Lehrer umarmen sich mit den Händen

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Inmitten der Ziegelöfen der Schmiede und Gießerei des MIT goss Mike Tarkanian flüssiges Metall in eine Form, bis diese gefüllt war, und leerte dann den Rest in eine Wanne. Um zu demonstrieren, wie schnell es sich bei der Umgebungstemperatur des Raums verfestigte, warf der Dozent am MIT Department of Materials Science and Engineering (DMSE) die Wanne um, und ein massiver Metallbrocken fiel heraus. Die Demonstration war Teil des jährlichen Materials Genome Camp, einem einwöchigen Workshop zur Ausbildung von Grundschul- und Oberstufenlehrern in Materialwissenschaften und -technik. Das Camp wird vom multiinstitutionellen Center for Hierarchical Materials Design und der American Society for Metals sowie am MIT von Greg Olson, dem Thermo-Calc-Professor der DMSE-Praxis, geleitet. In diesem Jahr wurden 12 Lehrer aus den gesamten Vereinigten Staaten und Kanada damit beauftragt, aus Zinn und Wismut ein „selbstheilendes“ Metall herzustellen, das erlittene Schäden reparieren kann. Obwohl es sich nicht um eine echte Stahllegierung handelt, nennt die Klasse ihre zusammengeschusterte Kreation liebevoll Frankensteel. Der Kurs steht im Einklang mit der Materials Genome Initiative, einer Bundesinitiative aus der Obama-Ära, die darauf abzielt, Materialien schneller und kostengünstiger als traditionell zu entwickeln und herzustellen. In diesem Sinne entwarfen die Lehrer ihr neues Metall mithilfe von CALPHAD, einer Methode zur Vorhersage der Eigenschaften von Mehrkomponentenmaterialien wie Legierungen. Frankensteel wird von Drähten aus einem Formgedächtnismaterial getragen, das von einer Form in eine andere zurückkehren kann. Wenn das Metall reißt, kann es sich durch Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur selbst „heilen“. „Die Lehrer stellen die Zusammensetzung und Temperatur so ein, dass sich während des Heilungsprozesses lokal etwa 20 Prozent Flüssigkeit im Material bilden“, sagt Julian Rackwitz, ein Doktorand in Olsons Forschungsgruppe und einer der Koordinatoren des Camps. „Die Formgedächtnisdrähte ziehen die Rissoberflächen zusammen und die Flüssigkeit heilt alles wieder zusammen – während der größte Teil des Materials noch fest ist, um seine Form zu behalten.“ Im Laufe der Woche führten die Lehrer Experimente durch, testeten Strukturbauteile in Eis und Gips, gossen ihre Versuchsproben, führten Zugversuche durch oder maßen die Kraft, die erforderlich ist, um die Materialien zu zerbrechen.

Mit dem, was sie im Camp gelernt haben, planen die Teilnehmer, neue Projekte für ihre Schüler zu Hause zu entwickeln. „Diese Erfahrung hat mir wirklich geholfen, mehr über Materialwissenschaften zu lernen – und sie hat uns viele Anwendungsmöglichkeiten eröffnet, die wir in unsere Klassenräume der Mittel- oder Oberschule zurückbringen können“, sagt Yong You, Lehrer an der Ridgeview Middle School in Gaithersburg, Maryland. Sie hat Achtklässlern Physik, Geowissenschaften und Astronomie beigebracht und wird dieses Jahr in der siebten Klasse Biowissenschaften unterrichten. Es hat Ihnen Spaß gemacht, mit verschiedenen strukturellen Verstärkungskombinationen im Putz zu experimentieren. Bambus, Büroklammern, Papier und Gummibänder waren nur einige der Materialien, die zur Verstärkung des Materials verwendet wurden. „Wir haben alle möglichen Kombinationen und Teile ausprobiert und dann versucht, herauszufinden, wie viel Kraft wir benötigen, um den von uns hergestellten Gips zu zerbrechen“, sagt You. Solche Experimente lassen sich leicht auf den Unterricht übertragen, sagt You. „Sie können Ihren Schülern Materialien beibringen. Wie verstärkt man sie? Wie macht man sie stärker?“ Eine weitere Teilnehmerin, Brenna Toblan, ist Naturwissenschafts- und Physiklehrerin an der Central Memorial High School in Calgary, Alberta. Einige ihrer Kurse sind Voraussetzungskurse, sodass die Schüler kein besonderes Interesse an Naturwissenschaften haben. „Manchmal denken sie einfach nur: ‚Es ist ein Kurs, den du mir aufzwingen lässt, und ich hasse ihn.‘“ Toblan möchte einige ihrer Erfahrungen aus den praktischen Workshops des MIT-Camps an ihre Mitlehrer weitergeben und ihnen helfen Sie verstehen, wie wichtig es ist, ansprechende Aktivitäten zu entwickeln, die durch praktische Anwendung motiviert sind. Sie ist beispielsweise daran interessiert, mit Lehrern im Pre-Engineering-Programm ihres Schulsystems zu sprechen, die möglicherweise Zugang zu der speziellen Ausrüstung haben, die für die Durchführung von Zugversuchen erforderlich ist. Das Ziel, sagt Toblan, sei es, den Schülern die Naturwissenschaften zugänglicher zu machen, „ihnen Ideen zu geben und ihnen zu zeigen: ‚Was ist der Sinn der Wissenschaft?‘“ Toblan sagt, sie habe die Woche nicht als Arbeit, sondern als Erholung gesehen. Sie versuchte, einen anderen Lehrer an ihrer Schule davon zu überzeugen, ins Lager zu gehen. „Sie sagt: ‚Oh, ich bin zu beschäftigt, ich möchte meinen Urlaub haben.‘ Nein, nein, du verstehst es nicht. Das ist ein Feiertag. Das macht Spaß." Tatsächlich fühlte sich Toblan durch diese Erfahrung bestärkt, einen weiteren Abschluss anzustreben. Sie dachte über ihren Hintergrund in der Astrophysik nach und wie dieser mit Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften verknüpft werden kann. „Muss ich noch ein Ingenieurstudium machen? Oder mache ich direkt einen Master/PhD in Astrophysik? Oder kann ich sie irgendwie kombinieren? Denn das ist wirklich faszinierend“, sagt Toblan, die seit fast 30 Jahren unterrichtet, und denkt darüber nach, was sie im Ruhestand tun möchte. „Nun, ich werde eigentlich nicht in Rente gehen. Ich werde neue Dinge lernen und neue Dinge tun.“

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