In diesem fächerübergreifenden Unterrichtsprojekt entwickelten die Schülerinnen und Schüler anhand eines Kundenauftrags ein webbasiertes Warenwirtschaftssystem für den Schulungseinsatz in der Großhandelsausbildung.Eine Vollzeitklasse des Bildungsgangs "Kaufmännischer Assistent für Informationsverarbeitung" bildete das Projektteam. Das Unterrichten dieser Klasse erfolgt üblicherweise in allen Unterrichtsfächern unter Einsatz des Laptops, der jedem Schüler und jeder Schülerin zur Verfügung steht. Dies ermöglicht es in besonderer Weise, Ansätze des E-Learnings im Unterricht aufzugreifen. Für das Projekt wurde daher ein E-Learning-System eingesetzt, das es ermöglicht, eine zeit- und standortunabhängige Bearbeitung der Aufgaben sowie Ablage aller Projektdokumente zu gewährleisten. Die technische Plattform des Projektes stellen die Open-Source-Software Apache, MySQL und PHP dar.Das Unterrichtsprojekt zielt darauf, eine komplexe berufliche Situation abzubilden und die erworbenen Fähigkeiten, Fertigkeiten und Kenntnisse anzuwenden und zu erweitern. Hierbei wird das gesamte Themenspektrum der Ausbildung von der Geschäftsprozessanalyse über Konzepte und Kennziffern der Lagerhaltung bis hin zum Datenbankentwurf und die Programmierung internetbasierter Anwendungen aufgegriffen. Das Themengebiet Projektmanagement wird hier in einem praktischen Kontext erfahrbar gemacht. Überblick Grobplanung Übersicht über die Fächer und zu behandelnden Inhalte im Rahmen der Zeitplanung Entwicklungsphasen Entwicklung nach dem klassischen Phasenmodell der Softwareentwicklung Die Phasen im Einzelnen 1. Phase: Problemanalyse In dieser Phase ging es vornehmlich darum, ein Lasten- und ein Pflichtenheft in Absprache mit dem Auftraggeber zu erarbeiten. Das Pflichtenheft diente dann für das weitere Projekt als Vertragsgrundlage, an der sich alle weiteren Planungen ausrichteten. 2. Phase: Entwurf Ziel dieser Phase war es, auf Basis des Pflichtenheftes ein entsprechendes Datenbankdesign zu erstellen sowie die Benutzerschnittstellen zu konzipieren. 3. Phase: Realisierung Nachdem in der Entwurfsphase die Grundlagen geschaffen wurden, konnte nun die Anwendung in ?Programmmodulen? realisiert werden. 4.-6. Phasen: Test/Installation/Abnahme/Wartung Diese Phasen sind zurzeit noch nicht abgeschlossen. Schlussbetrachtung Fazit Es lohnt sich, ein fächerübergreifendes Projekt zum Mittelpunkt des Unterrichts zu machen. Die Schülerinnen und Schüler gestalten den Ablauf sowie die wesentlichen Stadien eines IT-Projekts. lernen Problemlöseverfahren für Projekte kennen und anwenden. nehmen die Qualität der Kommunikation zwischen Auftraggeber und -nehmer als bedeutend für den Projekterfolg wahr. vollziehen die Geschäftsprozesse Lagerhaltung, Bestellwesen und Auftragsabwicklung nach. erfahren die Rolle der EDV in diesem Kontext. erstellen zielorientiert den Entwurf einer webbasierten Anwendung. setzen den Software-Entwurf technisch um. bereiten Projektergebnisse zielgruppenadäquat auf und präsentieren sie. Thema Entwickeln eines Faktura-Systems gemäß Kundenanforderungen Autor Dr. Christian Weikl Fächer Betriebsorganisation/Projektmanagement, Deutsch, Informationswirtschaft, Anwendungsentwicklung Zielgruppe Mittel-/Oberstufe informationstechnischer Bildungsgänge Lernfelder "Analyse, Planung und Organisation von betrieblichen Informationsflüssen und technischen Informationssystemen", "Projektplanung, -durchführung und -abschluss", "datenbankbasierte Internetanwendungen", "Entwickeln und Bereitstellen von Anwendungssystemen" Zeitraum ca. 100 - 120 Unterrichtsstunden (fächerübergreifend) Technische Voraussetzungen Internetanschluss, Internet-Browser, Open-Source-Produkte: Apache, PHP, MySQL, phpMyAdmin, DBDesigner, OpenOffice Planung Übersicht zum Projektverlauf Als Lernvoraussetzung für die Entwicklungsphasen sollten Kenntnisse in folgenden Bereichen vorhanden sein: Methoden des Projektmanagements, Grundzüge verschiedener Geschäftsprozesse (Beschaffung, Lagerhaltung, Angebotserstellung und Rechnungslegung), Beherrschen der Präsentationstechniken, Erstellen von Datenbankentwürfen (ERD, Normalisierung), Grundlagen der Abfragesprache SQL für DB, Grundlagen der Programmierung mit PHP. Die Fachlehrer mussten die erforderlichen Grundlagen bis zu dem gemeinsam vereinbarten Zieltermin (Projektbeginn) gelegt haben. Im Vorfeld wurden folgende Unterrichtseinheiten in den beteiligten Unterrichtsfächern durchgeführt: Einführung in die Programmierung mit PHP ein Schulhalbjahr - Fach: Anwendungsentwicklung Einführung in das Datenbankdesign, Arbeiten mit Datenbanken ein Schulhalbjahr - Fach: Informationswirtschaft Einführung in die Methoden des Projektmanagements Fach: Betriebsorganisation/Projektmanagement Einführung in das Lasten-/Pflichtenheft für IT-Projekte Fach: Deutsch/Kommunikation Vorstellen des Projektes durch den Auftraggeber Einarbeitung des Pflichtenhefts und Abstimmung mit dem Auftraggeber Entwurf des DB-Designs und Dokumentation des DB-Entwurfs Erstellung einer ersten Grobplanung mit Arbeitsbereichen und -schritten Verteilung der Aufgaben auf Arbeitsgruppen (arbeitsteilige Gruppenarbeit): Dokumentation, Formulare, Web-Design, PHP-Programmierung, SQL-Programmierung Bearbeitung der Aufgaben in den Gruppen nach dem klassischen Phasenmodell der Softwareentwicklung: Problemanalyse, Entwurf, Realisierung, Test, Abnahme, Wartung (siehe Entwicklungsphasen ) Präsentation der Meilensteinergebnisse und Abstimmung des weiteren Vorgehens mit dem Auftraggeber Abnahme und Übergabe des Produktes inklusive zugehöriger Dokumentation Reflexion über den Projektverlauf Verbesserungsvorschläge Analyse der Stärken und Schwächen des Produktes Identifizierung weiterer Verbesserungsmöglichkeiten (zum Beispiel Programmierstil, Aufbau der Menüführung) Vereinbarung mit dem Auftraggeber zur Weiterentwicklung und Pflege des Produktes Diesen Phasen ging eine gemeinsame Projektplanung voraus, in der der Ablauf gemeinsam festgelegt sowie die Aufgabenverteilung gemeinsam erarbeitet wurde. Darüber hinaus wurde das E-Learning-System Moodle zur Durchführung des Projektes eingesetzt, das es erlaubt, Arbeitsmaterialien allen zur Verfügung zu stellen, Zwischenergebnisse einzustellen, Ergebnisse zu diskutieren und zu kommentieren. Diese Plattform war ein entscheidendes Hilfsmittel zur Herstellung der Transparenz für alle Beteiligten und zur raschen Abstimmung innerhalb des Projektes und den jeweiligen Arbeitsgruppen. Entscheidend für den erfolgreichen Projektverlauf war es, die Aufgabenverteilung sowie die Gruppenzuordnung gemeinsam mit den Schülerinnen und Schülern vorab zu diskutieren und festzulegen. Besonderheiten der Organisation in den einzelnen Phasen werden bei der Darstellung der jeweiligen Phase thematisiert. Der Verlauf des durchgeführten Unterrichtsprojektes sowie die Präsentation der Meilensteinergebnisse mit anschließender Reflexion haben deutlich gezeigt, dass diese Art des Vorgehens zu einem nachhaltigen Lernerfolg bei den Beteiligten geführt hat. Dieser Lernerfolg ist neben der Erweiterung der Fähigkeiten, Fertigkeiten und des Wissens in einzelnen Themenbereichen insbesondere darin zu sehen, dass ein grundlegendes Verständnis für IT-Projekte und ihre Erfordernisse gewonnen werden konnte. Ein solches Projekt erfordert zwar einen deutlich höheren Vorbereitungsaufwand für die Lehrenden, da eine Reihe an Absprachen mit Kolleginnen und Kollegen getroffen und spezielle Arbeitsmaterialien erstellt werden müssen, organisatorische Unzulänglichkeiten durch das Unterrichten im klassischen Zeitrahmen von Unterrichtsstunden auftreten und ein begleitendes "zweites" Projektmanagement durchzuführen ist. Dieser Mehraufwand ist aber gut "investierte Zeit", wenn man die Lernbegeisterung, das Lernergebnis sowie den individuellen Lernerfolg jeden einzelnen Schülers und jeder einzelnen Schülerin heranzieht. Nicht zuletzt überzeugte die Qualität des Gesamtergebnisses das beteiligte Lehrerteam am Friedrich-List-Berufskolleg. Zum Einstieg wurden nochmals die Merkmale und Besonderheiten von Lasten- und Pflichtenheften in IT-Projekten im Unterricht thematisiert. Auf dieser Basis wurde einem kleinen Übungsbeispiel mit den bereitgestellten Arbeitshilfen ein erstes Lastenheft zur Übung erstellt und die Ergebnisse gemeinsam besprochen. Als Unterrichtsergebnis wurde eine gemeinsame Musterlösung erarbeitet. Im Anschluss an diese vorbereitenden Arbeiten wurde das Gespräch mit dem Auftraggeber geführt. Im Vorfeld hatte dieser seine Vorstellungen zur gewünschten Anwendung der Klasse zur Verfügung gestellt. Erwartungen des Auftraggebers Die folgenden Dateien bilden also nicht die konkrete Planung der einzelnen Arbeitsgruppen ab, sondern sind ein Entwurf des Auftraggebers mit noch nicht korrigierten Unzulänglichkeiten. Lastenheft Entsprechend vorbereitet führten die Schülerinnen und Schüler das Gespräch mit dem Ziel, umfassende Informationen über das gewünschte Produkt zu erhalten. Hierbei ging es neben den "Produktfeatures" auch um die zugrunde liegenden Geschäftsprozesse. Die Schülerinnen und Schüler erstellten in arbeitsgleicher Gruppenarbeit Lastenhefte. Die Gruppenergebnisse wurden im Plenum vorgestellt und diskutiert. Zum Abschluss wurde ein gemeinsames Unterrichtsergebnis dadurch erreicht, dass die überarbeiteten Lastenhefte nochmals diskutiert und eine gemeinsame Version des Lastenheftes verabschiedet wurde. Pflichtenheft Dieses Lastenheft wurde dann mit der Bitte um Freigabe an die Auftraggeber geschickt, die auch erteilt wurde. Abschließend wurde dann gleiches Verfahren für die Erstellung des Pflichtenheftes angewendet, so dass als Unterrichtsergebnis ein gemeinsames Pflichtenheft für das Projekt vorlag. Dieses Pflichtenheft wurde dem Auftraggeber vorgestellt und dann von beiden Vertragsparteien (Klasse und Auftraggeber) unterzeichnet. Eine Gegenüberstellung Lastenheft-Plfichtenheft findet man in: IT-Handbuch - IT-Systemkaufmann/-frau, Informatikkaufmann/-frau. Westermann Schulbuchverlag GmbH. 1. Auflage 2000, S. 205 ff. Grundsätze und Praxistipps zum Lastenheftaufbau sind zu finden bei Bruno Grupp: Das DV-Pflichtenheft zur optimalen Softwarebeschaffung. Bonn. MITP-Verlag 1999. S. 135-137 Gruppenarbeit: Gestaltung und Aufbau der Schnittstellen Da eine Reihe an Schnittstellen für das zu erstellende Warenwirtschaftssystem existieren, wurde die Klasse nunmehr in arbeiteilige Gruppen aufgeteilt. Hierbei wurden Arbeitsaufträge und Gruppenzusammensetzung vorab gemeinsam besprochen und verabschiedet. Während eine Gruppe sich um die Gesamtnavigation der Anwendung kümmerte, erstellten die anderen Gruppen gemäß den Anforderungen Eingabe- und Ausgabeschnittstellen. Neben deren funktionalem Aufbau galt es auch, gestalterische Fragen im Sinne einer geeigneten Nutzerführung aufzugreifen. Die Gruppen erstellten ein so genanntes Scribble-Design und setzten dieses am PC direkt in HTML/PHP um, oder erstellten einen Grafikentwurf als Screenshot. Gemeinsame Entwurfsrichtlinien Die Gruppen präsentierten ihre Ergebnisse im Plenum. Diese wurden diskutiert und Vorschläge zur Verbesserung unterbreitet. Anhand dieser Hinweise überarbeiteten die Gruppen ihre Entwürfe und stellten das Erreichte erneut vor. Im Plenum wurden schließlich als Unterrichtsergebnis gemeinsame Entwurfsrichtlinien für die Benutzerschnittstellen festgelegt sowie eine Menüführung und Bildschirmaufteilung für die Anwendung erarbeitet und verabschiedet. Gemeinsamer DB-Entwurf Der Datenbankentwurf wurde ebenfalls von arbeitsgleichen Gruppen erstellt. Jede Gruppe stellte ihren Entwurf zur Diskussion. An jedem einzelnen Entwurf wurden im Plenum gemeinsam überprüft, inwieweit die Anforderungen des Auftraggebers in Verbindung mit den Grundsätzen der Normalisierung sowie der ERDs übereinstimmen. Auf dieser Basis erarbeitete die Klasse einen gemeinsamen DB-Entwurf. Koordination durch Schüler Diese Programmmodule sollten in arbeitsteiliger Gruppenarbeit erstellt werden. Die Gruppen mussten hierzu so gebildet werden, dass pro Gruppe je eines der erforderlichen Module umgesetzt werden konnte. Darüber hinaus galt es, diese Arbeiten durch eine Gruppe Projektleitung / Koordination stärker zu steuern. Dies ermöglicht es den betreffenden Schülern selbst Leitungserfahrungen zu sammeln und auch in den realen Projektablauf stärker "einzutauchen". Bei auftretenden Problemen musste die jeweilige Gruppenleitung sich an die Projektleitung wenden, die dann nach Lösungen suchte und geeignete Maßnahmen auf den Weg bringen musste. Sollten Probleme nicht von den Projektleitern selbst gelöst werden können, wurde der Lehrer als Supervisor eingeschaltet. Dieser steuerte dann das Geschehen, um den Gesamterfolg des Projektes nicht zu gefährden. Projektdokumentation Neben der Projektleitung stellt die Dokumentation der Arbeiten (Projektdokumentation, Dokumentation der Module, Kontexthilfe und Benutzerhandbuch) einen ganz zentralen Aufgabenbereich dar. Daher wurde hierfür ebenfalls eine eigene Gruppe gebildet, die die Arbeiten fortlaufend in Absprache mit den Gruppen dokumentierte. Die Aufgabenbereiche sowie die Gruppenzusammensetzung wurde auch hier vorab mit den Schülern erörtert und gemeinsam verabschiedet. Neben den noch abzuschließenden Arbeiten bei der Erstellung der Module aus Phase 3 sind dann ein Testszenario zu definieren sowie systematische Tests der Anwendung vorzunehmen. Diese sind zu protokollieren und gegebenenfalls Maßnahmen zur Behebung aufgedeckter Probleme oder der Einbindung noch fehlender Funktionen vorzunehmen. Schließlich sind eine Präsentation des Systems sowie die Dokumentation für die abschließende Projektabnahme durch den Auftraggeber vorzubereiten. Im Anschluss an die Abnahme ist mit dem Auftraggeber weiter zu verhandeln, in welcher Form eine Schulung sowie eine Wartung des Systems erfolgen soll.

