In dieser Unterrichtseinheit zu Tsunamis interpretieren die Lernenden Satellitenbilder zu den Folgen des Tsunami im Indischen Ozean im Jahr 2004. Dabei lernen sie Methoden der Fernerkundung zur Beurteilung der Schäden kennen. Ein interaktives Flash-Modul leitet sie von Aufgabe zu Aufgabe. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar. Naturkatastrophen gefährden Lebensräume: Siedlungen werden ausgelöscht, landwirtschaftliche Flächen überflutet, Küstenlinien verändern sich. Besonders eindrucksvoll lässt sich dies anhand von Satellitenaufnahmen nachvollziehen. Indem die Schülerinnen und Schüler diese Bilder interpretieren, sind sie in der Lage, Risiken und Schäden für Natur und Menschen zu erkennen und zu bewerten. Zentrales Thema dieser Unterrichtseinheit ist der Tsunami des Jahres 2004 im Indischen Ozean, eine der verheerendsten Naturkatastrophen der vergangenen Jahrzehnte. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten mit einem interaktiven Computer-Modul. Es ist im Rahmen des Projekts "Fernerkundung in Schulen" (FIS) des Geographischen Institutes der Universität Bonn entstanden. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II. Diese Unterrichtseinheit ist im Themenfeld "Gefährdung von Lebensräumen" verortet und hat zum Ziel, die Lernenden in Bezug auf Raumwahrnehmung und -bewertung zu schulen, so dass sie Naturgefahren und deren Auswirkungen einordnen können. Darauf aufbauend sollen Schäden in der Landschaft wie auch für den Menschen erkannt und bewertet werden. Als wissenschaftliche Grundlage dient eine Einführung in die Methodik der Fernerkundung (Veränderungsanalyse, Klassifikation), mithilfe derer die Schülerinnen und Schüler das Ausmaß der Schäden genau ermitteln können. Weiterführend sind sie dazu angehalten, über mögliche Präventivmaßnahmen nachzudenken, um das Thema in seiner ganzen Komplexität zu begreifen. Aufbau des Computermoduls Interaktive Aufgaben zu Tsunamis führen die Lernenden durch drei thematische Bereiche, Quizfragen dienen zur Sicherung der Ergebnisse. Ablauf der Stunden und Inhalte des Computermoduls Die Unterrichtsstunden zum Thema Tsunamis orientieren sich an den drei Modulteilen Einführung, Bildvergleich und Change Detection. Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung von Naturgefahren. werden in Raumwahrnehmung und -bewertung geschult. beschäftigen sich mit Entstehungsmöglichkeiten und Ursachen von Tsunamis. lernen Möglichkeiten der Fernerkundung zur Schadensermittlung kennen. Die Unterrichtseinheit "Tsunami – wenn Wellen alles ändern" bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion nachhaltig zu vermitteln. Darüber hinaus sind die durchgeführten Analysen und Manipulationen des Satellitenbildes nur mithilfe des Rechners durchführbar. Dieser Umstand bringt den Schülerinnen und Schülern das Medium Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern auch als Werkzeug näher. Das Modul ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Drei Teilbereiche Das Computermodul "Tsunami" gliedert sich in drei Bereiche: die Einführung in das Thema Tsunami, den Bildvergleich sowie Klassifikation und Change Detection. Jeder Bereich enthält einen Aufgabenteil mit Fragestellungen sowie ein Quiz zur Überprüfung des Wissens. Modulteil zwei und drei enthalten darüber hinaus auch jeweils eine sogenannte Infobox (Abbildung 1, bitte anklicken zum Vergrößern), in welcher das neue Wissen verständlich und anschaulich vermittelt wird. Tsunami - Einführung Der erste Teil des Moduls wird nach dem Start automatisch geladen. Zu Beginn ist ein Professor zu sehen, der in einer Zeitung einen Artikel über den Tsunami im Indischen Ozean liest. Indem die Schülerinnen und Schüler interaktiv in der Zeitung blättern und lesen (mithilfe des "Handsymbols" lässt sich der Bildausschnitt verschieben), erhalten sie Informationen zum Tsunami 2004 sowie allgemein zum Phänomen Tsunami. Die Aufgaben geben Hinweise, worauf die Lernenden bei der Lektüre besonders achten sollen. Der erste Modulteil schließt mit einem Quiz ab. Bildvergleich Im zweiten Teil wird anhand zweier übereinandergelegter Satellitenbilder (vor und nach dem Tsunami) das Ausmaß der Zerstörung sichtbar. Anhand eines bewegbaren Reglers, der die Satellitenbilder übereinanderlegt, können die Lernenden einen visuellen Vergleich anstellen und erste Schlüsse daraus ziehen. Nachdem sie das Quiz erfolgreich bestanden haben, gelangen die Lernenden in den dritten und letzten Teil des Moduls. Klassifikation und Change Detection Im dritten Modulteil werden die durch den visuellen Vergleich gewonnenen Erkenntnisse durch die Methodik der Change Detection und Klassifikation ergänzt oder vertieft. So kann die Schadensermittlung der betroffenen Fläche abgeschlossen werden. Die Schülerinnen und Schüler stellen Überlegungen zu Schutzmaßnahmen an und berechnen die zerstörten Flächen. Nach dem Quiz haben die Lernenden das Modul erfolgreich beendet. Navigation im Modul Das Computermodul "Tsunami" erlaubt auch, zwischen den einzelnen Bereichen zu springen. Zu Beginn ist die blaue Navigationsleiste am linken Rand noch leer. Erst nach Bestehen eines kleinen Quiz am Ende jeder Einheit wird das Icon für den jeweiligen Bereich sichtbar, sodass man später über die Navigationsleiste wieder dorthin zurück gelangen kann. Hausaufgabe zur Vorbereitung Um die Voraussetzung für die Unterrichtseinheit zu schaffen, befassen sich die Schülerinnen und Schüler zu Hause mit dem Thema Naturkatastrophen. Sie können wahlweise einen Text durcharbeiten oder eine Recherche durchführen. Ablauf der Unterrichtsstunden Der Ablauf der Unterrichtsstunden zum Thema "Tsunami" wird durch die Struktur des Computermoduls vorgegeben. In Zweierteams können sich die Schülerinnen und Schüler die drei Teilbereiche in je einer Stunde erarbeiten. Der Unterricht beginnt jeweils mit einer Erläuterung des Moduls und gegebenenfalls der Aufgabenstellung. Dann folgt die selbständige Erarbeitung und Überprüfung der Kenntnisse im Quiz. Abschließend können die Ergebnisse jeder Stunde noch einmal im Plenum gebündelt werden. Erste Informationen zum Thema In der ersten Stunde führt das Computermodul "Tsunami" mit einem Zeitungsartikel, den ein virtueller Professor (Abbildung 2, bitte anklicken zum Vergrößern) liest, in die Thematik ein. Die Schülerinnen und Schüler erfahren dort, was man unter einem Tsunami versteht und welche Ursachen ihm zugrundeliegen können. Zudem erhalten sie Informationen zum Verlauf des Tsunami, der sich am 26.12.2004 im Indischen Ozean ereignete. Quiz zu Tsunamis Aufgabe der Schülerinnen und Schüler ist es, die im Zeitungsartikel angesprochene Thematik in eigenen Worten wiederzugeben und zu verstehen. Darüber hinaus sollen sie sich in die Situation von Menschen hineinversetzen, die in gefährdeten Regionen leben. Zur Überprüfung und Festigung des Gelernten ist ein Quiz integriert, das man über einen Button unten rechts im Bild erreicht. Es leitet gleichzeitig zum nächsten Modulteil über. Satellitenbilder vergleichen mit dem Computermodul Thema der zweiten Stunde ist der Vergleich von zwei Satellitenbildern. Das Computermodul erlaubt, die Situation in einer Region vor und nach dem Tsunami gegenüberzustellen. Mithilfe eines Reglers können die Schülerinnen und Schüler zwei Bilder übereinander schieben (Abbildung 3), vergleichen und so den entstandenen Schaden visuell erfassen. Anhand der beiden Bilder sollen sie zerstörte Strukturen erkennen und benennen sowie die Zerstörung für die dort lebenden Menschen einordnen. Quiz zu Satellitenbildern Darauf aufbauend soll den Lernenden bewusst werden, welche Vorteile Satellitenbilder im Gegensatz zu normalen Fotografien haben. Hierzu finden sie nähere Informationen in der Info-Box, in der das Verfahren der Veränderungsanalyse anschaulich erklärt wird. Auch hier schließt ein Quiz den zweiten Modulteil ab und leitet in den letzten Teil über. Kennenlernen der Methode "Change Detection" In der dritten Stunde steht die in der Fernerkundung oft verwendete Methode der Change Detection (Veränderungsanalyse) im Vordergrund. Das Computermodul zeigt hierzu zwei gegenübergestellte Bilder - vor und nach dem Tsunami. In der Info-Box wird der Aufbau eines Satellitenbildes (Raster, Pixel) sowie dessen Farbgebung erklärt. Darauf aufbauend erfahren die Schülerinnen und Schüler, wie diese Farbinformationen genutzt werden können, um aus einem Bild eine thematische Karte abzuleiten und dass der Computer die Ähnlichkeiten der Farbwerte der einzelnen Pixel dazu nutzt, diese in Landbedeckungsklassen einzuteilen. Eigenständige Bearbeitung und Quiz Die Schülerinnen und Schüler haben nun die Aufgabe (Abbildung 4), über drei unter den Bildern angezeigte Regler die prozentualen Anteile der drei Grundfarben Rot, Grün, Blau auszuwählen. So können sie herausfinden, in welche Flächen man das dargestellte Gebiet einteilen kann und wie groß der tatsächliche Schaden ist. Als weiterführende und abschließende Fragestellung sollen sich die Lernenden über eventuelle Schutzmaßnahmen Gedanken machen und diese diskutieren. Ein Quiz rundet das Modul inhaltlich ab.

