5.2: Die Saftverpackung

Autoren:
Publikation:	27.10.2017
Lernstufe:	3
Übersicht:	Die Schüler sollen einen technischen Gegenstand erfinden. Sie lernen Bedingungen zu definieren und zu kooperieren, um auf kreative Weise ein technisches Problem zu lösen. Sie setzen ihre Ideen um und machen notwendige Anpassungen, je nach Material, das ihnen zur Verfügung steht. Sie denken sich ein Verfahren aus, um die Leistung/Qualität des Endprodukts zu testen.
Angestrebte Kenntnisse:	Wissenschaftlich denken, kritisch denken: Ein Problem analysieren bzw. lösen. Für Anfänger: Für die Lösung eines Problems die Ziele und die Zwänge identifizieren. Begründen können, weshalb man sich für eine bestimmte Lösung entschieden hat. Kompetenzen: Mit Unterstützung der Lehrerin forschendes Lernen betrei­ben: Als Team einen technischen Gegenstand bauen, der eine bestimmte Funktion hat; Kreativität; Kooperationsfähigkeit
Schwerpunkt:	Technik
Dauer:	Aktivität 1: 45 Minuten bis 1 Stunde 15 Minuten Aktivität 2: 1 Stunde 30 Minuten bis 1 Stunde 45 Minuten Aktivität 3: 45 Minuten
Material:	Für die Aktivität 1: Buntstifte, Filzstifte, Papier Für die Aktivität 2: siehe Vorbereitung Gummibänder, Schnur, Klebeband – zum Kleben und Verbinden Scheren oder Cutter – zum Ausschneiden Plakate – um die Prototypen vorzustellen Für die Aktivität 3: die Prototypen aus der Aktivität 2 Thermometer auf Wunsch der Schüler eventuell heißes Wasser, Eiswürfel, Stoppuhren das Arbeitsblatt 41: "Getränkeetiketten" (4-5 Exemplare) Für jeden Schüler: den Evaluationsbogen 24: "Einen Gegenstand erfinden"
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Aktivität 1: Neuerungen einführen, um einen bestimmten Bedarf zu decken

Ablauf: Die Schüler planen die Herstellung einer Fruchtsaftflasche (Phase 1). Dazu erfassen und erläutern sie die Anforderungen, die ihr zukünftiges technisches Produkt erfüllen muss. Sie überlegen sich, welche Materialien den Anforderungen genügen. Welche Eigenschaften müssen diese Materialien haben (Phase 2)? Sie zeichnen Prototypen, die sie sich gegenseitig vorstellen und erläutern. Zum Schluss einigen sie sich auf eine gemeinsame Lösung (Phase 3).

Botschaft zum Mitnehmen: Die Anforderungen begreifen, denen ein technischer Gegenstand (der einen bestimmten Zweck erfüllt) genügen muss, sowie für diese Anforderungen eine Lösung finden können, sind wichtige Stützpfeiler der Innovation. Dies ist auch im Alltag sehr nützlich. Arbeitet man als Team zusammen, erreicht man im Allgemeinen mehr: Man muss anderen zuhören und die eigenen Ideen klar und deutlich äußern. Die verschiedenen Ideen werden geteilt und abgewogen – so entsteht schließlich ein Konsens.

Vorbemerkung: Mit dieser Unterrichtseinheit können die Schüler ihre Kenntnisse über die Wärmedämmung wiederholen.