In dieser Unterrichtseinheit zum Braunkohletagebau setzen sich die Lernenden mit dessen vielfältigen Auswirkungen auf ökologische, ökonomische wie auch soziale Aspekte auseinander. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar.Am Beispiel des Braunkohletagebaus Hambach westlich von Köln werden die Entstehung und Lage von Braunkohle sowie die Abbautechniken genau erklärt. Ergänzend vergleichen und bewerten die Schülerinnen und Schüler die Entwicklung verschiedener durch den Braunkohleabbau geprägte Gebiete. Dabei sollen sie die Bedeutung des Braunkohleabbaus für die deutsche Energieversorgung verstehen und die Entwicklung nach der Rekultivierung einschätzen lernen. Die Materialien und computergestützten Anwendungen stammen aus dem Projekt "Fernerkundung in Schulen" (FIS). Das Projekt des Geographischen Institutes der Universität Bonn beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II.Der Eingriff des Menschen in den Naturhaushalt lässt sich besonders gut am Beispiel des Braunkohletagebaus ableiten. Der Ausbau der Tagebaugruben führt entsprechend der Größe des Eingriffes in den Landschaftshaushalt zu einer Vielzahl von ökologischen, sozialen und ökonomischen Auswirkungen. Die Untersuchung der Zusammenhänge und ihrer Folgen für Mensch und Natur geschieht dabei immer häufiger mithilfe von Fernerkundung. Auf diese Weise lassen sich zeitliche Veränderungen analysieren, Problemstellungen identifizieren und mögliche Wechselwirkungen zwischen Mensch, Umwelt, Politik und Wirtschaft ableiten. In dieser Unterrichtseinheit zum Braunkohletagebau wird ein breites Spektrum an Fernerkundungsdaten eingesetzt, das den Schülerinnen und Schülern die Vielzahl der Einsatzmöglichkeiten dieser Daten näher bringt. Es gibt immer mehr Open Source-Produkte im GIS-Bereich, die auch für den Einsatz an Schulen geeignet sind. Die beiden hier vorgestellten Software-Pakete LandSerf und Jump4Schools sind einfach zu installieren (nur JAVA erforderlich) und zeichnen sich durch eine einfache Menüführung aus. Unterrichtsverlauf 1. und 2. Stunde Der Einstieg in die Thematik Braunkohletagebau erfolgt über ein Satellitenbild; anschließend erarbeiten die Lernenden den Entstehungsprozess der Braunkohle. 3. Stunde: Digitales Geländemodell Hier finden Sie Informationen zur Installation und Nutzung der Open Source Software "LandSerf", mit der sich das Höhenprofil des Tagebaus darstellen lässt. 4. Stunde: Landschaftswandel durch den Tagebau Im nächsten Schritt analysieren die Lernenden die Landschaftsveränderung durch Braunkohletagebau mithilfe eines Geoinformationssystems (GIS). 5. Stunde: Soziale Folgen des Braunkohletagebaus Die letzte Stunde dieser Unterrichtsreihe untersucht die sozialen Folgen, die mit einer Umsiedelung der Bevölkerung aus den Abbaugebieten des Braunkohletagebaus verbunden sind. Die Schülerinnen und Schüler können mithilfe von Satellitenbildern Landschaftsveränderungen durch den Braunkohletagebau erkennen. können Entstehung, Lage und Abbau von Braunkohle erklären. diskutieren die wirtschaftliche Bedeutung der Braunkohle sowie die ökologischen und sozialen Folgen ihres Abbaus. Zum Einstieg in das Thema bietet sich diese Satellitenaufnahme von Deutschland an (Abbildung 1, Platzhalter bitte anklicken). Zunächst geht es darum, das Rheinische Braunkohlerevier im Satellitenbild zu identifizieren. Dazu wird das Bild mittels Beamer an eine Leinwand projiziert. Die Schülerinnen und Schüler sollen mögliche wirtschaftliche, ökologische und soziale Folgen des Abbaus diskutieren. Mit einem kostenlosen Bildbearbeitungsprogramm (zum Beispiel IrfanView ) kann man stufenlos in das Bild hineinzoomen und die Landschaftsstrukturen westlich von Köln genauer untersuchen. Die Folien 1 bis 4 und das Arbeitsblatt 1 dienen dazu, die wirtschaftliche Bedeutung der Braunkohle genauer zu erarbeiten. Die zweite Stunde dieser Unterrichtsreihe kommt ohne Fernerkundung aus. Aus diesem Grund ist das hier vorgestellte Material nur als Vorschlag zu sehen. Es kann genauso gut mit anderem Material und anderen Ideen gearbeitet werden. Im Idealfall sollte die gesamte Stunde im Computerraum durchgeführt werden. Die Schülerinnen und Schüler können dann die besprochenen Aufgaben selber am Rechner mithilfe von Arbeitsblatt 4 (braunkohle_ab_4_abbau.pdf) erarbeiten. Zur genaueren Analyse der Tagebauflächen eignet sich die Aufnahme des ASTER-Sensors besser als die MODIS-Aufnahme aus Abbildung 1, da diese eine höhere räumliche Auflösung bietet (siehe Abbildung 2). Auch dieses Satellitenbild kann mit einem herkömmlichen Bildbearbeitungsprogramm mittels Beamer an die Wand projiziert werden. Um jedoch die Geländeform zu verdeutlichen, bedienen wir uns im nächsten Schritt eines digitalen Geländemodells. Nun kommt die Software zum Einsatz. Es gibt immer mehr Open Source-Produkte im GIS-Bereich, die sich auch für den Einsatz an Schulen eignen. LandSerf wurde an der City University von London entwickelt. Das Programm gibt es nur mit englischer Menüführung, deshalb - und auch aufgrund der relativen Komplexität - ist es eher für Oberstufenschüler geeignet. LandSerf steht unter www.landserf.org zum Download bereit und ist speziell für die Bearbeitung und Visualisierung von Digitalen Geländemodellen entwickelt worden (siehe auch unter Zusatzinformationen). Die Software basiert auf JAVA , daher muss dies auf den Computern installiert sein. Hinweise zur Arbeit mit LandSerf Der Einsatz von LandSerf im Unterricht sollte durch die Lehrkraft angeleitet werden, das heißt entweder zunächst am Beamer präsentiert oder durch Handreichungen mit Screenshots und Erläuterungen der wichtigsten Funktionen unterfüttert werden. Über den dritten Button von links öffnet man eine Datei. In dem dann erscheinenden Menü wird als Dateityp ArcGIS text raster (.grd, .asc) ausgewählt. Navigieren Sie zu der Datei srtm_rheinland.asc und öffnen Sie sie. Es erscheint bereits farbig eingefärbt das Digitale Geländemodell eines Ausschnitts aus der Region um Köln (siehe Abbildung 3). Gut zu erkennen sind die Gruben der Braunkohletagebaue in der Mitte des Bildes. Mit dem Werkzeug "Profile" (zu finden unter "Info") kann man einen Profilquerschnitt erstellen. Indem man mit dem Mauszeiger eine Linie über die Abraumhalde des Tagebaus Hambach und die Grube zieht, erhält man in dem kleinen Grafikfenster das dazu gehörige Höhenprofil (siehe Abbildung 4). Auf diese Weise lassen sich die tatsächlichen Höhenverhältnisse sehr schön visualisieren und die Lernenden erhalten einen Eindruck von der tatsächlichen Tiefe der Grube. Ein weiteres effektvolles Tool ist der 3D-Viewer (rotes Sternchen in der Button-Leiste oder unter dem Menüpunkt "Display"). Hier wird ein 3D-Eindruck des Geländes erzeugt, durch das die Schülerinnen und Schüler navigieren können. Vergleich der Ergebnisse mit dem Modell Die Schülerinnen und Schüler sollen nun aus den durch die Arbeit mit den ASTER- und SRTM-Daten gewonnenen Erkenntnissen ein Modell des rheinischen Braunkohletagebaus ableiten. Dies geschieht entweder gemeinsam auf einer Folie am Overheadprojektor oder in Einzelarbeit (Arbeitsblatt 4, Aufgabe 1). Die Ergebnisse der Schüler können im Anschluss mit einem offiziellen Modell des rheinischen Braunkohletagebaus verglichen werden (zur Bearbeitung in Einzelarbeit siehe Aufgabe 2 auf dem Arbeitsblatt). Dieses Modell befindet sich auf Folie 6. Wo liegen Gemeinsamkeiten und Unterschiede? Starten Sie das Programm durch Doppelklicken der Datei JUMP4Schools.exe. Die sogenannte JUMP Werkbank öffnet sich. Das Programm unterscheidet beim Datenimport zwischen zwei Datentypen: Karten und Folien. Unter Karten versteht man Rasterbilder, also zum Beispiel eingescannte topographische Karten oder Satellitenbilder. Diese Daten lassen sich in dem Programm nicht weiter verändern und dienen als Hintergrundbild, mit dessen Hilfe man Folien erstellen kann, den zweiten Datentyp. Zum Öffnen oder Neuerstellen von Daten öffnet man das Menü "Karten und Folien". Zum Öffnen eines Satellitenbildes klickt man auf "Karte laden". Zuerst wird das Bild aus dem Jahr 1989 geöffnet (hambach_1989.tif). Im Projektfenster erscheint das Satellitenbild des Tagebaus Hambach in einer Echtfarbendarstellung (Abbildung 5). Im linken Bereich des Projektfensters werden alle Karten und Folien angezeigt, die in das Projekt geladen wurden. Über das Häkchen sind sie an- und abschaltbar. Die Karte dient nun als Hintergrunddarstellung für die folgende Folie. Die Schülerinnen und Schüler können nun eine neue Folie erstellen, in dem sie im Menüpunkt "Karten und Folien" die Option "Neue Folie hinzufügen" auswählen. Eine Folie ist im Gegensatz zu einer (Raster-)Karte eine Vektordatei. Prinzipiell kann es sich dabei um einen Punkt, eine Linie oder ein Polygon handeln. Die einzelnen Eckpunkte der Linien und Polygone können beliebig verschoben werden. Eine kleine Werkzeug-Box öffnet sich. Durch Anklicken der Option "Erzeuge Polygon" (links oben) wird dieses Werkzeug aktiv und der Mauszeiger zu einem Fadenkreuz. Nun können die Lernenden die Umrisse des Tagebaus mit dem Mauszeiger nachzeichnen. Mit einem Doppelklick wird das Polygon geschlossen. Abbildung 6 zeigt das in etwa zu erwartende Ergebnis. Hat man eine neue Folie erstellt, erscheint sie mit dem Namen "Neu" im linken Teil des Projektfensters. Durch einen Doppelklick auf den Namen kann man diesen verändern. Ebenso kann man die Farbdarstellung des Polygons ändern, indem man auf das Palettensymbol ("Darstellung ändern") klickt und eine Farbe auswählt. Will man noch die Fläche des Polygons berechnen lassen, wählt man über den Menüpunkt "Funktionen" die Option "Fläche berechnen". In Kleingruppen analysieren die Schülerinnen und Schüler die Entwicklung in drei verschiedenen Gemeinden. Unter Zuhilfenahme einer Atlaskarte diskutieren die Lernenden die möglichen Folgen des Braunkohletagebaus für die Siedlungsgebiete. Die Arbeitsblätter 5a, 5b und 5c zeigen Zeitreihen in den Gemeinden Bedburg, Jüchen und Niederzier im rheinischen Braunkohlerevier (siehe Abbildung 7). Die Schülerinnen und Schüler können so die Veränderung der Siedlungsstruktur während der letzten Jahrzehnte nachvollziehen und sich mit den sozialen Folgen des Braunkohletagebaus auseinander setzen. Bevor die Schülerinnen und Schüler in die Diskussion starten bleibt zu klären, was mit den ehemaligen Abbauflächen passiert. Folie 7 zeigt eine Karte mit Betriebsflächen, Rekultivierungsflächen und Umsiedelungen.

