In dieser Unterrichtseinheit programmieren die Schülerinnen und Schüler mithilfe des Raspberry Pi die Anzeige von Bild und Text. Anhand verschiedener Aufgaben lernen sie, die Anzeige über die Sense-HAT LED-Matrix in Python zu steuern. Dabei nutzen sie unterschiedliche Methoden aus der Sense-HAT-Bibliothek.Ein AstroPi ist ein Mini-Computer, der mit der Unterstützung der UK Space Agency und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) von der Raspberry Pi Foundation entwickelt wurde. Es gibt zwei ganz besondere AstroPi-Computer: Sie heißen Ed und Izzy und wurden extra für einen Flug ins Weltall gebaut. Beide befinden sich nun auf der Internationalen Raumstation ISS und stehen Schülerinnen und Schülern zur Verfügung. In der vorliegende Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler, wie dreifarbige LEDs farbiges und weißes Licht von unterschiedlicher Stärke bilden. Sie werden die Farbe der einzelnen LEDs oder aller LEDs zusammen anhand von verschiedenen Datenstrukturen in Python steuern, darunter Listen und Integer-Variablen. Schließlich werden die Lernenden verschiedene Methoden aus der Sense-HAT-Bibliothek anwenden, um Text und Bilder auf dem LED-Display zu steuern. Die Unterrichtsmaterialien sind Teil der Astro Pi Challenge . Durch den Wettbewerb haben Schülerinnen und Schüler die einmalige Chance, wissenschaftliche Untersuchungen im All durchzuführen, indem ihre selbstgeschriebenen Computerprogramme auf Astro Pis speziellem Raspberry Pi Computer auf der Internationalen Raumstation (ISS) ausgeführt werden.Altersklasse: 12 bis 16 Jahre Fächer: Informatik, Technik, danach sind weitere Anwendungen in anderen MINT-Fächern möglich Schwierigkeitsgrad: leicht Ort: drinnen (Klassenraum) Erforderliche Materialien: AstroPi-Bausatz; Monitor, USB-Tastatur und USB-Maus Der Lehrerleitfaden und die zugehörigen Aufgaben sind der zweite Teil einer Reihe von drei Lernhilfesets, die für die erste "European Astro Pi Challenge" entwickelt wurden. Es wird vorausgesetzt, dass die Schülerinnen und Schüler die Grundlagen von Raspberry Pi und der Programmierung mit Python kennen. Durch das Abarbeiten der Übungen dieser Lektion in der angegebenen Reihenfolge, erlernen die Schülerinnen und Schüler die grundlegenden Programmierkenntnisse, die sie benötigen, um visuelle Ausgaben auf der LED-Matrix des Sense HAT zu steuern. Weitere Materialien, die vom ESA Education Office für die "European Astro Pi Challenge" entwickelt wurden: Erste Schritte mit Astro Pi: Programmiersprache mithilfe von Raspberry Pi kennenlernen Datenerfassung mit dem Astro Pi: Erfassung von Daten aus der Umgebung mithilfe von Sense-HAT-Sensoren Die Schülerinnen und Schüler stellen die Farbe und Intensität von LEDs mit RGB-Werten ein und setzen Variablen ein, die verschiedene LED-Farben repräsentieren. lassen einen Text über die LED-Anzeige des Sense HAT laufen und steuern verschiedene Eigenschaften des angezeigten Texts, zum Beispiel Farbe und Laufgeschwindigkeit. stellen die Textfarbe und Hintergrundfarbe ein. lernen, wie sie mit "while true"-Schleifen den angezeigten Text endlos wiederholen können. steuern mithilfe von Koordinaten und anderen Befehlen einzelne Pixel an. drehen und spiegeln Text und Bilder auf der LED-Anzeige.

In dieser Unterrichtseinheit für das Fach Informatik sollen die Schülerinnen und Schüler ihre zuvor erworbenen Kenntnisse von Algorithmen am Beispiel eines LED Cube üben und festigen. Ziel ist, dass die Lernenden die Programmierung von Animationen des Cube durchschauen und nachvollziehen beziehungsweise eigene Animationen kreieren können.Das Phänomen der 3D-LED Cubes geistert schon lange durch das Internet - speziell auf Video-Plattformen werden viele Cube-Videos angeboten und begeistern vor allem Jugendliche. Beim Anschauen dieser Videos kann also der Wunsch aufkommen, solch einen Cube selbst zu programmieren. Solche realen LED Cubes sind jedoch in der Regel kompliziert aufzubauen und nicht ganz einfach anzusteuern. Der Autor dieser Unterrichtseinheit hat ein Programm entwickelt, mit dem das einfach möglich ist.Informatik-Themen können recht trocken sein und sollten deshalb möglichst anschaulich und motivierend gestaltet werden. Es bietet sich zum Beispiel an, in das Thema "Modell - Algorithmus - Lösung" mit einer Unterrichtseinheit zum programmierbaren Roboterarm einzusteigen und die LED Cube-Unterrichtseinheit anzuschließen. Das entsprechende Programm 5x5x5_LED_Cube.exe wurde vom Autor dieser Unterrichtseinheit, Jens Tiburski, unter Verwendung der Programmiersprache OGLBasic programmiert, einer Basic-Variante, die auf die Programmierung mithilfe der Open Graphic Library zugeschnitten ist. Umsetzung der Unterrichtseinheit "LED-Cube" Hier erhalten Sie detaillierte Anregungen zur Arbeit mit dem Programm 5x5x5_LED_Cube.exe im Informatik-Unterricht. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden ihre Kenntnisse zur sequentiellen Programmierung auf eine neue Umgebung an. übertragen ihre Kenntnisse zum Problemlöseprozess auf selbstständiges Lösen einfacher Probleme. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwickeln in einer neuen Arbeitsumgebung (das Programm 5x5x5_LED_Cube.exe) bekannte Lösungsstrategien und arbeiten dabei mit Excel. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwickeln nach Möglichkeit in Partnerarbeit Ideen für ansprechende Animationen. erstellen im Idealfall Animationen zur Verwendung auf der Schulhomepage oder ähnlichem. Motivation und Einstieg Um die Schülerinnen und Schüler für die Arbeit mit LED Cubes zu motivieren, können Sie zunächst ein paar entsprechende Videos zeigen, die zum Beispiel auf der Videoplattform YouTube vorgeführt werden. Die LED-Cubes, die Sie dort sehen, sind kompliziert aufzubauen und auch nicht ganz einfach anzusteuern. Leichter zu handhaben ist da das Programm 5x5x5_LED_Cube.exe, welches auf einer 5x5x5-Matrix frei programmierbare Animationen erlaubt. Dieses wurde vom Autor Jens Tiburski selbst programmiert. Nachdem Sie Ihren Schülerinnen und Schülern das Programm zur Verfügung gestellt haben, sollen diese einige der vorbereiteten Beispiele ausprobieren. Die Bedienung des Programmes ist selbsterklärend. Nach dem Start erfolgt die Aufforderung, eine Datei auszuwählen. Im Ordner des Programms sind einige Beispiele zu finden. Tastaturbelegung Nach dem Einlesen der Daten erscheint der Informationsbildschirm, der darüber informiert, wie viele Frames eingelesen wurden. Ferner wird die Tastaturbelegung erklärt: FrameRate: +/- Rotieren: Cursor-Tasten Zoomen: PageUp/PageDown AutoSpin: R(echts), L(inks) und S(topp) Beenden: Escape Zentrale Fragestellungen Schnell erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass ein unverzweigter Algorithmus abgearbeitet wird. Das führt unweigerlich zu der Frage, wie solche Animationen selbst erstellt werden können. Somit ergeben sich zwei Ebenen, die den Cube für den Informatikunterricht interessant machen: 1. Wie wurde der Cube programmiert? und 2. Wie kann man die Animationen selbst programmieren? Quellcode Das Programm 5x5x5_LED_Cube.exe wurde von Jens Tiburski unter Verwendung der Programmiersprache OGLBasic programmiert, einer Basic-Variante, die auf die Programmierung mithilfe der Open Graphic Library zugeschnitten ist. Deshalb ist der Quellcode relativ einfach nachzuvollziehen. Das Programm ist unter dem Namen 5x5x5_LED_Cube.ogl abgelegt und kann mit jedem Text-Editor eingesehen werden. Ein Blick in den Quelltext zeigt den in der Abbildung dargestellten Aufbau. Nach der Variablen-Deklaration steht die Prozedur "DrawGLScene". In dieser Prozedur erfolgt das eigentliche Aufbauen der 3D-Scene - und somit der größte Unterschied zum herkömmlichen Basic. Dort geschieht jedoch nichts Geheimnisvolles, sondern die 125 LEDs (Spheren) werden positioniert. Bedeutung der Befehle Der Move-Befehl bewegt die Scene an die Stelle, an der ein Objekt eingefügt wird (ausgehend vom Punkt Origin, beziehungsweise dem letzten Move-Befehl). Der Color-Befehl gibt die Farbe des Objektes in RGB vor - die vierte Angabe steht für die Transparenz. Der Befehl Sphehre erzeugt nun eine Kugel mit dem Radius Farbe_LED![i] sowie je zehn Segmenten und