In dieser Unterrichtseinheit zum Braunkohletagebau setzen sich die Lernenden mit dessen vielfältigen Auswirkungen auf ökologische, ökonomische wie auch soziale Aspekte auseinander. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar.Am Beispiel des Braunkohletagebaus Hambach westlich von Köln werden die Entstehung und Lage von Braunkohle sowie die Abbautechniken genau erklärt. Ergänzend vergleichen und bewerten die Schülerinnen und Schüler die Entwicklung verschiedener durch den Braunkohleabbau geprägte Gebiete. Dabei sollen sie die Bedeutung des Braunkohleabbaus für die deutsche Energieversorgung verstehen und die Entwicklung nach der Rekultivierung einschätzen lernen. Die Materialien und computergestützten Anwendungen stammen aus dem Projekt "Fernerkundung in Schulen" (FIS). Das Projekt des Geographischen Institutes der Universität Bonn beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II.Der Eingriff des Menschen in den Naturhaushalt lässt sich besonders gut am Beispiel des Braunkohletagebaus ableiten. Der Ausbau der Tagebaugruben führt entsprechend der Größe des Eingriffes in den Landschaftshaushalt zu einer Vielzahl von ökologischen, sozialen und ökonomischen Auswirkungen. Die Untersuchung der Zusammenhänge und ihrer Folgen für Mensch und Natur geschieht dabei immer häufiger mithilfe von Fernerkundung. Auf diese Weise lassen sich zeitliche Veränderungen analysieren, Problemstellungen identifizieren und mögliche Wechselwirkungen zwischen Mensch, Umwelt, Politik und Wirtschaft ableiten. In dieser Unterrichtseinheit zum Braunkohletagebau wird ein breites Spektrum an Fernerkundungsdaten eingesetzt, das den Schülerinnen und Schülern die Vielzahl der Einsatzmöglichkeiten dieser Daten näher bringt. Es gibt immer mehr Open Source-Produkte im GIS-Bereich, die auch für den Einsatz an Schulen geeignet sind. Die beiden hier vorgestellten Software-Pakete LandSerf und Jump4Schools sind einfach zu installieren (nur JAVA erforderlich) und zeichnen sich durch eine einfache Menüführung aus. Unterrichtsverlauf 1. und 2. Stunde Der Einstieg in die Thematik Braunkohletagebau erfolgt über ein Satellitenbild; anschließend erarbeiten die Lernenden den Entstehungsprozess der Braunkohle. 3. Stunde: Digitales Geländemodell Hier finden Sie Informationen zur Installation und Nutzung der Open Source Software "LandSerf", mit der sich das Höhenprofil des Tagebaus darstellen lässt. 4. Stunde: Landschaftswandel durch den Tagebau Im nächsten Schritt analysieren die Lernenden die Landschaftsveränderung durch Braunkohletagebau mithilfe eines Geoinformationssystems (GIS). 5. Stunde: Soziale Folgen des Braunkohletagebaus Die letzte Stunde dieser Unterrichtsreihe untersucht die sozialen Folgen, die mit einer Umsiedelung der Bevölkerung aus den Abbaugebieten des Braunkohletagebaus verbunden sind. Die Schülerinnen und Schüler können mithilfe von Satellitenbildern Landschaftsveränderungen durch den Braunkohletagebau erkennen. können Entstehung, Lage und Abbau von Braunkohle erklären. diskutieren die wirtschaftliche Bedeutung der Braunkohle sowie die ökologischen und sozialen Folgen ihres Abbaus. Zum Einstieg in das Thema bietet sich diese Satellitenaufnahme von Deutschland an (Abbildung 1, Platzhalter bitte anklicken). Zunächst geht es darum, das Rheinische Braunkohlerevier im Satellitenbild zu identifizieren. Dazu wird das Bild mittels Beamer an eine Leinwand projiziert. Die Schülerinnen und Schüler sollen mögliche wirtschaftliche, ökologische und soziale Folgen des Abbaus diskutieren. Mit einem kostenlosen Bildbearbeitungsprogramm (zum Beispiel IrfanView ) kann man stufenlos in das Bild hineinzoomen und die Landschaftsstrukturen westlich von Köln genauer untersuchen. Die Folien 1 bis 4 und das Arbeitsblatt 1 dienen dazu, die wirtschaftliche Bedeutung der Braunkohle genauer zu erarbeiten. Die zweite Stunde dieser Unterrichtsreihe kommt ohne Fernerkundung aus. Aus diesem Grund ist das hier vorgestellte Material nur als Vorschlag zu sehen. Es kann genauso gut mit anderem Material und anderen Ideen gearbeitet werden. Im Idealfall sollte die gesamte Stunde im Computerraum durchgeführt werden. Die Schülerinnen und Schüler können dann die besprochenen Aufgaben selber am Rechner mithilfe von Arbeitsblatt 4 (braunkohle_ab_4_abbau.pdf) erarbeiten. Zur genaueren Analyse der Tagebauflächen eignet sich die Aufnahme des ASTER-Sensors besser als die MODIS-Aufnahme aus Abbildung 1, da diese eine höhere räumliche Auflösung bietet (siehe Abbildung 2). Auch dieses Satellitenbild kann mit einem herkömmlichen Bildbearbeitungsprogramm mittels Beamer an die Wand projiziert werden. Um jedoch die Geländeform zu verdeutlichen, bedienen wir uns im nächsten Schritt eines digitalen Geländemodells. Nun kommt die Software zum Einsatz. Es gibt immer mehr Open Source-Produkte im GIS-Bereich, die sich auch für den Einsatz an Schulen eignen. LandSerf wurde an der City University von London entwickelt. Das Programm gibt es nur mit englischer Menüführung, deshalb - und auch aufgrund der relativen Komplexität - ist es eher für Oberstufenschüler geeignet. LandSerf steht unter www.landserf.org zum Download bereit und ist speziell für die Bearbeitung und Visualisierung von Digitalen Geländemodellen entwickelt worden (siehe auch unter Zusatzinformationen). Die Software basiert auf JAVA , daher muss dies auf den Computern installiert sein. Hinweise zur Arbeit mit LandSerf Der Einsatz von LandSerf im Unterricht sollte durch die Lehrkraft angeleitet werden, das heißt entweder zunächst am Beamer präsentiert oder durch Handreichungen mit Screenshots und Erläuterungen der wichtigsten Funktionen unterfüttert werden. Über den dritten Button von links öffnet man eine Datei. In dem dann erscheinenden Menü wird als Dateityp ArcGIS text raster (.grd, .asc) ausgewählt. Navigieren Sie zu der Datei srtm_rheinland.asc und öffnen Sie sie. Es erscheint bereits farbig eingefärbt das Digitale Geländemodell eines Ausschnitts aus der Region um Köln (siehe Abbildung 3). Gut zu erkennen sind die Gruben der Braunkohletagebaue in der Mitte des Bildes. Mit dem Werkzeug "Profile" (zu finden unter "Info") kann man einen Profilquerschnitt erstellen. Indem man mit dem Mauszeiger eine Linie über die Abraumhalde des Tagebaus Hambach und die Grube zieht, erhält man in dem kleinen Grafikfenster das dazu gehörige Höhenprofil (siehe Abbildung 4). Auf diese Weise lassen sich die tatsächlichen Höhenverhältnisse sehr schön visualisieren und die Lernenden erhalten einen Eindruck von der tatsächlichen Tiefe der Grube. Ein weiteres effektvolles Tool ist der 3D-Viewer (rotes Sternchen in der Button-Leiste oder unter dem Menüpunkt "Display"). Hier wird ein 3D-Eindruck des Geländes erzeugt, durch das die Schülerinnen und Schüler navigieren können. Vergleich der Ergebnisse mit dem Modell Die Schülerinnen und Schüler sollen nun aus den durch die Arbeit mit den ASTER- und SRTM-Daten gewonnenen Erkenntnissen ein Modell des rheinischen Braunkohletagebaus ableiten. Dies geschieht entweder gemeinsam auf einer Folie am Overheadprojektor oder in Einzelarbeit (Arbeitsblatt 4, Aufgabe 1). Die Ergebnisse der Schüler können im Anschluss mit einem offiziellen Modell des rheinischen Braunkohletagebaus verglichen werden (zur Bearbeitung in Einzelarbeit siehe Aufgabe 2 auf dem Arbeitsblatt). Dieses Modell befindet sich auf Folie 6. Wo liegen Gemeinsamkeiten und Unterschiede? Starten Sie das Programm durch Doppelklicken der Datei JUMP4Schools.exe. Die sogenannte JUMP Werkbank öffnet sich. Das Programm unterscheidet beim Datenimport zwischen zwei Datentypen: Karten und Folien. Unter Karten versteht man Rasterbilder, also zum Beispiel eingescannte topographische Karten oder Satellitenbilder. Diese Daten lassen sich in dem Programm nicht weiter verändern und dienen als Hintergrundbild, mit dessen Hilfe man Folien erstellen kann, den zweiten Datentyp. Zum Öffnen oder Neuerstellen von Daten öffnet man das Menü "Karten und Folien". Zum Öffnen eines Satellitenbildes klickt man auf "Karte laden". Zuerst wird das Bild aus dem Jahr 1989 geöffnet (hambach_1989.tif). Im Projektfenster erscheint das Satellitenbild des Tagebaus Hambach in einer Echtfarbendarstellung (Abbildung 5). Im linken Bereich des Projektfensters werden alle Karten und Folien angezeigt, die in das Projekt geladen wurden. Über das Häkchen sind sie an- und abschaltbar. Die Karte dient nun als Hintergrunddarstellung für die folgende Folie. Die Schülerinnen und Schüler können nun eine neue Folie erstellen, in dem sie im Menüpunkt "Karten und Folien" die Option "Neue Folie hinzufügen" auswählen. Eine Folie ist im Gegensatz zu einer (Raster-)Karte eine Vektordatei. Prinzipiell kann es sich dabei um einen Punkt, eine Linie oder ein Polygon handeln. Die einzelnen Eckpunkte der Linien und Polygone können beliebig verschoben werden. Eine kleine Werkzeug-Box öffnet sich. Durch Anklicken der Option "Erzeuge Polygon" (links oben) wird dieses Werkzeug aktiv und der Mauszeiger zu einem Fadenkreuz. Nun können die Lernenden die Umrisse des Tagebaus mit dem Mauszeiger nachzeichnen. Mit einem Doppelklick wird das Polygon geschlossen. Abbildung 6 zeigt das in etwa zu erwartende Ergebnis. Hat man eine neue Folie erstellt, erscheint sie mit dem Namen "Neu" im linken Teil des Projektfensters. Durch einen Doppelklick auf den Namen kann man diesen verändern. Ebenso kann man die Farbdarstellung des Polygons ändern, indem man auf das Palettensymbol ("Darstellung ändern") klickt und eine Farbe auswählt. Will man noch die Fläche des Polygons berechnen lassen, wählt man über den Menüpunkt "Funktionen" die Option "Fläche berechnen". In Kleingruppen analysieren die Schülerinnen und Schüler die Entwicklung in drei verschiedenen Gemeinden. Unter Zuhilfenahme einer Atlaskarte diskutieren die Lernenden die möglichen Folgen des Braunkohletagebaus für die Siedlungsgebiete. Die Arbeitsblätter 5a, 5b und 5c zeigen Zeitreihen in den Gemeinden Bedburg, Jüchen und Niederzier im rheinischen Braunkohlerevier (siehe Abbildung 7). Die Schülerinnen und Schüler können so die Veränderung der Siedlungsstruktur während der letzten Jahrzehnte nachvollziehen und sich mit den sozialen Folgen des Braunkohletagebaus auseinander setzen. Bevor die Schülerinnen und Schüler in die Diskussion starten bleibt zu klären, was mit den ehemaligen Abbauflächen passiert. Folie 7 zeigt eine Karte mit Betriebsflächen, Rekultivierungsflächen und Umsiedelungen.