Diese Unterrichtsreihe stellt Berufsschulen Materialien zur Verfügung, die eine Einführung in die Mikrocontroller-Programmierung am Beispiel des Arduino ermöglichen. Dabei kann gänzlich auf Hardware verzichtet werden, denn die Simulation bietet eine vollständige und leicht bedienbare Virtualisierung. Der Beitrag entstand im Rahmen des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Projekts "Berufsschule digital". Der Arduino ist ein Mikrocontroller und Open Source-Projekt von Massimo Banzai und David Cuartielles aus dem Jahr 2005. Hard- und Software sind im Internet unter einer Creative-Commons-Lizenz frei verfügbar. Ein Mikrocontroller besteht aus einem Prozessor und verschiedenen Peripherie-Elementen. In vielen Haushaltsgeräten oder Maschinen werden Mikrocontroller für zahlreiche Aufgaben eingesetzt. So findet man diese in Waschmaschinen, Fernsehgeräten, Fernbedienungen, Druckern, aber auch in Fahrzeugen, zum Beispiel für die Steuerung von Fensterhebern, Airbags oder Klimaanlagen. Dieses Unterrichtsmaterial für die Berufsschulfächer Elektrotechnik und Metalltechnik umfasst eine Einführung für die Lehrkraft sowie die Schülerinnen und Schüler in Form einer PowerPoint-Präsentation. Vorbereitet sind sieben Unterrichtseinheiten , für die lediglich pro Schülerin oder Schüler ein Computer mit Internetverbindung benötigt wird. Die Programmier-Aufgaben lassen sich komplett am Bildschirm bearbeiten. Die Unterrichtseinheiten orientieren sich an einem Pkw, der mit Sensoren und Programmen in seinen Funktionen erweitert wird , zum Beispiel durch ein automatisches Abblendlicht, einen Parksensor und eine automatische Abstandsregelung. Vorkenntnisse Die Lernenden benötigen keine Vorkenntnisse in Programmierung. Sie sollten aber über grundlegende Computerkenntnisse verfügen. Didaktische Analyse Das Thema Programmieren ist generell von Relevanz für alle Schülerinnen und Schüler, denn die Digitalisierung bringt immer mehr Automatisierung und Künstliche Intelligenz (KI) in den Alltag der Menschen. Die Schülerinnen und Schüler von heute sollten im Hinblick auf ihre Zukunft grundlegende Zusammenhänge der Programmierung kennen, um die Möglichkeiten aber auch Beschränkungen von Software zu erfassen. Heutiges Programmieren findet kaum noch auf einem leeren Blatt Papier statt. Programmcode wird heute aus dem Internet geladen, analysiert, wiederverwendet und abgeändert. Wichtig ist es, wiederverwendeten Programmcode vollständig verstanden zu haben, um ihn für eigene Projekte zu benutzen. Die Lehrkraft sollte die Schülerinnen und Schüler zu dieser Vorgehensweise anhalten. Mithilfe einer detaillierten Kommentierung des Programmcodes kann sichergestellt werden, dass bei den Lernenden das notwendige Verständnis vorhanden ist. Methodische Analyse Die Lerneinheiten sowie die Lösungen sind auf tinkercad.com vorbereitet und werden auch dort von den Lernenden bearbeitet. Die Lehrkraft kann die Schülerinnen und Schüler bei TinkerCAD als Klasse einladen oder Einzel-Accounts durch die Schülerinnen und Schüler erstellen lassen, die dann auch zuhause genutzt werden können. Weiterhin ist es möglich, die Aufgaben mit realen Bauteilen und Mikrocontrollern zu bearbeiten, weil sowohl Programmier-Code als auch Hardware identisch in der Simulation abgebildet werden. Entsprechende Hardware-Sets sind kostengünstig frei erhältlich. Für Schülerinnen und Schüler mit Vorkenntnissen enthält jede Unterrichtseinheit eine Aufgabe für "Profis". Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen grundlegende Programmier-Techniken kennen. lernen einen Mikrocontroller (Arduino) kennen. nutzen eine Virtualisierung für Programmierzwecke (tinkercad.com). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge für die Lösung alltäglicher Aufgaben mithilfe von Elektronik. erkennen Algorithmen und ändern diese für die Lösung der Aufgaben ab. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen selbstorganisiert mit vorbereitetem Material. unterstützen sich gegebenenfalls in Partnerarbeit bei der Lösung der Aufgaben.

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.

Diese Unterrichtseinheit zum Themenbereich Datenschutz und Datensicherheit enthält Anleitungen und Hintergrund-Informationen, mit denen Sie Ihre Schülerinnen und Schüler dazu befähigen, E-Mails verschlüsselt zu versenden. Sensible und vertrauliche Unternehmensinformationen sollten verschlüsselt im Internet übertragen werden, denn die Gefahr besteht, dass elektronische Post von Hackern und Spionagediensten mitgelesen wird.In dieser Unterrichtsreihe lernen Schülerinnen und Schüler, per E-Mail gesendete Nachrichten zu verschlüsseln und zu entschlüsseln. Der Einsatz von Verschlüsselungsprogrammen kann ihnen nur dann sinnvoll erscheinen, wenn sie für die Gefahren des unverschlüsselten Datenaustauschs sensibilisiert sind."Pretty Good Privacy" ist ein Programm, das E-Mails und Dateien verschlüsselt. Die verschlüsselten Nachrichten sind so sicher, dass ein kaum realisierbarer Aufwand nötig wäre, um eine Nachricht wieder zu dechiffrieren. Die Freeware-Version von PGP ermöglicht die Verschlüsselung von Daten sowie die Erstellung und Verwaltung von PGP-Schlüsseln. PGP-Freeware darf nur für nicht kommerzielle Zwecke verwendet werden. Ein mit Bundesmitteln gefördertes Open-Source-Verschlüsselungsprogramm ist GnuPG (GNU Privacy Guard). GnuPG gibt es ebenso wie PGP als Windows und Linux-Version. GnuPG ist mit PGP kompatibel. Wird zum Beispiel eine E-Mail unter Windows mit PGP verschlüsselt, kann sie unter Linux mit GnuPG wieder entschlüsselt werden. Einführung in das Thema "E-Mail verschlüsseln" Der Einsatz von Verschlüsselungsprogrammen kann nur erfolgreich sein, wenn die Benutzer für die Gefahren des unverschlüsselten Datenaustauschs sensibilisiert sind. Daher sollte während der Einstiegsphase ausführlich auf die Sicherheitsdefizite unverschlüsselter E-Mail-Korrespondenz eingegangen werden. Ablauf der Unterrichtseinheit "E-Mail verschlüsseln" Anhand vorgegebener Internetressourcen erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler selbstständig die Bedienung der für sie unbekannten Programme PGP und GnuPG. Für die spätere berufliche Praxis ist diese Methodenkompetenz von entscheidender Bedeutung. Die Schülerinnen und Schüler werden sich permanent in neue Softwareprodukte einarbeiten müssen. Die Schülerinnen und Schüler erkennen Sicherheitsdefizite beim unverschlüsselten Austausch von Nachrichten und werden für die Gefahren sensibilisiert. verstehen das symmetrische, asymmetrische, hybride Verschlüsselungsverfahren sowie die Digitale Signatur vom Prinzip her. erstellen ein Schlüsselpaar. tauschen öffentliche Schlüssel aus. tauschen E-Mails und Dateien verschlüsselt aus. erarbeiten selbstständig die Bedienung eines Programmes mittels Bedienungsanleitung. Daten werden verschlüsselt um drei Sicherheitsdefizite aufzuheben: Privacy Die Vertraulichkeit unverschlüsselter Nachrichten ist nicht gewährleistet. Authenticity Die Authentizität des Absenders ist nicht gewährleistet. Integrity Die Unverfälschtheit einer unverschlüsselten Nachricht ist nicht gewährleistet. Der Einsatz von PGP oder GnuPG löst alle drei Sicherheitsdefizite. Um Vertraulichkeit und Unverfälschtheit zu erzielen, wird mit einem hybriden Verfahren verschlüsselt. Das hybride Verschlüsselungsverfahren kombiniert ein symmetrisches mit einem asymmetrischen Verfahren. Die digitale Signatur garantiert die Authentizität des Absenders. Zertifizierungsstellen bestätigen mittels Zertifikate die Echtheit eingesetzter Schlüsselpaare. Bevor die Schülerinnen und Schüler E-Mails und Dateien mithilfe von PGP oder GnuPG verschlüsseln, erarbeiten sie die Prinzipien der zugrundeliegenden Verschlüsselungsverfahren und der digitalen Signatur. Als Materialien nutzen sie die Broschüre "Sichere E-Mail-Kommunikation". In Prinzipskizzen erklären die Schülerinnen und Schüler die Verfahren an der Tafel. Wichtige Begriffe (wie Schlüsselpaar, privater und öffentlicher Schlüssel, Ad-hoc-Schlüssel, Hash, und so weiter) werden ebenso wie Vor- und Nachteile einzelner Verfahren festgehalten. PGP und GnuPG Die Ausführungsphase wird zweimal durchlaufen. Und zwar wird einmal eine grafische Version von PGP unter Windows eingesetzt und einmal GnuPG als Konsolen-Programm unter Linux. Andere Varianten können auch gewählt werden. So kann PGP unter Windows oder Linux auch über die Konsole bedient werden und für GnuPG werden grafische Frontends angeboten. Der Vorteil dieses Vorgehens ist, dass Schülerinnen und Schüler nicht nur an einem Betriebsystem ausgebildet werden und grafische als auch kommandozeilenorientierte Programme bedienen lernen. So werden sie auf unterschiedliche Umgebungen vorbereitet. Voraussetzung für die Bedienung von GnuPG in der Kommandozeilen-Version ist allerdings, dass die Schülerinnen und Schüler die grundlegenden Linux-Konsolenbefehle wie zum Beispiel ls, cat, cd, cp, mv, rm beherrschen. Knoppix Wenn kein Linux auf dem Rechner installiert ist, kann die GNU/Linux-Software Knoppix von CD gestartet werden. Es ist keinerlei Installation auf Festplatte notwendig. Knoppix kann kostenlos aus dem Internet heruntergeladen (circa 650 MB) und auf CD gebrannt werden. GnuPG ist im Paket schon enthalten. Folgende Teilaufgaben werden von den Schülerinnen und Schülern der Reihe nach ausgeführt: Erzeugen eines Schlüsselpaares Austausch der öffentlichen Schlüssel Import öffentlicher Schlüssel der Mitschüler Verschlüsseln eines geheimen Textdokuments und Versenden als Anhang einer E-Mail Verschlüsseln und Signieren eines geheimen Textdokuments und Versenden als Anhang einer E-Mail Verschlüsseln einer E-Mail Die Schülerinnen und Schüler führen mit GnuPG die gleichen Teilaufgaben wie mit PGP unter Windows durch. Sie erarbeiten sich selbstständig die Bedienung von GnuPG. Herangezogen wird die Anleitung des Vereins zur Förderung des öffentlichen bewegten und unbewegten Datenverkehrs e. V.: Folgende Befehle wurden für die Einzelschritte verwendet: gpg --gen-key Erzeugen eines Schlüsselpaares gpg --export --armor Anna > an Exportieren eines Schlüssels gpg --import anna.gpg Importieren eines Schlüssels gpg -k Inhaltsangabe des Schlüsselbundes gpg -e -r "Anna" geheim.txt Verschlüsseln von geheim.txt mit dem öffentlichen Schlüssel von Anna gpg -es -r "Anna" geheim.txt Verschlüsseln und Unterschreiben einer Datei gpg -ea -r "Anna" emailtext Verschlüsseln eines E-Mail-Texts gpg geheim.txt.gpg Entschlüsseln einer Datei Am Ende der Stunde sollten die Schlüsselbunde gesichert werden, denn bei einem Neustart von Knoppix gehen alle Dateien verloren. Die Dateien pubring.gpg und secring.gpg befinden sich im Verzeichnis ~/gnupg/.

Schülerinnen und Schüler fotografieren den vom Kernschatten der Erde halb verfinsterten Mond und bearbeiten das Foto am Rechner. Die geometrische Auswertung liefert Daten für die Berechnung der Mondentfernung.Die hier vorgestellte Methode ermöglicht eine Abstandsbestimmung mit geringem Aufwand. Im Gegensatz zur Bestimmung der Mondentfernung per Triangulation benötigt man bei der Abstandsbestimmung mithilfe einer Mondfinsternis keine Partnerschule. Die Vorteile der Mondfinsternis-Methode werden allerdings mit einer anspruchsvolleren Theorie bezahlt, die an verschiedenen Stellen zum leichteren Verständnis für die Schülerinnen und Schüler etwas vereinfacht werden muss, wodurch die Ungenauigkeit der Messung etwas erhöht wird. Voraussetzungen Um die für die Entfernungsbestimmung benötigten Zusammenhänge verstehen zu können, müssen die Schülerinnen und Schüler die Geometrie der Mittelstufe beherrschen und Kenntnisse über die trigonometrischen Funktionen und das Lösen mathematischer Gleichungssysteme verinnerlicht haben. Einstieg und Motivation Der Mond ist ständiger Begleiter des Menschen. Schon kleine Kinder wenden ihren Blick häufig fasziniert dem Erdtrabanten zu, aber auch viele Jugendliche und Erwachsene können sich dem Bann des Mondes kaum entziehen. Vielfältig und über verschiedene Medien wird über den Mond und seine Eigenschaften informiert. Nur selten wird jedoch darüber berichtet, wie man zu diesen Informationen gelangt. Dies gilt auch für den Abstand des Mondes von der Erde. Allein die Frage "Wie misst man eigentlich mehrere hunderttausend Kilometer lange Strecken?" weckt bei vielen Schülerinnen und Schülern bereits das Interesse. Dies kann noch gesteigert werden, wenn es darum geht, die Entfernung des Mondes mit eigenen Mitteln zu bestimmen. Fotografieren, bearbeiten, auswerten Das mathematische Rüstzeug wird in fünf Etappen erarbeitet und angewendet. Bearbeitung und Auswertung einer Mondfotografie werden hier durch ein Beispiel veranschaulicht. Methodische und fachliche Hinweise Wodurch zeichnen sich die Mondfinsternis- und die Triangulationsmethode zur Entfernungsbestimmung aus? Wie messen Forscher die Entfernung zum Mond? Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse über Planeten und Monde im Sonnensystem, deren Größenverhältnisse und deren Bewegungen erwerben oder auffrischen. Kenntnisse über Mond- und Sonnenfinsternisse und deren Entstehung erwerben oder auffrischen. mit trigonometrischen Funktionen und Gleichungen arbeiten können. den Umgang mit Bildbearbeitungssoftware kennen lernen und üben. ihre Fähigkeiten in der Handhabung einfacher Messinstrumente schulen. ihr räumliches Vorstellungsvermögen schulen. Thema Bestimmung der Mondentfernung mithilfe einer Mondfinsternis Autor Alexander Staidl Fächer Astronomie, Physik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Jahrgangsstufe 11 (bei guten Lerngruppen auch ab Klasse 10) Zeitraum Beobachtungszeit etwa 30-40 Minuten (es muss ein Foto geschossen werden); Theorie und Auswertung nehmen etwa 2-4 Stunden in Anspruch (je nach Lerngruppe und Unterrichtsmethodik) Technische Voraussetzungen Digitalkamera mit mindestens achtfachem Zoom oder ein kleines Teleskop, an das die Kamera angeschlossen werden kann; Stativ, Bildbearbeitungssoftware (zum Beispiel GIMP ) Überblick Da die Bestimmung des Mondabstandes mithilfe einer Mondfinsternis auf komplexen geometrischen und mathematischen Zusammenhängen basiert, werden die Lernenden schrittweise an das Thema herangeführt. Die folgende Gliederung hat sich dabei bewährt: 1. Mondfinsternisse Allgemeine Informationen: Wie kommen Mondfinsternisse zustande? 