Konstruieren mit 3D-CAD-Software im MINT-Unterricht

Um Schüler:innen für das Leben und Arbeiten in einer technisch geprägten, digital vernetzten Welt zu befähigen, kommt dem Technikunterricht eine besondere Rolle zu. Technische Allgemeinbildung umfasst dabei die Fähigkeiten, Technik zu nutzen, zu verstehen und zu beurteilen (Höpken et al. 2003) sowie Probleme zu lösen. Neben den Problemtypen Technik nutzen, Störungen beseitigen und Entscheidungen treffen ist das Konstruieren von Technik (Stemmann & Lang 2014) Inhalt und neben der Fertigungsaufgabe die am häufigsten eingesetzte Methode des Technikunterrichts (Straub 2017). Das Potenzial des Einsatzes von 3D-CAD für den MINT-Unterricht wird im folgenden Beitrag am Beispiel einer Konstruktionsaufgabe aus dem Technikunterricht veranschaulicht.

Ein Beitrag von Adrian Boheim und Prof. Dr. Jennifer Stemmann

Schüler:innen sollen „in einer Konstruktionsaufgabe, ausgehend von einer konkreten Problemstellung, einen technischen Gegenstand mit Unterstützung ressourcenschonend planen, entwickeln, fertigen, beurteilen und optimieren“ sowie „computerunterstützt Produkte entwickeln und fertigen (CAD, CAM)“ (KM Baden-Württemberg 2016).

Konstruktionsprobleme unterscheiden sich in ihrer Schwierigkeit zur Lösung. Das Konstruieren von Varianten oder von Anpassungen ist oftmals weniger schwierig als komplette Neukonstruktionen. Die Kompetenz zum Konstruieren ist dabei ein Konglomerat aus verschiedenen Fähigkeiten, Fertigkeiten, Wissen und Motivationen, die in den einzelnen Konstruktionsschritten (Erfassen und Klären der Aufgabe, Konzipieren prinzipieller Lösungsmöglichkeiten, Auswählen und Entwerfen einer Lösungsalternative und deren detaillierendes Ausarbeiten) mehr oder weniger zum Tragen kommen und im Unterricht in den Blick genommen werden sollten.

Relevanz und Potenziale von 3D-CAD-Software

Wenn Schüler:innen im Unterricht konstruieren, erstellen sie meist Handskizzen von ihren kreativen Ideen und überführen diese dann in technische Zeichnungen. Letztere werden in der Regel ebenfalls von Hand oder mit einer 2D-CAD-Software (z. B. NCCAD) erstellt. Demgegenüber hat die Verwendung von 3D-CAD-Software eine höhere Relevanz und größere Potenziale für den Unterricht: So benötigen viele der Technologien, die in einer durch Digitalisierung veränderten Arbeitswelt verwendet werden, 3D-Modelle, die zunächst in einer 3D-CAD-Software erstellt werden müssen.

Die Erstellung von 3D-CAD-Modellen ermöglicht es Schüler:innen, ihre kreativen Ideen realistisch darzustellen, und beseitigt Barrieren, die durch geringe manuelle Zeichenfertigkeiten entstehen. Mit 3D-CAD-Programmen lassen sich Modelle aus verschiedenen Perspektiven betrachten, drehen und vergrößern, womit das Verständnis der dreidimensionalen Strukturen verbessert werden kann. 3D-CAD-Programme bieten außerdem die Gelegenheit zur digitalen Zusammenarbeit und zum Austausch von Dateien. Solche kooperativen Lernarrangements ermöglichen es, sowohl kognitive, soziale als auch emotionale Aspekte im Zusammenhang mit Lernen in die Zielsetzung einzubeziehen. Wenn reale Problemstellungen gemeinsam gelöst werden, erleben Schüler:innen Teilhabe, Selbstwert, Anerkennung und Zugehörigkeit (Oehme 2016).

KI-Einsatz

KI-Technologien entwickeln sich derzeit rasant und halten in jedem Lebensbereich Einzug. Es existieren derzeit erste GPT-Modelle, die eine Text-to-CAD-Modellierung ermöglichen, beispielsweise Rodin, Zoo.dev oder Magic3D. Sie beschränken sich derzeit noch meist auf einfache Einzelteile. Eine schnelle Weiterentwicklung ist jedoch angesichts der aktuellen Entwicklungen sehr wahrscheinlich. Hier gibt es einen Einblick:

Herausforderungen beim Konstruieren mit 3D-CAD-Software

Schüler:innen neigen oft dazu, eine Idee zu verfolgen, auch wenn diese nicht zum (besten) Ergebnis führt. Wird 3D-CAD eingesetzt, ohne dass zuvor eine Skizze per Hand angefertigt wurde, wird dieser Effekt sogar noch verstärkt. Es empfiehlt sich daher, vor dem 3D-CAD-Einsatz kreativitätsfördernde Methoden zu verwenden, um die mögliche Lösungsvielfalt zu erhöhen.

