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Berufliche Schulen

Bildungsplanarbeit für die Beruflichen Gymnasien 2021

Elektro- und Informationstechnik – Schulversuch

Vorbemerkungen

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 Hochschulen. Zudem ermöglicht es eine vertiefte Profilierung für anspruchsvolle Tätigkeiten und Führungspositionen im Bereich naturwissenschaftlich-technischer, gestalterisch-technischer sowie wirtschaftstechnisch geprägten Tätigkeitsfeldern. 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 Unterricht im Fach Informationstechnik mit Schwerpunkt Elektro- und Informationstechnik leistet einen wesentlichen Beitrag zur Bildung sowie zur Studierfähigkeit junger Menschen in Bezug auf die elektro- und informationstechnischen Grundlagen unserer modernen Gesellschaft.
Die Bandbreite relevanter Themen der Elektro- und Informationstechnik umfasst dabei die Grundlagen der Energieversorgung, der Elektromobilität sowie der Informations- und Kommunikationstechnik. Die Schülerinnen und Schüler realisieren, dass durch die Verknüpfung unterschiedlichster Technologien Systemlösungen geschaffen werden, die Problemstellungen unserer Zeit ressourceneffizient und nachhaltig lösen. Die Problemlösung umfasst dabei auch den praktischen Aspekt der Fertigung von elektro- und metalltechnischen Komponenten.
Der Unterricht im Profilfach erfüllt den Bildungsauftrag, indem die Schülerinnen und Schüler einerseits eine allgemeine Problemlösefähigkeit in einer komplexen und vernetzten Welt erreichen und andererseits die Mechanismen ihrer technologischen Grundlagen und Zusammenhänge verstehen und anwenden können. Die Schülerinnen und Schüler erschließen sich mit elektro- und informationstechnischen Systemen berufliche Kontexte aus Wirtschaft, Technik und Gesellschaft. Sie werden befähigt, sich Informationen zu beschaffen, sie aufzubereiten und daraus Entscheidungen selbstständig und begründet zu treffen.

2. Fachliche Aussagen zum Kompetenzerwerb, prozessbezogene Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler erwerben und vertiefen im Profilfach Elektro- und Informationstechnik 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 der KMK i. d. F. vom 16.11.2006 ausführlich beschrieben und erläutert.
Zur Sachkompetenz gehört z. B.:
  • technische Probleme analysieren, Wirkungszusammenhänge ermitteln, Lösungen entwickeln und deren Wirksamkeit beurteilen,
  • technische Aufgabenstellungen und Lösungen unter den Aspekten ihrer Zweckbestimmung, Funktionalität und Übertragbarkeit analysieren und die Folgen unter Beachtung humaner, ökonomischer und ökologischer Aspekte bewerten,
  • Optimieren von Lösungen für technische Aufgabenstellungen durch Strukturieren von Lösungswegen, Feststellen möglicher Lösungsvarianten, Vergleichen der Lösungsvarianten, Auswählen einer Variante und Darstellen des Kompromisscharakters der bevorzugten Lösung,
  • Theorien und Gesetzmäßigkeiten sowie möglicher Analyse- und Syntheseverfahren mittels Reduktion technischer Sachverhalte auf Modelldarstellungen unter Berücksichtigung ihres Geltungsbereichs bereitstellen und anwenden.

Sachkompetenz kann z. B. nachgewiesen werden durch:
  • fachsprachlich korrektes Beschreiben technischer Sachverhalte,
  • systematisiertes Auswerten von Ergebnissen,
  • fachgerechtes Wiedergeben von komplexeren technischen Problemstellungen, deren Analyse und der Darstellung der komplexen Zusammenhänge,
  • Lösung der technischen Problemstellung durch Auswählen und Verknüpfen von Daten, Fakten und Methoden eines abgegrenzten Gebiets,
  • problembezogenes Einordnen und Nutzen von Wissen aus verschiedenen technischen Wissensbereichen,
  • kreative eigenständige Lösung technischer Problemstellungen,
  • Beurteilung der Wirksamkeit der Lösungsvarianten,
  • Erklären komplexer technischer Lösungen,
  • Entwickeln alternativer Lösungswege, wenn dieses in der Aufgabenstellung gefordert wird.

