungsauftrag (Bildungswert des Faches)
Der stetig wachsende globale Bedarf an Energie und das Streben der Menschen nach einem hohen Maß an Mobilität und Lebensqualität machen technische Systeme erforderlich, die den Erhalt der Umwelt und des Klimas nicht gefährden. Nur wenn Technik und Umwelt in Einklang miteinander gebracht werden können, lassen sich die natürlichen Lebensgrundlagen wie saubere Luft und sauberes Wasser auf Dauer erhalten.
Der Klimawandel und seine Auswirkungen stellen eine der größten Herausforderungen für die Menschheit dar. Der Unterricht im Profilfach „Umwelttechnik“ am Technischen Gymnasium soll die Schülerinnen und Schüler befähigen, ihre eigene Verantwortung der Umwelt und zukünftigen Generationen gegenüber zu erkennen und aktiv wahrzunehmen. Sie realisieren, dass durch die Verknüpfung unterschiedlichster Technologien mit intelligentem Energiemanagement Systemlösungen geschaffen werden können, die größtmögliche Schonung von Ressourcen und Umwelt erlauben.
Im Profilfach werden Technik und Umwelt als vernetzte Systeme betrachtet, bei denen nicht nur das technisch Machbare im Vordergrund steht. Im Sinne einer Bildung zur nachhaltigen Entwicklung wird bei den Schülerinnen und Schülern das Bewusstsein geschaffen, dass technische Systemlösungen nicht nur bezüglich ihrer Funktionalität und Machbarkeit untersucht werden müssen. Vielmehr erfordert die gesellschaftliche Akzeptanz auch eine ganzheitliche Betrachtung der Technik unter Berücksichtigung der Ökobilanz und der Nachhaltigkeit.
2. Fachliche Aussagen zum Kompetenzerwerb, prozessbezogene Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler erwerben und vertiefen im Profilfach eine umfassende Handlungskompetenz mit den Dimensionen der sachlichen, methodischen, sozialen und personalen Kompetenz. Diese zugrundeliegenden Kompetenzbegriffe sind in den einheitlichen Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Technik (Beschluss der Kultusministerkonferenz i. d. F. vom 16.11.2006) ausführlich beschrieben und erläutert.
Der Unterricht im Profilfach verknüpft naturwissenschaftliche Grundlagen aus den Bereichen Chemie, Physik und Biologie mit technologischen Anwendungen aus den vielfältigen Bereichen der Umwelt- und Energietechnik. Mithilfe dieser Fachkompetenzen können die Schülerinnen und Schüler auch komplexe Problemstellungen der Umwelttechnik erfassen, da sie die grundlegenden Wirkungsprinzipien technischer Systeme verstehen und ingenieur- und naturwissenschaftliche Arbeitsmethoden anwenden können.
Methodenkompetenz erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler anhand geeigneter Leitbeispiele aus den Themenfeldern „Gebäudetechnik“, „Mobilität“, „Erneuerbare Energien“ sowie „Umweltschutz“ mit Gewässerschutz und Luftreinhaltung.
Dabei setzt das Profilfach gezielt einen Schwerpunkt im Bereich „Erneuerbare Energien“: Sinnvolle Einsatzmöglichkeiten, effiziente Energiewandlung, ‑verteilung und ‑speicherung sowie Bewertung von Energiesystemen werden in vielen Bildungsplaneinheiten über die Klassenstufen hinweg thematisiert.
Die ausgewählten Themenfelder im Profilfach „Umwelttechnik“ können den ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen Elektrotechnik, Maschinenbau, Verfahrenstechnik und Bautechnik zugeordnet werden. Ergänzt werden diese Bereiche um informationstechnische Grundlagen in den profilfachbezogenen Modulen des Fachs Informatik (TG). Durch die erworbenen Kenntnisse und Fähigkeiten werden die Schülerinnen und Schüler zielgerichtet auf ingenieur- oder naturwissenschaftliche Studiengänge mit Schwerpunkten im Bereich Umwelt- oder Energietechnik sowie auf einschlägige Berufsausbildungen in diesem gesellschaftlich immer bedeutender werdenden Zukunftsfeld vorbereitet. Im umfangreichen Laborunterricht machen sich die Schülerinnen und Schüler im Rahmen von handlungsorientierter Themenbearbeitung mit wissenschaftlichen Arbeitsweisen vertraut und entwickeln ihre Handlungs- und Problemlösungskompetenz. Hierzu findet in der Eingangsklasse die Hälfte der Unterrichtsstunden in Klassenteilung statt, in den Jahrgangsstufen 1 und 2 beträgt der Laboranteil ein Sechstel der Stunden. In praktischen Übungen im Team setzen die Schülerinnen und Schüler ihre theoretischen Kenntnisse um, begründen ihre Lösungsansätze und schulen so ihre Fähigkeit zum strukturierten Lösen technischer Probleme.