Ausgehend vom Begriff "Internet der Dinge" lernen die Schülerinnen und Schüler in dieser Unterrichtseinheit die zentralen Eigenschaften und Merkmale von Smart Cities kennen. Vor dem Hintergrund der Aspekte Energieeffizienz, Nachhaltigkeit, Klimaschutz und Sicherheit und gesellschaftlicher Teilhabe geht es sowohl um die Chancen als auch Herausforderungen, die mit der digitalen Transformation von Städten verbunden sind, und um welche Rolle jeder Einzelne dazu beitragen kann. So entwickeln sie unter anderem eigene Ideen für ihren Heimatort auf dem Weg zur Smart City. Mithilfe dieser Unterrichtseinheit setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Thema Smart City auseinander. Sie erfahren, was sich hinter dieser Bezeichnung verbirgt, durch welche Merkmale sich digitalisierte, vernetzte Städte auszeichnen und welche Städte in Deutschland und der Welt sich schon auf dem Weg zur Smart City befinden. Vor dem Hintergrund aktueller gesamtgesellschaftlicher Veränderungen geht es auch um die Aspekte Energieeffizienz, Nachhaltigkeit, Klimaschutz und Sicherheit. Dabei befassen sich die Lernenden sowohl mit den Chancen als auch den Risiken von smarten Städten. Digitalisierung und Technologie bestimmen zunehmend den Alltag. Gleichzeitig wird es vor dem Hintergrund des Klimawandels wichtig, sparsam und effizient mit immer knapper werdenden Ressourcen umzugehen sowie über nachhaltigere Alternativen nachzudenken und in den Alltag zu integrieren. Das betrifft nicht nur einzelne Gebäude, sogenannte Smart Homes oder Smart Buildings, sondern ganze Städte. Viele von ihnen in Deutschland und der Welt haben sich auf den Weg zur sogenannten Smart City begeben. Durch welche Merkmale zeichnen sich diese digitalen, vernetzten Städte aus? Welche Rolle kann dabei jeder Einzelne spielen? Gibt es auch schon in Deutschland Smart Cities? Inwieweit werden solche Vorhaben von der Bundesregierung gefördert? Welche Chancen aber auch technischen, gesellschaftlichen Herausforderungen sind mit der digitalen Transformation verbunden? Welche Folgen hat die Bereitstellung und Nutzung auch personenbezogener Daten auf den Datenschutz und die Datensicherheit? Hier setzt die vorliegende Unterrichtseinheit an. Umsetzung der Unterrichtseinheit Die Unterrichtseinheit bietet Schülerinnen und Schülern einen grundlegenden Überblick zum Thema Smart Cities. Unter der Nutzung des Schaubildes auf dem Arbeitsblatt " Internet der Dinge und Smart Cities: Was ist das? " definieren die Lernenden in einem ersten Schritt den Begriff Smart Living. Zur inhaltlichen Unterstützung können hier von der von der Lehrkraft die Materialien der Unterrichtseinheit " Smart Home: smart leben, lernen und arbeiten in Gegenwart und Zukunft " herangezogen werden. Darauf aufbauend setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Begriff Internet der Dinge (IoT) auseinander. Unter der Nutzung der dazu auf dem Arbeitsblatt " Internet der Dinge und Smart Cities: Was ist das? " hinterlegten Informationen verfassen sie dazu in Einzelarbeit eine Definition von maximal 300 Wörtern und präsentieren diese im Plenum. Anschließend tragen sie gemeinsam in der Klasse beispielhafte IoT-Anwendungen zusammen und fixieren diese schriftlichen an der Tafel/dem Whiteboard und auf Papier. Die Erstellung einer Mindmap zum Begriff Smart City rundet den ersten Komplex der Unterrichtseinheit ab. Unter Berücksichtigung der Aspekte Digitalisierung, Sicherheit, Nachhaltigkeit und Klimaschutz sind die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, ihre Assoziationen schriftlich festzuhalten. Als Hilfestellung kann dazu im Vorfeld die h5p-Anwendung " Smarter Wortwürfel " genutzt werden. Die Auseinandersetzung mit den zentralen Merkmalen und Eigenschaften von Smart Cities bildet den zweiten Teil der Unterrichtseinheit. Hierfür steht das Arbeitsmaterial " Handlungsfelder in einer Smart City " bereit. Dabei geht es auch um die Frage, inwieweit Smart Cities einen Beitrag für mehr Nachhaltigkeit und Umweltschutz leisten können, aber auch, welche Chancen und Herausforderung damit verbunden sind. Neben einem Essay, das einen Tag in einer Smart City aus der Sicht der Lernenden beschreibt, bildet eine Pro- und Contra-Diskussion zur Frage "Brauchen wir digitale vernetzte Städte?" den Kern dieser Unterrichtsphase. Sowohl das Essay als auch die Sammlung der Pro- und Kontra-Argumente können, je nach zur Verfügung stehender Zeit und Leistungsniveau der Lernenden, als Hausaufgabe aufgegeben werden. Verschiedene in der Literaturübersicht hinterlegte Materialien können dabei für die Lehrkraft als auch für die Schülerinnen und Schüler als Recherchequelle herangezogen werden. Im Rahmen der Pro- und Contra-Diskussion sind die zentralen Argumente für und gegen vernetzte Städte schriftlich zu fixieren. Im dritten Teil der Unterrichtseinheit portraitieren die Lernenden ausgewählte europäische und deutsche Städte, die sich auf den Weg zur Smart City begeben haben. Als Recherche- und Informationsgrundlage dienen ihnen dabei unter anderem die in der Literaturübersicht hinterlegten Quellen sowie die Webseite der Nationalen Dialogplattform Smart City. Die Portraits deutscher Städte, die auf dem Infoblatt " Smart Cities in Deutschland und der Welt " nach den hinterlegten Fragestellungen zu erstellen sind, sind von den Lernenden per Smartphone als kurzes Videostatement zu fixieren und in der Klasse zu präsentieren. Unter Nutzung der auf dem Infoblatt hinterlegten Fakten zur südkoreanischen Smart City Songdo sind die Schülerinnen und Schüler auch aufgefordert, sich sowohl mit den Chancen als auch den Risiken einer vernetzten, digitalisierten Stadt mit öffentlichen und privaten Orten zu befassen. Dabei ist im Rahmen einer gemeinsamen Plenumsdiskussion besonders der Aspekt des Datenschutzes, der Datensicherheit sowie der Persönlichkeitsrechte in den Blick zu nehmen. Das Quiz "Das clever-und-smart-Quiz" dient als Abschluss der gesamten Unterrichteinheit. Damit wiederholen und festigen die Schülerinnen und Schüler das zuvor erlangte Wissen. Zusatzaufgabe: Projektwoche – Die eigene Heimatstadt als Smart City Als Zusatzaufgabe bietet sich die Auseinandersetzung der Frage an, inwieweit sich der eigene Heimatort der Lernenden schon auf den Weg zur Smart City begeben hat. Diese sind von den Schülerinnen und Schülern unter der Nutzung lokaler Medien zu recherchieren. Auch eine gemeinsame Anfrage im örtlichen Bürgerbüro kann Aufschluss geben. Die Ergebnisse sind schriftlich zu dokumentieren. Im Rahmen eines Ideenlabors tragen die Schülerinnen und Schüler anschließend eigene Vorschläge und Visionen zusammen, wie ihr Heimatort die Transformation zur Smart City vollziehen kann. Die Ideen können schriftlich, als analoge oder digitale Collage, Videoclip, Podcast, Simulation oder Modell umgesetzt werden. Im Rahmen einer Ausstellung (digital oder analog) werden die Rechercheergebnisse und die Ideen präsentiert und veröffentlicht. Diese kann auch der Öffentlichkeit außerhalb der Schule, zum Beispiel für Eltern oder die Vertretung der Stadtverwaltung zugänglich gemacht werden. Für die Anfrage der entsprechenden Vertreterinnen und Vertreter sollte die Lehrkraft oder die Schulleitung unterstützend helfen. Einsatzmöglichkeiten Die Unterrichtseinheit ist für die Klassenstufen 11 bis 12/13 der Sekundarstufe II geeignet. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den Fächern Geografie, Technik sowie Sozial- und Gemeinschaftskunde. Die Auseinandersetzung mit Fragen der gesellschaftlichen Teilhabe aller am digitalen Transformationsprozess von Städten und Gemeinden sowie Aspekte des Datenschutzes und der Datensicherheit bieten darüber hinaus Anknüpfungspunkte für den Ethikunterricht. Die Zusatzaufgabe sollte im Rahmen des zeitlichen Umfangs in einer Projektwoche realisiert werden und eignet sich somit auch für den fachübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht. Thematisch verwandte Unterrichtseinheiten aus dem Dossier Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits über grundlegendes Wissen rund um die Themen Smart Home und Smart Building verfügen. Hierzu kann die Unterrichtseinheit "Smart Home: smart leben, lernen und arbeiten in Gegenwart und Zukunft" mit seinen Materialien genutzt werden. Diese umfasst Wissen um die Merkmale und Funktionen eines Smart Homes, die Vorteile aber auch Vorbehalte gegenüber intelligenter und vernetzter Gebäudetechnik. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wiederholen die zentralen Merkmale von Smart Homes/Smart Buildings. wissen, was eine Smart City ist und durch welche Merkmale sich diese auszeichnet. erkennen die Vor- und Nachteile von Smart Cities. setzen sich mit Fragen des Datenschutzes, der Datensicherheit sowie der Persönlichkeitsrechte auseinander, die die Erfassung, Dokumentation und Speicherung von Daten von Bürgerinnen und Bürgern mit sich bringt. reflektieren vor dem Hintergrund des Klimawandels die Bedeutung von Smart Cities für einen nachhaltigen, effizienten und ressourcenschonenden Umgang mit Energie. erkennen die Bedeutung von Smart Cities vor dem Hintergrund einer effektiven Energienutzung. kennen Städte in Deutschland, Europa und der Welt, die sich auf den Weg zur Smart City begeben haben. erarbeiten Ideen, wie ihre Heimatstadt die Transformation zur Smart City vollziehen kann. kennen Möglichkeiten, wie Haushalte selbst einen Teil zur Smart City, speziell der Versorgung mit Energie, beitragen können und welche Rolle dabei Elektrofahrzeuge spielen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren Videobeiträge zielgerichtet entsprechend einer Aufgabenstellung. lernen, Medien zur Informationsbeschaffung zu nutzen. üben sich im eigenständigen Analysieren und Interpretieren von Grafiken, Schaubildern und Zahlenmaterial. trainieren das selbstständige Recherchieren von Inhalten im Internet. üben sich darin, wichtige von unwichtigen Informationen zu unterscheiden und wichtige Inhalte aus einem Medienbeitrag zu extrahieren. nutzen aktiv verschiedene Medien und erkennen deren Vor- und Nachteile im Rahmen der Informationsaufbereitung. trainieren das verständliche und zielgruppengenadäquate Schreiben. bereiten eigene Ideen und Visionen schriftlich und gestalterisch auf. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- beziehungsweise Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Menschen. lernen das strukturierte Erfassen von Informationen. üben sich darin, bei inhaltlicher Kritik sachlich zu argumentieren. schulen im Rahmen von Diskussionen und Präsentationen die eigene Ausdrucksfähigkeit und aktives Zuhören. trainieren das kreative Entwickeln eigener Ideen.

In dieser Unterrichtseinheit zum Ökosystem Wald interpretieren die Lernenden Satellitenbilder, um die Auswirkungen von Waldbränden in Griechenland zu erfassen. Dabei setzen sie sich mit der Dynamik und Stabilität von Ökosystemen auseinander und werden in die Methoden der Fernerkundung eingeführt. Ein interaktives Modul vereinfacht und veranschaulicht das Lernen. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar. Waldbrände kommen in vielen Regionen der Welt als natürlicher Teil eines Kreislaufes vor, durch den die Voraussetzungen für die Nährstoffversorgung der folgenden Baumgenerationen geschaffen werden. Ihre Auswirkungen können jedoch auch verheerend sein. Anhand von Satellitenbildern können die Schülerinnen und Schüler mithilfe eines interaktiven Computer-Moduls die Folgen nachvollziehen und sichtbar machen. Materialien und Anwendungen stammen aus dem Projekt "Fernerkundung in Schulen" (FIS) des Geographischen Institutes der Universität Bonn. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II. Die Unterrichtseinheit gibt es mit einem eigenen Computermodul auch für den Geographieunterricht: Feuerspuren im Satellitenbild - Eingriffe in Landschaften . Die vorliegende Unterrichtseinheit zum Ökosystem Wald hat zum Ziel, den Schülerinnen und Schülern den Themenkomplex "Stabilität und Dynamik von Ökosystemen" näherzubringen. Die Lernenden sollen am Ende diese Sequenz in der Lage sein, Zusammenhänge zwischen dem elektromagnetischem Spektrum, der Aufnahme und der Entstehung von Satellitenbildern sowie der Erfassung von Veränderungen innerhalb von Ökosystemen aufzuzeigen und zu verstehen. Anhand von zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommenen Satellitenbildern können die Jugendlichen Veränderungen der entsprechenden Region in Griechenland feststellen. Dabei lernen sie, wie die Pflanzen das Licht für die Photosynthese verwenden und welche Wellenlängenbereiche von Pflanzen reflektiert werden. Als wissenschaftliche Grundlage dient dabei die Einführung in die Methodik der Fernerkundung. Aufbau des Computermoduls Interaktive Aufgaben führen die Lernenden durch verschiedene thematische Bereiche; Quizfragen dienen zur Sicherung der Ergebnisse. Inhalte des Computermoduls Die Lernenden analysieren anhand von Satellitenbildern die Situation einer Region in Griechenland vor und nach den Waldbränden. Die Schülerinnen und Schüler können Satellitenbilder interpretieren und zur Analyse von Stabilität und Dynamik von Ökosystemen. können das elektromagnetische Spektrum und unterschiedliche Wellenlängenbereiche beschreiben. können Reflexionseigenschaften von Pflanzen vergleichen und zuordnen. können Vegetationsindizes für die Veränderungsanalyse anwenden. Die Unterrichtseinheit "Feuerspuren im Satellitenbild - Dynamik von Ökosystemen" bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion nachhaltig zu vermitteln. Darüber hinaus sind die durchgeführten Analysen und Manipulationen des Satellitenbildes nur mithilfe des Rechners umsetzbar. Dieser Umstand bringt den Schülerinnen und Schülern das Medium Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern auch als Werkzeug näher. Das Modul ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Das Computermodul - drei Teilbereiche Das Computermodul gliedert sich in zwei inhaltliche Bereiche: die Einführung in das Thema und den Hauptteil der Bildberechnung. Darüber hinaus wird das Modul durch einen dritten zusätzlichen Bereich