In dieser aktualisierten Unterrichtseinheit befassen sich die Lernenden mit dem Thema erneuerbare Energien. Im Mittelpunkt stehen dabei Photovoltaik und Windkraft. Die Auseinandersetzung mit Ideen und Trends des energieeffizienten Bauens unter Berücksichtigung erneuerbarer Energien rundet die Unterrichtseinheit ab. Neu sind die Materialien zu den Arten und der Funktionsweise von Batteriespeichern sowie Wärmepumpen. Ausgehend von der aktuellen und zukünftigen Bedeutung erneuerbarer Energien für die Stromversorgung sowie den Chancen und Herausforderungen der Energiewende befassen sich die Schülerinnen und Schüler näher mit den Energieformen Batteriespeicher und Wärmepumpen, Windenergie und Photovoltaik. Dabei lernen sie unter anderem die Verbreitung und Funktionsweise der Anlagen kennen. Abschließend befassen sie sich mit den Möglichkeiten, energiesparend zu wohnen. Dabei steht auch das Konzept des vernetzten, smarten Wohnens und Arbeitens im Quartier im Mittelpunkt. Fossile Brenn-, Kraft- und Heizstoffe wie Kohle und Öl sind nicht unbegrenzt vorhanden. Viele davon müssen teuer importiert werden. Zudem belasten sie Umwelt, Klima und Gesundheit. Aus diesem Grund werden erneuerbare Energien immer wichtiger. So ist in der Novelle des Erneuerbaren-Energien-Gesetz von 2017 festgelegt, dass bis zum Jahr 2025 der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch auf 40 bis 45 Prozent steigen und sich bis zum Jahr 2035 auf 55 bis 60 Prozent erhöhen soll. Im Jahr 2050 soll der dann mindestens 80 Prozent betragen. Wissen über die Merkmale erneuerbarer Energieträger, die mit ihrer Nutzung verbundenen Vorteile und Herausforderungen sowie neue Trends für das vernetzte Zusammenleben von Menschen ist deshalb elementar. Umsetzung der Unterrichtseinheit Die aktualisierte Unterrichtseinheit ermöglicht Schülerinnen und Schülern einen fächerübergreifenden Zugang zum Thema erneuerbare Energien. Dazu erschließen sie in einem ersten Schritt die verschiedenen erneuerbaren Energieträger mit ihren Merkmalen und Funktionsweisen. Dabei reflektieren sie auch die mit der Energiewende verbundenen Chancen und Herausforderungen. Darauf aufbauend lernen sie den Aufbau und die Funktionsweise einer Windkraftanlage und einer Photovoltaikanlage näher kennen. Gleichzeitig lernen sie aktuelle Entwicklungen wie den Solarstromspeicher kennen. Abschließend setzen sie sich mit Möglichkeiten energiesparenden Wohnens und Arbeitens unter der Nutzung erneuerbarer Energien auseinander. Dabei geht es neben der Funktionsweise um neue Konzepte wie das des vernetzten, smarten Wohnens und Arbeitens im Quartier. Anhand zwei neuer Arbeitsmaterialien befassen sie sich mit den Arten und der Funktionsweise sowie den Vor- und Nachteilen von Batteriespeichern sowie Wärmepumpen. Ein interaktives Multiple-Choice-Quiz dient der Wiederholung und Festigung des in dieser Unterrichtseinheit erlangten Wissens. Jedes Arbeitsblatt umfasst neben Infotexten, Grafiken und Schaubildern auch Aufgaben zur Bearbeitung. Neu ist, dass die angegebenen Links zu Videoclips, Webseiten oder weiterführenden Materialien über QR-Codes erreichbar sind und so direkt per Smartphone abgerufen werden können. Einsatzmöglichkeiten Die aktualisierte Unterrichtseinheit kann aufgrund ihres Bezuges zu den Lehr- und Bildungsplänen in allen deutschen Bundesländern in der Sekundarstufe II eingesetzt werden. Dabei bilden die Fächer Physik, Geografie, Technik und Sozialkunde den fachlichen Bezugspunkt. Aber auch im fachübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht kann das Material eingesetzt werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, wie sich der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung entwickelt. kennen die wichtigsten nachwachsenden beziehungsweise erneuerbaren Energieträger. kennen den Aufbau und die Funktionsweise einer Windkraftanlage und einer Photovoltaikanlage und können