Beim selbstständigen Experimentieren trainieren sie ihre manuellen Fertigkeiten und erweitern ihre Kompetenzen im exakten praktischen Arbeiten, systematischen Darstellen und Beurteilen von Versuchsergebnissen. Auf diese Weise erlernen die Schülerinnen und Schüler die typischen Denk- und Vorgehensweisen sowohl beim naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinn als auch beim ingenieurwissenschaftlichen Arbeiten. Hierbei werden Teamfähigkeit und soziale Kompetenzen entwickelt.
Die in der Jahrgangsstufe angegebenen Wahlthemen ermöglichen es den Lehrerinnen und Lehrern – je nach Interessenlage der Klasse und den Gegebenheiten der Schule – ein ergänzendes Gebiet der Umwelttechnik aufzugreifen oder bereits Bekanntes zu vertiefen, auch im Rahmen einer Projektarbeit.
3. Ergänzende fachliche Hinweise
Der interdisziplinäre Charakter der Umwelttechnik, der sich in den Bildungsplaninhalten des Profils widerspiegelt, erfordert eine kontinuierliche Abstimmung der unterrichtenden Lehrerinnen und Lehrer sowohl im Profilfach „Umwelttechnik“ als auch im Fach „Informatik (TG)“, ggf. im Wahlfach „Sondergebiete der Technik“ sowie in den naturwissenschaftlichen Fächern.
In der Eingangsklasse werden in den Bildungsplaneinheiten „Umwelttechnische Systeme steuern“ (BPE 2), „Ökologie und Klimawandel“ (BPE 4), „Umweltchemisches Labor“ (BPE 5), „Trink- und Abwasser“ (BPE 6) Themengebiete beispielhaft behandelt, die für das grundlegende Verständnis der Umwelttechnik von Bedeutung sind. Insbesondere die Thematik „Klimawandel“ stellt als Klammer über das Profilfach auch die Motivation für die Bildungsplaneinheiten der Fachstufen dar und wird daher immer wieder aufgegriffen.
Die Bildungsplaneinheiten „Sonnenenergie elektrisch wandeln und speichern“ (BPE 1) sowie „Grundlagen der Energieumwandlung“ (BPE 3) behandeln Inhalte, die für Themen der Jahrgangsstufen 1 und 2 grundlegende Voraussetzung sind.
Der übergeordnete Ansatz der Bildungsplaneinheit „Bewertung von energie- und umwelttechnischen Systemen“ (BPE 17) bietet die Möglichkeit, alle Themengebiete inhaltlich zu verbinden. Es ist möglich, einzelne Aspekte dieser Einheit bereits in vorangehenden Themen zu behandeln.
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 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. Die für das jeweilige Fach relevanten Operatoren sowie deren fachspezifische Bedeutung sind 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. Bildungsplaneinheiten.
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 fächerspezifischen Besonderheiten und 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 gleichwertige Feststellung von Schülerleistungen (GFS), Nachbesprechung zu Leistungsfeststellungen sowie Feedback-Gespräche umfassen.
Bildungsplanübersicht
* In der Jahrgangsstufe 2 sind zwei der BPE 18 – 21 zu unterrichten.
Eingangsklasse
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Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) |
60 |
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Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
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BPE 1 |
Sonnenenergie elektrisch wandeln und speichern |
35 (35) |
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Die Schülerinnen und Schüler beschreiben elektrotechnische Zusammenhänge am System Solarzelle – Akkumulator. Sie entdecken die technischen Herausforderungen bei der Energiewandlung und beurteilen deren Effizienz. Sie berechnen einfache Grundschaltungen mithilfe elektrischer Grundgrößen. Die Schülerinnen und Schüler bewerten das elektrische Verhalten von Bauteilen und deren Kennlinien. Sie erörtern den effizienten Umgang mit elektrischer Energie am Beispiel energiesparender Leuchtmittel.
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BPE 1.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Energiespeicher Akkumulator. Sie stellen die Zusammenhänge hinsichtlich Energieinhalt und Kapazität dar, erklären die Zusammenhänge der Begriffe Strom, Spannung, Leistung und ermitteln Energiekosten auch unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades. Sie beschreiben grundlegende technische Darstellungsarten und werten die Umwandlungen der Basiseinheiten aus. |
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BPE 1.2 |
Die Schülerinnen und Schüler zeichnen Stromkreise und leiten das Ohm’sche Gesetz ab. Sie führen Messungen an Reihen- und Parallelschaltungen durch und bestimmen die Gesetzmäßigkeiten einfacher gemischter Schaltungen. |
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BPE 1.3 |
Die Schülerinnen und Schüler untersuchen und analysieren die Stromversorgung mit einer Solarzelle. Sie ermitteln messtechnisch deren Kennlinie und werten diese hinsichtlich des Punktes maximaler Leistung aus und bewerten den Wirkungsgrad. |
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BPE 1.4 |
Die Schülerinnen und Schüler vergleichen Gleich- und Wechselspannung. Sie stellen Stromversorgungen mit Diode, Gleichrichtung und Glättungskondensator dar und führen Messungen an diesen Schaltungen durch. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben energiesparende Beleuchtungen und dimensionieren LED-Schaltungen mit Vorwiderstand. |
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BPE 2 |
Umwelttechnische Systeme steuern |
15 (15) |
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Die Schülerinnen und Schüler stellen umwelttechnische Systeme exemplarisch dar. Sie leiten einzelne Wirkungsketten ab – von der Erfassung über die Wandlung bis zur Weiterverarbeitung umwelttechnischer Größen. Sie strukturieren umwelttechnische Problemstellungen und realisieren diese mit einer einfachen programmierbaren Steuerung als Kleinprojekte.
