Diese Unterrichtseinheit behandelt die Bernoulli-Experimente und die Bernoulli-Kette, welche in den Lehrplänen der Abschlussklassen verschiedener Schulformen stehen. Mit Hilfe derartiger Experimente lassen sich, auch rund um den Fußball, viele Gegebenheiten modellieren. Nach Vorstellung der Begriffe, der Idee zur Bestimmung von Wahrscheinlichkeiten und dem Kennenlernen der Binomialverteilung werden viele Fragen im Zusammenhang mit Fußball erörtert und Wahrscheinlichkeiten bestimmt. In der Unterrichtseinheit "Die Binomialverteilung und der Fußball" werden das Bernoulli-Experiment und die Bernoulli-Kette vorgestellt, sowie die Idee der Binomialverteilung präsentiert. Die erste Einheit befasst sich mit dem Bernoulli-Experiment und wenigen Durchführungen hintereinander. Abgerundet wird der erste Teil mit Übungen und Aufgaben mit Fußballbezug , denn viele Beobachtungen im Fußball können mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten eintreten. In der zweiten Einheit werden längere Bernoulli-Ketten betrachtet – wieder mit vielen Beispielen aus dem Fußballbereich. Der Binomialkoeffizient wird kurz wiederholt, um die Idee der Binomialverteilung zu erarbeiten. Die abschließenden Übungen mit Fragen rund um den Fußball benötigen die Idee der Bernoulli-Ketten. Den Schülerinnen und Schülern werden in den Übungen stets Rückmeldungen zur Verfügung gestellt. Die Einheit wird abgerundet mit der Verwendung von Exceldateien zum Bestimmen von Wahrscheinlichkeiten – mit welcher Wahrscheinlichkeit ist eine Fußballmannschaft in einem Elfmeterschießen erfolgreich? Hier geht es zu den interaktiven Übungen ! Die Pfadregel und die Baumdarstellung bei mehrstufigen Experimenten werden in dieser Unterrichtseinheit als bekannt vorausgesetzt. Wahrscheinlichkeiten für Bernoulli-Experimente werden sowohl für Laplace als auch nicht-Laplace Experimente betrachtet. Die Erweiterung zu Bernoulli-Ketten wird mit Hilfe von Baumdarstellungen verdeutlicht. Nach kurzer Wiederholung des Binomialkoeffizienten-Begriffes wird die Binomialverteilung erarbeitet. Mit interaktiven Übungen und einer Vielzahl von Fragen werden die Inhalte, angelehnt an Fußballthemen, geübt. Auch für den "Nichtfußballprofi" sind die Aufgaben verständlich dargestellt. Versteckt in Anwendungen findet sich auch die Idee zum Hypothesentest, dieser wird aber nicht explizit thematisiert. Fachbezogene Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler lernen die Idee des Bernoulli-Experimentes kennen. begreifen die Erweiterung zur Bernoulli-Kette. lernen die Binomialverteilung zu Fragenstellungen aus dem Fußballbereich kennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet. setzen mobile Endgeräte im Unterricht ein. nutzen Excel. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler steigern ihr Selbstwertgefühl und Eigenverantwortung (Rückmeldungen zu Antwortmöglichkeiten). haben die Möglichkeit in Teamarbeit Hilfsbereitschaft zu zeigen. lernen auf vielfältige Fragestellungen aus dem Bereich Wahrscheinlichkeitsrechnung adäquat einzugehen.

Die entwickelte Unterrichtsreihe nutzt den eukaryotischen Organismus S. cerevisiae (Bäckerhefe), aufgrund seiner einfachen Kultivierungsbedingungen, zum Wissensaufbau zu biologischen Schlüsselbegriffen in den Themen Fermentation und mikrobielle Kinetik. Übergeordnetes Ziel ist das Erlernen von methodischen Strukturen zum wissenschaftlichen Arbeiten, bei der mithilfe von Versuchsreihen der Einfluss eines Parameters auf ein biologisches System untersucht wird. Dieser systematische Umgang mit Variablen innerhalb einer Versuchsreihe trägt zur Kompetenzförderung im Bereich Erkenntnisgewinnung im Rahmen der naturwissenschaftlichen Grundbildung bei.Wie gelingt der beste Pizzateig? Dieser Frage folgt das Unterrichtskonzept mit spannenden und einfachen Experimenten mit Hefe zu den Themen Fermentation und mikrobielle Kinetik . Der Versuchsaufbau ist für alle Hefe-Experimente identisch, kann aber in unterschiedlicher Komplexität durchgeführt und ausgewertet werden. Dadurch ist die Unterrichtsreihe sowohl in der Sekundarstufe 1 als auch 2 einsetzbar. Die Experimente bauen auf einen Grundversuch auf und können durch weitere Untersuchungen und Variation von Parametern ein vertiefendes Wissen innerhalb des Themas Enzymkinetik ermöglichen. Nach einer thematischen Einführung wird im Grundversuch die allgemeine grundlegende Aussage getroffen, dass Hefe ein wässriges Medium mit einem Substrat (Saccharose) und spezifisch günstige Temperaturbedingungen zwischen 35 °C bis 45 °C zum Wachstum benötigt. Diese Annahme wird mithilfe einer Versuchsreihe zu den Auswirkungen der Parameter Temperatur und Substrat auf das Hefewachstum untersucht. In der darauffolgenden Unterrichtsstunde folgen drei aufbauende Experimente (Versuch 1 bis 3), welche das Wissen zu Enzymen , deren Funktion und Kinetik als Biokatalysatoren erweitern. Bezüglich den Schwerpunkten Temperaturabhängigkeit, Substratspezifität und Substratkonzentration werden Datensätze mit den Experimenten generiert, die analytisch in einer Nachbereitungsstunde ausgewertet werden. Die beobachteten Reaktionen werden mit der Michaelis-Menten-Kinetik veranschaulicht. Dies ist möglich, da die Hefezellen vereinfacht als Biokatalysator angesehen werden können. In den Experimenten wird über die Bildung des Schaums (beziehungsweise des Kohlenstoffdioxids) auf das Wachstum geschlossen. Eine höhere Schaumbildungsrate liegt einer höheren $$CO_2$$ - Bildung zugrunde, was folglich ein verstärkter Stoffwechsel und mehr Zellen bedeutet. Die Hefe-Aktivität wird somit durch die Ausdehnung der Ansatzvolumina messbar und muss über einen Zeitraum von circa 10 Minuten in regelmäßigen Abständen dokumentiert werden. In Zusatzversuchen (Versuche 4 bis 6) können weitere Parameter wie der Einfluss unterschiedlicher Lösemittel (Wasser und Öl), die Auswirkung beim Zusatz von Salz und die Enzymkonzentration (Menge an Hefe) untersucht werden. Der Kontext zum Pizzabacken oder Backen von Hefeteigprodukten bietet alltagsnahen und altersgerechte Einstiegsmöglichkeiten für die Bildungsgänge der Sekundarstufe 1 und 2 dar. Mit der Plattform "Kniffelix" kann die Unterrichtsreihe durch ein digitales Lernangebot mit dem "Pizza-Rätsel" erweitert werden. Diese digitale Begleitung der Hefeversuche stellt Ergänzungen in Form von weiteren praktischen Aufgaben, Lernvideos, interaktiven digitalen Aufgaben zu den Versuchsreihen bereit. Das Thema "Hefe" im Biologie-Unterricht Die Stoffwechselleistung der Hefe macht sich der Mensch schon seit Jahrtausenden zunutze, beispielsweise beim Bierbrauen und Brotbacken. Heute gehört der Mikroorganismus Hefe zu den "Fabriken der Zukunft" und steht im Interesse der Forschung und Industrie zur Produktion von biotechnologischen Produkten wie Impfstoffe, Medikamente oder Chemikalien. Die Relevanz der Thematik steckt somit in der historisch wachsenden Bedeutung der Hefe in vielfältigen Forschungsfeldern sowie in der Jahrtausendlangen Verwendung zur Herstellung von Teigwaren in der heimischen Küche und alkoholischen Getränken. Vorkenntnisse Spezifische Vorkenntnisse der Lernenden sind nicht notwendig. Die theoretischen Hintergründe zu den Experimenten schaffen grundlegendes Wissen, wodurch sich die Experimente als Einstiegsthema zur Enzymkinetik eignen. Vorkenntnisse zur Zellatmung und alkoholischen Gärung können vorteilhaft sein und können durch wesentliche Erkenntnisschritte in der analytischen Auswertung der Experimente verdeutlicht werden. Didaktisch-methodische Analyse Die Experimente folgen einem