In dieser Unterrichtseinheit zum Thema DNA wiederholen die Lernenden anhand dreier Videos ihr bereits erarbeitetes Wissen über Genetik. Dabei wird der Bezug zu den Forscherinnen und Forschern hergestellt, die diese Erkenntnisse erst möglich gemacht haben. Die Einheit eröffnet einen Einstieg in das Thema "molekulargenetische Werkzeuge". Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden. Die Lernenden erfahren, welche nobelpreisgekrönten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unser heutiges Wissen über Genetik erforscht haben und erhalten einen chronologischen Überblick über deren Forschung. Anschließend erfahren sie, wie der heutige Stand der molekulargenetischen Forschung ist und worauf diese abzielt. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen, um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier "Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht" . Das Thema DNA im Unterricht Im naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufe II spielt der Themenbereich Genetik, und darin verortet das Thema DNA beziehungsweise DNS (Desoxyribonukleinsäure), eine große Rolle. Der Biologie-Unterricht zum Thema DNA kann dabei thematisch eng mit den historischen und aktuellen Forschungen von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Bereich der Genetik verknüpft werden. Bedingt durch moderne wissenschaftliche Verfahren, die gezielte Eingriffe in die DNA von Lebewesen ermöglichen, ist im Rahmen der Unterrichtsreihe auch eine Betrachtung der aktuellen Entwicklungen unter ethischen Gesichtspunkten sinnvoll und notwendig. Vorkenntnisse Die Lernenden sollten den Aufbau der DNA, die Abläufe der Proteinbiosynthese, den genetischen Code sowie Gen-, Chromosom- und Genom-Mutationen kennen. Für die Lehrkraft kann Hintergrundwissen über die Nutzung von Gentechnik in der Landwirtschaft sowie in der Medizinforschung hilfreich sein. Didaktische Analyse Das Unterrichtsmaterial der Einheit "DNA: Baupläne, Vervielfältigung und Veränderungen" zeigt, wie unser heutiges Wissen über DNA entstanden ist und wie die Forschung verschiedener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aufeinander aufbaut. Dadurch erhalten die Lernenden einen komprimierten Überblick über die umfangreichen im Unterricht bereits bearbeiteten Inhalte der Genetik. Dieser Überblick führt weiter zur aktuellen Gentechnik und kann einerseits zur Erarbeitung der Bedeutung molekulargenetischer Werkzeuge genutzt werden, ermöglicht andererseits aber auch ethische Betrachtungen der Chancen und Risiken (etwa ausgehend von den auf Arbeitsblatt 3 vorgestellten Knock-Out Mäusen oder auch im Anschluss an die arbeitsteilige Gruppenarbeit auf Arbeitsblatt 4). Methodische Analyse Der Impuls zum Einstieg reaktiviert das Wissen der Lernenden über die Struktur der DNA, da zumindest die Wissenschaftler James Watson und Francis Crick bereits aus dem Unterricht bekannt sein sollten. Dadurch können die Lernenden vermuten, dass es sich bei allen gezeigten Personen um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Bezug zur Genetik handelt, und sie werden dazu motiviert, dies genauer herauszufinden. Da alle drei Videos zwar kurz sind, aber sehr viele Informationen beinhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Lernenden die Videos in Partnerarbeit in ihrem eigenen Tempo betrachten können, um die gefragten Informationen zu finden. Mit dem Arbeitsblatt entsteht dann ein chronologischer Überblick über die Forschung zur DNA. Die Betrachtung der aktuellen Gentechnik erfolgt gesondert. Je nach Bedarf kann die Bearbeitung des Themas "molekulargenetische Werkzeuge" ganz allgemein bleiben; eine arbeitsteilige Gruppenarbeit ermöglicht aber auch, dass sich die Lernenden vertiefend mit dem Thema auseinandersetzen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben molekulargenetische Werkzeuge und erklären deren Bedeutung für gentechnische Grundoperationen. beschreiben aktuelle Entwicklungen in der Biotechnologie bis hin zum Aufbau von synthetischen Organismen in ihren Konsequenzen für unterschiedliche Einsatzziele und bewerten sie. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können zu biologischen Fragestellungen relevante Informationen und Daten in verschiedenen Quellen, auch in ausgewählten wissenschaftlichen Publikationen, recherchieren, auswerten und vergleichend beurteilen. präsentieren biologische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse adressatengerecht. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten mit einer Partnerin beziehungsweise einem Partner oder in einer Gruppe gleichberechtigt, zielgerichtet und zuverlässig.

Ein Rastertunnelmikroskop (RTM) oder Scanning Tunneling Microscope (STM) ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Betrachtung und näheren Untersuchung von Oberflächen auf der Ebene von atomaren Strukturen. Aufgrund seiner Fähigkeit, Oberflächen auf atomarer Ebene untersuchen zu können, ist das RTM auf vielen Forschungsfeldern unverzichtbar geworden. Dazu gehören unter anderem die Oberflächenanalyse, Materialforschung, Nanotechnologie sowie die Elektronik und Quantenphysik. Das RTM funktioniert nach dem Prinzip des Quantentunneleffektes, wobei es eine extrem feine Spitze von wenigen Nanometern Durchmesser (oft nur so breit wie ein Atom ) verwendet. Anhand aussagekräftiger Grafiken, Animationen und Videos werden die Lernenden an die Funktionsweise eines RTM hingeführt. Die bereits bekannten Gesetzmäßigkeiten zum Tunneleffekt finden beim RTM ihre Anwendung und dienen dazu, Berechnungen zum groben Verständnis des komplexen Gerätes anzustellen. Das Rastertunnelmikroskop – eine Anwendung des Tunneleffektes Die Besprechung der Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops dient dazu, den Tunneleffekt in seiner praktischen Anwendung den Lernenden näherzubringen. Mit einem RTM kann ein präzises Relief einer Materialoberfläche sichtbar gemacht werden. Mit dem möglichen Auflösungsvermögen können klassische Lichtmikroskope um das Tausendfache übertroffen werden, sodass selbst einzelne Atome eines Materials sichtbar gemacht werden können. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können vorausgesetzt werden, wenn der zugrundeliegende Tunneleffekt im Unterricht besprochen wurde. Damit lassen sich einfache Übungsaufgaben lösen, die einen Einblick in die Möglichkeiten des RTM bieten. Didaktische Analyse Die Behandlung des interessanten Themas mithilfe von computergenerierten Mikroskopbildern, die teilweise faszinierende Landschaften von eigener Ästhetik zeigen, kann durchaus dazu dienen, den Schülerinnen und Schülern ein Bild von der Besonderheit naturwissenschaftlicher Forschung näherzubringen. Methodische Analyse Das Thema RTM sowie der zugrundeliegende Tunneleffekt in der Quantenphysik sind schwierige Themen. Dennoch ist es möglich, durch vielfältiges Bildmaterial und entsprechend nachvollziehbare Gesetzmäßigkeiten den Lernenden zu zeigen, dass solche Themen trotzdem in ihrer prinzipiellen Form verstanden werden können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Funktionsweise eines RTM beschreiben und erläutern. wissen um die Bedeutung solcher Präzisionsgeräte für die naturwissenschaftliche Forschung. können ergänzende Übungsaufgaben berechnen und damit die Zusammenhänge bei der Funktionsweise eines RTM besser verstehen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. diskutieren zu können.