Diese Unterrichtsreihe stellt Berufsschulen Materialien zur Verfügung, die eine Einführung in die Mikrocontroller-Programmierung am Beispiel des Arduino ermöglichen. Dabei kann gänzlich auf Hardware verzichtet werden, denn die Simulation bietet eine vollständige und leicht bedienbare Virtualisierung. Der Beitrag entstand im Rahmen des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Projekts "Berufsschule digital". Der Arduino ist ein Mikrocontroller und Open Source-Projekt von Massimo Banzai und David Cuartielles aus dem Jahr 2005. Hard- und Software sind im Internet unter einer Creative-Commons-Lizenz frei verfügbar. Ein Mikrocontroller besteht aus einem Prozessor und verschiedenen Peripherie-Elementen. In vielen Haushaltsgeräten oder Maschinen werden Mikrocontroller für zahlreiche Aufgaben eingesetzt. So findet man diese in Waschmaschinen, Fernsehgeräten, Fernbedienungen, Druckern, aber auch in Fahrzeugen, zum Beispiel für die Steuerung von Fensterhebern, Airbags oder Klimaanlagen. Dieses Unterrichtsmaterial für die Berufsschulfächer Elektrotechnik und Metalltechnik umfasst eine Einführung für die Lehrkraft sowie die Schülerinnen und Schüler in Form einer PowerPoint-Präsentation. Vorbereitet sind sieben Unterrichtseinheiten , für die lediglich pro Schülerin oder Schüler ein Computer mit Internetverbindung benötigt wird. Die Programmier-Aufgaben lassen sich komplett am Bildschirm bearbeiten. Die Unterrichtseinheiten orientieren sich an einem Pkw, der mit Sensoren und Programmen in seinen Funktionen erweitert wird , zum Beispiel durch ein automatisches Abblendlicht, einen Parksensor und eine automatische Abstandsregelung. Vorkenntnisse Die Lernenden benötigen keine Vorkenntnisse in Programmierung. Sie sollten aber über grundlegende Computerkenntnisse verfügen. Didaktische Analyse Das Thema Programmieren ist generell von Relevanz für alle Schülerinnen und Schüler, denn die Digitalisierung bringt immer mehr Automatisierung und Künstliche Intelligenz (KI) in den Alltag der Menschen. Die Schülerinnen und Schüler von heute sollten im Hinblick auf ihre Zukunft grundlegende Zusammenhänge der Programmierung kennen, um die Möglichkeiten aber auch Beschränkungen von Software zu erfassen. Heutiges Programmieren findet kaum noch auf einem leeren Blatt Papier statt. Programmcode wird heute aus dem Internet geladen, analysiert, wiederverwendet und abgeändert. Wichtig ist es, wiederverwendeten Programmcode vollständig verstanden zu haben, um ihn für eigene Projekte zu benutzen. Die Lehrkraft sollte die Schülerinnen und Schüler zu dieser Vorgehensweise anhalten. Mithilfe einer detaillierten Kommentierung des Programmcodes kann sichergestellt werden, dass bei den Lernenden das notwendige Verständnis vorhanden ist. Methodische Analyse Die Lerneinheiten sowie die Lösungen sind auf tinkercad.com vorbereitet und werden auch dort von den Lernenden bearbeitet. Die Lehrkraft kann die Schülerinnen und Schüler bei TinkerCAD als Klasse einladen oder Einzel-Accounts durch die Schülerinnen und Schüler erstellen lassen, die dann auch zuhause genutzt werden können. Weiterhin ist es möglich, die Aufgaben mit realen Bauteilen und Mikrocontrollern zu bearbeiten, weil sowohl Programmier-Code als auch Hardware identisch in der Simulation abgebildet werden. Entsprechende Hardware-Sets sind kostengünstig frei erhältlich. Für Schülerinnen und Schüler mit Vorkenntnissen enthält jede Unterrichtseinheit eine Aufgabe für "Profis". Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen grundlegende Programmier-Techniken kennen. lernen einen Mikrocontroller (Arduino) kennen. nutzen eine Virtualisierung für Programmierzwecke (tinkercad.com). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge für die Lösung alltäglicher Aufgaben mithilfe von Elektronik. erkennen Algorithmen und ändern diese für die Lösung der Aufgaben ab. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen selbstorganisiert mit vorbereitetem Material. unterstützen sich gegebenenfalls in Partnerarbeit bei der Lösung der Aufgaben.

In diesem fächerübergreifenden Unterrichtsprojekt entwickelten die Schülerinnen und Schüler anhand eines Kundenauftrags ein webbasiertes Warenwirtschaftssystem für den Schulungseinsatz in der Großhandelsausbildung.Eine Vollzeitklasse des Bildungsgangs "Kaufmännischer Assistent für Informationsverarbeitung" bildete das Projektteam. Das Unterrichten dieser Klasse erfolgt üblicherweise in allen Unterrichtsfächern unter Einsatz des Laptops, der jedem Schüler und jeder Schülerin zur Verfügung steht. Dies ermöglicht es in besonderer Weise, Ansätze des E-Learnings im Unterricht aufzugreifen. Für das Projekt wurde daher ein E-Learning-System eingesetzt, das es ermöglicht, eine zeit- und standortunabhängige Bearbeitung der Aufgaben sowie Ablage aller Projektdokumente zu gewährleisten. Die technische Plattform des Projektes stellen die Open-Source-Software Apache, MySQL und PHP dar.Das Unterrichtsprojekt zielt darauf, eine komplexe berufliche Situation abzubilden und die erworbenen Fähigkeiten, Fertigkeiten und Kenntnisse anzuwenden und zu erweitern. Hierbei wird das gesamte Themenspektrum der Ausbildung von der Geschäftsprozessanalyse über Konzepte und Kennziffern der Lagerhaltung bis hin zum Datenbankentwurf und die Programmierung internetbasierter Anwendungen aufgegriffen. Das Themengebiet Projektmanagement wird hier in einem praktischen Kontext erfahrbar gemacht. Überblick Grobplanung Übersicht über die Fächer und zu behandelnden Inhalte im Rahmen der Zeitplanung Entwicklungsphasen Entwicklung nach dem klassischen Phasenmodell der Softwareentwicklung Die Phasen im Einzelnen 1. Phase: Problemanalyse In dieser Phase ging es vornehmlich darum, ein Lasten- und ein Pflichtenheft in Absprache mit dem Auftraggeber zu erarbeiten. Das Pflichtenheft diente dann für das weitere Projekt als Vertragsgrundlage, an der sich alle weiteren Planungen ausrichteten. 2. Phase: Entwurf Ziel dieser Phase war es, auf Basis des Pflichtenheftes ein entsprechendes Datenbankdesign zu erstellen sowie die Benutzerschnittstellen zu konzipieren. 3. Phase: Realisierung Nachdem in der Entwurfsphase die Grundlagen geschaffen wurden, konnte nun die Anwendung in ?Programmmodulen? realisiert werden. 4.-6. Phasen: Test/Installation/Abnahme/Wartung Diese Phasen sind zurzeit noch nicht abgeschlossen. Schlussbetrachtung Fazit Es lohnt sich, ein fächerübergreifendes Projekt zum Mittelpunkt des Unterrichts zu machen. Die Schülerinnen und Schüler gestalten den Ablauf sowie die wesentlichen Stadien eines IT-Projekts. lernen Problemlöseverfahren für Projekte kennen und anwenden. nehmen die Qualität der Kommunikation zwischen Auftraggeber und -nehmer als bedeutend für den Projekterfolg wahr. vollziehen die Geschäftsprozesse Lagerhaltung, Bestellwesen und Auftragsabwicklung nach. erfahren die Rolle der EDV in diesem Kontext. erstellen zielorientiert den Entwurf einer webbasierten Anwendung. setzen den Software-Entwurf technisch um. bereiten Projektergebnisse zielgruppenadäquat auf und präsentieren sie. Thema Entwickeln eines Faktura-Systems gemäß Kundenanforderungen Autor Dr. Christian Weikl Fächer Betriebsorganisation/Projektmanagement, Deutsch, Informationswirtschaft, Anwendungsentwicklung Zielgruppe Mittel-/Oberstufe informationstechnischer Bildungsgänge Lernfelder "Analyse, Planung und Organisation von betrieblichen Informationsflüssen und technischen Informationssystemen", "Projektplanung, -durchführung und -abschluss", "datenbankbasierte Internetanwendungen", "Entwickeln und Bereitstellen von Anwendungssystemen" Zeitraum ca. 100 - 120 Unterrichtsstunden (fächerübergreifend) Technische Voraussetzungen Internetanschluss, Internet-Browser, Open-Source-Produkte: Apache, PHP, MySQL, phpMyAdmin, DBDesigner, OpenOffice Planung Übersicht zum Projektverlauf Als Lernvoraussetzung für die Entwicklungsphasen sollten Kenntnisse in folgenden Bereichen vorhanden sein: Methoden des Projektmanagements, Grundzüge verschiedener Geschäftsprozesse (Beschaffung, Lagerhaltung, Angebotserstellung und Rechnungslegung), Beherrschen der Präsentationstechniken, Erstellen von Datenbankentwürfen (ERD, Normalisierung), Grundlagen der Abfragesprache SQL für DB, Grundlagen der Programmierung mit PHP. Die Fachlehrer mussten die erforderlichen Grundlagen bis zu dem gemeinsam vereinbarten Zieltermin (Projektbeginn) gelegt haben. Im Vorfeld wurden folgende Unterrichtseinheiten in den beteiligten Unterrichtsfächern durchgeführt: Einführung in die Programmierung mit PHP ein Schulhalbjahr - Fach: Anwendungsentwicklung Einführung in das Datenbankdesign, Arbeiten mit Datenbanken ein Schulhalbjahr - Fach: Informationswirtschaft Einführung in die Methoden des Projektmanagements Fach: Betriebsorganisation/Projektmanagement Einführung in das Lasten-/Pflichtenheft für IT-Projekte Fach: Deutsch/Kommunikation Vorstellen des Projektes durch den Auftraggeber Einarbeitung des