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BPE 2.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das EVA -Prinzip und übertragen es auf umwelttechnische Steuerungen. Sie beschreiben verschiedene Signalformen. |
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BPE 2.2 |
Die Schülerinnen und Schüler entwerfen kombinatorische Schaltungen zur Steuerung umwelttechnischer Systeme und stellen diese mit Funktionsplänen, Funktionstabellen und Schaltfunktionen dar. Sie untersuchen Steuerungen mit Zeit- und Speicherfunktionen. |
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BPE 3 |
Grundlagen der Energieumwandlung |
38 (17) |
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Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Energieformen und Energieträger, stellen Energieumwandlungsprozesse dar und beurteilen deren Effizienz. Aus Lastgang-Diagrammen leiten sie die Notwendigkeit der Energiespeicherung ab.
Die Schülerinnen und Schüler führen Berechnungen zu energietechnischen Grundlagen durch und wenden dabei thermodynamische Gesetzmäßigkeiten an. |
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BPE 3.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben unterschiedliche Energieformen. Verschiedene Energieträger und den Energiebedarf beurteilen sie anhand von Informationsquellen hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit. Sie stellen Energieumwandlungsprozesse grafisch dar und bewerten die Effizienz der Energieumwandlung. |
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BPE 3.2 |
Die Schülerinnen und Schüler werten Diagramme zum Lastgang aus, beschreiben zeitabhängige Differenzen zwischen Angebot und Bedarf elektrischer Energie und leiten daraus die Notwendigkeit der Energiespeicherung ab. Sie analysieren unterschiedliche Möglichkeiten der Energiespeicherung. |
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BPE 3.3 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben thermodynamische Zustandsgrößen. Sie ermitteln die spezifische Wärmekapazität von Wasser. Sie berechnen Wärmemengen und Wärmeströme und berücksichtigen dabei spezifische Wärmekapazität und Heizwert. |
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BPE 3.4 |
Die Schülerinnen und Schüler erklären Zustandsänderungen idealer Gase und stellen diese in p-V-Diagrammen dar. Zustandsgrößen berechnen sie mithilfe des allgemeinen Gasgesetzes sowie Prozessgrößen für Zustandsänderungen. |
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BPE 3.5 |
Die Schülerinnen und Schüler stellen Energieumwandlungen für rechtsgängige Kreisprozesse im p-V-Diagramm dar. Sie erklären den ersten Hauptsatz der Wärmelehre und wenden ihn auf rechtsgängige Kreisprozesse an. Sie bestimmen den Wirkungsgrad. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Aussage des zweiten Hauptsatzes der Wärmelehre. |
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BPE 4 |
Ökologie und Klimawandel |
17 (10) |
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Die Schülerinnen und Schüler beschreiben ihre Umwelt und darauf einwirkende Umweltfaktoren. Sie analysieren Ursachen und Folgen des Klimawandels und untersuchen exemplarisch ein Ökosystem.
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BPE 4.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau von Ökosystemen und die auf sie einwirkenden abiotischen Umweltfaktoren. Sie erläutern den Wasser- und Kohlenstoffkreislauf. |
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BPE 4.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den natürlichen Treibhauseffekt und erklären den anthropogenen Treibhauseffekt als Ursache des Klimawandels. Sie analysieren konkrete Auswirkungen des Klimawandels. |
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BPE 4.3 |
Die Schülerinnen und Schüler untersuchen exemplarisch ein Ökosystem. Dabei übertragen sie die theoretischen Kenntnisse auf konkrete Betrachtungen. Sie beurteilen die ökologische Qualität des betrachteten Ökosystems. |
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BPE 5 |
Umweltchemisches Labor |
33 (33) |
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Die Schülerinnen und Schüler beurteilen die Qualität von Wasser anhand eigener Versuchsergebnisse. Sie bestimmen ausgewählte physikalische Eigenschaften wässriger Lösungen und führen Verfahren zur Wasseraufbereitung und ‑behandlung durch. Sie analysieren Wasserproben, protokollieren die entsprechenden Versuche und werten diese aus. Dabei wenden sie einfache statistische Methoden an.
