Verbindende Vorhaben in IT 8: CAD und Tabellenkalkulation

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1 1. Lehrplanbezug Verbindende Vorhaben in IT 8: CAD und Tabellenkalkulation Wie bereits an anderer Stelle beschrieben, ist ein praxisorientierter IT-Unterricht nur dann für den Schüler sinnvoll nachvollziehbar, wenn Lehrplaninhalte so oft wie möglich verknüpft werden. Es ist daher notwendig, bereits bei der Verteilung des Jahresstoffes verbindende Vorhaben fest einzuplanen. Beispiel: IT 8.2 Tabellenkalkulation (ca. 6 Std.) Aufbauend auf die Vorkenntnisse der Jahrgangsstufe 7 bearbeiten die Schüler eine zusammenhängende Aufgabe mit einem Tabellenkalkulationsprogramm. Dabei wird der Strukturierungsleistung eine besondere Bedeutung beigemessen. - Aufgabe strukturieren und geeignete Lösungsansätze suchen - Rechenblätter erstellen und programmieren (mit Funktionen) - Objekte und Attribute - den Zusammenhang zwischen der Zeichenfolge (Syntax) und ihrer Bedeutung (Semantik) anhand einzelner Anweisungen verstehen IT 8.6 Geometrische Körper in Koordinatensystemen (ca. 16 Std.) Ausgehend von perspektivischen Skizzen setzen sich die Schüler mit Koordinatensystemen und genormten Parallelprojektionen auseinander. Sie machen sich mit geeigneten Zeichengeräten vertraut. Die Schüler lernen, die Gestalt und Lage eines Körpers aus drei Ansichten zu erfassen bzw. aus dessen räumlicher Darstellung 2D-Ansichten herzuleiten. Bei der Beschäftigung mit Modellen und 3D- Simulationen wird ihnen deutlich, dass Formveränderungen entweder durch Hinzufügen oder Entfernen entstehen. Genormte Parallelprojektionen - unbearbeitete geometrische Grundkörper in einem 3D-CAD-System erzeugen und in verschiedenen Perspektiven und Lagen darstellen Dreitafelsystem - Würfel und Quader mit zunächst horizontalen und vertikalen, später auch schrägen Schnitten als Raumbilder und Dreitafelbilder skizzieren und konstruieren (manuell und mit einem CAD-System) - Punkte, Strecken und Flächen in allen drei Ansichten des Dreitafelbildes und im Raumbild auffinden und projizieren - Zuordnungsaufgaben lösen - CAD-Arbeitsschritte in geeigneter Form festhalten (z. B. Ablaufplan erstellen) Arbeitskreis am ISB Vorhaben8-I-CAD-TAB Seite 1 von 7

2 2. Aufgabenstellung Nachdem die Schüler die Grundlagen des Technischen Zeichnens kennen gelernt haben und in die Bedienung eines geeigneten CAD-Programms (IT 8.5) eingeführt wurden, können einfache Veränderungen an Würfel und Quader vorgenommen werden. Die Schüler lernen das Dreitafelbild kennen und zeichnen Raumbilder von Quadern mit Stufe, Nut, Durchbruch und Schräge. Sie erstellen sie in 3D und erkennen, dass die Maßeingaben als Parameter dienen, die die Geometrie des Körpers im Programm beschreiben. Solche Parameter sind als Variablen veränderbar. In der Jahrgangsstufe 7 wurde bereits ein Tabellenkalkulationsprogramm eingeführt. Die Schüler haben Grundkenntnisse in der Bedienung erworben und haben bereits gelernt, Daten zwischen unterschiedlichen Anwendungen auszutauschen. Vor jedem verbindenden Vorhaben in IT muss sichergestellt werden, dass der geplante Datenaustausch zwischen den eingesetzten Programmen möglich ist. Das nachfolgend beschriebene Beispiel wurde mit dem CAD-Programm Solid Edge und dem Tabellenkalkulationsprogramm Excel durchgeführt. Aufgabe: 1. Ein Quader mit Nut wird in 3D erzeugt und parametrisiert (alle Teile werden vollständig bemaßt). 2. Die Werte in der Variablentabelle sollen verändert werden. 3. Die Variablentabelle wird mit einer Excel-Tabelle verknüpft, so dass von dort auf die Werte im CAD-Programmm zugegriffen werden kann. 4. Im Rechenblatt werden für alle ausgegeben Werte Volumenberechnungen durchgeführt (Querverweis: Mathematik). 5. Mit Hilfe der Dichte von Festkörpern soll das Gewicht des Werkstücks für verschiedene Materialien berechnet werden (Querverweis: Physik). 6. Durch die Verwendung der Funktion SVERWEIS können mehrere Varianten des Werkstücks aufgerufen und dargestellt werden Arbeitskreis am ISB Vorhaben8-I-CAD-TAB Seite 2 von 7