ergänzt, in dem durch Videos und Tutorials der Umgang mit dem Modul vorgestellt wird. Die aktivierten Bereiche werden auf der linken Leiste eingeblendet. Während der erste Teil einen ersten Einblick in die Thematik der Waldbrände liefert und eine übergeordnete Aufgabestellung benennt, setzt sich der Hauptteil aus verschiedenen Untersequenzen zusammen, in denen jeweils Aufgabenteile mit Fragestellungen sowie Info-Boxen mit Hintergrundinformationen enthalten sind. Den Abschluss der jeweiligen Untersequenzen bildet ein Quiz. Der erste Teil des Moduls wird nach dem Start automatisch geladen. Zu Beginn ist ein Schreibtisch zu sehen, auf dem verschiedene Dokumente liegen (siehe Abbildung 1, zur Vergrößerung bitte anklicken). Die Schülerinnen und Schüler sollen sich nun nacheinander mit den drei dargestellten Dokumenten beschäftigen: einem Zeitungsartikel zu Waldbränden in Griechenland, Bildmaterial sowie der übergeordneten Aufgabestellung, die als Auftrag der EU-Kommission gestaltet ist. Durch Anklicken werden die jeweiligen Dokumente vergrößert. Nach der Bearbeitung der drei Materialien können die Jugendlichen durch Anklicken der virtuellen Computermaus in den Hauptteil des Moduls übergehen. Bildrechner Der Hauptteil ist in vier Unterbereiche unterteilt. Der erste Teil beginnt mit einem kurzen Video über den Umgang mit dem Modul. Nun können die Lernenden ein Satellitenbild im roten und infraroten Kanal, eine Satellitenkarte sowie eine Nutzungskarte laden und sich die unterschiedlichen Pixelwerte im Bild anzeigen lassen. In der dazugehörigen Info-Box (siehe Abbildung 2) wird ihnen einführendes Wissen zur Satellitenfernerkundung vermittelt. Nachdem sie das Quiz erfolgreich bestanden haben, gelangen die Lernenden in einen weiterführenden Bereich des Hauptteils. Vegetationsindex NDVI Wieder werden die Schülerinnen und Schüler durch ein kleines Video in die Vorgehensweise eingewiesen. Hier können sie zwei Satellitenbilder, eins vor den Waldbränden mit einem nach den Waldbränden, vergleichen und für den jeweiligen Zeitpunkt ein Bild des Vegetationsindex "NDVI" (Normalized Difference Vegetation Index) berechnen. In der dazugehörigen Info-Box finden sie das dazu notwendige Wissen einfach und anschaulich erklärt. Auch hier schließt dieser Teil mit einem Quiz ab und leitet in den dritten Teil weiter. Change Detection Der dritte Teil unterscheidet sich optisch nicht vom zweiten, allerdings variieren Aufgabenstellung und Info-Box, indem sie vor allem die Berechnung des Unterschiedes (change detection) der beiden Bilder in den Vordergrund stellen. Die Lösung der Aufgaben und das Bestehen des Quiz leiten in den letzten Teil über. Zeitreihenanalyse Dem letzten Teil des Moduls wird erneut ein Video-Tutorial vorangestellt. In diesem Teil liegt der Fokus auf der Zeitreihenanalyse, mithilfe welcher die Lernenden nicht nur zwei Zeitpunkte miteinander vergleichen können, sondern Bilder zu mehreren unterschiedlichen Zeitpunkten. Dies ermöglicht ihnen eine umfassendere Analyse in Bezug auf die Feuerkatastrophe, aber auch zu jahreszeitlichen Schwankungen des Ökosystems. Ein abschließendes Quiz beendet das Modul mit einer Schlussnotiz. Im Video und Tutorial-Teil können sich die Schülerinnen und Schüler zur Vorbereitung kurze Videos anschauen, um in ihrem Umgang mit dem Modul sicher zu werden. Mit jedem erfolgreich gelösten Arbeitsbereich wird ein weiteres Tutorial sichtbar, das von nun an jederzeit erneut angesehen werden kann. Die verschiedenen Tutorials lassen sich wie Karteikartenreiter am oberen Bildschirmrand anklicken (siehe Abbildung 3). Navigation im Modul Das Computermodul erlaubt auch, zwischen den zwei Hauptbereichen (Einführung und Bildrechner) zu springen. Zu Beginn ist die grüne Navigationsleiste am linken Rand noch leer. Erst nach Lesen der ersten Materialien wird das Icon für den jeweiligen Bereich sichtbar, sodass man später über die Navigationsleiste wieder dorthin zurück gelangen kann. Der Ablauf der Unterrichtsstunden mit dem interaktiven Lernmodul "Feuerspuren im Satellitenbild - Dynamik von Ökosystemen" wird durch die Struktur des Computermoduls vorgegeben. In Zweierteams können sich die Schülerinnen und Schüler die zwei Teilbereiche in drei Schulstunden erarbeiten. Der Unterricht beginnt jeweils mit einer Erläuterung des Moduls und gegebenenfalls der Aufgabenstellung. Dann folgt die selbständige Erarbeitung und Überprüfung der Kenntnisse im Quiz. Abschließend können die Ergebnisse jeder Stunde noch einmal im Plenum gebündelt werden. Stunde 1: Einführung - Waldbrände und Satellitenfernerkundung In der ersten Stunde führt das Computermodul mit zwei Dokumenten zu Waldbränden sowie der übergeordnete Aufgabestellung in die Thematik ein. Die Lernenden erhalten dort erstes Hintergrundwissen zu Waldbränden in Griechenland. Erst nach dem Lesen der Dokumente wird in den anschließenden Hauptteil weitergeleitet. Aufgabe der Schülerinnen und Schüler ist es, die Entwicklung und die Regeneration der verbrannten Flächen nachzuvollziehen und zu analysieren. Darüber hinaus beschäftigen sich die Lernenden zu Beginn des Hauptteils mit den Grundlagen der Satellitenfernerkundung und analysieren erste Grauwertbilder. Zur Überprüfung und Festigung des Gelernten ist ein Quiz integriert, das man über einen Button unten rechts im Bild erreicht. Es leitet gleichzeitig zum nächsten Modulteil über. Stunde 2 und 3: Bildrechner Veränderungsanalyse Thema der zweiten Stunde ist der Vergleich von zwei Satellitenbildern aufgrund unterschiedlicher Vitalitätszustände der Pflanzen. Das Computermodul erlaubt, die Situation in einer Region vor und nach Waldbränden gegenüberzustellen. Mithilfe eines Rechners auf der rechten Seite kann der Vegetationsindex errechnet und analysiert werden. Die Info-Box bietet den Schülerinnen und Schülern einen vertieften Einblick in die Arbeitsweisen der Satellitenfernerkundung mit Vegetationsindizes. Auch hier schließt ein Quiz den zweiten Modulteil ab und leitet in den dritten Teil über. Hier wird nun das erworbene Wissen der ersten Teile zusammengefügt und in Form der computergestützten Veränderungsanalyse (change detection) durchgeführt. Die Jugendlichen vergleichen die Satellitenbilder nicht mehr nur visuell, sondern analysieren diese mithilfe des errechneten Bildes. Die dritte Stunde geht noch einen Schritt weiter und lässt die Schülerinnen und Schüler nicht mehr nur zwei Bilder miteinander vergleichen, sondern eine Sequenz mehrerer zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommener Bilder (Abbildung 4, bitte anklicken). Je nachdem, wo der Mauszeiger auf der Karte positioniert wird, ändert sich der Kurvenverlauf in der Grafik am rechten Bildschirmrand. Neben durch Katastrophen verursachte Veränderungen können auch natürliche saisonal bedingte Schwankungen erfasst und analysiert werden. Ein abschließendes Quiz rundet das Modul inhaltlich ab.

In dieser Unterrichtseinheit zu Satelliten setzen sich die Lernenden anhand der Fernerkundung mit dem Thema Optik auseinander. Dabei erkennen sie die Zusammenhänge zwischen elektromagnetischem Spektrum, Reflexion, Absorption und der Entstehung von Satellitenbildern. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar. Die hier vorgestellte Lerneinheit erläutert die Funktionsweise eines Satelliten, der das von der Erdoberfläche reflektierte Licht zur Bildaufnahme nutzt und dabei auch Wellenlängen jenseits des sichtbaren Lichts einbezieht. Zusätzlich zum Verständnis der physikalischen Inhalte lernen die Schülerinnen und Schüler auf diese Weise auch Aspekte der Fernerkundung kennen. Eine "Vermittlerfigur" in Form eines virtuellen Professors begleitet die Lernenden bei der Erforschung des elektromagnetischen Spektrums. Das Projekt "Fernerkundung in Schulen" (FIS) 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. Dabei entstehen neben klassischen Materialien auch Anwendungen für den computergestützten Unterricht. Die Unterrichtseinheit "Was sieht ein Satellit? Dem Unsichtbaren auf der Spur" beschäftigt sich mit dem Themenkomplex Optik und geht dabei vor allem auf Reflexion, Absorption und die Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums ein. Durch den Bezug zur Satellitenbild-Fernerkundung werden diese drei Bereiche miteinander verknüpft und ergänzt. Zunächst soll an einem einfachen Beispiel die Charakterisierung verschiedener Objekte hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Reflexions- und Absorptionseigenschaften untersucht werden. Weiterführend soll das gesammelte Wissen auf den Satelliten übertragen werden, so dass die Funktionsweise eines Satelliten verstanden wird. Als dritter Punkt wird dann neben der Betrachtung des sichtbaren Lichts der erweiterte Bereich des elektromagnetischen Spektrums (infrarotes Licht) mit einbezogen. Ziel der Unterrichtseinheit ist es, Zusammenhänge zwischen elektromagnetischem Spektrum, Reflexion, Absorption sowie Aufnahme und Entstehung von Satellitenbildern zu verstehen. Aufbau des Computermoduls Das interaktive Modul "Was sieht ein Satellit?" gliedert sich in eine Einleitung und zwei darauf aufbauende Bereiche. Inhalte des Computermoduls Hier wird der Aufgabenteil mit den drei Bereichen Einleitung, Satellit und "unsichtbares" Licht genauer beschrieben. Die Schülerinnen und Schüler lernen Reflexionseigenschaften unterschiedlicher Objekte kennen. können die Begriffe "Reflexion" und "Absorption" erklären und unterscheiden. können den Zusammenhang zwischen Objektfarbe und Reflexionseigenschaften erklären. lernen das elektromagnetische Spektrum kennen und verstehen, dass es neben dem sichtbaren Licht noch andere Wellenlängenbereiche gibt. können die Grundlagen der Umwandlung der Reflexionswerte in Bildinformationen beschreiben. können die Entstehung von Falschfarbenbildern beschreiben. Reflexion und Absorption - Alles was wir sehen Einführung in die Thematik, Zusammenhang zwischen Reflexion und Absorption So funktioniert ein Satellit Entstehung von Satellitenbildern anhand des unterschiedlichen Reflexionsverhaltens der Erdoberfläche Dem Unsichtbaren auf der Spur Elektromagnetisches Spektrum Beginn Die Unterrichtseinheit bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik der Satellitenbilder durch Animation und Interaktion nachhaltig zu vermitteln. Darüber hinaus sind die durchgeführten Analysen und Manipulationen des Satellitenbildes nur mithilfe eines Rechners durchführbar - ein Umstand, der den Lernenden den Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern auch als Werkzeug näher bringt. Das Modul ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Es wird durch Ausführen der Datei Reflexion_Startmanager.exe gestartet. Allgemeine Hinweise Das Computermodul besteht aus drei Bereichen, die aufeinander aufbauen. Zu Beginn ist die gelbe Navigationsleiste am linken Rand noch leer. Erst nach Bestehen eines kleinen Tests am Ende jeder Einheit wird das Icon für den jeweiligen Bereich sichtbar, so dass man später über die Navigationsleiste wieder dorthin zurück gelangen kann. Jeder Bereich enthält einen Aufgabenteil mit Fragestellungen. So können die Schülerinnen und Schüler den Kern des Problems erfassen, durch den Test überprüfen und damit interaktiv arbeiten. Der erste Teil des Moduls wird nach dem Start automatisch geladen. In einem kurzen Einführungstext erfahren die Schülerinnen und Schüler, was sie in dem Modul erkunden und lernen sollen. Sie können interaktive Versuche durchführen, indem sie am Bildschirm das Reflexionsverhalten verschiedener Gegenstände beobachten. Die Fragen unter "Aufgaben" geben Hinweise, worauf dabei zu achten ist. Als Abschluss des Modulteils ist das Bestehen eines kleinen Multiple Choice-Tests erforderlich. Satellit Im zweiten Bereich "So funktioniert ein Satellit" wird das unterschiedliche Reflexionsverhalten von Gegenständen auf die Landschaft übertragen. Mit dem Vorwissen aus der Einführung können die Schülerinnen und Schüler nun diesen Aufgabenteil im Zweiergespräch diskutieren. Abschließend wird das Verständnis wieder mit einem kleinen Quiz überprüft. Sind alle Fragen richtig beantwortet, wird man zum dritten Teil weitergeleitet. Unsichtbares Licht Im dritten Teil ("Dem Unsichtbaren auf der Spur") können die Schülerinnen und Schüler die vorangegangenen Inhalte auf ein echtes Satellitenbild übertragen. Auch hier sind sie aufgefordert, sich in Zweiergruppen auszutauschen und die Fragestellungen am Computer interaktiv zu bearbeiten. Nach richtiger Beantwortung der Testfragen fasst der virtuelle Professor die Erkenntnisse abschließend noch einmal kurz zusammen. Reflexion Im ersten Teil des Lernmoduls werden die Schülerinnen und Schüler zunächst in die Thematik der Reflexion eingeführt. Nachdem sie das Lernprogramm starten, sehen sie zunächst eine relativ dunkle Bildschirmoberfläche. Um die Bedeutung des Lichts hervorzuheben, werden die Lernenden zunächst aufgefordert das Licht anzuschalten. Erst nach Einschalten aller relevanten Geräte (Licht, Kamera und Bildschirm) funktioniert der Versuch. Die Kamera lässt sich mit dem Mauszeiger ansteuern und entlang der Schiene hin- und herbewegen. Indem die Schülerinnen und Schüler mit dem virtuellen Professor spielerisch einen Versuch durchführen, erfahren sie, wie verschieden die Objekte auf dem Tisch - ein Kaktus, eine Chilischote, ein Hühnerei und eine schwarze Arbeitsunterlage - das Licht der Lampe reflektieren. Auf dem Bildschirm können sie nachvollziehen, in welchem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts ein Objekt sehr viel beziehungsweise sehr wenig reflektiert. So können die Lernenden den Zusammenhang zwischen Objektfarbe und Höhe der Reflexion in den verschiedenen Wellenlängenbereichen herleiten. Absorption Um den Begriff der Absorption näher zu verdeutlichen, ist als Besonderheit eine schwarze Arbeitsunterlage integriert. Die Lernenden sollen zu der Frage angeregt werden, warum auf dem Bildschirm keine Ausschläge zu erkennen sind, wenn sich die Kamera über der Arbeitsunterlage befindet. Die Fragen, die sich unter "Aufgabe" finden, geben Arbeitshinweise zur Versuchsdurchführung (Abbildung 2, zum Vergrößern anklicken). Zur Überprüfung und Festigung des Gelernten ist ein Test integriert, den man über einen Button unten rechts im Bild erreicht (Box mit Fragezeichen). Aufnahme der Erdoberfläche Im zweiten Modulteil soll das Wissen aus dem virtuellen Labor übertragen werden. Ziel ist es, grundsätzlich die Funktionsweise eines Satelliten zu verstehen. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass Satelliten die Erdoberfläche ähnlich aufnehmen wie zuvor die Kamera die Gegenstände auf dem Tisch im Labor. Ein Satellit misst vergleichbar einer Kamera beziehungsweise eines Spektroradiometers die von der Erdoberfläche reflektierte Strahlung. Darüber hinaus sollen die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass die gemessenen Reflexionssignale zu Bildinformation verarbeitet werden können. Die Moduloberfläche des zweiten Teils zeigt zu Beginn eine skizzierte Landschaft über die ein Satellit hinweg fliegt (Abbildung 3). Am Boden zeigt ein rotes Quadrat an, welchen Ausschnitt der Satellit aktuell aufnimmt. Visualisierung Die Lernenden können mit dem Button "Bild übertragen" den aktuellen Ausschnitt der Landschaft visualisieren. Zur Förderung der visuellen Kompetenzen sowie der Sprachkompetenzen werden die Schülerinnen und Schüler dazu aufgefordert die Landschaft zu charakterisieren. Die Bilddarstellung erfolgt im rechten Teil des Bildschirmfensters über ein Farbbild und drei Grauwertbilder. Neben dem Farbbild wird für die Wellenlängenbereiche Blau, Grün und Rot das jeweilige Grauwertbild eingeblendet. Links neben den Bildern ist als zusätzliche Informationsquelle ein Diagramm integriert, in welchem für jedes Bildpixel die Höhe der Reflexion in den drei Wellenlängenbereichen angezeigt wird. Abschließend sollen sich die Lernenden mit der Frage beschäftigen, wie ein Satellit Bilder der Erdoberfläche erzeugt und wie ein Farbbild entsteht. Dritter Bereich: "unsichtbares" Licht Elektromagnetisches Spektrum Im dritten und letzten Teil des Lernmoduls erfolgt eine Erweiterung in der Betrachtung des elektromagnetischen Spektrums: Lernende können sich darüber informieren, dass das Spektrum auch aus weiteren Wellenlängenbereichen besteht. Einige dieser Bereiche des elektromagnetischen Spektrums können vom Satelliten bei der Bilderzeugung zusätzlich genutzt werden. Farbige Satellitenbilder Entsprechend enthält der dritte Modulteil statt einer schematischen Landschaftsskizze ein hochaufgelöstes Satellitenbild als Grundlage. Ähnlich wie im vorherigen Kapitel kann ein Bild übertragen und visualisiert werden. Der Unterschied besteht darin, dass neben den drei Wellenlängenbereichen des sichtbaren Lichts ein vierter Kanal aus dem Bereich des Infraroten Lichts zur Verfügung steht. Die Lernenden können somit aus den vier Kanälen drei auswählen und zur Erstellung eines Farbbildes jedem Kanal eine der Farben Rot, Grün oder Blau zuweisen (Abbildung 4). Durch Mausklick in das Farbbild am rechten oberen Bildschirmrand werden die Reflexionswerte für die einzelnen Wellenlängenbereiche angezeigt. Sie erscheinen als Kurve im elektromagnetischen Spektrum am oberen Bildschirmrand. Über die Kombination der Informationen sollen die Lernenden sich mit dem Begriff Falschfarbenbild auseinandersetzen und erklären können, warum zum Beispiel bei der Kanalkombination Infrarot - Rot - Grün die Vegetationsflächen im Farbbild rot dargestellt werden.

In dieser Unterrichtseinheit zu Eingriffen in Landschaften interpretieren die Lernenden Satellitenbilder, um die Auswirkungen von Waldbränden in Griechenland zu erfassen. Dabei setzen sie sich mit den Ursachen und Folgen von Eingriffen in geoökologische Kreisläufe auseinander und werden in die Methoden der Fernerkundung eingeführt. Ein interaktives Modul vereinfacht und veranschaulicht das Lernen. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar.Waldbrände kommen in vielen Regionen der Welt als natürlicher Teil eines Kreislaufes vor, durch den die Voraussetzungen für die Nährstoffversorgung der folgenden Baumgenerationen geschaffen werden. Ihre Auswirkungen können jedoch auch verheerend sein. Anhand von Satellitenbildern können die Schülerinnen und Schüler mithilfe eines interaktiven Computer-Moduls die Folgen nachvollziehen und sichtbar machen. Materialien und Anwendungen stammen aus dem Projekt "Fernerkundung in Schulen" (FIS) des Geographischen Institutes der Universität Bonn. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II. Die Unterrichtseinheit gibt es mit einem eigenen Computermodul auch für den Biologieunterricht: Feuerspuren im Satellitenbild - Dynamik von Ökosystemen .Die vorliegende Unterrichtseinheit hat zum Ziel, den Schülerinnen und Schülern den Themenkomplex "Ursachen und Folgen von Eingriffen in geoökologische Kreisläufe" näherzubringen und sie in die Lage zu versetzen, Zusammenhänge zwischen elektromagnetischem Spektrum, der Aufnahme und Entstehung von Satellitenbildern und der Erfassung von Veränderungen innerhalb von Landschaften aufzuzeigen und zu verstehen. Anhand von zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommenen Satellitenbildern können die Jugendlichen Veränderungen der entsprechenden Region in Griechenland feststellen. Dabei lernen sie, wie die Pflanzen das Licht für die Photosynthese verwenden und welche Wellenlängenbereiche von Pflanzen reflektiert werden. Als wissenschaftliche Grundlage dient dabei die Einführung in die Methodik der Fernerkundung, mithilfe derer die Jugendlichen durch Vegetationsindizes und Veränderungsanalysen eigenständige Bewertungen vornehmen können. Aufbau des Computermoduls Interaktive Aufgaben führen die Lernenden durch verschiedene thematische Bereiche, Quizfragen dienen zur Sicherung der Ergebnisse. Inhalte des Computermoduls Die Lernenden analysieren anhand von Satellitenbildern die Situation einer Region vor und nach den Waldbränden. Die Schülerinnen und Schüler lernen Ursachen und Hintergründe von Waldbränden kennen. können Satellitenbilder interpretieren und zur Analyse von Stabilität und Dynamik von Landschaften nutzen. können das elektromagnetische Spektrum und unterschiedliche Wellenlängenbereiche beschreiben. können Reflexionseigenschaften von Pflanzen vergleichen und zuordnen. können NDVI-Zeitreihen zur Beurteilung der Dynamik und Stabilität ausgewählter Regionen anwenden. Die Unterrichtseinheit bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik "Eingriffe in Landschaften" durch Animation und Interaktion nachhaltig zu vermitteln. Darüber hinaus sind die durchgeführten Analysen und Manipulationen des Satellitenbildes nur mithilfe des Rechners umsetzbar. Dieser Umstand bringt den Schülerinnen und Schülern das Medium Computer ergänzend zu seiner Freizeit-Relevanz als reines Informations- und Unterhaltungsgerät auch als unterrichtlich nutzbares Werkzeug näher. Das Modul ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Das Computermodul - drei Teilbereiche Das Computermodul "Feuerspuren im Satellitenbild - Eingriffe in Landschaften" gliedert sich in zwei inhaltliche Bereiche: die Einführung in das Thema und den Hauptteil der Bildberechnung. Darüber hinaus wird das Modul durch einen dritten zusätzlichen Bereich ergänzt, in dem durch Videos und Tutorials der Umgang mit dem Modul vorgestellt wird. Die aktivierten Bereiche werden auf der linken Leiste des Programmfensters eingeblendet. Während der erste Teil einen ersten Einblick in die Thematik der Waldbrände liefert und eine übergeordnete Aufgabestellung benennt, setzt sich der Hauptteil aus verschiedenen Untersequenzen zusammen, in denen jeweils Aufgabenteile mit Fragestellungen sowie Info-Boxen mit Hintergrundinformationen enthalten sind. Den Abschluss der jeweiligen Untersequenzen bildet ein Quiz. Der erste Teil des Moduls wird nach dem Start automatisch geladen. Zu Beginn ist ein Schreibtisch zu sehen, auf dem verschiedene Dokumente liegen (siehe Abbildung 1, zur Vergrößerung bitte anklicken). Die Schülerinnen und Schüler sollen sich nun nacheinander mit den drei dargestellten Dokumenten beschäftigen: einem Zeitungsartikel zu den Waldbränden in Griechenland 2007, Bildmaterial sowie der übergeordneten Aufgabestellung, die als Auftrag der EU-Kommission gestaltet ist. Durch Anklicken werden die jeweiligen Dokumente vergrößert. Nach der Bearbeitung der drei Materialien können die Jugendlichen durch Anklicken der virtuellen Computermaus in den Hauptteil des Moduls übergehen. Bildrechner Der Hauptteil ist in vier Unterbereiche unterteilt. Der erste Teil beginnt mit einem kurzen Video über den Umgang mit dem Modul. Nun können die Lernenden ein Satellitenbild im roten und infraroten Kanal, eine Satellitenkarte sowie eine Nutzungskarte laden und sich die unterschiedlichen Pixelwerte im Bild anzeigen lassen. In der dazugehörigen Info-Box (siehe Abbildung 2) wird ihnen einführendes Wissen zur Satellitenfernerkundung vermittelt. Nachdem sie das Quiz erfolgreich bearbeitet haben, gelangen die Lernenden in einen weiterführenden Bereich des Hauptteils. Vegetationsindex NDVI Wieder werden die Schülerinnen und Schüler durch ein kleines Video in die Vorgehensweise eingewiesen. Hier können sie zwei Satellitenbilder, eins vor den Waldbränden mit einem nach den Waldbränden vergleichen und für den jeweiligen Zeitpunkt ein Bild des Vegetationsindex "NDVI" (Normalized Difference Vegetation Index) berechnen. In der dazugehörigen Info-Box finden sie das dazu notwendige Wissen einfach und anschaulich erklärt. Auch dieser Teil schließt mit einem Quiz ab und leitet in den dritten Teil weiter. Change Detection Der dritte Teil unterscheidet sich optisch nicht vom zweiten, allerdings variieren Aufgabenstellung und Info-Box, indem sie vor allem die Berechnung des Unterschiedes (change detection) der beiden Bilder in den Vordergrund stellen. Die Lösung der Aufgaben und das Bestehen des Quiz leiten in den letzten Teil über. Zeitreihenanalyse Dem letzten Teil des Moduls wird erneut ein Video-Tutorial vorangestellt. In diesem Teil liegt der Fokus auf der Zeitreihenanalyse, mithilfe derer die Lernenden nicht nur zwei Zeitpunkte miteinander vergleichen können, sondern Bilder zu mehreren unterschiedlichen Zeitpunkten. Dies ermöglicht ihnen eine umfassendere Analyse in Bezug auf die Feuerkatastrophe, aber auch zu jahreszeitlichen Schwankungen des Ökosystems. Ein abschließendes Quiz beendet das Modul mit einer Schlussnotiz. Im Video- und Tutorial-Teil können sich die Schülerinnen und Schüler zur Vorbereitung kurze Videos anschauen, um in ihrem Umgang mit dem Modul sicher zu werden. Dieser Bereich wird über den Button "T" in der linken Menüleiste angewählt. Mit jedem erfolgreich gelösten Arbeitsbereich wird ein weiteres Tutorial sichtbar, das von nun an jederzeit erneut angesehen werden kann. Die verschiedenen Tutorials lassen sich wie Karteikartenreiter am oberen Bildschirmrand anklicken (siehe Abbildung 3). Navigation im Modul Das Computermodul erlaubt auch, zwischen den zwei Hauptbereichen (Einführung und Bildrechner) zu springen. Zu Beginn ist die grüne Navigationsleiste am linken Rand noch leer. Erst nach Lesen der ersten Materialien wird das Icon für den jeweiligen Bereich sichtbar, so dass man später über die Navigationsleiste wieder dorthin zurück gelangen kann. Der Ablauf der Unterrichtsstunden wird durch die Struktur des Computermoduls vorgegeben. In Zweierteams können sich die Schülerinnen und Schüler die zwei Teilbereiche in drei Schulstunden erarbeiten. Der Unterricht beginnt jeweils mit einer Erläuterung des Moduls und gegebenenfalls der Aufgabenstellung. Dann folgt die selbständige Erarbeitung und Überprüfung der Kenntnisse im Quiz. Abschließend können die Ergebnisse jeder Stunde noch einmal im Plenum gebündelt werden. Stunde 1: Einführung - Waldbrände und Satellitenfernerkundung In der ersten Stunde führt das Computermodul mit zwei Dokumenten zu Waldbränden sowie der übergeordnete Aufgabenstellung in die Thematik ein. Die Lernenden erhalten dort erstes Hintergrundwissen zu Waldbränden Griechenland. Erst nach dem Lesen der Dokumente wird in den anschließenden Hauptteil weitergeleitet. Aufgabe der Schülerinnen und Schüler ist es, die Entwicklung und die Regeneration der verbrannten Flächen nachzuvollziehen und zu analysieren. Darüber hinaus beschäftigen sich die Lernenden zu Beginn des Hauptteils mit den Grundlagen der Satellitenfernerkundung und analysieren erste Grauwert-Bilder. Zur Überprüfung und Festigung des Gelernten ist ein Quiz integriert, das man über einen Button unten rechts im Bild erreicht. Es leitet gleichzeitig zum nächsten Modulteil über. Stunde 2 und 3: Bildrechner Veränderungsanalyse Thema der zweiten Stunde ist der Vergleich von zwei Satellitenbildern aufgrund unterschiedlicher Vitalitätszustände der Pflanzen. Das Computermodul erlaubt, die Situation in einer Region vor und nach Waldbränden gegenüberzustellen. Mithilfe eines Rechners auf der rechten Seite kann der Vegetationsindex errechnet und analysiert werden. Die Info-Box bietet den Schülerinnen und Schülern einen vertieften Einblick in die Arbeitsweisen der Satellitenfernerkundung mit Vegetationsindizes. Auch hier schließt ein Quiz den zweiten Modulteil ab und leitet in den dritten Teil über. Hier wird nun das erworbene Wissen der ersten Teile zusammengefügt und in Form der computergestützten Veränderungsanalyse (change detection) durchgeführt. Die Jugendlichen vergleichen die Satellitenbilder nicht mehr nur visuell, sondern analysieren diese mithilfe des errechneten Bildes. Zeitreihenanalyse Die dritte Stunde geht noch einen Schritt weiter und lässt die Schülerinnen und Schüler nicht mehr nur zwei Bilder miteinander vergleichen, sondern eine Sequenz mehrerer zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommener Bilder (Abbildung 4, bitte anklicken). Je nachdem, wo der Mauszeiger auf der Karte positioniert wird, ändert sich der Kurvenverlauf in der Grafik am rechten Bildschirmrand. Neben durch Katastrophen verursachte Veränderungen können auch natürliche saisonal bedingte Schwankungen erfasst und analysiert werden. Ein abschließendes Quiz rundet das Modul inhaltlich ab.