Schichten. Geübte Programmierer erkennen, dass über die Area-Variable Farbe_LED![i] sowohl die Farbe, als auch der Radius geändert werden können. Zeilenweise Interpretation In den Zeilen 545 bis 560 wird nun ein Text-Dokument geöffnet und der Inhalt in ein eindimensionales Area Farbe![Farbzähler%] eingelesen. Beim Einlesen der Daten wird die Text-Datei geöffnet und zeilenweise interpretiert. Dabei werden von jeder Zeile nur die ersten fünf Zeichen eingelesen. Alles, was dahinter kommt, wird abgeschnitten. Verfügbare Zeichenanzahl Pro Frame werden 125 Zeichen (also 5 x 5 x 5 Zeichen oder 25 Zeilen) in ein eindimensionales Area eingelesen. Da das Area auf circa 16.2000 Elemente beschränkt ist, können somit 1.296 Frames eingelesen werden. Also reichlich Platz für gute Ideen. Nachdem die Dateneingabe erfolgt ist, wird im Startbildschirm die Anzahl der eingelesenen Frames sowie die Tastatur-Belegung angezeigt. Mit WaitInput wird auf eine beliebige Eingabe über Maus oder Tastatur gewartet. Danach erfolgt das Anzeigen der Scene. Drei ineinander geschachtelte Schleifen bilden das eigentliche Hauptprogramm. Die äußerste Schleife wird beendet, wenn der User die Escape-Taste drückt und somit das Programm beendet. Die mittlere Schleife wird so oft ausgeführt, wie Frames eingelesen wurden. Die innerste Schleife weist jetzt jeder der 125 LEDs Farbe_LED![i] einen Wert aus dem Area Farbe![Farbzähler%] zu. Wenn jede LED einen Farbwert hat, wird die Scene gerendert und am Bildschirm angezeigt. Dazu wird in Zeile 618 die Prozedur DrawGLScene() aufgerufen. Interpretation der Text-Beispieldateien Ein Blick in die beigefügten Text-Beispieldateien zeigt, dass die Informationen in Zeilen zu jeweils fünf Zeichen abgelegt sind. Naheliegend ist, dass jeweils eine Zeile an Zeichen auch eine Reihe an LEDs interpretiert, wobei das Zeichen "1" für "LED an" und das Zeichen "0" für "LED aus" steht. Also ergeben fünf Zeilen eine Ebene und fünf Ebenen den gesamten Cube. Insgesamt 125 Zeichen (25 Zeilen) bilden also einen Frame der Animation. Testphase Nun beginnt die Phase des Testens: Welches Zeichen steht für oben links oder für unten rechts oder für die Mitte? Nach einigen Minuten des Probierens kristallisiert sich sicher heraus, dass die obersten fünf Zeilen die Grundebene darstellen und somit das Einlesen der Informationen "kopfüber" erfolgt. Dies sowie die fehlende Strukturierung der Daten macht das Erstellen eigener Animationen aber nicht gerade leichter. Excel-Mappe als Frameeditor Abhilfe schafft dann eine Excel-Mappe, die als Frameeditor dienen soll und mit ein wenig Übung die Programmierung anspruchsvoller Abläufe gestattet. Die fünf Ebenen des Würfels sind rot dargestellt. Wird in diese rot markierten Zellen der Wert "1" eingegeben, überträgt Excel diesen Wert an die richtige Stelle in der Datenreihe und fasst fünf nebeneinanderliegende Zellen zur linken Spalte zusammen. Durch Kopieren und Einfügen können beliebig viele Frames in eine Excel-Mappe aufgenommen werden. Durch Kopieren und Einfügen von Werten kann auch innerhalb eines Frames ebenenweise kopiert werden. An dieser Stelle kann gern noch einmal auf Excel-Funktionen wie Zellenwertübergabe oder Zellenwertvereinigung eingegangen werden. Speichern der Excel-Datei Die fertige Excel-Datei kann zur weiteren Verwendung abgespeichert werden. Nun muss die Excel-Datei auch noch als txt-Datei abgespeichert werden (Datei danach schließen, da der Zugriff sonst blockiert ist!). Noch einmal zur Erinnerung: Nur die ersten fünf Zeichen einer Zeile werden vom Programm eingelesen. Somit kann die als txt gespeicherte Excel-Datei zur Eingabe verwendet werden, obwohl sie über mehr Zeichen verfügt, als für die Animation notwendig sind. Alternativ kann auch nur der Inhalt der linken Spalte kopiert und in ein Text-Dokument eingefügt werden. Das spart Speicherplatz und man kann einzelne Inhalte problemlos zusammenfügen. Einsatz in Klasse 8 In dieser Unterrichtseinheit sollen die Schülerinnen und Schüler ihre zuvor erworbenen Kenntnisse von Algorithmen üben und festigen. Deshalb bietet es sich an, diese Doppelstunde am Ende des Lernbereichs 2, "Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung" der Klassenstufe 8 einzusetzen. Animierte Schriftzüge am Beispiel von Lehrer-Online Falls Ihre Schülerinnen und Schüler einen Schriftzug animieren möchten, hier ein Beispiel: Die Datei Bsp_06_lehrer-online.txt zeigt den Schriftzug LEHRER-ONLINE als Animation. Video zur Beispiel-Animation

In dieser Unterrichtseinheit erarbeiten sich die Lernenden selbständig die Grundlagen zur Programmierung eines Mikrocontrollers und den Aufbau zugehöriger Schaltungen in Tinkercad. Tinkercad erlaubt den Aufbau, die Programmierung und die Simulation von Schaltungen mit verschiedenen Mikrocontrollern. Die Arbeitsergebnisse können vom Lehrenden eingesehen und gemeinsam bearbeitet werden. Tinkercad ist somit für den Einsatz im Distanzunterricht besonders gut geeignet. Mit diesem Arbeitsmaterial können erste einfache Programmieraufgaben in Tinkercad mit dem Arduino-Mikrocontroller durchgeführt werden (Ampelschaltung, Lichtorgel, dimmbare LED). Die Schülerinnen und Schüler lernen sowohl Sensoren als auch Aktoren kennen, die digital und analog ausgewertet beziehungsweise angesteuert werden. Die Grundlagen im Umgang mit Tinkercad sollten vorhanden sein. Für die erste Aufgabe wird der Programmcode zunächst vorgegeben und untersucht. Die Vorgaben werden in den nachfolgenden Aufgaben sukzessive verringert und die Lernenden programmieren zunehmend selbständig. Nach einer kurzen Vorstellung des Mikrocontrollers Arduino Uno und der Programmierumgebung in Tinkercad wird in der ersten Aufgabe "Hello World" zunächst der vorgegebene Code untersucht, indem ein Parameter verändert wird. Außerdem lernen die Schülerinnen und Schüler die Kommentarfunktion kennen sowie die allgemeine Struktur eines Programms. Aufbauend darauf werden beim Bau einer Ampel die digitale Ansteuerung mehrerer LEDs, das Auslesen eines Pins mit angeschlossenem Taster sowie die Ansteuerung eines Buzzers für ein Blindensignal erlernt. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der analogen Auswertung von Spannungssignalen. Ein Drehregler steuert hier die Blinkgeschwindigkeit einer LED und in der zweiten Aufgabe eine Lichtorgel. Im letzten Teil kommt dann die analoge Steuerung der Helligkeit einer LED sowie einer Farb-LED hinzu. Im Anschluss an den Kurs kann optional ein Projekt (Automatischer Teebereiter) durchgeführt werden, in dem die Lernenden ihre Kenntnisse umsetzen und erweitern können. In Meilensteinen werden die notwendigen Schritte beschrieben. Vorkenntnisse Die Lernenden benötigen keine Vorkenntnisse in Programmierung. Sie sollten aber über grundlegende Computerkenntnisse und den Umgang mit Tinkercad verfügen. Didaktisch-methodische Analyse Technik nimmt in unserem Leben einen immer höheren Stellenwert ein. Die Programmierung von Mikrocontrollern bietet hier einen einfachen Zugang und gleichzeitig motivierende Erfolgserlebnisse durch den Bau funktionierender Prototypen. Über verschiedene Stufen nähern sich die Lernenden der Programmierung des Arduino Mikrocontrollers mittels Tinkercad an. Die einzelnen Arbeitsblätter bauen aufeinander auf und sind Voraussetzung für das (optionale) Absolvieren der Lernzielkontrolle und des Projekts zum automatischen Teezubereiter. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich die Grundlagen des Programmierens. lernen den Arduino als Beispiel für einen Mikrocontroller kennen. nutzen Tinkercad, um verschiedene Schaltungen aufzubauen und zu simulieren. lernen, wie Technik (hier am Beispiel eines Teeautomats) in seinen Grundzügen funktioniert. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen den Wert des Tools Tinkercad, um reale Arduino Schaltungen zu simulieren, ohne dabei zum Beispiel LEDs bei falscher Verkabelung zu zerstören. sichern ihre Arbeitsergebnisse digital auf Tinkercad. nutzen den Computer darüber hinaus zur Recherche und zur Programmierung Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten selbstständig (gegebenenfalls mit einem Partner oder einer Partnerin) mit vorbereitetem Material.