Zur Methodenkompetenz gehört z. B.:
  • Erkenntnismethoden der Technik beschreiben und situationsgerecht nutzen,
  • mit technischen Geräten, Maschinen und Anlagen zur Durchführung technischer Experimente sowie experimentelles Ermitteln der Funktionen konkreter technischer Systeme umgehen,
  • Informationen selbstständig unter Nutzung zeitgemäßer informationstechnischer Möglichkeiten beschaffen, verarbeiten und präsentieren sowie den Gültigkeitsbereich von modellbezogenen Aussagen kritisch abwägen und deren Aktualität beurteilen,
  • fachbezogene Kommunikationstechniken anwenden und technische Komponenten planen und konstruieren,
  • typische Lösungsverfahren erfassen, auswählen, anwenden und bewerten.

Methodenkompetenz kann z. B. nachgewiesen werden durch:
  • Entnehmen von Informationen aus einfachen Texten,
  • sachgerechtes Nutzen einfacher Software,
  • Visualisierung von technischen Sachverhalten in verschiedenen Darstellungsformen (z. B. Tabelle, Graph, Skizze, Text, Bild, Diagramm, Mindmap, Formel),
  • schriftliches oder mündliches Präsentieren einfacher Sachverhalte,
  • Entnehmen von Informationen aus komplexen Texten,
  • Strukturieren und schriftliches oder mündliches Präsentieren komplexer Sachverhalte,
  • Führen eines Fachgespräches auf angemessenem Niveau zu einem Sachverhalt,
  • Exzerpieren von Informationen aus komplexen Texten,
  • Erheben von Daten zur Überprüfung von Hypothesen–Darstellen eines eigenständigen bearbeiteten komplexen Sachverhalts für ein Fachpublikum (z. B. in einer Facharbeit).

Die Anbahnung und Ausbildung von fachlichen und personalen Kompetenzen erfolgt im Elektro- und Informationstechnikunterricht ganzheitlich an konkreten Inhalten. Die Schülerinnen und Schüler werden schrittweise an ingenieurwissenschaftliche Arbeitsmethoden herangeführt und wenden diese an. Dazu analysieren sie Problemstellungen, erstellen Modelle, entwerfen Lösungsstrategien und führen diese durch. Sie überprüfen Ergebnisse experimentell. Grenzen von Modellvorstellungen werden beschrieben und bewertet. Da moderne informationstechnische System eine hohe Komplexität aufweisen, werden Teilsysteme entworfen und vernetzt. Sorgfältiges Planen und Dokumentieren wird beim Arbeiten mit diesen Systemen sowie beim Entwickeln von Programmen eingeübt. Die Schülerinnen und Schüler lernen fachbezogen zu kommunizieren, um komplexe Systeme kooperativ zu entwerfen. Arbeitsergebnisse können sie angemessen darstellen und bewerten.

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. 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 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.
Die Zeitrichtwerte in Klammern geben den Anteil der Stunden in Gruppenteilung an.

Eingangsklasse

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

60

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht
z. B.
Übungen
Anwenden
Wiederholen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Fertigung und Inbetriebnahme einer Entwicklungsumgebung für Mikrocontroller
Planung und Durchführung einer Exkursion (z. B. Kraftwerk, Rechenzentrum)
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1

Technische Informatik I

36 (21)
Die Schülerinnen und Schüler lernen die Grundbegriffe und Grundschaltungen der Digitaltechnik kennen. Sie erfahren, wie sich komplexere Schaltungen aus einfachen Grundelementen zusammenbauen lassen.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler entwerfen einfache arithmetische und logische Grundschaltungen, die die Grundlage digitaler Schaltnetze und Rechenschaltungen bilden.
Zahlensysteme

  • hexadezimal, dual, dezimal
  • umwandeln, addieren und subtrahieren, negative Zahlen

Code: BCD

Analog-Digital
Binäre Informationsverarbeitung

Digitaltechnik, logische Grundfunktionen
UND, ODER, NICHT

Schaltnetze, De‑/Multiplexer
Codewandler, Wahrheitstabelle, Funktionsgleichung
Rechenschaltungen, Voll- und Halbaddierer, Zweier-Komplement
Mehrbit-Addierer

BPE 1.2

Die Schülerinnen und Schüler entwerfen einfache digitale Schaltungen, die die Grundlage des Mikrocontrollers bilden. Sie entwickeln einfache steuerungstechnische Lösungen und dokumentieren ihre Ergebnisse.
Speicherelemente
D-Flipflop, RS-Flipflop, Impulsdiagramm
positive bzw. negative Taktflankentriggerung
Schaltwerke

Zustandscodierung
Zustandsfolgetabelle
Zusammenfassung von Zustandscodierung und Zustandsübergänge
Zustandsdiagramm