Vorbereitung:

• In dieser Unterrichtseinheit werden Verpackungen untersucht, verschiedene Materialien getestet und existierende Produkte kritisch unter die Lupe genommen. Dafür sammelt die Lehrerin leere Flaschen, Verpackungen aus unterschiedlichen Materialien (Pappe, Plastik, ...), wärmedämmende Materialien (Luftpolsterfolie, Styropor, Schaumstoff, wasserabweisender Baumwollstoff, Wolle usw.), Rohmaterialien (Pappe, Papier, Aluminium, Styropor, Wolle usw.), recyceltes Material (Gefrierbeutel, Strohhalme, Korken, Flaschendeckel usw.). Das gesammelte Material sollte nicht zu knapp bemessen sein, um die Schüler in ihrer Kreativität und ihren Möglichkeiten nicht einzuengen. Die Lehrerin kann natürlich auch die Schüler bitten beim Sammeln mitzumachen.
• Es sollten Flaschen verschiedener Größe gesammelt werden, aus Plastik oder Glas, durchsichtig oder nicht. Sie können als Modell für die Saftverpackung dienen, die die Schüler herstellen sollen. Die Lehrerin sollte auch nicht zögern Material zu sammeln, das a priori nichts mit dem Projekt zu tun hat: Die erfinderischsten Lösungen haben ihren Ursprung oft in Umwegen/Abwegen, von denen man es am wenigsten erwarten würde. Die Schüler wollen vielleicht zusätzliche Details und Zubehör entwerfen, um die Flasche zu transportieren: Henkel, Gurte, Träger, ...).

Phase 1: Die Aktivität beginnen (ca. 5 min)

Die Lehrerin beginnt mit einem Rollenspiel: "Ein Fruchtsafthersteller ist an euch herangetreten und möchte, dass ihr ihm eine Flasche entwerft, in der er seinen Fruchtsaft abfüllen kann. Der Hersteller möchte seinen Fruchtsaft an sportliche Jugendliche verkaufen. Das bedeutet: Man muss die Flasche leicht überall mit hinnehmen können. Dabei sollte das Getränk möglichst lange kühl bleiben.".

Für dieses Projekt werden die Schüler in Vierergruppen aufgeteilt. Die einzelnen Gruppen haben den Auftrag, eine Flasche zu entwerfen, die den Anforderungen des Fruchtsaftherstellers entspricht. Sie sollen einen Prototyp planen, ein Plakat mit dessen Vorzügen erstellen und ihr Vorhaben den anderen Gruppen vorstellen. Die Gruppen kommentieren mündlich die Projekte der anderen Gruppen.

Phase 2: Die Anforderungen definieren (ca. 20 min)

Die Klasse listet mit Hilfe der Lehrerin die Anforderungen auf, die die Flasche erfüllen muss. Zum Beispiel:

• Die Flasche solle ein möglichst großes Fassungsvermögen haben, ohne zu sperrig zu sein (Form, Gesamtvolumen, Dicke der Wände). Mit einer bereits existierenden Flasche kann man das maximale Volumen festlegen, das die Saftverpackung auf keinen Fall überschreiten darf. Die Lehrerin kann auch festlegen, welche Fruchtsaftmenge abgefüllt werden soll, zum Beispiel 250 ml.
• Die Flasche sollte nicht zu schwer sein, weil man sie ja überall mit hinnehmen will. Diese Anforderung kann man folgendermaßen festlegen: Die gesamte Masse (Flasche und Inhalt) darf ein bestimmtes Gewicht, zum Beispiel 400 g, nicht überschreiten.
• Der Fruchtsaft sollte möglichst lange kühl bleiben.
• Die Flasche darf nicht durch das Gewicht des Fruchtsaftes kaputtgehen.
• Sie muss dicht sein.
• Sie sollte einen möglichst guten ökologischen Fußabdruck haben.
• Sie sollte hübsch sein (sie soll vielleicht irgendwann in den Handel kommen).

Die Anforderungen werden an der Tafel aufgelistet und erläutert. Es können auch schon erste Ideen zur Lösung des einen oder anderen technischen Problems erwähnt werden.