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.

In dieser Unterrichtseinheit zu linearen Funktionen setzen sich die Lernenden mit dem mathematischen Funktionsbegriff auseinander und wenden ihn in einer anschaulichen Fragestellung aus der Fernerkundung an. Dabei erarbeiten sie Möglichkeiten zur Korrektur verzerrter Scannerbilder mithilfe einer linearen Funktion. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar.Zentrales Element dieser Lerneinheit zu linearen Funktionen ist das Beispiel eines Flugzeugs, das für Scanneraufnahmen über eine Landschaft fliegt und durch eine Windböe vom geraden Kurs abkommt. Die dadurch auf dem Scannerbild entstandene Verzerrung können die Schülerinnen und Schüler durch eine Funktion korrigieren. Zusätzlich zum Verständnis der mathematischen Inhalte lernen die Schülerinnen und Schüler auch Aspekte der Fernerkundung kennen. Das Projekt "Fernerkundung in Schulen" (FIS) 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. Dabei entstehen neben klassischen Materialien auch Anwendungen für den computergestützten Unterricht.Ziel der Unterrichtseinheit ist es, Aufgaben und die Mechanismen einfacher linearer Funktionen zu verstehen. Durch die praktische Anwendung sollen mögliche Verständnisbarrieren frühzeitig überwunden werden und den Lernenden ein klarer Bezug der mathematischen Inhalte zu realen Situationen aufgezeigt werden, in diesem Fall zur rechnerischen Entzerrung von Scannerbildern. Schülerinnen und Schüler sollen mithilfe des Moduls das Verständnis für den Sinn und die Charakteristik von einfachen Funktionen festigen, bevor es lehrplangemäß zur Vertiefung dieser Thematik kommt. Es ist jedoch denkbar, Themen wie den Aufbau einer Funktionsgleichung oder die Herleitung einer Funktionsgleichung aus zwei Punkten eines Graphen an das Modul anzulehnen und sich im regulären Unterricht sukzessive die Werkzeuge zur Lösung des Moduls zu erarbeiten. Die mathematische Auseinandersetzung mit dem Funktionsbegriff ist zentrale Aufgabe des Moduls. Zusätzlich lernen die Schülerinnen und Schüler Aspekte der Fernerkundung kennen. Einführung in das Computermodul Das interaktive Modul "Lineare Funktionen: Pixel auf Abwegen" gliedert sich in ein Startmenü, eine Einleitung und den in drei Bereiche unterteilten Aufgabenteil. Aufgabenteil im Computermodul Hier wird der Aufgabenteil mit den drei Bereichen Analyse, Funktion und Entzerrung des interaktiven Moduls "Lineare Funktionen: Pixel auf Abwegen" genauer beschrieben. Die Schülerinnen und Schüler können die Entstehung von Scannerbildern nachvollziehen. stellen einen klaren Bezug zwischen den mathematischen Inhalten und der realen Situation her. kennen die Struktur eines digitalen Bildes und können sie auf die Problemstellung übertragen. formulieren die Anforderung an eine Funktion, welche für die Lösung der Problemstellung notwendig ist. verstehen den Sinn und die Arbeitsweise von Funktionen anhand des zu entzerrenden Bildes. Nach der Weiterleitung in diesen Bereich sind in der linken Navigationsleiste drei Felder zu erkennen, über welche die Bereiche 1, 2 und 3 frei anwählbar sind. Im Aufgabenteil sollen die Schülerinnen und Schüler den Kern des Problems der Driftverzerrung erfassen und können nun interaktiv arbeiten. Bereich 1: Analyse Hier stehen den Lernenden zwei Bilder zur Verfügung. Ein unverzerrtes Vergleichsbild und das verzerrte Bild, welches im Laufe der Vorgeschichte entstanden ist. Aufgabe ist es die Unterschiede in den Bildern genau zu definieren. Dabei hilft ihnen ein Tool, mit dessen Hilfe sie in beiden Bildern einen Bildausschnitt vergrößern können. Der Button "Aufgaben" öffnet ein Feld mit den drei innerhalb dieses Bereichs zu lösenden Aufgabenstellungen. Im linken Bereich ist ein Schema abgebildet, welches alle für die Lösung der Aufgaben relevanten Angaben enthält (Abbildung 3, bitte auf den Platzhalter klicken). Ziel ist es, eine Aussage über die Anzahl der Bildspalten treffen zu können, um die die erste und die letzte Bildzeile im verzerrten Bild versetzt sind. Dazu muss der Betrag in Meter, um den das Flugzeug am Ende der Aufnahme abgewichen ist, in Pixel umgerechnet werden. Der Betrag in Bildspalten y, um den die erste, also oberste Bildzeile x versetzt ist, wird als Punkt A in das Graphenmodul auf der rechten Seite eingegeben. Punkt B setzt sich aus dem Versatz der letzten, also untersten, Bildzeile x2 um die Anzahl der Bildspalten y2 zusammen. Bei den Berechnungen wird eine Genauigkeit von zwei Nachkommastellen als ausreichend betrachtet. Dieser Bereich dient der Überprüfung der aufgestellten Funktion. Sie kann unten links in die Felder eingetragen werden. Der Button "Bild entzerren" versetzt die Bildzeilen des verzerrten Bildes entsprechend der eingegebenen Funktion. Die richtige Funktionsgleichung führt auch zum richtigen Ergebnis. Zur Überprüfung ist links noch einmal das verzerrte Bild dargestellt. Der Button mit den entgegengesetzten Pfeilen bietet die Möglichkeit, das unverzerrte Kontrollbild einzublenden. In diesem Bereich kann zum besseren Verständnis der Vorgänge auch experimentiert werden. Grundsätzlich führt eine erhöhte Steigung des durch die Funktionsgleichung beschriebenen Graphen zu einer stärkeren Verzerrung. Der y-Achsenabschnitt beschreibt einen Versatz des Bildes in positive oder negative Richtung. Das Programm beachtet dabei nur diskrete Werte. Kommastellen werden gerundet. So findet die Verschiebung nur in ganzen Pixelwerten statt. Stunde 1 Stundenziel: Der fernerkundliche Hintergrund soll verstanden werden und die Überleitung zur mathematischen Fragestellung durchgeführt werden. Feinziele (FZ): FZ 1: Die Schülerinnen und Schüler sollen die Entstehung von Scannerbildern nachvollziehen können. FZ 2: Die Schülerinnen und Schüler sollen die Struktur eines digitalen Bildes kennen und auf die Problemstellung übertragen können. FZ 3: Die Schülerinnen und Schüler sollen die Anforderung an eine Funktion formulieren, welche für die Lösung der Problemstellung notwendig ist. Phase Inhalt Sozial- / Aktionsform Medien / Dateien Einführung Erläuterungen zur Fernerkundung; Abbildungen zur Entstehung von Scannerbildern; Verdeutlichung über den Startbildschirm des Computermoduls Unterrichtsgespräch Folien 1 und 2; Computer und Beamer; Startbildschirm des Computermoduls Problematisierung Einführung der Problemstellung Gruppenarbeit Computer, Punkt "Einführung" im Computermodul Erarbeitung Schülerinnen und Schüler verdeutlichen sich die Verzerrung anhand der Aufgabenstellungen im Bereich "Analyse". Gruppenarbeit Computer, Punkt "Analyse" im Computermodul Bündelung Zusammenfassen der Erkenntnisse Unterrichtsgespräch Computer und Beamer, Punkt "Analyse" im Computermodul Stunde 2 Stundenziel: Eine lineare Funktion soll aufgestellt werden, mit deren Hilfe das verzerrte Bild entzerrt werden kann. Feinziele (FZ): FZ 1: Die Schülerinnen und Schüler sollen denn Sinn und die Arbeitsweise von Funktionen anhand des zu entzerrenden Bildes verstehen. Phase Inhalt Sozial- / Aktionsform Medien / Dateien Einführung Wiederholung der am Ende der letzten Stunde formulierten Anforderung an die Funktion Unterrichtsgespräch Computer und Beamer, Punkt "Analyse" im Computermodul Problematisierung 1. Es ist noch nicht bekannt, um wie viele Pixel die Bildreihen maximal verschoben sind. 2. Die Funktion selber ist noch nicht bekannt. 3. Die Funktion muss auf das Bild angewendet werden. Gruppenarbeit Computer, Punkt "Funktion" im Computermodul Erarbeitung Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich anhand der Aufgabenstellungen im Bereich "Funktion" die Funktion und testen sie im Bereich "Entzerrung". Gruppenarbeit Computer, Punkte "Funktion" und "Entzerrung" im Computermodul Bündelung Zusammenfassen der Erkenntnisse, auch durch die Möglichkeit mithilfe beliebiger Funktionen das Bild zu verzerren Unterrichtsgespräch Computer und Beamer, Punkt "Entzerrung" im Computermodul Um den Kern der Problematik im Modul erfassen zu können, ist eine kurze Erklärung notwendig, denn die hier behandelte Verzerrung ist nur charakteristisch für Scannerbilder. Die Beispiele aus den Hintergrundinformationen und vor allem die interaktive Animation am Anfang des Moduls sollen hier behilflich sein. Folie 1 zeigt klar den Unterschied zwischen einem normalen Luftbild und einem Scannerbild auf. Um zu verdeutlichen, wo die Vorteile eines Scannerbildes liegen, kann Folie 2 gezeigt werden. Die Unterrichtseinheit "Lineare Funktionen: Pixel auf Abwegen" bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion nachhaltig zu vermitteln. Darüber hinaus ist die durchgeführte Bildkorrektur nur mithilfe eines Rechners durchführbar. Ein Umstand, der den Schülerinnen und Schülern das Medium Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern auch als Werkzeug näher bringt. Das Modul ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Es wird durch Ausführen der Datei "FIS_Pixel auf Abwegen.exe" gestartet. Dazu ist ein Adobe Flash Player notwendig. Der erste Bereich des Computermoduls "Lineare Funktionen: Pixel auf Abwegen" wird nach dem Start automatisch geladen. Die Animation verdeutlicht die Arbeitsweise eines flugzeuggestützten Scanners. Das Flugzeug scannt dabei eine Landoberfläche ab, gleichzeitig wird auf der rechten Seite der gescannte Bildbereich Reihe für Reihe, der aktuellen Flugzeugposition entsprechend, aufgebaut. Abbildung 1 verdeutlicht dies (Platzhalter bitte anklicken). Die mittig angeordneten Pfeile dienen der Beeinflussung des Flugverhaltens. Das gescannte Bild reagiert dabei auf die ausgelösten Manöver und die entstandene Verzerrung wird angezeigt. Wird eine Seitwärtsbewegung ausgelöst, erscheint ein Button. Ein Klick auf den Button "Driftverzerrung bearbeiten" leitet über zum nächsten Menüpunkt. Zur Anpassung der Animation an geringere Rechnerleistung kann die Qualität mithilfe des Buttons im oberen linken Fensterbereich angepasst werden. Der zweite Bereich bietet eine animierte Einführung, in der ein Flugzeug über eine Landschaft fliegt. Abbildung 2 gibt einen Eindruck dieser Animation (bitte auf den Platzhalter klicken). Eine semi-fiktionale Geschichte erzählt kurz, wie es zur Situation der Driftverzerrung gekommen ist, die es auf mathematischem Weg zu lösen gilt. Die "Weiter"-und "Zurück"-Buttons navigieren durch die beiden Abschnitte dieses Bereichs und leiten zum dritten Bereich, dem Aufgabenteil, weiter.

