Unter dem Motto „Technik verbindet“ wird der integrative Charakter der Technikwissenschaften im Unterricht anderer Fächer mit technischen Lernumgebungen aufgegriffen. Insbesondere die Mathematik bietet zahlreiche Anknüpfungspunkte für technische Lernumgebungen mit einer deutlichen Anwendungsorientierung. In diesem Artikel wird anhand von Beispielen mit der FiloCUT-Schmelzschneidemaschine vorgestellt, wie Koordinaten begreifbar gemacht werden können – und das schon ab Jahrgangsstufe 5.
Das FiloCUT/CAM-System ist ein sehr einfach zu bedienendes CNC- Schmelzschneidesystem für Polystyrolschaum. Es eröffnet Lehrkräften und natürlich auch den Schülerinnen und Schülern ohne tiefergehende technische Ausbildung einen unmittelbaren Zugang zu modernen, koordinatenbasierten Fertigungsverfahren. Nach umfangreichen Erfahrungen ist die Einweisung der Lehrkräfte in die Handhabung der Maschine in sehr kurzer Zeit möglich.
Arbeiten mir der Programmieroberfläche FiloCAM
Mit der speziell für das System entwickelten Programmieroberfläche FiloCAM können Werkstücke über die Auswahl von Koordinaten per Mausklick konstruiert werden. Interessanter für die Anwendung im Mathematikunterricht ist allerdings die Möglichkeit, durch textbasierte Befehls- und Koordinateneingabe mathematische Kompetenzen zu vertiefen. So lautet der einfachste Befehl für einen geraden Schnitt zumpunkt x y (oder kurz: zp x y). Mit dem Befehl KreisbogenRechts Endkoordinate X, Endkoordinate Y, Mittelpunktkoordinate X, Mittelpunktkoordinate Y wird ein Kreisbogen beginnend beim aktuellen Standpunkt des Schneidedrahtes konstruiert.
Neben dieser absoluten Konstruktion kann auch mit relativen Koordinatenangaben programmiert werden, Startpunkt des nächsten Bewegungsvorganges ist dann der aktuelle Standort des Schneidedrahtes. Darüber hinaus kann zu jedem Zeitpunkt auf den in Fertigungsmaschinen normierten CNC-Maschinencode (G-Code) umgeschaltet werden. Hier können, insbesondere in höheren Jahrgangsstufen, praktische Beiträge zu einer vertieften Berufsorientierung geleistet werden. Eine Übersicht über die vielfältigen Befehle der FiloCAM-CNC-Software ist im Downloadbereich zu finden.
Die FiloCUT-Maschine ist etwas hochpreisiger, allerdings reicht eine Maschine aufgrund der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit durchaus für den Einsatz in einer Klasse aus. Die Verwendungsmöglichkeiten gehen über die Beispiele für den Mathematikunterricht deutlich hinaus. So können im Technikunterricht, aber auch z. B. im Kunstunterricht anspruchsvolle Konstruktionen in kurzer Zeit realisiert werden. Entsprechende Unterrichtseinheiten steuern zur anwendungsorientierten Entwicklung digitaler Kompetenzen bei.
Konstruiere deinen Weihnachtsstern – Mathematikunterricht Jahrgang 5
Diese Unterrichtseinheit eignet sich nach Einführung in das kartesische Koordinatensystem zur handlungsorientierten Einübung des Umgangs mit Koordinaten. Sie schafft einen unmittelbaren Anwendungsbezug, die Schülerinnen und Schüler können ein selbst gestaltetes Produkt mitnehmen (siehe Aufgabenstellung „Weihnachtsstern“).
Nachdem die Schülerinnen und Schüler ihren Weihnachtsstern in das Koordinatensystem konstruiert haben, müssen sie die Koordinaten der Eckpunkte in die Tabelle übertragen – natürlich in der richtigen Reihenfolge, um den Schnitt vom Ursprung und zurück zu ermöglichen.
Die Übertragung der Schneidebefehle in die FiloCAM-Software kann auf verschiedene Weise erfolgen:
– Es stehen PCs/Laptops mit installierter FiloCAM-Software zur Verfügung, die anschließend einzeln an die FiloCUT- Maschine angeschlossen werden. – Da es sich um eine überschaubare Anzahl von Befehlen handelt, tragen die Schülerinnen und Schüler nacheinander die Befehle in den mit der FiloCUT- Maschine verbundenen Computer ein.
– Die Schülerinnen und Schüler erstellen eine einfache Textdatei, in der die Befehle zeilenweise eingetragen werden. Diese können dann auf dem Rechner an der FiloCUT-Maschine durch einfaches Copy-and-paste übertragen werden.
Konstruiere deinen Smiley – Anwendung von Kreisparametern
Diese Einheit ist in Kooperation mit dem zdi-Schülerlabor des zdi-Zentrums Lippe. MINT Kreis Lippe entstanden. Neben der Anwendung mathematischer Kompetenzen in der FiloCAM-Software wird in einem zweiten Schritt eine Einführung in CNC- Konstruktionsdaten unter Verwendung des G-Codes gegeben. Dieser Schritt kann im regulären Mathematik unterricht entfallen – bietet aber auch hier eine Ergänzung in Bezug auf Berufsorientierung. Es werden Parameter zu Kreissegmenten und Vollkreisen angewandt, die Programmierung erfolgt sowohl in absoluten als auch in relativen Koordinatenangaben. Es werden zunächst die notwendigen Koordinaten aus einer vorgegebenen Zeichnung eines Smileys ermittelt. Im Anschluss ermöglicht das Arbeitsblatt Aufgabenstellung „Smiley“ zunächst eine absolute Programmierung des Smileys.
Anschließend müssen die Schülerinnen und Schüler die selbst ermittelten Koordinatenangaben korrekt zuordnen. Ebenso sind die weiteren Arbeitsschritte zwar strukturiert vorgegeben, erfordern aber eine eigenständige Zuordnung entsprechender FiloCAM-Befehle und umfassende Beschäftigung mit den einzutragenden konkreten Zahlenwerten. Dann soll der Smiley mit relativen Koordinatenangaben konstruiert werden.
Als Ergänzung kann hier dann eine Variation der Konstruktion als Aufgabe gestellt werden: Verändere die obere gerade Mundlinie ebenfalls in ein Kreissegment. Hier müssen dann Mittelpunkt sowie Anfangs- und Endkoordinaten des Kreissegmentes selbstständig ermittelt werden. In den zum Download bereitstehenden Arbeitsblättern ist dies als Aufgabe zur Realisierung mit dem G-Code aufgeführt, lässt sich aber ebenso mit der FiloCAM-eigenen CNC-Programmierung erfüllen. Natürlich sind noch weitere Aufgabenstellungen möglich.
Klaus Trimborn
Über den Autor:
Klaus Trimborn ist Gymnasiallehrer für Technik und Chemie am Heinrich-von-Kleist-Gymnasium in Bochum- Gerthe und seit 2010 schulfachlicher Landeskoordinator des Ministeriums für Schule und Bildung NRW für zdi.NRW. ktrimborn@ist-bochum.de
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