Das Schulbegleitprojekt "Niemanden zurücklassen – Lesen macht stark" (NZL) nimmt die Förderung der Lesekompetenz leseschwacher Lernenden in den Blickpunkt. Diese internetgestützte Leseeinheit ist ein Beispiel für die vielen Materialien, die Lehrkräften im Rahmen des Projekts zur Verfügung gestellt werden. Das schleswig-holsteinische Projekt "Niemanden zurücklassen - Lesen macht stark" für die Klassenstufen 5 bis 10 ist im August 2006 in den Klassenstufen 5 und 6 an 50 Hauptschulen gestartet. "Niemanden zurücklassen" bietet den Schulen gezielte Unterstützung durch externe Berater, spezielle Lesemappen und Materialordner sowie zusätzliche Lehrerstunden. Ein zentraler Bestandteil des Projekts ist die jährliche Erfassung der Lesekompetenz durch objektive Tests und Vergleichsarbeiten. Seit Beginn des Schuljahrs 2008/2009 ist das Projekt für die Realschulen sowie Regional- und Gemeinschaftsschulen geöffnet. Insgesamt nehmen derzeit 210 Schulen teil. Träger des Projektes sind das Ministerium für Bildung und Frauen und das Institut für Qualitätsentwicklung an Schulen Schleswig-Holstein (IQSH). Bei der hier vorgestellten Unterrichtseinheit handelt es sich um ein ergänzendes Element des gesamten Projekts. Gute Leserinnen und Leser sind motivierte Leserinnen und Leser. Das Material des Schulbegleitprojekts "Niemanden zurücklassen - Lesen macht stark" nutzt die Lesemotivation als grundlegende Haltung und fordert dazu auf, motivationale Faktoren als Einstiegsstrategie zur Förderung der Lesekompetenz einzusetzen. Anknüpfungspunkt hierfür ist die vom persönlichen Interesse geleitete Auswahl des Lesestoffs. Die NZL-Lesemappe ist dabei als Organisationshilfe für die Arbeit mit eigenen Lesetexten und als Unterstützung selbst regulierter Lernprozesse zu verstehen. Der NZL-Materialordner bietet Textmaterial für diejenigen, die zunächst noch an mangelndem Leseinteresse scheitern und sich keine eigenen Texte beschaffen können. NZL-Hintergrundinformationen Das Schulbegleitprojekt zur Leseförderung stellt den beteiligten Schulen vielfältige Anregungen und Materialien zur Verfügung, die hier kurz vorgestellt werden. Ablauf der Unterrichtseinheit Mithilfe der Materialien von NZL ist es ganz einfach, eine Unterrichtseinheit zur Förderung der Lesemotivation durchführen. Wie es geht, wird hier dargestellt. Fachkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen einem selbst gewählten Text Informationen entnehmen. das eigene Leseinteresse durch vielfältige Angebote erkennen und eingrenzen können. Sicherheit im Umgang mit nicht-linearen Hypertexten erlangen. Methodenkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen verfügbare Lesestrategien anwenden. Lesetexte nach Interesse aus einer Linkliste auswählen. selbstständig Texte am Computer lesen und dazu eigene Aufgaben finden. Texte leise lesen. die individuelle Lesezeit erhöhen. in einem Leseportfolio Arbeitsergebnisse dokumentieren (Bezug: NZL-Lesemappe). selbstständig mit den Angeboten der NZL-Website umgehen können. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen in Partnerarbeit eigene Lesetexte präsentieren und Anregungen zur Weiterarbeit geben. Lesetexte in Kleingruppen präsentieren. Thema Steigerung der Lesemotivation und Erhöhung des Leseinteresses durch Texte aus dem Internet Autorinnen Uta Hartwig und Christiane Frauen Fach Deutsch, Lesen in allen Fächern Zielgruppe Klasse 5 bis 10 Zeitraum variabel Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang für die Einzel-, Partner- oder Kleingruppenarbeit Uta Hartwig ist Lehrerin an der Regionalschule Altenholz, Studienleiterin Englisch und Fortbildnerin im Projekt "Niemanden zurücklassen - Lesen macht stark". Die Schülerinnen und Schüler erhalten Lesemappen (Portfolios), die eine individualisierte und differenzierte Leseförderung ermöglichen. Für die Lehrkräfte steht ein Materialordner mit themenorientierten Lesetexten und Anregungen zur Förderung der Lesekompetenz zur Verfügung. Es besteht die Möglichkeit zur Teilnahme an einem Rap-Workshop. Es gibt Lesezertifikate sowie einen Ferienleseclub. Gezielte Lehrerfortbildungen werden angeboten. Materialien und Praxistipps sind über die Projekthomepage abrufbar. Anknüpfen an altersgemäße Formen der Lesemotivation selbst reguliertes Lernen Erhöhung der Lesezeit durch ritualisiertes Lesen Entwicklung der Lesekompetenz durch bewussten Umgang mit Lesestrategien Berücksichtigung geschlechtsspezifischen Leseinteresses Metakognitiver Diskurs (über Leseprozesse laut nachdenken) Bedeutung des leisen Lesens Steigerung der Sinnentnahme durch individuelles Lesetempo Methoden der Textentlastung Interkultureller Ansatz (Berücksichtigung in Textauswahl und Aufgabenstellung) Akzeptanz aller Lesematerialien Erhöhung der Lesezeit Das Konzept hat eine Erhöhung der individuellen Lesezeit der teilnehmenden Kinder zum Ziel. Je nach Möglichkeiten der oder des Einzelnen kann dabei auch die Anzahl der Texte im Vordergrund stehen. Da eine Ausweitung der Lesequantität erwiesenermaßen allein nicht ausreicht, um die Lesekompetenz zu steigern, wird die Textarbeit mit einer Entwicklung des Strategiewissens verknüpft. Erste Ansätze der Metakognition, des Nachdenkens über das Lesen, werden entwickelt. Leise Lesen Ein wesentliches Prinzip des Konzepts ist das leise Lesen. Die Texte werden nicht gemeinsam in der Klasse gelesen. Jede und jeder wird zum Selbstlesen angeleitet. Dies kann in Einzelarbeit oder auch in Gruppenarbeit erfolgen. Auch in der Gruppenarbeit wird still gelesen. Lediglich die Aktivierung des Vorwissens vor dem Lesen und die Anschlusskommunikation werden laut umgesetzt. Da insbesondere die sogenannten Risikoschülerinnen und -schüler kaum über Lesematerialien in ihrer häuslichen Umgebung verfügen, sollten seitens der Schule zusätzliche animierende Lesematerialien bereit gestellt werden. Auch viele Lehrkräfte wünschen sich zusätzliche Lesetexte für ihren Leseunterricht, damit die Lesemotivation durch interessengeleitetes Lesen in den Lesestunden gesteigert werden kann. Erfahrungen aus den Lehrerfortbildungen haben gezeigt, dass in der Regel auf didaktisiertes Lesematerial der Verlage zurückgegriffen wird. Da hier eine Auswahl oft sehr aufwändig ist, stellt das NZL-Konzept weitere Lesetexte, die das alters- und geschlechtsspezifische Leseinteresse berücksichtigen, zur Verfügung: Lesekisten für die Klasse: Bibliotheken stellen für Ihre Klassenstufe eine Lesekiste mit aktueller Jugendliteratur zusammen. Im Leseunterricht Zeitungen (zum Beispiel lokale Zeitung) und Zeitschriften (Jugendmagazine, Fußballzeitung, Sportzeitung) zur Verfügung stellen Kooperation mit der Deutschen Presse Agentur (dpa): Wöchentlich werden aktuelle Lesetexte für NZL-Schulen ins Internet gestellt Das Medium Internet bietet insbesondere den eher leseschwachen Schülerinnen und Schülern eine zusätzliche Motivation durch Interaktivität und Aktualität. Schülerinnen und Schüler drucken aus dem Internet Artikel zu Themen, die sie besonders interessieren, aus - dabei kann im Internet zu eigenen Themen frei recherchiert werden, zum Beispiel unter Zuhilfenahme der Suchmaschine Google. Eine Linksammlung zu den Themen der Lesemappe kann zur Unterrichtsvorbereitung und durch die Schülerinnen und Schüler selbst genutzt werden. Zugriff auf regelmäßige Textangebote, die die dpa den NZL-Projektschulen im Rahmen einer Kooperation zur Verfügung stellt. Geeignet für alle Lehrkräfte Mithilfe der vorliegenden Materialien können alle interessierten Lehrerinnen und Lehrer (nicht nur NZL-Lehrkräfte in Schleswig-Holstein) eine Einheit zur Förderung der Lesemotivation unter Berücksichtigung des Leseinteresses und Einsatz der Lesestrategien durchführen. Ergänzend sollten der Bereich der Metakognition (über das Lesen sprechen) sowie die Anschlusskommunikation Berücksichtigung erfahren. Erforderliche Vorkenntnisse Die Schülerinnen und Schüler sollten mit den Lesestrategien vertraut gemacht worden sein. NZL-Schulen haben die Lesemappen eingeführt und mit der "Lesewoche" und den "Themenkarten" gearbeitet. Zudem sollten die Lernenden wissen, wie man am Computer und im Internet navigiert, Fenster öffnet, Hyperlinks verwendet sowie mit den Strukturen von nicht-linearen Texten vertraut sein. Diese Vorkenntnisse sind in der Regel bereits aus dem privaten Umgang mit dem Computer gegeben. Auf dem rechten Bildschirmabschnitt der Projekt-Website sind die verschiedenen Lesestreifen mit unterschiedlichen Lesestrategien erkennbar. Mit einem Klick öffnet sich der Lesestreifen in Form eines Popups auf der rechten Bildschirmfläche. Die Lesestreifen sind den Schülerinnen und Schülern aus der Arbeit mit der NZL-Lesemappe oder aus dem Deutschunterricht bereits bekannt. Auf der linken Bildschirmseite können dann unterschiedliche Internetseiten geöffnet und gelesen werden. Abhängig von der Bidschirmgröße müssen diese Textseiten noch am Bildschirm angepasst werden, so dass zwei Fenster, der Text und der Lesestreifen, zeitgleich nebeneinander am Bildschirm einzusehen sind (siehe Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Bearbeitung der Lesetexte Über die NZL-Website werden die Schülerinnen und Schüler zunächst per Beamer in ihre Aufgaben eingeführt: Die Website mit ihren Links und die mögliche Verwendung der Online-Lesestreifen werden erklärt. Anschließend dürfen sich die Lernenden in Einzel- oder Partnerarbeit selbstständig Lesetexte auswählen, die sie im Unterricht lesen und mithilfe der Lesestrategien bearbeiten wollen. So können die Schülerinnen und Schüler ihre Lesetexte direkt am Computer erarbeiten, diese können auch in ausgedruckter Form für die folgenden Lesestunden oder als Hausaufgaben bearbeitet werden. Auf diese Weise können verschiedene Texte durch verschiedene Lesestreifen unterschiedlich bearbeitet werden (Differenzierung und Individualisierung). Arbeiten mit dem Lesestreifen "Texte knacken in 6 Schritten" Für die ersten Stunden der Arbeit mit den Lesestreifen kann die Kopiervorlage „Texte knacken in 6 Schritten“ eingesetzt werden. Dokumentation und Präsentation Die Schülerinnen und Schüler tragen anschließend ihre Lesetexte in ihre "Lesewoche" ein und heften ihre besonders interessanten Texte in ihrem Leseportfolio, der "Lesen macht stark" Lesemappe in der Rubrik "Lesetexte" ab. In der Anschlusskommunikation können die Schülerinnen und Schüler sich ihre Texte in Partnerarbeit untereinander vorstellen, Fragen beantworten und sich mit weiterführenden Fragen beschäftigen. Leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler wählen eher anspruchsvollere und/oder längere Texte. Nach einer gemeinsamen Einführungsstunde in die Nutzung der Themenlinks am Computer können die Lernenden in nachfolgenden Lesestunden frei wählen, ob sie eigene Texte (aus Büchern oder Magazinen) oder Texte am Computer nutzen möchte. Hierfür ist die Ausstattung des Klassenraums mit einem internetfähigen Computer sinnvoll. Zur Leseförderung "in allen Fächern" können die Lesestrategien ebenfalls sinnvoll eingesetzt werden. Christiane Frauen ist Leiterin des Projekts "Niemanden zurücklassen - Lesen macht stark".