Pflichtenhefts und Abstimmung mit dem Auftraggeber Entwurf des DB-Designs und Dokumentation des DB-Entwurfs Erstellung einer ersten Grobplanung mit Arbeitsbereichen und -schritten Verteilung der Aufgaben auf Arbeitsgruppen (arbeitsteilige Gruppenarbeit): Dokumentation, Formulare, Web-Design, PHP-Programmierung, SQL-Programmierung Bearbeitung der Aufgaben in den Gruppen nach dem klassischen Phasenmodell der Softwareentwicklung: Problemanalyse, Entwurf, Realisierung, Test, Abnahme, Wartung (siehe Entwicklungsphasen ) Präsentation der Meilensteinergebnisse und Abstimmung des weiteren Vorgehens mit dem Auftraggeber Abnahme und Übergabe des Produktes inklusive zugehöriger Dokumentation Reflexion über den Projektverlauf Verbesserungsvorschläge Analyse der Stärken und Schwächen des Produktes Identifizierung weiterer Verbesserungsmöglichkeiten (zum Beispiel Programmierstil, Aufbau der Menüführung) Vereinbarung mit dem Auftraggeber zur Weiterentwicklung und Pflege des Produktes Diesen Phasen ging eine gemeinsame Projektplanung voraus, in der der Ablauf gemeinsam festgelegt sowie die Aufgabenverteilung gemeinsam erarbeitet wurde. Darüber hinaus wurde das E-Learning-System Moodle zur Durchführung des Projektes eingesetzt, das es erlaubt, Arbeitsmaterialien allen zur Verfügung zu stellen, Zwischenergebnisse einzustellen, Ergebnisse zu diskutieren und zu kommentieren. Diese Plattform war ein entscheidendes Hilfsmittel zur Herstellung der Transparenz für alle Beteiligten und zur raschen Abstimmung innerhalb des Projektes und den jeweiligen Arbeitsgruppen. Entscheidend für den erfolgreichen Projektverlauf war es, die Aufgabenverteilung sowie die Gruppenzuordnung gemeinsam mit den Schülerinnen und Schülern vorab zu diskutieren und festzulegen. Besonderheiten der Organisation in den einzelnen Phasen werden bei der Darstellung der jeweiligen Phase thematisiert. Der Verlauf des durchgeführten Unterrichtsprojektes sowie die Präsentation der Meilensteinergebnisse mit anschließender Reflexion haben deutlich gezeigt, dass diese Art des Vorgehens zu einem nachhaltigen Lernerfolg bei den Beteiligten geführt hat. Dieser Lernerfolg ist neben der Erweiterung der Fähigkeiten, Fertigkeiten und des Wissens in einzelnen Themenbereichen insbesondere darin zu sehen, dass ein grundlegendes Verständnis für IT-Projekte und ihre Erfordernisse gewonnen werden konnte. Ein solches Projekt erfordert zwar einen deutlich höheren Vorbereitungsaufwand für die Lehrenden, da eine Reihe an Absprachen mit Kolleginnen und Kollegen getroffen und spezielle Arbeitsmaterialien erstellt werden müssen, organisatorische Unzulänglichkeiten durch das Unterrichten im klassischen Zeitrahmen von Unterrichtsstunden auftreten und ein begleitendes "zweites" Projektmanagement durchzuführen ist. Dieser Mehraufwand ist aber gut "investierte Zeit", wenn man die Lernbegeisterung, das Lernergebnis sowie den individuellen Lernerfolg jeden einzelnen Schülers und jeder einzelnen Schülerin heranzieht. Nicht zuletzt überzeugte die Qualität des Gesamtergebnisses das beteiligte Lehrerteam am Friedrich-List-Berufskolleg. Zum Einstieg wurden nochmals die Merkmale und Besonderheiten von Lasten- und Pflichtenheften in IT-Projekten im Unterricht thematisiert. Auf dieser Basis wurde einem kleinen Übungsbeispiel mit den bereitgestellten Arbeitshilfen ein erstes Lastenheft zur Übung erstellt und die Ergebnisse gemeinsam besprochen. Als Unterrichtsergebnis wurde eine gemeinsame Musterlösung erarbeitet. Im Anschluss an diese vorbereitenden Arbeiten wurde das Gespräch mit dem Auftraggeber geführt. Im Vorfeld hatte dieser seine Vorstellungen zur gewünschten Anwendung der Klasse zur Verfügung gestellt. Erwartungen des Auftraggebers Die folgenden Dateien bilden also nicht die konkrete Planung der einzelnen Arbeitsgruppen ab, sondern sind ein Entwurf des Auftraggebers mit noch nicht korrigierten Unzulänglichkeiten. Lastenheft Entsprechend vorbereitet führten die Schülerinnen und Schüler das Gespräch mit dem Ziel, umfassende Informationen über das gewünschte Produkt zu erhalten. Hierbei ging es neben den "Produktfeatures" auch um die zugrunde liegenden Geschäftsprozesse. Die Schülerinnen und Schüler erstellten in arbeitsgleicher Gruppenarbeit Lastenhefte. Die Gruppenergebnisse wurden im Plenum vorgestellt und diskutiert. Zum Abschluss wurde ein gemeinsames Unterrichtsergebnis dadurch erreicht, dass die überarbeiteten Lastenhefte nochmals diskutiert und eine gemeinsame Version des Lastenheftes verabschiedet wurde. Pflichtenheft Dieses Lastenheft wurde dann mit der Bitte um Freigabe an die Auftraggeber geschickt, die auch erteilt wurde. Abschließend wurde dann gleiches Verfahren für die Erstellung des Pflichtenheftes angewendet, so dass als Unterrichtsergebnis ein gemeinsames Pflichtenheft für das Projekt vorlag. Dieses Pflichtenheft wurde dem Auftraggeber vorgestellt und dann von beiden Vertragsparteien (Klasse und Auftraggeber) unterzeichnet. Eine Gegenüberstellung Lastenheft-Plfichtenheft findet man in: IT-Handbuch - IT-Systemkaufmann/-frau, Informatikkaufmann/-frau. Westermann Schulbuchverlag GmbH. 1. Auflage 2000, S. 205 ff. Grundsätze und Praxistipps zum Lastenheftaufbau sind zu finden bei Bruno Grupp: Das DV-Pflichtenheft zur optimalen Softwarebeschaffung. Bonn. MITP-Verlag 1999. S. 135-137 Gruppenarbeit: Gestaltung und Aufbau der Schnittstellen Da eine Reihe an Schnittstellen für das zu erstellende Warenwirtschaftssystem existieren, wurde die Klasse nunmehr in arbeiteilige Gruppen aufgeteilt. Hierbei wurden Arbeitsaufträge und Gruppenzusammensetzung vorab gemeinsam besprochen und verabschiedet. Während eine Gruppe sich um die Gesamtnavigation der Anwendung kümmerte, erstellten die anderen Gruppen gemäß den Anforderungen Eingabe- und Ausgabeschnittstellen. Neben deren funktionalem Aufbau galt es auch, gestalterische Fragen im Sinne einer geeigneten Nutzerführung aufzugreifen. Die Gruppen erstellten ein so genanntes Scribble-Design und setzten dieses am PC direkt in HTML/PHP um, oder erstellten einen Grafikentwurf als Screenshot. Gemeinsame Entwurfsrichtlinien Die Gruppen präsentierten ihre Ergebnisse im Plenum. Diese wurden diskutiert und Vorschläge zur Verbesserung unterbreitet. Anhand dieser Hinweise überarbeiteten die Gruppen ihre Entwürfe und stellten das Erreichte erneut vor. Im Plenum wurden schließlich als Unterrichtsergebnis gemeinsame Entwurfsrichtlinien für die Benutzerschnittstellen festgelegt sowie eine Menüführung und Bildschirmaufteilung für die Anwendung erarbeitet und verabschiedet. Gemeinsamer DB-Entwurf Der Datenbankentwurf wurde ebenfalls von arbeitsgleichen Gruppen erstellt. Jede Gruppe stellte ihren Entwurf zur Diskussion. An jedem einzelnen Entwurf wurden im Plenum gemeinsam überprüft, inwieweit die Anforderungen des Auftraggebers in Verbindung mit den Grundsätzen der Normalisierung sowie der ERDs übereinstimmen. Auf dieser Basis erarbeitete die Klasse einen gemeinsamen DB-Entwurf. Koordination durch Schüler Diese Programmmodule sollten in arbeitsteiliger Gruppenarbeit erstellt werden. Die Gruppen mussten hierzu so gebildet werden, dass pro Gruppe je eines der erforderlichen Module umgesetzt werden konnte. Darüber hinaus galt es, diese Arbeiten durch eine Gruppe Projektleitung / Koordination stärker zu steuern. Dies ermöglicht es den betreffenden Schülern selbst Leitungserfahrungen zu sammeln und auch in den realen Projektablauf stärker "einzutauchen". Bei auftretenden Problemen musste die jeweilige Gruppenleitung sich an die Projektleitung wenden, die dann nach Lösungen suchte und geeignete Maßnahmen auf den Weg bringen musste. Sollten Probleme nicht von den Projektleitern selbst gelöst werden können, wurde der Lehrer als Supervisor eingeschaltet. Dieser steuerte dann das Geschehen, um den Gesamterfolg des Projektes nicht zu gefährden. Projektdokumentation Neben der Projektleitung stellt die Dokumentation der Arbeiten (Projektdokumentation, Dokumentation der Module, Kontexthilfe und Benutzerhandbuch) einen ganz zentralen Aufgabenbereich dar. Daher wurde hierfür ebenfalls eine eigene Gruppe gebildet, die die Arbeiten fortlaufend in Absprache mit den Gruppen dokumentierte. Die Aufgabenbereiche sowie die Gruppenzusammensetzung wurde auch hier vorab mit den Schülern erörtert und gemeinsam verabschiedet. Neben den noch abzuschließenden Arbeiten bei der Erstellung der Module aus Phase 3 sind dann ein Testszenario zu definieren sowie systematische Tests der Anwendung vorzunehmen. Diese sind zu protokollieren und gegebenenfalls Maßnahmen zur Behebung aufgedeckter Probleme oder der Einbindung noch fehlender Funktionen vorzunehmen. Schließlich sind eine Präsentation des Systems sowie die Dokumentation für die abschließende Projektabnahme durch den Auftraggeber vorzubereiten. Im Anschluss an die Abnahme ist mit dem Auftraggeber weiter zu verhandeln, in welcher Form eine Schulung sowie eine Wartung des Systems erfolgen soll.