2. Der Winkelradius der Sonne Was ist ein Winkelradius? Wie kann man ihn messen? Welche Aussagen lassen sich daraus über den Kernschatten der Erde gewinnen? 3. Der Winkelradius des Mondes Wie kann man den Winkelradius des Mondes messen? Weshalb funktionieren die Methoden zur Messung des Winkelradius der Sonne (Schritt 2) hier nicht? 4. Winkelradius des Kern-Erdschattens in Mondentfernung Was versteht man darunter? Wie kann man ihn mithilfe einer Mondfinsternis bestimmen? 5. Berechnung des Mondabstandes Die bisherigen Erkenntnisse werden zusammengeführt und die Mondentfernung mithilfe der bei einer Finsternis aufgenommenen Fotos berechnet. Der Winkelradius des Erdschattens in Mondentfernung Für die Bestimmung des Winkelradius (Schritt 4) ist die Auswertung eines Fotos von einer Mondfinsternis entscheidend. Der Kernschatten, der während der Finsternis auf dem Mond zu sehen ist, lässt sich mit dem Winkeldurchmesser des Mondes vergleichen. Der halb verfinsterte Mond wird fotografiert Der gesamte Mond wird, während er etwa halb vom Kernschatten der Erde bedeckt ist, mit einer Vergrößerung beziehungsweise Auflösung fotografiert, die hoch genug ist, um Details der Finsternis erkennen zu können. Die Digitalkamera sollte über einen mindestens achtfachen optischen Zoom verfügen. Alternativ kann die Kamera auch an ein kleines Teleskop angeschlossen werden. Beim Fotografieren sollte auf jeden Fall ein Stativ verwendet werden. Abb. 1 (linke Teilabbildung) zeigt ein entsprechendes Ergebnis. Man sieht deutlich, dass sich der Kernschatten nicht scharf von dem Bereich des Halbschattens abgrenzt, sondern dass beide weich ineinander übergehen. Wenn man schon mal dabei ist … Bei der Gelegenheit bietet es sich natürlich auch an, den gesamten Verlauf der Mondfinsternis fotografisch zu dokumentieren, im Idealfall vom Beginn bis zu Ende der Verfinsterung. Auch, wenn dies zum Zwecke der Entfernungsbestimmung nicht erforderlich ist (dafür reicht ein einziges Foto aus), kann man mit dem ohnehin verwendeten Bildbearbeitungsprogramm den Verlauf des Ereignisses in einer kleinen Kollage sehr schön darstellen. Kontrastierung der Schattengrenze am Rechner Um den Winkelradius des Kernschattens möglichst exakt bestimmen zu können, muss die Grenze zwischen Kern- und Halbschattenbereich durch eine Verstärkung des Kontrastes hervorgehoben werden. Die ist mit den gängigen Bildbearbeitungsprogrammen einfach durchzuführen. In dem hier vorgestellten Beispiel wurde die kostenfreie Open Source Software GIMP verwendet. GIMP-Homepage Informationen zur kostenfreien Bildbearbeitungssoftware und Downloadmöglichkeit Bildbearbeitung mit GIMP Öffnet man mit dem Programm die Mondfoto-Datei, lässt sich die Grenze des Kernschattens durch den Schwellwerte-Regler im Farben-Menü hervorheben (Abb.1, Mitte). Unter der Voraussetzung, dass der scharfe Rand des Mondes nicht mit weißen Pixeln durchsetzt sein darf, stellt man den Regler so niedrig wie möglich ein. Je nach Geschmack kann man über das Farben-Menü und die Funktion "Invertieren" den Mond schwarz und den Hintergrund weiß darstellen (Abb.1, rechts). In dem Ergebnis kann man nun gut erkennen, dass der Kernschatten, den die kugelförmige Erde auf den Mond wirft, auf der Mondoberfläche tatsächlich kreisförmig abgebildet wird. Die Kreisbogenform der Schattengrenze ist durch die nachträgliche Bearbeitung deutlich besser auszuwerten. Projektion oder Ausdruck des bearbeiteten Mondbildes Das bearbeitete Bild kann nun vergrößert ausgedruckt oder auf eine Tafel projiziert werden. Ziel ist es, den auf der Tafel abgebildeten "Radius" des Mondes mit dem zu ermittelnden abgebildeten "Radius" des Kernschattens in Relation zu setzen - entweder auf Ausdrucken oder mithilfe des an die Tafel projizierten Bildes. Hieraus ergibt sich dann die Relation des Winkelradius des Mondes und des Kernschattens in Mondabstand, die sich im gleichen Verhältnis wie die Radien der Projektion teilen müssen. Geometrische Auswertung Abb. 2 veranschaulicht, wie man den Radius des Kernschattens bestimmt (A = Projektion des Kernschattenradius, E = Projektion des Mondradius). Die Konstruktion kann auch mit einem Vektorgrafikprogramm (zum Beispiel OpenOffice-Anwendung Draw) erzeugt werden. Zunächst wählt man drei Punkte, die auf dem Kreisbogen liegen (grün), und verbindet diese zu zwei Sekanten (rot). Anschließend werden die Mittelsenkrechten (blau) der Sekanten gebildet, die sich im Mittelpunkt des Kreises treffen. Damit ergibt sich der Radius A des abgebildeten Kernschattens durch den Abstand zwischen den grünen Punkten auf dem Kreisbogen und dem Schnittpunkt der blauen Mittelsenkrechten. Der Radius E des abgebildeten Mondes lässt sich über dessen leicht bestimmbaren Durchmesser berechnen. Aus Schritt 3 (siehe oben) ist der Winkelradius des Mondes epsilon bekannt. Gesucht ist der Winkelradius alpha des Kernschattens der Erde (in Mondentfernung). Wenn wir das Verhältnis alpha/epsilon kennen würden, könnten wir alpha direkt berechnen. Das Verhältnis alpha/epsilon ist nämlich genau so groß, wie das Verhältnis der Radien A/E auf dem Ausdruck (Abb. 2). Für die Bestimmung der Mondentfernung wird in schulischen Projekten meist die Methode der Triangulation benutzt (siehe Unterrichtseinheit Bestimmung der Mondentfernung durch Triangulation ). Dieses Verfahren erlaubt eine relativ exakte Bestimmung des Abstandes. Die Methode lässt sich in jeder Nacht durchführen, in der der Mond in Verbindung mit zwei hellen, weiter entfernten Objekten zu sehen ist (Planeten, helle Sterne), ist jedoch organisatorisch recht aufwändig: Partnerschulen müssen gefunden und die Messungen sehr exakt und gut koordiniert durchgeführt werden. Bei der Bestimmung der Mondentfernung mithilfe einer Mondfinsternis ist man dagegen von Partnerschulen unabhängig. Man benötigt jedoch zur rechten Stunde gute Sicht! Zwar sind für die Triangulations-Methode geeignete Konstellationen "haltbarer", jedoch ist der Anlass einer Mondfinsternis für Schülerinnen und Schüler sicher motivierender und spektakulärer als eine Konstellation "Mond und zwei Sterne". Die Wahl der Methode ist natürlich auch vom "Terminplan" der Himmelskörper abhängig. Je nach Jahreszeit ist es in Deutschland nicht unwahrscheinlich, dass das Wetter einen Strich durch die Planung macht. Tritt dieser Fall ein, kann dann auf die nächste Mondfinsternis warten, eine in naher Zukunft gelegene Konstellationen ausgucken, die für die Triangulationsmethode geeignet ist, oder auf Mondfinsternisfotos "aus der Konserve" zurückgreifen, die natürlich ohne eigene Beobachtung ausgewertet werden können. Dabei können auch verschiedene Fotos von verschiedenen Kleingruppen oder in Partnerarbeit ausgewertet werden. Wie sieht der Mittelwert der Ergebnisse aus und welche Gruppe war am nächsten am "offiziellen" Wert dran? Wie weit ist es nun zum Mond? Die Bahn des Mondes um die Erde ist nicht perfekt kreisförmig und die Entfernung daher nicht konstant. Vom Mittelwert (384.400 Kilometer) weicht die größte (405.500 Kilometer) und die kleinste Entfernung (etwa 363.200 Kilometer) um etwa 5,5 Prozent ab. Visualisierung Der Mond liegt zwar - in astronomischen Maßstäben - vor unserer Haustür. Dennoch ist die in Zahlen gefasste Entfernung nicht mehr anschaulich. Hilfreicher sind für die Veranschaulichung sind grafische Darstellungen, wie zum Beispiel die folgenden, die uns der Amateur-Astronom Thomas Borowski freundlicherweise zur Verfügung gestellt hat: Wie und warum messen Forscher heute die Mondentfernung? Astronauten des Apollo-Programms hinterließen auf der Mondoberfläche einen Reflektor. Von der Erde aus werden kurze und intensive Laserblitze auf den Reflektor abgeschossen. Die Zeit zwischen dem "Schuss" und dem Eintreffen der Reflexion wird mit einer Atomuhr exakt gemessen. Mit dieser zentimetergenauen Methode konnte man feststellen, dass sich der Mond pro Jahr etwa um 3,8 Zentimeter von der Erde entfernt. Wegen den Gezeitenkräften findet ein fortlaufender Rotationsenergie- und Drehimpulstransfer von der rotierenden Erde zum Mond statt. Dieser Transfer bewirkt nicht nur die Abstandsvergrößerung des Mondes, sondern im gleichen Maße eine Verlangsamung der Erdrotation - die Tage dauern also immer länger! Aus kleinen Laufzeitänderungen, die von verschiedenen Messstationen auf der Erde registriert werden, sind Aussagen über die Kontinentaldrift möglich.

Die kostenfreie Planetarium-Software Stellarium und die hier bereit gestellten Materialien zum Basteln einer drehbaren Sternkarte bilden eine ideale Grundlage für den Einstieg in die Orientierung am Himmel. Viele Menschen, vor allem Kinder, sind vom Anblick des nächtlichen Sternenhimmels fasziniert. Nur wenige kennen jedoch die wichtigsten Sternbilder und die Möglichkeiten, deren Kommen und Gehen am Himmel zur räumlichen und zeitlichen Orientierung zu nutzen. Diese Unterrichtseinheit stellt Methoden und Materialien für eine solche Orientierung bereit. Im Unterricht entdecken die Schülerinnen und Schülern bei der spielerischen Arbeit mit der Software Stellarium die Sternbilder und die - je nach Jahreszeit und Beobachtungsort - unterschiedlichen Himmelsanblicke. Unterstützt von der drehbaren Sternkarte werden bei späteren Beobachtungen am realen Nachthimmel diese Aspekte wieder entdeckt. Mit älteren Schülerinnen und Schülern können sowohl mit Stellarium als auch mit drehbaren Sternkarten Betrachtungen zum äquatorialen Himmelskoordinatensystem angestellt werden. Stellarium Die Open Source Software Stellarium ist ein einfach zu bedienendes Hilfsmittel für erste Schritte zur Orientierung am Sternhimmel. Das Programm erlaubt es zum einen, die zufällige Anordnung der Sterne durch die bekannten Sternbilder mit der Merkhilfe "Sternbildlinien" zu strukturieren. Zum anderen ermöglicht es Stellarium, Veränderungen des sichtbaren Himmelsausschnitts in Abhängigkeit von der Beobachtungszeit und vom Beobachtungsort zu erkennen. Daneben kann Stellarium das in der Astronomie oft verwendete äquatoriale Himmelskoordinatensystem veranschaulichen. Die Drehbare Sternkarte zum selber Basteln Die Orientierung bei realen nächtlichen Himmelsbeobachtungen erfolgt zumeist nicht mittels Computer, sondern mit einer drehbaren Sternkarte. Eine solche Sternkarte wird von den Schülerinnen und Schülern im Verlauf der beschriebenen Unterrichtseinheit selbst hergestellt, ihre Handhabung wird geprobt, und die mit Stellarium gewonnenen Erkenntnisse werden am Original-Sternhimmel wieder entdeckt und nachvollzogen. "Trockenübungen" mit Stellarium Mithilfe von Stellarium "experimentieren" Schülerinnen und Schüler mit dem Himmel, lernen Sternbilder und das "bewegliche äquatoriale Koordinatensystem" der Himmelskugel kennen. Orientierung am Himmel mit der drehbaren Sternkarte Hier finden Sie Kopiervorlagen, mit denen Schülerinnen und Schüler eine eigene Sternkarte basteln können, sowie eine Bauanleitung und Hinweise zur Nutzung der Karte. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich in die Planetarium-Software Stellarium einarbeiten. Sternbilder kennen lernen und diese später mit einer drehbaren Sternkarte am Abendhimmel wieder finden. den mit den Jahreszeiten wechselnden Himmelsanblick mit Stellarium entdecken und diesen Wechsel mit der drehbaren Sternkarte nachvollziehen. die Veränderung des Sternhimmels beim Wechsel des Beobachtungsortes erfahren. eine drehbare Sternkarte aus einfachen Vorlagen selbst herstellen. das Gradnetz des äquatorialen Koordinatensystems am Himmel kennen lernen. Thema Erste Schritte zur Orientierung am Sternhimmel Autor Peter Stinner Fächer Naturwissenschaften ("Nawi"), Geographie, Klassenprojekte Zielgruppe Klasse 5-10 Zeitraum etwa 2-3 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Computer für Einzel- und Partnerarbeit, im Idealfall Präsentationsrechner mit Beamer; Laminiergerät, Schere, Locheisen oder Lochzange (Durchmesser 4 mm) zur Herstellung drehbarer Sternkarten Software Stellarium (Planetarium-Software, kostenfreier Download) Den Tag zur Nacht machen Die Software Stellarium ist im Wesentlichen intuitiv bedienbar. Die wichtigsten Funktionen und die Menüsteuerung stellen wir Ihnen kurz im Bereich Fachmedien vor (siehe Stellarium ? ein virtuelles Planetarium für die Schule ). Nach dem Start zeigt Stellarium den der Systemzeit des Rechners entsprechenden Himmelsanblick. In der Schule wird dies normalerweise der Taghimmel sein. Die Sonne bewegt sich mit "realistischer" Geschwindigkeit, also sehr langsam. (Mehrfaches) Betätigen von Button 19 im unteren Menü der Software (Abb. 1, zur Vergrößerung bitte anklicken) beschleunigt die Himmelsbewegung. Mit Button 17 stellt man die Geschwindigkeit wieder auf "normal". Die Schülerinnen und Schüler werden sehen, wie Gestirne im Osten aufgehen, ihren Bahnbogen am Himmel beschreiben und im Westen untergehen. Mit Button 16 lässt sich dieser Vorgang rückwärts abspulen, Nummer 18 setzt den Himmelsanblick zurück auf die Systemzeit des Rechners. Zirkumpolarsterne im Visier Verkleinert man den Maßstab der Himmelsansicht (mit dem Scrollrad der Maus nach unten scrollen), dann erscheinen auch Sterne in größerer Höhe über dem Horizont. Die Schülerinnen und Schüler werden sehen, dass manche Sterne nie untergehen: die Zirkumpolarsterne. Bei unserer geographischen Breite von etwa 50 Grad sind dies alle die Sterne, die um weniger als 50 Grad vom Polarstern entfernt sind. Alles dreht sich um den Polarstern Um den kompletten sichtbaren Himmel darzustellen, scrollt man zunächst nach unten, bis das Bild sich nicht weiter verkleinert. Ziehen