Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, E-Niveau

NWT9 - Energie-, Stoff- und Informationsströme

In Naturwissenschaft und Technik kannst Du sehr unterschiedliche Dinge mit derselben Denkweise untersuchen: eine Pflanze, einen Menschen, eine Maschine, einen Industrieroboter, eine Biogasanlage oder ein ganzes Ökosystem. Du betrachtest sie als Systeme, zerlegst sie in Teilsysteme und untersuchst, was an ihren Schnittstellen übertragen wird. Besonders wichtig sind dabei Energie-, Stoff- und Informationsströme.

Diese systemische Betrachtungsweise ist ein zentraler Bestandteil des NwT-Unterrichts: Systeme werden durch Systemgrenzen und Teilsysteme beschrieben; an den Schnittstellen werden Energie, Stoffe und Informationen untersucht. Das Ziel dieses aiMOOCs ist deshalb nicht nur, einzelne Bauteile zu kennen, sondern zu verstehen, wie Übertragungen zwischen Teilsystemen das Verhalten des Gesamtsystems bestimmen.

Ein Sankey-Diagramm macht Energie- oder Stoffströme sichtbar: Je breiter ein Pfeil ist, desto größer ist der dargestellte Strom. Solche Darstellungen helfen Dir, Nutzanteile, Verluste und Verzweigungen eines Systems zu erkennen.

Lernziele und Differenzierung G/M/E

Niveau	Du kannst ...	Typische Arbeitsweise
G – Grundniveau	Teilsysteme benennen, Systemgrenzen erkennen und Energie-, Stoff- sowie Informationsströme beschreiben.	Pfeile einzeichnen, Ein- und Ausgänge zuordnen, einfache Ursache-Wirkungs-Beziehungen formulieren.
M – Mittleres Niveau	Schnittstellen erklären, Ströme begründen und einfache Wechselwirkungen oder Regelkreise analysieren.	Flussdiagramme auswerten, Energie- und Stoffbilanzen qualitativ erstellen, Störungen untersuchen.
E – Erweitertes Niveau	Rückkopplungen, Wirkungsgrade und gekoppelte Ströme modellieren, Systemverhalten vorhersagen und Optimierungen bewerten.	quantitative Abschätzungen, Modellkritik, Variantenvergleich, Bewertung von Zielkonflikten.

Systeme, Teilsysteme und Schnittstellen

Ein System ist ein abgegrenzter Bereich, den Du für eine Untersuchung auswählst. Die Grenze muss nicht sichtbar sein. Sie wird so festgelegt, dass die Fragestellung sinnvoll bearbeitet werden kann. Innerhalb der Systemgrenze liegen Teilsysteme. Dort, wo Teilsysteme miteinander verbunden sind, befinden sich Schnittstellen.

Beispiel: Bei einer automatischen Gewächshausbewässerung kannst Du die Teilsysteme Wassertank, Pumpe, Schlauch, Boden, Pflanze, Feuchtesensor, Steuergerät und Stromversorgung unterscheiden. Zwischen diesen Teilsystemen fließen Wasser, elektrische Energie und Messinformationen.

Eingang	Teilsystem A	Schnittstelle	Teilsystem B	Ausgang
Energie / Stoff / Information	Quelle oder Speicher	Übergabepunkt	Wandler oder Nutzer	Energie / Stoff / Information

Eine gute Systemanalyse beantwortet immer drei Fragen: Was kommt hinein? Was wird im System umgewandelt oder verarbeitet? Was verlässt das System?

Systemgrenze und Black-Box-Modell

Wenn Du zunächst nur Ein- und Ausgänge untersuchst, behandelst Du das System wie eine Black Box. Erst später öffnest Du die Black Box gedanklich und zerlegst sie in Teilsysteme. Dieses Vorgehen ist besonders hilfreich bei komplexen Maschinen oder biologischen Organismen.

Beispiel Kühlschrank: Von außen betrachtet erhält er elektrische Energie und gibt Wärme an den Raum ab. Im Inneren arbeiten Verdichter, Wärmetauscher, Expansionsbauteil und Kältemittelkreislauf zusammen.