Dieses magische Quadrat des Künstlers Eugen Jost hat es in sich: die Zahlen 1 bis 49 sind teilweise etwas verschlüsselt und symbolhaft dargestellt. Mit dem beigefügten kleinen Programm wird daraus eine nette Knobelei, die man auf Zeit spielt.Das Magische Quadrat ist Teil des Kalenders des Künstlers Eugen Jost, der zum Jahr der Mathematik erschienen ist und ein Dutzend bedeutsamer Themen der Mathematik aufgreift. In ästhetisch ansprechender Form wird hier die Kunst mit der Mathematik verbunden. Das hier dargestellte Dezember-Blatt ist als kleines elektronisches Ratespiel für den PC aufbereitet. Hierzu müssen die natürlichen Zahlen erraten werden, die hinter den Symbolen jeder Einzelzelle verborgen sind. Dazu tippt man die Lösungen in ein Eingabefeld. Ob die Eingabe richtig oder falsch ist, erfahren die Schülerinnen und Schüler auch durch akustische Signale. Für zusätzliche Spannung sorgt eine eingeblendete Stoppuhr. Auf die Plätze, fertig, los - die Zeit läuft!Das Programm ist im Grunde altersstufenunabhängig. Es ist ab der Klasse 5 einsetzbar, kann aber ebensogut auch bei älteren Schülerinnen und Schülen genutzt werden. Nutzung und Anpassung des magischen Quadrates Hier finden Sie Erläuterungen zur Funktionsweise des Programms sowie zur Möglichkeit der Darstellung eigener magischer Quadrate. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich magischen Quadraten auf spielerische Weise nähern. die grundsätzlichen Eigenschaften magischer Quadrate kennen lernen. Thema Magisches Quadrat digital Autoren Elfi Petterich Fach Mathematik, auch für Vertretungsstunden geeignet Zielgruppe ab Klasse 5 (für alle Klassenstufen als spielerische Ergänzung zu magischen Quadraten) Zeitraum weniger als 1 Stunde Technik Computerarbeitsplätze zur Nutzung des Computermoduls, Lautsprecher müssen aktiviert sein. Ein magisches Quadrat wird durch die folgenden Eigenschaften charakterisiert: Die Summen der Elemente aus jeder Zeile sind gleich. Die Summen der Elemente aus jeder Spalte ergeben dieselbe Zahl. Die Summen in jeder der beiden Diagonalen ergeben ebenfalls diese Zahl. Nutzung des Programms Mit dem ausführenden Programm "Kalender.exe" öffnet sich das magische Quadrat von Eugen Jost. Die einzelnen Zellen können mit der Maus angeklickt werden, so dass sich ein Eingabefeld öffnet, in das ein Codewort eingetippt werden kann. Ziel ist es, herauszufinden, welche Zahl hinter den Zeichen und Symbolen jeder Zelle steckt. Bei richtiger Eingabe erscheint ein Bild mit der entsprechenden natürlichen Zahl, und es ertönt ein bestätigendes Signal. Bei falscher Eingabe bleibt das ursprüngliche Bild bestehen und es erfolgt eine entsprechende Tonsequenz. Eine Stoppuhr beginnt beim ersten Klick zu laufen und endet mit der letzten richtigen Eingabe. Außerdem wird die Anzahl der richtigen sowie falschen Eingaben angezeigt. Im Bedienfeld auf der linken Seite stehen die drei Buttons der Reihe nach für: Das Laden einer anderen Datei ("Laden") Startzustand wieder herstellen ("Neu") Adjustieren der Fenstergröße ("Größe", falls sie versehentlich verändert wurde) Mit dem Programm kann nicht nur Eugen Josts Quadrat angezeigt werden. Auch selbst erzeugte magische Quadrate lassen sich so visualisieren. Sie können unterschiedlich große Rechtecke und Quadrate mit verschiedenen Bildern erzeugen. Um das magische Quadrat zu modifizieren, muss man die Datei "default.cal" mithilfe eines Texteditors (zum Beispiel Notepad) umschreiben und unter neuem Namen speichern. Die "default.cal" Datei ist folgendermaßen aufgebaut: Die erste Zeile besteht aus Zeilenzahl und Spaltenzahl des Quadrats (in diesem Beispiel 7,7). Jede weitere Zeile beschreibt eine einzelne Zelle und ist nach folgendem Schema aufgebaut: bild1, bild2, sound1, sound2, lösung. "bild1" entspricht dem Pfad zur Bilddatei1 (wird zu Beginn angezeigt) "bild2" entspricht dem Pfad zur Bilddatei2 (erscheint nach richtiger Antwort) "sound1" ertönt, wenn die Antwort richtig ist "sound2" ertönt, wenn die Antwort falsch ist "lösung" gibt den Text (oder die Zahl) an, die die Benutzerin oder der Benutzer für die richtige Antwort eintippen muss. Das Programmm wurde in C++ mit Hilfe der Open Source Bibliothek QT erstellt. Zu beachten ist, dass JPEG-Dateien (.jpg) nicht richtig geladen werden können. Bitmap-Dateien (.bmp) oder PNG-Dateinen (.png) sind mit dem Programm kompatibel. Für die Sounds müssen WAVE-Dateien (.wav) verwendet werden.

In dieser Unterrichtseinheit lernen Schülerinnen und Schüler der 6. bis 13. Klasse eine "Künstliche Intelligenz" selbst zu programmieren. Die Lernenden bringen ein simuliertes Auto auf dem Calliope Mini dazu, selbstständig zu fahren. Es wird der komplette Zyklus des maschinellen Lernens vermittelt. Künstliche Intelligenz (KI) und damit das Maschinelle Lernen (ML) sind Megatrends in der IT. Selbst wenn der Hype vorüberziehen sollte, wird ML-basierende Software mehr und mehr die "klassische" prozedurale Programmierung ergänzen und ersetzen. Die heutigen "Digital Natives", mit eigenem Smartphone schon ab der Grundschule, sind schon im frühen Alter mit "Alltags-KI/ML" konfrontiert. Nachrichten mittels Social Media, Produktempfehlungen, Internetsuche, Gesichts- und Objekterkennung in Fotoalben, Sprachassistenten wie Siri, Alexa oder Google Assistant, Navigation, Augmented-Reality-Spiele-Apps, Haushaltsroboter und autonom fahrende Autos sind nur ein paar Aufzählungen des breiten KI-/ML-Spektrums. Viele der Lernenden spielen Autorennen in der realen Welt, zum Beispiel in Form eines Seifenkistenrennens oder virtuell mit Autorennspiel-Apps und -Computerspielen. Dementsprechend einfach ist es auch zu vermitteln, was "Autonomes Fahren" bedeutet: Nicht mehr der Mensch steuert das Auto, sondern das "Computer-Hirn" des dann "autonomen" Autos. Daher eignet sich das Szenario "Autonomes Fahren" ganz besonders für eine KI-Unterrichtseinheit. Daran knüpft sich für die Lernenden die naheliegende Frage, wie denn ein "Computer-Hirn" des autonomen Autos lernt, gut Auto zu fahren. Ein Mensch geht in die Fahrschule, aber was macht das autonome Auto? Hier setzt die Unterrichtseinheit an. Die Lernenden lernen, wie sie einem "autonomen Auto” das selbständige Fahren beibringen können. Durch einen Calliope Mini wird das selbstständige Fahren mittels künstlicher Intelligenz programmiert, sodass der Calliope Mini als Auto autonom Hindernissen auf der Straße ausweichen kann. Die Motivation wird dabei durch den Bezug zum "Gaming" zusätzlich erhöht. Benötigte Vorkenntnisse der Lernenden Für die Unterrichtseinheit sind Kenntnisse im Thema "Künstliche Intelligenz" hilfreich, aber nicht notwendig, da das Unterrichtsmaterial entsprechende Folien enthält, die zum Einstieg verwendet werden können. Grundkenntnisse in klassischer prozeduraler Programmierung sind ebenfalls hilfreich, aber nicht notwendig, da das Programmieren mithilfe Künstlicher Intelligenz einen Paradigmenwechsel in der Programmierung darstellt, der eigenständig mithilfe des Unterrichtsmaterials erklärt wird. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrperson benötigt Grundkompetenzen hinsichtlich des Programms Powerpoint – mindestens Level A1 (Einsteigerinnen und Einsteiger). Sie benötigt zudem fortgeschrittene digitale Kompetenzen hinsichtlich der Erstellung und Anpassung digitaler Ressourcen – mindestens Level A2 (Entdeckerinnen und Entdecker). Sie benötigt zusätzliche fachspezifische Kompetenzen hinsichtlich der Basistechnologien Git und Python und hinsichtlich des maschinellen Lernens – mindestens Level B1 (Insiderinnen und Insider). Diese Kompetenzen sind hilfreiche Voraussetzungen, um die Unterrichtseinheit als Lehrperson umsetzen zu können. Didaktisch-methodische Analyse Die Schülerinnen und Schüler können am Beispiel des Unterrichtsmaterials lernen, wie Künstliche Intelligenz auf der Grundlage von Daten programmiert wird. Diese Daten werden in der Unterrichtseinheit von den Lernenden selbst gesammelt. Die Unterrichtseinheit kann in Einzelarbeit (Einzelspiel-Modus) oder Gruppenarbeit (Gruppenspiel-Modus) durchgeführt werden. Die Gruppenarbeit wird aufgrund der weniger aufwändigen Installation und Durchführung für die Unter- und die Mittelstufe empfohlen. In der Gruppenarbeit wird pro Lernenden-Gruppe eine Künstliche Intelligenz trainiert. Hierfür ist eine Basis-Installation der Open Source Software auf einem Lerngruppenrechner erforderlich, damit jede Lerngruppe dort ihre Daten sammeln kann. Die Einzelarbeit ist erst ab der Oberstufe empfohlen und kann optional mit einer Experten-Variante erweitert werden. Die Einzelarbeit bietet den Lernenden umfangreichere Experimentier- und Lernmöglichkeiten zu dem Thema. In der Einzelarbeit kann die Künstliche Intelligenz individuell von jedem Lernenden trainiert werden. Dafür benötigt jeder Lernende mindestens eine Basis-Installation auf einem individuellen Rechner. Die Experten-Variante kann optional mit der Software "Orange" installiert werden, um verschiedene Varianten Künstlicher Intelligenz miteinander vergleichen und darstellen zu können. Je niedriger die Klassenstufe, in der die Unterrichtseinheit durchgeführt wird, desto mehr Unterstützung benötigen die Lernenden, um das Konzept hinter "Daten" zu verstehen, was als das zentrale Konzept in der KI erkannt werden sollte. Die Lehrkraft kann, falls Schwierigkeiten bei der Erkenntnis des Konzepts "Daten" entstehen, mit Analogien aus dem Alltag der Lernenden arbeiten: beispielsweise Daten auf dem Smartphone oder Daten, die entstehen, wenn sie Soziale Medien nutzen oder Daten, die im Internet gespeichert sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erlenen die Fachkompetenz des Programmierens einer KI mittels Maschinellem Lernen. erlangen Datenkompetenz. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stärken ihr Verständnis darüber, wie die sozialen Medien funktionieren. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stärken ihre Sozialkompetenz in der Gruppenarbeit dank des gemeinsamen Ziels, die KI ihrer Gruppe möglichst gut anzulernen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler erschließen Probleme und komplexe Themengebiete zunächst unter Anleitung in der ersten KI-Lernrunde. erschließen Probleme und komplexe Themengebiete eigenständig in der zweiten KI-Lernrunde. übertragen das über KI gewonnene Wissen in andere Bereiche des Alltags. üben sich in kritischem Denken.