des Mauszeigers (bei gedrückter linker Maustaste!), ausgehend von der Bildschirmmitte um wenige Zentimeter nach unten, liefert dann die Projektion des gesamten Himmels auf einen Kreis. Man beschleunigt die Himmelsbewegung und erkennt sofort, dass der komplette Sternhimmel sich um einen über dem Nordhorizont befindlichen Stern dreht - den Polarstern. Der Polarstern ist entgegen landläufiger Meinung nicht der hellste Stern am Himmel und für Anfänger erst einmal gar nicht so leicht aufzufinden. Mithilfe der auffälligen Sternbilder Großer Wagen und Kassiopeia, die beide zirkumpolar und deshalb in jeder Nacht sichtbar sind, gelingt dies jedoch meist problemlos (Abb. 2). Der Polarstern weist in sehr guter Näherung die geographische Nordrichtung. Die Drehung der zirkumpolaren Sternbilder Kassiopeia und Großer Wagen wird sehr schön durch eine Animation bei Wikimedia Commons dargestellt, die auch als Grundlage für Abb. 2 verwendet wurde: Wikimedia Commons: Zirkumpolar ani.gif Animiertes GIF zur Bewegung der zirkumpolaren Sterne Sternbilder sind zufällige Anordnungen von Sternen im dreidimensionalen Raum, projiziert an die Oberfläche der scheinbaren "Himmelskugel". Sterne eines Sternbildes haben in der Regel ganz unterschiedliche Entfernungen von der Erde. Einige der wichtigsten Sternbilder begegneten uns oben bereits im Zusammenhang mit dem Aufsuchen des Polarsterns: Kassiopeia, Großer Wagen und Kleiner Wagen. Die beiden letzteren sind Teile der größeren Sternbilder Großer Bär und Kleiner Bär. Mit Button 1 in der unteren Menüleiste von Stellarium (siehe Abb. 1) lassen sich so genannte "Sternbildlinien" als Strukturierungs- und Merkhilfen einblenden. Button 2 liefert zusätzlich die Sternbildnamen und mit Nummer 3 kann man figürliche Darstellungen der Sternbilder einblenden. Der Wechsel der Jahreszeiten am Himmel Über den zweiten Button von oben in der linken Menüleiste (Abb. 3) kann man die Beobachtungszeit und damit den Himmelsanblick mit den Jahreszeiten variieren. Das unterschiedliche Aussehen des Sternenhimmels in verschiedenen Jahreszeiten, in denen verschiedene Konstellationen den Südhimmel dominieren, wird unmittelbar einsichtig: Frühling* Der Frühlingshimmel wird vom Sternbild Löwe geprägt. *Sommer* Das "Sommerdreieck" mit den hellsten Sternen aus Leier (Wega), Schwan (Deneb) und Adler (Atair) dominiert den Nachhimmel im Sommer. *Herbst* Die "Andromeda-Kette" mit dem "Pegasus-Quadrat" prägt den Anblick des Nachthimmels im Herbst. *Winter Neben dem Sternbild Orion sind die hellen Sterne des "Wintersechsecks" sehr auffällig (Capella im Fuhrmann, Aldebaran im Stier, Rigel im Orion, Sirius im Großen Hund, Prokyon im Kleinen Hund, Kastor und Pollux in den Zwillingen). Reise zu fernen Orten mit Stellarium Die Erklärung dieser jahreszeitlichen Änderungen erfordert einige Zeit und vertiefte Kenntnisse von Erdbahngeometrie und den Eigenschaften der Erdrotation. Hochinteressant ist es nun, die Schülerinnen und Schüler über geeignete Ortseingaben (oberes Icon in der linken Menüleiste, siehe Abb. 3) mit Stellarium in entfernte Länder - insbesondere solche der Südhalbkugel - "reisen" und sich vom dortigen Sternhimmel faszinieren zu lassen. Projiziert man das Gradnetz der Erde vom Erdmittelpunkt aus an die Himmelskugel, erhält man am Himmel das äquatoriale Koordinatensystem (Abb. 4). In Stellarium kann dieses der Himmelsdarstellung per Mausklick hinzugeschaltet werden (Button 4 der unteren Menüleiste, siehe Abb. 1). Das äquatoriale Koordinatensystem ist fest mit dem Himmel verbunden, rotiert also von der Erde aus gesehen um den Polarstern. Stellarium zeigt diese Rotation eindrucksvoll. Man spricht auch vom "beweglichen Äquatorialsystem". Die beiden Koordinaten heißen jetzt nicht mehr Länge und Breite, sondern Rektaszension (RA) und Deklination (DEC). Deklination Die Deklination wird wie auf der Erde in Winkelgraden von -90 Grad bis +90 Grad angegeben. Die Nulllinie der Deklinationsmessung ist der Himmelsäquator, also die zentrische Projektion des Erdäquators an die Himmelskugel. Rektaszension Die Rektaszension wird in Stunden und Minuten angegeben. Da 360 Grad in etwa 24 Stunden Rektaszension entsprechen, entspricht eine Stunde in Rektaszension einem Winkel von 15 Grad. Rektaszensionswerte steigen von West nach Ost. Der Nullpunkt der Rektaszensionsskala liegt im Sternbild Widder. Er ist der so genannte Frühlingspunkt, also der Punkt, in dem die Sonne zu Frühlingsbeginn am Himmel steht. Der Frühlingspunkt ist der Schnittpunkt vom Himmelsäquator mit der Ekliptik, der scheinbaren Bahn der Sonne am Himmel. Der zweite Schnittpunkt von Himmelsäquator und Ekliptik ist der Herbstpunkt. Zu den Zeitpunkten, an denen die Sonne in ihrem scheinbaren Lauf diese Schnittpunkte überquert, herrscht die Tagundnachtgleiche (Äquinoktium). Materialien Die Dateien "grundblatt_sternkarte.jpg", "deckblatt_sternkarte.jpg" und "planetenzeiger_sternkarte.jpg" sind für den Ausdruck auf DIN-A4-Papier beziehungsweise Folie ausgelegt. Die Grafiken sollten vor dem Ausdruck in ihren Größen nicht verändert werden, damit alle Teile später zusammen passen. Ausdrucken, Schneiden, Kleben und Laminieren Beim Erstellen einer drehbaren Sternkarte aus diesen Elementen gehen die Schülerinnen und Schüler wie folgt vor: Grundblatt Das Grundblatt wird auf gewöhnliches Papier farbig ausgedruckt und entlang des äußeren Kreises ausgeschnitten. Eine Laminierung (am besten mit 125 Mikrometer starkem Material) macht die Sternkarte feuchtigkeitsbeständig. Überstehende Laminierung schneidet man ab, lässt aber etwa fünf Millimeter über den äußeren Kreis des Grundblatts stehen. Deckblatt Das Deckblatt kopiert man auf möglichst kräftige, dicke Transparentfolie. Beide Teile werden längs der äußeren Begrenzungslinien ausgeschnitten und mit zweiseitigem Klebeband passgenau zusammengefügt. Dabei müssen sich die Teile knapp zwei Zentimeter überlappen. (Dafür hat sich zum Beispiel Doppelband-Fotostrip von Tesa bewährt.) Das Zusammenfügen der beiden Deckblattteile ist erfahrungsgemäß der einzige Bastelschritt, bei dem jüngere Schülerinnen und Schüler Hilfe benötigen. Planetenzeiger Die "Planetenzeiger" kopiert man ebenfalls auf Transparentfolie und schneidet den Ausdruck in die zehn vorgesehenen Streifen. Zur Versteifung werden die so erhaltenen Planetenzeiger laminiert. Montage der drehbaren Sternkarte Alle drei Teile werden nun mit einem Locheisen (Durchmesser vier Millimeter) oder einem ähnlichen Werkzeug gelocht und dann in der Reihenfolge Grundblatt-Deckblatt-Planetenzeiger mit einer Musterklammer oder einer Hohlniete drehbar verbunden. Beim Grundblatt geht das Loch genau durch den Polarstern in der Mitte, beim Deckblatt durch das Kreuz im Kreismittelpunkt und beim Planetenzeiger durch das "X" auf der Skala (etwa acht Millimeter oberhalb der 80-Grad-Marke). Einstellen von Datum und Uhrzeit Die PowerPoint-Präsentation "sternkarte_handhabung.ppt" erläutert das Einstellen der drehbaren Sternkarte nach Datum und Uhrzeit. Man dreht das Deckblatt so, dass das Datum auf dem Grundblatt und die Uhrzeit auf dem Deckblatt mit dem Zeitpunkt der Beobachtung übereinstimmen. Die PowerPoint-Präsentation zeigt dies beispielhaft für den 15. Juli um 24:00 Uhr und den 20. September um 01:00 Uhr. Der geschwärzte Teil des Deckblatts verdeckt nun den Teil des Sternenhimmels, der sich unter dem Horizont befindet, der also aktuell nicht sichtbar ist. Die beiden letzten PowerPoint-Folien illustrieren, wie die drehbare Sternkarte - je nach Beobachtungsrichtung - zu halten ist, damit der beobachtete Teil des Himmels genauso wie der entsprechende Bereich der Sternkarte orientiert ist. Simulationen mit der Sternkarte Eine "Reise" auf die Südhalbkugel der Erde (wie mit Stellarium) ist mit der drehbaren Sternkarte nicht möglich. Diese zeigt nur den Himmel für Orte mit etwa 50 Grad nördlicher Breite. Zwei Effekte, die die Schülerinnen und Schüler zuvor mit Stellarium kennen gelernt haben, können sie aber auch mit der drehbaren Sternkarte erneut simulieren: Himmelsdrehung Der sichtbare Himmelsausschnitt ändert sich beim Drehen des Deckblatts im Uhrzeigersinn, während man das Grundblatt fest hält. Man simuliert damit die scheinbare Himmelsdrehung. Wechsel der Jahreszeiten Dreht man nun das Grundblatt bei festem Deckblatt gegen den Uhrzeigersinn, dann erhält man einen Eindruck von der Änderung des sichtbaren Himmelsausschnitts im Laufe der Jahreszeiten. Unsere Sternkarte hat keine eigene Rektaszensionsskala. Jüngere Schülerinnen und Schüler würde dies nur verwirren. Es gibt aber einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Rektaszensions-Wert eines Himmelsobjekts und dem Wert auf der Datumsskala des Sternkartengrundblatts. Dieser Zusammenhang ist in der Grafik "tabelle_umrechnung_RA_datum.jpg" in Tabellenform dargestellt. Will man diese Option nutzen, empfiehlt es sich einen Ausdruck der Tabelle vor dem Laminieren auf die Rückseite des Sternkarten-Grundblatts zu kleben. Zum Auffinden eines Himmelsobjekts nach Koordinaten stellt man zuerst den Planetenzeiger auf den Datumswert, der laut Tabelle dem Rektaszensionswert des Objekts entspricht. Beim Deklinationswert des Objekts auf dem Zeiger befindet sich dann das gesuchte Objekt auf der Sternkarte.

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

Vor etwas mehr als 100 Jahren erhielten die Astronomen die Möglichkeit, auf der Grundlage von Sternspektren die Physik der Sternatmosphären zu erforschen. Der helle Stern Wega besitzt ein sehr übersichtliches Spektrum, für dessen Auswertung und Interpretation Kenntnisse der Oberstufen-Schulphysik genügen.In der Schulsternwarte der Geschwister-Scholl-Realschule in Betzdorf wurde das Spektrum des Sterns Wega im Sternbild Leier mit einem DADOS-Spektrographen der Firma Baader-Planetarium aufgenommen. Basierend auf dieser Aufnahme können unter Verwendung einer Energiesparlampe als Kalibrierlichtquelle die Wellenlängen der im Wega-Spektrum beobachtbaren Absorptionslinien vermessen werden. Für die Interpretation des Spektrums genügt die Kenntnis der wesentlichen Aussagen des Bohrschen Atommodells. Das in der vorliegenden Unterrichtseinheit beschriebene Vorgehen betrachtet die klassischen Themen Wellenoptik und Atommodelle des Oberstufenlehrplans Physik unter astrophysikalischem Aspekt und verknüpft sie mit modernen Methoden rechnergestützter Datenverarbeitung und Auswertung.Das alleinige Erstellen des Spektrums der Wega aus den beiden Bilddateien ("wega_spektrum.jpg" und "spektrum_ESL.jpg") lässt sich als isolierte Unterrichtseinheit auffassen. Man sollte dafür einen Zeitbedarf von zwei Unterrichtsstunden ansetzen. Sinnvoller erscheint es jedoch, die Thematik in einen übergeordneten Zusammenhang zu stellen. Dies erfordert Grundkenntnisse zur Emission beziehungsweise Absorption von Licht im Wasserstoffatom und zur Spektralklassifikation von Sternen. Die wesentlichen Informationen zu beiden Themen können Schülerinnen und Schüler im Internet recherchieren. Wenn allerdings, zum Beispiel aus Zeitgründen, auf eine Internetrecherche verzichtet werden soll, können die in diesem Beitrag dargestellten fachlichen Grundlagen (Datei "wegaspektrum_grundlagen.pdf") als eine kurze Einführung in die Thematik dienen. Grundlagen: Wasserstoffspektrum & Spektralklassen Zum Verständnis des Wega-Spektrums ist die Kenntnis der Theorie zur Lichtabsorption und -emission in Atomen erforderlich. Auch die Spektralklassen der Sterne sollten bekannt sein. Der Stern Wega Der noch junge, bläulich-weiße Stern der Spektralklasse A hat eine Lebenszeit von weniger als einem Zehntel unserer Sonne. Möglicherweise besitzt Wega einen Planeten. Vermessung der Absorptionslinien im Wega-Spektrum Die Verfahrensweise und das Ergebnis werden hier ausführlich vorgestellt und diskutiert. Alle Materialien zur Unterrichteinheit können Sie hier einzeln herunterladen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Lichtemission und Lichtabsorption im Bohrschen Atommodell beschreiben und erklären können. Grundlegendes zu den Spektralklassen der Sterne erfahren. verstehen, warum die Spektralklassensequenz der Sternspektren eine Temperatursequenz ist. wesentliche Eigenschaften des Sterns Wega kennen lernen. einen Gitterspektrographen anhand des bekannten Spektrums einer Energiesparlampe kalibrieren. aus einer digitalen Bilddatei das (Absorptions-)Spektrum des Sterns Wega in Form einer Funktion extrahieren, die jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zuordnet. die Absorptionslinien im Wega-Spektrum als Linien der Balmerserie des atomaren Wasserstoffs erkennen. Thema Das Spektrum der Wega Autoren Peter Stinner, Steffen Urban Fach Physik, Astronomie, Astronomie-AGs Zielgruppe Jahrgangstufe 11-13 Zeitraum 2-5 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang (Internetrecherche zu fachlichen Grundlagen und zur Auswertung der Spektren) Software Astroart oder kostenlose Astroart-Demoversion zur Erstellung von Intensitätsprofilen längs beliebiger gerader Linien in Bilddateien; Tabellenkalkulation (hier MS Excel) Steffen Urban ist Schüler der Jahrgangstufe 12 am Kopernikus-Gymnasium Wissen. In seiner Facharbeit beschäftigte er sich mit der Kalibrierung des DADOS-Spaltspektrographen. Das Bohrsche Atommodell Nach dem Bohrschen Atommodell gibt es für Elektronen in einem Atom oder Ion verschiedene diskrete Energieniveaus, so genannte Quantenzustände. Es ist nicht möglich, dass die Elektronenenergie Zwischenwerte annimmt. Niels Bohr (1885-1962) schrieb jedem dieser Zustände eine bestimmte Kreisbahn eines Elektrons um den Atomkern zu. Energieniveaus und Spektrallinienserien des Wasserstoffatoms Normalerweise hält sich das Elektron in einem Wasserstoffatom im Grundzustand auf (Quantenzahl: n = 1), also auf der Stufe mit der niedrigsten Energie. Der Begriff "Grundzustand" rührt daher, dass ein mittels Energiezufuhr auf einen höheren Zustand befördertes Elektron nach kurzer Zeit