Auf der Grundlage von Bildern, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnen wurden, bestimmen Schülerinnen und Schüler die Entfernung zur Supernova SN 1987A in der Großen Magellanschen Wolke. Am 23. Februar 1987 leuchtete in einer der Milchstraße benachbarten Zwerggalaxie eine Supernova auf - nach 400 Jahren war dies die erste mit bloßem Auge sichtbare Supernova und daher ein spannendes Ereignis für die Astronomie. Mehr als drei Jahre nach der Explosion des Sterns nahm das 1990 gestartete Hubble-Weltraumteleskop die Überreste der Supernova ins Visier und lieferte Bilder von Ringstrukturen, deren Entstehung noch heute zum Teil rätselhaft ist. Die Vermessung des inneren Rings mithilfe der Hubble-Bilder und die Analyse einer Lichtkurve des Rings ermöglichen mit Kenntnissen der ebenen Trigonometrie die Berechnung der Entfernung von SN 1987A. Neben den Arbeitsmaterialien und Aufgabenstellungen für die Schülerinnen und Schüler steht im Downloadbereich auch eine Handreichung für Lehrkräfte mit weiteren ausführlichen Informationen zur Verfügung. Die Unterrichtseinheit zur Supernova SN 1987A in der Große Magellanschen Wolke schafft die Grundlage für ein zweites Projekt zur Entfernungsbestimmung: Die Große Magellansche Wolke enthält nämlich viele veränderliche Sterne vom Typ Delta Cephei, deren Entfernung mithilfe der Supernova SN 1987A geeicht werden kann. Auf der Basis dieser Eichung erfolgt dann in der Unterrichtseinheit Die Entfernung der Galaxie M100 eine Entfernungsbestimmung mit einer weiteren Methode: dem Vergleich scheinbarer und absoluter Helligkeiten bei Delta-Cephei-Sternen. Die kosmische Entfernungsskala Methoden der Entfernungsbestimmung: Schülerinnen und Schüler erklimmen zwei Stufen der kosmischen Entfernungsleiter. Warum explodieren Sterne? Obwohl die Details für die Entfernungsbestimmung nicht von Bedeutung sind, soll kurz dargestellt werden, wie Supernovae entstehen. Informationen und Materialien zur Entfernungsberechnung Die Bestimmung der Entfernung der Supernova SN 1987A beruht auf einfachen geometrischen Überlegungen. Die Schülerinnen und Schüler verstehen die Geometrie des inneren Ringes um SN 1987A (Projektion des kreisförmigen Rings als Ellipse an die Himmelssphäre) und schulen dadurch ihr räumliches Vorstellungsvermögen. definieren den Maßstab des Hubblebildes der Supernova und bestimmen den Winkeldurchmesser des Ringes und seine Neigung relativ zur Himmelsebene. werten eine Lichtkurve aus, die zeigt, wie das von verschiedenen Teilen des Rings ausgesendete Licht die Erde zu verschiedenen Zeitpunkten erreicht, um die physikalischen Dimensionen des Ringes zu bestimmen. bestimmen aus dem Winkeldurchmesser und der Größe des Ringes die Entfernung von SN 1987A. Boßle, M., Wörmke, St. (1995): Entfernungsbestimmung im Weltraum, Deutsche Schülerakademie: Dokumentation Spetzgart. Bad Godesberg, Seite 58-63. Fosbury, R. (1994): HSTX - Practical exercises in astronomy using observations made with the Hubble Space Telescope, Project 1: The Distance to SN 1987A Space Telescope European Coordinating Facility, Garching. Gould, A. (1994): The Ring Around Supernova 1987A Revisited: I. Ellipticity of the Ring, Astrophysical Journal 425 (1994), Seite 51-56. Panagia, N., Gilmozzi, R., Macchetto, F. und andere (1991): Properties of the SN 1987A Circumstellar Ring and the Distance of the Large Magellanic Cloud, Astrophysical Journal 380 (1991), Seite 23-26. Für die nähere Umgebung: Radarechos und trigonometrische Parallaxe Vergleichsweise kleine Entfernungen, wie die innerhalb unseres Sonnensystems, lassen sich aus der Laufzeit von Radarechos ermitteln. Für die Sterne der näheren Sonnenumgebung ist die Methode der trigonometrischen Parallaxe anwendbar, die auf der Messung der Verschiebung dieser Sterne gegenüber sehr viel weiter entfernten Sternen beruht, wenn man sie von verschiedenen Positionen der Erdbahn aus beobachtet. Dieser Effekt ist vergleichbar mit der Erfahrung, dass man ein und dasselbe Objekt einer Landschaft aus einem fahrenden Zug heraus auf dauernd wechselnde Punkte am Horizont projiziert. Erscheint, von einem Stern aus gesehen, die große Halbachse der Erdbahn unter einem Winkel von einer Bogensekunde, so hat er eine Entfernung von einem Parsec (1 Parsec = 3,26 Lichtjahre). Bei viel weiter entfernten Objekten kommen andere Methoden zur Entfernungsbestimmung in Betracht: Vergleich der wahren (etwa in Parsec gemessenen) Größe der Objekte mit dem Winkeldurchmesser, unter dem sie dem Betrachter erscheinen. Vergleich der absoluten Helligkeit (oder Leuchtkraft) der Objekte mit der scheinbaren Helligkeit, die sie für den Beobachter haben. Beide Methoden sind dadurch gekennzeichnet, dass sie in jeweils eine relativ leicht zu bewältigende und eine schwierige Aufgabenstellung zerfallen. Scheinbare Helligkeiten und Winkeldurchmesser sind der Messung direkt zugänglich. Aussagen über die Leuchtkraft oder die wahre Größe von Himmelsobjekten sind viel schwieriger zu treffen und erfordern in der Regel ein tiefes Verständnis der physikalischen Natur dieser Objekte. Die Supernova SN 1987A und die Galaxie M100 In zwei Projekten lernen die Schülerinnen und Schüler ein Beispiel für je eine der Methoden zur Bestimmung großer Entfernungen kennen. In dieser Unterrichtseinheit wird das erste Verfahren angewendet, indem die Entfernung zur Supernova SN 1987A in der Großen Magellanschen Wolke bestimmt wird (Fosbury, 1994). Zu diesem Zweck werden aus Originalaufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops zuerst die scheinbare Größe des hellen zirkumstellaren Rings und anschließend aus der Analyse seiner Lichtkurve seine wahren Abmessungen ermittelt. In einem zweiten Projekt (siehe Unterrichtseinheit Die Entfernung der Galaxie M100 ) wird das zweite Verfahren angewendet, nämlich der Vergleich von scheinbarer und absoluter Helligkeit bei Delta-Cephei-Sternen. Zwei Stufen der kosmischen Entfernungsleiter Obwohl in den Details durchaus kompliziert, sind die geometrischen und physikalischen Prinzipien dieser Entfernungsbestimmungen einfach genug, um bereits von Schülerinnen und Schülern der Oberstufe verstanden und angewandt werden zu können. Wichtig ist dabei, dass für die Bestimmung der Entfernung zur Galaxie M100 das Ergebnis der Supernova-Messungen zugrunde gelegt wird. In der Großen Magellanschen Wolke findet man nämlich außer der Supernova SN 1987A sehr viele veränderliche Sterne vom Typ Delta Cephei, deren Entfernungsskala man mithilfe der Supernova mit bisher nicht gekannter Präzision eichen kann. So können die Schülerinnen und Schüler praktisch nachvollziehen, wie zwei Stufen der kosmischen Entfernungsleiter nacheinander erstiegen werden. Beide Projekte wurden mit Schülerinnen und Schülern erprobt und von diesen auch publiziert (Boßle, Wörmke, 1995). Wachstum eines Weißen Zwergs auf Kosten seines Begleiters Bei den Supernovae vom Typ I handelt es sich ursprünglich um relativ massearme Sterne in einem Spätstadium ihrer Entwicklung, um so genannte Weiße Zwerge, die zusammen mit einem anderen Stern ein enges Doppelsternsystem bilden. Die von dem Weißen Zwerg ausgehenden Gezeitenkräfte bewirken, dass stellares Material vom Begleiter zum Weißen Zwerg strömt, wodurch dessen Masse zunimmt. Explosion beim Überschreiten einer definierten Massengrenze Übersteigt die Masse des Sterns dabei die so genannte Chandrasekhar-Grenze von etwa 1,4 Sonnenmassen, kann er nicht mehr als Weißer Zwerg weiter existieren. Er fällt unter der Wirkung seiner eigenen Schwerkraft zusammen, wobei Temperatur und Dichte soweit zunehmen, dass Kernreaktionen zünden. Diese setzen soviel Energie frei, dass der ganze Stern explodiert. Typ-I-Supernovae als Entfernungsindikatoren Alle Supernovae vom Typ I ereignen sich demnach beim Überschreiten einer definierten Massengrenze. Dies macht sie vergleichbar und prädestiniert sie zum Entfernungsindikator. Solche müssen nämlich in ihren inneren Eigenschaften übereinstimmen, damit man äußere Unterschiede allein auf unterschiedliche Entfernungen zurückführen kann. Implosion massereicher Sterne Supernovae vom Typ II sind das Endresultat der Individualentwicklung von Sternen, die mindestens etwa achtmal massereicher sind als die Sonne. Solche Sterne durchlaufen eine Folge von Kontraktionen und Kernreaktionen, wobei immer schwerere Elemente bis zum Eisen fusioniert werden. Danach kollabiert der Eisenkern, jedoch nicht die darüber liegende Hülle, bis sich ein stabiler Neutronenstern bildet, der die Dichte von Kernmaterie hat. Die Implosion wird zur Explosion In diesem Stadium wird die Implosion des Sterns plötzlich gestoppt, wodurch eine so starke Schockwelle entsteht, dass seine Hülle abgeblasen wird. Die Implosion wird in eine Explosion verwandelt, die als Supernova erscheint und einen Neutronenstern zurücklässt. Untypischer Typ II Die Supernova, die am 23. Februar 1987 in der Großen Magellanschen Wolke beobachtet wurde (Abb. 1), ist eine Supernova vom Typ II. Sie ist jedoch kein typischer Vertreter dieser Gattung: So wurde bislang kein Neutronenstern-Überrest gefunden. Zudem war die Explosion etwa einhundertmal schwächer als andere Supernovae dieses Typs. Rätselhafte Ringe Die Berechnung der Entfernung von SN 1987A basiert auf einfachen Überlegungen zur Vermessung des vom Hubble Space Telescope gesehenen hellen inneren Rings (Abb. 2) und der Analyse von dessen Lichtkurve, die vom International Ultraviolet Explorer (IUE) aufgezeichnet wurde. Bei dem Ring handelt es sich nicht um ein Produkt der Supernova-Explosion. Sein Material wurde bereits vor langer Zeit vom Vorgängerstern der Supernova ausgestoßen und zu aktivem Leuchten erst angeregt, als es von der energiereichen UV-Strahlung der Supernova mit Lichtgeschwindigkeit eingeholt wurde. Auf die Frage nach der Entstehung der Ringe gibt es bisher keine endgültige Antwort. In den Materialien zur Unterrichtseinheit werden die geometrischen Grundlagen zur Projektion des kreisförmigen Rings von SN 1987A als Ellipse an die Himmelssphäre, die Bestimmung des scheinbaren Ringradius und die Berechnung des wahren Ringradius ausführlich dargestellt. Weitere Materialien mit Aufgaben und Zusatzinformationen finden Sie in den deutschsprachigen Materialien zur astronomischen Übungsreihe der ESA/ESO auf der Website astroex.org.