Die Präsentation virtueller 3D-Moleküle per Beamer während des Unterrichtsgesprächs rückt die Objekte visuell und kognitiv in den Focus. Die Präsentation unterstützt die Arbeit mit „klassischen“ 3D-Molekülmodellen. Lernende können auch zuhause auf die Molekül-Viewer im Web zurückgreifen, den Unterrichtsstoff rekapitulieren und Molekülstrukturen experimentell erkunden.Molekülmodelle werden im Unterricht in der organischen Chemie notwendig, wenn den Schülerinnen und Schülern eine räumliche Vorstellung vom Molekülbau vermittelt werden soll. Dies kann sehr gut über Molekülbaukästen erfolgen, wenn jede Schülerin und jeder Schüler die Möglichkeit hat, selbstständig 3D-Modelle aufzubauen und dabei ein Verständnis für die räumliche Organisation der Atome in Molekülen zu entwickeln. Im Unterrichtsgespräch wird der Aufbau von Molekülen in Bezug auf ihre äußere und innere Struktur verbalisiert. Die Visualisierung durch die ?klassische? Verfahrenweise, das Hochhalten von Kugelgitter-Modellen zur Verknüpfung des konkreten Objektes mit entsprechenden Begriffen, ist in seiner Wirkung durch die geringe Größe der Modelle jedoch begrenzt. Eine wirksamere Alternative bietet hier die großflächige Projektion virtueller und dynamischer (manipulierbarer) 3D-Moleküle per Beamer. Dadurch rückt das Objekt im Unterrichtsgespräch visuell und kognitiv stärker in den Focus der Schülerinnen und Schüler. Technik, Stoffauswahl und Dynamik der 3D-Modelle Screenshots veranschaulichen die Möglichkeiten zur Schaffung einer Grundlage für das Verständnis von Struktur und Reaktion mithilfe von 3D-Modellen. Die Schülerinnen und Schüler sollen mithilfe der Molekül-Viewer verstehen, dass Moleküle nicht aus kleinen Kugeln und Stäbchen sondern aus sich durchdringenden Atomen bestehen und eine charakteristische Oberfläche haben. den Zusammenhang zwischen Molekülstrukturen und -oberflächen und den chemischen Eigenschaften und Reaktionen der Stoffe erkennen. Strukturisomerie und Stereoisomerie mithilfe "klassischer" Vertreter anschaulich begreifen (Isomere von Propanol und Butanol, Enantiomere der Milchsäure). Thema Strukturen organischer Moleküle Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Chemie Zielgruppe einfache organische Moleküle: ab Klasse 10; komplexere Moleküle: ab Jahrgangstufe 11; anorganische Moleküle: ab Klasse 10 Technische Voraussetzungen Präsentationsrechner mit Internetanschluss, Beamer, Java Runtime Environment (kostenloser Download) Die hier vorgestellten und für den Unterricht konzipierten Online-Angebote der Website "Chemie interaktiv" zur Darstellung von 3D-Molekülen wurden mit dem Open-Source-Tool Jmol entwickelt. Zur Nutzung der Angebote benötigen Sie lediglich das kostenlose Plugin Java Runtime Environment . Die präsentierten Moleküle lassen sich im Browser in drei Dimensionen mit der Maus beliebig drehen und wenden. "Chemie interaktiv" bietet vier verschiedene Möglichkeiten, die Moleküle zu präsentieren: Viewer A: Projektion eines Moleküls in einer quadratischen Präsentationsfläche. Viewer B: Projektion eines lang gestreckten Moleküls in einer rechteckigen, horizontalen Präsentationsfläche, zum Beispiel für die Darstellung eines Phospholipids. Viewer C: Projektion und Vergleich von zwei Molekülen in übereinander liegenden Präsentationsflächen. Viewer D: Projektion und Vergleich von zwei nebeneinander liegenden Molekülen. Über Buttons oberhalb der 3D-Modelle (siehe Abb. 1) kann zwischen den verschiedenen Viewern (A-D) gewechselt werden. Nach einem Wechsel müssen die Moleküle neu ausgewählt werden. Das Angebot der auswählbaren Moleküle wird kontinuierlich ergänzt. Zurzeit stehen neben Alkanen (Methan bis Decan) einige Alkohole (unter anderem die Isomere von Propanol und Butanol), einfache Aldehyde (Methanal bis Propanal), Propanon, einige Carbonsäuren (zum Beispiel die Enantiomere der Milchsäure) sowie einige Biomoleküle (Chlorophyll a, beta-Carotin, Cholesterin, Phospholipid) und anorganische Verbindungen zur Verfügung (unter anderem einige Säuren und Gase). Modellwechsel Die Moleküle werden, nachdem sie über das Pull-down-Menü zur Stoffauswahl ausgewählt wurden, zunächst im Kugelstäbchen-Modell dargestellt. Über das Menü lassen sie sich in komplett ausgefüllte Raummodelle (Kalotten-Modelle) umwandeln oder auch nur als Draht- oder Stab-Modell darstellen. Um die Vielfalt der Möglichkeiten darzustellen, zeigt Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) ein Modell der L-Milchsäure im Kugelstäbchen- und ein Modell der D-Milchsäure im "75 Prozent Kalotten-Modell". Zudem stehen viele weitere Funktionen zur Verfügung, zum Beispiel die Möglichkeit zur Wahl der Hintergrundfarben oder die Darstellung der van-der-Waals-Radien durch "Dots" (hierfür empfiehlt sich ein schwarzer Hintergrund). Struktur - Eigenschaft - Funktion Durch den Wechsel vom Kugelstäbchen- zum Kalotten-Modell wird den Schülerinnen und Schülern bewusst, dass die Moleküle nicht einfach nur aus kleinen Kugeln und Stäbchen (als Abstandshalter), sondern aus nebeneinander liegenden, sich durchdringenden Atomen (Kalotten) bestehen und dadurch eine charakteristische Moleküloberfläche erhalten. Abb. 2 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt Darstellungen von 1-Propanol und Propanal im "Oberflächen-Modus", 1-Propanol zusätzlich mit durchscheinendem Kugelstäbchen-Modell. Die Überführung zweidimensionaler Strukturformeln an der Tafel in charakteristische Oberflächen in der 3D-Projektion schafft eine Grundlage für das Verständnis chemischer Reaktionen (zum Beispiel Exposition funktioneller Gruppen, Polarisierungen und Landungsverteilungen in Molekülen) sowie für biologisch-physiologische Vorgänge im Zellgeschehen (enzymatische Reaktionen, membrangebundene Reaktionen, Rezeptorbindungen, hydrophile oder lipophile Eigenschaften) oder im gesamten Organismus (Hormonwirkungen an Zielorganen, Antigen-Antikörperreaktionen).

Das Portfolio in seiner elektronischen Variante bietet viele Möglichkeiten für die Portfolioarbeit. In diesem Beitrag werden Anwendungen im Unterricht und Softwarelösungen vorgestellt.Das E-Portfolio ist die elektronische Variante der Portfolioarbeit. Es findet immer mehr Beachtung - und das nicht nur, weil mit dessen Einsatz Medienkompetenz vermittelt wird. E-Portfolios haben gegenüber analogen Sammelmappen einige Vorteile. In diesem Fachartikel wird das Spezifische des E-Portfolios geklärt und Anwendungsszenarien beschrieben. Tools, die die Arbeit mit Portfolios unterstützen, werden vorgestellt. Als Ergänzung führt der Beitrag Portfolioarbeit - Potenziale und Grenzen in die Thematik ein und berichtet über den aktuellen Forschungsstand zur Portfolioarbeit. Verbindung von Methode und Technik E-Portfolios sind elektronische Sammelmappen und Reflexionsinstrumente. Die Schülerinnen und Schüler sammeln damit Artefakte, ordnen und kommentieren diese. Dies verlangt Reflexion in mehrfacher Hinsicht: Reflexion über Prozesse und Ergebnisse des eigenen Arbeitens ebenso wie Reflexion über die eigene Person, die Interessen und Ziele. E-Portfolios sind also weit mehr als eine "digitale Bewerbungsmappe": Sie sind gleichzeitig eine Methode für selbstgesteuertes Lernen und ein digitales Lernwerkzeug. E-Portfolios sind ein Instrument zur strukturierten Sammlung, Speicherung und Darstellung des Lernprozesses und des Ergebnisses. Es wird sowohl der Fortschritt als auch der Wissenszuwachs mittels digitaler Informationen dokumentiert. Fach-, Methoden- oder Sozialkompetenzen können somit dargestellt werden. Das Besondere an einem E-Portfolio ist, dass die Sammlung der Artefakte ausschließlich digital stattfindet. Daraus ergeben sich eine Reihe interessanter Potenziale, die ein papierbasiertes Portfolio nicht bieten würde: Auf die Inhalte eines E-Portfolios kann von überall aus zugegriffen werden. Über Zugriffsrechte können unterschiedliche Ansichten und Interaktionsmöglichkeiten reguliert werden. Die Lerngruppe und der Lehrende können im Prozess ein Feedback geben. Inhalte des E-Portfolios können durchsucht und verschlagwortet werden. Neben Text- und Bilddokumenten können auch Audio- und Video-Inhalte integriert werden. Über Links können im E-Portfolio Beziehungen zwischen Arbeiten, Reflexionen, Bewertungskriterien und Lernziele hergestellt werden. Die digitale Form ermöglicht eine umfangreiche Speicherung, Sicherung und Duplizierbarkeit der Inhalte. Das Erstellen von E-Portfolios fördert den verantwortungsvollen Umgang mit Informationen und Copyright im Web und die Fähigkeit des multimedialen Web-Publizierens. Auf den folgenden Seiten werden Anwendungsszenarien beschrieben und Tools, die die Portfolioarbeit unterstützen, vorgestellt. Anwendung im Unterricht Portfolios bieten eine große Anwendungsvielfalt. Vier wesentliche Phasen in der Portfolioarbeit im Unterricht sollen hier vorgestellt werden. E-Portfolio-Tools Wie findet man das geeignete Tool für die Portfolioarbeit? Hier werden Kriterien dargelegt und das E-Portfolio-Tool Mahara vorgestellt. Weblogs als E-Portfolio Für die Portfolioarbeit sind ebenfalls Web-Publikationswerkzeuge einsetzbar. Hier wird gezeigt, was Weblogs sind und wie sie als E-Portfolio-Tool verwendet werden können. Die Anwendungen von Portfolios im schulischen Kontext können vielfältig sein. Ein Portfolio kann für eine bestimmte Thematik, innerhalb eines Projektes, über das ganze Schuljahr, jahrgangsstufenübergreifend oder sogar für die gesamte schulische Laufbahn eingesetzt werden. Die Anwendungsbreite der Portfolioarbeit macht es schwierig, konkrete didaktische Szenarien darzustellen. Da Portfolios so verschiedenartig wie die Lernenden sind, ergibt sich zudem vieles erst aus der Praxis heraus. Für ein erstes Raster können jedoch folgende vier Phasen dienen, die hier kurz vorgestellt werden sollen. Klären der Ziele Vor Beginn der Portfolioarbeit ist es wichtig, die Zielsetzung, den Zweck und den Kontext der Portfolioarbeit zu klären. Dies sollte offen zwischen Lernenden und Lehrenden besprochen werden, um Vereinbarungen und Verbindlichkeiten festzulegen: zum Beispiel Lernziele, Dauer der Arbeit, Präsentationsrahmen, Beurteilungskriterien und selbstverständlich die Wahl des Mediums, in dem das Portfolio erstellt wird. Die Zielsetzungen müssen transparent und einsichtig sein. Nur dann können sie mit den individuellen Interessen der Lernenden verbunden sein. Die schriftliche Fixierung der Lernziele dient einerseits als Grundlage der späteren Selbst- und Fremdbeurteilung des Lernfortschritts. Andererseits dient sie den Lernenden als Orientierungshilfe für die Verfolgung der gesetzten Ziele. Beim Einsatz von E-Portfolios ist zudem zu klären, welche Medienkompetenz zur Bedienung des Systems notwendig ist und welche technische Ausstattung benötigt wird. Sammeln der Artefakte Das Portfolio darf kein Selbstzweck werden. Seine Erstellung muss einen Sinn im Lern-Kontext haben. Ausgangspunkt der Portfolioarbeit ist eine offene Fragestellung, ein Problem oder eine Aufgabe. Das Portfolio dient dem Nachweis über den Grad der Erreichung der (selbst-)gestellten Zielsetzung. Um den Lernprozess nachvollziehbar zu gestalten, werden von dem Lernenden