In der Unterrichtseinheit "Saturn" nehmen die Lernenden den Ringplaneten unter Beobachtung. Die Observation der Saturnringe mit eigenen Augen hinterlässt einen bleibenden Eindruck. Auch der außergewöhnliche Mond Titan kann mit einfachen Mitteln gesichtet werden. Ein Blick auf den Gasriesen lohnt sich besonders während der Monate um die jährlichen Oppositionen. Mit dem Erscheinungsbild des Saturn und seines eindrucksvollen Ringssystems sind wir bestens vertraut: Im Internet und in Fernsehsendungen begegnen uns immer wieder Bilder der Raumsonden Voyager und Cassini. Und trotzdem löst der Blick mit dem eigenen Auge auf das Original - auch in vergleichsweise kleinen Amateurgeräten - Verwunderung, Überraschung und Faszination aus. Zur Vorbereitung und Auswertung von Saturn-Beobachtungen steht eine ganze Palette digitaler Werkzeuge kostenfrei zur Verfügung. Der fachliche Hintergrund kann mithilfe von Internetrecherchen und interaktiven Online-Anwendungen im Computerraum oder am heimischen Rechner abwechslungsreich und auch spielerisch vertieft werden. Informationen zur Sichtbarkeit des Planeten am Abendhimmel finden Sie unter Links und Literatur . Zur Vorbereitung der Beobachtung können mithilfe kostenfreier Planetarium-Software (z.B. Stellarium ) Simulationen durchgeführt und Sternkarten ausgedruckt werden. Die Beschäftigung mit dem Thema Saturn kann im Rahmen einer Astronomie AG oder des Differenzierungsunterrichts methodisch und inhaltlich sehr vielseitig gestaltet werden: Neben Internetrecherchen und der Nutzung des Rechners als Werkzeug gilt es die positiven Effekte eines gemeinsamen Naturerlebnisses mitzunehmen. Inhaltlich spannt sich der Bogen von den Beobachtungen und Zeichnungen Galileo Galileis (1564-1642) und Christiaan Huygens' (1629-1695) bis hin zur Landung einer Sonde auf der Oberfläche des Saturnmonds Titan im Jahr 2005 und den Ergebnissen der Cassini-Mission. Beobachtung der Saturnringe Was sieht man von den Ringen mit welcher Ausrüstung? Wie entstehen die verschiedenen Ringstellungen? Welche Ausstattung benötigt man für fotografische Dokumentationen? Der Saturnmond Titan Titan ist bereits mit leichtem Gerät sichtbar. Er ist der einzige Mond des Sonnensystems mit einer Atmosphäre. Dies macht ihn zum Spekulationsobjekt der Exobiologie. Virtuelle Exkursionen Mit Online-Anwendungen von ZDF und NASA können Schülerinnen und Schüler das Saturnsystem virtuell erkunden. Eigene Beobachtungen werden mit Stellarium vorbereitet. Die Schülerinnen und Schüler beobachten gemeinsam den Abendhimmel und finden mithilfe einer Aufsuchkarte (Planetariumsoftware) den Planeten Saturn. sehen mithilfe eines Spektivs (wie es zum Beispiel Hobby-Ornithologen verwenden) oder eines Amateurteleskops (Schulteleskop, Volkssternwarte) das Ringsystem des Planeten mit eigenen Augen. verstehen die Entwicklung der Ringöffnung im Laufe eines Saturnjahres und schulen so ihr räumliches Vorstellungsvermögen. identifizieren den Saturnmond Titan am Himmel und lernen die Ergebnisse der Huygens-Mission kennen. wissen, was Galileo Galilei (1564-1642) und Christiaan Huygens (1629-1695) mit den Teleskopen ihrer Zeit gesehen und wie sie ihre Beobachtungen interpretiert haben. informieren sich mithilfe von Internetrecherchen und interaktiven Online-Anwendungen über Saturn und Titan, seinen größten Mond. lernen Stellarium und Bildbearbeitungssoftware als Werkzeuge zur Vorbereitung kennen und nutzen diese. Zudem erlernen sie die Dokumentation und Auswertung astronomischer Beobachtungen. Der Besuch einer Volkssternwarte lohnt sich! Betrachtet man den gelblich leuchtenden Saturn in einem fest montierten Fernglas bei 15-facher Vergrößerung, kann man bei entsprechender Ringstellung bereits eine elliptische Form erkennen. Im Jahr der Veröffentlichung dieses Artikels hat sich sich dieser Effekt allerdings nicht eingestellt, denn zur Zeit der Opposition im Jahr 2010 beträgt die Ringöffnung nur 3,2 Prozent. Bei 40-facher bis 60-facher Vergrößerung sieht Saturn dann daher wie ein "Durchmesser-Symbol" aus - das Ringsystem erscheint als Strich. Dieser Anblick lässt sich bereits mit einem guten Spektiv erzielen, wie es von Hobby-Ornithologen verwendet wird. Eine Volkssternwarte in Ihrer Nähe finden Sie mithilfe des German Astronomical Directory: German Astronomical Directory (GAD) Hier finden Sie eine Zusammenstellung astronomischer Vereine, Sternwarten und Planetarien von David Przewozny. Form und Atmosphäre Eine Kantstellung der Ringe begünstigt die Wahrnehmung der abgeplatteten Gestalt des Planeten (siehe Abb. 1). Diese ist eine Folge der Kombination aus geringer mittlerer Dichte (in Wasser würde Saturn schwimmen) und schneller Rotation (ein Saturntag dauert weniger als elf Stunden). Der Äquatordurchmesser beträgt 120.000 Kilometer, der Poldurchmesser nur 108.000 Kilometer. Wolkenbänder sind in kleineren Amateurgeräten (ohne Bildbearbeitung) nicht zu erkennen. Das heißt aber nicht, dass es in der Saturnatmosphäre ruhig zugeht - hier treten Windgeschwindigkeiten von 1.800 Kilometern pro Stunde auf! Der Planet wendet uns seine Südhalbkugel maximal zu. Seine Ringe sind maximal geöffnet. Etwa 7,5 Jahre später blicken wir auf die Ebene der Ringe, die dann nur als Strich erscheinen und für kurze Zeit verschwinden. Nach weiteren etwa 7,5 Jahren wendet uns der der Planet seine Nordhalbkugel maximal zu, und die Ringe erscheinen wiederum weit geöffnet. In den nächsten Jahren schließen sich die Ringe für uns wieder, bis wir nach 7,5 Jahren wiederum ihre Kante betrachten. Danach öffnen sie sich und nach dreißig Jahren ist ein "Ringzyklus" vollendet: Saturn wendet uns wieder seine Südhalbkugel bei maximal geöffneten Ringen zu. Das gute alte Zeichnen trainiert wie kaum eine andere Übung die naturwissenschaftliche Grundfertigkeit des genauen Beobachtens. Das Zeichnen zwingt uns, wirklich genau hinzusehen und ermöglicht die Wahrnehmung vieler Details, die dem in der Regel flüchtigen ersten Blick fast immer entgehen. Zeichenstunden am Teleskop Lernende auf den Spuren Galileis: Objekte werden studiert und die naturwissenschaftlichen Grundtechniken des genauen Beobachtens und Protokollierens geübt. Im Rahmen der Beschäftigung mit dem Thema Saturn sollten die Schülerinnen und Schüler auch die Meilensteine der Saturnforschung kennen lernen und insbesondere wissen, was Galileo Galilei (1564-1642) und Christiaan Huygens (1629-1695) mit den Teleskopen ihrer Zeit gesehen und wie sie ihre Beobachtungen interpretiert haben. Informationen dazu bieten die folgenden Internetseiten: astronomy2009.org: Darstellung der Venusphasen von Galileo Galilei Die Darstellung von 1623 zeigt Saturn, Jupiter, Mars und die Phasen der Venus (aus: Il saggiatore, In Roma, appresso Giacomo Mascardi). Galilei deutete die Ringe als "Henkel". Astrolexikon: Die Erforschung des Saturn Meilensteine in der Saturnforschung; hier finden Sie unter anderem eine Skizze von Christiaan Huygens, der als erster die Natur der Saturnringe verstand. Titan ist schon in einem lichtstarken Feldstecher als leicht rötlicher Begleiter des Ringplaneten zu sehen. Mit einem Durchmesser von 5.150 Kilometern ist er nach dem Jupitermond Ganymed der zweitgrößte Mond im Sonnensystem. Auch die anderen größeren Saturnmonde, wie Dione und Rhea, sind für mittlere Amateurteleskope kein Problem. Insgesamt kennt man heute etwa 60 Saturntrabanten. Die Positionen der fünf hellsten Saturnmonde kann man über ein Applet auf der Webseite der Western Washington University für jeden gewünschten Zeitpunkt anzeigen lassen: Western Washington University Planetarium Das Java-Applet zeigt die Position der fünf größten Saturnmonde. Beachten Sie die verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten („Direct view“, Inverted view“, „Mirror reversed“). Maßanfertigung von Himmelskarten Stellarium ist ein ideales Werkzeug zur Vorbereitung astronomischer Beobachtungen. Mit der kostenfreien und plattformunabhängigen Software können Sie den Sternhimmel zu jeder Zeit an jedem Ort simulieren. Abb. 11 zeigt als Beispiel einen Blick auf den Kölner Abendhimmel am 22. März 2010 um etwa 21:00 Uhr in Richtung Südosten. Klicken Sie zur Vergrößerung des Ausschnitts die Himmelskarte an. Saturn hat seine Opposition erreicht und ist unterhalb des Löwe in dem eher unscheinbaren Sternbild Jungfrau nicht zu verfehlen. Die astronomischen Jahrbücher informieren über die Positionen von Planeten und Monden: Ahnert Astronomisches Jahrbuch, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft (Heidelberg) Keller Kosmos Himmelsjahr, Kosmos Verlag

