In dieser Unterrichtseinheit wird der Computer benutzt, um die Eigenschaften von Abbildungen herauszuarbeiten und ihr Verständnis zu vertiefen. Die Lernenden erhalten die Möglichkeit, ihr Wissen zu vervollständigen und zu prüfen.Achsen- und Punktspiegelungen sind integrale Bestandteile des Geometrieunterrichts in der Sekundarstufe I. Bereits in der Primarstufe werden symmetrische Figuren thematisiert. In den Jahrgängen 5-7 wird das mathematische Argumentieren und Strukturieren vertieft: Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Lage sein, die Eigenschaften der verschiedenen Abbildungen zu benennen und diese Eigenschaften zur Identifikation von gegebenen Abbildungen und zur Konstruktion der Bilder von gegebenen Figuren zu verwenden. Das digitale Material dieser Unterrichtseinheit wurde mit der dynamischen Geometriesoftware Cinderella erstellt. Die Software selbst ist aber nicht notwendig, um das Material zu nutzen, das uneingeschränkt weitergegeben werden kann. Eine erweiterte Schullizenz, die es allen Lehrkräften sowie Schülerinnen und Schülern erlaubt, selbst Konstruktionen mit Cinderella zu erstellen und im Internet zu veröffentlichen, ist für 199 € zu haben (weitere Informationen auf der Cinderella-Homepage ). Fachlicher Kommentar und Mehrwert des Computers Hinweise zu den Voraussetzungen der Schülerinnen und Schüler und dem Nutzen des Computereinsatzes bei den verwendeten Materialien mit Screenshots 1. Stunde - Verlauf und Materialien Achsen- und Punktspiegelungen werden mithilfe dynamischer Cinderella-Applets erkundet. Die Ergebnisse werden auf Plakaten fixiert. 2. Stunde - Verlauf und Materialien Symmetrieeigenschaften von Zahlen und Ziffern werden ohne den Computer untersucht und danach einfache Konstruktionsaufgaben am Rechner bearbeitet. Die Schülerinnen und Schüler sollen gegebene Abbildungen als Punkt- oder Achsenspiegelung identifizieren oder begründen können, weshalb es sich nicht um eine Spiegelung handelt. die Punkt- beziehungsweise Achsensymmetrie von vorgegebenen Figuren begründet bestimmen können. ihr Wissen über diese Abbildungen in geometrische Konstruktionen umsetzen können. den Unterschied zwischen statischen Figuren und dynamischen Figuren erklären können. Thema Achsen- und Punktspiegelungen im Vergleich Autor Prof. Dr. Ulrich Kortenkamp Fach Mathematik Zielgruppe Klasse 5-7 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Ein Computer für je zwei Lernende, Lehrerrechner mit Beamer; gut geeignet für Tablet-PCs oder Notebooks Software Internet Browser mit Java-2-Unterstützung (zum Beispiel Internet Explorer/Firefox mit Sun Java-Plugin unter Windows oder Safari auf Mac OS X); falls ein Internet-Zugang vorhanden ist, kann das Material online benutzt werden, ansonsten muss es heruntergeladen und auf alle Rechner kopiert werden. Weitere Materialien je zwei rote und zwei blaue Plakate (DIN A2); zur Gestaltung der Plakate: zwei weiße DIN-A4-Blätter, vier mal der Buchstabe F, zwei mal aus blauem, zwei mal aus rotem auf DIN A5 gefaltetem DIN A4-Papier ausgeschnitten; eine Bastelschere pro Arbeitsgruppe (Partnerarbeit), zwei Klebestifte Achsenspiegelungen sind wesentlich allgemeiner als Punktspiegelungen - schließlich kann man durch die Hintereinanderausführung von zwei Achsenspiegelungen eine Punktspiegelung erzeugen. Auch die Aufgabe, die Abbildung zu zwei kongruenten Figuren zu finden, ist für Achsenspiegelungen trivial (egal wie zwei spiegelverkehrte kongruente Figuren zueinander liegen: Es gibt immer die passende Achsenspiegelung!); im Fall einer Punktspiegelung muss es eine Drehung um