forschungsorientierten methodischen Vorgehen und stehen im Zuge der Entwicklung der Experimentierkompetenz der Schülerinnen und Schüler im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Die kontrollierte Variation der Untersuchungsparameter und der systematische Umgang mit Variablen fördert das Erlernen von methodischen Strukturen zum wissenschaftlichen Arbeiten im Rahmen der naturwissenschaftlichen Grundbildung. Die Experimente werden in Gruppenarbeit oder Partnerarbeit, je nach Klassen- oder Kursgröße, durchgeführt. Somit steht der Austausch mit Peers im Vordergrund, indem sich die Lernenden gegenseitig unterstützen und selbstständig den Experimentierprozess leiten. Besonderheit aller Experimente ist, dass alle verwendeten Geräte, Gebrauchs- und Verbrauchsmaterialien kostengünstig in Drogerien oder Lebensmittelgeschäften erhältlich oder sogar schon im Haushalt zu finden sind. Aufgrund dessen, durch die digitale Begleitung der Inhalte auf der Plattform "Kniffelix" und durch Videomaterial auf der Homepage des Lehrgebiets BioVT der TUK können die Experimente auch einfach von zu Hause durchgeführt werden und im Setting "Remote Learning" Einsatz finden. Eine zusätzliche Unterstützungsmöglichkeit bei der Durchführung des Unterrichtskonzepts ist die besondere methodische Herangehensweise in Experimentierkisten , welche nicht nur als Transportmedium für alle Materialien und Geräte dient, sondern auch den Wissenstransfer zwischen Universität und Schule symbolisiert und den Transport von Wissensgut ermöglicht. Für Lehrkräfte aus Rheinland-Pfalz und aus der Metropolregion Hamburg besteht die Möglichkeit diese Experimentierkisten auszuleihen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten dazu in der Lage sein, die Unterrichtsreihe gezielt durch digitale Medien zu untermauern. Beispielsweise ist es möglich ein digitales Laborbuch zu den Versuchsreihen anzulegen und die Datenanalyse mit einer Softwarelösung vorzunehmen. Das digitale Laborbuch kann zur Dokumentation aber auch als Interaktionstool genutzt werden und im Rahmen eines kollaborativen Dokumenten-Tools umgesetzt werden. Die Lehrkraft soll so in der Lage sein, die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, digitale Medien im Rahmen der Gruppenarbeiten zu nutzen, um die Kommunikation und Kooperation innerhalb der Lerngruppe zu verbessern. Die Lernenden können in der Form des digitalen Laborbuchs experimentelle Erkenntnisse und Fortschritte dokumentieren, diese kommunizieren und gemeinsam Auswertungen und Diskussionspunkte erarbeiten. Sicherzustellen sind Internetzugang und die Verfügbarkeit von Endgeräten für die Lerngruppe. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen exemplarisch Untersuchungen zu physiologischen Fragestellungen zu dem Zusammenhang von Kohlenstoffdioxidproduktion, Wachstum und Enzymkinetik, durch. erschließen sich Wechselwirkungen zwischen Lebensraum, dessen charakteristischen Faktoren (zum Beispiel Temperatur, Substrate) und dem artspezifischen angepassten Wachstum von Organismen. stellen auf Grundlage der Analyse der Experimente zu Enzymkinetik erste Zusammenhänge zur Michaelis-Menten-Kinetik da. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden im Experimentierprozess zur Erkenntnisgewinnung die kontrollierte Untersuchung der Variablen an, identifizieren die Störvariable, halten deren Auswirkungen gering und kontrolliert, um den Einfluss der abhängigen Variable zu untersuchen. nutzen naturwissenschaftliche Arbeitsweisen (zum Beispiel Experimentieren, Beobachten, Messen). Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stehen in der Gruppenarbeit im Austausch mit der Peer-Gruppe, wodurch ein Peer-Coaching explizit erfordert wird. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler zeigen Kreativität bei dem Lösen der Problemstellungen der Experimente. analysieren die aus den Experimenten gewonnenen Daten, interpretieren und bewerten sie, um kritisch Rückschlüsse auf die Themen Enzymkinetik und Kultivierungsbedingungen zu ziehen.

Mit diesem Unterrichtsmaterial prüfen die Lernenden durch ein wissenschaftliches Experiment, inwiefern Wärme, Licht, Wasser und Erde das Keimen von Samen beeinflussen. Dabei beschreiben sie die Veränderungen in der Natur von Winter zu Frühling und knüpfen an ihr Wissen über Frühblüher an. In dieser Unterrichtseinheit für den Unterricht in Biologie der Sekundarstufe I beschreiben die Schülerinnen und Schüler die Veränderungen in der sie umgebenden Natur von Winter zu spätem Frühling und erweitern damit ihr Wissen über Frühblüher. Durch die Erinnerung an die Frühblüher und den Unterschied Blumenzwiebel – Blumensamen kommt die Frage auf, was Samen brauchen, damit sie keimen können (und warum sie dies erst deutlich später tun als die Frühblüher). Ausgehend von dieser Fragestellung planen sie gemeinsam ein Experiment, mit dem sie die Keimungsbedingungen für Samen zum Beispiel von Kresse oder Bohnen herausfinden können. Sie führen das Experiment durch und beobachten die Entwicklung über mehrere Tage, um anschließend die Beobachtungen auszuwerten. Dadurch, dass sie arbeitsteilig in Gruppen den Samen jeweils keine Wärme, kein Licht, keine Erde und kein Wasser zuführen, erkennen sie, welche Bedingungen Samen zum Keimen brauchen. Das Thema Keimung von Samen im Unterricht Das Thema Wachstumsbedingungen von Pflanzen ermöglicht einen hohen Alltagsbezug und Eigenaktivität der Lernenden. Durch Anknüpfung an bereits bekannte Inhalte und Beobachtung der eigenen Umwelt entstehen Fragestellungen, die in relativ einfach durchzuführenden Experimenten beantwortet werden können. Vorkenntnisse Die Lernenden kennen den Aufbau von Blumenzwiebeln und wissen, warum Frühblüher schon sehr früh im Jahr blühen können. Didaktische Analyse Als Keimungsbedingungen werden in dieser Unterrichtseinheit Wärme, Licht, Wasser und Erde untersucht. Andere Faktoren wie benötigte Nährstoffe bleiben dabei aus Gründen der didaktischen Reduktion außen vor, um den Lerngegenstand zu reduzieren. Gegenüber einem wissenschaftlich durchgeführten Versuch gibt es zwar viele Fehlerquellen, die Ergebnisse reichen aber aus, um Rückschlüsse zu ziehen. Einige Fehlerquellen können im Unterricht während der Durchführung des Experiments angesprochen werden. Da die Schülerinnen und Schüler in den einzelnen Phasen des Unterrichts immer in der Gruppe agieren, werden Schwierigkeiten und Unsicherheiten aufgefangen. Methodische Analyse Angeregt durch einen Impuls (gekeimte Samen) machen sich die Lernenden Gedanken zum Wachstum von Pflanzen, den Unterschied zu Frühblühern und der Jahreszeitenrhythmik. Sie äußern diese Gedanken im Unterrichtsgespräch und werden zur Fragestellung der Stunde geleitet. Der anschließende Rundlauf dient schon der Planung der Experimente. In der Besprechung kann die Lehrkraft passende Ideen benennen und auswählen, damit der Materialbedarf zu dem passt, was an der jeweiligen Schule vorhanden ist. In der Gruppe bereiten die Lernenden das Experiment dann mithilfe weniger Arbeitsanweisungen selbstständig vor und können bei Bedarf durch die Lehrkraft unterstützt werden. Umgang mit Fachwissen Die Schülerinnen und Schüler können Bedingungen in Lebensräumen benennen und ihren Einfluss erläutern. beobachten kriteriengeleitet die Keimung von Pflanzen. Kommunikation Die Schülerinnen und Schüler zeichnen Beobachtungen übersichtlich auf. geben ihre Beobachtungen adressatengerecht weiter. Bewertung Die Schülerinnen und Schüler ziehen aus den Beobachtungen des Experiments Rückschlüsse auf optimale Keimungsbedingungen.