Synchrone Zähler
Blockdiagramm, einfache Schaltungen
Schaltplan

BPE 2

Elektrische Energieversorgung

34 (34)
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben elektrotechnische Zusammenhänge im System Energieerzeugung-Energieverteilung. Sie erhalten Einblick in die technischen Herausforderungen bei der Energiewandlung und beurteilen ihre Effizienz. Sie berechnen elektrische Grundgrößen in einfachen Grundschaltungen und bewerten das elektrische Verhalten von Bauteilen anhand ihrer Kennlinien. Sie erläutern den effizienten Umgang mit elektrischer Energie am Beispiel der Energiewandlung in energiesparenden Stromversorgungen.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Zusammenhänge der Begriffe Energieerzeugung, Energieverteilung und Energiespeicherung. Sie beurteilen Systeme zur Erzeugung, Verteilung und Speicherung elektrischer Energie und ermitteln Energiekosten unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades. Sie führen Berechnungen unter Verwendung der entsprechenden Basiseinheiten durch und dokumentieren Ergebnisse mittels geeigneter grafischer Darstellungen.
Energieversorgung

  • Energieerzeugung
Generatorprinzip, Batterie
  • Energiespeicherung
Akku
  • Energienetz
Hoch- und Niederspannungsnetz, Transformator
  • Energiekosten, Wirkungsgrad
Kosten pro kWh
  • Technologieschema, Blockschaltbild

  • Energieflussdiagramm

  • Umwandlung von Basiseinheiten
Ws, kWh

BPE 2.2

Die Schülerinnen und Schüler berechnen elektrische Grundgrößen in elektrischen Grundschaltungen und erklären das elektrische Verhalten von Spannungsquellen mit dem Modell der Ersatzquelle. Sie erklären die Zusammenhänge zwischen den elektrischen Größen Strom, Spannung, Leistung und ermitteln Energiekosten auch unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades. Sie bewerten das elektrische Verhalten von Bauteilen anhand ihrer Kennlinien.

Elektrische Grundgrößen

  • Spannung, Strom und ohmsches Gesetz
Stromdichte, Widerstand, Leitwert
  • Potentiale

  • Ladungsmenge, Kapazität
Akku, Batterie
  • Elektrische Arbeit und Leistung

  • Wirkungsgrad

Elektrische Bauelemente und Grundschaltungen

  • nichtlineare Bauelemente
LED, NTC, PTC, Solarzelle, logarithmischer Maßstab
  • Reihen- und Parallelschaltung von Verbrauchern
gemischte Schaltungen, Knotenregel, Maschenregel
  • Spannungsteiler
unbelastet und belastet
  • Brückenschaltung

Spannungsquellen

  • Innenwiderstand
Ersatzschaltbild
  • Kennlinie bei Belastungsverhalten

  • Ersatzspannungsquelle
Überlagerungssatz

BPE 3

Elektromobilität I

24 (16)
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 Gleichstrommaschinen. Sie beurteilen den Energieeinsatz und die Effizienz anhand relevanter Parameter und Kennlinien.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler analysieren den Einsatz von Gleichstrommaschinen am Beispiel einfacher Elektrofahrzeuge. Sie beschreiben eine Möglichkeit zur verlustleistungsarmen Leistungsteuerung und beurteilen den Energieeinsatz und die Reichweite solcher Systeme.
Bereitstellung von Energie

  • Akkumulator

  • Energiedichte und Ladungsmenge

Gleichstrommotor

  • Funktionsprinzip
Motorgleichungen
Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren

  • Pulsweitensteuerung (PWS)

  • Tastgrad

  • H-Brücke

Reichweite von Elektrofahrzeugen

  • Wirkungsgrad eines Antriebssystems

  • Berechnung von Reichweiten
Kennlinien P(v) und M(v)

BPE 4

Informationen digitalisieren

16 (9)
Die Schülerinnen und Schüler analysieren, wie multimediale Informationen in einem digitalen System binär repräsentiert werden. Sie erhalten Einblick in die technische Realisierung von Verfahren zur A/D- und D/A-Umsetzung.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Verfahren zur Kodierung multimedialer Inhalte und berechnen deren Speicherplatzbedarf. Sie stellen den Vorgang der Digitalisierung analoger Signale dar und vergleichen dabei verschiedene Umsetzungsverfahren.
Kodierung digitaler Informationen

  • Speichereinheiten
Bit, Byte, Binärpräfixe
  • binäre Darstellung multimedialer Inhalte
vgl. BPE 1, Dualcode
ASCII, Bildauflösung, Farbtiefe, Bildfrequenz
  • Speicherplatzbedarf