In diesen auf Project-Based Learning basierenden Moodle-Kursen untersuchen und erklären Schülerinnen und Schüler interessante und relevante naturwissenschaftliche Phänomene. Bei jeder dieser sogenannten Curriculum Replacement Units (CRU) handelt es sich um eine kontextorientierte, vernetzende, digitale Unterrichtseinheit zum Basiskonzept Energie. Naturwissenschaftlicher Unterricht soll Schülerinnen und Schüler dazu befähigen, naturwissenschaftliche Phänomene zu erklären und Probleme zu lösen. Häufig können Schülerinnen und Schüler jedoch nur auswendig gelerntes, isoliertes Faktenwissen wiedergeben. Für die Erklärung von Phänomenen und die Lösung von Problemen braucht es aber eine vernetzte Wissensbasis, in der Ideen miteinander verknüpft statt isoliert sind. Zentrale Ideen verknüpfen verschiedene Teilbereiche und unterstützen daher den Aufbau einer vernetzten Wissensbasis. Die Betonung von zentralen Ideen für den Aufbau einer vernetzten Wissensbasis findet sich auch in den KMK-Bildungsstandards durch die Einführung von Basiskonzepten wieder. Mithilfe der Basiskonzepte sollen Sachgebiete der Physik stärker miteinander verbunden werden, um kumulatives Lernen zu erleichtern. Eines der Basiskonzepte und zudem eine der zentralen Ideen in Physik ist das Energiekonzept. Es lassen sich insbesondere durch die vielfältigen Manifestationen von Energie, den Energieformen, und deren Umwandlungen ineinander, unterschiedliche Sachgebiete der Physik miteinander verknüpfen. Beispielsweise können in einem elektrischen Stromkreis die Stromstärke und die Temperatur eines stromdurchflossenen Leiters über die Umwandlung von elektrischer in thermische Energie verknüpft werden Die hier zur Verfügung gestellten zehn digitalen Unterrichtseinheiten (CRUs) im Umfang von 4 bis 6 Unterrichtsstunden können zur Verknüpfung von Sachgebieten mithilfe des Basiskonzepts Energie verwendet werden. Die Links und Hinweise zu allen CRUs finden Sie am Ende dieser Seite. Beispiel einer CRU Um die elektrische Energie auf Grundlage der thermischen Energie im Anfangsunterricht der Sekundarstufe I zu vertiefen, wurde für eine der Unterrichtseinheiten die Fragestellung "Warum wird ein Laptop manchmal heiß?" identifiziert. Die Erarbeitungsphase gliedert sich nach den drei Unterfragen: Wo wird ein Laptop heiß? Wann wird ein Laptop heiß? Wie lässt sich die Erhitzung eines Laptops verhindern? Anhand von Experimenten im einfachen Stromkreis und der Erhitzung der stromdurchflossenen Leiter werden unter Einsatz einer Wärmebildkamera die ersten zwei Fragestellungen beantwortet. Zur Beantwortung der dritten Fragestellung werden die zuvor durchgeführten Experimente in Kombination mit einem Wärmerohr durchgeführt und auf diese Weise auf den (thermischen) Energietransport fokussiert. In der Reflexionsphase wird schließlich das Erlernte auf die Erhitzung eines Smartphones transferiert und mögliche Kühlungsmöglichkeiten diskutiert. Die auf dem Ansatz von Project-Based Learning basierenden Unterrichtseinheiten lassen sich in die drei Phasen Einleitung, Erarbeitung und Reflexion zerlegen. Wobei für die Einleitung eine Unterrichts-stunde, für die Erarbeitung zwei bis vier Unterrichtsstunden und für die Reflexion nochmal eine Unterrichtsstunde eingeplant werden sollte. In der Einleitungsphase sollen sich die Schülerinnen und Schüler zunächst noch keine neuen Inhalte erarbeiten, sondern sich insbesondere mit einem Phänomen und einer damit verbundenen Leitfrage beschäftigen. Gleichzeitig dient die Einleitungsphase zur Strukturierung der Unterrichtseinheit entlang der Beantwortung der Leitfrage durch die Entwicklung und Strukturierung von Unterfragen. Jede Erarbeitungsphase einer Unterrichtseinheit beginnt im ersten Schritt mit der Wiederholung der für das Phänomen beziehungsweise die Leitfrage wichtigen Energieformen. Im zweiten Schritt findet auf inhaltlicher Ebene die Vernetzung von Inhalten verschiedener physikalischer Sachgebiete über das Prinzip der Umwandlung zweier Energieformen statt. Im dritten Schritt, der Vertiefung , wird schließlich die Vernetzung durch das Aufgreifen weiterer Energieaspekte (Transfer, Entwertung und Erhaltung) vertieft und verstärkt. Passend zu den drei Schritten in der Erarbeitungsphase werden jeweils drei Unterfragen zur Leitfrage je CRU entwickelt und untersucht. Während die Einleitung der Unterrichtseinheit entsprechend vorstrukturiert ist, sind die Lernaktivitäten in der Erarbeitung bewusst variabel gehalten. Die Wahl der Lernaktivität unterscheidet sich je nach Inhalt, Klassenstufe beziehungsweise der curricularen Vorgabe und der Unterfragen. Zum Abschluss der Unterrichtseinheit werden in einer Reflexionsphase entweder die Leitfrage und die Unterfragen selbstständig durch die Schülerinnen und Schüler beantwortet. Die Schülerinnen und Schüler sollen so die Fragen nacheinander und auf diese Weise kumulativ die Leitfrage. Oder es wird eine Concept Map von den Schülerinnen und Schülern entwickelt, in der die Inhalte der Einheit grafisch von den Schülerinnen und Schülern geordnet und miteinander verbunden werden sollen. Auf diese Weise sollen die Wissensnetzwerke der Schülerinnen und Schüler expliziert und so noch nicht vorhandene Verbindungen zwischen physikalischen Ideen identifiziert werden. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigiCompEdu Modell) Die Lehrenden … … müssen sich die Moodle-Kurse unter dem jeweiligen Link herunterladen und in das Moodle der Schule hochladen. (2.1 Digitale Ressourcen auswählen) … sollten in der Lage sein, die digitale Lernumgebung so in ihren Unterricht einzubetten, dass die Lernenden einen möglichst großen Lerneffekt haben. Sie können dazu unter anderem in den einzelnen Phase der Unterrichtseinheit zwischen verschiedenen Optionen auswählen. Zum Beispiel entscheiden sie je nach Lerngruppe und lokalen Gegebenheiten zwischen Demonstrationsexperiment, Lernendenexperiment oder Video. (2.2 Digitale Ressourcen erstellen und Anpassen). Es wird empfohlen, die jeweilige Einheit wenigstens einmal selbst getestet oder im besten Fall komplett durchlaufen zu haben. Zudem ist ein grundlegendes Verständnis für den Umgang mit dem jeweiligen Endgerät (Computer, Mobiles Device,…) nötig. … sollten gewährleisten, dass allen Lernenden unabhängig von ihrer digitalen Affinität zu den eingesetzten Endgeräten oder von anderen besonderen Bedürfnissen ein Zugang zu der digitalen Lernumgebung ermöglicht wird (5.1 Lerner-Orientierung - Digitale Teilhabe). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler ordnen Alltagsbeispiel darin auftretende Energieformen zu. beschreiben und analysieren Vorgänge in denen Energie umgewandelt wird. analysieren im Sachzusammenhang vorhandene Energieformen und deren Umwandlung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erfassen, speichern und organisieren Daten und Informationen. nutzen digitale Werkzeuge zum Lernen, Arbeiten und Problem lösen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler lösen Probleme, indem sie zum Verständnis von Phänomenen wesentliche Leitfragen entwickeln und diese in Unterfragen aufteilen und beantworten. denken kritisch, in dem sie die Antworten auf die Unterfragen zusammenfassen und hinsichtlich der Phänome und Leitfragen reflektieren. organisieren Wissen, in dem sie verschiedene Teilbereiche der Physik durch zentrale Ideen vernetzen und so eine vernetzte Wissensbasis konstruieren. Fischer, Julian Alexander; Steinmann, Tatjana; Kubsch, Marcus et al.: Die Rettung der Phänomene! Durch Leitfragen sinnstiftendes Lernen initiieren und strukturieren. in: MNU Journal, Jahrgang 74, Nr. 2, 03.2021, S. 140–145. Weßnigk, Susanne; Neumann, Knut; Kerres, Michael: Energie unterrichten über eine digitale Lehr-Lernplattform – Konzeption von Unterrichtseinheiten mit digitalen Medien und Werkzeugen. in: Unterricht Physik 179, 2020, S. 31–36 *Die Hauptenergieform ist die Energieform, die in der letzten Stunde eingeführt wurde. Diese soll mit Bezug zur Bezugsenergieform, die zuvor unterrichtet wurde, vertieft werden.