Nach einer Internetrecherche zu verschiedenen Treibstoffen sollen die Schülerinnen und Schüler eine Vision zum Thema "Tankstelle der Zukunft" entwerfen. Die Ergebnissicherung erfolgt sowohl in Plakatform als auch in Form eines Flyers, in dem die Lernenden ihre Visionen vorstellen. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich in dem hier vorgestellten WebQuest zunächst in Kleingruppen theoretisch mit den Eigenschaften verschiedener Treibstoffe auseinander. Sie sollen sich über Vor- und Nachteile informieren und herausfinden, welche Konsequenzen der Einsatz der Treibstoffe für die Umwelt haben kann. Innerhalb der Gruppen sollen die Lernenden im Anschluss begründet überlegen, welcher Treibstoff ihrer Meinung nach am besten für eine bevorzugte Nutzung geeignet ist. Ihre Wahl sollen sie in Form einer eigenen Vision von der "Tankstelle der Zukunft" mithilfe eines Plakats vorstellen. Der Auftrag ist so offen gestellt, dass die Schülerinnen und Schüler sich eine eigene Meinung zu der Thematik bilden können. Die Lehrperson bietet lediglich Hilfestellungen und gibt Anregungen, mischt sich aber nicht in die eigentliche Diskussion ein. Durch die Übertragung der fachchemischen Behandlung von Treibstoffen auf einen schülernahen Alltagsbezug wird die lebensnahe Relevanz des Themas verdeutlicht und eine Diskussion zur aktuellen Entwicklung von Treibstoffen angeregt. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Internetrecherche, die Arbeit in Kleingruppen, die Entwicklung und Präsentation eines Plakats sowie die Hausaufgabe zur Erstellung eines Flyers werden hier kurz skizziert. Algensprit aus der Retorte Als Alternative zu höheren Pflanzen bieten sich Algen aus Aquakulturen zur Erzeugung von (nicht nur) Biosprit an. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit dem Basiskonzept Energie am Beispiel der Verbrennung von Treibstoffen unter Nutzung der Verbrennungsenergie auseinandersetzen. wirtschaftliche Aspekte der Treibstoffnutzung hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit bewerten. die gesellschaftliche Relevanz von Treibstoffen erkennen. sich kritisch mit verschiedenen Energieträgern auseinandersetzen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Computer gezielt zur Informationsbeschaffung verwenden, indem sie wichtige Inhalte aus Online-Dokumenten erarbeiten und diese auf ihre Aufgabenstellung beziehen. Darstellungen in den Medien kritisch hinterfragen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Vor- und Nachteile der Nutzung unterschiedlicher Treibstoffe arbeitsteilig recherchieren und die anderen Gruppenmitglieder über ihre Rechercheergebnisse informieren. auf Basis der Recherchen die Vor- und Nachteile verschiedener Treibstoffe in Kleingruppen vergleichend diskutieren. zu ihren Diskussionsergebnissen gemeinsam ein Plakat entwerfen und präsentieren. die Vorstellungen und Ideen der anderen Gruppen aufmerksam verfolgen und miteinander vergleichen. Thema WebQuest "Tankstelle der Zukunft" Autorinnen Julia Elsen, Prof. Dr. Julia Michaelis Fach Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 6 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss pro Arbeitsgruppe (4 Personen) Prof. Dr. Julia Michaelis von der Didaktik der Chemie der Universität Oldenburg betreute Julia Elsen bei der Bachelorarbeit "Warum WebQuest? - Erstellung von WebQuest-Materialien mit unterschiedlichen Kompetenzschwerpunkten". Gesellschaftliche und ökologische Fragen Der WebQuest thematisiert die Nutzung der Treibstoffe Benzin, Wasserstoff, Biodiesel und Autogas im Rahmen des Chemieunterrichts in der Oberstufe. Neben den fachlichen Grundlagen organischer und alternativer Treibstoffe bietet sich bei diesem Thema auch die bewertende Betrachtung der Auswahl und Nutzung einzelner Treibstoffe an, um damit die Gegenwarts- und Zukunftsbedeutung des Themas vor dem Hintergrund gesellschaftlicher und ökologischer Fragestellungen zu reflektieren. Alltagsbezug für "werdende Autofahrerinnen und -fahrer" Da der WebQuest für die Oberstufe konzipiert wurde, wird hier eine Zielgruppe angesprochen, die gerade die Fahrschule besucht oder bald besuchen wird. Die meisten Schülerinnen und Schüler in diesem Alter träumen von einem eigenen Auto und sind sich im Klaren, dass hiermit Kosten auf sie zukommen. Dabei sind sie abhängig von den Entwicklungen am Treibstoffmarkt. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich in dem WebQuest in Kleingruppen mit fossilen und alternativen Brennstoffen auseinander. Dabei soll jedes Gruppenmitglied zu einem anderen Energieträger recherchieren und die Resultate der Gruppe vorstellen. Eine tabellarische Übersicht der Ergebnisse, die folgende Punkte berücksichtigt, wird dabei fixiert: Chemische Zusammensetzung Darstellung/Gewinnung Vor- und Nachteile der Verwendung (Kosten, Konsequenzen für die Umwelt) Diskussion und Entwicklung eines Plakats Auf Basis der Einzelrecherchen sind die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, die Teilergebnisse vergleichend zu diskutieren und die Zukunftsbedeutung der einzelnen Treibstoffe gegeneinander abzuwägen. Ihre Diskussionsergebnisse sollen sie nutzen, um die Vorstellung einer "Tankstelle der Zukunft" zu entwerfen. Im Rahmen der Gruppenarbeit ist ein Plakat über diese Zukunftsvision anzufertigen. Die von dem Kurs angefertigten Plakate werden im Anschluss an die Gruppenarbeiten den Mitschülerinnen und Mitschülern präsentiert und im Plenum diskutiert. Wer ist aus welchen Gründen zu welchem Ergebnis gekommen? Welche Lösung erscheint besonders schlüssig? Entwicklung eines Flyers in Einzelarbeit Als Hausaufgabe sollen die Jugendlichen einen Flyer zur "Tankstelle der Zukunft" erstellen. Dies fordert von jeder Schülerin und jedem Schüler die Reflektion der Ergebnisse der Plenumsdiskussion und der Gruppenvorstellungen, um sich abschließend eine eigene Meinung bilden und eine persönliche Zukunftsvision entwickeln zu können. Durch diese Aufgabe werden die Jugendlichen auch aufgefordert, sich erneut mit allen Treibstoffen auseinandersetzen, da sie sich während der Internetrecherche ja nur mit einem Treibstoff intensiv beschäftigt haben. Bildung der eigenen Meinung Die Möglichkeit zur eigenen Meinungsbildung wird im Rahmen von Gruppenarbeiten meist nicht ausgeschöpft. Den Schülerinnen und Schülern muss bei Vergabe der Hausaufgabe klar verdeutlicht werden, dass es keine reine Wiederholungsarbeit ist, sondern dass sie ihre eigenen Gedanken einbringen sollen. Gerade durch eine solche Arbeit wird der Kompetenzbereich "Bewerten" gefördert. Exkursionen - Unterrichtsbesuche - Informationen aus erster Hand Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bietet im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2010 eine Webseite an, die Schulen und Wissenschaft unmittelbar zusammenbringen soll. Dort können Sie Kontakt zu Personen aus der Forschung aufnehmen, um sie mit Ihren Schülerinnen und Schülern an ihren Forschungseinrichtungen zu besuchen, in Ihren Unterricht einzuladen oder einfach zu ihrem Forschungsgebiet "auszufragen". Ihre Ansprechpartnerin zum Thema Algenbiotechnologie Prof. Dr. Carola Griehl ist Themenbotschafterin des Wissenschaftsjahres 2010 - Die Zukunft der Energie und Vizepräsidentin sowie "Algenforscherin" an der Hochschule Anhalt in Köthen. Sie forscht mit ihrer Arbeitsgruppe an der Entwicklung von Biodiesel aus Mikroalgen und aus Algen gewonnenen Medikamenten. Prof. Dr. Carola Griehl Auf der Webseite der Forschungsbörse zum Wissenschaftsjahr 2010 finden Sie ein Portrait von Prof. Dr. Carola Griehl und einen Link für die Kontaktaufnahme. Algen lösen Getreide als Rohstoffquelle ab Bislang wurden Biokraftstoffe vorwiegend aus Getreide hergestellt. Für die Erzeugung sind jedoch erhebliche Mengen an Ackerland, Wasser und Energie nötig, weshalb sich die alternativen Kraftstoffe bislang noch nicht durchsetzen konnten. Algen werden in offenen Aquakulturen oder in geschlossenen Photobioreaktoren gezüchtet, verbrauchen also keine Agrarfläche, zeichnen sich durch schnelles Wachstum und die Bindung des Emissionsgases Kohlenstoffdioxid per Fotosynthese aus. Bei der Vergärung erzeugtes Methan liefert Strom Die Arbeitsgruppe von Frau Prof. Griehl an der Hochschule Anhalt hat ein viel versprechendes Kreislaufsystem entwickelt, um das Potenzial der Algen noch besser auszuschöpfen: In einem Algenreaktor vergären die Algen. Das dabei entstehende Biogas besteht zu zwei Dritteln aus dem energiereichen Methan, das zur Stromerzeugung verbrannt wird. Ein Drittel des entstehenden Gases ist das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid, das für die Produktion von Strom nicht zu gebrauchen ist. Kohlenstoffdioxid ermöglicht das Wachstum der nächsten Algengenerationen Die Anhalter Arbeitsgruppe leitet - ganz nach dem Motto "Die Guten ins Töpfchen, die Schlechten ins Kröpfchen" - das anfallende Kohlenstoffdioxid in ein Brutbehältnis für neue Algen um. Diese verwerten das klimaschädliche Gas für ihr Wachstum, indem sie es durch Fotosynthese in Biomasse umwandeln. Die neu entstandene Biomasse wird wieder in den ersten Reaktor gefüllt, um dort zu Biogas zu vergären. Mit Essensabfällen aus der Mensa reichert Prof. Griehl die Algenreste in dem Reaktor an: "Das ergibt eine gute Ausbeute." Jedenfalls im Labor. Treibstoff, Futter- und Nahrungsergänzungsmittel Aus der entstehenden Biomasse werden Öle für Biodiesel, Tierfutter und Nahrungsergänzungsmittel gewonnen. Der Bau einer Pilotanlage zur Optimierung der gesamten Prozesskette - von der Algenproduktion bis zum Endprodukt - ist in Planung. Auch die Luftfahrtindustrie hat bereits ihr Interesse an dem potenziellen Algentreibstoff signalisiert. Bevor diese Art von Treibstoff preislich mit Kerosin konkurrieren kann, ist allerdings noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit nötig. Wirkstoffe gegen Alzheimer, Schnupfen- und Grippeinfektionen Es gibt noch zusätzliche medizinische Anwendungsbereiche der Algenbiotechnologie, an denen geforscht wird. So fungieren die Algen auch als Antioxidantien für Medikamente. Forschungsarbeiten der Anhalter Arbeitsgruppe zeigen die Vielfalt der Möglichkeiten, die das "grüne Gold" bietet: So konnte aus den Organismen ein potenzieller Wirkstoff gegen die Alzheimer-Krankheit extrahiert werden. Diese Substanz soll die Alzheimer-Plaques auflösen. Auch andere Krankheiten können - laut dem Pharmaunternehmen Marinomed - mithilfe von Algenwirkstoffen bekämpft werden. Auf der Suche nach Wirkstoffen, die besonders effektiv vor Schnupfen- und Grippeviren schützen, stießen die Marinomed-Gründer Eva Prieschl-Grassauer und Andreas Grassauer auf die Carragelose, eine Substanz, die in Rotalgen vorkommt. Wird sie auf die Nasenschleimhäute gesprüht, kann sie dort sehr effektiv Viren abfangen, bevor sie in den Körper eindringen. Kostensenkung durch Kreisläufe und clevere Erntemethoden Die Kreislaufsysteme der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Griehl könnten die Kosten für die "Marinen Arzneien" senken. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beim Technologiekonzern Siemens entwickeln gerade eine Methode, die die Algenproduktion noch günstiger machen könnte: Sie wollen bei der Ernte Kosten einsparen. Die Trennung der Algen vom Medium verbraucht sehr viel Wasser und Strom. Durch einen Trick kann dies auch effizienter und kostengünstiger umgesetzt werden: Magneten in den Algenbehältern sorgen dafür, dass die Algen zum Magneten wandern und in einem Verbund an der Glaswand "kleben" bleiben. Magnetische Algen? Nicht ganz: Es werden zuvor winzige Eisenteilchen ins Wasser gemischt. Da Algen nicht wählerisch sind und sich auf jeder Fläche ansiedeln, die sich ihnen bietet, nehmen sie die Eisenteilchen sofort in Beschlag. Der Magnet zieht das Metall an und mit ihm die Algen. Wie viel Einsparung letztendlich durch diese Technik zu erwarten ist, ist noch nicht vorhersehbar.