In dieser Unterrichtseinheit werden die Schülerinnen und Schüler anhand von Beispielen mit verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten für Dioden vertraut gemacht. Im Anschluss daran wird an einer kleinen Zahl von technischen Anwendungen wie etwa der LED (Leuchtdiode) oder dem nicht minder bekannten Kassenscanner für Strichcodes den Lernenden die Vielzahl von Möglichkeiten für technische Anwendungen der Halbleitertechnologie aufgezeigt. Sie können darin erkennen, wie aus relativ "einfachen" Halbleiter-Bauelementen kompliziert aussehende technische Geräte geschaffen werden können, die unser Alltagsleben massiv erleichtern. Von der Tatsache ausgehend, dass viele für uns heute selbstverständliche technische Anwendungen wie Computer, Digitalkameras oder Energiesparlampen ohne die Halbleitertechnologie nicht machbar wären, wird zunächst an einfachen Schaltungen aus Glühlampen, Schaltern und Dioden gezeigt, wie die eben genannten Bauteile in einem Stromkreis geschaltet werden müssen, um einen bestimmten Stromfluss zu erhalten. An der etwas aufwendigeren Grätz-Schaltung können die Lernenden erkennen, wie der aus der Steckdose kommende Wechselstrom durch Gleichrichtung zu einem pulsierenden Gleichstrom wird. Halbleiterphysik im Unterricht ­– Beispiele und Anwendungen Mit einfachen Beispielen werden die Schülerinnen und Schüler zu speziellen Anwendungen wie LEDs, elektrische Zahnbürste und Scanner hingeführt. Sie lernen dabei, dass für manche Anwendungen neben den hauptsächlichen Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium auch solche aus Galliumphosphid oder Indium-Gallium-Nitrid benötigt werden. Bei LEDs beispielsweise werden spezielle Halbleitermaterialien benötigt, die es ermöglichen, Licht im sichtbaren Bereich und mit unterschiedlichen Farben darzustellen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können nur dahingehend angenommen werden, dass alle Lernenden wohl wissen, dass es stromsparendes LED-Licht gibt. Dass dieses mithilfe von Halbleitertechnik erzeugt wird, dürfte den meisten ebenso neu sein wie mit Halbleitern funktionierende Scanner. Didaktische Analyse Bei der Behandlung des Themas sollte man darauf hinweisen, dass die Halbleitertechnologie einer technischen Revolution gleichkommt, da diese Möglichkeiten mit ihrer unglaublichen Vielfalt noch vor 50 Jahren so gut wie unbekannt waren. Der stetige Fortschritt mit heutigen Smartphones, die ein Vielfaches früherer Tischcomputer können, ist nur der Halbleitertechnologie mit immer kleineren Chips mit vielfacher Speicherkapazität zu verdanken. Methodische Analyse Es gibt nur wenige Versuche, die einen sofort sichtbaren und damit nachvollziehbaren Einblick in die aufwendige Technologie bieten. Deshalb ist es nötig, mithilfe von aussagekräftigen Abbildungen, Folien, Animationen und gut gemachten Videos den Unterricht, wenn möglich, zu ergänzen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung der Halbleitertechnologie in der heutigen Technik. können Schaltungen mit Dioden unterscheiden, die in- oder entgegen der Duchlassrichtung geschaltet sind. können Anwendungen wie LEDs oder Scanner beschreiben und erklären. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit werden als zentrale Aufgabe Modelle von Sternbildern mit LEDs entworfen. Ein wesentliches Ziel ist dabei, die Helligkeitsunterschiede der Sterne durch die Variation des nötigen Vorwiderstandes zum Ausdruck zu bringen. Die Unterrichtseinheit wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt.In dieser Unterrichtseinheit werden Aspekte der Astronomie und technische Fragen miteinander verwoben. Beide Bereiche bieten vielfältige Anknüpfungsmöglichkeiten. Im Vordergrund steht das praktische Arbeiten mit Werkzeugen wie Lötkolben oder Bohrmaschine. Die Planung der Schaltung und die Wahl des Vorwiderstandes sind grundlegende technische Fragestellungen, die hier praktisch erarbeitet werden können. Durch die (einfache) experimentelle Bestimmung des Zusammenhanges zwischen Leuchtkraft und den wahrgenommenen Sternhelligkeiten (Magnituden) und die Umrechnung in die entsprechende Stromstärke sind zudem theoretische Vertiefungsmöglichkeiten gegeben. Die Schülerinnen und Schüler wählen zunächst ein Sternbild aus und zeichnen es auf eine Holzplatte. An den Sternpositionen bohren sie Löcher für die LEDs (Sacklochbohrung). Sie notieren für jeden Stern seine Helligkeit (Magnitude). Auf der Rückseite gestalten Sie eine einfache (Parallel-)Schaltung, die sie bis auf die Widerstände verlöten und fertigstellen. Die Schülerinnen und Schüler lassen 6 LEDs in gleichmäßigen Helligkeitsabständen von dunkel bis hell leuchten (hier mit Arduino, auch mit Netzgeräten möglich). Es zeigt sich, dass der Zusammenhang nicht linear ist (Weber-Fechner-Gesetz). Die gleichmäßigen Helligkeitsunterschiede entsprechen den astronomischen Magnituden. Über die eigenen Messungen und die Kennlinie der LED können nun die nötigen Vorwiderstände berechnet werden. Hierbei bietet es sich an, diese Informationen dem Produktdatenblatt der LEDs zu entnehmen und somit ein wichtiges technisches Hilfsmittel kennenzulernen. Man kann bereits nach der Messung und der Feststellung des Weber-Fechner-Gesetzes die gemessenen Werte ohne weitere Interpolation als Musterwerte zur Verfügung stellen oder die Lernenden völlig frei durch Probieren versuchen lassen, Helligkeitsunterschiede zum Ausdruck zu bringen. Nach dem Einlöten der passenden Vorwiderstände ist das Sternbild fertig. Durch vielfältige Vertiefungs- und Vereinfachungsmöglichkeiten ist das Projekt im regulären Unterricht, in Wahlpflichtkursen, AGs und in Projektwochen gut einsetzbar.Der Sternenhimmel übt seit Jahrtausenden eine große Faszination auf die Menschen aus. Auch bei Schülerinnen und Schüler der Gegenwart ist die Astronomie ein Thema, das großes Interesse weckt und damit als sinnstiftender Kontext hervorragend geeignet ist, um viele Lernende zu aktivieren. Das durchschnittliche Interesse ist oft größer als an den klassischen Naturwissenschaften. Zudem knüpft der vorliegende Unterrichtsentwurf an die eigenen Sinneswahrnehmungen an, geht es doch vor allem um optische Phänomene, und zwar um die Helligkeit der Sterne, die man mit dem eigenen Auge wahrnehmen kann. Der Einbezug sinnlicher Erfahrungen ist ein ähnlich großer Motivationsfaktor. Das Weltall ist indessen aber auch ein Raum, den man über das, was wir sehen, hinaus nur erforschen kann, wenn man Technik verwendet. Vom einfachen Teleskop mit Nachführung über ferngesteuerte Satelliten ist das Spektrum technischer Anwendungen sehr groß. Astrophysik und Ingenieurwissenschaften sind in diesem Bereich eng miteinander verknüpft. Das vorliegende Kernmodul kann beliebig erweitert werden. Es gibt viele