Die drei Stromarten

Energiefluss

Ein Energiefluss beschreibt die Übertragung von Energie zwischen Teilsystemen. Energie kann ihre Form ändern, zum Beispiel von chemischer Energie in Bewegungsenergie oder von elektrischer Energie in Wärme. Nach dem Energieerhaltungssatz wird Energie nicht vernichtet. Für eine gewünschte Nutzung wird aber häufig nur ein Teil der zugeführten Energie als Nutzenergie wirksam; ein anderer Teil verteilt sich als weniger nutzbare Wärme in die Umgebung.

Beispiele:

Elektromotor: Elektrische Energie wird überwiegend in Bewegungsenergie und teilweise in Wärme umgewandelt.
Verbrennungsmotor: Chemische Energie des Kraftstoffs wird in Wärme und anschließend teilweise in mechanische Arbeit umgewandelt.
Pflanze: Strahlungsenergie wird bei der Fotosynthese in chemisch gebundene Energie überführt.
Mensch: Chemische Energie aus Nährstoffen wird unter anderem für Bewegung, Stofftransport, Aufbauprozesse und Wärmebereitstellung genutzt.

Die Animation eines Viertaktmotors zeigt gleichzeitig mehrere Stromarten: Ein Kraftstoff-Luft-Gemisch strömt als Stoff in den Motor, chemische Energie wird umgewandelt und die Stellung von Ventilen und Zündung steuert den zeitlichen Ablauf.

Wirkungsgrad und Verluste

Der Wirkungsgrad beschreibt, welcher Anteil der zugeführten Energie als gewünschte Nutzenergie vorliegt.

Größe	Bedeutung
zugeführte Energie	Energie, die in das betrachtete System gelangt
Nutzenergie	Energie, die für den gewünschten Zweck zur Verfügung steht
Verlustenergie	Energie, die das System in unerwünschter Form verlässt, häufig als Wärme

Auf E-Niveau kannst Du den Wirkungsgrad mit dem Verhältnis aus Nutzenergie und zugeführter Energie beschreiben. Bei realen technischen Systemen ist er kleiner als 100 Prozent.

Stoffstrom

Ein Stoffstrom beschreibt die Bewegung von Materie durch ein System. Dabei kann sich die Stoffart ändern, etwa durch chemische Reaktionen. Stoffe können außerdem gespeichert, getrennt, gemischt oder in Kreisläufen geführt werden.

Typische Stoffströme sind Wasser, Luft, Nährstoffe, Kraftstoffe, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Abgase, Kühlmittel oder Biomasse.

Im Wasserkreislauf wird Wasser zwischen Atmosphäre, Gewässern, Böden und Lebewesen transportiert. Der Stoff Wasser bleibt erhalten, wechselt aber Ort und teilweise Aggregatzustand.

Stoffströme in biologischen Systemen

Bei Lebewesen sind Stoffströme eng mit Energieumwandlungen gekoppelt. Pflanzen nehmen Wasser und Kohlenstoffdioxid auf. Bei der Fotosynthese entstehen energiereiche organische Stoffe und Sauerstoff.

In einem Ökosystem werden Stoffe zwischen Produzenten, Konsumenten, Destruenten und unbelebter Umwelt weitergegeben. Stoffe können dabei Kreisläufe bilden; Energie dagegen durchströmt das System und wird schrittweise in Wärme umgewandelt.

Informationsstrom

Ein Informationsstrom beschreibt die Übertragung von Signalen, die Zustände mitteilen oder Prozesse beeinflussen. Information ist nicht dasselbe wie ihr physikalischer Träger. Ein Signal kann beispielsweise als elektrische Spannung, Lichtimpuls, Funkwelle, chemischer Botenstoff oder Folge von Nervenimpulsen übertragen werden.

In technischen Systemen ist ein typischer Informationsweg:

Messgröße	Sensor	Signal	Verarbeitung	Aktor	Wirkung
Temperatur	Temperatursensor	elektrische Messgröße	Steuergerät	Lüfter	Kühlung

Der Sensor erfasst einen Zustand. Die Verarbeitungseinheit wertet das Signal aus. Der Aktor setzt die Entscheidung in eine physikalische Wirkung um.

Bei einem Industrieroboter verlaufen mehrere Ströme gleichzeitig. Elektromotoren benötigen Energie, Werkstücke bilden Stoffströme und Steuerdaten legen Bewegungsbahnen, Geschwindigkeiten und Positionen fest.