  • Kompression
z. B. MP3
Digitalisierung analoger Signale

  • A/D-Umsetzer
Auflösung, Abtastung, Quantisierung, Parallelumsetzer, Zählverfahren
  • D/A-Umsetzer

BPE 5

Elektrische und metalltechnische Komponenten fertigen

40 (40)
Die Schülerinnen und Schüler setzen Projekte mit elektro- und informationstechnischen Profilfachinhalten in die Praxis um. Durch den projekthaften Ansatz werden Handlungs- und Entscheidungsspielräume ermöglicht, innerhalb derer die Schülerinnen und Schüler praxisgerechte und zeitgemäße Techniken, Verfahren und Lösungsstrategien der Metall- und Elektrotechnik einschließlich der manuellen Fertigkeiten anwenden.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler führen ein Projekt zu elektro- und informationstechnischen Profilfachinhalten unter Anwendung von Grundfertigkeiten der Metall- und Elektrotechnik durch. Sie dokumentieren ihre Ergebnisse parallel zum Fortgang der Projektarbeiten. Die Schülerinnen und Schüler analysieren und bewerten mögliche Lösungsalternativen und begründen ihre Entscheidungen. Sie führen die Inbetriebnahme und gegebenenfalls eine systematische Fehlersuche durch.
Fertigungstechnik Metall

  • Prüfen
Messgeräte, Toleranzen, Technische Zeichnung
  • Trennen
Sägen, Feilen, Drehen, Fräsen, Schneiden
  • Umformen
Biegen
  • Fügen
Schraubverbindung
  • 3D-Druck

Fertigungstechnik Elektro

  • Leiterplattenentwurf
Schaltplan, Entflechtung
  • Leiterplattenbestückung
Bestückungsplan, Löten, Entlöten, Bauteileprüfung
  • Inbetriebnahme
Systemtest, systematische Fehlersuche

Zeit für die Leistungsfeststellung

30

210 (120)

240 (120)

Jahrgangsstufe 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

60

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht
z. B.
Übungen
Anwenden
Wiederholen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Entwicklung einer Schaltung zur Restentladung gebrauchter Batterien
MPP-Tracker für ein PV-Modul
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 6

Technische Informatik III

45 (24)
Die Schülerinnen und Schüler erkennen Mikrocontroller als elementare Systeme der hardwarenahen Informationsverarbeitung.
Hinweis: Es existiert keine BPE „Technische Informatik II“. Der Name wurde zwecks Vergleichbarkeit mit dem Bildungsplan „Informationstechnik“ übernommen.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Mikrocontrollerprogramme, mit denen Mikrocontroller auf externe Ein-/Ausgaben reagieren können, in Hochsprache C bzw. C++ unter Verwendung professioneller Werkzeuge. Sie dokumentieren ihre Lösungen.
Programmentwicklung in Hochsprache C/C++

Ports: Initialisierung, Eingabe, Ausgabe

Polling
Anwendung verschiedener Arten der Ereignisbehandlung, Nennung von Vor- und Nachteilen
Externe Interrupts

  • Freigabe
  • Initialisierung
  • ISR

Darstellung von Programmabläufen in UML-Zustandsdiagrammen

BPE 6.2

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Mikrocontrollerprogramme, mit denen Mikrocontroller auf interne Ereignisse reagieren können, in Hochsprache C bzw. C++ unter Verwendung professioneller Werkzeuge. Sie dokumentieren ihre Lösungen.
Programmentwicklung in Hochsprache C/C++

Interne Interrupts/Timer
für Zeit- und Frequenzmessung, zyklische Interrupts
  • Freigabe

  • Überlauf

  • Reload

  • Prescaler

  • Initialisierung

  • ISR
Darstellung in UML-Zustandsdiagrammen

BPE 6.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Architektur eines Mikrocontrollers und erklären das Zusammenwirken der Funktionsblöcke.
Architekturen
Architektur eines modernen Mikrocontrollers
Register, Flags

ALU

Steuerung

Speicher, Adresse

Speichermodelle

Bussysteme im Controller: Datenbus, Adressbus, Steuerbus

BPE 7

Technische Informatik IV

30 (16)
Die Schülerinnen und Schüler nutzen den Mikrocontroller für hardwarenahe Anwendungen. Zielgerichtet setzen sie Peripheriebaugruppen zur Erweiterung des Mikrocontrollers ein und steuern diese über gängige Schnittstellen an. Sie dokumentieren ihre Lösungen und nutzen Entwurfswerkzeuge.