Anknüpfungspunkte, die sich als Ausgangspunkt für Exkurse und Vertiefungen eignen. Im Mittelpunkt steht die Freude am Ausprobieren und Experimentieren, der Spaß am handwerklichen Arbeiten. Daher ist es wünschenswert, dass die Schülerinnen und Schüler möglichst selbstständig löten können und dürfen und genug Geräte zur Verfügung stehen. Ein zentraler Punkt ist die unterschiedliche Leuchtkraft der Sterne. Das heißt, die LEDs sollen in unterschiedlichen Helligkeiten leuchten. Eine hervorragende Möglichkeit bietet hier der Versuch "Helligkeitsstufen" (AB 5). Die Schülerinnen und Schüler lernen hier den (nicht-linearen) Zusammenhang von Leuchtkraft und wahrgenommener Helligkeit (Weber-Fechner-Gesetz) praktisch kennen, entnehmen dem Produktdatenblatt einer LED die passenden Daten und berechnen daraus den passenden Vorwiderstand. Hier gibt es auch eine (optionale) Möglichkeit, den Arduino einzusetzen. Dieses Vorgehen ist aber vor allem für leistungsstarke Schülerinnen und Schüler als Differenzierung möglich, lässt sich aber auch als Demonstrationsexperiment gemeinsam mit der ganzen Klasse durchführen oder zugunsten einer stärkeren Fokussierung auf die praktische Arbeit ganz streichen. Die Vorwiderstände kann man im Einzelfall konkret vorgeben, durch Probieren herausfinden lassen oder berechnen lassen. Wenn die Magnituden des jeweiligen Sternbildes sehr nah zusammen liegen, kann es sinnvoll sein, die Helligkeitsunterschiede nicht als echte Magnituden zu verwenden, sondern die Unterschiede etwas hervorzuheben, indem man die 6 Stufen auf einen kleineren Bereich verteilt (zum Beispiel in 0,5er-Schritten). Das entspricht dann nicht mehr der Situation am Himmel, ist aber etwas wirkungsvoller. Dieses Vorgehen ist als Handlungsalternative auf AB 5 hinzugefügt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen Sternbilder und ihre Position am Himmel kennen. benutzen Schaltpläne als fachtypische Darstellungen. wenden das Ohm'sche Gesetz in einfachen Berechnungen. bohren, löten und stellen ein handwerkliches Produkt her. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen das Internet selbstständig zur Wahl eines Sternbild. verwenden Tablets und Computer. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nehmen Rücksicht auf Mitschülerinnen und Mitschüler. präsentieren Ergebnisse adressatengerecht.

Spätestens seit die Europäische Union das Ausstiegsszenario für die Glühlampe eingeläutet hat, ist die Energiesparlampe in aller Munde. Fragen wie „Nach welchem Prinzip funktioniert eine Energiesparlampe?“ und „Welches sind die spektralen Bestandteile des Lichts von Energiesparlampen?“ sind deshalb für den schulischen Physik- und Chemieunterricht von großer Aktualität. Spektren von Energiesparlampen lassen sich auf der Basis der hier bereitgestellten Materialien im Oberstufenunterricht unter Einsatz geeigneter Software von Schülerinnen und Schülern mit großer Präzision in Eigentätigkeit konstruieren und vermessen. Aus solchen Spektren können dann Kenntnisse über die Lichtentstehung durch Quantensprünge von Elektronen in den Atomhüllen von Quecksilberatomen und Informationen zur Fluoreszenz in Leuchtstoffen und Farbstoffen extrahiert werden. Als Kalibrierspektren, das heißt als "Wellenlängen-Normale", dienen dabei die Spektren von Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen, wie sie in schulischen Physiksammlungen üblicherweise vorhanden sind. Alle in der Unterrichtseinheit einzusetzenden Spektren stehen als fotografische Spektren in Form von digitalen Bilddateien als Download zur Verfügung. Die Fotos wurden mit einer digitalen Spiegelreflexkamera (Canon EOS1000D) an einem DADOS-Spaltspektrograph aufgenommen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen Beitrag aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Dieser skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Das Minimalziel der Unterrichtseinheit, die Konstruktion des Spektrums einer Energiesparlampe mit Ermittlung der Wellenlängen der im Spektrum beobachtbaren Emissionslinien mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer, ist in nur einer Doppelstunde zu realisieren. Der Zeitaufwand vergrößert sich naturgemäß, wenn man deutlich präzisere Ergebnisse anstrebt. Gleiches gilt, wenn man die Thematik in größere Zusammenhänge einbetten möchte. Dabei geht es dann um Aufbau und Funktionsprinzip von Energiesparlampen und um die Wirkungsweise ihrer Leuchtstoffe. Informationen zu diesen Themen finden Schülerinnen und Schüler im Internet. Für einen ersten Überblick gibt der folgende fachliche Kommentar eine kurze Einführung in die Thematik "Leuchtstoffröhre". Die Begriffe "Energiesparlampe" und Leuchtstoffröhre" werden dabei synonym gebraucht. Fachlicher Kommentar: Leuchtstoffröhren Allgemeine Informationen zu Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren und dazu, wie diese UV-Licht in sichtbares Licht verwandeln Aufnahme und Vermessung der Spektren Eine ausführliche Anleitung, Spektren der Kalibrierlampen und der zu vermessenden Energiesparlampen sowie eine Beispielauswertung können Sie hier herunterladen. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Der GDCh-Artikel skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Aufbau und Funktion von Energiesparlampen beschreiben und erklären können. die Wirkungsweise der Leuchtstoffe und deren Beitrag zur Energie-Effizienz verstehen. einen Gitterspektrographen anhand der bekannten Spektren von atomarem Wasserstoff und von Quecksilber kalibrieren. aus digitalen Bilddateien die Emissionsspektren von Leuchtstofflampen in Form einer Funktion extrahieren, welche jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zuordnet. in Energiesparlampenspektren die Emissionslinien von Quecksilber erkennen. Thema Vermessung der Spektren von Energiesparlampen Autoren Steffen Urban, Peter Stinner Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-5 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang für die Recherche zum Thema und für die Erstellung und Auswertung der Spektren Software Astroart-Demoversion (kostenfreier Download, siehe Internetadresse), Tabellenkalkulation (bevorzugt MS-Excel) Leuchtstoffröhren sind Gasentladungslampen, in denen Quecksilberatome beim Quecksilberdampfdruck von einigen mikrobar durch Elektronenstoß zum Leuchten angeregt werden. Abb. 1 zeigt vereinfacht das Energieniveau-Schema eines Quecksilberatoms (nach einer Versuchsbeschreibung zum Franck-Hertz-Versuch der Firma NEVA, jetzt ELWE). Die waagerechten Linien repräsentieren Energieniveaus, deren Energie relativ zum Grundzustand in Elektron-Volt (eV) angegeben ist. Die senkrechten Doppelpfeile stehen für mögliche Quantenübergänge ("Elektronensprünge") zwischen diesen Energieniveaus. Die Zahlenwerte geben die