Informationsströme im Nervensystem

Auch Lebewesen übertragen Informationen. Nervenzellen leiten elektrische Signale entlang ihrer Membran. An vielen Synapsen wird die Information chemisch durch Neurotransmitter auf die nächste Zelle übertragen.

Hier zeigt sich eine wichtige Kopplung: Die Informationsübertragung benötigt Energie, und an der Synapse werden zusätzlich Stoffe bewegt und umgesetzt.

Steuerung, Regelung und Rückkopplung

Bei einer Steuerung beeinflusst ein Eingang das System, ohne dass das Ergebnis ständig zurückgemeldet werden muss. Bei einer Regelung wird der aktuelle Zustand gemessen und mit einem Zielwert verglichen. Die Rückmeldung beeinflusst daraufhin die weitere Wirkung.

Ein Regelkreis enthält typischerweise Sollwert, Vergleich, Regler, Stellgröße, Strecke, Regelgröße und Rückführung. Eine Störgröße kann das System von seinem gewünschten Zustand abbringen.

Beispiel Raumtemperatur:

Der Sollwert beträgt die gewünschte Temperatur.
Ein Sensor misst den Istwert.
Der Regler vergleicht Soll- und Istwert.
Die Heizung wirkt als Aktor.
Die Raumtemperatur verändert sich.
Der neue Istwert wird zurückgemeldet.

Die Energie fließt von der Energiequelle zur Heizung und als Wärme in den Raum. Die Information fließt vom Sensor zum Regler und vom Regler zum Aktor. Ein Stoffstrom kann zusätzlich auftreten, etwa wenn warmes Wasser durch Heizungsrohre zirkuliert.

Positive und negative Rückkopplung

Eine negative Rückkopplung wirkt einer Abweichung entgegen und stabilisiert häufig ein System. Eine positive Rückkopplung verstärkt eine Veränderung. Positive Rückkopplungen können schnelle Änderungen auslösen; negative Rückkopplungen halten Zustände eher in einem bestimmten Bereich.

Beispiele für negative Rückkopplung sind die Regelung einer Raumtemperatur oder viele physiologische Regelkreise. Rückkopplungen sind deshalb besonders wichtig, wenn Du erklären willst, warum ein Gesamtsystem stabil bleibt oder sich stark verändert.

Beispiel 1: Biogasanlage als gekoppeltes System

Eine Biogasanlage verbindet biologische, chemische und technische Teilsysteme.

Stromart	Beispiele in der Biogasanlage	Einfluss auf das Gesamtsystem
Stoff	Biomasse, Gülle, Wasser, Biogas, Gärreste, Verbrennungsgase	Stoffzusammensetzung und Durchsatz beeinflussen Gasproduktion und Reststoffe.
Energie	chemische Energie der Biomasse, Wärme, elektrische Energie	Energieumwandlungen entscheiden über Nutzenergie und Verluste.
Information	Temperaturmessung, Füllstand, Gasdruck, Steuerbefehle	Messdaten ermöglichen einen sicheren und möglichst gleichmäßigen Betrieb.

Das System funktioniert nur dann zuverlässig, wenn die Ströme zusammenpassen. Zu wenig Substrat verändert den Stoffstrom; falsche Temperaturbedingungen beeinflussen biologische Prozesse; fehlerhafte Sensorinformationen können die Regelung stören.

Interaktives Systemmodell: Biogasanlage

Untersuche in der Animation mindestens drei Teilsysteme. Notiere für jede Schnittstelle, welche Energie, welcher Stoff oder welche Information sie passiert.

Beispiel 2: Fotosynthese und Ökosystem

In einer Pflanze treffen mehrere Ströme zusammen. Licht liefert Energie. Wasser und Kohlenstoffdioxid sind Stoffe. Transport- und Regulationsprozesse verteilen Stoffe innerhalb des Organismus. Das erzeugte organische Material kann anschließend in einem Ökosystem an andere Lebewesen weitergegeben werden.

Das Bild zeigt eine wichtige Unterscheidung: Stoffe können in Kreisläufen geführt werden, Energie durchströmt das Ökosystem in eine Richtung. Diese Unterscheidung ist für Systemmodelle entscheidend.