BPE 7.1

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Lösungen für komplexe Aufgaben mithilfe der Hochsprachen „C“ bzw. „C++“ in einem konkreten Entwicklungssystem und beurteilen die Vorteile dieser Problemlösung.
Programmentwurf in Hochsprache C/C++

Zeitmultiplexverfahren
mehrstellige Siebensegmentanzeige
PWM
Servo
Sensoren, Aktoren, Eingabe- und Ausgabeeinheiten, AD‑, DA-Umsetzer
Matrixtastatur, Schrittmotor
Schnittstellen auf abstrahierter Ebene
Anwendung gängiger Schnittstellen, z. B. SPI, I2C, UART, Bluetooth

BPE 8

Energieversorgung mit Gleichstrom

15
Die Schülerinnen und Schüler analysieren elektrische Schaltungen der Leistungselektronik zur Wandlung von Wechselspannungen in stabilisierte Gleichspannungen. Dabei bewerten sie unterschiedliche Prinzipien hinsichtlich der Energieeffizienz und erläutern das Zusammenwirken der eingesetzten Bauteile und deren Eigenschaften.

BPE 8.1

Die Schülerinnen und Schüler analysieren Gleichrichterschaltungen zur Wandlung von Wechsel- in Gleichspannung. Sie berechnen Kenngrößen von Wechselspannungen und Mischspannungen und beurteilen die Qualität gleichgerichteter Spannungen.

Sinusförmige Wechselspannung

  • Kenngrößen
Amplitude, Effektivwert, Frequenz
  • Berechnung von Momentanwerten

Trafo-Netzteil

  • Gleichrichterschaltungen
Gleichrichterdioden, B2C-Brückenschaltung
  • Glättung
Kondensator
  • Stabilisierung
linearer Spannungsregler

BPE 8.2

Die Schülerinnen und Schüler analysieren Schaltungsprinzipien der Leistungselektronik zur verlustarmen Wandlung und Stabilisierung von Gleichspannung. Sie bewerten die unterschiedlichen Prinzipien hinsichtlich der Energieeffizient und erläutern das Zusammenwirken der eingesetzten Bauteile und deren Eigenschaften.

Schaltnetzteil

  • Transistor als Schalter
Spule
  • Tiefsetzsteller

  • Hochsetzsteller

  • Pulsweitensteuerung, Tastgrad
vgl. BPE 7

BPE 9

Datenbanksysteme

30
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln und implementieren relationale Datenbanken entsprechend geforderter Randbedingungen. Daten aus relationalen Datenbanken fragen sie mit SQL ab.

BPE 9.1

Die Schülerinnen und Schüler nennen und beschreiben Aufgaben und Anforderungen an Datenbankmanagementsysteme. Sie erklären verschiedene Datenbankmodelle.
Datenbanksysteme

  • Datenbankmanagementsysteme

  • Datenbankmodelle: hierarchisch, relational, objektorientiert, vernetzt, objekt-relational, NoSQL

BPE 9.2

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln relationale Datenbanken mithilfe des ER-Modells. Hierzu analysieren sie Texte mit Kundenwünschen zur Datenbank. Die Schülerinnen und Schüler stellen Tabellen in der Relationenschreibweise dar.
Entity Relationship Modell

  • Entität
  • Tabelle
  • Primärschlüssel
  • Fremdschlüssel
  • Beziehungen: 1:1, 1:n, n:m
  • n:m Beziehung auflösen

Relationenschreibweise

  • Darstellung von Schlüsselattributen
  • Darstellung von Attributen
  • Kompatibilität zu ER-Modell

BPE 9.3

Die Schülerinnen und Schülern entwerfen Datenbankabfragen mit SQL.
Datenbankabfragen mit SQL

  • Daten aus einer Tabelle

  • Daten aus einer Tabelle mit Selektion

  • Daten aus mehreren Tabellen mit Natural Join

  • Alias

  • Aggregatfunktionen

BPE 9.4

Die Schülerinnen und Schüler führen Datenbankabfragen durch.
Datenbanktreiber
Operationen zum Datenbankzugriff
Objektrelationales Mapping

BPE 10

Daten aufbereiten und übertragen

30
Die Schülerinnen und Schüler skizzieren Kommunikationsmodelle, die aus einzelnen Funktionsblöcken bestehen. Dabei wird die Struktur eines digitalen Kommunikationssystems vom Sender bis zum Empfänger dargestellt.

