Quantenphysik, Fotoeffekt Teil 2: In dieser Einheit wird der Fotoeffekt in seinen Ausprägungen (äußerer, innerer und atomarer Fotoeffekt) näher erforscht. Neben differenzierenden Aufgaben für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II stehen auch Lösungen für diese Einheit bereit. Die Entstehung der Quantenphysik durch die bahnbrechenden Erkenntnisse zu Beginn des 20. Jahrhunderts war der Beginn einer Entwicklung, die sich im Laufe des 20. Jahrhunderts bis hinein in die jetzige Zeit des 21. Jahrhunderts immer mehr steigerte und zu nie für möglich gehaltenen technischen Neuheiten führte. So hätten etwa Photovoltaik-Anlagen auf unseren Dächern ohne Entdeckung des Fotoeffektes nie Realität werden können. Will man den Fotoeffekt vertiefend betrachten, sollte ergänzend kurz auf seine Ausprägungen eingegangen werden. Eine Unterscheidung in "äußerer-, innerer- und atomarer Fotoeffekt" wird notwendig, wenn man neben der puren Ablösung von Elektronen aus bestimmten Metallen durch entsprechende Lichteinstrahlung (äußerer Fotoeffekt) den in Halbleitermaterialien auftretenden inneren Fotoeffekt verstehen will. Dieser ist entscheidend für die Umwandlung von auf Solarzellen auftreffenden Photonen in nutzbaren elektrischen Strom. Anschließend wird mit vertiefenden Aufgaben unterschiedlicher Schwierigkeit das Verständnis für die Vorgänge rund um den Fotoeffekt gefördert. Der Fotoeffekt – eine vertiefende Betrachtung Die Vertiefung des Fotoeffektes anhand von Versuchen und anspruchsvollen Aufgaben schafft für die Schülerinnen und Schüler die optimalen Voraussetzungen für die in der Folge anstehenden Unterrichtseinheiten zur Quantenphysik in der Sekundarstufe II. Das Wissen um die grundlegende Bedeutung des Fotoeffektes und seiner Erklärung über die Lichtquantenhypothese sowie die daraus resultierenden technischen Anwendungen bildet dafür die Basis. Vorkenntnisse Vorkenntnisse aufgrund der vorausgegangenen Unterrichtseinheit zu den Grundlagen der Quantenphysik vorhanden. Diese werden nun durch die Vertiefung des Stoffes erweitert. Didaktische Analyse Das wichtige Thema "Quantenphysik" dient unter anderem auch dazu, den Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe II den Grundstock zu liefern für teilweise schwierige und komplexe physikalische Sachverhalte, die im Rahmen verschiedener naturwissenschaftlicher Studiengänge für technische Berufe unabdingbar sind. Methodische Analyse Das Thema Quantenphysik und seine Bedeutung in der heutigen Technik (Photovoltaik, Lasertechnik, Quantencomputer usw.) könnte bei Lernenden also durchaus auf ein gewisses Interesse stoßen; allerdings wird die vertiefte Besprechung der zum Teil sehr schwierigen und komplex wirkenden Gleichungen in der Regel den Schülerinnen und Schülern vorbehalten sein, die auch über gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse und Fähigkeiten verfügen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können den äußeren- und inneren Fotoeffekt beschreiben und die bestehenden Unterschiede erläutern. wissen um die Bedeutung des Fotoeffektes und den daraus hervorgegangenen technischen Errungenschaften unserer Zeit. können vertiefende Übungsaufgaben zum Fotoeffekt mit Transferanteilen aus anderen Gebieten der Physik lösen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. wertfrei diskutieren zu können.

Der Beitrag zeigt, wie es mithilfe von physikalischen Grundprinzipien wie dem Auftrieb und den Strömungseigenschaften der Luft, also den Gesetzen der Aerodynamik, der Mechanik und der Thermodynamik, Flugzeugen ermöglicht wird, sich durch die Luft bis hinauf in große Höhen zu bewegen und über viele Stunden hinweg Menschen und Fracht über Tausende von Kilometern in nahezu alle Gegenden unserer Welt zu transportieren. Die Faszination des Fliegens reicht tief in die menschliche Natur und Kultur hinein. Sie verbindet technische, emotionale und philosophische Aspekte, die das Fliegen zu einer einzigartigen Erfahrung und einer Besonderheit machen. Seit der Antike zeugen Mythen wie die von Ikarus oder Daedalus von der Sehnsucht der Menschen, wie Vögel frei durch die Lüfte zu gleiten. Erst durch das Fliegen in der Neuzeit wurde es möglich, in weit entfernte Länder in relativer kurzer Zeit zu gelangen, um deren Kulturen zu entdecken, bis dahin war dies nur mit Schiffen über extrem lange Zeiträume und verbunden mit großen Gefahren möglich. Im Anschluss an diese Unterrichtseinheit können Sie nahtlos die Einheit "Physik des Fliegens – von der Steuerung bis zum Triebwerk" anschließen. Das Thema behandelt den Weg vom Auftrieb bis hin zum Gleitflug, etwa bei Segelflugzeugen. Im Gegensatz zum Auftrieb bei Start und Horizontalflug, für den eine Antriebskraft nötig ist, nutzt der Gleitflug eine leichte Abwärtsneigung, bei der ein Teil der potentiellen Höhenenergie in Bewegungsenergie umgewandelt wird und damit die Vorwärtsbewegung ohne eigene Antriebskraft ermöglicht. Diesen relativ einfachen und leicht darstellbaren Zusammenhang können Schülerinnen und Schüler gut nachvollziehen und somit auch das allen bekannte Segelfliegen verstehen. Vorkenntnisse Vorkenntnisse