Artefakte erstellt, gesammelt und gespeichert: Lernobjekte, Rechercheergebnisse, eigene Arbeiten und vieles mehr. Die Vielfältigkeit der Dokumente ist hierbei ein Qualitätsmerkmal des Portfolios: Auch Vorläufiges und weniger Gelungenes findet im Portfolio seinen Platz. Ein mitwachsendes Inhaltsverzeichnis zu den Artefakten, in dem alle neu hinzukommenden Dokumente aufgenommen werden, macht die einzelnen Schritte der Entwicklung nachvollziehbar. Jedes aufgenommene Dokument wird mit einer kurzen Notiz darüber versehen, was es inhaltlich zur Beantwortung der Fragestellung oder der Problemlösung beiträgt. Beim Einsatz von E-Portfolios bietet sich die Möglichkeit der Verknüpfung der einzelnen Objekte an: Arbeitsdokumente können mit Zielsetzungen und Reflexionen verlinkt werden. Reflektieren des Lernprozesses Den eigenen Lernweg darzustellen und sichtbar zu machen, ist eine besondere Herausforderung. Hierzu ist eine permanente reflexive Auseinandersetzung mit dem eigenen Vorgehen notwendig. Die Selbstreflexion des Lernenden ist somit das Herzstück der Portfolioarbeit: die Dokumentation des Entstehungsprozesses, Hürden und Erfahrungen, (Selbst-)Kritik und Verbesserungsvorschläge. Das E-Portfolio unterstützt diese aktive, reflektierende Auseinandersetzung, indem die erarbeiteten Inhalten aufgezeichnet, kommentiert und diskutiert werden können werden - und dies nicht nur für einen selbst, sondern auch in der Lerngruppe. Der oder die Lernende kann mittels der Zugriffsrechte im ePortfolio-Tool seine eingestellten Inhalte für Einzelne, der Lerngruppe oder für alle Internetnutzer zugänglich machen. Die Kommunikation und der Austausch mit dem Lehrenden oder der Lerngruppe ermöglicht, den Prozess des Lern- oder Wissenserwerbs zu fördern. Wichtig ist für diese Art der Kommentierung, dass vorab Feedbackregeln formuliert sowie gelungene und misslungene Feedbackbeispiele vorgestellt werden. Präsentieren und Beurteilen Den Abschluss der Portfolioarbeit bildet eine Präsentation ausgewählter Artefakte aus dem Portfolio: Aspekte des eigenen Lernprozesses wie auch Ergebnisse und Prozesserfahrungen. Ein ePortfolio-Tool bietet die Möglichkeit, anlassbezogen die erarbeiteten Artefakte und die begleiteten Lernprozesse und Dokumentationen zusammenzustellen und sie anderen Personen elektronisch zur Verfügung zu stellen oder sie vor der Gruppe zu präsentieren. Da der Beurteilungsprozess des Portfolios ebenfalls partizipativ und kommunikativ angelegt ist, findet ein Austausch über die Beurteilungen auf der Grundlage eines vorab gemeinsam entwickelten Rasters statt. Aus diesem Grund ist es wesentlich, im Vorfeld nicht nur die Lernziele, sondern auch die zu erreichenden Standards und die Beurteilungskriterien transparent zu machen, oder besser, sie gemeinsam festzulegen. Zu beachten ist, dass es problematisch wird, wenn Portfolios vergleichend beurteilt werden. Ob die Portfolios auch als Grundlage für eine Leistungsbewertung herangezogen werden sollen, ist eine kritische Frage, die in dem Beitrag Portfolioarbeit ? Potenziale und Grenzen behandelt wird. Vielfalt an Lösungen Inzwischen gibt es eine Vielfalt an Tools, die die Arbeit mit Portfolios unterstützen. Diese liegen als eigenständige Systeme oder als Bestandteile von E-Learning-Plattformen vor. Kostenfreie Open-Source-Systeme sind ebenso zu finden wie kommerzielle Produkte. Aber auch einfache Weblogs bieten sich als E-Portfolio-Tool an - hierzu mehr auf der nächsten Seite. Welches E-Portfolio-Tool sich für welchen Einsatz eignet, ist schwer zu beantworten. Je nach Absicht und Rahmenbedingung können die Ansprüche an ein solches Tool sehr unterschiedlich sein. Entsprechend ist das Funktionsspektrum der einzelnen Softwarelösungen schwer miteinander vergleichbar. Folgende Kriterien sollten jedoch generell bei der Auswahl eines E-Portfolio-Tools Beachtung finden: Benutzerfreundlichkeit Möglichkeiten der individuellen Gestaltung Kommunikationsmöglichkeiten Kontrolle und Zugriff Konfigurier-, Integrier- und Anpassbarkeit In den einschlägigen Modellprojekten, in denen E-Portfolios eingesetzt wurden, werden nicht selten Schwachstellen der ausgewählten Tools benannt. Häufig finden sich folgende Kritikpunkte, die ebenfalls für die Auswahl eines Tools berücksichtigt werden sollten: Reguliert zu vieles, zu wenig Raum für Kreatives Zu textlastig, Einbindung multimedialer Inhalte zu schwierig oder nicht möglich Einbindung von Social-Software-Tools und damit Kommunikation und Interaktion eingeschränkt Integration in den Schulalltag schwierig, Struktur nicht passend Liegt nur in englischsprachiger Form vor Entwicklung und Einsatz Mahara ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit verschiedener neuseeländischer Bildungseinrichtungen und Universitäten, welche seit 2006 dieses Tool stetig weiterentwickeln. Es gilt inzwischen als eines der adäquaten Systeme in diesem Bereich, was nicht zuletzt die steigende Verbreitung zeigt. Mahara überzeugt auf vielen Ebenen: beim Sammeln und Organisieren der Dokumente, beim Reflektieren und Planen, bei der Darstellung und der Publikation sowie bei der Administration. In einem Forschungsbericht zum Einsatz von E-Portfolios an österreichischen Hochschulen zeigte sich Mahara als ausgeglichenstes Produkt. Ein Weblog, kurz Blog genannt, ist ein auf einer Website geführtes - und damit meist öffentliches - Tagebuch. Häufig besteht ein Blog aus einer umgekehrt chronologisch sortierten Liste von Einträgen. Diese Einträge können aus Texten, Bildern, Tonaufnahmen, Animationen oder Videosequenzen bestehen. Und vor allem können Einträge durch andere Nutzer kommentiert werden. Blogs finden sich zu den unterschiedlichsten Themen, etwa private Tagebücher, Erlebnisberichte aus dem Berufsalltag und Blogs, die Informationen und Meinungen zu einem Thema veröffentlichen. Viele Blogs werden von einer einzelnen Person betrieben, es gibt aber auch Blogs, in denen mehrere Autorinnen und Autoren schreiben. Blogs bieten ein großes Funktionsspektrum. Einige Elemente, die auch für die Arbeit mit E-Portfolios relevant sind, sollen hier kurz dargestellt werden. Postings sind die Einträge (Texte, Bilder, Audio- und Video-Dokumente), die die Hauptbestandteile eines Blogs darstellen. Sie werden üblicherweise umgekehrt chronologisch aufgelistet, die neuesten Beiträge findet man zuoberst. Ältere Beiträge werden zum Teil auf weiteren Seiten angezeigt oder in Archiven aufgelistet. Der Blog-Inhaber kann jederzeit selbst bestimmen, wie öffentlich seine Einträge sind, wer also darauf Zugriffsrechte haben soll. Jeder Eintrag besitzt im Blog eine eindeutige und sich nicht verändernde Internetadresse. So kann auf einzelne Blog-Einträge verlinkt werden. In einem Blog haben andere Nutzer die Möglichkeit, ihre Meinung zu einem Eintrag zu veröffentlichen. Ein solcher Kommentar wird dann meistens unterhalb des Eintrags angezeigt. Der Blog-Inhaber kann dabei festlegen, ob Einträge kommentiert werden können oder ob Kommentare angezeigt werden sollen. Blogs ermöglichen den Einsatz von RSS-Feeds. Ein RSS-Feed kann mittels Feedreader abonniert werden. Mit dem Feedreader kann der Leser erkennen, dass es im abonnierten Blog neue Einträge gibt. Schlagwortwolken (Tag Clouds) listen und gewichten die im Blog verwendeten Schlagwörter auf visuell eindringliche Weise. Sie helfen beim Ordnen und Auffinden der Blog-Einträge. Blog-Funktion in lo-net² Die Arbeitsumgebung lo-net² bietet eine Blog-Funktion an, die ebenfalls als E-Portfolio verwendet werden kann. Mehr hierzu finden Sie in dem folgenden Beitrag auf Lehrer-Online. Blogs bei einem Provider Gerade für Anfänger oder zum Ausprobieren bietet es sich an, ein Blog bei einem entsprechenden Blog-Anbieter einzurichten. Dort kann nach einer Registrierung ein Blog mit wenigen Mausklicks angelegt werden - und in vielen Fällen ist dies kostenlos. Allerdings bringt dies auch Nachteile mit sich: Das so erstellte Blog hat beispielsweise keine ganz frei wählbare Internetadresse sondern ist unter einer Adresse wie "blogname.namedesblogproviders.de" zu finden. Gravierender ist die Tatsache, dass bei kostenfreien Blogs zuweilen Werbung auf den Seiten des Blogs eingeblendet wird und die Privatsphäre nicht gesichert ist - was insbesondere für die schulische Nutzung ein Ausschlusskriterium ist. Hier finden Sie Beispiele für Weblog-Hosting-Services: blog.de blogger.de WordPress.com Blogs in eigenem Webspace Da die Software für das Führen eines Blogs vielfach Open-Source-Software ist, bietet es sich an, das Blog in einem eigenen Webspace zu installieren. Voraussetzung ist, dass man Zugriff auf einen Webspace hat, der in der Regel mit PHP und MySQL ausgestattet sein muss. Zudem sollte man die entsprechenden Kenntnisse zur Installation der Software haben oder es sich zutrauen, es anhand einer vorhandenen Anleitung zu probieren. Wenn man eine Blog-Software selbst installiert und die Absicht hat, es für ein längerfristiges Projekt zu nutzen, sollte man sich vorab auf den Produktwebseiten informieren, inwieweit die Software den eigenen Vorstellungen genügt. Zu den bekanntesten Blog-Softwaresystemen gehört WordPress. Beispiele für Weblog-Publishing-Systeme finden Sie unter folgenden Links: WordPress Textpattern Nucleus CMS Interessant für die Arbeit mit E-Portfolios ist study.log. Dieses kostenfreie Tool wurde unter der Leitung des Professors für Kunst- und Medienpädagogik Torsten Meyer am MultiMedia-Studio der Universität Hamburg entwickelt und testweise an der Hochschule und in Hamburger Schulen eingesetzt. Das Besondere an study.log ist seine Benutzeroberfläche, Docuverser genannt. Sie ist an typische Lernszenarien angelehnt: kleinere, nur scheinbar chaotische Haufen mit der aktuellen Arbeit, größere Stapel von Büchern zu bestimmten Themengebieten, Notizzettel zum schnellen Auffinden von Zwischenergebnissen oder auch Bücherregale in eigener Sortierung. Mit der Software sollen solche individuellen Sortiertechniken und Ordnungsschemata digital visualisiert werden. study.log unterstützt auf diese Weise das experimentelle Hantieren mit zahlreichen einzelnen Materialien und ihren Querverbindungen und potenziert jenen Aha-Effekt, die die Freude an der persönlichen Wissensarbeit ausmachen. Einrichten der Software Es gibt zwei Varianten der Software study.log: Als Tool für den eigenen Rechner, um seine Dokumente über den Docuverser zu verwalten, und als eine Erweiterung für WordPress. Letzteres ist besonders für die E-Portfolioarbeit interessant, da hiermit Weblogs die Oberfläche des Docuversers erhalten und die Blog-Einträge nicht mehr in kaum sortierbaren, langen Listen erscheinen. Voraussetzung für den Einsatz ist die Installation von WordPress in einem eigenen Webspace. Die Website über study.log informiert detailliert über die Software und ihre Anwendungsmöglichkeiten. Unter "Demo WordPress" finden Sie eine Demoversion der study.log-Ansicht in Verbindung mit einem Weblog. study.log Die Software liegt in einer Betaversion vor, sie ist also noch im Entwicklungsstudium, aber bereits voll einsetzbar. study.log: WordPress-Demo Hier gelangen Sie direkt zu der WordPress-Demo von study.log.