Interaktives Systemmodell: Fotosynthese

Verfolge im Modell getrennt den Weg der Energie und den Weg der Stoffe. Formuliere anschließend, an welcher Stelle Energie gespeichert wird und welche Stoffe das Teilsystem Blatt verlassen.

Beispiel 3: GPS als Informationssystem

Beim GPS senden Satelliten elektromagnetische Signale. Ein Empfänger wertet Laufzeiten und Daten der Signale aus und bestimmt daraus seine Position. Der hauptsächliche Strom zwischen Satellit und Empfänger ist ein Informationsstrom; seine physikalische Übertragung benötigt jedoch Energie.

Die Abbildung veranschaulicht das Prinzip der Trilateration. Für die Systemanalyse kannst Du Satelliten, Übertragungsweg, Empfänger, Recheneinheit und Anzeige als Teilsysteme betrachten.

Beispiel 4: Mensch als biologisches System

Der menschliche Körper ist ein komplexes System aus vielen Teilsystemen. Verdauung, Atmung, Blutkreislauf, Nervensystem und Muskulatur sind funktional miteinander gekoppelt.

Teilsystem	Stoffstrom	Energiebezug	Informationsstrom
Verdauung	Nährstoffe und Wasser	chemische Energie der Nährstoffe	hormonelle und nervale Signale
Atmung	Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid	Energiebedarf der Atemmuskulatur	Regelung der Atemtätigkeit
Blutkreislauf	Blut, Gase, Nährstoffe, Abfallstoffe	mechanische Arbeit des Herzens	Signale zur Anpassung von Herzfrequenz und Gefäßweite
Muskulatur	Sauerstoff, Nährstoffe, Stoffwechselprodukte	chemische Energie wird in Bewegung und Wärme umgewandelt	motorische Nervensignale

Eine Änderung in einem Teilsystem wirkt auf andere Teilsysteme zurück. Bei körperlicher Belastung steigt beispielsweise der Energiebedarf der Muskulatur. Dadurch verändern sich Stoffströme von Sauerstoff und Nährstoffen, und Informationsströme passen Atmung sowie Kreislauf an.

Wie beeinflussen Ströme das Gesamtsystem?

Ein Strom ist nicht nur eine Verbindung zwischen zwei Teilsystemen. Seine Stärke, Richtung, Zusammensetzung und zeitliche Veränderung können das gesamte System beeinflussen.

Veränderung	Mögliche Folge
Energiezufuhr sinkt	Leistung eines technischen oder biologischen Systems kann abnehmen.
Stoffstrom wird unterbrochen	Reaktionen, Versorgung oder Produktion können zum Stillstand kommen.
Sensorsignal ist fehlerhaft	Der Regler kann eine falsche Stellentscheidung treffen.
Rückkopplung wird zu stark	Das System kann überschwingen oder instabil werden.
Verluststrom nimmt zu	Nutzwirkung und Effizienz sinken.

Auf E-Niveau untersuchst Du deshalb nicht nur einzelne Pfeile, sondern auch Rückwirkungen, Verzögerungen, Speicher und Grenzen eines Modells.

Methode: Ein System in sechs Schritten analysieren

System festlegen: Formuliere die Frage und ziehe eine sinnvolle Systemgrenze.
Teilsysteme bestimmen: Zerlege das System in funktionale Einheiten.
Schnittstellen markieren: Kennzeichne, wo Teilsysteme miteinander verbunden sind.
Ströme klassifizieren: Unterscheide Energie, Stoff und Information.
Wirkungen erklären: Beschreibe, wie Veränderungen eines Stroms andere Teilsysteme beeinflussen.
Modell prüfen: Beurteile, welche Aspekte Dein Modell gut erklärt und welche es vereinfacht.

Vorlage für ein Systemmodell

Von	Nach	Energie	Stoff	Information	Wirkung auf das Gesamtsystem
Teilsystem A	Teilsystem B	Form und Richtung eintragen	Stoffart eintragen	Signal oder Daten eintragen	Folge beschreiben
Teilsystem B	Teilsystem C	Form und Richtung eintragen	Stoffart eintragen	Signal oder Daten eintragen	Folge beschreiben

Vertiefung nach Niveau

G – Grundniveau

Du konzentrierst Dich auf sichtbare oder leicht erkennbare Teilsysteme und ordnest Pfeile den drei Stromarten zu. Wichtig ist eine klare Beschreibung: Was kommt hinein? Was kommt heraus?