Abb. 1: Die Anforderungen an die Fruchtsaftflasche

Die Hauptanforderung an das Material für die Flasche ist, dass der Fruchtsaft kühl bleiben soll. Wenn die Schüler mit dem Begriff Wärmedämmstoff bereits etwas anfangen können, kann die Lehrerin sie fragen, welches Material denn hier geeignet wäre. Die Lehrerin bittet die Schüler noch einmal zu formulieren, was die Definition eines Wärmedämmstoffs ist. Wenn die Schüler das Thema Wärmedämmung noch nicht angeschnitten haben, kann die Lehrerin hier eine Unterrichtsstunde über die thermischen Eigenschaften von Materialien einschieben.

Die Materialien zum Herstellen der Saftverpackung sollten leicht zu verarbeiten sein (leicht zu schneiden, zu kleben, zu verformen) und man sollte sie in Kontakt mit Lebensmitteln bringen können.

Die Liste mit den Anforderungen und Zwängen hängt während der gesamten Dauer des Projekts an der Klassenwand, so dass die Schüler sie sich jederzeit anschauen können.

Phase 3: Erste Entwürfe und Zeichnungen des Prototyps (ca. 20 min)

Zu Beginn hat jeder Schüler etwa 5 Minuten Zeit, um eine schnelle Zeichnung seiner Vorstellung von der Saftverpackung zu machen. Anschließend wird in Vierergruppen gearbeitet. Die Schüler erklären sich ihre Ideen und einigen sich auf einen gemeinsamen Entwurf. Sie zeichnen diesen Entwurf und fügen eine Legende hinzu. Sie stellen auch eine erste Liste des benötigten Materials auf. Die Lehrerin nimmt diese Listen zur Kenntnis, um die Aktivität 2 vorzubereiten. Sie bittet auch die Schüler, Material von zu Hause mitzubringen: leere Flaschen zum Beispiel.

Abb. 2: Schüler beim Diskutieren

Abb. 3: Zeichnung des ersten Entwurfs der Flasche

Aktivität 2: Sich etwas ausdenken, entwerfen, herstellen – was man anstrebt und was möglich ist

Ablauf: Die Schüler setzen sich wieder an den Entwurf ihrer Fruchtsaftflasche (Phase 1). Die einzelnen Gruppen verbessern die Zeichnungen ihrer Prototypen unter Berücksichtigung des vorhandenen Materials (Phase 2). Sie stellen schließlich ihre Flasche her (Phase 3) und stellen der Klasse ihr Modell vor (Phase 4).

Botschaft zum Mitnehmen: Bevor man eine Idee umsetzen kann, muss man schauen, welche Möglichkeiten man bei der Wahl des Materials hat. Wenn man seine ursprüngliche Idee verändern muss, weil sie nicht umsetzbar ist, bedeutet das nicht, dass man gescheitert ist. Im Gegenteil, dieser Schritt ist Teil des Erfindungsprozesses und gibt einem die Gelegenheit, sich neue Lösungen auszudenken.

Phase 1: Die Aktivität beginnen (ca. 5 min)

Diese Aktivität stellt die Phase der Erschaffung und der Umsetzung des Projektes. Die Lehrerin erinnert die Schüler daran, dass jede Gruppe die Verantwortung für die Ausführung ihrer Flasche trägt und ihr Projekt vor der Klasse wird verteidigen müssen.

Sie nennt noch einmal die Anforderungen und das Ziel: Es soll eine Flasche, eine Verpackung fabriziert werden, die den Fruchtsaft kühl hält und die man leicht überall mit hinnehmen kann. Auch die technischen Vorgaben werden noch einmal genannt: maximale Größe, maximales Gewicht, wäremedämmende Eigenschaften). Zum Schluss muss jede Gruppe den anderen ihr Projekt präsentieren – in Form eines Vortrags und eines Plakats oder eines Diavortrags. Die Gruppen können, wenn sie möchten, ihrem Prototypen einen Namen geben.

Phase 2: Die Zeichnung ergänzen (ca. 10 min)

Jede Gruppe nimmt sich ihre Zeichnung des Flaschenprototyps sowie die Materialliste erneut vor. Die Schüler bestimmen für jedes Element der Flasche das Material, das verwendet werden soll. Sie durchforsten anschließend das "Materiallager", um nachzuschauen was zur Verfügung steht.