In dieser Unterrichtseinheit zur Kartographie lernen die Schülerinnen und Schüler, wie aus digitalen Satellitenbildern eine thematische Karte erstellt wird. Ausgangspunkt ist ein Satellitenbild, das zunächst rein visuell interpretiert und dann mit einem technischen Hilfsmittel weiterführend klassifiziert werden soll. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar.Als Grundlage der räumlichen Orientierung spielen Karten eine wesentliche Rolle im täglichen Leben und im Geographieunterricht. Während sie meist als gebrauchsfertiges Arbeitsmittel vorgegeben sind, steht in dieser Unterrichtseinheit die Entstehung einer Karte im Mittelpunkt: Aus einem Satellitenbild entwickeln die Schülerinnen und Schüler eine thematische Karte. Dabei werden Flächen am Rechner mithilfe von Reglern entsprechend ihrer Farb-Eigenschaft klassifiziert. Die Unterrichtseinheit ist im Rahmen des Projekts "Fernerkundung in Schulen" (FIS) am Geographischen Institut der Universität Bonn entstanden. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II.Die Unterrichtseinheit soll Lernende in die Lage versetzen, mit einfachen Analysewerkzeugen aus einem digitalen Satellitenbild eine thematische Karte abzuleiten und Aussagen in Bezug auf die Landschaftszusammensetzung formulieren zu können. Inhalte und Einsatz der Lernumgebung im Unterricht Hier erhalten Sie Hinweise zum Aufbau der Lernumgebung "Vom Satellitenbild zur Karte". Screenshots veranschaulichen die Funktionen und die interaktiven Übungen zum Themenfeld Satellitenbilder und Karten. Die Schülerinnen und Schüler können die Draufsicht auf Objekte deuten. können Satellitenbilder lesen und interpretieren. können sich mithilfe von Satellitenbildern und Karten räumlich orientieren. können einen Klassifikationsschlüssel erstellen. können aus Satellitenbildern thematische Karten ableiten. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit bedient sich der spezifischen Möglichkeiten des Computers, um die Kartographie durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- oder Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "SatKarte.exe", unter anderen Betriebssystemen durch Klick auf die Datei "SatKarte.swf" gestartet. Dafür ist der Adobe Flash Player ( kostenloser Download ) notwendig. Eigenschaften und Nutzerführung Die Lernumgebung "Vom Satellitenbild zur Karte" gliedert sich in drei inhaltlich aufeinander aufbauende Bereiche: die Einführung in das Thema "Satellitenbild", den Bereich "Klasse & Farben" sowie den "Bildvergleich". Der jeweils aktivierte Bereich wird auf der linken Leiste eingeblendet. Während der erste Teil einen Einblick in die Thematik liefert und die übergeordnete Aufgabestellung benennt, zielt der zweite Teil auf die Kartenerstellung ab. Der letzte Teil dient dem Vergleich und der Evaluierung der gewonnenen Ergebnisse. Jeder Teil beinhaltet einen Aufgabeteil, eine Info-Box mit Hintergrundinformationen sowie ein abschließendes Quiz. Erst nach dem Bestehen dieser kleinen Übung wird der jeweils folgende Teil der Lernumgebung zugänglich und erscheint in der Seitenleiste. Danach ist auch ein Springen zwischen den Teilbereichen möglich. Ergänzt wird das Modul durch Tutorials, die die Nutzung der Lernumgebung veranschaulichen. Arbeit in Zweierteams Der Ablauf der Unterrichtsstunden wird durch die Struktur des Computermoduls vorgegeben. In Zweierteams erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler die Inhalte der Lernumgebung. Der Unterricht beginnt jeweils mit einer Erläuterung des Moduls und gegebenenfalls der Aufgabenstellung. Dann folgt die selbstständige Erarbeitung und Überprüfung der Kenntnisse im Quiz (Partnerarbeit). Abschließend können die Ergebnisse jeder Stunde noch einmal im Plenum gebündelt werden. 1. Einführung In der ersten Stunde führt das Computermodul mit einem Satellitenbild in die Thematik ein. Die Lernenden erhalten über eine Info-Box Hintergrundwissen zu den Themen Satellitenfernerkundung und Analyse von Satellitenbildern. Ihre Aufgabe besteht darin, sich auf dem Satellitenbild zu orientieren und Informationen über die Landoberflächen zu gewinnen (Abbildung 1, Platzhalter bitte anklicken). Zur Überprüfung und Festigung des Gelernten dient ein Quiz, das man über den Button (siehe Abbildung 1, unten rechts) erreicht. Erst nachdem sie es erfolgreich absolviert haben, gelangen die Schülerinnen und Schüler in den nächsten Bereich der Lernumgebung. 2. Klassen und Farben Der zweite Teil widmet sich der Einführung in die Erstellung von Karten. Zunächst sollen sich die Lernenden auf einem Satellitenbild orientieren. Danach veranschaulicht ein Video-Tutorial (Abbildung 2) den Umgang mit den interaktiven Reglern zur Markierung von Flächen (Abbildung 3). Das Video zeigt auch, wie vorgenommene Klassifizierungen der Landoberflächen als eigene thematische Karte gespeichert werden. Bei der Erstellung ihrer Karten können die Lernenden immer wieder auf das Tutorial zurückgreifen. Weitergehende Informationen erhalten sie auch hier durch eine Info-Box. Ein Quiz beendet auch diesen Abschnitt der Lernumgebung. 3. Bildvergleich Hier können die Schülerinnen und Schüler ihre eigene Karte mit einer von Fachleuten erstellten Karte vergleichen. Mit dem sogenannten "Swipe"-Werkzeug (Abbildung 4) können die Karten übereinandergelegt und interaktiv miteinander verglichen werden. Die Lernenden erkennen so mögliche Zuordnungsfehler und können die eigene Karte vom Rechner optimieren lassen. Eine Info-Box gibt grundlegende Informationen zum Verständnis des technischen Verfahrens. Abschließend werden die selbst erstellten Karten im Plenum vorgestellt, verglichen und diskutiert.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Zugvögel verfolgen die Lernenden den Zugweg des Schreiadlers von seinem Brutgebiet in Europa bis zum Überwinterungsgebiet in Afrika. Dabei setzen sie sich nicht nur mit den Besonderheiten des Vogels, sondern auch mit den verschiedenen Landschaften zwischen Europa und Afrika auseinander. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar.Umweltverschmutzung, Übernutzung von Ressourcen und Klimawandel tragen dazu bei, dass sich immer weniger Arten an die veränderten Umweltbedingungen anpassen können. Der Schreiadler dient in dieser Unterrichtseinheit als charakteristisches Beispiel für eine solche Art. Anhand seiner Zugroute in sein Überwinterungsgebiet erhalten die Schülerinnen und Schüler neben Informationen über den Vogel auch einen Überblick über verschiedene Landschaftsformen, die der Adler überfliegt. Dabei sollen sich die Schülerinnen und Schüler über eine sinnvolle Einteilung der Landschaftszonen (Biome) Gedanken machen und diese mithilfe diverser Tools in Google Earth einfügen. Die Unterrichtseinheit ist im Rahmen des Projekts "Fernerkundung in Schulen" am Geographischen Institut der Universität Bonn entstanden. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II.Ziel der Unterrichtseinheit ist es, mithilfe des Geobrowsers Google Earth den Zugweg des Schreiadlers nachzuvollziehen. Dabei sollen sich die Schülerinnen und Schüler in erster Linie mit den jeweiligen Landschaftsformen beschäftigen, die der Schreiadler durchfliegt, und sich Gedanken über eine sinnvolle Kategorisierung der Biome machen. Darüber hinaus soll durch die Informationsverarbeitung mittels des Computers auch die Methodenkompetenz geschult werden. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Vorteile der Fernerkundung für biologische Fragestellungen kennen und üben sich im Umgang mit Geobrowsern. Auf Basis von Fernerkundungsdaten beschäftigen sie sich mit grundlegenden Methoden der Fernerkundung. Technische Hinweise und Unterrichtsverlauf Mithilfe des Geobrowsers Google Earth vollziehen die Lernenden den Zugweg des Schreiadlers nach und analysieren die verschiedenen Landschaftsformen auf der Strecke. Die Schülerinnen und Schüler können spezifische Merkmale des Schreiadlers benennen. können den Zugweg des Schreiadlers beschreiben und kartographisch darstellen. können aus jahreszeitlichen Veränderungen der globalen Vegetationsbedeckung Biome ableiten und diese kartographisch darstellen. können die Lebensräume auf dem Zugweg des Schreiadlers charakterisieren. können die Grundfunktionen von Google Earth anwenden. Informationen zum Schreiadler Zunächst erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler mithilfe des Steckbriefs die wichtigsten Fakten zu dieser Vogelart. Anschließend können sie Google Earth starten und die beiden Dateien schreiadler_winter.KMZ und schreiadler_sommer.KMZ analysieren. Die Lehrkraft sollte erläutern, dass es sich bei den abgebildeten Karten um eine Darstellung der photosynthetischen Aktivität der Vegetation (des NDVI) zu zwei Zeitpunkten handelt. Mit dem Wissen aus dem Steckbrief, der Erläuterung über den NDVI sowie einer kurzen Orientierung in Google Earth bearbeiten die Schülerinnen und Schüler die erste Aufgabe des Arbeitsblattes. Mithilfe des Pfad-Werkzeuges tragen die Lernenden den vermuteten Zugweg des Schreiadlers in Google Earth ein. Nachdem die Schülerinnen und Schüler den Zugweg des Adlers in Google Earth markiert haben, sollen sie sich mit den überflogenen Landschaften genauer beschäftigen (Aufgabe 2 des Arbeitsblattes). In der letzten Phase stellen die Schülerinnen und Schüler ihre Beobachtungen, Vorgehensweisen und Ergebnisse (Zugweg, Einteilung der Biome) einander vor. Eine Evaluation kann sowohl in einem Gruppengespräch als auch durch gemeinsames Betrachten der KMZ-Datei "schreiadler_zugweg_biome.kmz" erfolgen. In dieser Datei ist der tatsächliche Zugweg eines Schreiadlers aufgezeichnet, der mit einem GPS-Sender ausgestattet war. Diese Route kann zum Vergleich mit dem Streckenverlauf, den die Lernenden vorgeschlagen haben, herangezogen werden.

Diese Unterrichtseinheit zur Bildverbesserung mit Statistik versetzt die Lernenden in die Lage, Fehler in Satellitenbildern zu erkennen und diese zu bereinigen. Dazu wenden sie Kenntnisse der Stochastik an, die sie im Mathematik-Unterricht erlernt haben. Das Ziel der Unterrichtseinheit "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" ist es, Schülerinnen und Schüler mit einfachen Analysewerkzeugen auszustatten, mit denen sie selbstständig Daten erheben und mithilfe des arithmetischen Mittels und des Medians auswerten können. Als Datenquelle steht ihnen ein Satellitenbild zur Verfügung, aus dem sie Bildwerte auslesen können. Die statistischen Methoden wenden die Lernenden an, um Bildkorrekturen an dem Satellitenbild vorzunehmen und dadurch Aufnahmefehler zu korrigieren. Die Unterrichtseinheit ist im Rahmen des Projekts "Fernerkundung in Schulen" (FIS) am Geographischen Institut der Universität Bonn entstanden. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II. Mathematische Methoden realitätsnah anwenden Die Stochastik ist eine zentrale inhaltsbezogene Kompetenz des Mathematikunterrichts, die in der Regel in der Jahrgangsstufe 7 vermittelt wird. Die Schülerinnen und Schüler erheben dabei Daten und werten sie unter Anwendung statistischer Methoden aus. Ein wichtiger Bestandteil ist die Betrachtung und Interpretation relativer Häufigkeiten und Mittelwerte, insbesondere des arithmetischen Mittels und des Medians. Nutzen die Schülerinnen und Schüler diese Methoden anhand realitätsnaher und anwendungsbezogener Beispiele, spricht dies besonders ihre Problemlösungskompetenz an. Ablauf Die Lernumgebung "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" Hier finden Sie Hinweise zum Aufbau der Lernumgebung. Die Abbildungen veranschaulichen die Funktionen und die interaktiven Übungen zu den Themenfeldern "Stochastik und Mittelwerte" und "Bildverbesserung". Die Schülerinnen und Schüler führen anhand des arithmetischen Mittels und des Medians Mittelwertberechnungen durch. wenden Mittelwert-Filter zur Rauschunterdrückung auf digitale Satellitenbilder an. können das Prinzip eines "Moving Window" erklären. beschreiben die Unterschiede zwischen dem arithmetischen Mittel und dem Median anhand der Ergebnisse der Korrektur eines Satellitenbildes. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "Bildverbesserung.exe" geöffnet. Unter anderen Betriebssystemen wird die Datei "Bildverbesserung.html" in einem Webbrowser geöffnet. Hierfür wird der Adobe Flash Player benötigt. Wichtig ist in beiden Fällen, dass die heruntergeladene Ordnerstruktur erhalten bleibt. Einleitung Nach dem Start des Lernmoduls "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" sehen die Schülerinnen und Schüler den Einführungstext, der sie über den Inhalt und den Aufbau informiert. Im rechten Bereich des Fensters ist ein Falschfarben-Bild des RapidEye-Satelliten zu sehen (Abbildung 1). Das Bild zeigt die Stadt Bratsk in Sibirien. Führt man die Mouse über das Bild, kann man unter dem zuerst sichtbaren stark verrauschten Bild ein korrigiertes Bild aufdecken. Dies weist auf die Ziele der Bildkorrektur hin, die im Laufe des Lernmoduls entdeckt werden können. Durch das Schließen des Fensters gelangen die Schülerinnen und Schüler in den ersten Teil des Lernmoduls. Sollten Unklarheiten bezüglich der Bedienung auftauchen, lässt sich durch einen Klick auf das Fragezeichen-Symbol am oberen rechten Rand des Lernmoduls jederzeit eine Bedienungshilfe aufrufen. Erster Teil: Hintergrundwissen Der erste Teil des Lernmoduls "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" legt als Hintergrundwissen die Grundlagen für die spätere Arbeit mit den Satellitenbildern im zweiten Modulteil. Dieser Teil besteht aus zwei Rubriken. In der ersten werden die Berechnung des arithmetischen Mittels und des Medians erklärt. Mit einem Klick auf den rechten grünen Balken mit der Kennzeichnung "2" öffnet sich die zweite Rubrik, in der die Funktionsweise eines Moving Windows (= Kernel) erklärt wird. Dies wird mithilfe einer kurzen Animation dargestellt. Es kann jederzeit zwischen Rubrik 1 und 2 hin- und hergeschaltet werden. Nachdem sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Hintergrundwissen beschäftigt haben, gelangen sie über einen Klick auf das Feld "Quiz" in der Navigationsleiste in einen Bereich, in dem das erlernte Wissen kontrolliert werden kann. Für eine Beispiel-Bildmatrix berechnen sie den Mittelwert und den Median. Anwendung der Kantendetektion Im zweiten Modulteil erhalten die Schülerinnen und Schüler die Bilddaten und mathematischen Werkzeuge, um Korrekturen an den RapidEye-Daten vornehmen zu können. Zunächst öffnet sich ein Fenster mit Aufgaben, an denen sich die Lernenden während ihrer Arbeit orientieren können. Die Schülerinnen und Schüler erhalten drei RapidEye-Bilder des gleichen Bildausschnitts, die alle unterschiedliche Fehler aufweisen. Zur Kontrolle erhalten sie ein fehlerfreies Bild. Per drag & drop können die Bilder in das Hauptfenster gezogen werden. Im rechten Bereich des Anwendungsbereichs befinden sich die Werkzeuge, mit denen die Schülerinnen und Schüler die Bilddaten bearbeiten können. Unter "Filter wählen" können sie zwischen dem Mittelwert- und dem Median-Filter umschalten. Durch einen Klick in das Bild wird ein 3x3-Pixel-Fenster ausgewählt und in der rechten Seitenleiste dargestellt. Nun können die Schülerinnen und Schüler zunächst die Mittelwert- oder Median-Berechnung nur auf das ausgewählte Fenster anwenden (Matrix filtern) (Abbildung 2). Auf diese Weise haben sie die Möglichkeit, die Funktionsweise des Filters nachzuvollziehen und gegebenenfalls nachzurechnen. Über die Schaltfläche "Bild filtern" wird der Filter per Moving Window auf das gesamte Bild angewendet. Haben die Schülerinnen und Schüler die Bildkorrekturen durchgeführt und die gestellten Aufgaben bearbeitet, können sie durch Beantworten der Fragen im zweiten Quiz die Bearbeitung des Moduls abschließen.