exakt 180 Grad sein! Erstaunlicherweise ist aber die Konstruktion einer Punkspiegelung wesentlich einfacher als die einer Achsenspiegelung, bei der zusätzlich noch Senkrechte verwendet werden müssen. Die Unterrichtseinheit ist so konzipiert, dass auch Schülerinnen und Schüler, die noch nicht mit dynamischer Geometriesoftware (DGS) gearbeitet haben, die Aufgaben erfolgreich bearbeiten können. Sie eignet sich so auch für eine erste "Kontaktaufnahme" mit dem Computer im Geometrieunterricht. Die Schülerinnen und Schüler kennen schon seit der Grundschule und aus ihrer Anschauung Punkt- und Achsensymmetrien. In den der Unterrichtseinheit vorangegangenen Stunden sollten die dazu gehörigen Abbildungen und die damit verbundenen Begriffe (Zentrum der Spieglung, Spiegelachse, Punkt und Bildpunkt) eingeführt worden sein. Üblicherweise haben die Schülerinnen und Schüler noch Schwierigkeiten, ihr intuitives Wissen über die Abbildungen in klare Argumentationen umzusetzen. Die Eigenschaften der Abbildung "an sich" entdecken Die Durchführung von Punkt- und Achsenspiegelungen ist durchaus ohne den Computer machbar, und die reine Computerisierung dieser Tätigkeit birgt noch keinen Mehrwert. Vielmehr besteht die Gefahr, dass durch zu rasches Abarbeiten einer Konstruktionsaufgabe die Kontemplation über die Eigenschaften der Achsen- und der Punktspiegelung zu kurz kommt. Daher wird in dieser Stunde ausgenutzt, dass man durch die Dynamisierung einer gegebenen Achsenspiegelung die Eigenschaften der Abbildung "an sich" entdecken kann. Einstieg und Hilfestellungen Zur Systematisierung und als Hilfestellung wird zu Beginn der Unterrichtseinheit ein dynamisches Arbeitsblatt eingesetzt, auf dem Punkt- und Achsenspiegelung dargestellt werden. Dabei stehen zusätzliche Werkzeuge zur Verfügung, so dass nicht nur das Verhalten bei Bewegungen ausprobiert werden kann, sondern dass auch die vermuteten Kriterien überprüft werden können. So kann man beispielsweise über das Geradenwerkzeug Punkte miteinander verbinden. Wenn hierbei Punkt und Bildpunkt miteinander verbunden werden, so wird dies anders dargestellt als bei anderen Verbindungen. Das Kreiswerkzeug kann dafür benutzt werden, um den gleichen Abstand von Punkt und Bildpunkt von der Spiegelachse (oder dem Spiegelzentrum) zu prüfen, indem der Mittelpunkt auf die Achse und der Randpunkt auf eine Ecke des F gesetzt wird. Handlungsorientierte Zugänge Wird eine Figur abgebildet, die nicht punk- oder achsensymmetrisch ist, so kann man an einer statischen Abbildung leicht erkennen, um welchen Typ es sich handelt. Wird hingegen eine punkt- und achsensymmetrische Figur (zum Beispiel ein Rechteck oder gar Kreis) abgebildet, so kann aus dem statischen Bild ohne Hilfslinien nicht geschlossen werden, um welche Abbildung es sich handelt. Es ist also kein handlungsorientierter Zugang zu dieser Thematik möglich! Um dieses Problem zu umgehen, werden dynamische digitale Arbeitsblätter verwendet, auf welchen verschiedene Abbildungen durchgeführt werden, an denen die Schülerinnen und Schüler forschen können. Die Schülerinnen und Schüler bewegen darin den Punkt A. Dabei bewegt sich A' mit, nur um 180 Grad gedreht. Per "Spurmodus" wird die Spiegelung visualisiert. Die Lernenden sollen erkennen, dass es sich um eine Punktspiegelung handelt. Im zweiten Teil der Doppelstunde (der bei Zeitknappheit auch entfallen, oder, da das Material im Internet zur Verfügung steht, wohl dosiert auch als Hausaufgabe verwendet werden kann) werden die Symmetrieeigenschaften von Buchstaben und Ziffern untersucht (als Gegenpol zur Arbeit mit dem