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BPE 5.1 |
Die Schülerinnen und Schüler nennen die Gefahren, die für Mensch und Umwelt von Chemikalien ausgehen. |
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BPE 5.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Verwendung von Wasser als Lösemittel. Sie ermitteln physikalische Größen wässriger Lösungen und wenden bei Berechnungen Dichte- und Konzentrationsangaben an. |
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BPE 5.3 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Trennverfahren aus der Trinkwasseraufbereitung und Abwasserbehandlung und führen diese durch. |
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BPE 5.4 |
Die Schülerinnen und Schüler benennen umweltbelastende Wasserinhaltsstoffe mit chemischen Formeln, beschreiben ihre Herkunft und ihre Auswirkungen. Sie beurteilen die Wasserqualität anhand von Wasserparametern. |
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BPE 5.5 |
Die Schülerinnen und Schüler messen Wasserparameter mit verschiedenen Methoden der quantitativen analytischen Chemie und beurteilen Messergebnisse mit einfachen statistischen Methoden. Sie erläutern die Messprinzipien unter Einbeziehung stöchiometrischer Rechnungen und optischer Grundlagen. |
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BPE 6 |
Trink- und Abwasser |
12 (10) |
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Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Verfügbarkeit und Bedarf an Trinkwasser, sie erklären verschiedene Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung. Sie unterscheiden nicht-gewerbliche Abwasserarten und erklären unterschiedliche Abwasserparameter. Sie beurteilen Kanalisationssysteme und erläutern die mechanischen, chemischen und biologischen Reinigungsprozesse in einer Kläranlage.
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BPE 6.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Trinkwasservorkommen und -gewinnung. Dabei berücksichtigen sie örtliche Gegebenheiten und benennen die Qualitätsanforderungen an Trinkwasser. |
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BPE 6.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Wirkung unerwünschter Wasserinhaltsstoffe im Trinkwasser und erklären Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung. |
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BPE 6.3 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben verschiedene Abwasserarten und vergleichen den Aufbau der Abwasserkanalisation nach dem Misch- und Trennsystem. Sie erklären die Bedeutung der unterschiedlichen Abwasserparameter. |
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BPE 6.4 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben physikalische Prozesse in der mechanischen Reinigungsstufe einer Kläranlage. Sie erklären die grundlegenden Prozesse der chemischen und biologischen Abwasserbehandlung. |
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Jahrgangsstufe 1
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Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) |
60 |
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Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
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BPE 7 |
Elektromobilität |
26 (8) |
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Die Schülerinnen und Schüler analysieren am Beispiel eines einfachen Elektrofahrzeugs die Bereitstellung von elektrischer Energie durch Akkumulatoren und deren Umsetzung in Bewegungsenergie durch die verlustarme Steuerung von Gleichstrommotoren. Sie beurteilen die Effizienz, den Energieeinsatz und den Wirkungsgrad anhand relevanter Parameter und Kennlinien.
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BPE 7.1 |
Die Schülerinnen und Schüler nennen grundlegende Komponenten eines Elektrofahrzeugs. Sie vergleichen verschiedene Akkutechnologien hinsichtlich Energiedichte und Einsatzbereichen. |
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BPE 7.2 |
Die Schülerinnen und Schüler erklären die Strom- und Spannungsverläufe beim Ein- und Ausschalten von Induktivitäten an Gleichspannung. Sie beschreiben den Aufbau einer permanenterregten Gleichstrommaschine, untersuchen das Motorersatzschaltbild und analysieren seine Drehmoment-Drehzahlkennlinie. |
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BPE 7.3 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben ideale Schaltvorgänge mit Transistoren. Sie beurteilen die PWM als Möglichkeit der verlustarmen Steuerung von Gleichstrommaschinen, bestimmen den Tastgrad und berechnen den arithmetischen Mittelwert. Sie erklären die Funktionsweise des Tiefsetzstellers. |
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BPE 7.4 |
Die Schülerinnen und Schüler ermitteln die Reichweite von Elektrofahrzeugen und beurteilen den Energieeinsatz, den Gesamtwirkungsgrad und die erzielte Reichweite. |
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BPE 8 |
Wind- und Wasserkraft nutzen |
34 (6) |
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Die Schülerinnen und Schüler bewerten die Voraussetzungen, Möglichkeiten und Einsatzchancen von Wind- und Wasserkraftanlagen. Sie berechnen das zur Verfügung stehende Energiepotenzial sowie mechanische und elektrische Kenngrößen anhand einfacher Modelle. Sie stellen den Energietransport vom Generator über ein Hochspannungsnetz zum Verbraucher dar.
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BPE 8.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau und die Bedeutung von Wasserkraftwerken. Sie analysieren die Verwendung von Turbinen hinsichtlich Einsatzgebieten und Wirkungsgrad. Sie dimensionieren grundlegende Komponenten von Wasserkraftanlagen. |
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BPE 8.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau und die Bedeutung von Windkraftanlagen und untersuchen deren Funktionsweisen. Sie bewerten den Ertrag von Windkraftanlagen und deren Beitrag zur Energieversorgung. |
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BPE 8.3 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen und erklären die Phänomene Wirk-, Blind- und Scheinleistung. Sie vergleichen Drehstrom- und Gleichstromübertragung. |
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BPE 9 |
Photovoltaik |
15 (6) |
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Die Schülerinnen und Schüler planen eine Photovoltaikanlage, legen die Betriebsart fest und wählen geeignete Komponenten anhand ihrer Kenngrößen aus. Dabei analysieren sie die Eigenschaften der einzelnen Funktionsgruppen und bewerten die Wirtschaftlichkeit der Anlage.