Phase 3: Die Prototypen bauen (ca. 30 min)

Wenn sich die Herstellung der Flasche über mehrere Unterrichtsstunden erstreckt, sollten sich die Gruppen am Ende jeder Stunde aufschreiben, was noch zu tun ist und welche Probleme noch gelöst werden müssen.

Abb. 4: Flaschenprototypen. a) Man darf nicht zögern, Gegenstände einzusetzen, die eigentlich eine andere Funktion haben; b) Strohhalme werden mit dickem Klebeband zusammengefügt; c) Bei dieser mit Pflanzenmaterial hergestellten Flasche gibt es einiges zu besprechen: die Problematik des direkten Kontakts mit Lebensmitteln und die Lebensdauer eines Materials; d) Aufteilung der Arbeit (Schneiden, Zusammenfügen) innerhalb der Gruppe.

Phase 4: Vorstellung der einzelnen Projekte (ca. 20 bis 45 min)

Sobald die Flaschen fertig sind, erstellt jede Gruppe ein Plakat mit einer Zeichnung der Flasche – inklusive Legende, Eigenschaften der Flasche, der verwendeten Materialien und (eventuell) dem Namen des Prototyps. Die Gruppe erklärt, wie sich ihr Projekt entwickelt hat und welchen Schwierigkeiten sie begegnet ist. Sie beantwortet die Fragen der anderen Schüler.

Die Lehrerin deutet auf die (eventuell fehlende) Übereinstimmung mit den ursprünglichen Anforderungen. Sie weist darauf hin, wie schwierig es ist, ein Material zu finden, das mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllt: schön aussehend + wärmedämmend + leicht + nicht sperrig + dicht + wiederverwertbar usw. Es sollte auch auf keinen Fall vergessen werden, dass das Material in Kontakt mit einem Lebensmittel sein wird. Die Lehrerin betont noch einmal, dass man nicht gescheitert ist, wenn man eine Idee aufgeben musste, weil sie nicht umsetzbar war. Im Gegenteil: Dieser Schritt ist Teil des Erfindungsprozesses, der einen dazu anregt, kreativ zu sein und sich neue Lösungen auszudenken.

Abb. 5: Die Schüler stellen ihre Flaschenprototypen vor.

Aktivität 3 (optional): Die Prototypen testen – welcher ist der beste?

Ablauf: Die Schüler planen ein Experiment, um die Qualität ihrer Flaschenprototypen zu testen.

Botschaft zum Mitnehmen: Um verschiedene Prototypen miteinander zu vergleichen, muss man sich auf einen gemeinsamen Qualitätstest einigen. Wenn es ein kommerzielles Produkt sein soll, muss man zusätzlich die Meinung der Verbraucher einholen, um herauszubekommen, welches Modell ihnen am besten gefällt. Diese beiden Aspekte sind komplementär.

Die Flaschenprototypen werden getestet. Es wird außerdem die Flasche prämiert, die die ursprünglichen Anforderungen am besten erfüllt: den Fruchtsaft kühl halten und leicht zu transportieren sein. "Wie kann man herausfinden, welcher Prototyp der Beste ist?" Man könnte abstimmen lassen, aber die Schüler sind gleichzeitig Richter und Hersteller. Außerdem richtet man sich in der Wissenschaft nach objektiven Kriterien, um die Leistung/Qualität eines Produkts zu bewerten. Man muss also ein Experiment zur Qualitätskontrolle planen, anhand dessen die "beste" Flasche bestimmt werden kann. Es müssen zwei Eigenschaften geprüft werden: die Wärmedämmung und die Transportierbarkeit.