diese mit eigenen Worten beschreiben. wissen, wie ein Solarstromspeicher funktioniert. kennen den Unterschied zwischen On- und Offshore-Windkraft. kennen Konzepte und Möglichkeiten energiesparenden Wohnens und Arbeitens unter der Nutzung erneuerbarer Energien. kennen die Arten und Funktionsweise von Batteriespeichern und Wärmepumpen und können sie mit eigenen Worten verständlich beschreiben. wissen um die Bedeutung eines durchdachten Energiemanagements für eine effektive Verteilung der zur Verfügung stehenden Energie in den eigenen vier Wänden. diskutieren die mit der Energiewende verbundenen Chancen und Herausforderungen. analysieren die Stromrechnung des eigenen Haushalts und erfahren so, aus welchen Quellen der von ihnen genutzte Strom stammt. diskutieren die Auswirkungen der verstärkten Hinwendung zu erneuerbaren Energien für die Bereiche Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt. überlegen und diskutieren, inwieweit neue smarte, vernetzte, intelligente Wohn- und Arbeitskonzepte auch in ihrer eigenen Zukunft infrage kommen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren das selbstständige Erschließen von Themen und Inhalten sowie das Recherchieren im Internet. üben sich im eigenständigen Analysieren und Interpretieren von Grafiken, Schaubildern und Zahlenmaterial. nutzen aktiv verschiedene Medien und erkennen deren Vor- und Nachteile im Rahmen der Informationsaufbereitung. bereiten eigene Ideen und Visionen schriftlich und gestalterisch auf. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- oder Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Personen. lernen, Diskussionen argumentativ und rational zu führen. schulen im Rahmen von Diskussionen und Präsentationen die eigene Ausdrucksfähigkeit und aktives Zuhören. trainieren das kreative Entwickeln und Ausformulieren eigener Ideen.

In dieser Unterrichtseinheit lernen Schülerinnen und Schüler der 6. bis 13. Klasse eine "Künstliche Intelligenz" selbst zu programmieren. Die Lernenden bringen ein simuliertes Auto auf dem Calliope Mini dazu, selbstständig zu fahren. Es wird der komplette Zyklus des maschinellen Lernens vermittelt. Künstliche Intelligenz (KI) und damit das Maschinelle Lernen (ML) sind Megatrends in der IT. Selbst wenn der Hype vorüberziehen sollte, wird ML-basierende Software mehr und mehr die "klassische" prozedurale Programmierung ergänzen und ersetzen. Die heutigen "Digital Natives", mit eigenem Smartphone schon ab der Grundschule, sind schon im frühen Alter mit "Alltags-KI/ML" konfrontiert. Nachrichten mittels Social Media, Produktempfehlungen, Internetsuche, Gesichts- und Objekterkennung in Fotoalben, Sprachassistenten wie Siri, Alexa oder Google Assistant, Navigation, Augmented-Reality-Spiele-Apps, Haushaltsroboter und autonom fahrende Autos sind nur ein paar Aufzählungen des breiten KI-/ML-Spektrums. Viele der Lernenden spielen Autorennen in der realen Welt, zum Beispiel in Form eines Seifenkistenrennens oder virtuell mit Autorennspiel-Apps und -Computerspielen. Dementsprechend einfach ist es auch zu vermitteln, was "Autonomes Fahren" bedeutet: Nicht mehr der Mensch steuert das Auto, sondern das "Computer-Hirn" des dann "autonomen" Autos. Daher eignet sich das Szenario "Autonomes Fahren" ganz besonders für eine KI-Unterrichtseinheit. Daran knüpft sich für die Lernenden die naheliegende Frage, wie denn ein "Computer-Hirn" des autonomen Autos lernt, gut Auto zu fahren. Ein Mensch geht in die Fahrschule, aber was macht das autonome Auto? Hier setzt die Unterrichtseinheit an. Die Lernenden lernen, wie sie einem "autonomen Auto” das selbständige Fahren beibringen können. Durch einen Calliope Mini wird das selbstständige Fahren mittels künstlicher Intelligenz programmiert, sodass der Calliope Mini als Auto autonom Hindernissen auf der Straße ausweichen kann. Die Motivation wird dabei durch den Bezug zum "Gaming" zusätzlich erhöht. Benötigte Vorkenntnisse der Lernenden Für die Unterrichtseinheit sind Kenntnisse im Thema "Künstliche Intelligenz" hilfreich, aber nicht notwendig, da das Unterrichtsmaterial entsprechende Folien enthält, die zum Einstieg verwendet werden können. Grundkenntnisse in klassischer prozeduraler Programmierung sind ebenfalls hilfreich, aber nicht notwendig, da das Programmieren mithilfe Künstlicher Intelligenz einen Paradigmenwechsel in der Programmierung darstellt, der eigenständig mithilfe des Unterrichtsmaterials erklärt wird. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrperson benötigt Grundkompetenzen hinsichtlich des Programms Powerpoint – mindestens Level A1 (Einsteigerinnen und Einsteiger). Sie benötigt zudem fortgeschrittene digitale Kompetenzen hinsichtlich der Erstellung und Anpassung digitaler Ressourcen – mindestens Level A2 (Entdeckerinnen und Entdecker). Sie benötigt zusätzliche fachspezifische Kompetenzen hinsichtlich der Basistechnologien Git und Python und hinsichtlich des maschinellen Lernens – mindestens Level B1 (Insiderinnen und Insider). Diese Kompetenzen sind hilfreiche Voraussetzungen, um die Unterrichtseinheit als Lehrperson umsetzen zu können. Didaktisch-methodische Analyse Die Schülerinnen und Schüler können am Beispiel des Unterrichtsmaterials lernen, wie Künstliche Intelligenz auf der Grundlage von Daten programmiert wird. Diese Daten werden in der Unterrichtseinheit von den Lernenden selbst gesammelt. Die Unterrichtseinheit kann in Einzelarbeit (Einzelspiel-Modus) oder Gruppenarbeit (Gruppenspiel-Modus) durchgeführt werden. Die Gruppenarbeit wird aufgrund der weniger aufwändigen Installation und Durchführung für die Unter- und die Mittelstufe empfohlen. In der Gruppenarbeit wird pro Lernenden-Gruppe eine Künstliche Intelligenz trainiert. Hierfür ist eine Basis-Installation der Open Source Software auf einem Lerngruppenrechner erforderlich, damit jede Lerngruppe dort ihre Daten sammeln kann. Die Einzelarbeit ist erst ab der Oberstufe empfohlen und kann optional mit einer Experten-Variante erweitert werden. Die Einzelarbeit bietet den Lernenden umfangreichere Experimentier- und Lernmöglichkeiten zu dem Thema. In der Einzelarbeit kann die Künstliche Intelligenz individuell von jedem Lernenden trainiert werden. Dafür benötigt jeder Lernende mindestens eine Basis-Installation auf einem individuellen Rechner. Die Experten-Variante kann optional mit der Software "Orange" installiert werden, um verschiedene Varianten Künstlicher Intelligenz miteinander vergleichen und darstellen zu können. Je niedriger die Klassenstufe, in der die Unterrichtseinheit durchgeführt wird, desto mehr Unterstützung benötigen die Lernenden, um das Konzept hinter "Daten" zu verstehen, was als das zentrale Konzept in der KI erkannt werden sollte. Die Lehrkraft kann, falls Schwierigkeiten bei der Erkenntnis des Konzepts "Daten" entstehen, mit Analogien aus dem Alltag der Lernenden arbeiten: beispielsweise Daten auf dem Smartphone oder Daten, die entstehen, wenn sie Soziale Medien nutzen oder Daten, die im Internet gespeichert sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erlenen die Fachkompetenz des Programmierens einer KI mittels Maschinellem Lernen. erlangen Datenkompetenz. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stärken ihr Verständnis darüber, wie die sozialen Medien funktionieren. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stärken ihre Sozialkompetenz in der Gruppenarbeit dank des gemeinsamen Ziels, die KI ihrer Gruppe möglichst gut anzulernen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler erschließen Probleme und komplexe Themengebiete zunächst unter Anleitung in der ersten KI-Lernrunde. erschließen Probleme und komplexe Themengebiete eigenständig in der zweiten KI-Lernrunde. übertragen das über KI gewonnene Wissen in andere Bereiche des Alltags. üben sich in kritischem Denken.