Ziel dieser Unterrichtseinheit zur Innertropischen Konvergenzzone ist es, Schülerinnen und Schüler mit einfachen Analysewerkzeugen auszustatten, mit denen sie selbstständig Daten erheben und mithilfe einfacher Funktionen auswerten können.Als Datenquelle stehen den Lernenden drei Zeitschnitte von thematisch aufbereiteten Satellitenbildern zur Verfügung, aus denen sie Bildwerte auslesen können. Sie helfen den Schülerinnen und Schülern dabei, aus Wasserdampf und Vegetation die Lage der innertropischen Konvergenzzone abzulesen. Die Unterrichtseinheit entstand im Rahmen des Projekts "Fernerkundung in Schulen" (FIS) am Geographischen Institut der Universität Bonn. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II. Vegetationszonen und innertropische Konvergenzzone Die Vermittlung des komplexen Wirkungsgefüges der atmosphärischen Zirkulation und insbesondere der tropischen Zirkulation ist in den Lehrplänen deutscher Schulen fest verankert. Am Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Vegetationsverlagerung im Laufe eines Jahres und dem Wasserdampf in der Atmosphäre lernen die Schülerinnen und Schüler im Lernmodul "Innertropische Konvergenzzone" die Hadley-Zelle und die innertropische Konvergenzzone kennen und bringen sie mit Druck- und Temperaturänderungen in Zusammenhang. Somit befindet sich das Lernmodul "Innertropische Konvergenzzone" an der Schnittstelle zwischen Physik und Erdkunde in der Sekundarstufe I (Klassen 7 bis 9). Ablauf Einsatz der Lernumgebung "Innertropische Konvergenzzone" Hier finden Sie Hinweise zu Aufbau und Einsatz der Lernumgebung "Innertropische Konvergenzzone". Die Abbildungen veranschaulichen die Funktionen und die interaktiven Übungen zu den Themenfeldern "Vegetationszonen" und "Innertropische Konvergenzzone". Die Schülerinnen und Schüler können die innertropische Konvergenzzone erklären. können die Verlagerung der Vegetationszonen im Jahresverlauf erkennen. können den Zusammenhang zwischen Vegetationsverlagerung, atmosphärischem Wasserdampf und innertropischer Konvergenzzone beschreiben. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "ITC.exe" heruntergeladen. Unter anderen Betriebssystemen wird die Datei "ITC.html" in einem Webbrowser geöffnet. Hierfür wird der Adobe Flash Player benötigt. Wichtig ist in beiden Fällen, dass die heruntergeladene Ordnerstruktur erhalten bleibt. Der jeweils aktivierte Bereich wird auf der unteren Leiste der Lernumgebung eingeblendet (Abbildung 1). Während der erste Teil einen Einblick in die Thematik liefert und eine übergeordnete Aufgabenstellung benennt, gliedert sich der Rest des Moduls in zwei Sequenzen: Der erste Teil bietet Hintergrundinformationen zum Thema. Im zweiten Teil werden die Schülerinnen und Schüler aktiv und wenden eigenständig Bildbearbeitungsmethoden zur Lösung von entsprechenden Aufgaben an. Den Abschluss eines jeden Bereichs bildet ein Quiz. Erst nach dem Bestehen dieser kleinen Übung wird der folgende Teil der Lernumgebung zugänglich und erscheint in der Seitenleiste. Danach ist auch ein Springen zwischen den Teilbereichen möglich. 1. Modulteil: Hintergrundwissen Einleitung Nach dem Start des Lernmoduls sehen die Schülerinnen und Schüler den Einführungstext, der sie über den Inhalt und den Aufbau informiert. Im rechten Bereich des Fensters ist ein Satellitenfilm des Satelliten Envisat zu sehen. Der Film zeigt die Vegetation auf der gesamten Erde im Laufe eines Jahres. Deutlich zu erkennen ist die Verlagerung der Vegetationszonen, die im Laufe des Lernmoduls weiter erforscht werden wird. Durch das Schließen des Fensters gelangen die Lernenden in den ersten Teil des Lernmoduls. Sollten Unklarheiten bezüglich der Bedienung auftauchen, lässt sich durch einen Klick auf das Fragezeichen-Symbol am oberen rechten Rand des Lernmoduls jederzeit eine Bedienungshilfe aufrufen. Zwei Rubriken Der erste Teil des Lernmoduls legt als Hintergrundwissen die Grundlagen für die spätere Arbeit mit den Satellitenbildern im zweiten Modulteil. Dieser Teil besteht aus zwei Rubriken. In der ersten werden die Begriffe "Innertropische Konvergenzzone" und "Hadleyzelle" erklärt und physikalisches Hintergrundwissen über die Zusammenhänge zwischen Sonneneinstrahlung, Druck, Temperatur und Regenfälle geliefert. Mit einem Klick auf den rechten grünen Balken mit der Kennzeichnung "2" öffnet sich die zweite Rubrik, in der mithilfe einer interaktiven Animation das Wirkungsgefüge der Hadley-Zelle und die Verlagerung der innertropischen Konvergenzzone verdeutlicht wird. Es kann jederzeit zwischen Rubrik 1 und 2 hin- und hergeschaltet werden. Nachdem sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Hintergrundwissen beschäftigt haben, gelangen sie über einen Klick auf das Feld Quiz in der Navigationsleiste in einen Bereich, in dem das erlernte Wissen kontrolliert werden kann. Kartierung der innertropischen Konvergenzzone Im zweiten Modulteil erhalten die Schülerinnen und Schüler die Bilddaten und verschiedene Werkzeuge, um Zeitreihen interpretieren und vergleichen zu können (siehe Abbildung 2). Zunächst öffnet sich ein Fenster mit Aufgaben, an denen sich die Lernenden während ihrer Arbeit orientieren können. Sie erhalten jeweils drei Envisat-Bilder des gleichen Bildausschnitts, die die Vegetation beziehungsweise den Wasserdampf in der Atmosphäre zeigen. Die Aufnahmen zeigen den 01.01., 01.04. und 01.07.2011. Per drag & drop können die Bilder in das Hauptfenster gezogen werden. Im rechten Bereich des Anwendungsbereichs befinden sich die Werkzeuge, mit denen die Schülerinnen und Schüler die Bilddaten vergleichen können. Unter "Linie anlegen" können sie pro Bild eine Linie legen, zum Beispiel durch die dichteste Vegetation, den Rand der Wüste oder den dichtesten Wasserdampf. Nach einem Klick auf die Schaltfläche "Pixelwerte auslesen" werden am Mouse-Zeiger die Pixel-Werte im Bild angezeigt. Bei einem Klick auf "Bilder vergleichen" können die beiden zuletzt geöffneten Bilder miteinander verglichen werden. Die angelegten Linien bleiben in jedem Fall erhalten. So können die verschiedenen Zeitschnitte untereinander, aber auch die verschiedenen Bildarten miteinander verglichen werden. Abschluss Haben die Schülerinnen und Schüler die Bildkorrekturen durchgeführt und die gestellten Aufgaben beantwortet, können sie durch Beantworten der Fragen im zweiten Quiz die Bearbeitung des Moduls abschließen.

