Unterrichtsmaterialien zum Thema "Entdecker"

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Religion entdecken – verstehen – gestalten

Fachartikel

... trifft Neues in der Reihe Religion entdecken - verstehen - gestalten : Von der 5. Klasse bis zum Abitur kompetenzorientiert Religion unterrichten Religion entdecken - verstehen - gestalten - Die bewährte ...

  • Religion / Ethik
  • Primarstufe

Nullstellen von quadratischen Funktionen entdecken

Unterrichtseinheit

Die Lösungen einer quadratischen Gleichung müssen sich laut Theorie ja mit Zirkel und Lineal konstruieren lassen. Aber wie geht das? Eine andere interessante Frage lautet: Wie kann man die komplexen Lösungen einer quadratischen Gleichung sichtbar machen? Der Blick über den reellen Tellerrand schafft dabei eine neue Sicht auf die Lösungen von Gleichungen.Quadratische Funktionen mit reellen Koeffizienten haben in R zwei Nullstellen, eine doppelte oder gar keine Nullstelle. Diese Lösungen kann man mit Zirkel und Lineal konstruieren, falls diese reell existieren. GeoGebra zeigt, wie es geht. Die analytische Bestätigung dieser Konstruktion stellt sich als sinnvolle algebraische Aufgabe. Im komplexen Zahlenbereich hingegen hat laut Hauptsatz der Algebra eine quadratische Funktion immer zwei Nullstellen (inklusive doppelte Nullstelle), die man im Funktionsgraphen aber nicht zu sehen bekommt, wenn sie komplex sind.Auf zwei verschiedene Arten sollen diese komplexen Lösungen sichtbar gemacht werden. Zum Einsatz kommen dabei die frei zugänglichen Mathematik-Programme GeoGebra und wxMaxima. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Hier sind die Voraussetzungen und die verwendeten Materialien für diese Unterrichtseinheit genauer beschrieben. Anregungen und Erweiterungen Weitere Vorschläge zu Anwendungen mit höhergradigen Polynomen sind hier aufgeführt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Problematik der Konstruktionen mit Zirkel und Lineal bewältigen. das Rechnen mit komplexen Zahlen üben. Funktionen mit zwei Variablen und deren Darstellung als Flächen im Raum kennen lernen. den Einsatz von Funktionen und Ortslinien in GeoGebra trainieren. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen im Umgang mit verschiedenen Software-Programmen vertraut werden. die Mathematiksoftware wxMaxima anwenden. die Mathematiksoftware GeoGebra anwenden. Thema Quadratische Gleichung Autor Georg Wengler Fach Mathematik Zielgruppe Jahrgangsstufe 11 Zeitraum 3 Stunden Technische Voraussetzungen ein Rechner pro Schülerin und Schüler, die (kostenfreie) Software GeoGebra und wxMaxima sollte installiert sein. Literatur Richard Courant, Herbert Robbins Was ist Mathematik?, 5. Auflage Springer 2000, ISBN 3-540-63777-X, Seite 204 Inhaltliche Voraussetzungen Die Schülerinnen und Schüler können quadratische Gleichungen ohne Mühe lösen. Sie verstehen das Konzept der komplexen Zahlen und können mit ihnen rechnen, etwa den Betrag oder das Einsetzen in einen quadratischen Term. Die Lernenden kennen den Hauptsatz der Algebra und verstehen seine Bedeutung für die Lösbarkeit von Gleichungen. Technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit beinhaltet insgesamt fünf Online-Arbeitsblätter, die mit jedem Internet-Browser (zum Beispiel Internet Explorer oder Mozilla) dargestellt werden können. Damit die mit GeoGebra erzeugten dynamischen Veranschaulichungen realisiert werden können, muss das Java Plugin (1.4.2 oder höher, kostenloser Download) auf dem Rechner installiert und Javascript aktiviert sein. Nachdem im komplexen Zahlenbereich eine quadratische