Computer). Im zweiten Teil der zweiten Stunde wird dann wieder mit dem Computer gearbeitet (Bestimmung des Zentrums einer Punktspiegelung und Durchführung einer einfachen Konstruktionsaufgabe). Einsatz von Plakaten In Unterrichtsstunden mit Computereinsatz muss viel Wert auf die Ergebnissicherung gelegt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen daher in den beiden Stunden vier Plakate erstellen, die die gefundenen Kenntnisse konservieren und präsentieren. Die Plakatbeiträge der ersten Stunde werden mit den Namen der Schülerinnen und Schüler gekennzeichnet. Damit erhält die Lehrkraft die Möglichkeit, den Leistungsstand der Lernenden nachträglich zu überprüfen (während der Arbeit mit dem Computer fällt es schwer, den Lernstand der Kinder richtig einzuschätzen!). Es besteht also die Chance, später auf eventuell vorhandene Lücken oder Fehlkonzeptionen einzugehen und schwächere Schülerinnen und Schüler zu fördern. Verwendung von Leitfarben Als "unterschwellige" Hilfestellung und zur besseren Unterscheidung wird auf den Plakaten und in den Applets für Punktspiegelungen die Farbe Rot (Punkte) und für Achsenspiegelungen die Farbe Blau verwendet (Linien). Wenn der Typ der Spiegelung noch nicht bekannt ist, so wird gelb verwendet. Für eventuelle Tafelanschriebe oder -zeichnungen wird empfohlen, dies beizubehalten. Die Klasse wird begrüßt und das Stundenthema vorgestellt. Danach werden Rechner ausgeteilt (Tablet-PCs oder Notebooks) oder die Klasse wechselt in den Computerraum. Je zwei Kinder arbeiten an einem Rechner. Die dynamischen Materialien und die grundlegenden Bedienungsfunktionen werden von der Lehrkraft anhand der Beispiel-Achsenspiegelung vorgestellt. Falls der Browser interaktive Inhalte blockiert, muss erklärt werden, wie diese zugelassen werden können. Arbeitsauftrag Der Arbeitsauftrag findet sich auf dem elektronischen Arbeitsblatt und wird zudem mündlich gestellt: "Erkunde die Achsen- und Punktspiegelung im Beispiel ("Beispiele für Spiegelungen"). Finde dann heraus, um welche Abbildungen es sich bei den in Aufgabe 2 ("Was ist das?") gegebenen zwölf Abbildungen handelt! Erstelle eine Tabelle in deinem Heft, in die du für alle zwölf Abbildungen einträgst, ob es sich um Achsen- oder Punktspiegelungen handelt - mit Begründung! Überlege, wie du Achsen- beziehungsweise Punktspiegelungen erkennst und schreibe es auf den roten beziehungsweise blauen Zettel." (Verwenden Sie für die Erstellung dieser Ergebniszettel die Dateien "begruendung_punktspiegelung_rot" und "begruendung_achsenspiegelung_blau".) Die Zeitvorgabe (etwa 15 Minuten) wird als Uhrzeit angesagt. Arbeitsphase Gehen Sie herum und helfen den Schülerinnen und Schülern bei technischen Schwierigkeiten. Erinnern Sie sie daran, ihre Antworten zu begründen! Falls die Lernenden nicht von selbst darauf kommen, den Punkt A bei den ersten vier Abbildungsbeispielen zu bewegen, fordern Sie sie dazu auf. Vorbereitung der Plakate (Lehrkraft) Ein blaues Plakat (DIN A) wird hochkant mit Magneten an der Tafel fixiert und mit der Überschrift "Achsenspiegelung", ein rotes Plakat mit der Überschrift "Punktspiegelung" versehen. Quer unter diese Überschriften wird auf jedes Plakat ein weißes DIN A4-Blatt geklebt. Aufgaben der Plakatverantwortlichen Aus der Klasse werden zwei Plakatverantwortliche bestimmt, die die Aufgaben bisher zügig gelöst haben. Diese erhalten zwei blaue beziehungsweise zwei rote ausgeschnittene kongruente F-Buchstaben (diese stellt man am besten her, indem man ein farbiges DIN A4-Blatt auf DIN A5 faltet und daraus den Buchstaben ausschneidet) und kleben