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BPE 9.1 |
Die Schülerinnen und Schüler dimensionieren und verschalten Solarmodule. Mithilfe von Kennlinien und Kenngrößen beurteilen sie die Eigenschaften von Solarmodulen. |
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BPE 9.2 |
Die Schülerinnen und Schüler berechnen den Ertrag und die Wirtschaftlichkeit in Abhängigkeit vom Standort und von der Ausrichtung der Solarmodule. |
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BPE 9.3 |
Die Schülerinnen und Schüler stellen die Betriebsarten von Photovoltaikanlagen dar und beschreiben die dafür notwendigen Komponenten. Sie übertragen die grundlegenden Prinzipien der verlustarmen Leistungssteuerung auf die Funktion des Wechselrichters. Sie dimensionieren die Komponenten des Netzparallel- und Inselbetriebs. |
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BPE 10 |
Wärme erzeugen |
40 (12) |
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Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau und die Funktionsweise von Anlagen zur Wärmeerzeugung für die Gebäudebeheizung. Sie erläutern das Zusammenwirken der Anlagenkomponenten und dimensionieren diese nach dem Wärmebedarf. Sie bewerten Energiesysteme anhand geeigneter Bilanzen und Kennwerte hinsichtlich Effizienz sowie ökologischer und ökonomischer Gesichtspunkte.
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BPE 10.1 |
Die Schülerinnen und Schüler erläutern die energetischen und anlagentechnischen Grundlagen der Solarthermie, erklären den Aufbau und die Funktion einer Solaranlage und berechnen Anlagenkomponenten hinsichtlich Wärmegewinnung und -speicherung. |
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BPE 10.2 |
Die Schülerinnen und Schüler stellen die Grundlagen der Brennwerttechnik dar und ermitteln für den Betrieb von Brennwertkesseln charakteristische Kenngrößen. Sie beschreiben den Aufbau von Brennwertkesseln und vergleichen diese – auch energetisch – mit herkömmlichen Heizkesseln. |
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BPE 10.3 |
Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Aufbau, die energetischen Grundlagen und mögliche Betriebsarten von Wärmepumpen. Sie benennen und beurteilen unterschiedliche Quellen der Umweltwärme und bewerten die Effizienz einer Wärmepumpe anhand energetischer Kennzahlen. |
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BPE 10.4 |
Die Schülerinnen und Schüler erklären den Aufbau und die Funktionsweise von Blockheizkraftwerken. Sie beschreiben die Einsatzgebiete von Blockheizkraftwerken, erklären die energetischen Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung und legen Blockheizkraftwerke nach dem Wärmebedarf aus. |
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BPE 11 |
Die Brennstoffzelle als Energiewandler |
10 (4) |
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Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Grundzüge der Wasserstoffwirtschaft. Sie erklären das Funktionsprinzip einer PEM-Brennstoffzelle, analysieren ihr Betriebsverhalten und erläutern den Aufbau eines Brennstoffzellen-BHKWs.
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BPE 11.1 |
Die Schülerinnen und Schüler erklären die Funktionsweise eines Elektrolyseurs und ermitteln dessen Wirkungsgrad. Sie skizzieren ein wasserstoffbasiertes Energiesystem und diskutieren Vor- und Nachteile vor dem Hintergrund einer regenerativen und nachhaltigen Energieversorgung. |
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BPE 11.2 |
Die Schülerinnen und Schüler erklären die Funktionsweise einer PEM Brennstoffzelle und ermitteln den elektrischen Wirkungsgrad experimentell. Sie vergleichen BHKWs mit Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle hinsichtlich ihrer Effizienz. |
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BPE 11.3 |
Die Schülerinnen und Schüler berechnen die theoretische Zellspannung. Sie untersuchen das Betriebsverhalten der Brennstoffzelle und bestimmen den Punkt der maximal abgegebenen elektrischen Leistung. |
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BPE 12 |
Wohnklima und Gebäudehülle |
25 (4) |
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Die Schülerinnen und Schüler erklären Einflussfaktoren auf die Behaglichkeit in Wohnräumen und analysieren Wohnraumluftzustände mithilfe des h-x-Diagramms. Sie erklären die Funktion und den Aufbau einer kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung.