Wellenlängen des bei diesen Übergängen emittierten Lichts in Nanometern (nm) an. Die Übergänge, welche die Emission von sichtbarem Licht zur Folge haben, sind entsprechend farbig gekennzeichnet. Die intensivste Linie im Quecksilberspektrum ist jedoch die zum 4,9 eV-Übergang gehörende Linie im ultravioletten Spektralbereich (UV). Damit ihre Energie nicht ungenutzt in die durch Absorption im Glas stattfindende Erwärmung der Lampe verloren geht, kleidet man die Innenseite der Leuchtstoffröhre mit sogenannten Leuchtstoffen aus. Diese können zum Beispiel aus Sulfiden, Silikaten oder Wolframaten bestehen. In den Leuchtstoffen wird das UV-Licht der Wellenlänge 253,7 nm in sichtbares Licht umgewandelt, dessen spektrale Zusammensetzung sich in weiten Grenzen durch die Wahl der Leuchtstoffe an den Verwendungszweck anpassen lässt. Um für das menschliche Auge den Eindruck weißen Lichts zu erzeugen, wird der im Quecksilberspektrum komplett fehlende Rotanteil auf diese Weise erzeugt. Informationen über das zugrunde liegende physikalische Prinzip findet man bei einer Internetrecherche über die Suchbegriffe "Stokes-Shift" oder "Stokesverschiebung". Wikipedia: Stokes-Shift Informationen zur Entdeckung und Beschreibung der Stokesverschiebung auf der Webseite der freien Online-Enzyklopädie Letztlich entsteht im Leuchtstoff aus einem hochenergetischen UV-Photon ein energieärmeres sichtbares Photon. Die entsprechende Differenzenergie verbleibt im Leuchtstoff und erwärmt diesen. Abgesehen von der Elektrodenerwärmung ist das beinahe der gesamte Energieverlust in solchen Lampen. Leuchtstofflampen wandeln fast die Hälfte der aufgenommenen elektrischen Energie in sichtbares Licht um. Bei Glühlampen liegt dieser Anteil unter 10 Prozent (Dieter Meschede: Gerthsen Physik, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg, 2006). Die Darstellung in Abb. 2 dient dem qualitativen Vergleich der Spektren einiger Energiesparlampen und einer Quecksilberlampe. Im Quecksilberspektrum (5) erkennt man die stärksten der im Schema von Abb. 1 markierten sichtbaren Spektrallinien (a bis e). Man findet diese auch in den Spektren 1 bis 4. Alle zusätzlichen Linien und Farbbereiche in diesen Spektren sind Ergebnisse der Umwandlung des UV-Lichts in sichtbares Licht, die in den Leuchtstoffen stattfindet. Das oberste Spektrum (1) gehört zu einer konventionellen Leuchtstoffröhre langer Bauform, wie sie bereits seit vielen Jahrzehnten verwendet wird. Das zweite und das dritte Spektrum stammt jeweils von einem modernen "Billigprodukt" (Spektrum 2: IKEA-Modell GA607N1961 0844, 7W; Spektrum 3: Baumarktprodukt DekoLight, 7W), das vierte dagegen von einem Markenprodukt (Philips Genie CDL 695, 18W). Der Vergleich von Spektrum 1 mit den Spektren 2 bis 4 zeigt unmittelbar, dass Energiesparlampen keine Erfindung des 21. Jahrhunderts sind, denn unter dem Namen "Leuchtstoffröhren" gibt es sie schon seit Jahrzehnten. Deshalb erscheint es gerechtfertigt, die Begriffe Leuchtstofflampe beziehungsweise -röhre und Energiesparlampe synonym zu gebrauchen. Einsatz des DADOS-Spaltspektrographen Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren einiger Energiesparlampen und zweier Kalibrierlichtquellen (Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen) wurden mit einem DADOS-Spaltspektrograph der Firma Baader-Planetarium an einem f = 1.000 Millimeter-Spiegelteleobjektiv aufgenommen. Wer sich für die Technik der Gewinnung von Spektren als Bilddateien interessiert, findet ausführliche Informationen dazu in der Unterrichtseinheit Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln . Quantitative Auswertung Nachdem das zu bearbeitende Spektrum einer Energiesparlampe (Abb. 3 und Bilddateien der Downloadmaterialien, siehe unten) aufgenommen wurde, stellt sich die Frage, welche Lichtwellenlänge von welchem Ort im Bild des Spektrums repräsentiert wird. Zur Beantwortung dieser Frage muss der Spektrograph kalibriert (geeicht) werden. Dabei kommt das in der Datei "esl_spektroskopie_anleitung.pdf" (siehe unten) beschriebene Verfahren zur Anwendung. Geeignete Kalibrierlampen Als sogenannte Kalibrierlichtquellen verwendet man externe Lichtquellen, die hinreichend viele und möglichst genau bekannte Wellenlängen emittieren, die über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt sind. Kombiniert man die Spektren einer Quecksilberdampflampe und einer Wasserstofflampe ("Balmerlampe"), dann sind diese Anforderungen gut erfüllt. Beim Spektrum der Balmerlampe (Abb. 4) fällt auf, dass dem Hintergrund des Wasserstoff-Molekülspektrums das Linienspektrum des atomaren Wasserstoffs überlagert ist. Die Linien H-alpha, H-beta und H-gamma des letzteren sind leicht zu identifizieren und zuzuordnen. Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einen für diese Unterrichtseinheit relevanten Artikel stellen wir hier kurz vor. Der vollständige Beitrag steht als PDF-Download zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Diskussion um die Energiesparlampe - Quecksilber und schlechtes Licht Aufgrund der Stromsparpolitik der Europäischen Union werden Glühlampen seit dem 1. September 2009 sukzessive aus dem Verkauf genommen. Ab Mitte 2012 dürfen dann keine Glühlampen mehr verkauft werden. Die nun zum Einsatz kommenden Energiesparlampen finden jedoch bisher wenig Akzeptanz in der Bevölkerung. Sie enthalten giftiges elementares Quecksilber und müssen deshalb als Sondermüll entsorgt werden. Der meistgenannte Kritikpunkt ist aber die schlechte Lichtqualität der neuen Lampen und ihre in zahlreichen Presseberichten unterstellte Gesundheitsgefährdung. Um dies genauer betrachten zu können, berschreibt der Artikel zunächst der Aufbau und die Funktionsweise von Energiesparlampen. Die Entstehung der Emissionsspektren wird detailliert dargestellt. Eine Alternative? - Light Emitting Diodes (LEDs) Lampen auf Festkörperbasis, nämlich Leuchtdioden (Light Emitting Diodes, LEDs), weisen bereits heute eine höhere Effizienz als Energiesparlampen auf. Dies sollte sich in Zukunft noch deutlich steigern lassen. Vor- und Nachteile organischer und anorganischer LEDs sowie die Funktionsweise anorganischer LEDs werden vorgestellt. Fazit Der zukünftige Einsatz von Lampen auf LED-Basis kann zu einer nicht unbeträchtlichen Einsparung von Energie führen. Dabei sind in erster Linie Chemikerinnen und Chemiker gefragt, neue Leuchtstoffe zu entwickeln, die einerseits sehr effizient emittieren und andererseits die gewünschten optischen Eigenschaften bezüglich Absorption und Emission besitzen. Zu diesem Zweck muss auch noch Grundlagenforschung durchgeführt werden, da die Struktur-Lumineszenz-Beziehungen in vielen Fällen nicht ausreichend geklärt ist, um gezielt neue Leuchtstoffe für unterschiedliche Anwendungen zu finden.