BPE 10.1

Die Schülerinnen und Schüler analysieren und skizzieren wesentliche Funktionsblöcke eines digitalen Übertragungssystems vom Sender zum Empfänger.
Digitales Übertragungssystem

  • A/D-Umsetzer
vgl. BPE 4
  • Quellenkodierung
vgl. BPE 4, Kompression
  • Kanalkodierung
Fehlererkennung, Fehlerkorrektur
  • Leitungskodierung
NRZ, AMI, Manchester, Symbolrate (Baud)
  • Multiplexprinzip
z. B. Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex
  • Übertragungskanäle
Ersatzschaltbild, Tiefpassverhalten, Verzerrungen, Kanal-Bandbreite, Übertragungsrate, Reflexion
  • Störungen
Filter, EMV
  • Signalaufbereitung
Verstärkung, Filter
  • Signalanalyse
Zeitbereich, Frequenzbereich, Fourier-Analyse
Serielle Datenübertragung

  • Datenaustausch über einfache Bussysteme
z. B. UART, CAN, I2C
Protokolle: Priorität, Kollision, Fehlererkennung, Adressierung

Zeit für die Leistungsfeststellung

30

210 (40)

240 (40)

Jahrgangsstufe 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

48

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht
z. B.
Übungen
Anwenden
Wiederholen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Planung und Durchführung von Exkursionen (z. B. Windpark, HGÜ)
Projektieren eines Elektrofahrzeugs
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 11

Vernetzte Systeme

40
Die Schüler und Schülerinnen begreifen die technischen Grundlagen der Vernetzung. Sie analysieren, konfigurieren und erstellen Netzwerke.

BPE 11.1

Die Schülerinnen und Schüler analysieren und erklären die Konfiguration sowie die Erweiterung von Netzwerken.
OSI-Schichtenmodell

Übertragungsmedien
Kupfer, Glasfaser, WLAN
Netzwerkkomponenten: Switch, Router, VLAN
Rahmen
  • Quell- und Ziel-Mac-Adresse, ARP, CSMA/CD, CSMA/CA
z. B. verbindungslose Kommunikation, Adressierung, STP/LACP
Protokolle

  • Ethernet
  • Vermittlung, IPV4, IPV6
  • Transportprotokolle, TCP, UDP

Subnetting
z. B. Network Address Translation (NAT)
Routing, Routingtabellen, Default Gateway

Netzwerkdienste

Sicherheit
z. B. DMZ, Portfilter
Firewall

BPE 11.2

Die Schülerinnen und Schüler führen die Konfiguration sowie die Erweiterung von Netzwerken durch.
Aufbau und Konfiguration eines kleinen Netzwerks
Vertiefung der Inhalte aus BPE 11.1 durch praktische Umsetzung mithilfe kleiner Übungsnetze
Einrichtung grundlegender Netzwerkdienste

Erweiterung und Absicherung von Netzwerken

BPE 12

Internet der Dinge (IoT)

20
Die Schülerinnen und Schüler vernetzen Dinge des alltäglichen Lebens.

BPE 12.1

Die Schülerinnen und Schüler entwerfen IoT-Anwendungen. Die Realisierung führen sie mit einer höheren Programmiersprache in einer Entwicklungsumgebung für den Mikrocontroller durch. Die Schülerinnen und Schüler überprüfen ihre IoT-Anwendung durch Simulation und Analyse der Daten.
Intelligente Sensoren und Aktoren
Vernetzung von IoT-Geräten über standardisierte Protokolle
Vergleich von IoT-Protokollen
MQTT mit Mikrocontroller und Wifi- oder Ethernet-Board, Praktische Anwendungen
Simulation und Analyse von IoT
Publish-Subscribe, Service-Level, Broker

BPE 13

Energieversorgung mit Drehstrom

30 (16)
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Zusammenwirken der Grundbauelemente R, L und C im Wechselstromkreis und ermitteln mithilfe grafischer Verfahren und mithilfe der komplexen Rechnung Kenngrößen energietechnischer Schaltungen. Sie übertragen die gewonnenen Erkenntnisse auf mehrphasige Energienetze und leiten daraus Prinzipien zur effizienten Energieversorgung ab.