Am Beispiel der Fußball Europameisterschaft werden in dieser Unterrichtseinheit die Wahrscheinlichkeiten zusammengesetzter Ergebnisse und Ereignisse bestimmt, denn auch im Fußball unterliegt vieles dem Zufall. Nach Beschreibungen der Begriffe "Ergebnis" und "Ereignis" sowie des Wahrscheinlichkeitsbegriffs werden interaktive Übungen mit Fragen rund um das Thema Fußball bearbeitet. Die Fußball Europameisterschaft findet alle vier Jahre statt. In dieser Unterrichtseinheit werden Grundlagen zur Wahrscheinlichkeitsrechnung erarbeitet und umfassend geübt. Das erste Arbeitsblatt befasst sich zunächst mit möglichen, aber auch unmöglichen Ereignissen. Auch auf einfache Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen zu einstufigen Ergebnissen wird ausführlich eingegangen. Eine Unterscheidung von Laplace-Experimenten und Experimenten, bei welchen Statistiken zu Vorhersagen verwendet werden, findet statt. Abgerundet wird der erste Teil mit einer großen Anzahl von Übungsaufgaben mit Fußballbezug. Auf dem zweiten Arbeitsblatt werden dann mehrstufige Experimente betrachtet. Auch hier werden wieder viele Beispiele aus dem Fußballbereich genutzt. Eine kurze Wiederholung zur Bestimmung von Anzahlen von Kombinationsmöglichen am Ende der Einheit erweitern die Möglichkeiten, Betrachtungen im Fußball mathematisch durchzuführen. Zum Schluss stehen erneut interaktive Übungen bereit. Dem Übenden werden in diesen Übungen stets Rückmeldungen zur Verfügung gestellt. Die Einheit kann auch außerhalb einer Fußball Europameisterschaft eingesetzt werden. Bei Bedarf können die Ländernamen der Mannschaften ausgetauscht werden. Alle Unterrichtssequenzen beinhalten außerdem interaktive Übungen, bei denen die Lernenden ihr Wissen noch einmal anwenden und vertiefen können. Ein Grundlagenwissen aus der Kombinatorik ist Voraussetzung für diese Unterrichtseinheit. Eine kurze Wiederholung hierzu auf dem zweiten Arbeitsblatt soll ermöglichen, umfangreiche Probleme stochastisch auch mit Hilfe von Statistiken bearbeiten zu können. Die Unterscheidung der Begriffe "Ergebnis" und "Ereignis" wird durch Beispiele aus dem Fußballbereich verständlich erklärt. Ebenso der Unterschied zwischen Laplace-Experimenten und Experimenten, wo Statistiken für Wahrscheinlichkeitsvorhersagen hilfreich sind. Mit interaktiven Übungen und einer Vielzahl von Fragen werden Grundlagen geübt. Diese sind angelehnt an Fußballthemen, die aber auch für den "Nichtfußballprofi" verständlich dargestellt werden. Fachbezogene Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler gewinnen Erkenntnisse zu Laplace Experimenten. können Laplace Experimente von anderen Zufallsexperimenten unterscheiden. lernen mathematische Betrachtungen am Beispiel eines Fußballturniers kennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet. setzen mobile Endgeräte im Unterricht ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler steigern ihr Selbstwertgefühl und ihre Eigenverantwortung (Rückmeldungen zu Antwortmöglichkeiten). haben die Möglichkeit, in Teamarbeit Hilfsbereitschaft zu zeigen. lernen auf vielfältige Fragestellungen aus dem Bereich Wahrscheinlichkeitsrechnung adäquat einzugehen.

In dieser Unterrichtseinheit zum kleinen Wasserkreislauf werden die Kinder spielerisch an die Thematik der Naturkreisläufe im Regenwald herangeführt. Sie lernen spannende Eigenschaften des Wassers kennen und entwickeln ein Verständnis dafür, wie sich Wasser in der Natur verhält. Die Unterrichtseinheit "Der kleine Wasserkreislauf" enthält sowohl Informationen zum Wasserkreislauf als auch eine Fülle an Experimenten mit Wasser. Diese ermöglichen es den Kindern, die verschiedenen Eigenschaften von Wasser zu erleben und selbst herauszufinden, wie sich das Elixier des Lebens in unterschiedlichen Situationen verhält. Zudem erleben die Kinder spielerisch, wie der kleine Wasserkreislauf im Regenwald funktioniert (auch übertragbar auf unsere Naturkreisläufe). Der Wasserkreislauf ist eine der zentralsten Funktionen des Ökosystems Erde. Dementsprechend ist es wichtig, dass auch Kinder dieses grundlegende Konzept zu verstehen lernen. Zum Glück ist der kleine Wasserkreislauf nicht allzu komplex und kann somit auch bereits im Kindergarten behandelt werden. Auch ein Bezug zum Leben der Kinder ist gegeben, denn Regen hat schließlich jeder schon einmal erlebt. Wo er jedoch herkommt, ist eine andere Frage. Gerade kleine Experimente eignen sich hervorragend um dieses Wissen zu vermitteln, da sie alles auf eine anschaulich-mitreißende Art vermitteln. Die Experimente zum kleinen Wasserkreislauf in dieser Unterrichtseinheit werden dabei nicht unnötig komplex oder lösen Verständnisprobleme bei den Schülerinnen und Schülern aus. Vorkenntnisse der Lehrkraft sind nicht nötig, alle relevanten Informationen sind auf den Arbeitsblättern vorhanden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler werden an den kleinen Wasserkreislauf herangeführt. lernen, wie sich Wasser unter verschiedenen Gegebenheiten verhält. bauen unter Aufsicht kleine Experimente zum Wasserkreislauf auf. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler werden an die Idee eines wissenschaftlichen Experimentes herangeführt .

Dieses Unterrichtsmaterial regt die Lernenden zum Bau einer Rakete aus zwei Plastikflaschen, Natron und Essig an. An diesem Experiment wird neben der Problematik um den Plastikmüll zum Umweltschutz in der Schule der Antrieb einer Rakete durch das Rückstoßprinzip sowie die chemische Reaktion von Säure und Natriumhydrogencarbonat erläutert.Mit diesem Unterrichtsmaterial lernen die Schülerinnen und Schüler am Beispiel einer Rakete das Rückstoßprinzip als praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms sowie die chemische Reaktion von Backpulver und Essig kennen. Sie bauen angeleitet durch ein Video selbstständig eine Rakete, erkennen ihren Antrieb und vertiefen die Phänomene der Chemie und Physik durch begleitende Arbeitsblätter. Gleichzeitig soll das Experiment auf den seit Jahren steigenden Verbrauch von Plastikflaschen aufmerksam machen, die nur zum Teil recycelt werden, während der Rest in Müllverbrennungsanlagen oder in der Umwelt landet. Das Material eignet sich je nach Lehrplan für den fächerverbindenden Unterricht in Chemie und Physik der Sekundarstufen I und II. Das Thema "Eine Rakete aus Plastikflaschen bauen: Upcycling in Chemie und Physik" im Unterricht Am Beispiel einer Rakete erarbeiten die Lernenden mit diesem Unterrichtsmaterial weitgehend selbstständig und praxisorientiert den Antrieb in einem Experiment. Diese Form der experimentellen Erarbeitung des Rückstoßprinzips im Unterricht eignet sich in besonderer Weise, um den Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufen nachhaltig aufzuzeigen, warum Raketen eigentlich fliegen. Vorkenntnisse Zu den wesentlichen Voraussetzungen zur Durchführung dieser Unterrichtseinheit zählt, dass die Lernenden mit Lehrvideos arbeiten sowie ein chemisches beziehungsweise physikalisches Experiment aufbauen, durchführen und auswerten können. Didaktische Analyse In diesem Unterrichtsmaterial erarbeiten die Lernenden mit dem Rückstoßprinzip und einer chemischen Reaktion Phänomene der Fächer Physik und Chemie: Während das Rückstoßprinzip in Natur und Technik als praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms ein physikalisches Phänomen ist, das in der Natur und Technik zur Fortbewegung dient, gilt die Verbindung von Backpulver mit Essig (Säure mit Natron) als ein Beispiel für eine Reaktion der Chemie. Darüber hinaus setzen sich die Schülerinnen und Schüler zum Umweltschutz mit ökologischen Problemen, die beim Recycling von Plastikflaschen entstehen, auseinander und lernen ein Experiment selbstständig vorzubereiten, durchzuführen und auszuwerten. Methodische Analyse Die Auswertung der Filme geschieht sowohl im Plenum als auch in Partnerarbeit. Die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung des Experiments erfolgt in Partner- oder Gruppenarbeit, sodass die Lernenden möglichst eigenverantwortlich und selbstständig arbeiten können. Die Lehrkraft steht in diesen Phasen beratend zur Verfügung und sollte nur unterstützend eingreifen, wenn Fragen auftauchen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bereiten ein Experiment im Chemie- oder Physikunterricht selbstständig vor und führen es nach Anleitung durch. lernen das Rückstoßprinzip sowie die chemische Reaktion von Natron und Essig kennen. unterscheiden ökologisch sinnvolles Recycling von Plastikflaschen von unsinniger Müllverwertung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entnehmen einem Video im Unterricht die wesentlichen Informationen für den Bau einer Rakete. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konzentriert und zielführend kooperativ im Team zusammen.