Revolutionäre Solarstraßen bleiben, laut den Entwicklern, schneefrei und können bei Betätigung eines Schalters in Parkplätze oder Sportplätze verwandelt werden. Schülerinnen und Schüler sollen bei dieser Unterrichtseinheit einschätzen, ob Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollten.Über eine Crowdfunding-Website wurden kürzlich mehr als zwei Millionen US Dollar für die Finanzierung von Solarstraßen gespendet. Die Schülerinnen und Schüler sollen bei dieser Unterrichtseinheit einschätzen, ob Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollten. Sie sollen Behauptungen mittels Argumentationen und Beweisen beurteilen und ihr Wissen über die Erzeugung von Elektrizität in Solarzellen nutzen, um eine Entscheidung zu treffen. Bezug zum Lehrplan Wissenschaftliches Arbeiten: Auf Objektivität achten Entwicklung wissenschaftlichen Denkens: Entscheidungen treffen auf Grundlage der Bewertung von Beweisen und Argumenten Physik: Energie: Erneuerbare Energiequellen, die auf der Erde genutzt werden Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Solarstraßen" Der Ablauf der Unterrichtssequenz "Solarstraßen" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler beurteilen Behauptungen mittels Argumentationen, Beweisen und wissenschaftlichen Erkenntnissen. lernen, wie Lichtwellen Elektrizität in Solarzellen erzeugen. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben. Problemstellung Zeigen Sie das Fundraising-Video "Solar Freakin' Roadways" von Beginn bis Minute 2:12. Zeigen Sie Folie 4 der PowerPoint-Präsentation und betonen Sie, dass die Spendenaktion aufgrund der Behauptungen im Video immense Geldsummen eingebracht hat. Sind diese Behauptungen tatsächlich überzeugend? Ist das Projekt für den Bau von Solarstraßen der Spenden wert? Wissenschaftliche Belege Zeigen Sie erneut das Video und bitten Sie die Schülerinnen und Schüler, die aufgestellten Behauptungen herauszuarbeiten. Bitten Sie um Feedback und teilen Sie den Lernenden mit, dass sie sich jetzt auf die folgenden drei Behauptungen konzentrieren sollen: Sonnenlicht kann in Elektrizität umgewandelt werden; Solarzellen halten Straßen eisfrei; die erzeugte Elektrizität wird LED Fahrbahnmarkierungen mit Strom versorgen. Zeigen Sie Folie 5 der PPT. Die Schülerinnen und Schüler sollen paarweise die Beweise auf Folie 5 der PPT (SI1 und SI2) durcharbeiten und die Aufgaben auf der Folie lösen. Behauptung 1: AY, DV, BW, EX, CZ. Die Behauptung wird durch den Beweis gestützt. Behauptung 2: Der Schnee und die Heizmatten blockieren die Lichtwellen der Sonne. So können die Lichtwellen nicht auf die Solarzellen auftreffen und daher wird keine Elektrizität erzeugt. Die Behauptung wird nicht durch den Beweis gestützt. Behauptung 3: Die Solarpanels erzeugen 100 W/m². Eine LED benötigt 20 W/m², was bedeutet, es wäre genug Elektrizität vorhanden, um die Fahrbahnmarkierungen mit Strom zu versorgen. Jedoch werden die LEDs nachts nicht leuchten. Option 1 Bitten Sie um ein kurzes Feedback, um die Wahrheit hinter jeder Behauptung herleiten zu können. Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler wählen, um eine Entscheidung in der Klasse herbeizuführen, ob der Bau von Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollte. Option 2 Die Lernenden folgen den Vorgaben auf Folie 7 der PPT, um ihre Entscheidung schriftlich darzulegen und zu erklären, ob der Bau von Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollte. Zudem sollen sie Beispiele nennen, wo wir bereits Solarzellen anwenden. Zeigen Sie Folie 8 der PPT, um die Schüler bei diesem Teil der Aufgabe zu unterstützen. Option 3 Die Schülerinnen und Schüler produzieren kurze Videos als Antwort auf das "Solar Freakin' Roadway" Video. In diesen sollte wiederum jede Behauptung untersucht und die Entscheidung zur folgenden Frage kommuniziert werden: Soll der Bau von Solarstraßen finanziell unterstützt werden? In ihren Videos sollen sie zusätzlich Beispiele nennen, wo wir bereits Solarzellen anwenden. Zeigen Sie Folie 7 der PPT, um die Schüler bei diesem Teil der Aufgabe zu unterstützen. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) besitzen enormes Zukunftspotenzial als energieeffiziente Beleuchtungsmittel. Neben einem deutlich geringeren Energieverbrauch als bei LED-Displays weisen OLEDs eine hervorragende Bildqualität und noch viele weitere Vorteile auf.Organische Leuchtdioden (OLEDs) revolutionieren derzeit die Beleuchtungsindustrie. Energiesparlampen und Halogenstrahler - in wenigen Jahren werden diese Lichtquellen vielleicht vergessen sein. Bei OLEDs handelt es sich um dünne Folien, die tagsüber transparent sind und nachts in allen denkbaren Farben leuchten. Organische Leuchtdioden sind hocheffiziente Lichtquellen, die viele positive Eigenschaften haben: sie sind äußerst energiesparend, leuchten großflächig, sind extrem dünn und außerdem voll dimmbar. Außerdem haben OLEDs keine Verzögerungszeit beim Einschalten und sie sind so flexibel und transparent herzustellen, dass man sie sogar in Fensterscheiben integrieren kann. Relevanz des Themas Die Unterrichtseinheit kann beispielsweise zu einer längeren Unterrichtsreihe in Physik zum Thema "Licht" eingegliedert werden. Zunächst müssen im Unterricht wichtige Grundlagen der Strahlen- und Wellenoptik sowie der Quantenphysik erarbeitet werden. Zu den vorab zu behandelnden Themen sollten unter anderem die Reflexion, Brechung, Brechungsgesetz, Beugung und Interferenz von Licht sowie der Welle-Teilchen-Dualismus des Photons gehören. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit aktuellen Forschungsergebnissen zur Bedeutung von OLEDs für neue optische Licht- und Speichermedien auseinandersetzen und diese auswerten. Hintergrundinformationen zu OLEDs Hier finden Sie nähere Informationen zu OLEDs und Biolumineszenz von Leuchtkäfern sowie zu Perspektiven für die Medizinforschung. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Organischen Leuchtdiode verstehen und beschreiben können. ein Thema selbstständig recherchieren und beschreiben können. wichtige Anwendungsbereiche für OLEDs kennenlernen. in reduzierter Form wissenschaftliche Neuentwicklungen für OLEDs bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen eine interaktive Lernumgebung bedienen können. Informationen zur Thematik aus einem Text entnehmen, wesentliche Aussagen verstehen und in eigenen Texten wiedergeben können. die Nutzungsmöglichkeiten des Internets kennen- und anwenden lernen. Thema Organische Leuchtdioden aus Kohlenstoff Autorin Jana Haberstroh Fächer Physik, Chemie, Biologie, Technik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Klasse 7 Zeitraum circa 2-3 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang (am besten für je 2 Personen), Beamer Der deutsche Chemiker Herbert Naarmann hat bereits 1969 Strom leitende Polymere - die Vorstufe der OLED - beobachtet, doch es sind noch ganze 21 Jahre vergangen, bis eine Forschergruppe in Cambridge erstmals eine Leuchtdiode herstellte. Die verwendeten organischen Halbleiterschichten waren nur etwa 100 Nanometer dick, also zehntausend Mal dünner als ein Millimeter. Alleine die Leuchteffizienz und Lebensdauer der OLEDs blieben jahrelang hinter der Konkurrenz zurück. Immer wieder entdeckten Forscher "Nebenwirkungen", wie zum Beispiel die Verkürzung der Lebensdauer durch kleinste Verunreinigungen. Auch der Aufbau wurde immer komplizierter. Um gegen Luftfeuchtigkeit resistent zu werden, müssen die OLEDs hinter Glas geschützt werden. Aufbau einer organischen Leuchtdiode Ein transparentes Substrat (Glas, Quarz oder Polymerfolie) dient als Basis für den