Diese Unterrichtseinheit zum Themenbereich Datenschutz und Datensicherheit enthält Anleitungen und Hintergrund-Informationen, mit denen Sie Ihre Schülerinnen und Schüler dazu befähigen, E-Mails verschlüsselt zu versenden. Sensible und vertrauliche Unternehmensinformationen sollten verschlüsselt im Internet übertragen werden, denn die Gefahr besteht, dass elektronische Post von Hackern und Spionagediensten mitgelesen wird.In dieser Unterrichtsreihe lernen Schülerinnen und Schüler, per E-Mail gesendete Nachrichten zu verschlüsseln und zu entschlüsseln. Der Einsatz von Verschlüsselungsprogrammen kann ihnen nur dann sinnvoll erscheinen, wenn sie für die Gefahren des unverschlüsselten Datenaustauschs sensibilisiert sind."Pretty Good Privacy" ist ein Programm, das E-Mails und Dateien verschlüsselt. Die verschlüsselten Nachrichten sind so sicher, dass ein kaum realisierbarer Aufwand nötig wäre, um eine Nachricht wieder zu dechiffrieren. Die Freeware-Version von PGP ermöglicht die Verschlüsselung von Daten sowie die Erstellung und Verwaltung von PGP-Schlüsseln. PGP-Freeware darf nur für nicht kommerzielle Zwecke verwendet werden. Ein mit Bundesmitteln gefördertes Open-Source-Verschlüsselungsprogramm ist GnuPG (GNU Privacy Guard). GnuPG gibt es ebenso wie PGP als Windows und Linux-Version. GnuPG ist mit PGP kompatibel. Wird zum Beispiel eine E-Mail unter Windows mit PGP verschlüsselt, kann sie unter Linux mit GnuPG wieder entschlüsselt werden. Einführung in das Thema "E-Mail verschlüsseln" Der Einsatz von Verschlüsselungsprogrammen kann nur erfolgreich sein, wenn die Benutzer für die Gefahren des unverschlüsselten Datenaustauschs sensibilisiert sind. Daher sollte während der Einstiegsphase ausführlich auf die Sicherheitsdefizite unverschlüsselter E-Mail-Korrespondenz eingegangen werden. Ablauf der Unterrichtseinheit "E-Mail verschlüsseln" Anhand vorgegebener Internetressourcen erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler selbstständig die Bedienung der für sie unbekannten Programme PGP und GnuPG. Für die spätere berufliche Praxis ist diese Methodenkompetenz von entscheidender Bedeutung. Die Schülerinnen und Schüler werden sich permanent in neue Softwareprodukte einarbeiten müssen. Die Schülerinnen und Schüler erkennen Sicherheitsdefizite beim unverschlüsselten Austausch von Nachrichten und werden für die Gefahren sensibilisiert. verstehen das symmetrische, asymmetrische, hybride Verschlüsselungsverfahren sowie die Digitale Signatur vom Prinzip her. erstellen ein Schlüsselpaar. tauschen öffentliche Schlüssel aus. tauschen E-Mails und Dateien verschlüsselt aus. erarbeiten selbstständig die Bedienung eines Programmes mittels Bedienungsanleitung. Daten werden verschlüsselt um drei Sicherheitsdefizite aufzuheben: Privacy Die Vertraulichkeit unverschlüsselter Nachrichten ist nicht gewährleistet. Authenticity Die Authentizität des Absenders ist nicht gewährleistet. Integrity Die Unverfälschtheit einer unverschlüsselten Nachricht ist nicht gewährleistet. Der Einsatz von PGP oder GnuPG löst alle drei Sicherheitsdefizite. Um Vertraulichkeit und Unverfälschtheit zu erzielen, wird mit einem hybriden Verfahren verschlüsselt. Das hybride Verschlüsselungsverfahren kombiniert ein symmetrisches mit einem asymmetrischen Verfahren. Die digitale Signatur garantiert die Authentizität des Absenders. Zertifizierungsstellen bestätigen mittels Zertifikate die Echtheit eingesetzter Schlüsselpaare. Bevor die Schülerinnen und Schüler E-Mails und Dateien mithilfe von PGP oder GnuPG verschlüsseln, erarbeiten sie die Prinzipien der zugrundeliegenden Verschlüsselungsverfahren und der digitalen Signatur. Als Materialien nutzen sie die Broschüre "Sichere E-Mail-Kommunikation". In Prinzipskizzen erklären die Schülerinnen und Schüler die Verfahren an der Tafel. Wichtige Begriffe (wie Schlüsselpaar, privater und öffentlicher Schlüssel, Ad-hoc-Schlüssel, Hash, und so weiter) werden ebenso wie Vor- und Nachteile einzelner Verfahren festgehalten. PGP und GnuPG Die Ausführungsphase wird zweimal durchlaufen. Und zwar wird einmal eine grafische Version von PGP unter Windows eingesetzt und einmal GnuPG als Konsolen-Programm unter Linux. Andere Varianten können auch gewählt werden. So kann PGP unter Windows oder Linux auch über die Konsole bedient werden und für GnuPG werden grafische Frontends angeboten. Der Vorteil dieses Vorgehens ist, dass Schülerinnen und Schüler nicht nur an einem Betriebsystem ausgebildet werden und grafische als auch kommandozeilenorientierte Programme bedienen lernen. So werden sie auf unterschiedliche Umgebungen vorbereitet. Voraussetzung für die Bedienung von GnuPG in der Kommandozeilen-Version ist allerdings, dass die Schülerinnen und Schüler die grundlegenden Linux-Konsolenbefehle wie zum Beispiel ls, cat, cd, cp, mv, rm beherrschen. Knoppix Wenn kein Linux auf dem Rechner installiert ist, kann die GNU/Linux-Software Knoppix von CD gestartet werden. Es ist keinerlei Installation auf Festplatte notwendig. Knoppix kann kostenlos aus dem Internet heruntergeladen (circa 650 MB) und auf CD gebrannt werden. GnuPG ist im Paket schon enthalten. Folgende Teilaufgaben werden von den Schülerinnen und Schülern der Reihe nach ausgeführt: Erzeugen eines Schlüsselpaares Austausch der öffentlichen Schlüssel Import öffentlicher Schlüssel der Mitschüler Verschlüsseln eines geheimen Textdokuments und Versenden als Anhang einer E-Mail Verschlüsseln und Signieren eines geheimen Textdokuments und Versenden als Anhang einer E-Mail Verschlüsseln einer E-Mail Die Schülerinnen und Schüler führen mit GnuPG die gleichen Teilaufgaben wie mit PGP unter Windows durch. Sie erarbeiten sich selbstständig die Bedienung von GnuPG. Herangezogen wird die Anleitung des Vereins zur Förderung des öffentlichen bewegten und unbewegten Datenverkehrs e. V.: Folgende Befehle wurden für die Einzelschritte verwendet: gpg --gen-key Erzeugen eines Schlüsselpaares gpg --export --armor Anna > an Exportieren eines Schlüssels gpg --import anna.gpg Importieren eines Schlüssels gpg -k Inhaltsangabe des Schlüsselbundes gpg -e -r "Anna" geheim.txt Verschlüsseln von geheim.txt mit dem öffentlichen Schlüssel von Anna gpg -es -r "Anna" geheim.txt Verschlüsseln und Unterschreiben einer Datei gpg -ea -r "Anna" emailtext Verschlüsseln eines E-Mail-Texts gpg geheim.txt.gpg Entschlüsseln einer Datei Am Ende der Stunde sollten die Schlüsselbunde gesichert werden, denn bei einem Neustart von Knoppix gehen alle Dateien verloren. Die Dateien pubring.gpg und secring.gpg befinden sich im Verzeichnis ~/gnupg/.