Beispielauftrag: Zeichne für einen Wasserkocher die Systemgrenze und markiere elektrische Energie, Wasser sowie das Temperatursignal eines Abschaltmechanismus.

Mittleres Niveau

Du erklärst zusätzlich, warum ein Strom notwendig ist und wie eine Änderung einen anderen Teil des Systems beeinflusst.

Beispielauftrag: Erkläre bei einer automatischen Bewässerung, warum ein zu trocken eingestellter Sollwert sowohl den Informationsstrom als auch den Stoffstrom Wasser beeinflusst.

E – Erweitertes Niveau

Du modellierst Rückkopplungen, vergleichst Varianten und verwendest, wenn möglich, quantitative Daten.

Beispielauftrag: Entwickle für ein Gewächshaus zwei Regelstrategien zur Bewässerung. Vergleiche Wasserverbrauch, Energiebedarf der Pumpe, Informationsbedarf und Stabilität des Systems.

Interaktive Systemmodelle und Simulationen

Energieformen und Energieübertragung mit PhET

iFrame blockiert

Diese externe Quelle ist für aiMOOC-iFrames nicht freigegeben.

Wähle im Simulationsbereich verschiedene Energiequellen, Wandler und Nutzer. Beobachte, an welchen Schnittstellen Energie übertragen und in andere Formen umgewandelt wird. Unterscheide dabei Energieübertragung von Energieumwandlung.

Mini-Systemlabor: Automatische Bewässerung

Feuchtesensor	Steuergerät	Pumpe	Boden	Pflanze
misst Bodenfeuchte	vergleicht Messwert mit Sollwert	erhält elektrische Energie und fördert Wasser	speichert und verteilt Wasser	nimmt Wasser auf
Information →	Information →	Stoff und Energie →	Stoff →	Stoff

G-Auftrag: Markiere die Informations- und Stoffströme.

M-Auftrag: Erkläre, was passiert, wenn der Sensor dauerhaft einen zu niedrigen Feuchtewert meldet.

E-Auftrag: Ergänze eine zweite Messgröße, etwa Lichtintensität oder Temperatur, und begründe, wie sie die Regelentscheidung verbessern kann.

Mediengestützte Zusammenfassung

Das gemeinsame Muster vieler Systeme lautet: Quelle → Übertragung → Verarbeitung oder Umwandlung → Nutzung → Rückwirkung. Je nach System werden dabei Energie, Stoffe und Informationen gemeinsam oder getrennt übertragen.

Besonders wichtig ist die Kopplung:

Energie ermöglicht Stofftransport und Informationsverarbeitung.
Stoffe können Energie speichern oder übertragen.
Informationen können Energie- und Stoffströme steuern oder regeln.
Rückkopplungen verändern den weiteren Ablauf eines Systems.
Das Verhalten des Gesamtsystems entsteht aus dem Zusammenspiel seiner Teilsysteme.

Quellen und fachliche Orientierung

Dieser aiMOOC orientiert sich am baden-württembergischen NwT-Systemdenken und an gesicherten naturwissenschaftlichen Grundprinzipien.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist eine Schnittstelle in einem System? (Ein Übergang zwischen Teilsystemen) (!Eine zufällige Störung ohne Verbindung) (!Nur die äußere Gehäusekante) (!Eine Energieform)

Welcher Vorgang ist ein Energiefluss? (Elektrische Energie wird vom Netz zum Motor übertragen) (!Wasser wird durch ein Rohr gepumpt) (!Ein Sensor sendet einen Messwert) (!Ein Werkstück wird auf einem Förderband transportiert)

Welcher Vorgang ist ein Stoffstrom? (Wasser fließt vom Tank zur Pumpe) (!Ein Steuergerät sendet ein Schaltsignal) (!Licht wird in einer Solarzelle aufgenommen) (!Ein Sollwert wird gespeichert)

Welcher Vorgang ist ein Informationsstrom? (Ein Temperatursensor übermittelt einen Messwert) (!Biomasse gelangt in einen Fermenter) (!Wärme strömt durch eine Wand) (!Kraftstoff gelangt in einen Motor)