Aufbau. Die Anode, eine ITO-(Indium-Zinn-Oxid-) Schicht ist elektrisch leitfähig und für sichtbares Licht durchlässig. Das Licht entsteht in den "aktiven" organischen Schichten, wenn dort Paare von Elektronen und "Löchern" rekombinieren und jeweils ein Photon erzeugen. Das Licht wird durch das optisch transparente Substrat abgestrahlt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, werden für den Transport von Ladungsträgern eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht. Schließlich wird als Kathode ein optisch nicht transparenter Metallkontakt aufgedampft. Beim Anlegen einer äußeren Spannung von weniger als 5 Volt zwischen Kathode und Anode kommt es zur Emission von Licht, dessen Farbe von den eingesetzten aktiven Materialien abhängt. Die Chemie der OLEDs Die OLED basieren auf organischen Kohlenstoffmolekülen, also Verbindungen aus mehreren Kohlenstoffteilchen mit anderen Elementen. Setzen sich mehrere gleiche Molekülketten aneinander, dann entstehen sogenannte Polymere. Diese verhalten sich wie Halbleiter, was zur Folge hat, dass sie elektrischen Strom leiten. Und mit diesem bringt man die Folien zum Leuchten. Die Lichtfarben bestehen aus Kohlenstoff-Ringstrukturen, in die ein metallisches Zentralatom integriert wird - beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Der OLED-Regenbogen Die OLEDs leuchten beim Anlegen einer Spannung, ob gelb, grün, rot oder blau - alle Farben sind möglich. Die Farbe der Emission wird anders als bei den anorganischen LEDs durch die Energielücke des Halbleiters bestimmt (durch die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron und ein "Loch" zusammentreffen und rekombinieren). Diese Energie und damit die Farbe der Emission kann durch die Wahl des organischen Materials gezielt verändert werden. Innerhalb weniger Jahre hat man bereits sämtliche Farben von Rot über Grün bis Blau realisiert. Die Entwicklung ist bereits so weit fortgeschritten, dass erste vollfarbige Bildschirmprototypen hergestellt werden konnten. LED versus OLEDs Anders als bei den anorganischen LEDs wird weißes Licht durch Mischen der Grundfarben rot, blau und gelb erzeugt. Blau ist die Achillesferse der weißen OLED - dieser Farbstoff ist am kurzlebigsten. Multitalent OLED Der größte Markt für OLEDs ist der Bereich "Display", das heißt, OLEDs werden beispielsweise für Fernseher oder Displays von Mobiltelefonen eingesetzt. Displays aus organischen Leuchtdioden benötigen keine Hintergrundbeleuchtung und ermöglichen einen geringen Stromverbrauch. Sie ermöglichen zudem einen größeren Betrachtungswinkel. Zukunftsvision leuchtende Tapeten Organische Leuchtdioden dienen sogar als Basis für Tapeten, die Licht erzeugen und sogar, je nach Stimmung, die Farbe wechseln können. Diese gedruckte Elektronik wird im Fachjargon Polytronik genannt. Die Leuchtfolie emittiert ein für das Auge angenehmes, monochromatisches Kaltlicht, das auch bei Staub, Rauch oder Nebel besser sichtbar sein soll als jede andere Lichtquelle. Die Glühwürmchen sind die OLEDs des Tierreiches. Sie können ihr gelbliches Licht, welches in der Paarungszeit werbewirksam eingesetzt wird, ein- und ausschalten. Forscherinnen und Forscher haben die dahinter stehenden Grundlagen der Lumineszenz analysiert und festgestellt, dass einige natürliche Polymere Halbleitereigenschaften haben und somit für den Transport elektrischer Ladungen geeignet sind. Solche konjugierten Polymere können mittlerweile künstlich und genau spezifiziert hergestellt werden. Halbleiter und andere elektrische Bauteile sind also bald nicht mehr auf Kristallstrukturen angewiesen, sondern können aus Kunststoffen gefertigt werden. In der medizinischen Forschung benutzt man ebenfalls Zellen oder Bakterien mit integiertem Luciferase-Gen. Injiziert man beispielsweise einer Maus Salmonellen-Erreger, die das Luciferase-Gen tragen, so breiten sich die Erreger in ihrem Körper aus. Infusiert man eine Luciferinlösung, so kann man diese Ausbreitung durch das entstehende Licht von außen verfolgen, ohne die Maus zu töten. Analog verhält es sich mit markierten Karzinomen bei denen man die Metastasenbildung und Verbreitung optisch durch das emittierte Licht verfolgen kann.

Mit dieser Unterrichtseinheit zu dem Buch "Das Vamperl" von Renate Welsh trainieren die Kinder ihre schriftliche und sprachliche Kompetenz sowie allgemeine Fähigkeiten am Computer. Das Buch von Renate Welsh handelt von einer älteren Dame. Nachdem sie von einem Kuraufenthalt heimkehrt, findet sie plötzlich einen kleinen Vampir in ihrer Wohnung vor und erlebt mit ihm viele lustige und spannende Geschichten. Neben literarischen Aspekten geht es in dieser Unterrichtseinheit um die Förderung der sprachlichen Kompetenz. Besonders die Groß- und Kleinschreibung wird geübt. Das Buch bietet über den Deutschunterricht hinaus viel Spielraum für den fächerübergreifenden Unterricht zu den Themen Mensch, Natur und Kultur. Beim Lesen und beim Umgang mit Texten und Medien können die Schülerinnen und Schüler Vermutungen über den weiteren Fortgang eines Textes äußern, Fragen zu Texten beantworten und gezielt Informationen in Texten finden. Sie können einfache Arbeitsanweisungen selbstständig lesen, verstehen und umsetzen. Hinzu kommt der ästhetische und kreative Umgang mit verschiedenen Texten und die Benennung relevanter Details aus der Biografie einer Autorin/eines Autors. Sie lernen die möglichen Wege kennen, wie sie diese Informationen einholen können. Im Schriftbereich können die Kinder selbstständig Texte verfassen, selbst geschriebene Texte mithilfe einer Vorlage kontrollieren und korrigieren sowie die Großschreibung von Nomen anwenden. Die Erarbeitung einer Ganzschrift unter Einbeziehung der neuen Medien ist ein geeignetes Instrument, diese Kompetenzen zu erreichen und zu festigen. Der Unterrichtsverlauf Elf exemplarisch dargestellte Unterrichtsstunden geben Anregungen für die Recherche im Internet und zum Lernen an Stationen. Linktipps für den fächerübergreifenden Unterricht Ob Bastelanleitungen für Fingerpuppen oder Informationen zur Biologie der faszinierenden Säuger: Anregungen zum Thema "Fledermäuse" finden Sie hier. Arbeitsmaterial Hier finden Sie alle Arbeitsblätter einzeln und in einem ZIP-Archiv als Word-Dokumente zur eigenen Weiterbearbeitung. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen befähigt werden, Inhalte frei nachzuerzählen. üben, den Text oder Teile des Textes selbständig zu erlesen. ihre Lesetechnik und den Lesefluss verbessern. im Sinn erfassenden Lesen gefördert werden. die Großschreibung von Substantiven beherrschen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen, sich über ein Thema (zum Beispiel Fledermäuse) unter angegebenen Internetseiten zu informieren und die wesentlichen Inhalte herauszufiltern. eine Internetrecherche durchführen können. einen Text in Form eines Word-Dokuments am PC schreiben können. Titel Das Vamperl Autorin Welsh, Renate; Zeichnungen von Heribert Schulmeyer Verlag Deutscher Taschenbuchverlag Erscheinungsjahr München 2004 ISBN 3-423-07562-7 Preis: 5,50 € 1. Stunde Der Einstieg in die Unterrichtseinheit "Das Vamperl" erfolgt über einen Stuhlkreis, den die Klasse rund um ein Schmuckkästchen, oder alternativ eine Zigarrenkiste bildet. Die Lehrkraft hat vorher eine gebastelte Vamperlfigur hineingelegt. Die Schülerinnen und Schüler stellen nun Mutmaßungen an, was in dem Kästchen sein könnte. Anschließend darf ein Kind in die Kiste sehen und den anderen Kindern beschreiben, was darin zu finden ist. Die Kiste wird geöffnet und alle Kinder haben die Möglichkeit sich über den Inhalt zu äußern. Dann wird ihnen das neue Buch und anhand des Titelbilds das "richtige" Vamperl gezeigt. Während die Kinder im Stuhlkreis sitzen bleiben, liest die Lehrkraft das erste Kapitel des Buchs vor. Alternativ kann eine Hörspielkassette eingesetzt werden. 