wieder in diesen Grundzustand zurückfällt. Theoretisch gibt es in einem Atom unendlich viele Quantenzustände für Elektronen, deren Energiedifferenzen mit größeren Quantenzahlen jedoch immer geringer werden, und deren Energien gegen einen bestimmten Wert, die Ionisationsgrenze, konvergieren. Wenn man die Gesamtenergie eines Elektrons im Wasserstoffatom an der Ionisierungsgrenze zu Null Elektronenvolt (eV) festlegt, dann hat es im Grundzustand eine Energie von -13,6 Elektronenvolt. Zur Ionisierung eines Wasserstoffatoms im Grundzustand ist also eine Mindestenergie von 13,6 Elektronenvolt erforderlich. Die Energieniveau-Schemata der Atome anderer Elemente sind deutlich komplizierter. Allen gemeinsam ist aber das Auftreten von diskreten Energieniveaus. Aufnahme und Abgabe von Energie in einem Atom Der Wechsel eines Elektrons zwischen zwei diskreten Energiestufen ist mit der Aufnahme oder der Abgabe von Energie verbunden. Dies erfolgt entweder strahlungslos durch eine Kollision mit einem anderen Teilchen, oder aber durch Absorption (Energie wird aufgenommen) oder Emission (Energie wird abgegeben) eines Lichtquants, eines so genannten Photons, der Energie W = h•f. Die Vorgänge der Aufnahme und Abgabe von Energie in einem Atom durch Elektronensprünge ("Quantensprünge") illustriert Abb. 2. Neben den im Wasserstoffatom existierenden Energiezuständen zeigt Abb. 1 auch, welche Übergänge zwischen solchen Zuständen möglich sind, das heißt welche Spektrallinien im Wasserstoffspektrum zu erwarten sind. Im sichtbaren Bereich des Spektrums liegen dabei ausschließlich Linien der Balmerserie. Damit Linien dieser Serie emittiert werden können, müssen Wasserstoffatome sich in einem Quantenzustand mit n = 3 oder höher befinden. Linien der Balmerserie treten im Absorptionsspektrum von Wasserstoff nur dann auf, wenn hinreichend viele Atome sich im Zustand mit n = 2 aufhalten. Wann und warum diese Bedingung von Sternen erfüllt wird, wird im Folgenden erläutert. Planck-Funktion und Absorptionsspektren Sterne existieren in einem sehr großen Oberflächen-Temperaturbereich von etwa 3.000 Kelvin bis über 100.000 Kelvin, wobei die Sonne an der Oberfläche etwa 6.000 Kelvin heiß ist. Sterne strahlen ihre Energie gemäß der Planck-Funktion ab, die in Abb. 3 (zur Vergrößerung bitte anklicken) logarithmisch dargestellt ist. Die Kurvenform ist temperaturunabhängig, die Maxima verschieben sich mit steigender Temperatur nach links. Dadurch erscheinen kühlere Sterne rötlich, heiße Sterne sind bläulich. Betrachtet man neben der spektralen Verteilung der abgestrahlten Energie die Spektren verschiedener Sterne, so erscheint die Situation auf den ersten Blick deutlich unübersichtlicher. Abb. 4 zeigt Spektren von sieben verschiedenen Sternen. Man erkennt, dass alle diese Spektren Absorptionsspektren sind, das heißt in einem eigentlich kontinuierlichem Spektrum fehlt Licht diverser diskreter Wellenlängen. Die dunklen Linien in den Spektren nennt man Absorptionslinien, da Licht der entsprechenden Farbe beziehungsweise Wellenlänge in den Sternatmosphären absorbiert wird. Spektraltypen Die Klassifizierung der Sterne in Spektraltypen erfolgte anfänglich nur anhand von Merkmalen im Spektrum. So nimmt die Intensität mancher Absorptionslinien von einer Klasse zur nächsten manchmal zu oder auch ab. Später erkannte man, dass die Oberflächentemperatur eines Sterns für das Aussehen seines Spektrums verantwortlich ist. Die Spektralklassen wurden in eine Temperatursequenz umgeordnet (Abb. 5), wobei die Oberflächentemperaturen von der Spektralklasse O (für ganz heiße Sterne mit etwa 30.000 bis 50.000 Kelvin Temperatur) über B, A, F, G und K bis hin zu M (etwa 2.000 bis 3.350 Kelvin) abnehmen. Das Merken dieser Reihenfolge erleichtert der Satz " O B*e *A* *F*ine *G*irl, *K iss M e!". Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Spektralklassensequenz in jüngerer Zeit um die Klassen L und T für Zwergsterne erweitert wurde. Eigenschaften der Spektralklassen In den Atmosphären sehr heißer Sterne der Spektralklassen O, B und A können keine Moleküle existieren. Die heftige thermische Bewegung der beteiligten Atome würde jegliche chemische Bindung sprengen. Auf weniger heißen Sternen der Klassen K und M existieren Moleküle. Deren Spektrallinien tauchen als Absorptionslinien in den Spektren auf und machen diese recht unübersichtlich. In K- und M-Spektren gibt es im sichtbaren Wellenlängenbereich keine Linien aus Atomspektren. Die Elektronenhüllen aller Atome befinden sich im energetischen Grundzustand, und alle Absorptionslinien, die durch Lichtabsorption eines Atoms im Grundzustand zustande kommen können, liegen im ultravioletten Bereich. Dagegen ist die Situation bei den heißen Sternen anders gelagert: Die aufgrund ihrer Wärmebewegung große kinetische Energie der Atome führt bei Stößen der Atome untereinander zur Beförderung der Elektronen in höher gelegene Quantenzustände. Derart "angeregte" Atome absorbieren, wie oben erläutert, auch sichtbares Licht. Das Wega-Spektrum Beim Stern Wega (Spektralklasse A) ist die Situation besonders übersichtlich: Das Spektrum enthält im Sichtbaren ausschließlich Absorptionslinien, die zur Balmerserie des atomaren Wasserstoffs gehören. Die Oberflächentemperatur des Sterns und damit die Bewegungsenergie der Wasserstoffatome in der Sternatmosphäre sind nämlich groß genug, dass ständig viele Wasserstoffatome durch Stöße untereinander in den Quantenzustand mit n = 2 gelangen. Damit sind die Bedingungen für das Auftreten sichtbarer Absorptionslinien gegeben (vergleiche Abb. 1). Wega ist der Hauptstern des Sternbilds Leier. Diese Konstellation ist durch den berühmten Ringnebel (M 57) bekannt. Wega bildet zusammen mit Deneb (Hauptstern im Sternbild Schwan) und Atair (Hauptstern im Adler) das so genannte Sommerdreieck (Abb. 6). Sie ist etwa 25,3 Lichtjahre von der Sonne entfernt und damit ein relativ nahe gelegener Stern. Zusammen mit Arktur und Sirius ist Wega einer der hellsten Sterne in der Nachbarschaft der Sonne. Wega diente als Nullpunkt zur Kalibrierung der astronomischen fotometrischen Helligkeitsskala. Sie ist ein bläulich-weißer Stern der Spektralklasse A, der in seinem Kern Wasserstoff zu Helium fusioniert. Mit einem Alter von ungefähr 400 bis 500 Millionen Jahren zählt Wega zu den noch ziemlich jungen Sternen. Wega weist die doppelte Masse und die 37-fache Leuchtkraft der Sonne auf. Das sichtbare Spektrum wird durch Absorptionslinien des Wasserstoffs, speziell durch Linien der Balmerserie, dominiert. Die Linien der anderen Elemente sind nur ganz schwach ausgeprägt. Da massereiche Sterne ihren Wasserstoff viel schneller als kleinere Sterne zu schwereren Elementen fusionieren, ist die Lebenszeit von Wega mit einer Milliarde Jahre vergleichsweise gering. Das entspricht etwas weniger als einem Zehntel der Lebenszeit der Sonne. Mit Lebenszeit ist hier die Zeit gemeint, während der ein Stern Energie aus der Fusion von Wasserstoff freisetzt. Danach wird sich Wega zu einem roten Riesen der Spektralklasse M aufblähen, um schließlich als Weißer Zwerg zu enden. Durch die vermehrte Abstrahlung im Infrarotbereich weiß man, dass Wega von einer Gas- und Staubscheibe umgeben ist. Im Jahr 2003 berechneten britische Astronomen, dass die Eigenschaften dieser Scheibe vermutlich am besten durch einen Planeten, der dem Neptun ähnelt, erklärt werden können. Trotz intensiver Suche konnte bei Wega bis heute aber noch kein Planet nachgewiesen werden. Aufnahme des Wega-Spektrums Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren der Wega und einer Energiesparlampe wurden mit einem DADOS-Spektrographen der Firma Baader-Planetarium am C8-Teleskop der Schulsternwarte der Geschwister-Scholl-Realschule in Betzdorf gewonnen. Die Methode der Technik der Gewinnung von Spektren als Bilddateien wird ausführlich in der Unterrichtseinheit Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln beschrieben. Nachdem das Spektrum der Wega (Abb. 7) zur Verfügung steht, 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. Eine Energiesparlampe als Kalibrierlichtquelle Als so genannte Kalibrierlichtquelle verwendet man eine externe Lichtquelle, die hinreichend viele und möglichst genau bekannte Wellenlängen emittiert, die über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt sind. Diese Anforderungen erfüllen handelsübliche und preiswerte Energiesparlampen. Diese benötigen im Gegensatz zu den üblicherweise in Physiksammlungen vorhandenen Spektrallampen weder Vorschaltgeräte noch eine Hochspannungsversorgung. Auch das Problem der Erhitzung spielt keine Rolle. Energiesparlampen sind also auch in einer beengten Sternwarte problemlos und gefahrlos zu betreiben. Steffen Urban hat das Referenzspektrum einer Energiesparlampe (ESL) im Rahmen seiner Facharbeit mit großer Genauigkeit vermessen (Abb. 8). Die Fehler bei den Wellenlängenwerten liegen typischerweise um 0,1 Nanometer. Erster Schritt: Das Spektrum der Kalibrierlampe Zu Beginn wird der Spektrograph auf der Grundlage des bekannten Spektrums einer Energiesparlampe (siehe Abb. 8) kalibriert. Wir wählen dazu das untere der drei Spektren im Bild "spektrum_ESL.jpg", das (genau wie das Wega-Spektrum im Bild "spektrum_wega.jpg") mit dem 35 Mikrometer breiten Spalt des DADOS-Spektrographen aufgenommen wurde. Nun gilt es, mithilfe des Programms Astroart und einer Tabellenkalkulationssoftware (hier MS Excel) daraus ein Intensitätsprofil längs einer Strecke durch das Spektrum zu erstellen. Die kostenfreie Demoversion von Astroart reicht für unsere Zwecke aus. Als Endergebnis der Prozedur entsteht ein Diagramm, wie es in Abb. 9 in den Spalten D bis G (oben) zu sehen ist. Abb. 9 zeigt einen Screenshot der Exceldatei "wega_muster_auswertung.xls". Zweiter Schritt: Die Kalibrierfunktion Auf der Erzeugung des Intensitätsprofils des Kalibrierlampen-Spektrums folgt die Ermittlung der Kalibrierfunktion, die jeder Pixelnummer aus Spalte A in Abb. 9 eine Wellenlänge zuordnet. Dabei entsteht die rote Wertetabelle der Kalibrierfunktion in den Spalten P und Q von Abb. 9. Zu dieser Tabelle erstellt man dann ein Diagramm (unteres Diagramm in den Spalten D bis G, Abb. 9). Dritter Schritt: Das Wega-Spektrum Wie oben für das Energiesparlampen-Spektrum beschrieben, verfährt man nun mit dem Wega-Spektrum (Datei "spektrum_wega.jpg"). In Astroart wird von dem Spektrum ein Profil mit den gleichen Endpunkten wie zuvor beim Energiesparlampen-Spektrum erzeugt. Vom Spektrum der Wega liegt dann eine Funktion vor, die jeder Pixelnummer die entsprechende Intensität zuordnet. Mithilfe der im zweiten Schritt gewonnenen Kalibrierfunktion werden dann die Pixelnummern durch Wellenlängen ersetzt. Aus den Spalten J und I (Abb. 9) entsteht schließlich das Wega-Spektrum in seiner endgültigen Form (Spalten L bis O, unteres Bild in Abb. 9). Aus dem Intensitätsprofil des Wega-Spektrums lokalisiert man die ungefähre Lage der drei auffallenden Absorptionslinien. Die Intensitätswerte aus Spalte I in Abb. 9 helfen bei der genauen Festlegung der Intensitätsminima. Das Verfahren ist bei der Ermittlung der Linienmaxima im Energiesparlampen-Spektrum ausführlich beschrieben. Abb. 10 zeigt die Ergebnisse dieser Prozedur und gleichzeitig eine Möglichkeit, die Daten anschaulich darzustellen. Unter den von uns gemessenen Wellenlängen der Absorptionslinien sind die Literaturwerte ergänzt. Die in der Literatur als sichtbar beschriebenen Balmerlinien H-delta (410,2 Nanometer) und H-epsilon (397,0 Nanometer) fehlen hier. Ursache ist ein UV-Sperrfilter vor dem Sensor der verwendeten Kamera. Dieser blockiert sämtliches Licht mit Wellenlängen unter 415 Nanometern. Man erkennt die drei Absorptionslinien H-alpha, H-beta und H-gamma der Balmerserie (vergleiche Abb. 1 ). Damit ist zum Beispiel nachgewiesen, dass die Atmosphäre der Wega größere Mengen an atomarem Wasserstoff enthält. Außerdem kann man daraus schließen, dass diese Wasserstoffatome vergleichsweise hohe Temperaturen haben. Atome, die Licht der Balmerwellenlängen absorbieren, müssen sich im "ersten angeregten Energiezustand" (Quantenzahl n = 2) befinden. Dieser ist nur bei hohen Temperaturen ausreichend besetzt. Wega - ein geeignetes Objekt für den Einstieg in die Spektroskopie Für eine erste Betrachtung des Spektrums eines Himmelsobjekts eignet sich das Spektrum der Wega besonders gut. Da es im sichtbaren Bereich nur die Linien der Balmerserie zeigt, ist es auch für Anfänger auf dem Gebiet der Spektroskopie leicht zu überschauen und zu interpretieren. Abweichung von den Literaturwerten Die in unserer Musterauswertung (siehe Abb. 9) ermittelten Wellenlängen der Absorptionslinien im Wega-Spektrum (Abb. 10) weichen von den Literaturwerten um etwa ein Nanometer ab. Ein Grund dafür ist der Umstand, dass wir uns bei der Festlegung der Orte der Spektrallinien - sowohl im Kalibrier-, als auch im Wega-Spektrum - auf ganzzahlige Pixelwerte beschränkt haben. Wer bereit ist, mehr Aufwand zu betreiben, kann die Linienorte in den Spektren durch Betrachtung der jeweiligen Linienprofile auf etwa 0,1 Pixel genau festlegen und die Abweichungen von den Literaturwerten damit nennenswert reduzieren. (Informationen zur Vorgehensweise finden Sie in der Unterrichtseinheit "Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln" im Abschnitt Spektren planetarischer Nebel .) Eine weitere Fehlerursache liegt darin, dass die Funktion "Trendlinie" in Excel, die die Kalibrierfunktion liefert, die Koeffizienten der Terme zweiter und höherer Ordnungen nur auf eine geltende Ziffer genau angibt. Mit anderer Software (zum Beispiel dem Open-Source-Programm Qtiplot) sind exaktere Kalibrierfunktionen konstruierbar. Wikipedia: QtiPlot QtiPlot ist ein Open-Source-Programm zur Analyse und Visualisierung von Daten. Steffen Urban ist Schüler der Jahrgangstufe 12 am Kopernikus-Gymnasium Wissen. In seiner Facharbeit beschäftigte er sich mit der Kalibrierung des DADOS-Spaltspektrographen.