Sie bewerten Bau- und Dämmstoffe und erläutern bauliche Vorüberlegungen sowie den sommerlichen Wärmeschutz zur energetischen Optimierung der Gebäudehülle. Sie analysieren mehrschichtige Bauteile durch die Bestimmung des U-Werts und erklären die Ursachen von Wärmebrücken. Die Schülerinnen und Schüler analysieren Wandquerschnitte hinsichtlich Tauwasseranfalls mithilfe des Glaserverfahrens und erläutern die Vor- und Nachteile einer Innen- und Außendämmung. |
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BPE 12.1 |
Die Schülerinnen und Schüler erläutern wohnklimatische Grundlagen. Sie analysieren die Wohnraumluft mithilfe des h-x-Diagramms. Sie bestimmen Luftzustände, verursacht durch Mischung und thermodynamische Luftbehandlung. |
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BPE 12.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Luftdichtheit von modernen Gebäuden und leiten daraus die Notwendigkeit der Raumbelüftung ab. Sie beschreiben den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Anlage zur kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung. |
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BPE 12.3 |
Die Schülerinnen und Schüler erläutern bauliche Vorüberlegungen mit der Zielsetzung, Gebäudehüllen energetisch zu optimieren. Sie bewerten Bau- und Dämmstoffe nach wärmeschutztechnischen Gesichtspunkten. Sie beurteilen mehrschichtige Bauteile und berechnen dafür Kennwerte des Wärmedurchgangs. Die Schülerinnen und Schüler begründen die Ursachen von Wärmebrücken. |
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BPE 12.4 |
Die Schülerinnen und Schüler ermitteln eine mögliche Taupunktunterschreitung auf der Bauteiloberfläche und innerhalb eines Wandquerschnitts. Sie begründen die Notwendigkeit baulicher Maßnahmen zur Verhinderung von Tauwasserbildung. Die Schülerinnen und Schüler vergleichen und bewerten verschiedene Wandkonstruktionen hinsichtlich des Wärme- und Feuchteschutzes. |
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Jahrgangsstufe 2
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Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) |
48 |
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Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.
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BPE 13 |
Elektro- und Hybridfahrzeuge |
25 (6) |
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Die Schülerinnen und Schüler wenden die thermodynamischen Grundlagen an, um die Energiewandlung in Verbrennungsmotoren darzustellen. Sie erörtern und vergleichen die Eigenschaften von Elektro- und Verbrennungsmotoren und analysieren das Zusammenwirken der Komponenten im Hybridfahrzeug.
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BPE 13.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Kreisprozesse von Verbrennungsmotoren und berechnen Zustandsgrößen. Sie analysieren zugehörige Kennlinienfelder. |
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BPE 13.2 |
Die Schülerinnen und Schüler vergleichen die Eigenschaften von Verbrennungsmotoren und elektrischen Maschinen. Sie analysieren das Zusammenspiel der gekoppelten Antriebe und stellen die Energieflüsse dar. |
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BPE 14 |
Energieumwandlung in Wärmekraftwerken |
17 (4) |
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Die Schülerinnen und Schüler erklären und vergleichen die Energieumwandlung bei der Stromerzeugung ausgehend von unterschiedlichen Typen von Wärmekraftwerken. Sie berechnen Kenngrößen eines Kraftwerksprozesses und analysieren Optimierungsmöglichkeiten.
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BPE 14.1 |
Die Schülerinnen und Schüler erklären das gemeinsame Grundprinzip der Stromerzeugung in Wärmekraftwerken und beschreiben die wesentlichen Prozessschritte in einem solchen Kraftwerk. Sie vergleichen unterschiedliche Kraftwerkstypen nach Art der Wärmequelle. |
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BPE 14.2 |
Die Schülerinnen und Schüler stellen den Dampfkraftprozess als thermodynamischen Kreisprozess grafisch dar, berechnen Zustands- und Prozessgrößen und analysieren Optimierungen in der Prozessführung. |
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BPE 15 |
Umweltbereich Luft |
14 (4) |
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Die Schülerinnen und Schüler benennen Luftverunreinigungen, erklären ihre Herkunft und erläutern ihre Auswirkungen auf die Umwelt. Sie untersuchen individuelle und gesellschaftliche Maßnahmen zur Luftreinhaltung an einem konkreten Beispiel.
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BPE 15.1 |
Die Schülerinnen und Schüler benennen wichtige Luftverunreinigungen und beschreiben ihre Freisetzung und Ausbreitung. |
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BPE 15.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Auswirkungen von Luftverunreinigungen auch unter Verwendung von Reaktionsgleichungen. Sie erläutern die Wirkung auf die belebte und unbelebte Umwelt. Sie beurteilen die Notwendigkeit und die Wirksamkeit individueller und gesellschaftlicher Maßnahmen zur Luftreinhaltung an einem Beispiel. |
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BPE 16 |
Abgasreinigung |
19 (4) |
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Die Schülerinnen und Schüler erklären den Einfluss der Verbrennungsbedingungen auf die Schadstoffentstehung und führen Berechnungen zum Luftbedarf durch. Sie beschreiben die Funktionsweise der einzelnen Baugruppen der Rauchgasreinigung. Die Schülerinnen und Schüler beurteilen den Zusammenhang zwischen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors und der Qualität der Abgasreinigung im Kraftfahrzeug.