Schülerinnen und Schüler nutzen Aufnahmen und Spektren, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnen wurden, um die Masse eines Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 zu berechnen. Mithilfe des Doppler-Effekts können Schülerinnen und Schüler die Geschwindigkeit ermitteln, mit der sich Gas in einer bestimmten Entfernung um das Zentrum der Galaxie M87 bewegt. Aus diesen Daten können sie dann auf die Masse schließen. Die mit einfachen Mitteln zu erzielenden Resultate sind durchaus mit den in der Literatur publizierten Werten vergleichbar. Das vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommene Bild (links) zeigt den aktiven Kern der Galaxie, aus dem ein gebündelter Jet aus Elektronen und subatomaren Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herausschießt. Das hier vorgestellte Projekt ist eine von mehreren Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, die von der Arbeitsgruppe Fachdidaktik der Physik und Astronomie an der Physikalisch-Astronomischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelt wurden (weitere Projekte: Die Entfernung der Supernova SN 1987A und Die Entfernung der Galaxie M100 ). Von den mathematisch anspruchsvollen Übungen stellt das hier vorgestellte Projekt die höchsten Anforderungen an die Schülerinnen und Schüler. Die Suche nach Schwarzen Löchern Neben der Geschwindigkeit von Sternen oder Gas im Kern der Galaxien müssen bei der Suche nach möglichen Schwarzen Löchern noch weitere Kriterien herangezogen werden. Die Schülerinnen und Schüler erklären den Verlauf der Rotationskurven von Galaxien mit und ohne Schwarzem Loch im Kern der Galaxie. bestimmen mithilfe des Doppler-Effekts die Geschwindigkeit, mit der das Gas in Abhängigkeit von der Entfernung zum Zentrum der Galaxie M87 rotiert und schließen daraus auf die Masse. beziehen die Geometrie der um das Zentrum der Galaxie rotierenden Gasscheibe (Projektion des kreisförmigen Rings als Ellipse an die Himmelssphäre) in ihre Berechnungen mit ein und schulen dadurch ihr räumliches Vorstellungsvermögen. erkennen, dass die Auflösung des Hubble-Weltraumteleskops nicht ausreicht, in der Nähe des Schwarzschildradius relativistische Geschwindigkeiten nachzuweisen zu können. lernen für das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie neben den charakteristischen Eigenschaften der Rotationskurve noch weitere Indizien kennen. In letzter Zeit mehren sich die Anzeichen dafür, dass Schwarze Löcher nicht nur theoretisch möglich sind, sondern tief im Innern vieler Galaxien auch wirklich existieren. Sie könnten durch dynamische Vorgänge in den Galaxienzentren, wie etwa der Akkretion von Materie aus einer Gasscheibe, entstanden sein und so die am wenigsten exotische Erklärung für die Aktivitäten von Galaxienkernen, wie zum Beispiel intensive Röntgen- und Radiostrahlung und die Aussendung von Materie-Jets, darstellen. So deuten seit Langem gleich mehrere Indizien darauf hin, dass auch die riesige elliptische Galaxie M87 (Abb. 1), die zum Virgo-Galaxienhaufen gehört, ein massereiches Schwarzes Loch beherbergt. Dem hohen Auflösungsvermögen des Hubble-Weltraumteleskops verdanken wir die Entdeckung einer rotierenden Scheibe aus ionisiertem Gas im Zentrum dieser Galaxie. Keplersch oder nicht? Die empirische Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit v vom Abstand R ist bei normalen Galaxien nicht keplersch. Die inneren Partien von Spiral- und elliptischen Galaxien rotieren nämlich wie starre Körper, das heißt, die Bahngeschwindigkeit wächst linear mit dem Abstand. Dies lässt auf eine konstante Massendichte schließen. Weiter außen bleiben dann die Bahngeschwindigkeiten über große Abstände nahezu konstant, das heißt, dort wächst die Masse linear mit dem Abstand. Enthielte das Zentrum einer Galaxie nun ein Schwarzes Loch mit der Masse von einer Milliarde Sonnen, zeigt die Rotationskurve bei enger Annäherung an dieses Zentrum einen keplerschen Verlauf, so wie die des Sonnensystems. Geschwindigkeit von Sternen oder Gas im Kern der Galaxien Damit liegt eine Strategie für die Suche nach Schwarzen Löchern in Galaxienzentren auf der Hand: Wir müssen in möglichst kleinen Abständen vom Zentrum einer Galaxie die Geschwindigkeit von Sternen oder Gas messen. Ist die Rotationskurve dann keplersch, gibt dies einen deutlichen Hinweis darauf, dass im Galaxienzentrum ein sehr massereiches, kompaktes Objekt verborgen ist. Ein beeindruckendes Beispiel dafür ist die mit dem Langspalt-Spektrographen des Hubble-Weltraumteleskops aufgenommene Rotationskurve für das Zentrum der Galaxie M84. Abb. 2 zeigt die Zentralregion der Galaxie M84 in einer Aufnahme der Weitwinkelkamera des Weltraumteleskops (links). Der rechte Bildteil zeigt die Verteilung der Geschwindigkeiten von Sternen und Gas über die von dem Rechteck im linken Bild markierten Abstände vom Zentrum. Diese Radialgeschwindigkeitskurve zeigt die auf den Beobachter zu (blau) und von ihm weg (rot) gerichteten, messbaren Komponenten der Bahngeschwindigkeit. Ihre Auswertung führt auf 300 Millionen Sonnenmassen in einer Kugel mit 26 Lichtjahren Radius! Das begrenzte Auflösungsvermögen des Hubble-Weltraumteleskops verhindert bei Weitem die für den endgültigen Nachweis eines Schwarzen Lochs nötige Annäherung an dessen Schwarzschild-Radius, wobei sich relativistische Bahngeschwindigkeiten ergeben müssten. Aber auch dann, wenn die empirische Feststellung des keplerschen Verlaufs der Rotationskurve bei Annäherung an das Zentrum bei einem bestimmten kleinsten Abstand R abbricht, können wir aus einem ( R, v )-Messpunkt auf die von der Kugel mit dem Radius R eingeschlossene Masse schließen. Anschließend müssen jedoch andere Argumente zugunsten eines Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 als die (für noch kleinere Abstände empirisch nicht mehr vorhandene) Rotationskurve herangezogen werden, um Alternativen auszuschließen: Viel Masse auf engem Raum Ein Schwarzes Loch wird umso wahrscheinlicher, je mehr Masse in einem bestimmten Volumen enthalten ist und je mehr diese die Masse der darin leuchtenden Materie übersteigt. Mathematische Modelle Dynamische Rechnungen zeigen, dass nicht leuchtende Himmelskörper, wie zum Beispiel Braune Zwerge, Neutronensterne und stellare Schwarze Löcher, in der erforderlichen Anzahl rasch zu einem einzigen Schwarzen Loch kollabieren würden. Materie-Jet Nahezu senkrecht auf der Gasscheibe im Zentrum von M87 steht ein sogenannter Materie-Jet (Abb. 3), der radioastronomischen Beobachtungen zufolge aus einem Gebiet von höchstens sechs Lichtjahren Durchmesser austritt. Zur Erklärung dieses Phänomens wird seit Langem ein Schwarzes Loch diskutiert. Die in diesem Projekt durchgeführte Auswertung der M87-Daten drängen zu folgender Schlussfolgerung: Wenn wir die in einem relativ kleinen Volumen konzentrierte Masse nicht als die eines Schwarzen Lochs deuteten, wüssten wir nach dem heutigen Stand der Wissenschaft gar keine Erklärung dafür abzugeben. Um uns dieser Deutung noch mehr zu vergewissern, müsste die Bewegung von Sternen und Gas in noch größerer Nähe zum Zentrum der Galaxie analysiert werden. Zumindest für das Milchstraßensystem ist dies in jüngster Zeit geschehen (siehe Links und Literatur ). Eckart, A., Genzel, R. Erster schlüssiger Beweis für ein massives Schwarzes Loch?, Physikalische Blätter 54 (1998) (l) 25-30 Eckart, A., Genzel, R. Der innerste Kern des galaktischen Zentrums, Sterne und Weltraum 37 (1998) (3) 224-230 Ford, H.C., Tsvetanov, Z.I. Massive Black Holes in the Hearts of Galaxies, Sky & Telescope (1996) (6) 28-33 Ford, H.C., Harms, R.J., Tsvetanov, Z.I. et al Narrow Band HST Images of M87: Evidence for a Disk of Ionized Gas Around a Black Hole, Astrophysical Journal Letters 435 (1994) L27-30 Harms, R.J., Ford, H.C., Tsvetanov, Z.I. et al HAST FOS Spectroscopy of M87: Evidence for a Disk of Ionized Gas Around a Massive Black Hole, Astrophysical Journal Letters 435 (1994) L35-38 Lotze, K.-H. Schwarze Löcher - vom Mythos zum Unterrichtsgegenstand, Praxis der Naturwissenschaften/Physik 49 (2000) (5) 21-27 Lotze, K.-H. Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, Projekt Nr. 1: Die Entfernung der Supernova SN1987A, Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht (MNU) 51 (1998) (4) 218-222 Lotze, K.-H. Praktische Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, Projekt Nr. 2: Die Entfernung der Galaxie M100, Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht (MNU) 52 (1999) (2) 85-91 Rubin, V.C. Dark Matter in Spiral Galaxies, Scientific American 248 (1983) (6) 96-106

In der vorliegenden Unterrichtseinheit "Der programmierbare Roboterarm" sollen die Schülerinnen und Schüler erste Einblicke in die Automatenprogrammierung und die Strukturierung von Programmen erhalten. Die Materialien können für die Erarbeitung im Unterricht und zur Wiederholung oder Prüfungsvorbereitung - auch am heimischen Rechner - eingesetzt werden.Die Behandlung des Themas "Informationen verarbeiten" wird an vielen Schulen mittels der Programme "Karol - der Roboter" oder "Kara" erledigt. Bei beiden Programmen tun sich die Schülerinnen und Schüler schwer damit, Sensoren zu erkennen und automatisierte Abläufe hineinzuinterpretieren. An diesem Problem soll nun der "Roboterarm" ansetzen und den Lernenden diese wichtigen Begriffe der Informatik praxisnah veranschaulichen. Das in dieser Unterrichtseinheit verwendete dreidimensionale Modell eines Roboterarms wurde durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) verwirklicht.Der programmierbare Roboterarm setzt jede Eingabe der Schülerinnen und Schüler bildlich um - durch diese Veranschaulichung ist der Lernerfolg "vorprogrammiert". Das VRML-Plugin von blaxxun Contact steht kostenfrei zur Verfügung. Der gesamte Kurs "Der programmierbare Roboterarm" ist in vier Kapitel unterteilt. Während sich die ersten drei Kapitel an die Klassen 7 bis 8 richten, können die Inhalte des vierten Kapitels auch in Klasse 10 beziehungsweise Jahrgangsstufe 11 und 12 zum Einsatz kommen. Ausführliche Hinweise zum Lehrplanbezug (hier Sachsen) finden Sie auf den folgenden Seiten. 1. Einführung in die Automatenprogrammierung - Sensoren und Zustände Schülerinnen und Schüler erkunden den Roboterarm. Sie erstellen das UML-Diagramm und modifizieren es durch Methodenaufrufe. 2. Einführung in die Automatenprogrammierung - Lineare Programmierung Nach dem "Spielen" mit dem Roboterarm über die Programmbuttons geht es nun um die Automatisierung von Abläufen - der eigentlichen Aufgabe von Robotern. 3. Einführung in die Automatenprogrammierung - Programmanalyse Die Lernenden müssen die Zusammenhänge zwischen den Sensorzuständen und den Methodenaufrufen abstrahieren. 4. Strukturiertes Programmieren - Nutzung von Kontrollstrukturen Nach dem linearen Programmieren lernen die Schülerinnen und Schüler Schleifen und Verzweigungen kennen. Die Schülerinnen und Schüler untersuchen durch die Nutzung des VRML-Modells die Sensoren und ihre verschiedenen Zustände an einem Roboterarm. untersuchen das UML-(Unified Modeling Language-)Diagramm des "Industrieroboters" sowie das Schema der Zustände und ihre Beeinflussung mit verschiedenen Methoden. bestimmen vorprogrammierte Bewegungsabläufe unter Berücksichtigung der Sensorenzustände mittels Programmeingabe und halten diese in Zustandstabellen fest. untersuchen die Kontrollstrukturen Schleifen (Wiederholungen) und bedingte Verzweigungen und wenden diese an. Erkundung des 3D-Modells Durch eine spielerische Beschäftigung mit dem VRML-Modell (Abb. 1) soll den Schülerinnen und Schülern klar werden, über welche Sensoren der Roboterarm verfügen muss und welche Zustände diese Sensoren annehmen können. So können die Lernenden gemeinsam das UML-(Unified Modeling Language-)Diagramm sowie das Schema der Zustände und der Methoden erarbeiten (siehe "roboterarm_1.pdf"). Dabei wird ihnen auch klar, von welchem Zustand man NICHT in einen anderen Zustand kommt. Plugin erforderlich Das dreidimensionale Modell wurde durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) verwirklicht, die speziell für das Internet entwickelt worden ist. Das zur Darstellung des Modells erforderlich Plugin können Sie kostenlos aus dem Internet herunterladen: blaxxun Contact 5.1 Download des Plugins von der Homepage des Autors der Unterrichtseinheit Cortona3D Viewer Download der Freeware-Version Cortona von Parallel Graphics Methodenaufrufe Nach der Erarbeitung Theorie kann das UML-Diagramm erstellt und durch Methodenaufrufe modifiziert werden (siehe "roboterarm_1.pdf"). Das erworbene Wissen kann simultan am Rechner auf die Probe gestellt werden. Für die Methodenaufrufe stehen im ersten Teil des Programms "Roboterarm.exe" sechs Button zur Verfügung (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken): R - Arm nach rechts drehen L - Arm nach links drehen H - Roboterarm nach oben (hoch) schwenken T - Roboterarm nach unten (tiefer) schwenken A - Greifer öffnen (auf) Z - Greifer schließen (zu). Über diese Buttons wird der Roboterarm gesteuert. Bei einem falschen Methodenaufruf gibt das Programm eine entsprechende Fehlermeldung aus. Wird zum Beispiel der Button "R" gedrückt, wenn der Richtungssensor bereits "rechts" anzeigt, hat dies eine entsprechende Fehlermeldung zur Folge. Lernumgebung "Programmierbarer Roboterarm" Die Lernumgebung ist - wie alle weiteren Materialien zur Unterrichtseinheit - in dem Downloadpaket programm_roboterarm.zip enthalten (siehe Startseite des Artikels). Das Programm wird per Klick auf die Datei "Roboterarm.exe" gestartet. Die EXE-Datei ruft die Bilddateien der Unterordner "mit_kugel" und "ohne_kugel" sowie die PDF-Arbeitsblätter auf und muss daher mit diesen Ordnern und Dateien auf einer Ebene liegen. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag, Bedienen technischer Geräte Lernbereich 2, Computer nutzen und anwenden: Objekte - Attribute - Methoden Zuordnung von konkreten Objekten zum Modell: Objekt - Attribut - Attributwert, UML-Notation (Unified Modeling Language) Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Einfache Programmierung Zur Automatisierung von Abläufen muss ein Weg gefunden werden, wie man der Maschine mitteilen kann, was man von ihr will. Das geschieht im Allgemeinen über die Programmierung. Die Schülerinnen und Schüler sollen an dieser Stelle jedoch keine Programmierprofis werden, sondern sich mit den Strukturen einer Programmiersprache vertraut machen. Die vorliegende Programmiersprache besteht im Wesentlichen aus einer Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z, wobei jeder Buchstabe eine Methode aufruft und somit einen Sensorzustand verändert: R - Arm nach rechts drehen L - Arm nach links drehen H - Roboterarm nach oben (hoch) schwenken T - Roboterarm nach unten (tiefer) schwenken A - Greifer öffnen (auf) Z - Greifer schließen (zu). "Sehen", was man programmiert Die Eingabe falscher Buchstaben wird durch den Parser herausgefiltert - es erfolgt keine Fehlermeldung. Dies kann man übrigens später nutzen, um zum Beispiel im Rahmen der Binnendifferenzierung Wörter zu finden, die den Roboterarm sinnvoll programmieren. Die in Frage kommenden Buchstaben mit ihrem dazugehörigen Methodenaufruf sind während der Eingabephase immer auf dem Bildschirm präsent (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken). Durch die signifikante Bedeutung der Programmierbefehle dieser rudimentären Programmiersprache sollte jede Schülerin und jeder Schüler binnen kürzester Zeit Erfolgserlebnisse in Form von gewünschten Bewegungsabläufen erringen. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit), Kennen des Problemlöseprozesses (Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test, Dokumentation), selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten, Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen (kritische Bewertung der Resultate) Nennung der Methodenaufrufe Im dritten Abschnitt des Programms zeigt sich, ob die Lernenden die Theorie zur linearen Programmierung verstanden haben. Die Schülerinnen und Schüler haben nun die Aufgabe, vorgegebene Bewegungsabläufe in Programme umzusetzen. Dazu können sie Bewegungsabläufe betrachten, indem sie den entsprechenden Button anklicken (Beispiel 1-4; Abb. 4, Platzhalter bitte anklicken). Die Lernenden können sich die Sequenzen beliebig oft vorspielen lassen. Dann muss ein Programm aus einer Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z formuliert und in die entsprechende Eingabemaske eingetragen werden. Nach einem Klick auf den "ok"-Button wird die Eingabe analysiert und bewertet. Ausfüllen der Zustandstabellen Die eigentliche Schwierigkeit besteht dabei nicht in der konkreten Auflistung der Methodenaufrufe in Form eines Programms, sondern vielmehr im Ausfüllen der Zustandstabellen. Dazu müssen die Schülerinnen und Schüler die Zusammenhänge zwischen den Sensorzuständen und den Methodenaufrufen abstrahieren. Die Sensorenzustände werden nicht mehr angezeigt. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit); Kennen des Problemlöseprozesses: Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test und Dokumentation; selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten, Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen; kritische Bewertung der Resultate Lernbereich 2, Formeln und Gleichungen Die Schülerinnen und Schüler erfassen komplexere Aufgabentexte und übertragen den lösungsnotwendigen Inhalt in die mathematische Sprache und deren Symbolik. Sie erfassen Strukturen von Termen, Gleichungen und Formeln. Anschauliche Einblicke in die Programmierung Das strukturierte Programmieren - also die Nutzug von Kontrollstrukturen - setzt bei den Schülerinnen und Schülern ein erhöhtes Maß an Abstraktionsvermögen voraus. Durch Anschaulichkeit kann man ihnen jedoch den Weg der Aneignung erster Erfahrungen mit dieser Materie ebnen. Diesen Anspruch versucht das Programm "Roboterarm" gerecht zu werden. Nach den ersten Einblicken in die (lineare) Programmierung des Roboterarms sollen nun Aufgaben programmiertechnisch gelöst werden, bei denen man vorzugsweise Kontrollstrukturen einsetzt. Schleifen und Verzweigungen Beim linearen Programmieren galt bisher: Ein Programm für den programmierbaren Roboterarm besteht aus einer Reihe von Großbuchstaben, die von links nach rechts abgearbeitet werden. Beim strukturierten Programmieren kommen nun jedoch Schleifen und Verzweigungen mit hinzu. Da Schleifen und Verzweigungen dem linearen Ablauf des Programms widersprechen, spricht man nicht mehr von linearer Programmierung, sondern von strukturierter Programmierung. Im vierten Abschnitt des Programms werden nacheinander die folgenden Themen behandelt, die über die jeweiligen Reiter aufgerufen werden können (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Über den letzten Karteikartenreiter kommt man zurück zum Hauptmenü. Es empfiehlt sich, die Kapitel der Reihe nach abzuarbeiten: Bedienung des Roboterarms über Buttons Lineares Programmieren mit Kugeltransport Kontrollstruktur "Schleifen" Kontrollstruktur "Bedingte Verzweigungen" Beibehaltung der Befehle Die bereits bekannten Programmierbefehle werden beibehalten. Auch in diesem Programmteil ist während der Bedienung darauf zu achten, dass die Anzeige der Sensoren berücksichtigt wird. Wenn zum Beispiel der Richtungs-Sensor bereits "links" anzeigt, kann der Befehl "L" (Roboterarm nach links schwenken) nicht mehr ausgeführt werden. Das Programm gibt eine Fehlermeldung aus. Neuer Befehl: Kugeltausch Hinzu kommt nun die Last in Form einer Kugel, die durch den Roboterarm vom rechten Lager auf das linke Lager befördert werden soll. Jede der Kugeln hat die Masse 300 Kilogramm. Sobald der Greifer um die Kugel geschlossen wird, zeigt der Last-Sensor die aktuelle Last an. Nachdem die Kugel mittels Roboterarm vom rechten Lager auf das linke Lager befördert wurde, kann der Kugeltausch (neuer Befehl der Programmiersprache: "K") durchgeführt werden. Neue Sensoren: Last- und Lastlage In diesem Zusammenhang sind zwei neue Sensoren hinzugekommen, welche die Last betreffen. Der Roboterarm verfügt nun über einen Last-Sensor, der die Masse der Last in Kilogramm ermittelt. Der zweite Sensor ist der Lastlage-Sensor, der über die aktuelle Lage der Kugel informiert. Für den problemlosen Kugeltausch (Abb. 6) müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Die Kugel muss vom rechten Lager auf das linke Lager befördert worden sein. (Lastlage-Sensor: links ) Die Kugel muss freigegeben sein. (Roboterarm-Sensor: oben ) Kugeltausch Die Programmiersprache bestand bisher aus der Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z. Damit konnte man den Roboterarm durch seine gesamten Bewegungsfreiheiten (Sensor-Zustände) führen. Zum Erfüllen der nun anstehenden Aufgaben benötigt man darüber hinaus noch den Befehl "K", der die Methode Kugeltausch aufruft. Gemäß der unter "4.1 Bedienung des Roboterarms über Buttons" betrachteten Bedingungen kann nun eine nach links transportierte Kugel - die vom Greifer freigegeben wurde - ausgetauscht werden (Abb. 7). "Aufgabe erfüllt" Die Kugel wird von ihrem linken Podest (Sensor-Lastlage = links ) entfernt und die nächste Kugel auf dem rechten Podest bereitgestellt (Sensor-Lastlage = rechts ). Für die Erfüllung der Aufgabe ist zu beachten, dass die Anzahl der bewegten Kugeln erst nach dem Kugeltausch erfasst wird (Abb. 8). "Schleifen" statt Wiederholung von Programmteilen Der Abschnitt "Schleifen" bearbeitet innerhalb des Roboterarm-Programms zum ersten Mal Programmstrukturen, die von der linearen Programmierung abweichen. Wenn zum Beispiel nicht nur eine Kugel bewegt werden soll, sondern eine beliebige Anzahl, so musste man dafür bisher einen bestimmten Programmteil mehrfach wiederholen. Das kann man auch eine Schleife erledigen lassen. Als Schleife wird ein Programmteil bezeichnet, der mehrfach nacheinander ausgeführt werden kann. Syntax der Schleife Der Roboterarm erkennt die Kontrollstruktur einer Schleife an der Syntax "W3(ZA)" (Abb. 9). Das "W" kennzeichnet die Struktur als Wiederholung (Schleife), die darauf folgende Ziffer (1-9) gibt die Anzahl der Wiederholungen an. Für die Bearbeitung der gestellten Aufgaben sind einstellige Zahlen ausreichend - mehrstellige Zahlen werden auf die letzte Stelle reduziert. Die Befehlssequenz in der Klammer stellt den zu wiederholenden Programmteil dar. Beim Programmablauf würde "W3(ZA)" dasselbe ergeben wie "ZAZAZA". Allerdings kann man bei vielen Wiederholungen oder größeren Schleifen Befehle sparen. Bei der Verwendung von Schleifen ist zu beachten, dass mehrere Schleifen nacheinander - aber nicht geschachtelt - eingegeben werden dürfen. Unterschiedliche Beantwortung einer Bedingung mit mehreren Alternativen Mit den "Wiederholungen" kennt man bereits eine Kontrollstruktur, die das Verzweigen eines Programms ermöglicht. Eine echte Verzweigung jedoch - die sich aus der unterschiedlichen Beantwortung einer Bedingung mit mehreren Alternativen ergibt - ist das noch nicht. In dem hier vorgestellten Programmteil werden dem Roboterarm Kugeln mit unterschiedlichen Lasten (null bis 500 Kilogramm) vorgelegt. Die Masse von 300 Kilogramm ist dabei die Obergrenze, die der Roboterarm heben kann, ohne Schaden zu nehmen. Sobald der Roboterarm eine Kugel im Greifer hat (Richtung: links , Arm: unten , Greifer: zu ) wechselt die Lastposition auf den Zustand im Greifer und nun muss der Test erfolgen, ob die Last vom Roboterarm bewegt werden kann oder nicht. Syntax der bedingten Verzweigung Der Roboterarm erkennt die Kontrollstruktur der Verzweigung an der Syntax "I". Der Großbuchstabe "I" steht für das englische "if ... then". Die erste Befehlsfolge wird ausgeführt, wenn die Kugel die erlaubte Masse von höchstens 300 Kilogramm hat. Bei der anderen Alternative (Masse > 300 Kilogramm) wird die zweite Befehlsfolge ausgeführt. Es ist darauf zu achten, dass der Roboterarm am Ende des Tests bei beiden Alternativen dieselben Sensoren-Zustände hat, damit das Programm anschließend fehlerfrei weiter ausgeführt werden kann. Beispiel "Bewege fünf Kugeln" Für die Bearbeitung der zweiten Aufgabe "Bewege fünf Kugeln" kann der Test problemlos in die Schleife eingebaut werden - es darf aber nur ein Test im Programm durchgeführt werden. Wenn die Kugel zu schwer ist, muss sie rechts liegen bleiben, bis der Roboterarm wieder nach oben geschwenkt ist. Nun kann die Kugel auch in der rechten Position getauscht werden und der Kugeltausch wird für die Erfüllung der Aufgabe mitgezählt. Abb. 10 zeigt eine schematische Darstellung der Verzweigung für die Befehlsfolge "RTZI L". Sensoren-Zustände vor der Verzweigung Richtung: rechts , Arm: unten ; Greifer: zu Sensoren-Zustände nach der Verzweigung Richtung: rechts ; Arm: oben ; Greifer: zu Der Unterschied besteht darin, dass sich nach der Verzweigung für den Fall "Masse > 300 Kilogramm" keine Kugel im Greifer befindet, sondern auf dem rechten Podest. Anderenfalls befindet sich die Kugel im Greifer. Wenn alle Aufgaben erfolgreich gelöst worden sind, sollten die Schülerinnen und Schüler die Struktur von Programmen grundlegend beherrschen und für weiterführende Programmieraufgaben gut vorbereitet sein. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 2, Computer nutzen und anwenden: Objekte - Attribute - Methoden Zuordnung von konkreten Objekten zum Modell: Objekt - Attribut - Attributwert Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit); Programmstrukturen, Folge, Wiederholung, Verzweigung: Kennen des Problemlöseprozesses (Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test, Dokumentation, Lösen eines einfachen Problems unter Nutzung der Programmstrukturen, selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten), Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen (kritische Bewertung der Resultate) Lernbereich 1, Komplexe Anwendungssysteme Anwenden der Kenntnisse zu Modellen auf ein neues Werkzeug (Erkennen von Objekten, selbstständiges Einarbeiten in die Bedienung), sich positionieren zu Möglichkeiten und Grenzen der gewählten Werkzeuge Lernbereich 2, Informatische Modelle Einblick gewinnen in die Systematik informatischer Modellierung, Klassifizierung von Modellen in der Informatik Lernbereich 2, Formeln und Gleichungen Schülerinnen und Schüler erfassen komplexere Aufgabentexte und übertragen den lösungsnotwendigen Inhalt in die mathematische Sprache und deren Symbolik. Sie erfassen Strukturen von Termen, Gleichungen und Formeln.