diese auf die durch aufgeklebte weiße Blätter hergestellten weißen Flächen des blauen beziehungsweise roten Plakates. Dabei sollen eine Punkt- und Achsenspiegelung wie auf dem elektronischen Beispiel-Arbeitsblatt entstehen. Mit blauem und rotem Stift werden von den Plakatverantwortlichen die Achse beziehungsweise das Zentrum der Spiegelung eingezeichnet. Außerdem werden benötigt: ein rotes und ein blaues Plakat (DIN A2) zwei weiße DIN-A4-Blätter je zwei "F", die aus roter beziehungsweise blauer Plakatpappe ausgeschnitten wurden zwei Klebestifte Materialien zur Befestigung der Poster an der Tafel (Magneten, Klebeband) Schülerhefte Die Lehrkraft zeigt nacheinander die zwölf Applets zu Aufgabe 2 ("Was ist das?") des elektronischen Arbeitsblattes (Beamer). Die Schülerinnen und Schüler äußern dazu Ihre Vermutungen (Achsen- oder Punktspiegelung?). Eine Schülerin oder ein Schüler notiert diese an der Tafel. Die Vermutungen werden gemeinsam diskutiert und die Lernenden werden aufgefordert, ihre Behauptungen zu begründen. Bei guten Begründungen werden sie ermuntert, diese auf den (vermutlich noch nicht ausgefüllten) roten und blauen Ergebniszetteln zu notieren ("begruendung_punktspiegelung_rot.rtf" und "begruendung_achsenspiegelung_blau.rtf"). Wahrscheinlich werden die Schülerinnen und Schüler selbst noch einmal auf den eigenen Rechnern die Applets aufrufen, um die Diskussion selbsttätig nachvollziehen zu können. Falls sie dies nicht tun, schadet es nicht, sie dazu aufzufordern. Nun werden noch die roten und blauen Zettel eingesammelt und schnell auf die Plakate geklebt. Die Plakate werden von der Tafel abgenommen und an die Wand gehängt. Im Plenum wird geklärt, was der Zusammenhang zwischen Spiegelung und Symmetrie ist: Wann nennt man eine Figur achsensymmetrisch? Wann punksymmetrisch? Die auf rotes und blaues Papier kopierten Buchstaben und Ziffern (jeweils 36, siehe "buchstaben_ziffern.rtf") werden verteilt. Die Schüler und Schülerinnen sollen in Partnerarbeit klären, welche Buchstaben punkt- und welche achsensymmetrisch sind. Auf ein rotes Plakat werden alle punktsymmetrischen Buchstaben (rotes Papier) und auf ein blaues Plakat alle achsensymmetrischen Buchstaben geklebt. Die roten Buchstaben, die nicht punktsymmetrisch sind, und die blauen, die nicht achsensymmetrisch sind, werden weggeworfen. Die Klasse liest noch einmal die Buchstaben auf den Plakaten vor. ein rotes und ein blaues Plakat (DIN A2) eine Schere pro Arbeitsgruppe zwei Klebestifte Einleitung (5 Minuten) Die beiden Konstruktionsaufgaben zur Punktsymmetrie werden kurz vorgestellt. Die Bedienung des Applets wird kurz vorgeführt (ohne die Konstruktionsaufgabe zu lösen!) und technische Probleme werden geklärt ("aktive Inhalte zulassen"). Arbeitsphase (15 Minuten) Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten selbstständig die Konstruktionsaufgaben. Arbeitsauftag: "Versucht die Konstruktionsaufgaben zu lösen; ihr könnt euch mit dem Fragezeichen-Button Hilfen holen. Versucht dann, die Aufgabe noch einmal zu lösen - ohne Hilfen. Schreibt in euerem Heft genau auf, wie ihr vorgegangen seid. Begründet, wieso ihr so vorgeht!" Die Zeitvorgabe von 15 Minuten wird als Uhrzeit angeben! Besprechung der Lösung (10 Minuten) Eine Schülerin oder ein Schüler führt die Lösung am Beamer vor. Die eigenen Aufzeichnungen können dabei benutzt werden. Bei der Begründung der Lösung muss die Lehrkraft darauf achten, dass die aus der vorherigen Stunde bekannten Eigenschaften von Punktspiegelungen benutzt werden! Außerdem benötigen die Lernenden ihr Mathematikheft für ihre Notizen.