Schüler:innen kommen zudem mit unterschiedlichen Lernbedürfnissen und -ausgangslagen in den Unterricht. Damit Lernende 3D-CAD-Software als Werkzeug einsetzen können, müssen sie diese schrittweise erlernen. Wichtig ist hierbei, dass Lernende sowohl deklaratives und prozedurales Wissen (Wo muss ich klicken, damit X passiert?) als auch strategisches Wissen (Wie beginne ich am besten, damit ich meine Ideen ohne großen Aufwand umsetzen kann?) erwerben. Für die prozeduralen Anteile kann eine Unterstützung in Form von Lernvideos oder kurzen Funktionsanleitungen für die Schüler:innen erstellt werden.

Auswahl einer 3D-CAD-Software

Unter den 3D-CAD-Softwares gibt es große Unterschiede in Hinblick auf Nutzungsfreundlichkeit, Induktivität, Programmumfang und auch, ob es sich um eine lokale Installation oder eine cloudbasierte Anwendung handelt.

Bei der Auswahl einer 3D-CAD-Software für den Unterricht sollte beachtet werden, dass Schüler:innen diese in der Regel nicht dauerhaft und nicht in professioneller Absicht nutzen. Sie haben unterschiedliche, oft geringe Vorkenntnisse und es fehlt die Zeit, sich aufwendig in wechselnde Applikationen einzuarbeiten.

Unter diesen Voraussetzungen ergeben sich folgende Anforderungen an eine für den Unterricht geeignete Software:

Ihr Funktionsumfang sollte begrenzt sein oder zielgerichtet eingeschränkt werden können.
Die Icons sollten intuitiv verständlich und nicht zu zahlreich sein.
Eine mehrsprachige Hilfe erleichtert den Umgang.
Die Software sollte absturzsicher sein.
Ansichten sollten flüssig gewechselt werden können (zwar hängt das auch immer vom Computerprozessor ab, dieser kann einen programmtechnischen Mangel aber nicht aufheben).

Unter diesen Aspekten können z. B. Fusion 360 sowie Tinkercad von Autodesk oder Onshape von PTC für den Einsatz interessant sein.

Beispielhafte Konstruktionsaufgabe

Die Konstruktionsaufgabe „MyPen“ hat eine hohe Lebensnähe durch den Bezug auf einen Alltagsgegenstand, ist technische Realität und fordert den Einsatz von 3D-CAD. Ob Aufgabenstellungen im Kontext eines Start-ups oder einer Schüler:innenfirma gestellt werden, kann von der Klassenstufe abhängig gemacht werden. Den Stift bekommen die „Teams“ (Kleingruppen) als 3D-Modell-Vorlage. Das 3D-Modell kann zur Maßermittlung eingesetzt und in die Konstruktion einbezogen werden. Die Aufgabe, eine Stifthalterung herzustellen, erlaubt es, einfache Lösungen zu entwickeln und umzusetzen oder aber kreative, komplexe und ungewöhnliche Wege zu gehen. Lernende müssen Designanforderungen, technische Umsetzungsmöglichkeiten und Lösungsvarianten gegeneinander abwägen und die Aufgabe an die eigenen Fähigkeiten adaptieren.

Download

Die Fallaufgabe „MyPen“ inkl. 3D-Modell-Vorlage sowie ein Auszug aus einer beispielhaften Anleitung für das 3D-CAD-Programm Onshape stehen Ihnen hier zum Download zur Verfügung:

Die Quellen zum Beitrag können hier heruntergeladen werden:

Die Aufgabe legt auch einen mehrschrittigen Konstruktionsprozess (mehrere Prototypen) nahe, der die 3D-CAD-Kompetenzen fördert.

Das Bilden von Kleingruppen mit heterogenen Kompetenzspektren bzw. unterschiedlichen Stärken- und Schwächenprofilen empfiehlt sich. Als weitere adaptive Lehrkräftehandlung können den Teams unterschiedliche Hilfestellungen gegeben werden, etwa Kreativitätsförderung durch Brainstorming oder Systematisierung durch einen morphologischen Kasten.

Cloudbasierte 3D-CAD-Software erlaubt es hierbei nicht nur, zeitgleich am selben Modell zu arbeiten, sondern ermöglicht es auch, Feedback in Form von Kommentaren zu einem Modell zu geben.

Lehrkräfte können Entwicklungsschritte dokumentieren oder Probleme auch außerhalb einer konkreten Unterrichtssituation analysieren, lösen und didaktische Schritte dazu planen.

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