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.

Mit bloßem Auge (visuell) und mit fotografischen Mitteln lassen sich Planetenbewegungen am Fixsternhimmel beobachten, dokumentieren und verstehen. Wertvolle Dienste leisten dabei Planetarium- und Bildbearbeitungssoftware. Schülerinnen und Schüler aller Altersstufen können bei der visuellen und fotografischen Beobachtung der Planeten unseres Sonnensystems "Himmelsmechanik live" erleben und dokumentieren. Informationen zur Sichtbarkeit der Planeten am Abendhimmel finden Sie unter Links und Literatur. Zur Vorbereitung der Beobachtungen können mithilfe kostenfreier Planetarium-Software (z.B. Stellarium ) Simulationen durchgeführt und Sternkarten ausgedruckt werden. Die linke Abbildung zeigt den Saturn, aufgenommen von einer Schülergruppe am Observatorium Hoher List in der Eifel. Visuelle Beobachtungen sind mit der Planetarium-Software Stellarium planbar, nachvollziehbar und vertiefbar. Die kostenlose Bildbearbeitungssoftware Fitswork erlaubt die Rekonstruktion von Planetenbahnen am Sternenhimmel aus Fotos, die Lernende mit einfachen Digitalkameras anfertigen können. Im Unterricht sollen den Schülerinnen und Schülern Medien, Materialien und Kenntnisse an die Hand gegeben werden, die sie zur eigenständigen Himmelsbeobachtung anregen und befähigen. Die Resultate solcher Beobachtungen werden im Unterricht zusammengetragen, ausgewertet und diskutiert. Fachliche Voraussetzungen Was sind Ekliptik, rückläufige Bewegungen und Planetenschleifen? Warum haben nur Merkur und Venus Phasen wie der Mond? Allgemeine Hinweise zum Auffinden von Planeten Mit der kostenfreien Software Stellarium können Sie den Sternhimmel mit den Positionen der Planeten zu jeder Zeit an Ihrem Standort darstellen. Materialien für die Beobachtung - Beispiel 2010 Die Himmelskarten aus dem Jahr 2010 sind natürlich nicht mehr verwendbar. Sie sollen jedoch als Anregung für die Erstellung aktueller eigener Materialien dienen. Rekonstruktion von Planetenbahnen aus Fotografien Zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommene Himmelsfotos werden mit der kostenfreien Software Fitswork addiert. Die Bewegung eines Planeten wird dabei als "Spur" deutlich. Die Schülerinnen und Schüler verstehen, warum und wie sich die Planeten am Himmel in unmittelbarer Nähe der Ekliptik bewegen. simulieren Planetenbewegungen mit Planetarium-Software. finden die Planeten Venus, Mars, Jupiter und Saturn am Nachthimmel auf. dokumentieren den Lauf der Planeten Venus, Jupiter und Saturn, basierend auf eigenen Beobachtungen. lernen einfache Verfahren der digitalen Bildbearbeitung kennen und wenden diese an. Erdrotation und die Bewegung der Fixsterne Die Erde rotiert um eine Achse, die durch ihre beiden geographischen Pole führt. Die Erdrotation erfolgt von Westen nach Osten, also - von Norden auf die Erde gesehen - gegen den Uhrzeigersinn. Die Folge davon ist, dass der Sternenhimmel damit alle Himmelsobjekte für einen irdischen Beobachter einmal in etwa 24 Stunden auf einem Kreis von Osten nach Westen rotieren. Die Mittelpunkte aller dieser Kreise liegen auf der ins Weltall verlängerten Erdachse. Die Positionen der Sterne relativ zueinander ändern sich während eines Menschenlebens so gut wie nicht erkennbar. Deshalb heißen Sterne auch "Fixsterne": Sie scheinen an der rotierenden Himmelskugel ihren festen Platz zu haben. Entstehung des Sonnensystems Um die Bewegung der Planeten am Himmel verstehen zu können, sind einige grundlegende Kenntnisse über die Struktur des Sonnensystems erforderlich. Unser Sonnensystem entstand vor etwa vier Milliarden Jahren aus einer rotierenden, flachen Gas- und Staubscheibe. Aus der protoplanetaren Scheibe entstanden die Körper unseres Sonnensystems. Abb. 1 zeigt dies in einer künstlerischen Darstellung der NASA (Grafik zur Vergrößerung bitte anklicken). Planeten übernehmen den Drehimpuls der Staubscheibe Beinahe die gesamte Masse dieser Staubscheibe konzentrierte sich in der Sonne, in deren Innerem die enormen Gravitationskräfte die Bedingungen für den Ablauf von Kernfusionen herstellen. In den äußeren Bereichen der Staubscheibe "verklumpte" die dort ursprünglich vorhandene Materie zu den als Planeten, Kleinplaneten und Kleinkörpern des Sonnensystems bekannten Objekten. Die Planeten tragen den Großteil des Drehimpulses der ursprünglichen Staubscheibe und bewegen sich deshalb mit gleichem Umlaufsinn mehr oder weniger in derselben Ebene. Ihre Bahnen sind Ellipsen mit der Sonne in einem der Brennpunkte. Die Formen dieser Ellipsenbahnen weichen nur geringfügig von der Kreisform ab. Sonne, Mond und Planeten bewegen sich auf der Ekliptik Die Bahn, die die Sonne im Verlauf eines Jahres an der "Himmelskugel" beschreibt, wird Ekliptik genannt. Damit kann man die Ekliptik auch auffassen als Schnittkreis der Himmelskugel mit der Ebene, in der die Erde die Sonne umrundet. Durch die Entstehung der Planeten und der Sonne aus der flachen Staubscheibe unterscheiden sich die Bahnebenen der Planeten nicht allzu sehr von einander. Betrachtet man von der Erde aus andere Planeten (oder unseren Mond), dann müssen sie sich also - mehr oder weniger - auf oder nahe der Ekliptik bewegen. In unseren nördlichen Breiten stellt sich die Ekliptik als Bogen am südlichen Himmel dar, der von Osten kommend nach Süden ansteigt, um dann zum Westhorizont abzufallen. Bewohnerinnen und Bewohner der Südhalbkugel müssen sich nach Norden richten, um einen Blick auf die Ekliptik zu werfen. Die Zeit um die "Opposition" ist die günstigste Beobachtungszeit Wie wir auf der Erde die Bewegung eines Planeten in der Nähe der Ekliptik wahrnehmen, hängt davon ab, welchen Planeten wir betrachten. Am einfachsten sind die Bewegungen der außerhalb der Erdbahn liegenden Planeten Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun zu verstehen. Wir sehen, wie sich diese Planeten vor dem Fixsternhimmel nahe der Ekliptik von West nach Ost beziehungsweise von "rechts nach links" bewegen. Wenn einer dieser Planeten seine Opposition erreicht (Abb. 2), ist er der Erde am nächsten und am hellsten. Er ist dann die ganze Nacht über am Himmel zu beobachten. Im Zeitraum um die Konjunktion herum befinden sich die Planeten am Taghimmel und sind nicht zu sehen. Rückläufigkeit und Schleifen Wenn ein äußerer Planet seine Opposition erreicht und auf der "Innenbahn von der Erde überholt" wird, ändert er für einige Zeit die Bewegungsrichtung relativ zum Fixsternhimmel und wird "rückläufig". Bedingt durch die Geometrie der Konstellationen beschreiben die Bahnen von Mars und der äußeren Planeten um die Zeit der Opposition herum "Schleifen" an der Himmelskugel. Dies wird durch einige Animationen im Internet sehr gut veranschaulicht: Untere und Obere Konjunktion Die innerhalb der Erdbahn kreisenden Planeten Merkur und Venus "pendeln" von uns aus gesehen zwischen der größten westlichen und der größten östlichen Elongation hin und her (Abb. 3). Im Gegensatz zu Mars und den äußeren Planeten ist bei Venus und Merkur zwischen der unteren und der oberen Konjunktion zu unterscheiden. In den Zeiten um beide Konjunktionen befinden sich die Planeten nahe bei der Sonne am Taghimmel und sind nicht zu beobachten (ähnlich der "Neumondsituation"). Planetentransite Wenn sich Merkur oder Venus zum Zeitpunkt der unteren Konjunktion genau zwischen Erde und Sonne befinden, ist ein sogenannter Transit zu beobachten: Der Planet wandert als schwarzes Scheibchen über die Sonnenscheibe. Aufgrund der nicht ganz identischen Bahnebenen der Planeten geschieht dies jedoch nur selten (aus demselben Grund haben wir auch nicht bei jedem Neumond eine Sonnenfinsternis). Abb. 4 zeigt den Venustransit von 2004, aufgenommen von einer Schülergruppe am Gymnasium Isernhagen (Niedersachsen). Der nächste Venustransit am 6. Juni 2012 ist, wenn die Sonne in Mitteleuropa aufgeht, schon fast beendet. Der nächste Merkurtransit am 09. Mai 2016 kann dagegen vollständig beobachtet werden. Phasen der Venus Im Gegensatz zu den anderen Planeten zeigen Venus und Merkur aufgrund ihrer Bewegung innerhalb der Erdbahn - wie der Mond - Phasen: Während der größten östlichen Elongation (siehe Abb. 3) ist eine "abnehmende Halbvenus" als auffälliger Abendstern zu beobachten. Zum Zeitpunkt der größten westlichen Elongation ist eine "zunehmende Halbvenus" als Morgenstern zu sehen. Vor oder nach der unteren Konjunktion erscheint Venus (kurz nach Sonnenuntergang beziehungsweise kurz vor Sonnenaufgang) als große, aber sehr schmale und wegen der geringen Leuchtkraft am noch hellen Himmel nicht ganz einfach zu findende Sichel (die Sichelform ist dann bereits in einem guten Feldstecher erkennbar). Um die obere Konjunktion herum erscheint das Planetenscheibchen dagegen voll beleuchtet, aber sehr klein (und ist dadurch ebenfalls in der Dämmerung nicht sehr auffällig). Durch das Zusammenspiel der Parameter Entfernung und Beleuchtung (Phase) des Planeten kommen die großen Helligkeitsschwankungen der Venus zustande. An einem bestimmten Punkt zwischen unterer und oberer Konjunktion erstrahlt Venus in ihrem "höchsten Glanz". Abb. 5 zeigt die Entwicklung der abnehmenden Venus bis hin zur scharfen Sichelform. Die Aufnahmen stammen von Jens Hackmann. Weitere Fotos finden Sie auf seiner Homepage: Schwer zu beobachten: Merkur Der flinke, uns auf seiner "Innenbahn" schnell überholende Merkur (wegen seiner Schnelligkeit hervorragend als "Götterbote" geeignet) zeigt die gleichen Phasen wie Venus, ist aber seltener und schwieriger zu beobachten: Er "ertrinkt" oft im Dunst der horizontnahen Luftschichten. Mit bloßem Auge sichtbar: Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn Neulinge tun sich häufig schwer damit, einen bestimmten Planeten am Himmel überhaupt zu finden und eindeutig zu erkennen. Es gibt jedoch gute Hilfsmittel, um dies auch unerfahrenen Beobachtern zu ermöglichen. Informationen zur Sichtbarkeit der Planeten am Abendhimmel finden Sie unter Links und Literatur. Zur Vorbereitung der Beobachtungen können mithilfe kostenfreier Planetarium-Software ( Stellarium , Cartes du Ciel ) Simulationen durchgeführt und Sternkarten ausgedruckt werden. Die schon im Altertum bekannten Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn sind mit bloßem Auge gut sichtbar. Die Beobachtung von Uranus und Neptun erfordert ein Fernrohr und den geübten Beobachter. Planeten halten sich nahe der Ekliptik auf und "flackern" nicht Planeten sucht man aus den bereits beschriebenen Gründen in der Nähe der Ekliptik, die als Bahn von Sonne und Mond am Himmel leicht auszumachen ist. Wenn man dann noch beachtet, dass Fixsterne funkeln, Planeten aber in einem ganz ruhigen Licht erscheinen und recht hell sind, sollte die letzte Hürde auf dem Weg zum Auffinden von Planeten leicht zu überwinden sein. Die Suchprozedur kann mit einer drehbaren Sternkarte unterstützt werden. Stellarium - vielseitig und einfach zu bedienen Die Himmelsrotation und die ihr überlagerten Planetenbewegungen lassen sich mit der Software Stellarium hervorragend simulieren und veranschaulichen. Stellarium ist ein kostenloses und einfach zu bedienendes Planetarium-Programm. Nach dem Programmstart gibt man Beobachtungsort und Beobachtungszeit ein (erster und zweiter Button der linken Menüleiste, die aufgeht, wenn man den Mauszeiger an den linken Bildschirmrand bewegt). Die Software zeigt dann den entsprechenden Himmelsanblick im Süden. Neben den Fixsternen werden auch die Planeten und wahlweise andere Objekte (Galaxien, Gasnebel, Sternhaufen) angezeigt. Um in andere Richtungen oder höhere Regionen über dem Horizont zu "blicken", bewegt man die Maus