Was kennzeichnet eine Regelung? (Der aktuelle Zustand wird zurückgemeldet und mit einem Zielwert verglichen) (!Der Ausgang hat keinen Einfluss auf weitere Entscheidungen) (!Es gibt grundsätzlich keinen Sensor) (!Nur Stoffe können geregelt werden)

Warum kann ein Fehler im Sensor das Gesamtsystem verändern? (Weil falsche Informationen zu falschen Stellentscheidungen führen können) (!Weil Sensoren immer den Stoffstrom vollständig stoppen) (!Weil Informationen keine physikalischen Träger besitzen) (!Weil ein Sensor sämtliche Energie erzeugt)

Was gilt für Energie in einem realen technischen System? (Sie wird umgewandelt und teilweise als weniger nutzbare Wärme verteilt) (!Sie verschwindet vollständig) (!Sie bildet immer einen geschlossenen Kreislauf) (!Sie kann ohne Übertragung Arbeit verrichten)

Was unterscheidet Stoffkreislauf und Energiefluss im Ökosystem? (Stoffe können zirkulieren während Energie das System durchströmt) (!Energie zirkuliert vollständig während Stoffe verschwinden) (!Beide sind immer geschlossene Kreisläufe) (!Keiner von beiden beeinflusst Lebewesen)

Welche Kombination beschreibt einen Industrieroboter besonders treffend? (Energie für Antriebe Stoffe als Werkstücke und Information als Steuerdaten) (!Nur Stoffströme ohne Energie und Information) (!Nur Informationsströme ohne physikalische Wirkung) (!Nur Energie ohne Sensoren oder Aktoren)

Wozu dient eine Systemgrenze? (Sie legt fest was zur Untersuchung zum System gehört) (!Sie verhindert grundsätzlich jeden Austausch) (!Sie zeigt nur den Informationsstrom) (!Sie ersetzt alle Teilsysteme)

Memory

Energiefluss	Übertragung von Energie
Stoffstrom	Bewegung von Materie
Informationsstrom	Übertragung von Signalen
Sensor	Erfasst einen Zustand
Aktor	Setzt ein Steuersignal in Wirkung um
Systemgrenze	Legt den betrachteten Bereich fest
Schnittstelle	Verbindet Teilsysteme
Rückkopplung	Ausgang wirkt auf den weiteren Ablauf zurück

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Wärmeabgabe	Energiefluss
Kühlwasser	Stoffstrom
Sensorsignal	Informationsstrom
Übergabepunkt	Schnittstelle
Rückmeldung	Rückkopplung

...

Kreuzworträtsel

Systemgrenze	Wie heißt die gedachte Begrenzung des betrachteten Systems?
Schnittstelle	Wie heißt der Übergang zwischen zwei Teilsystemen?
Sensor	Welches Bauteil erfasst eine physikalische Größe?
Aktor	Welches Bauteil setzt ein Steuersignal in eine Wirkung um?
Regelkreis	Wie heißt ein System mit Rückführung des Istwerts?
Stoffstrom	Wie nennt man die Bewegung von Materie durch ein System?

LearningApps

Lückentext

Ein abgegrenzter Untersuchungsbereich heißt

. Eine funktionale Untereinheit nennt man

. Der Übergang zwischen zwei Teilsystemen ist eine

. Die Übertragung von Wärme oder elektrischer Energie ist ein

. Die Bewegung von Wasser durch eine Leitung ist ein

. Ein Messsignal vom Sensor zum Steuergerät bildet einen

. Bei einer Regelung wird der aktuelle Zustand als

zurückgeführt. Ein Bauteil zur Erfassung einer Messgröße heißt

. Das ausführende Bauteil eines technischen Systems heißt

. Eine Rückwirkung des Ausgangs auf den weiteren Ablauf nennt man

.

Offene Aufgaben

Leicht

Systemgrenze zeichnen: Wähle einen Wasserkocher, Fahrrad-Dynamo oder eine Zimmerpflanze und zeichne eine sinnvolle Systemgrenze. Markiere mindestens drei Ein- oder Ausgänge.
Drei Stromarten im Alltag: Fotografiere oder skizziere ein technisches Gerät und kennzeichne je einen möglichen Energie-, Stoff- und Informationsstrom.
Flussdiagramm erstellen: Erstelle für eine automatische Lampe mit Bewegungsmelder ein einfaches Flussdiagramm aus Sensor, Verarbeitung, Aktor und Wirkung.
Biologisches System untersuchen: Beschreibe an einer Pflanze zwei Stoffströme und einen Energiefluss.

