Simulation komplexer Systeme mit NetLogo

Wenn im Unterricht Begriffe wie Räuber-Beute-Zyklus, Selbstorganisation, Chaos oder Nicht-Linearität auftauchen, hinterlassen diese in den Köpfen der Schülerinnen und Schüler meist nur Verwirrung. Oft fehlen gute Anschauungsbeispiele und Möglichkeiten, "handgreiflich" mit Komplexität zu laborieren. Hier lohnt sich der Einsatz der kostenlosen Simulationssoftware NetLogo.
 

NetLogo erlaubt es den Schülerinnen und Schülern, mit komplexen Systemen selbst zu experimentieren. Die Modellierumgebung trägt dazu bei, das Verhalten dieser besonderen Systeme in Raum und Zeit anschaulicher und greifbarer zu machen. Die Software bietet eine Art "Werkstatt", in der mithilfe effizienter Werkzeuge ein "agentenbasiertes Computermodell" hergestellt werden kann. Mit NetLogo lassen sich sowohl neue Modelle erstellen als auch Experimente mit bereits bestehenden Modellen durchführen. Beim Herunterladen von NetLogo wird eine große Bibliothek von Beispielmodellen aus Biologie, Physik, Chemie, Geographie, Mathematik, Sozialwissenschaften, ja sogar Kunst, mitgeliefert. Dies zeigt, dass die Software in fast jedem Fach eingesetzt werden kann.

Einsatz im Unterricht

Nutzung vorhandener Simulationen
Die Schülerinnen und Schüler benötigen keinerlei programmiertechnisches Vorwissen, um mit NetLogo zu arbeiten. Anhand der Bibliothek bereits bestehender Modelle kann sich die Anwendung von NetLogo im Unterricht darauf beschränken, diese Modelle zu starten und ihre Dynamik zu beobachten und zu diskutieren. Allerdings sollten die Schülerinnen und Schüler bereits eine zweidimensionale x-y-Graphik verstehen können. In der Sekundarstufe II ist diese Bedingung sicherlich gegeben. In Sekundarstufe I bedarf es jedoch einer sorgfältigen Auswahl nicht zu komplizierter Modelle, damit die Komplexität die Schulklasse nicht überfordert. Wenn die Modelle zu komplex sind, wird das Spielen mit Hypothesen über das mögliche Modellverhalten zu schwierig. Ein gutes Einstiegsbeispiel bietet die Simulation des Phänomens einer Ameisenstraße. Hier führt die Intuition die Schülerinnen und Schüler auch in der Sekundarstufe I zu guten Hypothesen, wenn zum Beispiel die Flüchtigkeit des Ameisenpheromons gesteigert wird.

Programmierung eigener Simulationen
Um mit NetLogo selbst neue Modelle programmieren zu können, ist für Programmierneulinge ein Zeitrahmen von mindestens einer Woche nötig (zum Beispiel im Rahmen einer Projektwoche). Da die Programmiersprache sehr leicht lernbar ist, sind aber schon nach ein bis zwei Tagen erstaunliche Fortschritte zu beobachten. Einige Schülerinnen und Schüler erkennen bald, dass sie aus anderen Modellen Teile herausschneiden und anpassen können, ohne den Programmcode im Detail zu verstehen. Bald kann die Lehrperson einige Programmierteams recht selbstständig arbeiten lassen und sich den langsameren Gruppen widmen. Allerdings muss sich diese Person vorher gründlich in NetLogo einarbeiten. Nur so kann sie den Arbeitsgruppen geeignete Lösungsvorschläge anbieten (mithilfe der Compilermeldungen), wenn ein Modellcode nicht lauffähig ist oder sich die Agenten unerwartet verhalten.

Agentenbasierte Modelle und Simulationen

NetLogo ist eine agentenbasierte Modellierumgebung. Bei der Simulation eines Modells führen eine große Zahl teils voneinander abhängiger Individuen (in der Fachsprache "Agenten" genannt) gleichzeitig die vorher programmierten "Handlungen" Schritt für Schritt aus. Dieses Ausführen oder "Durchrechnen" von Modellen erlaubt es, die Beziehung zwischen dem individuellen Verhalten der einzelnen Agenten auf der Mikroebene und dem Gesamtsystemverhalten auf der Makroebene zu untersuchen. Dabei können vor dem Start der Simulation jeweils Hypothesen aufgestellt werden, wie sich das Modell wohl verhalten wird. Das Verhalten der Gesamtheit der Agenten entsteht aus den individuellen Verhaltensweisen der Agenten (einschließlich der Interaktionen zwischen den Agenten). Man sagt auch, das Gesamtverhalten "emergiere" oder "organisiere sich selbst" aus den individuellen Verhaltensweisen. So emergieren zum Beispiel die Räuber-Beute-Zyklen aus den individuellen Verhaltensweisen einer sehr großen Zahl von Lemmingen und Polarfüchsen. Oder das Phänomen "Ameisenstraße" emergiert aus dem Einzelverhalten unzähliger Ameisen.

Kurzinformation

TitelNetLogo
ZielgruppeSekundarstufe I und II
FächerBiologie, Physik, Chemie, Geographie, Mathematik, Sozialwissenschaften, Kunst, ...
AnbieterCenter for Connected Learning and Computer-Based Modeling (CCL), Northwestern University (Chicago, USA)
BezugKostenloser Download aus dem Internet
Technische VorraussetzungenWindows-Rechner (NT, 98, ME, 2000, oder XP), Macintosh (OS X Version 10.2.6 oder höher), Linux; RAM 128 MB (besser 256 MB), freier Festplattenspeicher 25 MB; Java Virtual Machine (JVM), wird beim Download mitgeliefert - wenn eine bereits vorher installierte JVM verwendet werden soll, dann muss deren Version mindestens 1.4.1, besser höher sein.

Internetadresse

Informationen zum Autor

Dr. Johannes Kottonau unterrichtet die Fächer Biologie und Chemie am Gymnasium in Frauenfeld (Schweiz). In seiner Dissertation hat er sich mit der Entstehung politischer Einstellungen vor den Bundestagswahlen befasst. Dabei hat er mithilfe eines agentenbasierten Modells Werbestrategien für Parteien optimiert. Das Modell simuliert das mentale Verhalten von hundert virtuellen Wählern in einem sozialen Kommunikationsnetzwerk.

  • Mehr Infos im Autorenverzeichnis
    Hier können Sie Kontakt mit Dr. Johannes Kottonau aufnehmen. Zudem finden Sie hier eine Liste mit weiteren Lehrer-Online-Beiträgen des Autors.
Unsere Empfehlungen für Sie
 
 
Impressum | Datenschutz | Über uns | RSS-Feeds | Seite bookmarken:  del.icio.us Yahoo! My Web google Bookmarks Digg Mister Wong OneView MerklisteEmpfehlenDruckenSeitenanfang
Nicht redaktionelle Inhalte nach § 6 TMG von anderen Anbietern als Lehrer-Online werden durch den Namen des Anbieters gekennzeichnet.