bei gedrückter linker Taste in die entsprechende Richtung. Drehen am Scrollrad der Maus vergrößert oder verkleinert die Himmelsdarstellung. Aufsuchkarten selbst erstellen und ausdrucken Zur Vorbereitung einer Planetenbeobachtung gibt man in Stellarium die geplante Beobachtungszeit ein, steuert mit der Maus wie beschrieben den gewünschten Himmelsausschnitt an und erzeugt per Screenshot einen Sternkartenausdruck, der den gewünschten Planeten mit seiner Fixsternumgebung zeigt. Ein solcher Ausdruck ist für wenig erfahrene Himmelsbeobachter die optimale Aufsuchhilfe für Planeten. Stellarium - ein virtuelles Planetarium für die Schule Die kostenfreie Planetarium-Software ermöglicht eine sehr realistische Darstellung der Himmelskugel. Beobachtungsort und -zeit können nach Wunsch festgelegt werden. Cartes du Ciel - Download Auch mit dieser freien Software lassen sich ausdruckbare Sternkarten erzeugen und durch vielfältige Einstellungsmöglichkeiten astronomische Beobachtungen vorbereiten. Planetensichtbarkeiten Für viele Schülerinnen und Schüler werden das Auffinden und die visuelle Beobachtung von Planeten schon eigenständige, neue Erfahrungen sein. Es liegt nahe, die dazu erworbenen Fertigkeiten zu einer vertieften Beschäftigung mit Planeten und dabei insbesondere mit deren Bahnen relativ zum Fixsternhimmel fruchtbar zu machen. Neben den von der Natur vorgegebenen Beobachtungsmöglichkeiten schränken schulische Rahmenbedingungen die Planetenauswahl und mögliche Beobachtungszeiträume ein. Lässt man nur Beobachtungen am nicht zu späten Abend zu, dann ergeben sich aus der Tabelle "Planetensichtbarkeit im Jahr 2010" (tabelle_planetensichtbarkeit_2010.pdf) fünf mit unterschiedlichen Farben hervorgehobene Projektmöglichkeiten: Merkur kann in den Tagen um den 4. April herum am Abendhimmel beobachtet werden (dunkelrot). Venus bietet im Zeitraum März bis September eine nur mäßige Abendsichtbarkeit (blau). Mars kann von Januar bis Mai gut verfolgt werden (orange). Jupiter bietet eine gute Abendsichtbarkeit von August bis Dezember (rot). Saturn lässt sich von Februar bis Juni beobachten (grün). Allgemeine Hinweise zur Beobachtung des Planeten im Jahr 2010 Die diesjährige Abendsichtbarkeitsperiode der Venus ist wenig spektakulär. Gezielte abendliche Beobachtungsaufträge für Schülerinnen und Schüler ergeben sich im Jahr 2010 nicht, denn die Beobachtungsmöglichkeit ist im Wesentlichen auf die Zeit der späten Dämmerung beschränkt. Eine Stunde nach Sonnenuntergang erreicht die Venus auch im Zeitraum um die größte östliche Elongation Höhen von nur wenig mehr als 10 Grad über dem West- beziehungsweise Westnordwesthorizont. Ursache dafür ist der Umstand, dass im Frühjahr und Frühsommer der Winkel zwischen Ekliptik und Westhorizont sehr gering ist. Die scheinbare Bahn der Venus am Himmel liegt sehr flach und gewinnt deshalb während der kurzen Abendsichtbarkeit des Planeten kaum Höhe über dem Horizont. Weitere Informationen zur Venus finden Sie in dem Beitrag Venus - Beobachtung der Phasen unseres Nachbarn . Allgemeine Hinweise zur Beobachtung des Planeten im Jahr 2010 Der Rote Planet ist in den ersten Monaten des Jahres 2010 eindeutig der "Star" am Abendhimmel. Die für schulische Beobachtungsprojekte günstige Zeit um die Marsopposition am 29. Januar 2010 reicht vom Jahresbeginn bis in den April/Mai. Ein großer Teil seiner diesjährigen Oppositionsschleife und seine Rückläufigkeit im Sternbild Krebs sind für irdische Beobachterinnen und Beobachter zur "Primetime" in den ersten Nachtstunden bequem zu verfolgen. Bis Ende März (Umstellung von der Winterzeit auf die Sommerzeit) können wegen des noch zeitigen Beginns der Dunkelheit auch jüngere Schülerinnen und Schüler in die Marsbeobachtung eingebunden werden. Abb. 8 (zur Vergrößerung bitte anklicken) zeigt die Bahn des Roten Planeten im Zeitraum Oktober 2009 bis Mai 2010. Weitere Hinweise zur Marsbeobachtung finden Sie auch in dem Artikel Mars - Beobachtung einer Planetenschleife . Allgemeine Hinweise zur Beobachtung des Planeten im Jahr 2010 Pünktlich zum neuen Schuljahr und zum früheren Nachtbeginn wird Jupiter ab August/September für den Rest des Jahres zum dominierenden Objekt am Abendhimmel. Seine Opposition ist am 21. September, Rückläufigkeit und Oppositionsschleife im Sternbild Fische sind am frühen Abend leicht mit bloßem Auge zu beobachten. Beinahe zeitgleich mit Jupiter durchläuft im Jahr 2010 der Planet Uranus seine Opposition im selben Himmelsbereich. Um den 22. September nähern sich Jupiter und Uranus bis auf 0,8 Grad, also auf weniger als zwei Monddurchmesser! Auch unerfahrene Beobachterinnen und Beobachter können Uranus dann mit einfachsten Ferngläsern zweifelsfrei identifizieren. Allgemeine Tipps zur Beobachtung des Gasriesen finden Sie auch in dem Artikel Jupiter und der Tanz der Galileischen Monde . Allgemeine Hinweise zur Beobachtung des Planeten im Jahr 2010 Von Februar bis Juni ist Saturn am Abendhimmel vertreten. Während dieses Zeitraums beschreibt er den rückläufigen Teil seiner Oppositionsschleife im Sternbild Jungfrau. Die Schleife hat eine Ausdehnung von nur etwa 6 Grad, was verglichen mit den gut 20 Grad bei der Marsschleife nicht sehr üppig ist. Daneben gewinnt Saturn zu den besten Abendzeiten mit etwa 20 bis 30 Grad keine wirklich großen Höhen über dem Horizont. Anregungen zur Beobachtung von Saturn finden Sie auch in dem Artikel Saturn - ein Blick auf den Ringplaneten vergisst man nicht . Die Planetenbahnen für das gesamte Jahr 2010 befinden sich in den entsprechenden Grafiken alle komplett über dem Horizont. Die Planetenbahnen in den mit der Software GUIDE 8.0 erstellten Grafiken (Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn) wurden nachträglich etwas stärker hervorgehoben. Den GUIDE-Karten liegen entsprechend gewählte Beobachtungszeiten zugrunde, welche man den Legenden links unten in den Abbildungen entnimmt. Genau denselben Himmelsausschnitt findet man über dem Horizont, wenn man 15 Tage später schon eine Stunde früher oder 15 Tage früher erst eine Stunde später beobachtet. Um für beliebige Daten und Uhrzeiten beurteilen zu können, ob ein bestimmter Planet hinreichend hoch über dem Horizont stehen wird, bedient man sich am einfachsten der kostenfreien Software Stellarium. Hinweise liefern die folgenden Beiträge: Erste Schritte zur Orientierung am Sternhimmel Mithilfe der Software Stellarium "experimentieren" Lernende am Rechner mit dem Sternhimmel, bevor sie eine drehbare Sternkarte basteln und erproben (Klasse 5-10). Mit Stellarium wird eine Sternkarte des Bereichs erzeugt, in dem sich der betrachtete Planet während der gesamten Beobachtungszeit aufhalten wird. In einem hinreichend großen Ausdruck der Sternkarte tragen die Schülerinnen und Schüler dann in geeigneten Zeitabständen die von ihnen per Augenschein bestimmten Positionen des beobachteten Planeten händisch ein. Die Sternkarte darf zu diesem Zweck natürlich nur Fixsterne und keine Planeten enthalten. Dazu entfernt man vor dem Ausdruck im Himmels- und Anzeige-Optionsfenster (dritter Button von oben in der linken Symbolleiste) die Häkchen in den entsprechenden Kontrollkästchen. Wenn man die mit Stellarium per Screenshot erstellten Sternkarten mit Bildbearbeitungssoftware invertiert, das heißt in eine Negativ-Darstellung umwandelt, erhält man Toner sparende Ausdrucke, in deren weißen Himmelshintergründen händische Ergänzungen leicht vorgenommen werden können. Die Positionen eines Planeten am Fixsternhimmel können zu verschiedenen Zeitpunkten fotografisch festgehalten werden. Nach dem Beobachtungszeitraum werden aus den Einzelbildern dann die Bahnen der Planeten am Himmel rekonstruiert. Anhaltspunkte für die Wahl der Aufnahmezeitpunkte können Sie für das Jahr 2010 den in diesem Beitrag zur Verfügung gestellten Himmelskarten entnehmen (siehe oben). Belichtungszeit, Blendenöffnung und Sensor-Empfindlichkeit Für das Fotografieren eignen sich insbesondere Digitalkameras, die manuell einstellbare Belichtungszeiten von einigen Sekunden erlauben. Man montiert die Kamera auf ein Stativ und wählt für erste Versuche eine möglichst kurze Brennweite (Weitwinkel). Dann belichtet man bei hoher Empfindlichkeit und größtmöglicher Blendenöffnung (also bei kleinster Blendenzahl) für etwa 10 Sekunden. Am besten stellt man den Selbstauslöser ein, damit die Kamera beim manuellen Auslösen nicht wackelt. Auf diese Art gewonnene Fotos zeigen schon deutlich mehr Sterne, als mit bloßem Auge sichtbar sind. Sternbilder sind für den Anfänger wegen der Vielzahl der Sterne auf solchen Bilder kaum zu erkennen. Da Digitalfotos sofort beurteilt werden können, können nach kurzer Probierphase Belichtungszeit, Blendenöffnung und Sensor-Empfindlichkeit so gewählt werden, dass nur die hellsten in den Sternkarten vorhandenen Sterne abgebildet werden. Brennweite und Bildausschnitt Man wählt für die (eventuell über Monate) geplante Aufnahmeserie durch Brennweitenvariation den Bildausschnitt so, dass der beobachtete Planet den "abgelichteten" Himmelsausschnitt im Beobachtungszeitraum nicht verlässt. Bei der Festlegung des sinnvollen Ausschnittes hilft wiederum Planetarium-Software. Alle Fotos einer Aufnahmeserie sollten mit ungefähr gleicher Brennweite aufgenommen werden. Die nach dem beschrieben Verfahren erhaltenen Fotos werden ungefähr so aussehen wie die Bilder in Abb. 9 (Platzhalter bitte anklicken). Die drei Darstellungen zeigen Saturn im Sternbild Löwe am 2. Februar, 23. April und 23. Mai 2009 (jeweils um 22 Uhr MEZ). Es handelt sich dabei um Screenshots aus dem Programm Stellarium. Saturn ist jeweils mit einem gelben "S" markiert. Solche Bilder - egal ob Screenshots oder Fotos - lassen sich im Prinzip mit jeder Bildbearbeitungssoftware durch Addition weitgehend passgenau übereinander legen. Sämtliche Fixsterne in den Bildern fallen bei der Addition zusammen. Der beobachtete Planet dagegen ändert mit jeder Aufnahme seine Position. Im Summenbild der drei Teilabbildungen aus Abb. 9 erscheinen daher die drei Planetenbilder als eine "Spur", mit der die Planetenbahn leicht zu rekonstruieren ist (siehe Abb. 10). Fitswork ist eine kostenlose Software, die speziell für die Bearbeitung astronomischer Aufnahmen entwickelt wurde und eine große Vielfalt an Bearbeitungs- und Auswertemöglichkeiten bietet. Bei der Überlagerung von Sternfeldaufnahmen mit Planeten geht man wie folgt vor: Man öffnet zwei der zu addieren Bilddateien. Dann identifiziert man zwei Sterne, die in beiden Bildern zu finden und eindeutig Bilder derselben Sterne sind. Die gewählten Sterne sollten nicht zu dicht beieinander liegen, da anhand ihrer Position beide Fotos vor der Addition so verschoben, gedreht, gestreckt oder gestaucht werden, dass alle Fixsterne möglichst passgenau übereinander liegen. Eventuelle Verzerrungen in den Bildern wegen unterschiedlicher Aufnahmebrennweiten werden dabei weitgehend ausgeglichen. Mit der linken Maustaste klickt man beide Sterne in beiden Bildern in derselben Reihenfolge an. Dabei ist es sinnvoll, die Vergrößerung der Bildschirmdarstellung zu erhöhen, um den Schwerpunkt eines Sternbilds gut zu treffen (Rechtsklick auf "Zoom" links unten im aktiven Bildfenster). Die Sterne werden bei dieser Markierung mit verschieden farbigen Kreuzen gekennzeichnet. Anschließend bringt man dasjenige Bild in den Vordergrund, dessen Format (Größe und Ausrichtung) man beibehalten möchte, und klickt dann im Menü "Bearbeiten" die Funktion "Bild addieren (mit Verschiebung)" an. Das entstehende Summenbild wird gespeichert. Um das nächste Bild zu addieren, wiederholt man einfach die Prozedur und speichert das neue