2. Stunde Die Schülerinnen und Schüler sammeln mithilfe des Internets Informationen zum Thema "Fledermäuse" und nutzen für Kinder geeignete Suchmaschinen, beispielsweise fragFINN . Weitere Informationen zu den kleinen Säugern bietet die Seite: Die Fledermaus . In Form eines Lückentextes werten die Kinder die Seite aus. Der Text wird anschließend im Klassengespräch gemeinsam korrigiert und die Kinder berichten über ihre Eindrücke und Erlebnisse bei der Internetrecherche. Bei der Gestaltung der Arbeitsblätter wurde davon ausgegangen, dass die Schülerinnen und Schüler bereits erste Erfahrungen mit dem Computer und dem Internet gesammelt haben. Auf detaillierte Erklärungen beispielsweise das Starten des Computer oder das Eingeben einer Internetadresse wurde verzichtet. Ist die Klasse mit diesen Funktionen noch nicht vertraut, muss die Lehrkraft im Vorfeld entsprechende Erklärungen und Vorbereitungsarbeiten leisten. 3. Stunde Die Lehrkraft bietet den Kindern Arbeitsblätter in Form einer Lerntheke an, so dass die Schülerinnen und Schüler die Aufgaben selbstständig bearbeiten können. Anhand von Lösungsblättern führen sie idealerweise eine Selbstkontrolle ihrer Ergebnisse durch. Ist dies in der Klasse nicht sinnvoll, kann die Kontrolle gemeinsam stattfinden. Werden die Aufgaben nicht vollständig bewältigt, können sie als Hausaufgabe fertig gestellt, beziehungsweise in der 6. Stunde der Unterrichtseinheit vervollständigt werden. 4. Stunde Die Arbeitsblätter zum Thema Groß/Kleinschreibung werden in Form von Stationen angeboten und durch Selbstkontrolle können die Kinder ihre Ergebnisse überprüfen. Sollten die Übungen mehr Zeit in Anspruch nehmen, können sie als Hausaufgabe fertig gestellt beziehungsweise in der 6. Stunde vervollständigt werden. Je nach Stand der Klasse wird das Vamperldiktat auf verschiedene Weise geübt (siehe Arbeitsblatt). Es bietet sich an, das Diktat zu teilen und verschiedene Übungsformen in mehreren Stationen durchzuführen. 5. Stunde Im Rahmen dieser Lesestunde erarbeiten die Schülerinnen und Schüler zwei Kapitel des Buches. Sie lesen im Klassenverband und besprechen anschließend die Inhalte. Gegebenenfalls können Passagen von einer Hörspielkassette vorgespielt werden. 6. Stunde In dieser Lerneinheit wird die Lerntheke aus der dritten und vierten Unterrichtsstunde fortgeführt und durch eine Internetrecherche zu der Autorin Renate Welsh erweitert. Der Computer im Klassenzimmer bildet eine Arbeitsstation, an der nach vorheriger Absprache die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen die Recherche durchführen, während sich die restliche Klasse mit den Arbeitsblättern befasst. Steht ein Computerraum zur Verfügung, so kann die gesamte Klasse die Internetrecherche gleichzeitig durchführen und anschließend an der Lerntheke weiterarbeiten. 7. Stunde Die Lesestunde gibt den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, sich den Text weiter zu erschließen. 8. Stunde Die Kinder basteln das Vamperl-Spiel: die Kärtchen mit Fragen zum Text (Kapitel 1-10) werden ausgeschnitten und können zur besseren Haltbarkeit foliert werden. Jeweils vier Schülerinnen und Schüler spielen in einer Gruppe zusammen. 9. Stunde Den Inhalt des Buchs zu wiederholen und die Schlüsselszenen sowie den linearen Ablauf zu erfassen, ist Ziel dieser Unterrichtsstunde. Die Schülerinnen und Schüler finden anhand der Anleitung aus dem Internet selbstständig heraus, wie das Pocketstorybook gefaltet werden muss. Für die Zuordnung der Seiten ist es wichtig, das Buch erst zu falten und dann zu bemalen beziehungsweise zu beschriften. Die Kinder sollen ihre Bilder mit mindestens einem Satz pro Seite kommentieren. Eventuell muss die Pocketstory zu Hause vervollständigt werden. 10. Stunde Das offene Ende der Geschichte verlockt zum Weiterschreiben. Die Kinder arbeiten alleine oder in kleinen Gruppen und können bei dieser Gelegenheit die Funktion der Rechtschreibkontrolle kennen lernen. Die fertigen Ergebnisse werden ausgedruckt und wenn möglich als kleine Sammlung für alle kopiert. Die beste Version wird prämiert. 11. Stunde Soll ein Test die Unterrichtsreihe abschließen, so bietet sich das geübte Diktat aus der vierten Unterrichtsstunde an. Die Zusatzarbeitsblätter können je nach Bedarf während der gesamten Unterrichtseinheit eingesetzt werden. Arbeitsmaterial komplett im DOC- Format

Diese Unterrichtseinheit führt in die Programmierung des Raspberry Pi mit Python ein. Anhand verschiedener Aufgaben werden die Schülerinnen und Schüler einen Raspberry-Pi-Computer einrichten und programmieren. Ziel ist es, erste Programmierkenntnisse zu erlangen. Ein AstroPi ist ein Mini-Computer, der mit der Unterstützung der UK Space Agency und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) von der Raspberry Pi Foundation entwickelt wurde. Es gibt zwei ganz besondere AstroPi-Computer: Sie heißen Ed und Izzy und wurden extra für einen Flug ins Weltall gebaut. Beide befinden sich nun auf der Internationalen Raumstation ISS und stehen Schülerinnen und Schülern zur Verfügung. Die vorliegende Unterrichtseinheit führt in die Programmierung des AstroPi ein: Unter Verwendung verschiedener Datenstrukturen in Python steuern die Schülerinnen und Schüler die Farben von LEDs an und erzeugen so unterschiedlich starke farbige und weiße Lichter. Im letzten Arbeitsblatt simulieren sie das System der Luftfeuchtigkeitsregulierung auf der ISS und sammeln Umgebungsdaten wie die Temperatur, die Beschleunigung der ISS und die Richtung der Schwerkraft. Die Unterrichtsmaterialien sind Teil der Astro Pi Challenge. Durch den Wettbewerb haben Schülerinnen und Schüler die einmalige Chance, wissenschaftliche Untersuchungen im All durchzuführen, indem ihre selbstgeschriebenen Computerprogramme auf Astro Pis speziellem Raspberry Pi Computer auf der Internationalen Raumstation (ISS) ausgeführt werden. Altersklasse: 10 bis 16 Jahre Fächer: Informatik, Technik, danach sind weitere Anwendungen in anderen MINT-Fächern möglich Schwierigkeitsgrad: leicht Ort: drinnen (Klassenraum) Erforderliche Materialien: AstroPi-Bausatz; Monitor, USB-Tastatur und USB-Maus Diese Unterrichtseinheit ist der erste Teil einer Reihe von drei Lernhilfe-Sets, die vom ESA Education Office, der Bildungsorganisation der ESA, und ihren Partnern für die erste "European Astro Pi Challenge" entwickelt wurden. Durch das Abarbeiten der Übungen dieser Lektion in der angegebenen Reihenfolge erlernen die Schülerinnen und Schüler die grundlegenden Programmierkenntnisse, die sie für die ersten Schritte mit Raspberry Pi benötigen. Weitere Materialien, die vom ESA Education Office für die "European Astro Pi Challenge" entwickelt wurden: Der Sense Hat: Einrichtung des Sense HAT und visuelle Ausgabe über die Sense HAT-LED-Matrix Datenerfassung mit dem Astro Pi: Erfassung von Daten aus der Umgebung mithilfe von Sense-HAT-Sensoren Die Schülerinnen und Schüler lernen, was ein Raspberry Pi ist, kennen seine Hauptfunktionen und wissen, wie man ihn einrichtet und benutzt. lernen den Unterschied zwischen Hardware und Software kennen. lernen, was eine Programmiersprache ist. lernen, wie sie mit Python programmieren können. lernen, wie sie mit Eingabe- und Ausgabemeldungen, Variablen, Datentypen, "if"-Anweisungen und Schleifen umgehen müssen. lernen, wie sie mit dem Turtle-Modul von Python geometrische Formen zeichnen können.