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten mithilfe eines interaktiven Lerntools die für die Hintereinanderschaltung zweier Widerstände geltenden Gesetzmäßigkeiten. Zur Konsolidierung ihres Wissens lösen die Lernenden im Anschluss an die Arbeit mit dem virtuellen Experiment verschiedene Anwendungsaufgaben. Neben dem selbstgesteuerten Arbeiten wird durch gestaffelte Hilfen auch eine innere Differenzierung ermöglicht. Das interaktive Experiment, die Anwendungsaufgaben wie auch die Hilfen werden den Lernenden dabei in Form eines Selbstlerntools zur Verfügung gestellt, das mit der Software ?Mediator? realisiert wurde. Das virtuelle Experiment ? eine interaktive Flash-Animation - wurde an der Physik-Didaktik der Universität Bayreuth entwickelt. Unterrichtsverlauf und Materialien Hinweise zum Ablauf der Unterrichtseinheit. Ein Screenshot vermittelt einen Eindruck vom virtuellen Messplatz. Alle Materialien können Sie hier auch einzeln herunterladen. Besonderheiten der Unterrichtseinheit Ein virtuelles Experiment wird dem Realexperiment vorgezogen Die Schülerinnen und Schüler sollen wissen, dass bei zwei hintereinander geschalteten Widerständen die Summe der Teilspannungen der Gesamtspannung entspricht. die Berechnungsgleichung des Gesamtwiderstandes bei zwei in Reihe geschalteten Teilwiderständen kennen. wissen, dass sich bei einer Reihenschaltung von zwei Widerständen die anliegenden Teilspannungen wie die entsprechenden elektrischen Widerstände verhalten. wissen, dass ein elektrisches Gerät, das eigentlich für eine kleinere Spannung ausgelegt ist, mithilfe eines geeigneten Vorwiderstandes dennoch betrieben werden kann. die Größe des zum Betrieb eines Bauteils notwendigen Vorwiderstandes bestimmen können. den Einsatz von Vorwiderständen unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Faktoren bewerten können. Thema Reihenschaltung von Widerständen Autor Patrik Vogt Fach Physik Zielgruppe Klasse 8-10 Zeitraum mindestens 2 Stunden Technische Voraussetzungen Beamer, Präsentationsrechner, Computer in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit), 9-Volt-Batterie, 3,8-Volt-Lampe mit Fassung, Auswahl an Widerständen, Experimentierkabel Planung Reihenschaltung von Widerständen Einstieg in das Thema - die Beamer-Lampe Zur Entwicklung der Problemfrage der Unterrichtseinheit stellt die Lehrperson folgenden Sachverhalt dar: "In Beamern werden Halogenlampen verwendet, die für eine Spannung von 24 Volt ausgelegt sind." Auf die Frage, ob eine solche Lampe unmittelbar an das Stromnetz (230 Volt) angeschlossen werden könne, wird eine Schülerin oder ein Schüler aufgrund des Vorwissens antworten, dass dies nicht möglich sei. Im Unterrichtsgespräch wird die Lösung des Problems von den Lernenden erarbeitet beziehungsweise von den Lernenden genannt: Mithilfe eines Widerstandes, den man mit der Lampe in Reihe schaltet, "verringert" man die Spannung und "schützt" somit die Lampe. Berechnung des Vorwiderstandes Dieser Hinweis führt unmittelbar zur Problemfrage der ersten Unterrichtsstunde, die an der Tafel fixiert wird: "Wie kann man die Größe eines Vorwiderstandes berechnen?" Zur visuellen Unterstützung kommt in dieser Phase eine Folie zum Einsatz ("reihenschaltung_r_einstieg.pdf", Präsentation per Beamer oder Overheadprojektor). Den Lernenden wird das Experimentiermaterial für ein Analogieexperiment vorgestellt (das später von zwei Lernenden als Demonstrationsexperiment vorgeführt wird). Die Lehrperson informiert die Schülerinnen und Schüler über folgende Punkte: Vorstellung des Lerntools und seiner Funktionen (per Beamer) Hinweise zum Umgang mit den Hilfen und Lösungen aus dem Lerntool Zielvorgabe für die erste Unterrichtsstunde ("reihenschaltung_r_arbeitsblatt.pdf", Aufgabe 1) Zeitvorgabe (Erarbeitung bis zehn Minuten vor Ende der ersten Unterrichtsstunde) Wo finden die Lernenden die Simulation? - Mitteilung von Dateipfad und -name (Reihenschaltung.exe) Virtuelles Experiment - Einzel- oder Partnerarbeit Die Lernenden führen das virtuelle Experiment durch ("reihenschaltung_r_selbstlerntool.zip", Start des Programms durch "Reihenschaltung.exe"), protokollieren ihre Ergebnisse (reihenschaltung_r_arbeitsblatt.pdf) und erarbeiten daraus die Gesetzmäßigkeiten für die Reihenschaltung von Widerständen. Aus dem Bauteilkasten können verschiedene Widerstände in die Schaltung hineingezogen und per Klick auf das Tintenfass die jeweiligen Messwerte protokolliert werden. Die Messwerte erscheinen im "Ausdruck" des virtuellen Druckers. Eine Kurzbeschreibung der Funktionalitäten des virtuellen Messplatzes zur Reihenschaltung von Widerständen finden Sie auf der Website der Universität Bayreuth, die noch weitere interaktive Materialien zu bieten hat. Beachten Sie, dass die Programme auf der Homepage der Didaktik der Physik auf lange Sicht aktualisiert werden. Besprechung der Schülerergebnisse Im Unterrichtsgespräch werden die Ergebnisse des interaktiven Experiments besprochen. Die Schülerinnen und Schüler nennen die aufgestellten Gleichungen, welche von der Lehrperson an der Tafel fixiert und von den Lernenden gegebenenfalls korrigiert werden ("reihenschaltung_r_tafelbild.pdf", Tafelbild A). Zur Beantwortung der Ausgangsfrage wird die Lösung zu Aufgabe 1 (siehe "reihenschaltung_r_arbeitsblatt.pdf) von einer Schülerin oder einem Schüler vorgestellt und ebenfalls an der Tafel fixiert ("reihenschaltung_r_tafelbild.pdf", Tafelbild B). Auf der Grundlage des berechneten Vorwiderstandes führen nun zwei Lernende das Analogieexperiment als Demonstrationsversuch vor. Reflexion: Sind Vorwiderstände immer sinnvoll? Unter Nutzung ihres physikalischen Fachwissens bewerten die Schülerinnen und Schüler den Einsatz von Vorwiderständen. Dabei sollen sie ökonomische und ökologische Faktoren berücksichtigen. In der zweiten Unterrichtsstunde bearbeiten die Schülerinnen und Schüler die restlichen Aufgaben. Durch die bereitgestellten Hilfen können sie völlig selbstständig arbeiten und ihr Lerntempo frei bestimmen. Lediglich offene Fragen werden abschließend im Unterrichtsgespräch diskutiert und beantwortet. Möchte man im Unterricht die Hintereinanderschaltung zweier Widerstände im Realexperiment in Partner- oder Gruppenarbeit untersuchen lassen, so stößt man erfahrungsgemäß auf zwei große Schwierigkeiten: In den meisten Physiksammlungen sind nicht ausreichend Spannungsmessgeräte vorhanden. (Um zügig arbeiten zu können, benötigt jede Gruppe mindestens zwei Spannungsmesser!) Das Auswechseln der Widerstände und das Messen der Spannungen würde viel Zeit in Anspruch nehmen, so dass die zur Verfügung stehende Zeit kaum ausreichen würde. Wichtig: Abgrenzung des virtuellen vom realen Experiment Wurden noch keine virtuellen Experimente im Physikunterricht eingesetzt, müssen diese von den Qualitäten des Realexperiments deutlich abgegrenzt werden: Im Gegensatz zum virtuellen Experiment, das eine Frage an die der Programmierung zugrunde liegende Mathematik richtet, stellt das Realexperiment stets eine Frage an die Natur. Es ist also unmöglich, aus einem virtuellen Experiment eine Theorie abzuleiten oder zu bestätigen, diese wurde schließlich bereits "einprogrammiert". Allein das Realexperiment kann Prüfstein von naturwissenschaftlichem Wissen sein. Diese herausragende Rolle des "echten" Experiments innerhalb des physikalischen Erkenntnisprozesses muss den Lernenden immer wieder bewusst gemacht werden. Dennoch hat das interaktive Experiment seine Berechtigung, und zwar immer dann, wenn Versuche zu schnell oder zu langsam ablaufen oder - wie auch in diesem Fall - wenn das notwendige Experimentiermaterial nicht verfügbar ist. Im Fokus: Erfassung und Auswertung von Daten Nicht zuletzt rechtfertigt sich der Einsatz des virtuellen Experimentes in der hier vorgestellten Unterrichtseinheit auch dadurch, dass die Erfassung und die Auswertung von Datenmaterial im Zentrum des Unterrichtsgeschehens stehen. Hierbei handelt es sich um Kompetenzen, die von den Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss gefordert werden und die mit der eingesetzten Simulation ausgezeichnet vorangetrieben werden können. Durch die Bereitstellung der verschiedenen Hilfestellungen können alle Lernenden beziehungsweise alle Teams die Lösungshinweise - entsprechend ihren Fähigkeiten - selbstständig abrufen, wodurch neben der Realisierung von selbstgesteuertem Arbeiten eine innere Differenzierung erreicht wird. Während der Lernsequenz ist es nicht zwingend notwendig, dass alle Schülerinnen und Schüler das komplette Aufgabenpensum abarbeiten, woraus sich eine weitere Differenzierungsmöglichkeit ergibt. Der Abruf der Hilfen aus dem Lerntool ist komfortabel, jederzeit wiederholbar und - da keine Kopien anfallen - kostenneutral.