Die neuen Medien und ihre vielfältigen Kommunikationsmöglichkeiten sind eine geeignete Plattform, um tradierte Bildgenres ins rechte Licht zu rücken. Ein schul- und fächerübergreifendes Projekt experimentiert mit alten Bildern und neuen Medien.In einer sprunghaft expandierenden Welt der Bilder ist Bildkompetenz etwas, was immer mehr den traditionellen Bereich der Kunst verlässt. Dem Kunstunterricht bietet sich in dieser Situation die Möglichkeit seine Kernkompetenzen in der Bildkultur auf weitere Fächer zu erweitern und sich sogar als Leitfach zu festigen. Die neuen Medien mit ihren vielfältigen Kommunikationsfähigkeiten sind eine geeignete Plattform, um auch tradierte Bildgenres ins rechte Licht zu rücken. Anhand des mittelalterlichen Stundenbuch des Duc de Berry wird ein schul- und fächerübergreifendes Projekt dargestellt, das bei alten Bildern mit neuen Medien experimentiert. Dieser Unterrichtsversuch entstand innerhalb des kubim-Projekts "Ikonothek", das eine webfähige Bild- und Materialdatenbank mit 100 Schlüsselbildern für den Geschichts- und Kunstunterricht bereitstellt. Handlungs- und Gestaltungskompetenz durch Vernetzung Fächer- und schulübergreifender Unterricht erzeugt bei allen daran Beteiligten durch die Verknüpfungen von Methoden und Inhalten einen Mehrwert an fachlichen und sozialen Fähigkeiten. Die darin enthaltenen vielschichtigen Anforderungen an die Schülerinnen und Schüler fördern Handlungs- und Gestaltungskompetenzen. Der Kunstunterricht in Verbindung mit dem Fach Geschichte ist didaktisch darauf angelegt, individuelle Bezüge mit vorhandenen kulturellen Formen zu verbinden. Findet dies darüber hinaus schulübergreifend statt, kann die strukturelle und kommunikative Anlage der neuen Medien sehr hilfreich sein: Die entstehenden soziokulturellen Lebenswelten der Jugendlichen werden mit den gewachsenen Kulturbedingungen verknüpft. Unterschiedliche Handlungs- und Haltungsebenen können dabei abgeglichen werden. Ästhetische Bildung und historisches Wissen dringen ins Bewusstsein der Schülerinnen und Schüler. Die Projektplanung im Überblick Alle Projektschritte von den didaktisch-methodischen Überlegungen bis zu den Hard- und Softwaretipps. Inhaltliche Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen Bilder als Quellen erkennen und nutzen. sich das Stundenbuch als mittelalterliches Medium und historische Quelle erschließen. Einsichten in die bäuerliche und höfische Lebenswelt des Mittelalters am Umbruch zur Neuzeit erhalten. Einblicke in die Epoche des Hochmittelalters als eine Zeit weitreichender Veränderungen bekommen. eine Vertiefung der Wahrnehmung der heutigen eigenen Lebenswelt und Heimat erleben. fundamentale Unterschiede zwischen heutiger und mittelalterlicher Lebensrealität bewusst erfahren. Anknüpfungspunkte an ihre persönliche Lebenswelt entdecken. Ziele im Bereich der Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Möglichkeiten ästhetischer Prozesse am Computer erkennen. persönliche Ausdrucksformen am Computer mit gestalterischen Regeln verbinden. die Anwendung von neuen Medien und Präsentationsformen üben. analoge und digitale Bildmedien vergleichen und verstehen. Bilder als unterschiedliche mediale Kommunikationsstrukturen erkennen und anwenden. Kommunikation als Austausch und Erweiterung von Wissen begreifen. schul- und fächerübergreifende Zusammenarbeit durch den Einsatz neuer Medien erleben. Das Stundenbuch des Duc de Berry Das Stundenbuch des Duc de Berry Les très riches heures / Raymond Cazelles; Johannes Rathofer. Mit einer Einführung von Umberto Eco, Sonderausgabe, Wiesbaden: Drei-Lilien-Verl., 2001 (Günstiger Nachdruck der Faksimileausgabe) Die "Très riches heures" Die "Très riches heures" von Jean, Duc de Berry / Bibliotheque de l'Image, Jean Dufournet. Aus dem Franz. übers. von Monika Zeutschel, Sonderausgabe, Köln: Parkland, 2003 (Günstiges Buch mit vielen Details, aber vor allem guten Scanvorlagen der einzelnen Monatsbilder) Doelker, Christian: Ein Bild ist mehr als ein Bild Doelker, Christian: Ein Bild ist mehr als ein Bild. Visuelle Kompetenz in der Multimedia-Gesellschaft, Stuttgart: Klett-Cotta, 1999 Bildkompetenz als zentrale Aufgabe In einer sprunghaft expandierenden Welt der Bilder ist Bildkompetenz etwas, was immer mehr den traditionellen Bereich der Kunst verlässt und als jedermann von jedermann übernommen wird. Die Ergebnisse sind dadurch entweder mangelhaft oder beliebig. Dem Kunstunterricht bietet sich aber gerade in dieser Situation die Möglichkeit, seine Kernkompetenzen in der Bildkultur auf weitere Fächer zu erweitern und sich sogar als Leitfach zu festigen. In schulübergreifenden Projekten wird deutlich, dass die dabei entstehenden Handlungs- und Kommunikationsprozesse in Formen gebracht werden müssen, deren Regeln auch in den Formen der "klassischen Kunst" zu finden sind. Decodierung der Bilder Bilder haben zwar keine feste semantische Bedeutung, sie enthalten nach Christian Doelker eine "grundsätzliche Polysemie", dennoch weisen sie eine mehr oder weniger festlegbare Anzahl von "Codes" auf. In der Kombination aus tradierten Bildformen und deren Übertragung in ein neues, digitales Medium überwiegt der Aspekt der "Decodierung" gegenüber dem der Verfremdung. Der Abgleich beider Wahrnehmungs- und Gestaltungsvariablen, das heißt die Abgrenzung der "klassischen" Bildform gegen die der "modernen", ist eine weitere Orientierung im Feld möglicher Missdeutungen. Persönliche Lebenswelt mit kulturellen Grundlagen verbinden Ein Bild in seinen geschichtlichen und gesellschaftlichen Zusammenhängen zu verstehen, kann für Schülerinnen und Schüler eine wichtige Orientierungshilfe in der Einschätzung ihrer eigenen Persönlichkeit in ihrem kulturellen Umfeld sein. Als pädagogischer Mehrwert erweist sich in diesem Zusammenhang die Anwendung der Techniken der neuen Medien: Die dabei geforderten ästhetischen Prozesse fördern kooperatives Denken und Handeln. Über das notwendige "vernetzte Denken" entwickeln sich zunehmend auch inhaltlich komplexe Kommunikationsstrukturen. So kann man darin "Kommunikation lernen" und "Lernen als Kommunikation" begreifen. Handlungs- und Verwertungskompetenz Die Einbindung digitaler Medien in den Unterricht verlangt eine enge Abstimmung von Handlungs- und Verwertungskompetenz. Die Arbeit am Computer stellt zuerst die Frage nach der technischen Beherrschung der Programme: "Wie geht das?". Doch bei nahezu jedem Mausklick entsteht die Frage, für welches gestalterische Ziel dieser technische Schritt gedacht ist: "Wozu ist das gut?" So entsteht bereits innerhalb der Arbeitstechnik ein komplexes Lernfeld ästhetischer Bildung. Bilder als Gestaltungs- und Kommunikationsanlass Die traditionelle Vorgehensweise des Faches Kunst, Bilder als Gestaltungsanlass zu gebrauchen, ist sicherlich nicht ungefährlich: Der Missbrauch der Bilder steckt latent schon im Begriff "Gebrauch". Dennoch ist die Vermittlung bestimmter kulturhistorisch tradierter Bilder in der Schule eine sinnvolle Hilfe bei der Orientierung im "medialen Dschungel". In diesen Bildern sind gewisse Schlüsselwerte in Form und Inhalt enthalten, die sie zu dem gemacht haben, was sie heute sind. Die "klassische" Bildtradition lebt geradezu von der symbolischen Vor- und Nachbezüglichkeit. Dem steht das digitale Bild im Netz gegenüber: im "medialen Dschungel" der gedächtnislosen Aspekte. Bewusste Wahrnehmung der heutigen Mediengesellschaft Dieser Argumentation zur Auseinandersetzung mit solchem "historischen Ballast" können die Schülerinnen und Schüler in der Regel kaum folgen. Die Anbindung an die gegenwärtigen Bildinteressen der Jugendlichen kann zum einen der "Speck sein, mit dem man Mäuse fängt". Zum anderen kann sie als ein Prüfstein für formale und inhaltliche Qualitäten beider Bildwelten herangezogen werden. So fördert eine Untersuchung, Gestaltung und Umgestaltung von historischen Bildern und ihren Spuren in der Gegenwart notwendig die bewusste Wahrnehmung von einer sich rasch verändernden Umwelt. Denn diesen tiefgreifenden Veränderungen und Umdeutungen, denen traditionierte, ikonografische Inhalte und Bildformen in der Gegenwart der heutigen Mediengesellschaft unterliegen, haben wir uns längst unterworfen: Sie sind Teil unserer sich ständig neu erschaffenden Kulturtradition. Veränderte Sprach- und Kommunikationsformen In einem Unterrichtsprojekt, in dem mithilfe neuer Medien auf die tradierten Bildinhalte eines mittelalterlichen Kalendariums zurückverwiesen wird, werden die Schülerinnen und Schüler gezwungen, ihre eigenen sich entwickelnden und verändernden Sprach- und Kommunikationsformen zu überprüfen und diese miteinander abzustimmen. Die Erkenntnis der Andersartigkeit des Anderen im Bild und in der Person steht anfänglich im Vordergrund. Doch die Leistung der gemeinsamen Sprachebene ist das erfolgreiche Ergebnis. Eigenschaften des digitalen Bildes Eines der besonderen Eigenschaften und oft als negativ beschriebenen Möglichkeiten von digitalen Bildern ist ihre Unabhängigkeit vom jeweiligen Bildträger. Ein digitales Bild existiert auf jedem Computer gleich und abhängig vom Monitor dennoch verschieden. In dieser digitalen Welt ist die permanente Abgleichung von statischen, werkkonsequenten Eigenschaften - und den durch die Digitalisierung entstandenen Variablen - ein notwendiger Anteil in jedem Wahrnehmungs-, Handlungs- und Gestaltungsprozess. Das Ergebnis ist eine raschere und flexiblere Ausdeutung verschiedener "Codes" bei Jugendlichen. Neue Funktions- und Gebrauchsweisen Diese flexible Ausdeutung erzeugt eine hohe Unabhängigkeit in der Wertung von Bildbotschaften. Sie führt zu verstärkten Erfahrungen im Prozesshaften und zum gelassenen Umgang mit verknüpfbaren und variablen Bildsystemen. Damit gelangt man zu den neuen Funktions- und Gebrauchsweisen der Bilder und auch der sozialen Realität, die das globale Dorf verlangt. Interaktion und folglich Sozialisation sind trotz vieler gegenläufiger Behauptungen ein wesentlicher Bestandteil des Umgangs mit den neuen Medien. Raum- und Zeitgrenzen überwinden Über Schulgrenzen hinweg mit- und untereinander zu kommunizieren, ist für Schülerinnen und Schüler bei einem solchen Projekt ein besonderer Gesprächsanlass: Die persönliche und regionale Lebenswelt und der Unterrichtsinhalt, das "Stundenbuch", werden zu einem gemeinsamen Gesprächsthema. Auch die Struktur der Ereignisse, damit beide Schulen in beiden Fächern sinnvolle und vertiefte Gesprächsanlässe und eine zielführende Nutzung der neuen Medien finden können, steht im Mittelpunkt der Unterrichtspraxis: Beide Schulen haben inhaltlich versetzt zu den anderen Schulen gearbeitet, so dass die entstandenen Unterrichtsergebnisse der einen Schule gleichzeitig Kommunikations-, Lern- oder Informationsmaterial für die jeweils andere Schule waren. Fächergrenzen auflösen Fächerübergreifender Unterricht in Verbindung mit Projektarbeit löst im Idealfall die Einzelstunde auf, verändert die Lehrerzentriertheit hin zum so genannten "Team-Teaching". So entsteht ein "Projekttag" oder sogar eine "Projektwoche". Für einen erfolgreichen, in den Schulalltag integrierten Projektunterricht ist es günstig, wenn die Geschichts- und Kunststunden aneinander angebunden sind und Freistunden so gelegt werden, dass ein wechselseitiger Besuch und damit ein die Fächergrenzen auflösender Unterricht möglich ist. Verzahnung der Fächer und Schulen Im Projektbeispiel konnte im wöchentlichen Turnus eine Art "Projektblock" verwirklicht werden: eine aufeinander folgende Reihe von Stunden beider Fächer, in der sich die beteiligten Lehrerinnen und Lehrer durch günstig gelegte Freistunden gegenseitig besuchen konnten. Entsprechend parallele Stunden konnten an der anderen beteiligten Schule wenigstens im Fach Kunst umgesetzt werden, so dass eine Verzahnung beider Fächer und Schulen grundsätzlich immer möglich war. Verbindung von gestalterischen und geschichtlichen Aspekten Die Monatsbilder des Stundenbuches des Duc de Berry wurden im gesamten Verlauf eines Halbjahres in den Geschichtsunterricht eingebaut. Die erforderliche erhöhte Bereitschaft zur Mehrarbeit und Flexibilität der Lehrkräfte, aber auch der Schülerinnen und Schüler, wurde durch die Qualität der Ergebnisse ausgeglichen. Für die Schülerinnen und Schüler haben sich in jenen Wochen die Fächergrenzen vollständig aufgelöst. Fragen der formalen Gestaltung wurden so selbstverständlich mit geschichtlichen Quellen- und Inhaltsfragen verbunden. Lebenswelten gestern und heute Berührungspunkte zwischen den Fächern Kunst und Geschichte ergeben sich naturgemäß vor allem aus den spätmittelalterlichen Darstellungen, die sowohl anschauliche Aspekte der Alltagsgeschichte zeigen als auch in kunsthistorischer Hinsicht interessante Einblicke bieten: beispielsweise erste perspektivische Darstellungen oder Schnittstellen zwischen mittelalterlichen und frühneuzeitlichen Elementen. Auch