Spätestens seit die Europäische Union das Ausstiegsszenario für die Glühlampe eingeläutet hat, ist die Energiesparlampe in aller Munde. Fragen wie „Nach welchem Prinzip funktioniert eine Energiesparlampe?“ und „Welches sind die spektralen Bestandteile des Lichts von Energiesparlampen?“ sind deshalb für den schulischen Physik- und Chemieunterricht von großer Aktualität. Spektren von Energiesparlampen lassen sich auf der Basis der hier bereitgestellten Materialien im Oberstufenunterricht unter Einsatz geeigneter Software von Schülerinnen und Schülern mit großer Präzision in Eigentätigkeit konstruieren und vermessen. Aus solchen Spektren können dann Kenntnisse über die Lichtentstehung durch Quantensprünge von Elektronen in den Atomhüllen von Quecksilberatomen und Informationen zur Fluoreszenz in Leuchtstoffen und Farbstoffen extrahiert werden. Als Kalibrierspektren, das heißt als "Wellenlängen-Normale", dienen dabei die Spektren von Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen, wie sie in schulischen Physiksammlungen üblicherweise vorhanden sind. Alle in der Unterrichtseinheit einzusetzenden Spektren stehen als fotografische Spektren in Form von digitalen Bilddateien als Download zur Verfügung. Die Fotos wurden mit einer digitalen Spiegelreflexkamera (Canon EOS1000D) an einem DADOS-Spaltspektrograph aufgenommen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen Beitrag aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Dieser skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Das Minimalziel der Unterrichtseinheit, die Konstruktion des Spektrums einer Energiesparlampe mit Ermittlung der Wellenlängen der im Spektrum beobachtbaren Emissionslinien mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer, ist in nur einer Doppelstunde zu realisieren. Der Zeitaufwand vergrößert sich naturgemäß, wenn man deutlich präzisere Ergebnisse anstrebt. Gleiches gilt, wenn man die Thematik in größere Zusammenhänge einbetten möchte. Dabei geht es dann um Aufbau und Funktionsprinzip von Energiesparlampen und um die Wirkungsweise ihrer Leuchtstoffe. Informationen zu diesen Themen finden Schülerinnen und Schüler im Internet. Für einen ersten Überblick gibt der folgende fachliche Kommentar eine kurze Einführung in die Thematik "Leuchtstoffröhre". Die Begriffe "Energiesparlampe" und Leuchtstoffröhre" werden dabei synonym gebraucht. Fachlicher Kommentar: Leuchtstoffröhren Allgemeine Informationen zu Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren und dazu, wie diese UV-Licht in sichtbares Licht verwandeln Aufnahme und Vermessung der Spektren Eine ausführliche Anleitung, Spektren der Kalibrierlampen und der zu vermessenden Energiesparlampen sowie eine Beispielauswertung können Sie hier herunterladen. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Der GDCh-Artikel skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Aufbau und Funktion von Energiesparlampen beschreiben und erklären können. die Wirkungsweise der Leuchtstoffe und deren Beitrag zur Energie-Effizienz verstehen. einen Gitterspektrographen anhand der bekannten Spektren von atomarem Wasserstoff und von Quecksilber kalibrieren. aus digitalen Bilddateien die Emissionsspektren von Leuchtstofflampen in Form einer Funktion extrahieren, welche jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zuordnet. in Energiesparlampenspektren die Emissionslinien von Quecksilber erkennen. Thema Vermessung der Spektren von Energiesparlampen Autoren Steffen Urban, Peter Stinner Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-5 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang für die Recherche zum Thema und für die Erstellung und Auswertung der Spektren Software Astroart-Demoversion (kostenfreier Download, siehe Internetadresse), Tabellenkalkulation (bevorzugt MS-Excel) Leuchtstoffröhren sind Gasentladungslampen, in denen Quecksilberatome beim Quecksilberdampfdruck von einigen mikrobar durch Elektronenstoß zum Leuchten angeregt werden. Abb. 1 zeigt vereinfacht das Energieniveau-Schema eines Quecksilberatoms (nach einer Versuchsbeschreibung zum Franck-Hertz-Versuch der Firma NEVA, jetzt ELWE). Die waagerechten Linien repräsentieren Energieniveaus, deren Energie relativ zum Grundzustand in Elektron-Volt (eV) angegeben ist. Die senkrechten Doppelpfeile stehen für mögliche Quantenübergänge ("Elektronensprünge") zwischen diesen Energieniveaus. Die Zahlenwerte geben die Wellenlängen des bei diesen Übergängen emittierten Lichts in Nanometern (nm) an. Die Übergänge, welche die Emission von sichtbarem Licht zur Folge haben, sind entsprechend farbig gekennzeichnet. Die intensivste Linie im Quecksilberspektrum ist jedoch die zum 4,9 eV-Übergang gehörende Linie im ultravioletten Spektralbereich (UV). Damit ihre Energie nicht ungenutzt in die durch Absorption im Glas stattfindende Erwärmung der Lampe verloren geht, kleidet man die Innenseite der Leuchtstoffröhre mit sogenannten Leuchtstoffen aus. Diese können zum Beispiel aus Sulfiden, Silikaten oder Wolframaten bestehen. In den Leuchtstoffen wird das UV-Licht der Wellenlänge 253,7 nm in sichtbares Licht umgewandelt, dessen spektrale Zusammensetzung sich in weiten Grenzen durch die Wahl der Leuchtstoffe an den Verwendungszweck anpassen lässt. Um für das menschliche Auge den Eindruck weißen Lichts zu erzeugen, wird der im Quecksilberspektrum komplett fehlende Rotanteil auf diese Weise erzeugt. Informationen über das zugrunde liegende physikalische Prinzip findet man bei einer Internetrecherche über die Suchbegriffe "Stokes-Shift" oder "Stokesverschiebung". Wikipedia: Stokes-Shift Informationen zur Entdeckung und Beschreibung der Stokesverschiebung auf der Webseite der freien Online-Enzyklopädie Letztlich entsteht im Leuchtstoff aus einem hochenergetischen UV-Photon ein energieärmeres sichtbares Photon. Die entsprechende Differenzenergie verbleibt im Leuchtstoff und erwärmt diesen. Abgesehen von der Elektrodenerwärmung ist das beinahe der gesamte Energieverlust in solchen Lampen. Leuchtstofflampen wandeln fast die Hälfte der aufgenommenen elektrischen Energie in sichtbares Licht um. Bei Glühlampen liegt dieser Anteil unter 10 Prozent (Dieter Meschede: Gerthsen Physik, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg, 2006). Die Darstellung in Abb. 2 dient dem qualitativen Vergleich der Spektren einiger Energiesparlampen und einer Quecksilberlampe. Im Quecksilberspektrum (5) erkennt man die stärksten der im Schema von Abb. 1 markierten sichtbaren Spektrallinien (a bis e). Man findet diese auch in den Spektren 1 bis 4. Alle zusätzlichen Linien und Farbbereiche in diesen Spektren sind Ergebnisse der Umwandlung des UV-Lichts in sichtbares Licht, die in den Leuchtstoffen stattfindet. Das oberste Spektrum (1) gehört zu einer konventionellen Leuchtstoffröhre langer Bauform, wie sie bereits seit vielen Jahrzehnten verwendet wird. Das zweite und das dritte Spektrum stammt jeweils von einem modernen "Billigprodukt" (Spektrum 2: IKEA-Modell GA607N1961 0844, 7W; Spektrum 3: Baumarktprodukt DekoLight, 7W), das vierte dagegen von einem Markenprodukt (Philips Genie CDL 695, 18W). Der Vergleich von Spektrum 1 mit den Spektren 2 bis 4 zeigt unmittelbar, dass Energiesparlampen keine Erfindung des 21. Jahrhunderts sind, denn unter dem Namen "Leuchtstoffröhren" gibt es sie schon seit Jahrzehnten. Deshalb erscheint es gerechtfertigt, die Begriffe Leuchtstofflampe beziehungsweise -röhre und Energiesparlampe synonym zu gebrauchen. Einsatz des DADOS-Spaltspektrographen Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren einiger Energiesparlampen und zweier Kalibrierlichtquellen (Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen) wurden mit einem DADOS-Spaltspektrograph der Firma Baader-Planetarium an einem f = 1.000 Millimeter-Spiegelteleobjektiv aufgenommen. Wer sich für die Technik der Gewinnung von Spektren als Bilddateien interessiert, findet ausführliche Informationen dazu in der Unterrichtseinheit Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln . Quantitative Auswertung Nachdem das zu bearbeitende Spektrum einer Energiesparlampe (Abb. 3 und Bilddateien der Downloadmaterialien, siehe unten) aufgenommen wurde, stellt sich die Frage, welche Lichtwellenlänge von welchem Ort im Bild des Spektrums repräsentiert wird. Zur Beantwortung dieser Frage muss der Spektrograph kalibriert (geeicht) werden. Dabei kommt das in der Datei "esl_spektroskopie_anleitung.pdf" (siehe unten) beschriebene Verfahren zur Anwendung. Geeignete Kalibrierlampen Als sogenannte Kalibrierlichtquellen verwendet man externe Lichtquellen, die hinreichend viele und möglichst genau bekannte Wellenlängen emittieren, die über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt sind. Kombiniert man die Spektren einer Quecksilberdampflampe und einer Wasserstofflampe ("Balmerlampe"), dann sind diese Anforderungen gut erfüllt. Beim Spektrum der Balmerlampe (Abb. 4) fällt auf, dass dem Hintergrund des Wasserstoff-Molekülspektrums das Linienspektrum des atomaren Wasserstoffs überlagert ist. Die Linien H-alpha, H-beta und H-gamma des letzteren sind leicht zu identifizieren und zuzuordnen. Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einen für diese Unterrichtseinheit relevanten Artikel stellen wir hier kurz vor. Der vollständige Beitrag steht als PDF-Download zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Diskussion um die Energiesparlampe - Quecksilber und schlechtes Licht Aufgrund der Stromsparpolitik der Europäischen Union werden Glühlampen seit dem 1. September 2009 sukzessive aus dem Verkauf genommen. Ab Mitte 2012 dürfen dann keine Glühlampen mehr verkauft werden. Die nun zum Einsatz kommenden Energiesparlampen finden jedoch bisher wenig Akzeptanz in der Bevölkerung. Sie enthalten giftiges elementares Quecksilber und müssen deshalb als Sondermüll entsorgt werden. Der meistgenannte Kritikpunkt ist aber die schlechte Lichtqualität der neuen Lampen und ihre in zahlreichen Presseberichten unterstellte Gesundheitsgefährdung. Um dies genauer betrachten zu können, berschreibt der Artikel zunächst der Aufbau und die Funktionsweise von Energiesparlampen. Die Entstehung der Emissionsspektren wird detailliert dargestellt. Eine Alternative? - Light Emitting Diodes (LEDs) Lampen auf Festkörperbasis, nämlich Leuchtdioden (Light Emitting Diodes, LEDs), weisen bereits heute eine höhere Effizienz als Energiesparlampen auf. Dies sollte sich in Zukunft noch deutlich steigern lassen. Vor- und Nachteile organischer und anorganischer LEDs sowie die Funktionsweise anorganischer LEDs werden vorgestellt. Fazit Der zukünftige Einsatz von Lampen auf LED-Basis kann zu einer nicht unbeträchtlichen Einsparung von Energie führen. Dabei sind in erster Linie Chemikerinnen und Chemiker gefragt, neue Leuchtstoffe zu entwickeln, die einerseits sehr effizient emittieren und andererseits die gewünschten optischen Eigenschaften bezüglich Absorption und Emission besitzen. Zu diesem Zweck muss auch noch Grundlagenforschung durchgeführt werden, da die Struktur-Lumineszenz-Beziehungen in vielen Fällen nicht ausreichend geklärt ist, um gezielt neue Leuchtstoffe für unterschiedliche Anwendungen zu finden.