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten die "goldene Regel der Mechanik" am Beispiel der schiefen Ebene mit einem dynamischen GeoGebra-Applet.?Maschine (griechisch mechane, Werkzeug), in der Technik ein Gerät zur Änderung der Stärke oder Richtung einer angewandten Kraft.? Gemäß diesem Lexikoneintrag ist ein als Rampe dienendes Brett die wohl einfachste Maschine der Welt. Denn um ein Bierfass über eine Rampe auf die Ladefläche eines LKW zu rollen, ist nur ein Bruchteil der Gewichtskraft des Fasses erforderlich. Doch leider ist im Leben nichts umsonst: Die Krafteinsparung muss man auf anderem Weg bezahlen. Wie? Das herauszufinden, ist Aufgabe der Schülerinnen und Schüler in dieser auf ein Computerexperiment gestützten Unterrichtseinheit. Und dabei springt zum Schluss noch ein wichtiges physikalisches (Abfall-)Produkt heraus, nämlich das aus Kraft und Weg: die Arbeit. Gestaltung und Einsatz der Materialien im Unterricht Fachliche Voraussetzungen sowie Hinweise zum Einsatz des virtuellen Experimentes (Eigenständige Bearbeitung ohne vorherige Behandlung im Unterricht, Vertiefung und Festigung, prägnante Wiederholung in höheren Jahrgangsstufen). Vorteile der Computersimulation und fachliche Hinweise Das virtuelle Experiment ermöglicht auch in großen Klassen selbstständiges Experimentieren und eine zeitsparende Konzentration auf die Auswertung und die Ergebnissicherung. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Zerlegung der Gewichtskraft in Normal- und Hangabtriebskraft bei der schiefen Ebene wiederholen. die Aufnahme und das korrekte Eintragen von Messdaten in eine Messtabelle planen und üben. erkennen und mathematisch begründen können, dass der Steigungswinkel und die Hangabtriebskraft nicht proportional sind. erkennen und über die Produktgleichheit mathematisch begründen können, dass Hangabtriebskraft und zurückgelegter Weg zur Überwindung eines bestimmten Höhenunterschieds indirekt proportional sind (bei konstanter Gewichtskraft). die "goldene Regel der Mechanik" verstehen, formulieren und erklären können. die Vorgehensweise zur Einführung einer neuen physikalischen Größe verstehen. Kenntnisse der direkten beziehungsweise indirekten Proportionalität von Größen mit Quotienten- beziehungsweise Produktgleichheit der Wertepaare bilden die mathematischen Voraussetzungen für den Kurs. Kräftezerlegung und -parallelogramm sollten bereits bekannt sein, können aber mit dem Applet am Beispiel der schiefen Ebene noch einmal interaktiv wiederholt werden. Für das computergestützte Experiment bieten sich verschiedene Einsatzmöglichkeiten an: Eigenständige Bearbeitung des Computerexperimentes ohne vorherige Behandlung im Unterricht Vertiefung und Festigung des bereits im Unterricht durchgeführten Experimentes, eventuell in Übungsstunden oder als Hausaufgabe prägnante Wiederholung des Stoffs in höheren Jahrgangsstufen Im Idealfall arbeiten ein bis zwei Schülerinnen und Schüler selbstständig an einem Computer. Das Experiment kann natürlich auch mit einem Beamer in einem fragend-entwickelnden Unterricht oder einem Lehrervortrag präsentiert werden. Zum Einstieg: erst "austoben lassen", dann "anleiten" Erfahrungsgemäß entdecken die Schülerinnen und Schüler bei einer selbständigen Bearbeitung des Computerexperimentes sehr schnell alleine die Bedienungsmöglichkeiten des Applets und erkennen, welche unabhängigen Objekte bewegt werden können, so dass auf ausführliche Bedienungshinweise verzichtet werden kann. Zu Beginn der Stunde hat sich bei computergestützten Unterrichtseinheiten eine "Austobphase" bewährt, in der die Lernenden etwa fünf Minuten lang einfach alle Knöpfe und Regler eines Programms ausprobieren dürfen, bevor sie dann (nach einem "Reset") zielgerecht die einzelnen Arbeitsanweisungen befolgen. Prägnante Texte Der Text der Webseiten wurde bewusst prägnant gehalten, um einen eigenständigen Hefteintrag zu erleichtern. Zur Gewährleistung eines möglichst linearen Lernablaufs wurden keine Hyperlinks eingesetzt. Hilfestellung zur Messtabelle In der Unterrichtspraxis zeigen sich oft Probleme der Schülerinnen und Schüler beim systematischen Anlegen der Messtabellen, insbesondere fehlende Sorgfalt bei der Notation von gerundeter Maßzahl und der Einheit physikalischer Größen. Als Hilfestellung sind deshalb die Tabellenstrukturen auf dem Arbeitsblatt vorgegeben. Die Computersimulation erlaubt auch bei Mangel an Versuchsmaterialien in Klassen mit mehr als 30 Lernenden selbstständiges Experimentieren. Auch lauern selbst bei simpel anmutenden Experimenten, wie dem zur schiefen Ebene, systematische Messfehler, die das Erkennen der gewünschten physikalischen Gesetzmäßigkeiten erschweren. Ein solches "Lernen aus Fehlern" ist didaktisch populär und durchaus sinnvoll, jedoch bei gegebenem Stoffdruck leider zeitlich oft nicht möglich. Das virtuelle Experiment umgeht diese systematischen Messfehler und erlaubt eine zeitsparende Konzentration auf die Auswertung des Experiments und die Sicherung der Ergebnisse für den Unterrichtsfortgang. Die Schülerinnen und Schüler können das Experiment jederzeit (zum Beispiel zur Prüfungsvorbereitung) zu Hause wiederholen. Das Beispielprotokoll einer Messung kann direkt aus dem Browser ausgedruckt und als Kontrolle verwendet werden. Die Goldene Regel der Mechanik Mit der Zuordnung Steigungswinkel - Hangabtriebskraft lernen die Schülerinnen und Schüler einen nichtproportionalen Zusammenhang von Größen kennen. Um spätere Unstimmigkeiten (zum Beispiel beim Begriff der Spannenergie oder des Wirkungsgrades) zu vermeiden, sind die präzisen Voraussetzungen der "Goldenen Regel der Mechanik" zu beachten: die Kraft ist konstant und wirkt längs des Weges, Reibungskräfte bleiben unberücksichtigt. Die Schülerinnen und Schüler sollten deshalb neben der saloppen Form "Was man an Kraft spart, muss man an Weg zulegen." auch den exakten Wortlaut der "Goldene Regel der Mechanik" formulieren können. Anschauliche Beispiele Für die "Goldene Regel" bei der schiefen Ebene bieten sich im Anschluss an die Erarbeitung viele veranschaulichende Beispiele zur Einübung des Gelernten an: Rampe für Rollstuhlfahrer, Zahnradbahn (zur Problematisierung der Reibung), Serpentinen, oder die Schraube als aufgewickelte schiefe Ebene. Zugang zum abstrakten Energiebegriff Aus der Konstanz des Produkts aus Kraft und Weg erwächst für Schülerinnen und Schüler erfahrungsgemäß leicht verständlich die Definition mechanischer Arbeit, welche dann wiederum einen guten Zugang zum abstrakten Energiebegriff bietet. Dieses in der Unterrichtspraxis bewährte Vorgehen erlaubt auch frühzeitig gut operationalisierbare Prüfungsaufgaben, die aufgrund der vielen geforderten Leistungserhebungen bei wachsenden Klassenstärken und nur einer oder zwei Wochenstunden notwendig sind.