Jeder Schüler überlegt zunächst für sich und tauscht sich anschließend mit seinen Mitschülern in der Gruppe aus. Schließlich werden die Vorschläge der ganzen Klasse unterbreitet. Die Lehrerin lenkt die Diskussion auf die Notwendigkeit hin, dass man messbare Parameter finden muss: für die Transportierbarkeit also zum Beispiel die Masse und/oder das Volumen. Die Wärmedämmung ist leichter zu bewerten: Man kann zum Beispiel messen, um wie viel Grad sich die Temperatur des Inhalts (Wassers) nach einer bestimmten Zeit erhöht hat.

Der ausgewählte Test ist der gleiche für alle Prototypen. Beispiel: Man gibt ein oder mehrere Eiswürfel in die Flasche und misst nach einer bestimmten Zeit das Volumen des geschmolzenen Wassers. Die Siegerflasche ist diejenige, in der die Eiswürfel am längsten "überlebt" haben, bei der also das Volumen des geschmolzenen Wassers am kleinsten ist. Wenn zwei Prototypen bei diesem Test gleich abschneiden, gewinnt die Flasche, die am leichtesten ist, oder diejenige mit dem kleinsten Volumen. Reicht dieses Kriterium immer noch nicht, um eine Entscheidung herbeizuführen, schaut man auf die weiteren Anforderungen: Wiederverwertbarkeit, Vorschlag für ein "zweites Leben" der Flasche usw.

Anmerkung: Wir haben uns hier auf die technische Leistung des Gegenstands konzentriert. Firmen haben die Möglichkeit auf ein Verbraucherpanel zurückzugreifen, die ihre Meinung zu dem Prototyp geben. Ein wichtiges Ziel ist schließlich, dass man einen Gegenstand entwirft, der den späteren Verbrauchern gefällt.

Zusammenfassung

Die Schüler haben in dieser Unterrichtseinheit gezeigt, wie sie mit der Lösung von Problemen zurechtkommen. Sie können als Zusammenfassung noch einmal die Etappen des Herstellungsprozesses formulieren – in Form einer Liste, eines Schemas, einer Zeichnung. Das wird ihnen helfen, ihre Erfahrung bei anderer Gelegenheit erneut einzusetzen. Die wichtigen Schritte sind diejenigen, die in den verschiedenen Phasen der Aktivitäten genannt werden: klar und deutlich die Ziele und Anforderungen identifizieren; eine oder mehrere (Teil-)Lösungen ausprobieren; sich für eine entscheiden und diese umsetzen; überprüfen, ob die gesteckten Ziele erfüllt wurden; die Lösung für gut erklären oder sie verändern/verbessern.

Mögliche Fortsetzung: Produkte, die wir verkaufen wollen ... und die uns verkauft werden

Wem sollen wir unseren Fruchtsaft verkaufen? (ca. 45 min)

Die Schüler begeben sich nun auf die andere Seite des Zauns: Statt Verbraucher sind sie nun Hersteller und machen sich Gedanken über die Strategien, wie man zukünftige Kunden erreicht. Dieser Teil der Aktivität ist eng mit dem folgenden Aktivität verbunden, in der existierende Produkte kritisch untersucht werden.

Die Schüler stecken nun in der Haut von Fruchtsaftherstellern. Sie haben den Auftrag, sich das nächste Modegetränk auszudenken. In etwa 10 Minuten überlegt sich jede Vierergruppe, aus welchen Zutaten ihr Getränk bestehen soll, welche Eigenschaften es haben soll und wie es heißen soll. Hat sich jede Gruppe auf ihr Getränk geeinigt, ist es Zeit für die Vermarktung. Eine Liste der Fragen, die sich nun stellen, wird an die Tafel geschrieben:

• Wem soll das Getränk verkauft werden? Was ist die Zielgruppe?
• Welche Argumente sollten verwendet werden? Wie sollte man (je nach Zielgruppe) werben?
• Wie sollte die Flasche aussehen, damit sie dem Verbraucher gefällt?
• Wie wird der Verkauf des Getränks rentabel? (Beispiel: Man kann die Flasche größer aussehen lassen, so dass die Verbraucher denken, sie würde mehr von dem Getränk enthalten.)