Mit diesem Unterrichtsmaterial zur digitalen Bildbearbeitung gehen Schülerinnen und Schüler der Frage auf den Grund, wie digitale Bilder aufgebaut sind und welche Informationen sie enthalten. Dabei verstehen sie die Anordnung von Pixeln und erfahren, wie deren Informationen auf dem Computer abgespeichert werden. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar. Zentrales Element dieser Unterrichtseinheit ist der Entstehungsprozess und der Bildaufbau eines digitalen Bildes. Mithilfe einer interaktiven Lernumgebung wird ausgehend vom binären Zahlensystem hergeleitet, wie der Computer Informationen in Bits und Bytes abspeichert und diese für das menschliche Auge sichtbar macht. Im Zentrum der Einheit steht ein digitales Luftbild, dessen Mängel von den Schülerinnen und Schülern erkannt und korrigiert werden sollen. Diese Unterrichtseinheit entstand im Rahmen des Projekts Fernerkundung in Schulen (FIS) am Geographischen Institut der Universität Bonn. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II. Inhalte und Einsatz der Lernumgebung im Unterricht Hier finden Sie Hinweise zum Aufbau der Lernumgebung. Die einzelnen Inhalte werden beschrieben und Einsatzmöglichkeiten werden vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler erklären den Aufbau eines digitalen Bildes. wenden das binäre Zahlensystem an und rechnen binäre Zahlen in Dezimalzahlen um. nennen den Wertbereich von 8 Bit. manipulieren die Grauwerte eines digitalen Bildes (durch Ändern der Grauwerte einzelner Pixel und durch Histogrammstreckung). erklären ein Histogramm. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit "Bildaufbau digitaler Fotografien" bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "1-0-Spalte-Reihe-Bild.exe" gestartet. Unter anderen Betriebssystemen wird die Datei "1-0-Spalte-Reihe-Bild.html" in einem Webbrowser geöffnet. Hierfür wird der Adobe Flash Player benötigt. Der jeweils aktivierte Bereich wird auf der linken Leiste der Lernumgebung eingeblendet. Während der erste Teil einen Einblick in die Thematik "Bildaufbau digitaler Fotografien" liefert und eine übergeordnete Aufgabenstellung benennt, gliedert sich der Rest des Moduls in thematische Sequenzen, die neue Aufgaben sowie Hintergrundinformationen enthalten. Den Abschluss eines jeden Bereichs bildet ein Quiz. Erst nach dem Bestehen dieser kleinen Übung wird der jeweils folgende Teil der Lernumgebung zugänglich und erscheint in der Seitenleiste. Danach ist auch ein Springen zwischen den Teilbereichen möglich. Arbeit in Zweierteams Der Ablauf der Unterrichtsstunden wird durch die Struktur des Computermoduls vorgegeben. In Zweierteams erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler die vier Teilbereiche der Lernumgebung. Der Unterricht beginnt jeweils mit einer Erläuterung des Moduls und gegebenenfalls der Aufgabenstellung. Dann folgen die selbstständige Erarbeitung und schließlich die Überprüfung der Erkenntnisse in einem Quiz (Partnerarbeit). Abschließend können die Ergebnisse jeder Stunde noch einmal im Klassenverband gebündelt werden. Einleitung Der erste Bereich des Moduls wird nach dem Start automatisch geladen. Zu Beginn ist die Außensicht auf die Welt zu sehen, auf der der Entstehungsprozess eines Satellitenbildes dargestellt wird (siehe Abbildung 1). Erst nachdem die Schülerinnen und Schüler die drei Stationen der Grafik gelesen haben, können sie in das nächste Kapitel springen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Aufbau digitaler Fotografien. Im "Info"-Bereich erhalten die Schülerinnen und Schüler erste Hintergrundinformationen über die Entstehung, Bedeutung und den Aufbau von Pixeln. Dieses Wissen sollen sie anschließend auf das dargestellte Satellitenbild anwenden und verstehen, warum das dargestellte Bild "verrauscht" ist (Abbildung 2). Ein Quiz schließt die Bearbeitung des Moduls ab und leitet zum nächsten Teil über. Der dritte Teil des Moduls zeigt den Ausschnitt des Satellitenbildes nun klarer: Es handelt sich um die Freiheitsstatue in New York. Mithilfe unterschiedlicher Werkzeuge können die Schülerinnen und Schüler einzelne Pixel verändern und somit Einfluss auf das Gesamtbild nehmen. Im "Info-Bereich" stehen den Lernenden gleichzeitig weitergehende Informationen über den Zusammenhang zwischen binären Zahlen und Dezimalzahlen zur Verfügung, die ihnen genauere Einblicke in die Arbeitsweise von Computern erlauben sowie tieferes Verständnis des Bildaufbaus liefern (Abbildung 3). Ein Quiz schließt die Bearbeitung des Moduls ab und leitet zum letzten Teil der Lernumgebung über. Aufbauend darauf steht den Schülerinnen und Schülern im letzten Teil des Moduls die zusätzliche Funktion des Histogramms zur Verfügung. Mithilfe dieses interaktiven Werkzeugs wird den Lernenden ermöglicht, die Verteilung der Graustufen in dem Bild zu beobachten und zu verändern (Abbildung 4). Dieses sogenannte "Stretching" wird auch bei Bildbearbeitungsprogrammen genutzt, um den Kontrast eines Bildes zu verändern. Auch hierfür stehen den Schülerinnen und Schülern Hintergrundinformationen im "Info"-Bereich zur Verfügung. Ein Quiz schließt das vierte Kapitel und damit die Arbeit mit dem Modul ab.

In dieser Unterrichtseinheit zum Themenkomplex Temperatur und Energie unterscheiden die Lernenden mithilfe von Thermalbildern Oberflächen unterschiedlicher Temperatur voneinander. Dabei lernen sie den Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur, spezifischer Wärmekapazität und weiteren thermalen Objekteigenschaften kennen.Klimatisch unterscheiden sich Städte stark von ihrem Umland. Am Beispiel von Berlin sollen Lernende die Temperaturunterschiede in der Großstadt am Tag und in der Nacht erklären und bewerten. Eingebettet in diesen Kontext erkennen sie den Zusammenhang von Sonnenstrahlung und Wärmeenergie. Die von der Erde abgestrahlte Wärmeenergie wird von Satellitensensoren aufgenommen und in Thermalbildern visualisiert. Diese dienen den Schülerinnen und Schülern als Grundlage für ihre Untersuchungen. Darüber hinaus erhalten sie erste Einblicke in die Methodik der Fernerkundung (Kartenerstellung, Klassifikation). Die Unterrichtseinheit entstand im Rahmen des Projekts Fernerkundung in Schulen (FIS) am Geographischen Institut der Universität Bonn. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II.Diese Unterrichtseinheit zum Themenfeld Temperatur und Energie soll die klimatischen Besonderheiten einer Großstadt verdeutlichen. Als wissenschaftliche Grundlage dient eine Einführung in die Methodik der Fernerkundung, mit deren Hilfe die Schülerinnen und Schüler in der Lernumgebung Temperaturunterschiede bestimmen und erste Einblicke in die Erstellung von Karten gewinnen. Inhalte und Einsatz im Unterricht Hinweise zum Aufbau der Lernumgebung "Summer in the City". Screenshots veranschaulichen die Funktionen und die interaktiven Übungen zum Themenfeld Temperatur und Energie. Die Schülerinnen und Schüler können die Begriffe Spezifische Wärmekapazität, Reflexion und Absorption mit eigenen Worten erklären. können verschiedene Stoffe und Oberflächen anhand ihrer spezifischen Wärmekapazität einordnen. können die Erwärmung verschiedener Oberflächen im Tagesgang bewerten. können die Temperaturunterschiede verschiedener Oberflächen in Thermalbildern von Tag- und Nachtaufnahmen erkennen und benennen. können Thermalbilder auswerten, interpretieren und bewerten. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um den Themenkomplex Temperatur und Energie durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung "Summer in the City" ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "SummerInTheCity.exe", unter anderen Betriebssystemen durch Klick auf die Datei "SummerInTheCity.swf" gestartet. Dafür ist der Adobe Flash Player ( kostenloser Download ) notwendig. Der jeweils aktivierte Bereich wird auf der linken Leiste der Lernumgebung eingeblendet (Abbildung 1, Platzhalter bitte anklicken). Während der erste Teil einen Einblick in die Thematik Temperatur und Energie liefert und eine übergeordnete Aufgabestellung benennt, gliedert sich der Hauptteil in zwei thematische Sequenzen, die neue Aufgaben sowie Info-Boxen mit Hintergrundinformationen enthalten. Den Abschluss eines jeden Bereichs bildet ein Quiz. Erst nach dem Bestehen dieser kleinen Übung wird der jeweils folgende Teil der Lernumgebung zugänglich und erscheint in der Seitenleiste. Danach ist auch ein Springen zwischen den Teilbereichen möglich. Ergänzt wird das Modul durch Tutorials, die die Nutzung der Lernumgebung veranschaulichen. Arbeit in Zweierteams Der Ablauf der Unterrichtsstunden wird durch die Struktur des Computermoduls vorgegeben. In Zweierteams erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler die drei Teilbereiche der Lernumgebung. Der Unterricht beginnt jeweils mit einer Erläuterung des Moduls und gegebenenfalls der Aufgabenstellung. Dann folgt die selbstständige Erarbeitung und Überprüfung der Kenntnisse im Quiz (Partnerarbeit). Abschließend können die Ergebnisse jeder Stunde noch einmal im Plenum gebündelt werden. 1. Einstieg Der erste Bereich des Moduls wird nach dem Start automatisch geladen. Zu Beginn ist ein Professor zu sehen, der sich mit einem Getränk erfrischt, während er im Radio eine Hitzemeldung hört (siehe Abbildung 1). Mithilfe der Infobox (Abbildung 2) erhalten Schülerinnen und Schüler Hintergrundinformationen zum Thema "Spezifische Wärmekapazität". Ein kurzes Quiz schließt den einführenden Teil ab. Erst nach der Beantwortung der Fragen wird der folgende Bereich der Lernumgebung zugänglich. Der zweite Teil beginnt mit einem Tutorial, das die Lernenden in die Nutzung der Lernumgebung einweist. Inhaltlich beschäftigen sie sich mit der Darstellungsform von Thermalbildern und vergleichen die Temperaturunterschiede verschiedener Landoberflächen bei Tag. Ein Thermalbild sowie eine Landnutzungskarte können in das Hauptfeld gezogen und untersucht werden. Die Info-Box gibt Auskunft über die Besonderheit von Thermalbildern (Abbildung 3) und macht die Vorteile dieser Technologie deutlich. Ein Quiz schließt die Bearbeitung des Moduls ab und leitet zum letzten Teil der Lernumgebung über. Hier stehen den Lernenden neben den am Tag aufgenommenen Bildern auch Thermalbilder zur Verfügung, die dieselben Orte während der Nacht zeigen (Abbildung 4). Die Schülerinnen und Schüler sollen die Bilder vergleichen, mithilfe des Pipetten-Werkzeugs Flächen markieren und auf diese Weise unterschiedlich temperierte Flächen kartografisch herausarbeiten. Abschließend soll die übergeordnete Frage beantwortet werden, welcher Ort im Sommer als Aufenthaltsort am angenehmsten ist. Nach dem Absolvieren des Quiz haben die Lernenden das Modul erfolgreich beendet.

In dieser Unterrichtsstunde entdecken die Schülerinnen und Schüler durch graphisches Differenzieren die Ableitungsregeln von Sinus und Cosinus. Dabei wenden sie bekannte Methoden der Differentialrechnung auf eine neue Funktionsklasse an und festigen so ihr Verständnis für mathematische Zusammenhänge. Die vorliegende Unterrichtsstunde thematisiert die Herleitung der Ableitungsregeln der trigonometrischen Funktionen Sinus und Cosinus durch die Methode des graphischen Differenzierens. Das Kernanliegen der Stunde besteht darin, dass die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die Ableitung der Sinusfunktion der Cosinusfunktion entspricht und umgekehrt die Ableitung der Cosinusfunktion den an der x-Achse gespiegelten Sinus ergibt. Dies soll durch eigenständiges graphisches Differenzieren mit GeoGebra, arbeitsteiliges Vorgehen und anschließendem Vergleich der Ergebnisse in Paararbeit herausgearbeitet werden. Im Rahmen der Kompetenzerweiterung üben die Lernenden nicht nur mathematische Arbeitstechniken wie das Anlegen von Tangenten und das Bestimmen von Steigungen, sondern entwickeln auch ein vertieftes Verständnis für funktionale Zusammenhänge . Sie wenden bekannte Methoden auf eine neue Funktionsklasse an, fördern damit ihre Problemlösekompetenz sowie die Fähigkeit, mathematische Ergebnisse zu kommunizieren und zu begründen . Zugleich wird die Vielfalt der Ableitungsregeln sichtbar, wodurch die Schülerinnen und Schüler ihre bisher erworbenen Kenntnisse vernetzen und auf künftige Problemstellungen übertragen können. Damit trägt die Stunde wesentlich dazu bei, mathematische Strukturen zu entdecken, zu verstehen und nachhaltig zu sichern. Die Unterrichtseinheit zur Herleitung der Ableitungsregeln trigonometrischer Funktionen besitzt eine hohe fachliche Relevanz, da Sinus- und Cosinusfunktionen zentrale Grundfunktionen der Analysis sind. Ihre Differenzierbarkeit bildet eine wichtige Grundlage für zahlreiche Anwendungen in Naturwissenschaft und Technik. Gleichzeitig stellt die Stunde eine konsequente Fortführung der bisherigen Arbeit mit ganzrationalen und der Exponentialfunktion dar und ergänzt die Vielfalt der Ableitungsregeln um eine weitere Funktionsklasse. Die Schülerinnen und Schüler bringen als Vorkenntnisse die Konzepte der mittleren und momentanen Änderungsrate, die Definition der Ableitung sowie grundlegende Ableitungsregeln (wie zum Beispiel die Potenz- und Summenregel) mit. Zudem verfügen die Schülerinnen und Schüler über erste Erfahrungen im graphischen Differenzieren sowie im Umgang mit GeoGebra auf dem Tablet. Damit sind die wesentlichen Voraussetzungen geschaffen, um die Ableitung von Sinus- und Cosinusfunktionen zunächst graphisch zu erarbeiten und anschließend rechnerisch zu sichern. Didaktisch-methodisch zeichnet sich die Stunde durch einen problemorientierten Einstieg aus, der vorhandenes Wissen aktiviert, Wiederholung ermöglicht und einen hohen Aufforderungscharakter besitzt. Methodenvielfalt wird durch den Wechsel von Einzelarbeit, Paararbeit, Plenumsdiskussion und digital gestützten Arbeitsphasen gewährleistet. Binnendifferenzierung erfolgt durch Hilfekarten, ein Lernvideo, farbliche Markierungen sowie Zusatzaufgaben für leistungsstarke Lernende. Auf diese Weise wird sowohl leistungsschwächeren Schülerinnen und Schülern Sicherheit vermittelt als auch eine inhaltliche Vertiefung für Stärkere angeboten. Für die Lehrkraft erfordert die Durchführung insbesondere digitale Kompetenzen im Einsatz von GeoGebra und Tablet, um präzises graphisches Arbeiten zu ermöglichen und technische Unterstützung geben zu können. Durch den Einsatz digitaler Werkzeuge wird zugleich die Medienkompetenz der Lernenden gestärkt. Insgesamt verbindet die Einheit eine klare fachliche Progression mit einer methodischen Vielfalt, die sowohl Motivation als auch nachhaltigen Kompetenzerwerb fördert. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden die Methode des graphischen Differenzierens auf trigonometrische Funktionen an und leiten daraus die Ableitungsregeln für Sinus und Cosinus ab. können ihr bisher erworbenes Wissen zur Differentialrechnung anwenden und Inhalte aus den vorangegangenen Stunden miteinander verknüpfen, um ihr Verständnis mathematischer Zusammenhänge zu festigen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen GeoGebra auf dem Tablet oder PC, um Tangenten an Funktionsgraphen präzise anzulegen und Ableitungsfunktionen zu visualisieren. reflektieren die Ergebnisse digitaler Werkzeuge kritisch und vergleichen sie mit eigenen Zeichnungen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konstruktiv in Paararbeit zusammen und übernehmen Verantwortung für den gemeinsamen Lernfortschritt. hören einander zu, respektieren unterschiedliche Lösungswege und korrigieren Ergebnisse partnerschaftlich. präsentieren ihre Ergebnisse im Plenum und gehen wertschätzend auf Beiträge anderer ein.