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Lernen mit
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Kläranlage
Ein Beispiel für die unterrichtliche Nutzung
des Arbeitsbereichs "Modellierung und Simulation dynamischer Systeme"
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Der unterrichtliche Zusammenhang
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Im Biologie- oder im Erdkunde-Unterricht oder im Rahmen eines
fächerübergreifenden Projekts (ab Klasse 9) soll innerhalb einer
Unterrichtsreihe zum Themenbereich "Umwelt und Ökologie" das Beispiel
"Kläranlage" untersucht werden.
Es besteht dabei der Wunsch zu einem handlungsorientierten Unterricht. |
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Der Einstieg:
Besuch der örtlichen Kläranlage |
Am Anfang der Unterrichtsreihe steht ein Besuch in der örtlichen Kläranlage, die - wie heute vielfach üblich - nur über eine mechanische und eine biologische Reinigungsstufe verfügt. | ||
Die mechanische Reinigungsstufe
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Aufgabe und Funktionsweise der mechanischen
Reinigungsstufe hat der Führer schnell verständlich gemacht
- da kann jeder sehen bzw. leicht nachvollziehen, was Grob- und
Feinrechen leisten bzw. was im Sandfang, im Öl- und
Fettabscheider und im Vorklär-Becken passiert.
Gleich nebenan sehen wir die "Faultürme", in denen der abgesetzte Schlamm unter der Einwirkung anaerober Methanbakterien ausfault. Ob des Gestankes nach faulenden Eiern halten wir lieber einen gehörigen "Sicherheitsabstand" ein, sind aber durchaus beeindruckt, als wir erfahren, dass das bei dem Faulprozeß freiwerdende "Schlammgas" (zu 70% Methangas (CH4) und zu 30% Kohlendioxid (CO2)) durchaus wirtschaftlich zur Energieversorgung der Kläranlage sowie im städtischen Gaswerk verwendet werde, während der ausgefaulte und getrocknete Schlamm selbst gern von den umliegenden Landwirtschaftsbetrieben als wertvoller Dünger genutzt werde. Das sei allerdings häufig problematisch, weil der Faulschlamm zunehmend toxische Schwermetalle wie z.B. Cadmium enthalte. |
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Die biologische Reinigungsstufe
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Schwieriger ist es jedoch mit der biologischen
Reinigungsstufe: Wir stehen am Rand eines großen, flachen, mit vorgeklärtem Wasser gefüllten Beckens, in dem fortwährend und sprudelnd Luftblasen aufsteigen (Belebtschlammverfahren).
Umschweifig erläutert unser Führer, hier erfolge auf kleinem
Raum und erheblich beschleunigt im Grunde dasselbe wie bei der
natürlichen Gewässer-Selbstreinigung: |
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Die Einleitung in den Vorfluter
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Schließlich erfahren wir noch, dass so bis zu 90% des
organischen Abfalls entfernt werden können, dass aber aufgrund einer
nicht vorhandenen chemischen Reinigungsstufe das "geklärte" Wasser bei
der Einleitung in den Vorfluter immer noch Krankheitserreger,
Nährsalze (Nitrate und Phosphate) und evtl. auch noch schädliche
Chemikalien enthalte. Da bleibt also noch einiges zu tun! |
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Der Kontrollraum
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Zum Abschluß unserer Führung dürfen wir noch
den Kontrollraum besichtigen: Rundum sind die Wände mit Monitoren und
Kontrollinstrumenten übersät, und auf den Arbeitsplatten davor
befinden sich zahlreiche Schalter und Drehregler für die Wasser-Zu-
und Abläufe, die Heizungs- und Temperaturregelung, die Sauerstoffzufuhr
und vieles mehr. Gern würden wir hier einige "was-wäre-wenn-Versuche" durchführen: Welches Mengenverhältnis von organischem Abfall und Sauerstoffzufuhr ist denn nun optimal, und wann "geht nichts mehr"? Das würde uns zwar die Einsicht in die Zusammenhänge erleichtern, aber natürlich dürfen wir das aus verständlichen Gründen nicht. |
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Der Einsatz des
learn:line-
Arbeitsbereiches "Modellierung und Simulation" als Arbeits- und Lernumgebung |
Einige Tage später wird der Unterricht in der Schule
fortgesetzt. Der Besuch der Kläranlage soll ausgewertet werden.
Ausführlich berichten Schülerinnen und Schüler anhand ihrer Aufzeichnungen von der mechanischen Reinigungsstufe. Sogar Skizzen können sie erstellen, die ihre Ausführungen gut veranschaulichen. Doch von der biologischen Reinigung sind nur das Stichwort "Selbstreinigung" und so etwas wie ein qualitatives Modell "hängengeblieben":
Unklar geblieben ist jedoch, bei welchen Abfall- und Sauerstoff-Mengen das funktioniert bzw. nicht funktioniert.
Doch immerhin ist die Neugier geweckt! Der Hinweis des Lehrers, in LEARN:LINE gebe es im Arbeitsbereich "Modellierung und Simulation" ein Modell zur Selbstreinigung, mit dem man experimentieren könne, kommt daher wie gerufen.