3 3. Unterrichtsbeispiel 1. Grundbegriffe des Techn. Zeichnens IT 8.6 Geometrische Körper in Koordinatensystemen Quader mit Nut Nr - Nut als Veränderung am Quader - Raumbild in genormter Isometrie - Raumbilder in verschiedenen Lagen - Genormte und ungenormte Parallelprojektionen - Raumbildskizzen - Raumbild Rasterskizzen - Dreitafelbild des Quaders mit Nut - Vorderansicht (VA) - Draufsicht (DS) - Seitenansicht von links (Savl) - Projektionslinien - Konstruktionsverfahren - Markante Punkte - Sichtbare und verdeckte Kanten - Grundkonstruktionen auf A4 - Beschriftung von Zeichenblättern Datum Name Kl 2. 3D-CAD und Variablentabelle - Quader als Grundkörper erzeugen - Nut einzeichnen und subtrahieren - oder einfacherer Weg: Profil des Quaders mit Nut erzeugen und extrudieren (Extrusion = Ausprägung bzw. Erhebung) - Werkstück vollständig bemaßen Die Maße werden als Variablen in die Variablentabelle eingetragen und können jederzeit verändert werden. Da sie direkt mit der Geometrie des Körpers im Programm verbunden sind, ändert jeder Eintrag die Gestalt des Körpers. In diesem Zusammenhang kann die objektorientierte Programmierung des CAD-Systems anschaulich gemacht werden (Objekt, Attribut und Methode). Das System fügt die Attributwerte (Maße) in die Variablentabelle ein, vergibt dabei allerdings Namen in Form von fortlaufenden Nummern. Diese werden durch Eingabe der entsprechenden Bezeichnungen ersetzt. Arbeitskreis am ISB Vorhaben8-I-CAD-TAB Seite 3 von 7

4 Durch das Verändern von Werten in der Variablentabelle ändert sich die Gestalt des 3D-Objekts. Verknüpfung zwischen einer Excel-Tabelle und der Variablentabelle herstellen. Ein Tabellenblatt wird geöffnet. In einen Tabellenbereich (A1 bis C6) werden die Bezeichnungen und Werte eingetragen und formatiert. Dabei muss die Reihenfolge der Eintragungen nicht mit der Variablentabelle übereinstimmen. Der Zellinhalt der Zelle B4 (= Wert 40 des Attributs Breite von Objekt Quader) wird kopiert und als Verknüpfung in die entsprechende Zeile der Variablentabelle eingefügt. Der Pfad wird vollständig eingetragen: Alle Werte, die auf diese Weise verknüpft sind, können nun von Excel aus unter Einsatz aller Formeln und Funktonen verändert werden. Arbeitskreis am ISB Vorhaben8-I-CAD-TAB Seite 4 von 7

5 Breite Höhe Tiefe Nutbreite Nuthöhe Volumen: Quader mit Nut 35 mm 20 mm 20 mm 10 mm 10 mm 12,00 cm³ 3. Berechnungen in Excel Der Vorteil von Verknüpfungen ergibt sich durch die Möglichkeit, alle Funktionen eines anderen Programms nützen zu können. So kann z. B. für jeden veränderten Wert eine Volumenberechnung durchgeführt werden. Da die Maßangaben in mm erfolgen, ist eine Umrechnung des Volumens in cm³ sinnvoll. Formel zur Berechnung des Volumens: =(B2*B3*B4-B5*B6*B4)/1000 Masse in g (bei 20 C) Balsaholz 4,80 g Aluminium 32,40 g Glas 31,20 g Eisen 94,44 g Platin 257,40 g Papier 13,20 g Beispiel: Aluminium (Dichte 2,70) 4. Berechnung des Gewichts für unterschiedliche Materialien Mit Hilfe der Dichte von Festkörpern, die man einer Formelsammlung entnehmen kann, lässt sich die Masse des Körpers für unterschiedliche Materialien berechnen. Dabei wird die Dichte in g/cm³ angegeben und mit dem bereits ermittelten Volumen multipliziert. Formel: =B8*2,7 5. Variantenkonstruktion mit SVERWEIS Variantenkonstruktion mit der Funktion SVERWEIS Höhe Breite Tiefe Nutbreite Nuthöhe A B C D E Bitte die gewünschte Variante eingeben: B Höhe Breite Tiefe Nutbreite Nuthöhe In Excel wird eine Tabelle für fünf Varianten (A,B,C,D,E) erstellt. Dazu kommt eine Zelle für das Suchkriterium (hier: B) und eine Tabelle zur Ausgabe der fünf Werte für die jeweilige Variante. Formel für Höhe hier: 45 =SVERWEIS($D$9;$A$3:$F$7;2) Bedeutung: In der Zelle D9 ist das Suchkriterium (hier: B) Die Matrix ist der Zellenbereich von A3 bis F7 Der Spaltenindex für die Werte Höhe ist 2 Arbeitskreis am ISB Vorhaben8-I-CAD-TAB Seite 5 von 7

