10. – 13. Schuljahr

Bianca Watzka, Ludwig Buchner und Raimund Girwidz

Widerstandsänderungen von Halbleitern mal anders

Ein kontextorientierter Unterricht mit Arduino und Alkoholsensoren

Die Anwendung von Sensoren kann durch Lebensnähe und Authentizität das Interesse von Schülerinnen und Schülern für physikalische Grundlagen z.B. aus der Elektronik und der Halbleiterphysik wecken [1]. Als Beispiel wird hier ein Gassensor zum Erfassen von Alkoholdämpfen verwendet ein Atemalkoholsensor. Schülerinnen und Schüler, die mit ihren Eltern in einem Auto nach Frankreich in den Urlaub fahren, sind Alkoholmessgeräte vermutlich bekannt: Seit 2012 ist in Frankreich jeder Fahrzeughalter dazu angehalten, ein nach französischer Norm zertifiziertes Alkoholmessgerät mitzuführen [2].
Das hier beschriebene Unterrichtsbeispiel zeigt, wie neben experimentellen auch überfachliche digitale Kompetenzen anhand konkreter Fachinhalte gefördert werden können. Behandeln lassen sich so u.a. die Themen Halbleiter, elektrischer Widerstand und Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Ladungsträgerkonzentration, Spannungsteiler in Messschaltungen, Adsorption, Verdunsten von Ethanol/Alkohol. Dabei sind verschiedene Schwerpunktsetzungen oder Vereinfachungen spezieller Sachverhalte gut möglich.
Der Arduino hat im hier vorgestellten Unterrichtskonzept eine dienende Funktion – seine Programmierung steht nicht im Mittelpunkt.
Unterrichtskonzeption
Anwendungsorientierung und Schülerzentrierung prägen als Leitlinien den im Folgenden vorgestellten Unterricht.
Einstieg und Problemstellung
Die Hinführung zum Kontext „Atemalkoholanalyse erfolgt durch eine fiktive Schlagzeile (s. Abb. 1 ). Ziele sind es neben der Motivierung und dem Anknüpfen an Vorerfahrungen – ein Problembewusstsein zu schaffen und Fragestellungen anzuregen. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine fingierte Schlagzeile zur Atemalkoholanalyse, die Fragen zum Messverfahren aufwirft. Damit sollen die Schülerinnen und Schüler auf die zu erarbeitende Problemstellung aufmerksam gemacht werden. Beispielsweise könnte darüber diskutiert werden, ob und gegebenenfalls wie so hohe Promille-Werte, wie sie im Einstiegsbild genannt sind, ohne Alkoholkonsum überhaupt erreicht werden können.
Zudem kann die Hinführung zur Alkoholmessung auch durch eine reale Sachbegegnung mit dem Sensor erfolgen. Durch das Zeigen und Demonstrieren eines realen Alkoholsensors und seiner Einzelbauteile kann ein anwendungsorientierter und phänomenologischer Einstieg in das Thema angeboten werden. Denkbar ist beispielsweise, dass die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen arbeiten und mit handelsüblichen Atemalkoholmessgeräten die Freisetzung von Alkoholdämpfen verschiedener Flüssigkeiten untersuchen. Dabei können die Schülerinnen und Schüler erste Erfahrungen mit dem Messgerät und dem Messverfahren auf einem phänomenologischen Niveau sammeln.
Erarbeitung
Die Erarbeitung von Fachwissen über die wichtigsten Grundbegriffe und -konzepte erfolgt im Anschluss an die Hinführung in vier Schritten (s.a. [1]).
1. Schritt: Aufbau des Sensors
Zuerst wird der Aufbau des Sensors behandelt (s. Kasten 1). Mit Fotos und Schemazeichnungen werden die relevanten Bauteile gezeigt, benannt und ihre Funktion besprochen.
Arbeitsblätter zum Aufbau des Sensors und zu Einflussgrößen auf seinen elektrischen Widerstand (wie z.B. die Heizspannung) stehen online zum Download unter [3] zur Verfügung.
Kasten 1|Informationen: Physikalische Grundlagen des MQ-3-Alkoholsensors
Kasten 1|Informationen: Physikalische Grundlagen des MQ-3-Alkoholsensors
Aufbau
Das Kernelement günstiger Sensoren für Ethanoldämpfe ist ein mit Halbleitermaterial beschichtetes Keramikröhrchen (s. Abb. 2 ). Die sensitive Halbleiterschicht wird indirekt durch eine im Röhrchen befindliche Heizwendel elektrisch beheizt und so auf die notwendige Betriebstemperatur gebracht.
Funktionsweise
An der Halbleiterschicht (hier: eine Metalloxidschicht aus Zinndioxid SnO2)...

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