Summenbild wieder ab. Prinzipiell lassen sich so beliebig viele Bilder überlagern. Abb. 10 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt das Ergebnis der Überlagerung der Einzelbilder aus Abb. 9. Dabei wurde ein brauchbarer Ausschnitt mit dem kompletten Sternbild Löwe gewählt, der Bildkontrast bearbeitet und die Saturnpositionen mit den Ziffern 1 bis 3 versehen, die die Reihenfolge der Aufnahmen wiedergeben. Mehrfachbilder von Sternen im Randbereich der Abbildung sind auf verzerrt dargestellte Himmelsausschnitte durch die Software Stellarium zurückzuführen. Den Gestaltungsmöglichkeiten der Summenbilder (zum Beispiel Aufnahmedaten in die Beschriftung einbringen, Planetenbahnen einfügen) sind kaum Grenzen gesetzt. Mithilfe der Bilder im Ordner "saturn_addition.zip" (Bildbeispiele aus Abb. 9 und Abb. 10) können Sie oder Ihre Schülerinnen und Schüler die Prozedur der Bildaddition schon einmal als "Trockenübung" durchführen. Der Ordner enthält drei mit Stellarium erzeugte Screenshots, die den Planeten Saturn zu verschiedenen Zeitpunkten im Sternbild Löwe zeigen (1_saturn_02_feb_2009_22h.jpg, 2_saturn_23_apr_2009_22h.jpg, 3_saturn_23_mai_2009_22h.jpg). Außerdem enthält der Ordner das Ergebnis der ersten (12_addition_saturn.jpg) und der zweiten Bildaddition (123_addition_saturn.jpg) sowie ein mögliches Endergebnis: einen Bildausschnitt mit dem Sternbild Löwe und drei Positionen des Saturn. Aus einer genügend großen Anzahl von Einzelaufnahmen lässt sich so die Spur des Planeten durch das Sternbild rekonstruieren. Bei der Betrachtung aufgezeichneter Planetenbahnen wird man in jedem Fall erkennen, dass sich die Planeten am Fixsternhimmel nicht immer gleich schnell und nicht auf regelmäßigen Bögen bewegen. Von den für Bahnbeobachtungen gut geeigneten Planeten ist die Geschwindigkeit der Venus am größten. Aufnahmen im Abstand weniger Tage lassen Positionsänderungen bereits gut erkennen.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Sprichwörter setzen die Schülerinnen und Schüler Sprichwörter in kurze Trickfilme um.In dieser Unterrichtseinheit erstellen die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen eine Kurzfilm zu einem bekannten Sprichwort. Dabei wird die Funktionsweise des Trickfilms erlernt und praktisch erprobt, die Medienkompetenz erweitert und das Wissen zum Thema "Sprichwort" vertieft. Ein Sprichwort gilt als ein "allgemein bekannter, festgeprägter Satz, der eine Lebensregel oder Weisheit in prägnanter, kurzer Form ausdrückt" (Mieder, 2002, Seite 17). Sprichwörter bieten sich aus verschiedenen Gründen als Leitthema für den Trickfilm-Workshop an. Zu Beginn der Einheit wird in das Thema Trickfilm eingeführt, die Funktionsweise erarbeitet und erläutert. Zudem wird zur Veranschaulichung eine Trickfilmszene gezeigt. Um den Schülerinnen und Schülern das Thema Sprichwörter näher zu bringen und zu erläutern, werden gemeinsam die generelle Bedeutung von Sprichwörtern erarbeitet und einzelne Sprichwörter besprochen sowie erklärt. In dieser Phase soll das theoretische Verständnis aufgebaut werden, da nur auf dieser Grundlage die praktische Umsetzung erfolgen kann. Darauf aufbauend erstellen die Lernenden einen kurzen Trickfilm. Hierfür reicht die Kameras eines Smartphones und eine beliebige Stop-Motion-App zur Bearbeitung. Im Rahmen einer Projektwoche an einer Förderschule mit dem Förderschwerpunkt Lernen wurde die Unterrichtseinheit in einem fünftägigen Trickfilmworkshop bereits erfolgreich erprobt. Die Schülerinnen und Schüler erstellen nach einer Einführung eigenständig kurze Filme zu mindestens einem Sprichwort. So können sich die Kinder kreativ und handlungsorientiert mit den Themen "Trickfilm" und "Sprichwörter" auseinandersetzen. Das Projekt eignet sich auch für den Deutschunterricht im Rahmen des Zweitspracherwerbs. In dieser Unterrichtseinheit werden die Schülerinnen und Schüler zunächst in die Theorie des Trickfilms und in das Thema "Sprichwörter" eingeführt. Auf dieser Grundlage werden dann aus Sprichwörtern kurze Geschichten/Szenen entwickelt und Charaktere sowie Hintergründe erstellt. Im Anschluss daran werden die Idee in einen kurzen Film praktisch umgesetzt und am Computer nachbearbeitet. Vorteile von Sprichwörtern Viele Sprichwörter weisen einen bildhaften Charakter auf, sodass sie sich gut als Kurzgeschichte oder kurze Szene darstellen lassen, die zudem eine Pointe haben. Des Weiteren entstammen Sprichwörter dem alltäglichen Sprachgebrauch der Schülerinnen und Schüler. Sie sind ihnen zu einem großen Teil vertraut und schaffen einen Lebensbezug. Dieses Wissen kommt insbesondere den Schülerinnen und Schülern zugute, die keine direkten Einfälle für eine mögliche Trickfilmszene haben. So hat die grobe Themenvorgabe bei der Anfangsarbeit mit dem Thema "Trickfilm" den Vorteil, dass eventuelle Blockaden, Hemmungen oder Unsicherheiten überwunden werden können. Auseinandersetzung mit Sprache Schließlich setzen sich die Schülerinnen und Schüler – für sie nicht unbedingt direkt offensichtlich und eher nebenbei, aber doch sehr bewusst – mit Sprache auseinander. Sie interpretieren, deuten und verstehen die sprachlichen Bilder und werden sich der darstellerischen Möglichkeiten der Sprache bewusst, wodurch auch der Spaß am Umgang mit Sprache gefördert wird. Sprichwörter sind häufig sehr alt und aus dem Volksmund überliefert und zählen durchaus zu einem wertvollen Sprachgut. Durch die kreative und handlungsorientierte Art der Auseinandersetzung mit den Sprichwörtern wird dazu beigetragen, dieses Sprachgut zu erhalten. Stopptrick Der Stopptrick wird sowohl in der Gruppenaufnahme als auch in Form der Namen im Abspann eines jeden Films eingesetzt. Dieser Trick nutzt die Funktionsweise des Trickfilms, um Personen oder Gegenstände scheinbar verschwinden oder plötzlich auftauchen zu lassen. Dadurch zeigt sich die Entstehung eines Trickfilms sehr deutlich und eindrucksvoll. Außerdem sehen sich die Schülerinnen und Schüler auch noch einmal vor der Kamera und es entsteht ein Gruppenbild. Daumenkino Das Herstellen eines ausgewählten Daumenkinos erläutert noch einmal einfach und einprägsam die Funktionsweise des Trickfilms. Zudem ist es eine Aufgabe, die Einzelarbeit erfordert und die Feinmotorik schult. Die Schülerinnen und Schüler können das Daumenkino direkt selbst ausprobieren und mit nach Hause nehmen. Das Daumenkino erweist sich auch als eine gute Möglichkeit, diejenigen Kinder aufzufangen, die schon eher als die anderen mit einer Aufgabe fertig sind. Es ist unmöglich, immer alle Kinder gleichzeitig zu beschäftigen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen die Bedeutung von Sprichwörtern und erlernen neue Sprichwörter. verstehen die Idee des Trickfilms. schulen ihre Feinmotorik. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler üben den Umgang mit der Smartphone-Kamera. erlernen den Umgang mit einem Trickfilmprogramm. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erfahren und üben das Arbeiten im Team. lernen das Abstimmen der Aufgaben und Inhalte. bringen ihre individuellen Fähigkeiten ein. Mieder, Wolfgang (Hrsg.): Deutsche Sprichwörter und Redensarten . Reclam GmbH & Co., Stuttgart 2002. Sprichwörter als Leitthema Ziel des Workshops ist, pro Kleingruppe mindestens ein Sprichwort in einem kurzen Film mit Vor- und Abspann darzustellen. Dabei wird die Funktionsweise des Trickfilms erlernt und praktisch erprobt, die Medienkompetenz erweitert und das Wissen zum Thema "Sprichwort" vertieft. Ein Sprichwort gilt als ein "allgemein bekannter, festgeprägter Satz, der eine Lebensregel oder Weisheit in prägnanter, kurzer Form ausdrückt" (Mieder, 2002, Seite 17). Sprichwörter bieten sich aus verschiedenen Gründen als Leitthema für den Trickfilm-Workshop an. Vorteile von Sprichwörtern Viele Sprichwörter weisen einen bildhaften Charakter auf, sodass sie sich gut als Kurzgeschichte oder kurze Szene darstellen lassen, die zudem eine Pointe haben. Des Weiteren entstammen Sprichwörter dem alltäglichen Sprachgebrauch der Schülerinnen und Schüler. Sie sind ihnen zu einem großen Teil vertraut und schaffen einen Lebensbezug. Dieses Wissen kommt insbesondere den Schülerinnen und Schülern zugute, die keine direkten Einfälle für eine mögliche Trickfilmszene haben. So hat die grobe Themenvorgabe bei der Anfangsarbeit mit dem Thema "Trickfilm" den Vorteil, dass eventuelle Blockaden, Hemmungen oder Unsicherheiten überwunden werden können. Auseinandersetzung mit Sprache Schließlich setzen sich die Schülerinnen und Schüler - für sie nicht unbedingt direkt offensichtlich und eher nebenbei, aber doch sehr bewusst - mit Sprache auseinander. Sie interpretieren, deuten und verstehen die sprachlichen Bilder und werden sich der darstellerischen Möglichkeiten der Sprache bewusst, wodurch auch der Spaß am Umgang mit Sprache gefördert wird. Sprichwörter sind häufig sehr alt und aus dem Volksmund überliefert und zählen durchaus zu einem wertvollen Sprachgut. Durch die kreative und handlungsorientierte Art der Auseinandersetzung mit den Sprichwörtern wird dazu beigetragen, dieses Sprachgut zu erhalten. Zu Beginn des Workshops wird in das Thema Trickfilm eingeführt, die Funktionsweise erarbeitet und erläutert. Zudem wird zur Veranschaulichung eine Trickfilmszene gezeigt. Um den Schülerinnen und Schülern das Thema Sprichwörter näher zu bringen und zu erläutern, werden gemeinsam die generelle Bedeutung von Sprichwörtern erarbeitet und einzelne Sprichwörter besprochen sowie erklärt. In dieser Phase soll das theoretische Verständnis aufgebaut werden, da nur auf dieser Grundlage die praktische Umsetzung erfolgen kann. Erarbeitung des Handlungsrahmens In der nächsten Phase bilden sich Kleingruppen, und eine Liste mit Sprichwörtern wird ausgeteilt (die aufgeführten Wörter werden im Vorhinein von der Lehrkraft mit Blick auf ihre filmische Umsetzbarkeit selektiert). Jede Gruppe wählt ein Sprichwort aus und erarbeitet hierzu einen Handlungsrahmen sowie die Charaktere. Dazu sind folgende Schritte notwendig: Erster Schritt Das gewählte Sprichwort wird in eine Handlung umgesetzt. Zweiter Schritt Die praktische Umsetzbarkeit mit den möglichen Mitteln des Trickfilms wird entwickelt. Dritter Schritt Die Charaktere und Hintergrundbilder werden entworfen. Erstellung eines Storyboards Die Geschichte wird in einem Storyboard/Drehbuch festgehalten. Durch die Festlegung des Ablaufs werden die späteren Dreharbeiten erleichtert und dadurch die Funktion eines solchen Drehbuchs veranschaulicht. Bei den hier beschriebenen Tätigkeiten ist eine gute Abstimmung und Arbeitsteilung der Gruppe besonders wichtig, im Zuge derer die Schülerinnen und Schüler zudem ihre ganz individuellen Stärken und Fertigkeiten in das Gesamtergebnis mit einbringen konnten. Nachdem die Vorbereitungen für den Dreh abgeschlossen sind, wird zeitversetzt gefilmt. Während eine Gruppe schon dreht, stellen die anderen Gruppen noch ihre Geschichte zu Ende zusammen oder beginne mit der Arbeit an einem neuen Sprichwort. Es wird arbeitsteilig gedreht: Ein Kind bedient die Kamera, eines liest den Ablauf auf Grundlage des Drehbuchs vor und gibt Regieanweisungen. Mindestens ein weiteres Kind positioniert die Figuren in der Trickfilmbox. Die Aufgaben werden jeweils nach einigen Bildern getauscht. In diesem Arbeitsschritt wird in der praktischen Umsetzung die Funktionsweise des Trickfilms gänzlich veranschaulicht und im besonderen Maße der Umgang mit dem Computer geschult. Stopptrick Der Stopptrick wird sowohl in der Gruppenaufnahme als auch in Form der Namen im Abspann eines jeden Films eingesetzt. Dieser Trick nutzt die Funktionsweise des Trickfilms, um Personen oder Gegenstände scheinbar verschwinden oder plötzlich auftauchen zu lassen. Dadurch zeigt sich die Entstehung eines Trickfilms sehr deutlich und eindruckvoll. Außerdem sehen sich die Schülerinnen und Schüler auch noch einmal vor der Kamera und es entsteht ein Gruppenbild. Daumenkino Das Herstellen eines ausgewählten Daumenkinos erläutert noch einmal einfach und einprägsam die Funktionsweise des Trickfilms. Zudem ist es eine Aufgabe, die Einzelarbeit erfordert und die Feinmotorik schult. Die Schülerinnen und Schüler können das Daumenkino direkt selbst ausprobieren und mit nach Hause nehmen. Das Daumenkino erweist sich auch als eine gute Möglichkeit, diejenigen Kinder aufzufangen, die schon eher als die anderen mit einer Aufgabe fertig sind. Es ist unmöglich, immer alle Kinder gleichzeitig zu beschäftigen. In jeder Gruppe erfolgt eine Nachbearbeitung des Films: einzelne Abläufe werden noch einmal verlangsamt oder beschleunigt, der Film wird mit Musik und Effekten versehen und erhält einen Vor- und Abspann (bestehend aus den zuvor erstellten Namen und Textbausteinen des Computerprogramms). Hierbei wird die Verwendung von Effekten, Musik und Text (verschiedene Möglichkeiten der Darstellung bezüglich der Farbe und der Form) erläutert und durch die direkte Anwendung gefestigt. Die Filme werden zudem in Form eines Quiz aneinandergereiht, im Rahmen dessen die dargestellten Sprichwörter erraten werden sollten. Am letzten Tag der Projektwoche wird der Film neben den anderen Ergebnissen der Projektwoche den Schülerinnen und Schülern, Eltern und Besuchern gezeigt. Zusätzlich werden die Arbeitsphasen der Kinder anhand eines Plakats und von Fotos dokumentiert und dargestellt.