unter dem Bezug "Lebenswelten gestern und heute" stellen die Bilder eine gemeinsame Ausgangsbasis in beiden Fächern dar. Koordination des Unterrichts Dennoch ist es bei der Koordination des Unterrichts in einzelnen Phasen sinnvoll innerhalb der Schulen eine Art "V-plus-X-Form" durchzuführen. Aus verschiedenen Gründen haben sich die Fächer partiell getrennt und sind an verschiedenen Punkten wieder zusammengekommen: Kunst kann länger an einem Thema bleiben als Geschichte, das an den chronologischen Aufbau gebunden ist. Das ist eine naturgemäße Grundverschiedenheit der Fächer. Diese Zusammenarbeit beider Fächer in X-Form oder in Form sich mehrfach tangierender Wellen hat sich inhaltlich und ökonomisch über weitere Projekte beider Fächer hinweg bewährt. Parallele Vermittlung von Grundkenntnissen Wichtig ist, dass beide Schulen sich in einem Vorlauf auf gemeinsame Inhalte und Kenntnisse der Schülerinnen und Schüler sowie auf Standards bis zum Beginn des eigentlichen Projektes festlegen. So sollten in diesem Projektbeispiel zu Beginn in einer parallelen Arbeitsphase Grundkenntnisse in PowerPoint, in der Benutzung des Internets, im Umgang mit digitalem Bildmaterial und in Ansätzen der Bildbearbeitung entstehen. Inhaltliche Grundkenntnisse dieser ersten Phase waren die Darstellung und Gestaltungsweise von Burgen, das Leben auf einer Burg, das Lehenswesen als staatliches und gesellschaftliches Ordnungsprinzip, der Feudalismus als Grundstruktur der mittelalterlichen Welt und das bäuerliche Leben als Kontrastierung zur Lebenswelt des Adels. Als Arbeitsmaterial stand allen beteiligten Schulen das Monatsbild "März" als Freiarbeitsmaterial im QuickTime-VR-Format sowie Abbildungen der zwölf Monatsbilder als Doppelseiten auf CD-ROM und deren Laserausdrucke auf DIN A4 zur Verfügung. Selbstverantwortung für den Unterricht Eines der Hauptziele war, mithilfe des Projektunterrichts die Schülerinnen und Schüler in einem pädagogisch schwierigen Alter in die Mit- und Selbstverantwortung für den Unterricht einzubinden. Viel zu oft und viel zu bereitwillig nehmen Lehrkräfte die Rolle des "sprechenden Lexikons" ein. Im Projekt sollten die beteiligten Lehrerinnen und Lehrer nur die Rolle des Zulieferers einnehmen. Den Unterrichtsverlauf und die Arbeitsgruppen, das Material und Ergebnis sollten die Schülerinnen und Schüler weitgehend selbst bestimmen. Die Lehrkräfte treten in diesen Phasen weitgehend als Moderator für Problemdiskussionen auf und nehmen sich in dieser Rolle im Verlauf ebenfalls zurück. So werden ausschließlich Hilfestellungen gegeben, die ein sich selbst organisierendes Lernen fördern. Formelle und informelle Netzstrukturen wechseln sich innerhalb der Unterrichteinheiten ab. Schulübergreifender Austausch von Animationen Diese offene Ziel- und Verlaufsorientierung hat im Projekt zu folgendem Ablauf geführt: Die erste Schule greift den Gesichtspunkt "regionale Lebenswelt" auf, überträgt ihn in die Gegenwart und präsentiert der anderen Schule in PowerPoint-Animationen die eigene Lebenswirklichkeit im Stil einer Set-Card: "Wer bin ich, was tue ich, wie lebe ich, was mag ich." Die zweite Schule hat mittlerweile PowerPoint-Animationen zu Themen der historischen Lebenswelt des Stundenbuchs hergestellt. Beide Animationen werden ausgetauscht und als Lernmaterial der anderen Schule zur Verfügung gestellt. Beide Klassen entwickeln die Animationen der jeweils anderen Klasse weiter oder erstellen neue Animationen als Antwort. Im gemeinsamen Chat werden Fragestellungen und Problemfelder diskutiert. Im Kommunikationsprozess entwickelte Spiele Der begonnene Kommunikationsprozess wird fortgesetzt: Beide Schulen entwickeln für Brettspiele PowerPoint-Animationen als Quiz, die den Wissens- und Kenntnisstand der jeweiligen anderen Schule überprüfen. Dabei sind persönliche Lebenswelten und -situationen, regionale Elemente und Ereignisse, Daten und Fakten der Jugendkultur genauso möglich wie die Inhalte des Stundenbuchs, solange sinnvolle Anbindungen und Bezüge erkennbar sind. Die Spiele werden ausgetauscht und von der anderen Schule auf ihre Anwendungsmöglichkeiten hin überprüft. Vor- und Nachteile einer Projektdokumentation Jedes Projekt sollte dokumentiert werden, denn die Dokumentation ist für die Beteiligten ein wichtiges Erfolgserlebnis. Darin liegt gleichzeitig eine große Gefahr für die Umsetzung des Projektgedankens: Präsentationsorientierung, Ergebnisdruck oder Erwartungshaltung durch die Projektleitung oder durch externe, übergeordnete Stellen, wie die Schulleitung und Sponsoren, können die Gestaltungsmöglichkeiten der Einzelgruppen und die Mitverantwortung für das Ergebnis so mindern, dass die Projektbeteiligten zu simplen Ausführungsgehilfen reduziert werden. Variable Präsentationsformen Abhilfe schafft eine variable Form der Präsentation, die in die Umsetzung gleich mit eingebaut wird: Eine Gruppe kann sich je nach Arbeitsverlauf und Ergebnis für die Präsentationsform Ausstellung, Referat, Präsentation, Theaterspiel, Film oder Musikstück entscheiden. Eine solche abschließende Darstellung kann auch für die Zielformulierung, Organisation und vor allem für die Motivation der einzelnen Gruppen von großer Hilfe sein. Die gemeinsame Abschlussdiskussion und Wertung ist dann ebenfalls von entscheidender Bedeutung für den Erfolg. Treffen und Austausch der Klassen In diesem Projekt wurde die bisherige "visuelle Kommunikation" wörtlich genommen. Dazu fand ein Treffen beider Klassen zum Austausch aller bisherigen Erfahrungen statt. Die zwei Klassen haben sich im Kulturpädagogischen Zentrum des Germanischen Nationalmuseums in Nürnberg getroffen. Neben dem persönlichen Kennenlernen und der Projektdiskussion in schulübergreifenden Kleingruppen stand als Ausblick der berühmte "Behaim-Globus" als Beispiel eines kunstgeschichtlichen Werkes an der Schwelle vom Mittelalter zur Neuzeit im Zentrum der Betrachtung. Alternativ wäre auch ein wechselseitiger Besuch möglich, an dem beide Klassen sich ihre jeweilige Stadt zeigen. Handlungs- und Sozialkompetenzen Bei der Bewertung von Projekten sollten unbedingt die Handlungs- und Sozialkompetenzen der Schülerinnen und Schüler im Verlauf des Projekts mit einbezogen werden. Bei schwierig zu führenden Klassen oder kniffeligen Projektaufgaben ist dieser Aspekt höher zu bewerten als das eigentliche Ergebnis. Hilfreich sind dazu Mitschriften der Lehrkräfte über die Schülerinnen und Schüler. Impulse, Neugierde, Engagement, Kreativität Geduld, Ausdauer, Frustrationstoleranz Flexibilität, Aufnehmen und Weiterverarbeiten von Ideen Ergebnisorientierung, Entwicklung, selbstständige Verarbeitung Diskussionsbereitschaft, Fähigkeit zur Zusammenarbeit Hilfsbereitschaft, Offenheit, Verantwortung Detailkenntnisse, Sachverstand, zusätzliches externes Wissen Verständnis und Einordnung Handwerkliches Geschick, gestalterische und darstellerische Fähigkeiten Schüler wollen handeln Motivation erzeugt sich durch Produktion. Schülerinnen und Schüler wollen handeln. Wichtig ist für die Lehrkraft, gerade bei pubertierenden, ihre Kräfte an ihrer Umgebung auslotenden Kindern, den Begriff der "Mitverantwortung" wirklich ernst zu nehmen: Keine Angst (gerade am Anfang eines Projekts) vor Lärm und lauten Schülerinnen und Schülern. "Alles schweigt und einer spricht, das Ganze nennt man Unterricht", dies ist für die Lehrkraft zwar oft angenehm, verhindert aber wichtige Lernprozesse in der Klasse. Die Belohnung für diesen Schritt ist nach vielen Grundsatzdiskussionen ein entspanntes Arbeitsklima mit intensiven Ergebnissen. Sinnvolle organisatorische Abläufe Dennoch gibt es einige sinnvolle organisatorische Abläufe, die ein solches Ergebnis unterstützen. Denn häufig erweist sich die Wahl des Projektvorhabens und die Formulierung eines inhaltlichen oder technischen Ziels gerade in der Gruppe als schwierig und bedarf einer ausführlichen Such- und Orientierungsphase, deren Erfolg das ganze Projekt bestimmt. Es bleibt dem Geschick und vielleicht auch der Intuition des Einzelnen oder des Lehrerteams überlassen, an welcher Stelle eine Orientierungsphase durch eine Theorieeinheit und einen Informations- oder Organisationsblock zu ersetzen ist. Manches Scheitern im Projektverlauf leitet einen (vielleicht sogar schmerzhaften) Prozess der Diskussion für die Schülerinnen und Schüler ein: Dies ist die eigentliche lehrreiche Erfahrung. Lehrerzentrierte Orientierungsphase Sinnvoll ist in der Regel eine lehrerzentrierte Orientierungsphase zu Beginn: ein rasches "Warm-Up" durch die Lehrkraft, die Problemfelder anspricht, welche sich aus den Beobachtungen der Schülerinnen und Schüler ergeben. Möglich ist eine kurze Arbeitsbesprechung, die anknüpft an die Ergebnisse der letzten Stunde, das heißt an die Beobachtungen der Schüler beim Lernen und Gestalten. Dabei sollten Theorie und Praxisdemonstrationen flexibel aufeinander abgestimmt sein. Schüler als Co-Lehrkräfte Schülerinnen und Schüler sollten aktiv am Projektverlauf beteiligt werden, indem man ihnen beispielsweise die Moderation übergibt. Schülerinnen und Schüler als Co-Lehrkräfte sind hohe Kompetenzen in der Unterrichtsgestaltung. Sind sie projektgeübt, so können sie auch die Anfangsphase und Gesamtorganisation übernehmen. In der Arbeitsphase sollten für divergierende Arbeitsziele eine Abwechslung und ein Nebeneinander digitaler und gestalterisch-praktischer Arbeitsformen möglich sein. Medienraum und mobile Medieneinheiten Für eine Internetrecherche, die zu Beginn eines solchen Projektes als Motivation dienen kann, ist bei einer Klassengröße von über dreißig Schülerinnen und Schüler ein eigener Medienraum nötig. Ebenso für die Auseinandersetzung mit dem im Projekt verwendeten QuickTime-VR-Freiarbeitsmaterial. Dabei sollten für eine selbsttätige Auseinandersetzung nicht mehr als drei Personen einen Computer nutzen. In späteren Arbeitsphasen haben die Einzelgruppen sehr unterschiedliche Anwendungsbedürfnisse: Von der kurzen Recherche für eine spezielle Problematik bis zur Ausarbeitung ganzer Präsentationen wurden zwei Laptops genutzt, die im Kunstraum ständig zur Verfügung standen. Diese wurden von den Arbeitsgruppen mit entsprechenden Hinweisen sehr sorgfältig auch direkt neben handwerklichen Tätigkeiten wie Malen, Kleistern und Hämmern genutzt. Ausstattung und Betreuung der Technik Zum Austausch von Dateien standen mehrere Memorysticks und ein CD-/DVD-Brenner zur Verfügung. Ähnliche Ausstattungen sind bei vielen Familien auch zu Hause vorhanden, so dass einige Schülerinnen und Schüler gerne als Co-Systembetreuer und Techniker fungierten. Die Erfahrung hat gezeigt, dass mobile Medieneinheiten aufgabenbezogen flexibel einsetzbar sind. Sie bieten optimale Bedingungen für einen fächerübergreifenden Unterricht. Die anstehenden Aufbau- und Installationsarbeiten werden gerne von den Schülerinnen und Schülern übernommen und in ihren Funktionsweisen an Mitschüler weitergegeben. So werden ganz nebenbei viele technisch weniger versierte Schülerinnen und Schüler mit medientechnischen Aspekten vertraut. Günstige Anschaffung von Standardprogrammen Für die Durchführung von Projekten unterstützen Microsoft-Bildungsinitiativen die Schulen beim Lernen mit neuen Medien. Über diese Projekte ist in der Regel auch ein günstiger Zugang zur Software möglich. Adobe Photoshop ist das Standardprogramm für die professionelle Bildbearbeitung. Die Anschaffung ist nicht billig. Aber gerade im Kunstunterricht, der ja auch im grafischen Bereich berufsvorbereitend wirken soll, macht die Anschaffung der Vollversion zumindest für einen Arbeitsplatz Sinn. Günstige Varianten von Photoshop sind beim Kauf von Hardware oft enthalten. Freeware, Bundle- und Trial-Versionen Inzwischen gibt es ein umfangreiches Softwareangebot an Open Source oder Freeware für die Bildbearbeitung. Freeware sind Programme, die im Internet kostenlos zur Verfügung stehen und auf den Computer heruntergeladen werden können (Download). Ein Beispiel dafür ist das Bildbearbeitungsprogramm GIMP. Häufig wird auch beim Kauf eines Scanners, Druckers oder einer Digitalkamera eine reduzierte LE-Version von Adobe Photoshop erworben. Eine andere Software in einer so genannten Bundle-Version, das heißt gebunden an ein Hardware-Gerät, ist acdsee. Viele Schulen haben auf diese Art und Weise schon eine umfangreiche Ausstattung an kostenloser Software erworben. Darüber hinaus verfügen viele Eltern mit dem Kauf eines solchen Gerätes ebenfalls über Bildbearbeitungssoftware. Viele Schülerinnen und Schüler haben sich damit zu Hause schon selbstständig grundlegendes funktionales Wissen über die Bildbearbeitung erarbeitet. Grundsätzlich ist es auch möglich, für einen begrenzten Zeitraum so genannte Trial-Versionen zu verwenden. Bei diesen Versionen muss erst nach einer Zeit von circa drei Monaten die Kaufgebühr entrichtet werden. Ein Beispiel dafür ist der GraphikCoverter.