Schülerinnen und Schüler fotografieren den vom Kernschatten der Erde halb verfinsterten Mond und bearbeiten das Foto am Rechner. Die geometrische Auswertung liefert Daten für die Berechnung der Mondentfernung.Die hier vorgestellte Methode ermöglicht eine Abstandsbestimmung mit geringem Aufwand. Im Gegensatz zur Bestimmung der Mondentfernung per Triangulation benötigt man bei der Abstandsbestimmung mithilfe einer Mondfinsternis keine Partnerschule. Die Vorteile der Mondfinsternis-Methode werden allerdings mit einer anspruchsvolleren Theorie bezahlt, die an verschiedenen Stellen zum leichteren Verständnis für die Schülerinnen und Schüler etwas vereinfacht werden muss, wodurch die Ungenauigkeit der Messung etwas erhöht wird. Voraussetzungen Um die für die Entfernungsbestimmung benötigten Zusammenhänge verstehen zu können, müssen die Schülerinnen und Schüler die Geometrie der Mittelstufe beherrschen und Kenntnisse über die trigonometrischen Funktionen und das Lösen mathematischer Gleichungssysteme verinnerlicht haben. Einstieg und Motivation Der Mond ist ständiger Begleiter des Menschen. Schon kleine Kinder wenden ihren Blick häufig fasziniert dem Erdtrabanten zu, aber auch viele Jugendliche und Erwachsene können sich dem Bann des Mondes kaum entziehen. Vielfältig und über verschiedene Medien wird über den Mond und seine Eigenschaften informiert. Nur selten wird jedoch darüber berichtet, wie man zu diesen Informationen gelangt. Dies gilt auch für den Abstand des Mondes von der Erde. Allein die Frage "Wie misst man eigentlich mehrere hunderttausend Kilometer lange Strecken?" weckt bei vielen Schülerinnen und Schülern bereits das Interesse. Dies kann noch gesteigert werden, wenn es darum geht, die Entfernung des Mondes mit eigenen Mitteln zu bestimmen. Fotografieren, bearbeiten, auswerten Das mathematische Rüstzeug wird in fünf Etappen erarbeitet und angewendet. Bearbeitung und Auswertung einer Mondfotografie werden hier durch ein Beispiel veranschaulicht. Methodische und fachliche Hinweise Wodurch zeichnen sich die Mondfinsternis- und die Triangulationsmethode zur Entfernungsbestimmung aus? Wie messen Forscher die Entfernung zum Mond? Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse über Planeten und Monde im Sonnensystem, deren Größenverhältnisse und deren Bewegungen erwerben oder auffrischen. Kenntnisse über Mond- und Sonnenfinsternisse und deren Entstehung erwerben oder auffrischen. mit trigonometrischen Funktionen und Gleichungen arbeiten können. den Umgang mit Bildbearbeitungssoftware kennen lernen und üben. ihre Fähigkeiten in der Handhabung einfacher Messinstrumente schulen. ihr räumliches Vorstellungsvermögen schulen. Thema Bestimmung der Mondentfernung mithilfe einer Mondfinsternis Autor Alexander Staidl Fächer Astronomie, Physik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Jahrgangsstufe 11 (bei guten Lerngruppen auch ab Klasse 10) Zeitraum Beobachtungszeit etwa 30-40 Minuten (es muss ein Foto geschossen werden); Theorie und Auswertung nehmen etwa 2-4 Stunden in Anspruch (je nach Lerngruppe und Unterrichtsmethodik) Technische Voraussetzungen Digitalkamera mit mindestens achtfachem Zoom oder ein kleines Teleskop, an das die Kamera angeschlossen werden kann; Stativ, Bildbearbeitungssoftware (zum Beispiel GIMP ) Überblick Da die Bestimmung des Mondabstandes mithilfe einer Mondfinsternis auf komplexen geometrischen und mathematischen Zusammenhängen basiert, werden die Lernenden schrittweise an das Thema herangeführt. Die folgende Gliederung hat sich dabei bewährt: 1. Mondfinsternisse Allgemeine Informationen: Wie kommen Mondfinsternisse zustande? 2. Der Winkelradius der Sonne Was ist ein Winkelradius? Wie kann man ihn messen? Welche Aussagen lassen sich daraus über den Kernschatten der Erde gewinnen? 3. Der Winkelradius des Mondes Wie kann man den Winkelradius des Mondes messen? Weshalb funktionieren die Methoden zur Messung des Winkelradius der Sonne (Schritt 2) hier nicht? 4. Winkelradius des Kern-Erdschattens in Mondentfernung Was versteht man darunter? Wie kann man ihn mithilfe einer Mondfinsternis bestimmen? 5. Berechnung des Mondabstandes Die bisherigen Erkenntnisse werden zusammengeführt und die Mondentfernung mithilfe der bei einer Finsternis aufgenommenen Fotos berechnet. Der Winkelradius des Erdschattens in Mondentfernung Für die Bestimmung des Winkelradius (Schritt 4) ist die Auswertung eines Fotos von einer Mondfinsternis entscheidend. Der Kernschatten, der während der Finsternis auf dem Mond zu sehen ist, lässt sich mit dem Winkeldurchmesser des Mondes vergleichen. Der halb verfinsterte Mond wird fotografiert Der gesamte Mond wird, während er etwa halb vom Kernschatten der Erde bedeckt ist, mit einer Vergrößerung beziehungsweise Auflösung fotografiert, die hoch genug ist, um Details der Finsternis erkennen zu können. Die Digitalkamera sollte über einen mindestens achtfachen optischen Zoom verfügen. Alternativ kann die Kamera auch an ein kleines Teleskop angeschlossen werden. Beim Fotografieren sollte auf jeden Fall ein Stativ verwendet werden. Abb. 1 (linke Teilabbildung) zeigt ein entsprechendes Ergebnis. Man sieht deutlich, dass sich der Kernschatten nicht scharf von dem Bereich des Halbschattens abgrenzt, sondern dass beide weich ineinander übergehen. Wenn man schon mal dabei ist … Bei der Gelegenheit bietet es sich natürlich auch an, den gesamten Verlauf der Mondfinsternis fotografisch zu dokumentieren, im Idealfall vom Beginn bis zu Ende der Verfinsterung. Auch, wenn dies zum Zwecke der Entfernungsbestimmung nicht erforderlich ist (dafür reicht ein einziges Foto aus), kann man mit dem ohnehin verwendeten Bildbearbeitungsprogramm den Verlauf des Ereignisses in einer kleinen Kollage sehr schön darstellen. Kontrastierung der Schattengrenze am Rechner Um den Winkelradius des Kernschattens möglichst exakt bestimmen zu können, muss die Grenze zwischen Kern- und Halbschattenbereich durch eine Verstärkung des Kontrastes hervorgehoben werden. Die ist mit den gängigen Bildbearbeitungsprogrammen einfach durchzuführen. In dem hier vorgestellten Beispiel wurde die kostenfreie Open Source Software GIMP verwendet. GIMP-Homepage Informationen zur kostenfreien Bildbearbeitungssoftware und Downloadmöglichkeit Bildbearbeitung mit GIMP Öffnet man mit dem Programm die Mondfoto-Datei, lässt sich die Grenze des Kernschattens durch den Schwellwerte-Regler im Farben-Menü hervorheben (Abb.1, Mitte). Unter der Voraussetzung, dass der scharfe Rand des Mondes nicht mit weißen Pixeln durchsetzt sein darf, stellt man den Regler so niedrig wie möglich ein. Je nach Geschmack kann man über das Farben-Menü und die Funktion "Invertieren" den Mond schwarz und den Hintergrund weiß darstellen (Abb.1, rechts). In dem Ergebnis kann man nun gut erkennen, dass der Kernschatten, den die kugelförmige Erde auf den Mond wirft, auf der Mondoberfläche tatsächlich kreisförmig abgebildet wird. Die Kreisbogenform der Schattengrenze ist durch die nachträgliche Bearbeitung deutlich besser auszuwerten. Projektion oder Ausdruck des bearbeiteten Mondbildes Das bearbeitete Bild kann nun vergrößert ausgedruckt oder auf eine Tafel projiziert werden. Ziel ist es, den auf der Tafel abgebildeten "Radius" des Mondes mit dem zu ermittelnden abgebildeten "Radius" des Kernschattens in Relation zu setzen - entweder auf Ausdrucken oder mithilfe des an die Tafel projizierten Bildes. Hieraus ergibt sich dann die Relation des Winkelradius des Mondes und des Kernschattens in Mondabstand, die sich im gleichen Verhältnis wie die Radien der Projektion teilen müssen. Geometrische Auswertung Abb. 2 veranschaulicht, wie man den Radius des Kernschattens bestimmt (A = Projektion des Kernschattenradius, E = Projektion des Mondradius). Die Konstruktion kann auch mit einem Vektorgrafikprogramm (zum Beispiel OpenOffice-Anwendung Draw) erzeugt werden. Zunächst wählt man drei Punkte, die auf dem Kreisbogen liegen (grün), und verbindet diese zu zwei Sekanten (rot). Anschließend werden die Mittelsenkrechten (blau) der Sekanten gebildet, die sich im Mittelpunkt des Kreises treffen. Damit ergibt sich der Radius A des abgebildeten Kernschattens durch den Abstand zwischen den grünen Punkten auf dem Kreisbogen und dem Schnittpunkt der blauen Mittelsenkrechten. Der Radius E des abgebildeten Mondes lässt sich über dessen leicht bestimmbaren Durchmesser berechnen. Aus Schritt 3 (siehe oben) ist der Winkelradius des Mondes epsilon bekannt. Gesucht ist der Winkelradius alpha des Kernschattens der Erde (in Mondentfernung). Wenn wir das Verhältnis alpha/epsilon kennen würden, könnten wir alpha direkt berechnen. Das Verhältnis alpha/epsilon ist nämlich genau so groß, wie das Verhältnis der Radien A/E auf dem Ausdruck (Abb. 2). Für die Bestimmung der Mondentfernung wird in schulischen Projekten meist die Methode der Triangulation benutzt (siehe Unterrichtseinheit Bestimmung der Mondentfernung durch Triangulation ). Dieses Verfahren erlaubt eine relativ exakte Bestimmung des Abstandes. Die Methode lässt sich in jeder Nacht durchführen, in der der Mond in Verbindung mit zwei hellen, weiter entfernten Objekten zu sehen ist (Planeten, helle Sterne), ist jedoch organisatorisch recht aufwändig: Partnerschulen müssen gefunden und die Messungen sehr exakt und gut koordiniert durchgeführt werden. Bei der Bestimmung der Mondentfernung mithilfe einer Mondfinsternis ist man dagegen von Partnerschulen unabhängig. Man benötigt jedoch zur rechten Stunde gute Sicht! Zwar sind für die Triangulations-Methode geeignete Konstellationen "haltbarer", jedoch ist der Anlass einer Mondfinsternis für Schülerinnen und Schüler sicher motivierender und spektakulärer als eine Konstellation "Mond und zwei Sterne". Die Wahl der Methode ist natürlich auch vom "Terminplan" der Himmelskörper abhängig. Je nach Jahreszeit ist es in Deutschland nicht unwahrscheinlich, dass das Wetter einen Strich durch die Planung macht. Tritt dieser Fall ein, kann dann auf die nächste Mondfinsternis warten, eine in naher Zukunft gelegene Konstellationen ausgucken, die für die Triangulationsmethode geeignet ist, oder auf Mondfinsternisfotos "aus der Konserve" zurückgreifen, die natürlich ohne eigene Beobachtung ausgewertet werden können. Dabei können auch verschiedene Fotos von verschiedenen Kleingruppen oder in Partnerarbeit ausgewertet werden. Wie sieht der Mittelwert der Ergebnisse aus und welche Gruppe war am nächsten am "offiziellen" Wert dran? Wie weit ist es nun zum Mond? Die Bahn des Mondes um die Erde ist nicht perfekt kreisförmig und die Entfernung daher nicht konstant. Vom Mittelwert (384.400 Kilometer) weicht die größte (405.500 Kilometer) und die kleinste Entfernung (etwa 363.200 Kilometer) um etwa 5,5 Prozent ab. Visualisierung Der Mond liegt zwar - in astronomischen Maßstäben - vor unserer Haustür. Dennoch ist die in Zahlen gefasste Entfernung nicht mehr anschaulich. Hilfreicher sind für die Veranschaulichung sind grafische Darstellungen, wie zum Beispiel die folgenden, die uns der Amateur-Astronom Thomas Borowski freundlicherweise zur Verfügung gestellt hat: Wie und warum messen Forscher heute die Mondentfernung? Astronauten des Apollo-Programms hinterließen auf der Mondoberfläche einen Reflektor. Von der Erde aus werden kurze und intensive Laserblitze auf den Reflektor abgeschossen. Die Zeit zwischen dem "Schuss" und dem Eintreffen der Reflexion wird mit einer Atomuhr exakt gemessen. Mit dieser zentimetergenauen Methode konnte man feststellen, dass sich der Mond pro Jahr etwa um 3,8 Zentimeter von der Erde entfernt. Wegen den Gezeitenkräften findet ein fortlaufender Rotationsenergie- und Drehimpulstransfer von der rotierenden Erde zum Mond statt. Dieser Transfer bewirkt nicht nur die Abstandsvergrößerung des Mondes, sondern im gleichen Maße eine Verlangsamung der Erdrotation - die Tage dauern also immer länger! Aus kleinen Laufzeitänderungen, die von verschiedenen Messstationen auf der Erde registriert werden, sind Aussagen über die Kontinentaldrift möglich.