BPE 13.1

Die Schülerinnen und Schüler ermitteln mithilfe der komplexen Wechselstromrechnung grundlegende Schaltungen in der einphasigen Wechselstromtechnik. Sie erläutern den Zusammenhang zwischen Zeigerdiagrammen und deren Darstellung in der komplexen Zahlenebene. Sie beschreiben und vergleichen das Wechselstromverhalten idealer und realer Bauelemente mithilfe eines grafischen Verfahrens und der komplexen Rechnung. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln und bewerten Schaltungen zur Blindleistungskompensation.
Komplexe Betrachtung von einfachen Schaltungen an Wechselspannung

  • ideale und reale Spule

  • idealer und realer Kondensator

  • Wirk‑, Blind, und Scheinwiderstand
Zeigerdiagramme
  • Schaltungen mir R, L und C
Phasenschieber, Wechselstrommotor, Leuchtstofflampenschaltung
Leistungen im Wechselstromsystem

  • Wirk‑, Blind- und Scheinleistung

  • Parallelkompensation
Leistungsfaktor, Leistungsdreieck

BPE 13.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Erzeugung von Dreiphasenwechselstrom. Sie beurteilen die Eigenschaften von Verbrauchern in Stern- und Dreieckschaltung und berechnen mithilfe der komplexen Rechnung die elektrischen Größen. Die Schülerinnen und Schüler vergleichen symmetrische und unsymmetrische Belastungen in einem Drehstromsystem.
Komplexe Betrachtung mehrphasiger Wechselspannungssysteme

  • Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung

  • Verkettung und Verkettungsfaktor
Herleitung des Verkettungsfaktors
Energieverteilung in Deutschland

  • Spannungsebenen
HGÜ
  • Schutzmaßnahmen
LS, RCD, PE
  • Netzformen
TNCS, Ladesäule
Verbraucher im Drehstromsystem

  • Spannungen und Ströme bei Stern- und Dreieckschaltung in symmetrischer und unsymmetrischer Belastung

  • unsymmetrische, ungleichartige Belastungen in Drehstromsystemen
grafische und komplexe Lösungen
  • Kompensation in Drehstromsystemen

  • Sternpunktverschiebung
Sternpunktverschiebungsspannung
  • Neutralleiterüberlastung

BPE 14

Elektromobilität II

30 (16)
Die Schülerinnen und Schüler übertragen das elektromagnetische Prinzip vom Gleichstrommotor auf die Drehfeldmaschinen. Dabei entwerfen sie Strategien zur energieeffizienten Steuerung der Drehzahl. Sie beurteilen elektrische Antriebe hinsichtlich ihres Einsatzes in Elektrofahrzeugen und stellen die Energieflüsse dar.

BPE 14.1

Die Schülerinnen und Schüler übertragen das elektromagnetische Prinzip des Gleichstrommotors auf die Drehfeldmaschinen und ermitteln den Zusammenhang der Kenngrößen Drehmoment, Drehzahl und Wirkungsgrad.
Gleichstromantriebe

  • Ersatzschaltbild

  • Kommutierung
BLDC, permanenterregte GM
  • Drehzahlsteuerung/Richtungsumkehr
vgl. BPE 7, H-Brücke
Drehstromasynchronmotoren

  • Entstehung der Drehbewegung

  • Drehfeld, Polpaarzahl, Drehzahl
Bemessungsdaten eines DASM
  • Schlupf

  • Drehmoment und mechanische Leistung

  • Kenngrößen eines DASM

  • M(n)-Kennlinienfeld

  • Wirkungsgrad

  • Vier-Quadranten-Betrieb

Anlaufverfahren

  • Stern-Dreieckanlauf

  • Softstarter

BPE 14.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben anhand der Drehzahlsteuerung mittels Frequenzumrichter den energieeffizienten Einsatz elektrischer Maschinen in Fahrzeugen. Sie bewerten Elektrofahrzeuge hinsichtlich des Wirkungsgrades, des Ressourceneinsatzes und der Nachhaltigkeit.
Drehzahlsteuerung von Drehstromasynchronmotoren

  • Aufbau und Funktionsweise von Frequenz-umrichtern
Blockschaltbild
  • Pulsweitenmodulation
vgl. BPE 7
  • Drehzahlsteuerung
M/f-Kennlinie, M=K*U/f*I
  • U/f-Kennlinie
linear und quadratisch (energiesparend)
  • Boost

Effizienz von Elektrofahrzeugen
Pedelec, E-Bike, E-Auto, Scooter
  • Gesamtwirkungsgrad

  • Betrachtung verschiedener Fahrsituationen
M=f(n)
  • Reichweite von Elektrofahrzeugen
Kennlinien P(v), M(v)
  • Ökobilanz
Rohstoffeinsatz
  • Entsorgung
Batterieaufbereitung

Zeit für die Leistungsfeststellung

24

168 (32)

192 (32)

Operatorenliste

In den Zielformulierungen der Bildungsplaneinheiten werden Operatoren (= handlungsleitende Verben) verwendet. Diese Zielformulierungen (Standards) legen fest, welche Anforderungen die Schülerinnen und Schüler in der Regel erfüllen. Zusammen mit der Zuordnung zu einem der drei Anforderungsbereiche (AFB) dienen Operatoren einer Präzisierung. Dies sichert das Erreichen des vorgesehenen Niveaus und die angemessene Interpretation der Standards.