So begibt sich der Kurs in den "Computerraum" zu dem "Multimedia-PC" der
Schule. |
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Organisatorische und technische Probleme
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20-30 Schülerinnen und Schüler vor einem
Mulimedia-PC??? Das ist natürlich ein sinnloses Unterfangen! Doch leider haben erst sehr wenige Schulen so viel "Know-How" und Sponsorengelder sammeln können, dass sie bereits das gesamte schuleigene Netzwerk an's Internet angeschlossen haben und mit allen Arbeitsplätzen gleichzeitig "online" gehen können, wie es für eine wirkliche Integration des Mediums Internet in den Unterricht eigentlich notwendig wäre - das Projekt "Schulen an's Netz" stößt hier (bisher?) an eine häßliche Grenze! |
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... und ein erster Ausweg:
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So müssen wir uns für's erste behelfen und projezieren
mittels eines Overhead-Displays den Bildschirm-Inhalt des Multimedia-PC auf
eine größere, gut einsehbare weiße Fläche. Leider sieht man da zwar alles nur "schwarz-weiss", aber "in Farbe" ist's für Schulen immer noch zu teuer. Immerhin bekommen so alle einen ersten Einblick. Bald beschweren sich allerdings einige aus der letzten Reihe, sie könnten die kleine Schrift nicht lesen. So drucken wir die wenigen zu dem Modell gehörigen Seiten kurzerhand aus, kopieren und verteilen sie. |
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Auch inhaltlich
ist es schwieriger als man dachte |
Obwohl die Schülerinnen und Schüler aus früheren
Jahren bereits einige Erfahrungen im Umgang mit dem Modellbildungswerkzeug
"DYNASIS" besitzen (eine bei einem so komplexen Modell sicher notwendige
Voraussetzung), sind sie doch zunächst recht verwirrt, denn schon das
hier angebotene qualitative Modell sieht viel komplizierter aus als
das, was sie bisher "im Kopf haben".
"Da muß man sich ja echt reindenken!" |
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Beim Verständnis des Modells helfen der Lehrer
und die
FAQ's
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Aber glücklicherweise beantworten der Lehrer und die beigeordneten FAQ's die meisten Fragen, so dass man - wenn auch mit einiger Mühe - das Modell sowohl qualitativ als auch quantitativ (--> Mausklick auf das obige qualitative Modell) einigermaßen verstehen kann. | ||
Wenn diese Hilfen einmal nicht ausreichen:
eine eMail an den zuständigen Paten des Arbeitsbereichs oder ein "Aushang" am Schwarzen Brett |
Dennoch bleibt unklar, in welcher Modellgleichung eigentlich
steht, dass - wie bei den FAQ's zu lesen - "50% der zugeführten organischen
in für die Zelle nutzbringende Energie umgesetzt" wird.
Der Lehrer empfiehlt, zunächst einfach mit dem vorgegebenen Modell zu
arbeiten, zugleich aber per eMail eine
entsprechende Anfrage an den zuständigen Paten des Arbeitsbereichs
zu schicken. Der würde dann nach ein paar Tagen antworten. |
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Die Arbeit mit dem Modell
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Die Schülerinnen und Schüler greifen die Anregung des Lehrers gerne auf: Das Experimentieren finden sie auch viel interessanter als das Brüten über eine solche eher theoretische Frage. | ||
... ist "online" ...
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Durch einen Mausklick auf den Modellnamen "bio5.dyn" startet sofort das (zuvor auf dem Multimedia-PC installierte) Modellbildungswerkzeug DYNASYS mit dem Modell, so dass man eigentlich sofort loslegen könnte. | ||
... und "offline" möglich:
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Damit aber nicht nur an dem Multimedia-PC gearbeitet werden kann, lädt der Lehrer über die Arbeitsbereichs-Seite "Gesamtliste & Downloads" die Archivdatei "biodyn.zip" auf die eigene Festplatte herunter, entpackt sie dort und stellt über das lokale Schulnetz die enthaltene Modelldatei "bio5.dyn" allen DYNASYS-Arbeitsplätzen zur Verfügung. | ||
Arbeitsteilig
geht's nun an's Werk: |
Einige Schülerinnen und Schüler versuchen
nun zunächst, die beigefügten
Beispiel-Graphen zu rekonstruieren, andere
Gruppen halten sich an die unterrichtlichen
Anregungen und experimentieren mit einmaligen Belastungen und
Dauerbelastungen, wieder andere widmen sich der Ausgangsfrage, wann denn
die Selbstreinigungskraft des Modellgewässers (bzw. die biologische
Reinigungsstufe der Kläranlage) überfordert ist.
Wie die diese Arbeitsphase abschließenden Schülervorträge
zeigen, hat sich das Experimentieren gelohnt: |
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weitere Möglichkeiten
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Wer tiefer in das Modell einsteigen will, kann beim
Experimentieren neben einzelnen Parametern (z.B. "Zufuhr_Org_Abfall" oder
"Faktor" bei der "O2_Zufuhr") auch die Tabellenfunktionen "Wuchsfaktor" und
"O2_Faktor" variieren. Vielleicht findet jemand auch (besser) empirisch abgesicherte Tabellenwerte oder gar ein insgesamt besseres Modell. |
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Mitarbeit erwünscht!
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Wir - die Paten des Arbeitsbereichs - würden uns
freuen, wenn wir davon (per eMail)
erführen. Gelungene Beiträge könnten wir dann in unserem Foyer veröffentlichen bzw. bei der nächsten Überarbeitung unserer Mediothek berücksichtigen. |
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© Helmut Kohorst 26.8.1997
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