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BPE 16.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben vereinfacht die Zusammensetzung von Brennstoffen und stellen die Reaktionsgleichungen für deren Verbrennung auf. Sie erklären die Luftverhältniszahl und analysieren den Einfluss der Verbrennungsbedingungen auf die Abgaszusammensetzung. |
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BPE 16.2 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Rauchgasreinigung im Kohlekraftwerk mithilfe eines Anlagenschemas. Sie erklären die Funktionsweise der Entstaubung durch Elektroabscheider und Gewebefilter. Sie beschreiben die Arbeitsweise von Rauchgasentstickungsanlagen mit und ohne Katalysator und erläutern die Funktionsweise der Rauchgasentschwefelung. |
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BPE 16.3 |
Die Schülerinnen und Schüler diskutieren die Notwendigkeit der Abgasreinigung vor dem Hintergrund der Schadwirkung verschiedener Abgasbestandteile. Sie analysieren die Auswirkungen unterschiedlicher Verbrennungsbedingungen auf die Abgaszusammensetzung und leiten daraus jeweils passende Reinigungsstrategien ab. Sie erklären die Funktionsweise des Dreiwege-, des Oxidations- und des SCR-Katalysators auch mithilfe von Reaktionsgleichungen. Sie erklären den Aufbau und die Funktionsweise des Dieselpartikelfilters. |
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BPE 17 |
Bewertung von energie- und umwelttechnischen Systemen |
25 (4) |
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Die Schülerinnen und Schüler führen technische Inhalte der vorhergehenden Bildungsplaneinheiten zusammen und bewerten die Auswirkungen dieser Technologien hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit und ihres Einflusses auf den Klimawandel. Sie analysieren vertieft mindestens ein ausgewähltes energie- und umwelttechnisches System basierend auf gegebenen Daten.
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BPE 17.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben ein ausgewähltes energie- und umwelttechnisches System. |
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BPE 17.2 |
Die Schülerinnen und Schüler leiten die Dimensionen des Nachhaltigkeitsbegriffs am Beispiel des ausgewählten energie- und umwelttechnischen Systems ab. |
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BPE 17.3 |
Die Schülerinnen und Schüler stellen verschiedene Möglichkeiten der Bilanzierung des ausgewählten energie- und umwelttechnischen Systems dar. |
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BPE 17.4 |
Die Schülerinnen und Schüler analysieren und bewerten die Ergebnisse einer umwelttechnischen Bilanz. Dabei stellen sie Zusammenhänge zu aktuellen Fragestellungen her und beurteilen diese hinsichtlich des Leitbilds der Nachhaltigkeit. |
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BPE 18* |
Elektrotechnisches Projekt |
10 (5) |
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Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten selbstständig eine vorgegebene Problemstellung aus den nachfolgenden Themen.
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BPE 18.1 |
Die Schülerinnen und Schüler führen Parametrierungen an einem System der Gebäudeleittechnik durch. |
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BPE 18.2 |
Die Schülerinnen und Schüler führen messtechnische Übungen im Bereich der Wechselstromtechnik durch und werten diese mathematisch aus. |
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BPE 18.3 |
Die Schülerinnen und Schüler dimensionieren eine lichttechnische Anlage. |
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BPE 18.4 |
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln die Lösung zu einer umwelttechnischen Problemstellung. |
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BPE 19* |
Abfall und Recycling |
10 (5) |
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Die Schülerinnen und Schüler vergleichen Abfallarten und deren Aufkommen. Sie beurteilen abfallwirtschaftliche Konzepte und bewerten Verfahren der Abfallbehandlung, ‑verwertung und ‑vermeidung unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten.
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BPE 19.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Begrifflichkeiten der Abfallwirtschaft und erläutern die Stufen der Abfallhierarchie an konkreten Beispielen. Sie diskutieren Möglichkeiten der Abfallvermeidung auf Hersteller- und Verbraucherseite. |
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BPE 19.2 |
Die Schülerinnen und Schüler untersuchen ein konkretes Beispiel für Recyclingverfahren aus dem Themenfeld Umwelttechnik. Dazu führen sie wenn möglich eine Exkursion zu einem Recyclingbetrieb durch. Sie beurteilen die stofflichen und energetischen Vorteile des Recyclings am konkreten Beispiel. |
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BPE 19.3 |
Die Schülerinnen und Schüler vergleichen Verfahren zur Abfallbehandlung. Sie analysieren Vor- und Nachteile und beschreiben die Konsequenzen in energetischer und stofflicher Hinsicht. |
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BPE 20* |
Mobilitätsmanagement |
10 (5) |
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Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Ziele einer nachhaltigen Mobilität und begründen die Notwendigkeit von Mobilitätskonzepten. Sie beschreiben und analysieren exemplarisch Mobilitätskonzepte. Sie entwickeln und beurteilen ein Konzept für die Optimierung der nachhaltigen Mobilität in ihrer Umgebung.