Anforderungsbereiche


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
 II
abschätzen
eine technische Einrichtung nach den Verfahren der jeweiligen Technikwissenschaft entsprechend der gestellten Anforderung grob dimensionieren ohne genaue Berechnungen durchzuführen
 II
analysieren, untersuchen
wichtige Bestandteile oder Eigenschaften auf eine bestimmte Fragestellung hin herausarbeiten. Untersuchen beinhaltet ggf. zusätzlich praktische Anteile
 II, III
auswerten
Daten, Einzelergebnisse oder andere Elemente in einen Zusammenhang stellen und ggf. zu einer Gesamtaussage zusammenführen
 II
begründen
Sachverhalte auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Beziehungen von Ursachen und Wirkung zurückführen
 II
berechnen, bestimmen
Ergebnisse von einem bekannten Ansatz ausgehend durch Rechenoperationen oder grafische Lösungsmethoden gewinnen
 I, II
beschreiben
Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten wiedergeben
 I
beurteilen
zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen
 II, III
bewerten, Stellung nehmen
eine eigene Position nach ausgewiesenen Kriterien vertreten
 II, III
darstellen
Sachverhalte, Zusammenhänge, Methoden usw. strukturiert und gegebenenfalls fachsprachlich wiedergeben
 I, II
dimensionieren
eine technische Einrichtung nach den Verfahren der jeweiligen Technikwissenschaft entsprechend der gestellten Anforderung bestimmen
 II, III
dokumentieren
entscheidende Erklärungen, Herleitungen und Skizzen darstellen
 III
durchführen
eine vorgegebene oder eigene Anleitung (z. B. für ein Experiment oder eine Befragung) umsetzen.
 II
entwickeln, entwerfen
Lösungen für komplexe Probleme erarbeiten
 II, III
erläutern, erklären
einen technischen Sachverhalt in einen Zusammenhang einordnen sowie ihn nachvollziehbar und verständlich machen
 I, II
ermitteln
einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren
 II
konstruieren
Form und Bau eines technischen Objektes durch Ausarbeitung des Entwurfs, durch technische Berechnungen, Überlegungen usw. maßgebend gestalten
 II
nennen
Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten ohne Erläuterungen aufzählen
 I
optimieren
einen gegebenen technischen Sachverhalt oder eine gegebene technische Einrichtung so zu verändern, dass die geforderten Kriterien unter einem bestimmten Aspekt erfüllt werden
 II
skizzieren
Sachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduzieren und diese grafisch oder als Text übersichtlich darstellen
 II
strukturieren, ordnen
vorliegende Objekte oder Sachverhalte kategorisieren und hierarchisieren
 II
überprüfen, nachweisen
Sachverhalte oder Aussagen an Fakten oder innerer Logik messen und eventuelle Widersprüche aufdecken
 II, III
übertragen
einen bekannten Sachverhalt oder eine bekannte Methode auf etwas Neues beziehen
 II, III
vergleichen
Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln
 I, II
zeichnen
einen technischen Sachverhalt mit zeichnerischen Mitteln unter Einhaltung der genormten Symbole darstellen
 I, II
vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Technik der KMK i. d. F. vom 16.11.2006

Stuttgart, den 4. April 2021

Bildungsplan für das Berufliche Gymnasium – Schulversuch;
hier:
Berufliches Gymnasium der sechs- u. dreij. Aufbauform
Vom 12. April 2021
44 – 6624.10/177

I.

II.

Für das Berufliche Gymnasium gilt der als Anlage beigefügte Bildungsplan.
Der Bildungsplan – Schulversuch – tritt
für die Eingangsklasse am 1. August 2021
für die Jahrgangsstufe 1 am 1. August 2022
für die Jahrgangsstufe 2 am 1. August 2023
in Kraft.
Elektro- und Informationstechnik – Schulversuch
Berufliches Gymnasium der sechs- u. dreij. Aufbauform

12.04.2021

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