Auf dieser Seite haben wir Informationen und Anregungen für Ihren Physik-Unterricht zum Thema Atomphysik zusammengestellt. Ein Remotely Controlled Laboratory (RCL) ist ein über das Internet fernbedienbares Realexperiment. Dieser Artikel ist die Basis aller Lehrer Online-Unterrichtseinheiten zum Einsatz von RCLs. Hier finden Sie grundlegende Informationen zu folgenden Themen: Prinzip von RCLs, allgemeiner und spezifischer Mehrwert von RCLs, Konzeption des RCL-Portals, Überblick zu RCLs auf dem RCL-Portal und Einordnung von RCLs unter den Physikmedien. Wie macht man aus einem MCL ein RCL? Um aus einem von Hand durchgeführten Experiment - einem Manually Controlled Laboratory (MCL) - ein Remotely Controlled Laboratory (RCL) zu machen, müssen Experiment und Experimentator über Schnittstellen zum Internet miteinander verbunden werden (Abb. 1). Experimentseitig wird das MCL mit Sensoren und Aktoren ausgestattet. Aktoren sind meist Schrittmotoren, die das zu bewegende Element - wie beim RCL zum Fotoeffekt die Räder mit Grau- und Farbfiltern (Abb. 1) - sehr genau positionieren. Sensoren sind je nach RCL zum Beispiel Lichtsensoren, Geiger-Müller-Zählrohre, Schalter oder - wie beim Fotoeffekt - eine Fotozelle. Interface Das an einen Computer angeschlossene Interface mit Microcontroller und anpassbarer Sensor/Aktor-Elektronik übernimmt die Steuerung der Datenströme von und zu den Sensoren/Aktoren. Bereits jetzt kann ein Experimentator das RCL lokal vor Ort über ein Terminal-Programm mit dem programmierten Befehlssatz des Microcontrollers bedienen (Nahsteuerung). Ein auf dem Computer installierter Webserver mit Informationen zum RCL auf statischen Webseiten und mit der Bedienung des RCLs auf dynamischen Webseiten ermöglicht den Zugriff auf das RCL über das Internet (Fernsteuerung). Bildübertragung per Webcam Die Interaktivität zwischen dem RCL und dem Experimentator wird durch Videobilder von einer oder zwei Webcams (Beobachtung von Versuchseinstellungen und Versuchsergebnissen) und den dynamischen Webseiten (Auswahlfelder für Versuchseinstellungen, Ein- und Ausgabe von Versuchsdaten) hergestellt. Experimentatorseitig werden lediglich ein Internetzugang und ein Computer mit javafähigem Browser benötigt. Gestaltung von RCLs Die Entwicklung von RCLs ist zeitaufwändig und kostenintensiv. Die Investitionen müssen sich bei einer entsprechenden Gestaltung des RCLs und dem Einsatz der Internettechnologie in einem allgemeinen Mehrwert gegenüber MCLs auszahlen. Dazu werden folgende Aspekte beachtet: Authentizität zum MCL RCLs in der Raumfahrt müssen teilweise vollautomatisiert ablaufen. RCls zum Lernen von Physik müssen dagegen möglichst authentisch in der Durchführung zu einem MCL sein, um den Schülerinnen und Schülern Möglichkeiten und Anknüpfungspunkte für ihr eigenes Lernen zu geben. Dazu gehört, dass das RCL in ähnlicher Weise wie das MCL bedient (zum Beispiel Einschalten von Versuchsgeräten) und auf eine automatisierte Auswertung der Versuchsdaten verzichtet wird. Außer der schriftlichen Versuchsauswertung mit einem Taschenrechner können hierbei Tabellenkalkulationsprogramme und Computeralgebrasysteme genutzt werden (siehe Einordnung von RCLs unter den Physikmedien ). Barrierefreie Zugriffsmöglichkeit Der Zugriff auf die RCLs des RCL-Portals ist jederzeit, weltweit, kostenlos, ohne zusätzliche Software und ohne Anmeldung möglich. Ein Buchungssystem wird zukünftig auch die Reservierung von RCLs bieten (siehe Das RCL-Portal ). Intuitive Bedienbarkeit Die Bedienung der meisten RCLs erfolgt mit wenigen Bedienelementen bei maximaler Interaktivität des Nutzers mit dem RCL (siehe Das RCL-Portal ). Vollständigkeit Mit der Lernumgebung zum RCL kann der Nutzer ohne zeitaufwändige Suche von Informationen das RCL durchführen (siehe Das RCL-Portal ). Nachbaubarkeit Durch Dokumentation und durchgehenden Aufbau des RCLs mit Open-Source-Software ist ein Nachbau durch Schülerinnen und Schüler mit möglichst geringen Kosten möglich (siehe Zusatzinformationen ). Gestaltungsfreiheit Der Aufbau von RCLs bietet große Freiheiten in der Gestaltung der Experimentiermöglichkeiten mit dem RCL (siehe Spezifischer Mehrwert von RCLs ). Vorteile gegenüber MCLs und Kompensation von Nachteilen Ein zu flüchtiger Blick auf RCLs verleitet leicht zu der Aussage, dass eine Zwischenschaltung des Internets zwischen Experimentator und Experiment aufgrund der Distanz zu einem Verlust an Qualität gegenüber dem MCL führt. Das Dokument "vorteile_nachteile_RCL.pdf" informiert in Tabellenform über die Vorteile von RCLs gegenüber MCLs und zeigt, wie Nachteile von RCLs kompensiert beziehungsweise vorteilhaft genutzt werden können. Die Realisation eines RCLs nach dem mechanistischen Schema, die Versuchsdurchführung "irgendeines" Experiments fernbedienbar zu machen, ist wenig Erfolg versprechend, weil die Anforderungen an ein qualitativ hochwertiges RCL sehr komplex sind. Die nachfolgenden Leitfragen stellen die Entscheidung für oder gegen die Umsetzung eines in Planung befindlichen RCLs auf eine rationale Basis. Nur so lässt sich ein Mehrwert des realisierten RCLs gegenüber anderen Medien gewährleisten. Leitfragen zum Lehr-Lern-Kontext Ist das Thema des Experiments in der Physik, im Alltag und als Anwendung physikalischer Gesetze bedeutsam? Ist das Thema des Experiments auch Lehrplanthema? Ist das Experiment nicht an Schulen verfügbar (zu teuer)? Wird das Experiment im Unterricht nicht oder nur selten eingesetzt (zu zeitaufwändig, zu kompliziert, zu anspruchsvoll)? Haben Schülerinnen und Schüler Lern- oder Verständnisschwierigkeiten mit dem Thema des Experiments? Ist das Experiment nicht als Schülerversuch durchführbar (zu gefährlich: hohe Spannungen, gefährliche Strahlungen, giftige Substanzen)? Leitfragen zum Experiment Gibt es ausreichende und vielfältige Experimentiermöglichkeiten? Kann eine ausreichende Anzahl quantitativer Messungen durchgeführt werden? Sind über den Standardversuch hinausgehende Messungen möglich? Handelt es sich um ein völlig neues oder von Lehrgeräte-Herstellern nicht lieferbares Experiment? Kann das Experiment als Multi-Use-RCL mit vielen Experimentiermöglichkeiten im Rahmen eines Themengebiets realisiert werden? Leitfragen zur RCL-Realisation Ist der finanzielle und zeitliche Aufwand bei der Realisation durch den Mehrwert des RCLs gerechtfertigt? Ist die Verwendung von Standardkomponenten möglich? Sind alle Versuchsmaterialien beschaffbar oder herstellbar? Ist ein RCL wirklich das geeignete Medium (Simulationen und Messvideos als Alternativen)? Ist das Experiment bis jetzt noch nicht als RCL verfügbar? Können zeitabhängige Versuchsabläufe im Webcam-Bild dargestellt werden (Problem Datenübertragungsrate)? Folgende Punkte sind im Hinblick auf den Erwerb experimenteller Fertigkeiten und Fähigkeiten mit RCLs relevant: Die Anzahl der Experimente, die Schülerinnen und Schüler in Schulen selbst durchführen können, sind durch fehlendes Experimentiermaterial, zu große Klassen, zu hohen zeitlichen Aufwand oder dadurch, dass fast alle Oberstufenexperimente Lehrerdemonstrationsexperimente mit geringen Beteiligungsmöglichkeiten für die Lernende sind, stark begrenzt. Bei RCLs entfällt zwar der Aufbau und die haptische Durchführung des Experiments, was jedoch schneller höhere experimentelle Fähigkeiten in den Fokus rücken lässt. Bei der Nutzung von RCLs als Hausexperimente haben die Schülerinnen und Schüler genügend Zeit, um unbeeinflusst von anderen Lernenden und der Lehrkraft im eigenen Lerntempo experimentelle Fertigkeiten und Fähigkeiten zu üben. Das RCL-Portal zeichnet sich durch die folgenden Eigenschaften aus: Da auf RCLs im Internet weltweit zugegriffen werden kann, sind alle RCLs in englischer und deutscher Sprache, zwei zusätzlich in italienischer und französischer Sprache, verfügbar. Nutzer, die RCLs in ihre Landessprache übersetzen möchten, werden von der AG Didaktik der Physik an der TU Kaiserslautern unterstützt. Der Zugang zum RCL-Portal ist kostenlos und anmeldungsfrei (auch unter einem zukünftigen Buchungsystem). Die technischen Voraussetzungen sind: Ports 8080, 8081 (Windkanal), 8082 (Radioaktivität) und 8083 (Weltpendel Kaisersesch) müssen freigeschaltet sein. Zur Darstellung der Videobilder ist ein Browser mit installierter JRE (kostenloser Download) und mindestens DSL 1000 erforderlich. Zielgruppen des RCL-Portals sind technisch oder naturwissenschaftlich interessierte Laien, Schülerinnen und Schüler sowie