Funktion immer zwei Nullstellen hat, sollen diese komplexen Lösungen auf zwei verschiedene Arten sichtbar gemacht werden: Mit der komplexen Funktion wird ein Kreis in eine aufgefaltete Bildkurve transformiert, die dynamisch zu den Lösungen führt. Der Real- beziehungsweise Imaginärteil der zugehörigen komplexen Funktion wird als Fläche im Raum dargestellt. Damit erhält man die Nullstellen in 3D-Ansicht. Kreiskonstruktion Die Methode der Konstruktion der reellen Lösungen einer quadratischen Gleichung wird mit GeoGebra demonstriert. Der Nachweis kann dann analytisch erfolgen. Das Arbeitsblatt ist als GeoGebra- und HTML-Datei verfügbar. Funktionen als Flächen im Raum Hier werden Funktionen mit zwei Variablen mithilfe von wxMaxima räumlich dargestellt. Der Aufwand mit wxMaxima hält sich dabei in Grenzen, vorausgesetzt, der Umgang mit dieser Software ist entsprechend eingeübt. Die grafische Umsetzung erlaubt Rotationen und somit die Betrachtung der Flächen von allen Seiten. Der Einsatz eines CAS-Programms erspart den manuell sehr mühsamen Weg komplexer Berechnungen, was die Konzentration der Schülerinnen und Schüler auf die theoretischen Zusammenhänge erhöht. Die wesentlichen Sachinhalte bestehen darin, dass der Realteil beziehungsweise der Imaginärteil einer komplexen Funktion je eine Fläche im Raum darstellt. Ein Beispiel sehen Sie in Abb. 1 (bitte zur Vergrößerung anklicken). Ihr Schnitt mit der xy-Ebene liefert die Spuren, auf denen die Lösungen liegen müssen. Sie ergeben sich tatsächlich als Schnitt dieser Spuren. Mit dem Betrag der komplexen Funktion ändert sich nichts am Funktionswert Null, es pointiert aber die Veranschaulichung der Nullstellen. Anwendung des Fundamentalsatzes Ein anderes Konzept ist die topologisch dynamische Umsetzung und Anwendung des Fundamentalsatzes der Algebra mit GeoGebra. Dabei wird ein Punkt P(a,b) mittels der Transformation f(x+iy) auf P' abgebildet. Zunächst soll man den Punkt P so verschieben, dass P' im Ursprung liegt, P stellt dann die Lösung dar. Systematische Untersuchung der Ebene Das für Arbeitsblatt 4 beschriebene Unterfangen ist eher mühsam, wenn man gar keine Ahnung von der Lösung hat, weil man ja die ganze Ebene durchsuchen muss. Es liegt also nahe, eine Kreislinie mit sich änderndem Radius zu wählen, um die Ebene systematisch zu durchwandern. Dies mögen Schülerinnen und Schüler selber überlegen oder aber man stellt das Arbeitsblatt 5 zur Verfügung. Legt man also P auf einen Kreis mit Radius r, so ist dessen Bild eine geschlossene Kurve. Während P den Kreis einmal durchläuft, macht der Bildpunkt P' in der Bildkurve so viele Umläufe, wie der Grad von f beträgt. Der Radius des Kreises ist nun so einzustellen, dass die Bildkurve durch den Ursprung geht. Anschließend dreht man den Punkt solange im Kreis, bis P' im Ursprung liegt. Zeichnerische Konstruktion Bei der Konstruktion mit Zirkel und Lineal kann man etwa auf die Konstruktion des regelmäßigen Siebzehnecks zu sprechen kommen. Nullstellenkonstruktion Die Nullstellenkonstruktion im Komplexen funktioniert natürlich auch mit höhergradigen Polynomen, sowohl die Entfaltung mittels Kreistransformation in entsprechende Bildkurven als auch die Flächendarstellung im Raum. Konkret bieten sich primitive Kreisteilungsgleichungen der Form z n - 1 = 0 an. Eine solche Standardgleichung n.ten Grades hat genau n komplexe Lösungen. Das Schöne daran ist, dass diese alle auf einem Einheitskreis liegen und ein regelmäßiges n-Eck darstellen. Exemplarisch seien hier eine Kreisteilungsgleichung 3. und eine 5. Grades präsentiert.