Sind die Ideen alle aufgezählt und sortiert, arbeiten die Schüler wieder in ihren Gruppen. Jede Gruppe erstellt ein Werbeplakat. Steht genug Zeit zur Verfügung, können die Schüler noch ein Etikett für die Flasche entwerfen. Die Plakate werden aufgehängt und ein Sprecher pro Gruppe stellt in etwa 5 Minuten die ausgewählte Zielgruppe und die Verkaufsargumente für das Getränk vor.

Zutatenlisten kritisch bewerten – kritisches Denken beim Einkaufen (ca. 30 min)

Nachdem die Schüler begonnen haben, sich über die Ausarbeitung eines Produktes und die Verkaufsargumente Gedanken zu machen, kann die Lehrerin sie bitten, einen kritischen Blick auf im Handel erhältliche Fruchtsäfte zu werfen.

Vor dieser Aktivität haben die Lehrerin und die Schüler Etiketten von Fruchtsaftflaschen gesammelt oder die Zutatenlisten aus Fruchtsaft-Getränkekartons ausgeschnitten. Es sollten unbedingt verschiedene Safttypen dabei sein: Direktsaft, Fruchtnektar, Fruchtsaftgetränk usw. Einen Überblick über die verschiedenen Safttypen gibt zum Beispiel die folgende Seite der deutschen Fruchtsaft-Industrie.

Abb. 6: Inhaltsangaben zweier Fruchtsäfte

Die Lehrerin fotokopiert die Etiketten und verteilt zwei pro Schülergruppe. Die Schüler sollen die Getränke untersuchen.

• Welche Fruchtsafttypen gibt es (Direktsaft, Fruchtnektar, Fruchtsaftgetränk)? Was bedeuten die verschiedenen Bezeichnungen (Internetrecherche)?
• Die Schüler untersuchen und kommentieren die Inhaltsangaben der beiden Säfte (Wurden Zucker oder Konservierungsmittel zugesetzt, wie hoch ist der Fruchtanteil?).
• Jeder nennt den Fruchtsaft, den er kaufen würde. Welcher scheint am besten zu schmecken, welcher ist attraktiver, welcher gesünder? Warum?

Die Lehrerin organisiert eine gemeinsame Erörterung. Sie fragt die Schüler, was sie den Etiketten entnehmen konnten, ob sie erstaunt sind über den Inhalt, ob sie normalerweise auf die Etikette schauen, bevor sie sich für einen Saft entscheiden.

Evaluation

Diese Aktivitäten bringen viele Aspekte der Innovation ins Spiel: Kreativität, Teamfähigkeit, sich auf einen Konsens einigen, Zwänge berücksichtigen und bei auftretenden Schwierigkeiten Alternativen für die technischen Merkmale eines Gegenstands suchen und finden, die Fähigkeit besitzen, anderen immer wieder die eigenen Entscheidungen zu präsentieren und diese zu vertreten. Angesichts dieser Fülle und je nachdem, wie die Schüler es gewohnt sind zu arbeiten, wird die Lehrerin ihre eigenen Ziele wählen.

Eine Möglichkeit der Evaluation besteht darin, die Schüler zu bitten, einen Bericht über ihre Arbeit an dem Entwurf der Fruchtsaftverpackung zu verfassen: Welches waren die gesteckten Ziele, die Anforderungen? Wie sah der erste Entwurf aus? Wie sah im Vergleich dazu das Endprodukt aus? Sind die Anforderungen gut erfüllt worden? Was sind die Nachteile des Endprodukts? Wie könnte man es verbessern? Die Lehrerin kann hierzu den Evaluationsbogen 24 (Einen Gegenstand erfinden) verwenden.

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