Standard

Bewässerungsanlage analysieren: Zerlege eine automatische Bewässerungsanlage in mindestens fünf Teilsysteme und erkläre ihre Schnittstellen.
Sankey-Diagramm auswerten: Suche ein Sankey-Diagramm zu einem technischen System und erläutere, wo Nutzenergie und Verlustenergie auftreten.
Biogasanlage modellieren: Erstelle ein Systemmodell mit Stoff-, Energie- und Informationsströmen zwischen Vorgrube, Fermenter, Gasspeicher und Blockheizkraftwerk.
Regelkreis im Alltag: Untersuche einen geregelten Vorgang, etwa Heizung, Kühlschrank oder Fahrrad-E-Bike-Unterstützung, und erkläre Sollwert, Istwert, Sensor und Aktor.

Schwer

Systemvergleich Natur und Technik: Vergleiche einen physiologischen Regelkreis mit einem technischen Regelkreis. Zeige Gemeinsamkeiten und Grenzen der Analogie.
Störungsexperiment als Modell: Entwickle für ein gewähltes System drei Störfälle. Sage voraus, wie sich Energie-, Stoff- und Informationsströme verändern.
Effizienz verbessern: Untersuche eine Maschine und entwickle zwei Maßnahmen, mit denen Verluste reduziert werden könnten. Begründe mögliche Nebenwirkungen.
Eigenes Systemmodell entwickeln: Baue ein kleines physisches oder digitales Modell mit Sensor, Verarbeitung und Aktor. Dokumentiere zusätzlich die Energieversorgung und mögliche Stoffströme.

Lernkontrolle

Systemanalyse Transfer: Eine automatische Gewächshauslüftung öffnet Fenster, wenn es zu warm wird. Erkläre den vollständigen Informationsweg vom Temperaturanstieg bis zur Fensterbewegung und ergänze den dazugehörigen Energiefluss.
Fehleranalyse: Ein Feuchtesensor zeigt dauerhaft zu trockenen Boden an. Erkläre, wie dieser Informationsfehler den Wasserverbrauch und den Energiebedarf der Pumpe beeinflussen kann.
Natur-Technik-Vergleich: Vergleiche den Stoff- und Energiefluss in einer Pflanze mit dem in einer Biogasanlage. Arbeite mindestens zwei Gemeinsamkeiten und zwei Unterschiede heraus.
Modellkritik: Ein Modell eines Motors zeigt nur Energiepfeile. Begründe, welche wichtigen Stoff- und Informationsströme fehlen und wie ihre Ergänzung das Verständnis verbessert.
Rückkopplung bewerten: Erkläre, warum eine negative Rückkopplung ein System stabilisieren kann. Entwickle ein Beispiel, bei dem eine zu langsame Rückmeldung trotzdem zu starken Schwankungen führt.
Optimierungsentscheidung: Du darfst bei einem automatischen Bewässerungssystem entweder einen besseren Sensor, eine sparsamere Pumpe oder einen größeren Wasserspeicher einbauen. Wähle eine Maßnahme und bewerte ihre Wirkung auf alle drei Stromarten.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Systeme nicht nur benennen, sondern strukturiert untersuchen kannst.

Systemgrenze: eine sinnvolle Grenze festlegen und begründen
Teilsystem: funktionale Einheiten erkennen und benennen
Schnittstelle: Übergänge zwischen Teilsystemen identifizieren
Energiefluss: Energieübertragung und Energieumwandlung unterscheiden
Stoffstrom: Stoffarten, Richtungen und mögliche Kreisläufe beschreiben
Informationsstrom: Signalweg von Sensor über Verarbeitung bis Aktor erklären
Regelkreis: Sollwert, Istwert, Rückmeldung und Störgröße anwenden
Rückkopplung: stabilisierende und verstärkende Wirkungen erklären
Gesamtsystem: Auswirkungen einer Änderung in einem Teilsystem auf andere Teilsysteme begründen
Modellkompetenz: Grenzen und Vereinfachungen eines Systemmodells reflektieren

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