  • Mathematik
  • Sekundarstufe II

Lebenswelten entdecken mit der Dollar-Street

Fundstück

Stellen Sie sich vor, Menschen von der ganzen Welt würden gemeinsam in einer Straße wohnen – und Sie könnten an jeder Tür anklopfen und sehen, wie die Menschen in verschiedensten Ländern leben. Mithilfe der Dollar-Street können Sie die Lebenswelten von Menschen auf der ganzen Welt nach ihrem monatlichen Einkommen vergleichen.

  • Geographie

Cartoon der Woche: Entdecker und Erfinder

Witze & Cartoons

Die ersten Sonnenstrahlen im Frühling veranlassen Alt und Jung zu neuen Aktivitäten. Dabei geht der ein oder andere mitunter erfinderisch ans Werk und legt sich richtig ins Zeug. Oft sind uns die Kinder hier einen kleinen Schritt voraus. ;-)

  • Fächerübergreifend

Messunsicherheiten interaktiv entdecken

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler Grundlagen zum Thema "Messunsicherheiten" mithilfe von fünf Erklärvideos und Übungsaufgaben kennen. Diese Unterrichtseinheit führt die Schülerinnen und Schüler in das Thema "Messunsicherheiten" ein und vermittelt, wie Messergebnisse richtig verglichen werden. Die Lernenden bearbeiten selbstständig fünf Schritte: Ursachen von Messunsicherheiten Relevanz und Bedeutung von Messunsicherheiten Berechnung und Bedeutung des Mittelwertes Berechnung und Bedeutung der Messunsicherheit Vergleich von Messergebnissen Jeder Schritt beginnt mit einem Video (2 bis 4 Minuten), gefolgt von praktischen Übungsaufgaben. Bei einer falschen Antwort erhalten die Schülerinnen und Schüler helfende Hinweise in Rot, bei einer richtigen Antwort eine zusätzliche Erklärung in Grün. Um die Messunsicherheit zu quantifizieren, wurde die Maximalunsicherheit gewählt, also der maximale Abstand zwischen dem Mittelwert und einem der Messwerte. Dies ist eine (große) Überschätzung der Messunsicherheit, aber mathematisch einfach. Auf diese Weise kann der Schwerpunkt auf die Bedeutung der Messunsicherheit und nicht auf die Berechnung gelegt werden. Diese Quantifizierung kann natürlich ein hervorragender Ausgangspunkt für eine Klassendiskussion und eine weitere Verfeinerung der Quantifizierung sein – vom Ausschluss von Ausreißern bis zur Berechnung der Standardabweichung. Diese Unterrichtseinheit wurde in einer wissenschaftlichen Studie erfolgreich erprobt und gibt den Lernenden alle Werkzeuge an die Hand, die sie benötigen, um zwei Messergebnisse korrekt zu vergleichen. Messunsicherheiten als Thema im Unterricht Die Beurteilung der Qualität von Daten und ihrer Bedeutung ist eine Kompetenz, die immer mehr an Bedeutung gewinnt. Dazu gehört die Fähigkeit, Messunsicherheiten abzuschätzen und zu berechnen und zwei Messergebnisse miteinander zu vergleichen. Der Vergleich zweier Messergebnisse ist jedoch ohne Berücksichtigung der Messunsicherheiten nicht möglich. Zwei Durchschnittswerte können sich numerisch unterscheiden, was aber nicht bedeuten muss, dass der eine tatsächlich (signifikant) größer ist als der andere. Nur die Überschneidung der Unsicherheitsintervalle (oder nicht) gibt eine entscheidende Antwort auf die Verträglichkeit der Messergebnisse (oder nicht). Messunsicherheiten sind jedoch ein Thema, mit dem viele Schülerinnen und Schüler Probleme haben. Nicht nur bei der Berechnung (oft wird die Standardabweichung verwendet), sondern vor allem bei der Interpretation. Messunsicherheiten werden explizit in den Bildungsstandards des Faches Physik genannt: "Im Bereich der Erkenntnisgewinnungskompetenz wird auf erhöhtem Anforderungsniveau vermehrt auf einen formalen Umgang mit Messunsicherheiten und auf die Reflexion über Vor- und Nachteile oder die Aussagekraft verschiedener Mess- und Auswertungsverfahren Wert gelegt." (aus KMK, IQB: Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 18.06.2020 S.13) Diese Kompetenzen treten im Bereich 2.2.3 "Erkenntnisprozesse und Ergebnisse interpretieren und reflektieren" und E7 "Die Lernenden berücksichtigen Messunsicherheiten und analysieren die Konsequenzen für die Interpretation des Ergebnisses" auf. Diese digitale Lernumgebung bietet einen Einstieg in die Thematik der Messunsicherheiten, insbesondere den Vergleich von Messergebnissen, wobei keine weitere Einführung notwendig ist. Die Lernumgebung ist für Schülerinnen und Schüler ab der 8. Klassenstufe geeignet. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen Lehrkräfte benötigen lediglich basale Kenntnisse im Umgang mit interaktiven Elementen auf Webseiten. Spezielle, darüber hinausgehende digitale Kompetenzen werden nicht benötigt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vergleichen eigene Daten mit Referenzwerten (zum Beispiel aus dem Schulbuch). schätzen die Qualität gemessener Daten durch Referenzwerte (zum Beispiel aus dem Schulbuch) ab. berechnen Mittelwert und Unsicherheit. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entnehmen wichtige Information aus einem Lernvideo. arbeiten mit einer interaktiven Lernumgebung. üben sich im Umgang mit digitalen Lernmedien. 21st-Century-Skills Die Schülerinnen und Schüler erlernen durch evidenzbasiertes Argumentieren auf der Basis von Messdaten das kritische Denken ("Wie sicher beziehungsweise unsicher sind meine Daten?"). üben sich im Treffen von Entscheidungen unter Angabe von Begründungen (Vergleich von Messungen und Ziehen von Schlussfolgerungen, ob sich Datensätze grundsätzlich unterscheiden).

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II