In dieser Unterrichtseinheit wird der zentrale Begriff des Terms durch interaktive Arbeitsblätter eingeführt und in seinem vollen Umfang im Gedächtnis der Lernenden verankert.Bei der Einführung des Termbegriffs gilt es, Kontexte zu finden, die es den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, Grundvorstellungen auszubilden. Die Länge eines Zugs ist abhängig von der Länge der Lokomotive und der Länge sowie der Anzahl der Waggons. Anhand dieses konkreten Kontexts werden in dieser Unterrichtseinheit die Begriffe Term und Termwert anschaulich eingeführt. Ein wesentliches Element dieser kontextorientierten Einführung ist die enge Verknüpfung von bildlicher, symbolischer und nummerischer Darstellung, die durch die Verwendung der dynamischen Mathematiksoftware GeoGebra möglich wird. Für die sich anschließende Übungsphase werden Aufgaben bereitgestellt, die ein individualisiertes und differenziertes Lernen ermöglichen. Hinweise zum Einsatz im Unterricht Die Schülerinnen und Schüler können eigenständig mit den interaktiven dynamischen Arbeitsblättern arbeiten. Erste und zweite Unterrichtsstunde Zunächst erschließen sich die Lernenden den Termbegriff an einem konkreten Beispiel und reflektieren anschließend ihre Lösungsstrategie. Dritte Unterrichtsstunde Die Lernenden vertiefen die bisher erworbenen Kenntnisse anhand verschiedener Aufgabenvariationen, indem sie fehlende Termwerte sowie Terme ermitteln. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die Länge eines Zugs von der Länge der Lokomotive, der Länge und der Anzahl der Waggons abhängt. erkennen, dass die Zuglänge, abhängig von der Anzahl der Waggons, mithilfe von Tabellen dargestellt werden kann. gewinnen die Einsicht, dass Zuglängen mit Termen beschrieben werden können. analysieren Tabellen und können fehlende Termwerte ergänzen. können ausgehend von tabellarischen Darstellungen Terme selbstständig entwickeln. Die Unterrichtseinheit selbst beinhaltet insgesamt vier HTML-Seiten, 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 Java 1.4.2 (oder höher) auf den Rechnern installiert und Javascript aktiviert sein. Beschreibung des Aufbaus der Arbeitsblätter Der Aufbau und die Bedienung aller im Rahmen der Unterrichtseinheit verwendeten Online-Arbeitsblätter ist identisch (Abb. 1, zur Vergrößerung bitte anklicken). Bei allen Aufgabenblättern wird beim Seitenstart im rechten Teil des Arbeitsblatts eine dynamische Zeichnung erzeugt, die eine ikonische, tabellarische, symbolische und grafische Darstellung eines Zuges und dessen Länge zeigt. Die einzelnen Schieberegler ermöglichen es, unterschiedliche Aufgabenstellungen nachzubilden. Da das Arbeiten mit interaktiven dynamischen Arbeitsblättern keine speziellen Softwarekenntnisse voraussetzt, wird das selbständige Arbeiten der Schülerinnen und Schüler optimal unterstützt. Kontextorientiertes Lernen Verständnis fördern bedeutet, Raum geben für eigenes Experimentieren und die Lernenden auf ihren individuellen Lernwegen unterstützen. Durch ein kontextorientiertes Lernen kann das Verständnis mathematischer Begriffe zusätzlich gefördert werden. Interaktive dynamische Arbeitsblätter verbinden mathematische Inhalte mit der Erfahrungswelt der Lernenden. Unterschiedliche Darstellungen von Sachverhalten, zum Beispiel durch Bilder, in tabellarischer, grafischer oder algebraischer Form, können zu einem umfassenderen Verständnis des Zusammenhangs oder Begriffs führen. Dies trifft besonders dann zu, wenn diese verschiedenen Darstellungen wechselseitig aufeinander bezogen sind. Verständnis vertiefen durch Aufgabenvariation Um einen mathematischen Zusammenhang beziehungsweise Begriff in seinem vollen Bedeutungsumfang zu erfassen, ist es notwendig, den Schülerinnen und Schülern durch ein vielfältiges Angebot aus Übung, Festigung und Anwendung Möglichkeiten zu eröffnen, ihre Vorstellungen und Kenntnisse einer Prüfung zu unterziehen. Da auf alle Eingaben der Lernenden unmittelbar eine Rückmeldung folgt, wird verhindert, dass sich Fehlvorstellungen verfestigen können. Durch die Variation der Aufgabenstellung kann ferner verhindert werden, dass sich ein verengtes Begriffsbild manifestiert. Interessante Aufgabenstellungen ergeben sich zudem, wenn zwischen anschaulicher und symbolischer Anwendung gewechselt wird. So kann es sich zum Beispiel als fruchtbar erweisen, wenn aus Sachzusammenhängen Terme gebildet werden sollen oder die Schülerinnen und Schüler gegebene Terme unter einem bestimmten Gesichtspunkt analysieren können. Nach einer kurzen Einführung durch die Lehrkraft in den Sachkontext anhand unterschiedlicher Zugdarstellungen, die mit der editierbaren Folienvorlage (terme_folienvorlagen.doc) erstellt werden können, folgt eine Einweisung in die Funktionsweise und Bedienung des Online-Arbeitsblatts 1 (Abb. 2). Anschließend können die Schülerinnen und Schüler selbstständig die Möglichkeiten der unterschiedlichen Darstellungen erkunden. Dabei sollen die drei Einstiegsaufgaben des PDF-Arbeitsblatts 1 mithilfe der Veranschaulichung nachgebildet und auf diese Weise gelöst werden. Nach der Auswertung der Ergebnisse erfolgt ein strukturierter Überblick anhand des PDF-Arbeitsblatts 2. Abschließend bearbeiten die Lernenden Aufgaben, bei denen per Zufall die Aufgabentexte in beschreibender Form beziehungsweise in mathematischer Form gegeben sind (Abb. 3). Dazu müssen sie lediglich den Button "Aufgabe stellen" betätigen. Durch einen Klick auf den Button "prüfen" können sie ihre Eingabe prüfen lassen. Für jede richtig gelöste Aufgabe erhalten die Schülerinnen und Schüler Punkte, bei fehlerhaften Eingaben werden Punkte abgezogen. Dabei ist die Art der Bearbeitung nicht festgelegt. So können die Lernenden mit oder auch ohne Veranschaulichung arbeiten. Nach einer kurzen Zusammenfassung der Ergebnisse der vorhergehenden Stunde anhand der dort angefertigten Folien erfolgt eine Einführung in die Aufgabenstellung 1.1 bis 1.3 des PDF-Arbeitsblatts 3. Eine Einführung in die Bedienung des Online-Arbeitsblatts 2 kann entfallen, da Aufbau und Bedienung identisch zu dem in der vorhergehenden Stunde verwendeten Online-Arbeitsblatt sind. Nach der Bearbeitung dieser drei Aufgaben sollen die Lernenden nun ohne Verwendung des Computers die Aufgaben 2.1 bis 2.3 des Arbeitsblatts lösen und ihre Lösungsstrategien schriftlich festhalten. Dadurch werden sie angehalten, ihr Vorgehen zu reflektieren und ihre Strategien anderen zu verdeutlichen. Die gestellten Aufgaben sind dabei so gewählt, dass stets unterschiedliche Lösungswege erforderlich sind. An die Vorstellung von Lösungsstrategien durch vorher ausgewählte Schülerinnen und Schüler und einer Diskussion der einzelnen Lösungsstrategien im Plenum schließt sich die Übungsphase am Computer an. Bei der Bearbeitung der Aufgaben des Online-Arbeitsblatts 2 sollte es dann das Ziel sein, möglichst viele Punkte zu erreichen. Bestimmung fehlender Termwerte Mit der ersten Übung in der dritten Stunde sollen die Schülerinnen und Schüler ihre Kenntnisse bezüglich der Struktur eines Terms vertiefen und auf unterschiedliche Tabellensituationen anwenden. Dabei wird nun auf einen beschreibenden Kontext verzichtet. Die Lernenden sollen bei der Bearbeitung des Online-Arbeitsblatts 3 nur aufgrund des gegebenen Terms und der unvollständigen Tabelle auf den fehlenden Wert schließen (Abb. 4). Nach einem Klick auf den Button "prüfen" erhält die Schülerin oder der Schüler eine entsprechende Rückmeldung auf die Eingabe. Ist die Aufgabe gelöst, so wird dies dem Lernenden bestätigt, ist der Wert falsch, so ist die Rückmeldung entsprechend formuliert: "Leider falsch!" Zusätzlich wird der richtige Wert angegeben und mit roter Farbe in die Tabelle eingetragen. Bestimmung des Terms anhand der Tabelle Die Aufgabenstellung erfährt durch das Online-Arbeitsblatt 4 eine weitere Variation. Die Aufgabe der Schülerinnen und Schüler besteht darin, den Term zu ermitteln, der zu der gegebenen Tabelle gehört (Abb. 5). Wieder sind die Aufgaben kontextunabhängig gestellt. Der Kontext ergibt sich allerdings bei allen Online-Arbeitsblättern durch die stets eingeblendete Zeichnung. Somit erfolgt die mathematische Abstraktion immer im Kontext der Bilder und Vorstellungen der Lernenden. Die Bedienung des Online-Arbeitsblatts ist wieder identisch zu den vorhergehenden, eine Einweisung durch die Lehrkraft kann somit entfallen. Die Eingabe der Lernenden wird wieder geprüft und in der Rückmeldung bewertet. Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, dass die Eingaben nicht nach syntaktischen sondern nach semantischen Kriterien ausgewertet werden. Dies bedeutet, dass jede Eingabe, sofern sie mathematisch korrekt ist, als richtig erkannt wird. So spielt es zum Beispiel keine Rolle, ob die Reihenfolge der einzelnen Termbestandteile mit 12x + 10 oder 10 + 12x angegeben wird oder ob die Lernenden 8*x oder 8x schreiben. Hausaufgabenstellung oder Lernzielkontrolle Am Ende der Unterrichtseinheit kann eine Lernzielkontrolle oder eine Hausaufgabenstellung stehen. Dazu steht das PDF-Arbeitsblatt 4 zur Verfügung. Die Aufgaben dieses Arbeitsblatts stellen noch einmal den Zusammenhang zur Aufgabenbearbeitung am Computer her. Wird das Aufgabenblatt im Unterricht als Lernzielkontrolle verwendet, so können die Lernenden die Aufgaben in Partnerarbeit lösen und dann ihre Lösungsstrategien im Team den Mitschülerinnen und Mitschülern vorstellen. Werden die Aufgaben hingegen als Hausaufgabe gestellt, so kann eine von der Lehrkraft angefertigte Folie an eine Schülerin oder einen Schüler ausgegeben werden, die oder der dann die Aufgaben bis zur nächsten Stunde auf dieser anfertigt. Auf diese Weise mündet die Arbeit im Computerraum wieder in den normalen Unterricht im Klassenzimmer. So verstandener Computereinsatz ist dann keine unterrichtliche Sonderveranstaltung, sondern wichtiger Bestandteil eines unterrichtlichen Gesamtkonzepts.