6 Wiederholung, Zusammenfassung und Überleitung zu anderen Aufgaben: Bestandteile einer Formel sind : Gleichheitszeichen Jede Formel beginnt mit dem Gleichheitszeichen. Konstante Werte Zahlen, die sich nicht ändern (aber auch Textkonstanten) Zellbezüge Soll mit dem Inhalt von Zellen gerechnet werden, so verwendet man die Adressen von Zellen. Operatoren Berechnungen lassen sich mit mathematischen Operatoren durchführen. Diese sind : +, -, *, / ; ^ ; % Es gilt die Punkt-vor-Strich- Regelung! Klammern Die Reihenfolge der Berechnung kann mit Hilfe von Klammern verändert werden. Funktionen Standardberechnungen wie Summen, Mittelwerte usw. lassen sich einfach und schnell ausführen. = Ergebnis = 25 = A1+A2 = A1*A2+A3-A4/A1 = A1*(A2+A3)-A4/A1 = SUMME(A1:A13) Auswahl wichtiger Funktionen : Funktion und Syntax Bedeutung Beispiel =SUMME(Bereich) Summe =SUMME(B3:B9) =MITTELWERT(Bereich) Mittelwert, Durchschnitt =MITTELWERT(B3:B9) =MIN(Bereich) Kleinster Wert =MIN(B3:B9) =MAX(Bereich) Größter Wert =MAX(B3:B9) =ANZAHL(Bereich) Anzahl der Zellen im Bereich, die Zahlen enthalten =ANZAHL(B3:B9) =ANZAHL2(Bereich) Anzahl der Zellen in einem Bereich, die nicht leer sind =ANZAHL2(B3:B9) =RUNDEN(Zahl; Anzahl_Stellen) Rundet den Wert Zahl auf die Anzahl der ange- =RUNDEN(C4; 2) =WENN(Prüfung; Dann_Wert; Sonst_Wert) =SVERWEIS(Suchkriterium; Matrix; Spaltenindex) gebenen Dezimalstellen Prüft eine Bedingung Sucht in einem Zellenbereich nach einem Wert und gibt diesen zurück =WENN(C4<100; 2%Rabatt ; 5%Rabatt ) =SVERWEIS($F$10; $B$5:$E$8;4) nach Stefan Wiedemann Arbeitskreis am ISB Vorhaben8-I-CAD-TAB Seite 6 von 7

7 4. Leistungserhebung Möglichkeiten für Stegreifaufgaben, die sich im Wesentlichen auf den Stoff der vorausgegangenen Stunde beziehen: - Skizzen zu Bearbeitungsformen an Würfel und Quader - Kurzer Bearbeitungsplan zu den CAD-Arbeitsschritten - Beschreibung der Verknüpfung mit Tabellenkalkulation - Wiedergabe von Formeln und Funktionen - auch im direkten Einsatz im Programm Hinweise: Formeln lassen sich in Excel über Extras > Optionen ausgeben und drucken 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 Balsaholz Aluminium Glas Eisen Platin Papier 0,00 1 Darstellen der Werte in einem Säulendiagramm. Kurzarbeiten und Praktische Leistungsnachweise Kurzarbeiten beinhalten den Stoff der zurückliegenden sechs Stunden und können sich auf das gesamte Vorhaben beziehen. Die Schüler müssen sich auf die Leistungserhebung vorbereiten, so dass detaillierte Kenntnisse aus allen Bereichen gefordert werden können (z. B. in Form eines Ablaufplans). Praktische Leistungsnachweise unterliegen keiner zeitlichen Begrenzung. Sie eignen sich in besonderer Weise, den Stoff in Form von Transferleistung auf verwandte Aufgabenstellungen zu übertragen (z. B. andere Formveränderungen am Quader und weitere Berechnungen und Formeln in der Tabellenkalkulation). Arbeitskreis am ISB Vorhaben8-I-CAD-TAB Seite 7 von 7