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BPE 20.1 |
Aufbauend auf den Bildungsplaneinheiten 13 und 17 beschreiben die Schülerinnen und Schüler Bedarf, Angebote und Probleme der Mobilität. |
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BPE 20.2 |
Die Schülerinnen und Schüler diskutieren zum Thema nachhaltige Mobilität und die Hindernisse bei der Umsetzung. Sie erklären existierende nachhaltige Mobilitätskonzepte. |
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BPE 20.3 |
Die Schülerinnen und Schüler organisieren ein schuleigenes Projekt zum Thema nachhaltige Mobilität unter Beachtung regionaler Gegebenheiten. |
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BPE 21* |
Energie aus Biomasse |
10 (5) |
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Die Schülerinnen und Schüler begründen die Verwendung von Biomasse als Energiequelle. Sie beschreiben die Vielfalt biogener Rohstoffe und deren Verarbeitungsmöglichkeiten. Am Beispiel einer Biogasanlage erläutern sie die verschiedenen Aspekte der praktischen Umsetzung bei der Energiegewinnung aus Biomasse und diskutieren regionale Einsatzmöglichkeiten.
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BPE 21.1 |
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Biomassearten und erklären unterschiedliche Verfahren zur energetischen Nutzung der Biomasse. |
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BPE 21.2 |
Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Prozess- und Verfahrensablauf einer Biogasanlage. Sie beschreiben die Biogasaufbereitung und Gasverwertung und analysieren die Wirtschaftlichkeit der Anlage. |
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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 AFB |
|---|---|---|
| ableiten |
auf der Grundlage wesentlicher Merkmale sachgerechte Schlüsse ziehen
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II |
| abschätzen |
eine technische Einrichtung nach den Verfahren der jeweiligen Technikwissenschaft entsprechend der gestellten Anforderung grob dimensionieren ohne genaue Berechnungen durchzuführen
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II |
| analysieren, untersuchen |
wichtige Bestandteile oder Eigenschaften auf eine bestimmte Fragestellung hin herausarbeiten. Untersuchen beinhaltet ggf. zusätzlich praktische Anteile
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II, III |
| auswerten |
Daten, Einzelergebnisse oder andere Elemente in einen Zusammenhang stellen und ggf. zu einer Gesamtaussage zusammenführen
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II |
| begründen |
Sachverhalte auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Beziehungen von Ursachen und Wirkung zurückführen
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II |
| berechnen, bestimmen |
Ergebnisse von einem bekannten Ansatz ausgehend durch Rechenoperationen oder grafische Lösungsmethoden gewinnen
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I, II |
| beschreiben |
Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten wiedergeben
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I |
| beurteilen |
zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen
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II, III |
| bewerten, Stellung nehmen |
eine eigene Position nach ausgewiesenen Kriterien vertreten
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II, III |
| darstellen |
Sachverhalte, Zusammenhänge, Methoden usw. strukturiert und ggf. fachsprachlich wiedergeben
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I, II |
| dimensionieren |
eine technische Einrichtung nach den Verfahren der jeweiligen Technikwissenschaft entsprechend der gestellten Anforderung bestimmen
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II, III |
| dokumentieren |
entscheidende Erklärungen, Herleitungen und Skizzen darstellen
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III |
| durchführen |
eine vorgegebene oder eigene Anleitung (z. B. für ein Experiment oder eine Befragung) umsetzen
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II |
| entwickeln, entwerfen |
Lösungen für komplexe Probleme erarbeiten
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II, III |
| erläutern, erklären |
einen technischen Sachverhalt in einen Zusammenhang einordnen sowie ihn nachvollziehbar und verständlich machen
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I, II |
| ermitteln |
einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren
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II |
| konstruieren |
Form und Bau eines technischen Objektes durch Ausarbeitung des Entwurfs, durch technische Berechnungen, Überlegungen usw. maßgebend gestalten
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II |
| nennen |
Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten ohne Erläuterungen aufzählen
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I |
| optimieren |
einen gegebenen technischen Sachverhalt oder eine gegebene technische Einrichtung so verändern, dass die geforderten Kriterien unter einem bestimmten Aspekt erfüllt werden
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II |
| skizzieren |
Sachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduzieren und diese grafisch oder als Text übersichtlich darstellen
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II |
| strukturieren, ordnen |
vorliegende Objekte oder Sachverhalte kategorisieren und hierarchisieren
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II |
| überprüfen und nachweisen |
Sachverhalte oder Aussagen an Fakten oder innerer Logik messen und eventuelle Widersprüche aufdecken
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II, III |
| übertragen |
einen bekannten Sachverhalt oder eine bekannte Methode auf etwas Neues beziehen
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II, III |
| vergleichen |
Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln
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I, II |
| zeichnen |
einen technischen Sachverhalt mit zeichnerischen Mitteln unter Einhaltung der genormten Symbole darstellen
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I, II |