Präsenz- oder Fernstudierende. Struktur der RCL-Webseiten Unter dem Hauptmenüpunkt "Labs" findet man die einzelnen RCLs. Nach der Auswahl eines RCLs gelangt man zu dem für alle Experimente einheitlich gestalteten Versuchs-Menü aus Einstieg (Einführung und Zielsetzung), Aufbau (Beschreibung und Daten), Theorie (theoretische Grundlagen und Hinweise zur Versuchsdurchführung), Aufgaben (experimentelle Fragestellungen), Labor (Versuchsdurchführung mit dem RCL), Diskussion (weiterführende Fragestellungen), Material (Versuchsmaterial, didaktisches Material und Literaturhinweise) und Betreuung (Inhaltliche Verantwortung und Versuchsentwickler). Abb. 2 (zum Vergrößern anklicken) zeigt einen Screenshot des RCLs "Windkanal". Struktur der Laborseiten Neben der linken Menüleiste (Abb. 2) werden die Videobilder (maximal zwei) der Webcams sowie die zur Durchführung und Auswertung des Versuchs unmittelbar benötigten Hinweise und Daten angezeigt. Im Bedienfeld rechts daneben kann der Experimentator über Buttons, Auswahllisten, Ein- und Ausgabefelder das RCL steuern. Mit dem Button "RCL RESET" lässt sich bei einer auftretenden Fehlfunktion der Webserver ferngesteuert neu starten. Verfügbarkeit der RCLs Da RCLs Liveexperimente sind, kann immer nur ein Experimentator die Kontrolle über das RCL haben. Ihm steht eine vom RCL abhängige, heruntergezählte Experimentierzeit zwischen zwei und fünf Minuten zur Verfügung (siehe Abb. 2, Bedienfeld oben). Innerhalb dieser Zeit setzt jede Aktion im Bedienfeld die noch verfügbare Experimentierzeit auf den Anfangswert zurück. Damit bleibt das Experiment auch für andere Nutzerinnen und Nutzer verfügbar, die die verbleibende Experimentierzeit angezeigt bekommen und die Aktionen des Experimentators im Videobild der Webcam(s) mitverfolgen können. Um in der Lehre das RCL mit Sicherheit verfügbar zu haben, wird zurzeit ein Buchungssystem entwickelt. Auf dem RCL-Portal sind derzeit die RCLs Elektronenbeugung, Lichtgeschwindigkeit, Fotoeffekt, Beugung und Interferenz, U-I-Kennlinen (zwei Varianten), Roboter im Labyrinth, Windkanal, Maut, Heißer Draht, Optische Pinzette, Optische Computertomographie, Radioaktivität, Rutherfordscher Streuversuch und Oszilloskop verfügbar. Eine verbesserte Variante von Beugung und Interferenz, Weltpendel, Optische Fouriertransformation/Ordnung und Unordnung werden bis Ende 2008 verfügbar sein. Der Datei "ueberblick_RCL_portal.pdf" können zu diesen fast 20 RCLs folgende Angaben entnommen werden: Fachgebiet, Zielgruppe und Lehrplanbezug Das RCL ist einem oder mehreren Fachgebieten zugeordnet. Es ist angegeben, ob das RCL in Sekundarstufe I, Sekundarstufe II oder der Universität und ob es im Rahmen der exemplarisch ausgewählten Lehrpläne von Rheinland-Pfalz eingesetzt werden kann. Single- oder Multi-Use-RCL Single-Use-RCLs sind solche, die in einem Themen- oder Fachgebiet der Physik nur einmalig eingesetzt werden. Häufig sind das Experimente zur Bestimmung von Konstanten. Dagegen decken Multi-Use-RCLs inhaltlich mit ihrer Vielfalt an Experimentiermöglichkeiten fast ganze Themengebiete der Physik ab. Motivation/Lernkontext Es ist angegeben, ob das RCL eher in einem anwendungsorientierten, einem alltagsorientierten oder einem innerphysikalisch Kontext eingesetzt werden kann. In den letzten zwei Jahrzehnten sind im Zuge der Entwicklung von Multimedia und Internet zahlreiche "Species" digitaler Medien entwickelt worden (Abb. 3, zum Vergrößern anklicken). Speziell der Vermittlung physikalischer Inhalte dienen Physikmedien wie Simulationen, Realexperimente sowie Informations- und Lehr-/Lernsysteme. Kognitive Werkzeuge entlasten die Lernenden von Routinearbeiten und regen sie gleichzeitig zu einer vertiefenden Informationsverarbeitung an. Unter den Realexperimenten sind RCLs und die digitale Messwerterfassung Live-Experimente, während bei der Videoanalyse, den interaktiven Bildschirmexperimenten (IBEs) und den Messvideos zunächst ein Video des Experiments aufgenommen und dann zeitversetzt das Experiment wiederholt und ausgewertet wird. Mit Live-Experimenten kann der gleiche Versuch beliebig oft wiederholt werden, was insbesondere bei der Gewinnung größerer Datenmengen und von statistischen Aussagen notwendig ist. Während Realexperimente und speziell RCLs der Untersuchung ausgewählter Realitätsbereiche dienen, werden diese mit Simulationen anhand bekannter physikalischer Gesetzmäßigkeiten vom Programmierer (Applets, Physlets und Simulationsprogramme) oder von den Lernenden selbst (Modellbildung) nachgebildet und untersucht. Die Ergänzung von RCLs durch Simulationen ermöglicht die physiktypische Wechselwirkung von Experiment und Theorie. Innerhalb des RCL-Konzepts, das Experiment durch den Verzicht auf eine automatisierte Auswertung möglichst authentisch zum MCL zu gestalten, spielen die kognitiven Werkzeuge Tabellenkalkulation und Computeralgebrasysteme zur Auswertung und Weiterverarbeitung von Versuchsdaten sowie zum Vergleich von experimentellen und theoretischen Daten eine große Rolle. Die Schülerinnen und Schüler sollen Atommodelle kennen. die alpha-, beta und gamma-Strahlung kennen. künstliche Kernumwandlungen kennen. das Aufstellen von Zerfallsgleichungen beherrschen. erkennen, dass der Unterschied zwischen gesteuerter und ungesteuerter Kettenreaktion für die Nutzung der Kernenergie immens wichtig ist. Thema Atomphysik - vom Atommodell zur Kernenergienutzung Autor Jens Tiburski Fach Physik Zielgruppe Klasse 9, Klasse 10 zur Prüfungsvorbereitung Zeitraum 1-3 Stunden, je nach didaktischem Ort Technische Voraussetzungen Computerarbeitsplätze in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit); VRML-Plugin (zum Beispiel BlaxxunContact ), Java , Video-Player (zum Beispiel DivX oder RealOne Player ) Einsatz im Unterricht Der Einsatz der Sammlung von interaktiven Übungen und 3D-Animationen zur Atomphysik sollte unterrichtsbegleitend erfolgen. Nach der Behandlung des jeweiligen Themas im Unterricht (Arbeitsblätter als Word-Dokumente im Download-Paket "atomphysik_materialien.zip") können Übungsphasen im Computerkabinett den Unterricht lebendiger gestalten und zur Binnendifferenzierung genutzt werden. Die Verwendung der 3D-Animationen soll dabei die Anschaulichkeit erhöhen und die Visualisierung der Aufgabenstellung gerade bei den "unsichtbaren" Sachverhalten im submikroskopischen Bereich vereinfachen. Hinweise zur Nutzung der interaktiven Arbeitsblätter In der Klassenstufe 9 hat sich der Einsatz des Beamers bewährt, wenn die Schülerinnen und Schüler die Arbeit mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt waren. Für die Eingaben in die Formularfelder der interaktiven Übungen sollte ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Schreibweise erfolgen. Dies führt zu erhöhter Konzentration und weniger Frusterlebnissen, wenn Fragen inhaltlich richtig, aber infolge falscher Rechtschreibung als falsch beantwortet wurden. Auch Partnerarbeit von Lernenden mit guten Deutschkenntnissen zusammen mit Schülerinnen und Schülern, welchen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), ist hier gut möglich. Technische Hinweise Um die 3D-Modelle öffnen zu können, ist ein VRML-Plugin nötig. Alle animierten GIFs und interaktiven 3D-Animationen der verwendeten Übungen wurden vom Autor der Unterrichtseinheit mithilfe des 3D-CAD-Programmes FluxStudio erzeugt. Dieses Programm ist für die pädagogische Arbeit als Freeware verfügbar (~ ~http://www.sn.schule.de/~ms16l/virtuelle_schule/Projektwoche_2008/index_projekt.htm~~). Die Schülerinnen und Schüler sollen eine zeitgemäße Atomvorstellung kennen. die Entstehung von Licht beschreiben können. Kenntnisse über die geschichtliche Entwicklung von Modellen haben. physikalische Größen darstellen und interpretieren können. den Zusammenhang zwischen Linienspektren und atomaren Übergängen kennen. die Spektralanalyse anwenden und physikalisch erklären können. Thema der Unterrichtseinheit Das Elektronium-Modell Autor Patrick Bronner Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Klasse 10 (Fortsetzung in Sek II möglich) Zeitraum 9 Stunden (mit Lernzirkel zum Thema "Analogie Licht-Schall": 14 Stunden) Technische Voraussetzungen Demonstrationsrechner mit Beamer, kostenlose Plugins Quicktime-Player und Java3D Methoden Lernzirkel, Gruppenarbeit, Kugellager, Gruppenpuzzle, Theaterspiel, Schülerreferat, Lehrervortrag Die Schülerinnen und Schüler sollen die Vorgänge bei der Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium sowie das Ergebnis beschreiben können. das Funktionsprinzip des Magnetfeldkäfigs zum Einschließen des heißen Plasmas am Beispiel der beiden grundlegenden Reaktortypen Stellarator und Tokamak kennenlernen und erklären können. die Gefahren bei der Nutzung der Kernfusion erarbeiten und im Vergleich mit anderen Formen der Energieerzeugung bewerten. die Kernfusion als potenzielle, nahezu unerschöpfliche Energiequelle der Zukunft erkennen. Thema Wann "zündet" die Idee der Kernfusionstechnologie? Autorinnen und Autor Roland Wengenmayr, Dieter Lohmann, Sabina Griffith Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II, nach didaktischer Reduktion auch Klasse 9 und 10 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetanschluss in ausreichender Anzahl (Arbeit in Kleingruppen), Flash-Player (kostenfreier Download) Planung Tabellarischer Verlaufsplan Die Materialien der Unterrichtseinheit sind ein Angebot der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. Auf der Webseite max-wissen.de finden Sie weitere Materialien für den Unterricht und Hintergrundinformationen zu aktuellen Forschungsthemen aus Physik, Chemie, Biologie und Erdkunde. An allen max-wissen-Beiträgen sind Fachwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt: Aktualität und fachliche Richtigkeit sind somit gewährleistet. Ein weiteres Angebot der Gesellschaft ist das Fragen-Portal : Lernende und Lehrpersonen können hier Fragen an Forscherinnen und Forscher stellen. Unterrichtsverlauf und Materialien Fachliche Voraussetzungen, Einbettung des Themas in den Unterricht und der Verlauf der Doppelstunde werden hier skizziert. ITER ? der Weg zu neuer, sauberer Energie Für die Fortführung des Themas im Unterricht finden Sie hier weitere Informationen, Grafiken und Links zur internationalen Fusionsforschungsanlage. Ein Remotely Controlled Laboratoy (RCL) ist ein über das Internet fernbedienbares Realexperiment. Die hier vorgestellte Unterrichtsreihe in der Atomphysik nutzt die mediendidaktischen Eigenschaften des RCLs "Rutherfordscher Streuversuch". Lernende können das an Schulen nur selten vorhandene Demonstrationsexperiment als Hausexperiment durchführen, Messdaten in Gruppen zusammentragen und auswerten. Diese werden mit den Vorhersagen der Atommodelle von Dalton, Thomson und Rutherford verglichen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse aus der Mechanik, Elektrostatik und Radioaktivität zur Erklärung der Streuung von Alpha-Teilchen anwenden. mit dem RCL "Rutherfordscher Streuversuch" die Streuung von Alpha-Teilchen experimentell untersuchen. die Vorhersagen zur Streuung der Alpha-Teilchen nach dem Daltonschen, Thomsonschen und Rutherfordschen Atommodell mit den Messergebnissen vergleichen. Arbeitsergebnisse sachgerecht präsentieren. Thema Entdeckung des Rutherfordschen Atommodells mit dem RCL "Rutherfordscher Streuversuch" Autor Sebastian Gröber Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II, Grundstudium Physik und Chemie Zeitraum 10-15 Unterrichtsstunden, je nach Lerngruppe und Unterrichtszielen Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser Software Zur Auswertung der Messergebnisse: Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) oder Computeralgebrasystem (zum Beispiel (debug link record:lo_unit_subpage:tx_locore_domain_model_unitsubpages:646351) als kostenfreie 30-Tage-Testlizenz) Zur Simulation der Ablenkung von Alpha-Teilchen: Modellbildungsprogramm (zum Beispiel kostenlose Version von Powersim oder Coach 6 Studio MV. Der Rutherfordsche Streuversuch gehört zu den zentralen Versuchen der Physik. Historisch bildet das mit ihm abgeleitete Rutherfordsche Atommodell den Übergang von früheren Atomvorstellungen (antike Atommodelle und Thomsonsches Atommodell) zu unserer heutigen Atomvorstellung, nach der ein Atom aus einem positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Atomhülle besteht. Der Rutherfordsche Streuversuch liefert ebenso die physikalischen Grundlagen für die heutige Standardmethode der elementspezifischen Analyse von Festkörperproben mittels Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS). Damit ist dieser Versuch sowohl allgemeinbildend für Lernende in Schule und Hochschule als auch fachbildend für Studierende der Physik und Chemie. Vorteile und Lernpotentiale des RCL Welche Vorteile hat das RCL gegenüber dem traditionellen Experiment? Welches Lernpotenzial hat der Rutherfordsche Streuversuch? Steckbrief und Materialien zum RCL ?Rutherfordscher Streuversuch? Informationen zum Versuchsaufbau, zu den Experimentiermöglichkeiten und Link zum RCL; kommentierte Materialien der Unterrichtseinheit zum Herunterladen. Die Schülerinnen und Schüler sollen die reibungsbehaftete Bewegung der Öltröpfchen in Luft qualitativ erklären können. das Ziel "Ladungsbestimmung" des Millikan-Versuchs erkennen. möglichst eigenständig die Formel einer Messmethode zur Bestimmung der Öltröpfchenladung herleiten. einzeln oder in Gruppen mit dem RCL "Millikan-Versuch" Messdaten erheben, zusammentragen und in Diagrammen darstellen. die Ladungsquantelung als Hypothese formulieren und bestätigen sowie die Elementarladung bestimmen. Beschießt man ein Plättchen aus Graphit mit beschleunigten Elektronen, dann beobachtet man auf einem Fluoreszenzschirm ein Muster aus konzentrischen Ringen. Das Erstaunliche dabei ist, dass mit dem "Materieteilchen" Elektron von der Struktur her die gleichen Beugungsmuster erzeugt werden wie mit elektromagnetischen Wellen (Röntgenstrahlung). Mit dem RCL "Elektronenbeugung" können Schülerinnen und Schüler dieses Phänomen im Vergleich zum traditionellen Unterricht in einem ersten Schritt eigenständiger und ohne den lenkenden Einfluss der Lehrkraft entdecken und beginnen, es zu verstehen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse zur Röntgenbeugung an polykristallinen Kristallen im Versuch zur Elektronenbeugung anwenden. erkennen, dass Elektronen Welleneigenschaften zugeordnet werden können. ihre Arbeitsergebnisse an der Tafel oder mit einer PowerPoint-Präsentation vorstellen. Thema Elektronenbeugung - das Elektron als Welle Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-3 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser Software Bei der Messung der Ringradien kommen ein Zeichenprogramm (zum Beispiel Paint) und ein Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) zum Einsatz. Die Schülerinnen und Schüler sollen qualitative Experimente zum Fotoeffekt deuten können. Hypothesen zum Zusammenhang zwischen Größen des eingestrahlten Lichts und Größen der ausgelösten Elektronen formulieren. den Zusammenhang zwischen der Energie der Elektronen und der Frequenz beziehungsweise der Intensität des Lichts mit dem RCL "Fotoeffekt" untersuchen. begründet angeben können, welche Versuchsergebnisse zum Fotoeffekt sich im Wellenmodell nicht erklären lassen und wie diese im Fotonenmodell erklärt werden. technisch-physikalische Anwendungen des äußeren und inneren Fotoeffekts kennen lernen. Thema Fotoeffekt und Fotonenmodell des Lichts Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum etwa 4 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder zuhause, javafähiger Browser Software Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel), Computeralgebrasystem ( Maple ) oder spezielles Datenanalyseprogramm (zum Beispiel Origin ) für die Hochschule Wellen- und Fotonenmodell des Lichts sind in ihrer Struktur sehr unterschiedlich: Ist beim Wellenmodell die Lichtenergie über den Raum verteilt, abhängig von der Amplitude und unabhängig von der Frequenz der elektromagnetischen Welle, so ist beim Fotonenmodell die Lichtenergie in einzelnen Fotonen konzentriert und frequenzabhängig. Schülerinnen und Schüler mit dem Fotoeffekt vom Wellen- zum Fotonenmodell zu führen, ist nicht einfach: Anhand eines Versuchs sollen relevante experimentelle Ergebnisse gewonnen und als im Wellenmodell nicht erklärbar erkannt werden. Das Fotonenmodell wird eingeführt und der Fotoeffekt damit erklärt. Die Unterrichtseinheit folgt diesem Weg und versucht die genannten Schritte zum besseren Verständnis für die Lernenden möglichst klar gegeneinander abzugrenzen. Das RCL "Fotoeffekt", eine Tabelle und Aufgaben sind dazu die wichtigsten Medien und Materialien dieser Unterrichtseinheit. Hinweise zum Unterrichtsverlauf und Materialien Lernvoraussetzungen, Unterrichtsverlauf, Steckbrief des RCLs "Fotoeffekt" und Arbeitsmaterialien zur Unterrichtseinheit