Dieser Grundlagenkurs befasst sich mit den grundlegenden Bedingungen der pneumatischen Steuerungstechnik. Es werden die einzelnen Komponenten und deren Verhalten, das Medium Druckluft, die Erzeugung der Druckluft und die besonderen Verhaltensmerkmale im pneumatischen System betrachtet.In diesem Zusammenhang werden die notwendigen schaltungstechnischen Unterlagen für pneumatische Steuerungen der Pneumatikschaltplan, das Funktionsdiagramm, die notwendigen Wertetabellen, der Funktionsplan nach Grafcet (PAL-Nähe), Stückliste und Funktionsbeschreibung in der Regel für die Steuerung eines Zylinders erstellt. Bearbeitet werden zudem verschiedene Verknüpfungsarten, beispielsweise "ODER" und "UND", verschiedenen Steuerungsarten wie Sicherheitssteuerung, zeitabhängige Steuerung, Einzelbetrieb, Dauerbetrieb, Verriegelung von Signalen, und vieles mehr. Zudem werden verschiedene Sensoren vorgestellt und getestet.Lehrkräfte können diesen Grundlagenkurs im Rahmen der Ausbildung in metallischen Ausbildungsberufen des Handwerks und der Industrie gezielt einsetzen. Er wurde entwickelt für die Ausbildung von Industriemechanikern im 1. Ausbildungsjahr als Grundlage für die Vorbereitung auf die Abschlussprüfung Teil 1. Die Unterlagen können aber auch in Berufsfachschulen und anderen industriellen und handwerklichen Ausbildungsberufen verwendet werden. Ablauf der Unterrichtssequenz und Arbeitsmaterialien Die Unterrichtsmaterialien dienen zur Einführung in das Themengebiet pneumatische Steuerungstechnik. Dazu stehen umfangreiche Arbeitsmaterialien zum Download bereit. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Verständnis für die pneumatischen Anlagen und Komponenten entwickeln. pneumatische Schaltungen anhand der Lernsituationen entwerfen können. schaltungstechnische Unterlagen wie Pneumatikschaltplan, Funktionsdiagramm, Wertetabelle und Funktionsplan nach Grafcet erstellen können. Fehler in Anlagen eingrenzen und beheben können. die Eigenschaften wichtiger pneumatischer Komponenten kennen lernen. pneumatische Bauteile auswählen und funktionsgerecht montieren können. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre Lösungen mit modernen Medien präsentieren können. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen im Team Lösungen entwickeln und technisch realisieren können. Zum Einstieg in das Thema werden verschiedene Beispiele für das Handling pneumatischer Aktoren vorgestellt. Anlagen mit pneumatischen Komponenten sind im Film der Firma Festo und in verschieden Videos aus dem Internet zu sehen. Hinzu kommt die Vorstellung pneumatischer Aktoren aus der eigenen Sammlung der Schule (reale Komponenten). Die Ausbildungsbetriebe sind uns in diesem Zusammenhang immer gerne behilflich gewesen. Komponenten Themen dieser beiden Stunden sind die Aufgabe und Funktion der Komponenten einer pneumatischen Anlage (Darstellungen in vielen Fachbüchern. Beispiel: "Bildliche Darstellung und Schaltplan einer Pneumatikanlagen" in Fachkunde Metall, Europa-Lehrmittel, 55. Auflage, Seite 470, Bild 1). Dazu kann das Arbeitsblatt des Verlags (CD mit Abbildungen wird mitgeliefert) genutzt werden. Aus Urheberschutzgründen werden Verlagsarbeitsblätter hier nicht veröffentlicht. Die Komponentenbeschreibung ist im genannten Fachbuch recht ausführlich. Inhalte können beispielweise mit der Methode Expertengespräch aufgearbeitet werden. Erstellung einer ersten Steuerung Auf Grundlage der zuvor betrachteten Steuerung werden die abgebildeten Bauteile von den Auszubildenden an ihren Arbeitsplätzen montiert. Zuvor werden Sicherheitshinweise für die Arbeit an den Schülerarbeitsplätzen gegeben. Die Lehrkraft zeigt den Schülerinnen und Schülern die Bauteile und weist sie auf die Unfallgefahr hin, wenn die Schläuche nicht richtig fixiert werden. Vorschlag Bauteile Verwendung eines 4/3-Wegeventils mit Handhebel und Raste zur Steuerung eines doppeltwirkenden Zylinders (DWZ). Es wird eine erste Schaltung montiert (Motivationssteigerung) und die Schülerinnen und Schüler werden an die Notwendigkeit der Kenntnis der Anschlussbezeichnungen herangeführt. Ergänzungsaufgabe Montage einer Schaltung mit einem 3/2-Wegeventil und einem einfachwirkender Zylinder (EWZ) Dieser Exkurs, der circa zwei bis vier zusätzliche Unterrichtsstunden in Anspruch nimmt, kann auch zu einem späteren Zeitpunkt bearbeitet werden. Als Methode werden Quergruppen/Gruppenpuzzle (Stammgruppe - Expertengruppe) eingesetzt. Bei der Aufarbeitung der Themen mit PowerPoint sind zwei weitere Stunden vorgesehen. Pneumatische Schaltpläne - Anschlussbezeichnungen Zur Einstimmung kann auf die installierte Schaltung der vergangenen Stunde Bezug genommen werden. Vorgestellt werden die wichtigsten Ventile (Steuerglieder) zur Darstellung der Systematik der Anschlussbezeichnungen (Zahlen und Buchstaben nennen). Die Erläuterung der Systematik der Ventilbezeichnungen (3/2, 4/3 und so weiter) erfolgt anhand der Angaben im Tabellenbuch. Aufbau und Funktion Wegeventile / Zylinder Mithilfe von Plexiglasmodellen wird die Funktion einzelner pneumatischer Bauteile verdeutlicht (Minifluidsystem). Zunächst werden vorhandenen Wegeventile (4/2-Wegeventil) und der Arbeitszylinder betrachtet. Die Schülerinnen und Schüler können den Weg des Öls über den Tageslichtprojektor betrachten. Gegebenenfalls ist hier auch eine Funktionsbeschreibung des Vorgangs sinnvoll. Es sollte der Zylinder betrachtet und unter anderem der Unterschied zwischen doppeltwirkendem und einfachwirkendem Zylinder unterschieden werden (gegebenenfalls Abbildungen der Verlags-CD für Arbeitsblatt nutzen). Der Zylinder mit Endlagendämpfung wird später behandelt. Es bietet sich hier das Themengebiet "Berechnungen zur Pneumatik" an (Druck am Zylinder und so weiter). Vergleiche: Technische Mathematik Metall, Höllger, Bildungsverlag EINS, 27. Auflage, Seite 195. Das Drosselrückschlagventil Das Ergebnis an dem realen Modell soll sein, dass das Werkstück ohne Drossel bei Betätigung der Steuerung durch die Gegend fliegt. Darüber wird die Notwendigkeit der Drosselung abgeleitet. Die Entwicklung der Thematik erfolgt im Unterrichtsgespräch (gegebenenfalls Hinweis auf abgeknickten Gartenschlauch: weniger Wasser kommt heraus). Es sollte zunächst nur ein Drosselrückschlagventil eingeführt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass die Schülerinnen und Schüler erkennen, für welche Bewegung das Drosselrückschlagventil Wirkung zeigt (Ein- oder Ausfahrbewegung). Später sollten aber schon zwei Drosselrückschlagventile Verwendung finden. Drücke beim Ein- und Ausfahren Der Aufbau der Drosselrückschlagventile kann den Fachbüchern entnommen werden. Besonders eignen sich auch die Klarsichtmodelle für den Tageslichtprojektor (Minifluid-System). Im zweiten Teil der Stunde sollen die Drücke beim Ein- und Ausfahren ermittelt und dokumentiert werden. Achtung: Es ist ein leichter Handdruck als Gegenkraft beim Aus- und Einfahren des Zylinders notwendig. Unfallgefahr! Es empfiehlt sich, den Zylinder daher vorab zunächst mehrmals langsam aus- und einfahren zu lassen. Stick-Slip-Effekt Ziel der Stunde soll sein, den Auszubildenden die Vorzüge der Abluftdrosselung gegenüber der Zuluftdrosselung zu vermitteln. Meist stehen den Schulen jedoch keine geeigneten Versuchseinrichtungen zur Verfügung, die unter anderem die Darstellung des Stick-Slip-Effektes erlauben. Ich habe zumindest noch keinen Aufbau ohne Klemmer gefunden. Daher beschränke ich mich bei der Demonstration auf eine Belastung der Zylinder durch eine Handkraft mit wechselnder Last. Versuchsaufbau mit Drosselrückschlagventil Dabei ist bei der Ausfahrbewegung des Zylinders mit Abluftdrosselung ein deutlich gleichmäßigeres Ausfahren zu beobachten. Im Unterrichtsgespräch wird mithilfe verschiedener Versuche dafür eine Begründung gesucht (Zylinder im Luftpolster eingespannt) und entschieden, welche Drosselungsart zukünftig genutzt werden soll. Zunächst sollte auch hier ein Versuchsaufbau mit nur einem Drosselrückschlagventil gewählt werden, um die Wirkung des Bauteils stärker zu verdeutlichen. Um die Bedienung einer Fertigungsanlage zu vereinfachen, werden die Bedienungselemente für die pneumatischen Steuerungen auf einem Pult zusammengefasst. Der Abstand zu den Schaltzylindern kann so mehrere Meter betragen. Dadurch kann sich das Schaltverhalten der Steuerungen verändern. Funktion mit Umschaltventil (Federrückstellung und Impulsventil) Lernsituation Werkstückmagazin Einführung von Grenztastern Oszillierende Bewegung Funktionstest und Anwendung (Spannvorrrichtung) Funktionsdiagramm, Wertetabelle Klassenarbeit Lernsituation Türsteuerung Nicht-Funktion Lernsituation Türsteuerung Lernsituation Bustür Dominierende Signale Türsteuerung (mit Umschaltventil) Lernsituation Steuerung: Schieber Schüttgutbehälter Steuerung einer Trocknerstecke Wiederholung - Vertiefung Klassenarbeit