sind aufgrund der bekannten physikalischen Zusammenhänge bei den – vermutlich – meisten Lernenden vorhanden. Die zugehörigen Gesetze beinhalten keine komplizierten Zusammenhänge. Didaktische Analyse Bei der Besprechung des Themas "Fliegen" sollten neben den technischen und naturwissenschaftlichen Aspekten in der Diskussion mit den Schülerinnen und Schülern auch ökologische und ethische Perspektiven berücksichtigt werden. Es bietet sich die Möglichkeit, neben der Vermittlung von Wissen auch gesellschaftliche und globale Herausforderungen anzusprechen. So lässt sich eine Balance zwischen Faszination und kritischer Auseinandersetzung für ein differenziertes Herangehen an das Thema ermöglichen. Methodische Analyse Die Thematik "Fliegen" lässt sich gut verständlich und nachvollziehbar vermitteln. Zudem ist es möglich, anhand einfachster Modelle wie etwa selbst gefaltete Papierflieger oder auch anderer einfacher Flugmodelle die Funktionsweise, wie ein Flugzeug prinzipiell zum Fliegen kommt, zu verstehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die entscheidende Bedeutung von Auftrieb und Strömung für das Fliegen. können die verschiedenen Kräfte, die auf ein Flugzeug in den unterschiedlichsten Flugsituationen wirken, beschreiben und ihr Ineinandergreifen genau zuordnen. können anspruchsvolle Übungsaufgaben lösen und damit auch Belastungen für Passagier in Verkehrsflugzeugen, aber auch Extremsituationen für Piloten in Militärjets näher verstehen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partnerarbeit und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit unter anderem anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Diese Unterrichtseinheit zu den Themen Parkettierung und Spiegelsymmetrie bietet Arbeitsmaterial und Unterrichtsvorschläge zum Online-Lernspiel "Felia legt Fliesen". Es sind keine geometrischen Vorkenntnisse bei den Schülerinnen und Schülern nötig, wenngleich es sinnvoll ist, einfache geometrische Flächenformen zuvor im Unterricht behandelt zu haben. Fliesen gibt es an vielen Orten: im Badezimmer zu Hause oder in der Schule, in vielen Kirchen – manchmal sind sogar ganze Häuserwände gefliest. Schaut man genau hin, lässt sich fast immer ein Muster darin erkennen. Das Lernspiel "Felia legt Fliesen" thematisiert geometrische Muster und Figuren am Beispiel einer gefliesten Badezimmerwand. Felia hat in ihrem Spanienurlaub Fliesen in verschiedenen Formen und Farben gesammelt. Die eignen sich ganz wunderbar dazu, die kahlen Wände eines alten Badezimmers zu verschönern. Mit Quadraten und Dreiecken lassen sich viele Muster und Figuren legen. Das zusätzliche Einblenden von Spiegelachsen kann für eine überraschende Veränderung im Muster sorgen. Das Lernspiel eignet sich als Einstieg in die Themen Parkettierung und Spiegelsymmetrie und ist so konzipiert, dass keine geometrischen Vorkenntnisse erforderlich sind. Es ist für den didaktischen Aufbau aber sicherlich sinnvoll, einfache geometrische Flächenformen zuvor im Unterricht behandelt zu haben. Zum Einstieg sollten die Vorerfahrungen der Kinder abgefragt werden, denn Fliesen kennt jeder aus seinem Alltag. Die spielerischen Erfahrungen der Kinder am Computer sollten im Anschluss mit realen Formen aus beispielsweise Papier oder Pappe vertieft werden. Eine virtuelle Fliesenwand gestalten Die Kinder helfen Felia, passende Fliesen in unfertige Muster oder Figuren zu platzieren und denken sich eigene Fliesenmuster aus. Forschen mit echten Fliesen und Spiegeln Das virtuelle Forschen kann gut mit Aktivitäten abseits des Computers kombiniert werden, zum Beispiel mit Papierfliesen oder Beispielen aus dem Alltag. Die pädagogischen Leitlinien der Stiftung Begleiten und unterstützen Sie die Kinder in ihrer natürlichen Neugier an Phänomenen aus ihrem Alltag. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Gesetzmäßigkeiten in geometrischen Mustern (Parkettierung, Spiegelsymmetrie) und setzen diese fort. erfinden eigene geometrische Muster. erfahren, wie sich die Umgestaltung einer Fliese auf das Gesamtmuster auswirkt. entdecken Zusammenhänge zwischen einfachen geometrischen Flächenformen. erkennen, aus welchen Formen sich eine geometrische Figur zusammensetzt. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler platzieren mit einem einfachem Mausklick geometrische Formen an gewünschter Stelle. lernen die Handlungsoptionen des Lernspiels auszuprobieren und anzuwenden. wissen, wie sie ihr selbst erstelltes Fliesenmuster ausdrucken können. lesen gesprochene Texte mit. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler treffen Vereinbarungen über die Nutzung der zur Verfügung stehenden Computer. tauschen sich über ihre selbst erstellten Muster aus. In fast jedem Zuhause sind Wände und Boden im Badezimmer mit Fliesen ausgelegt. Wie sehen die bei den Kindern zu Hause aus? Welche Form und welche Farbe haben die Fliesen? Oft sind geflieste Wände und Böden einfarbig - was würden die Kinder tun, um sie schöner zu machen? Wo haben die Kinder schon einmal geflieste Wände oder Böden gesehen, die schön gemustert waren? Am Computer bekommen die Kinder die Gelegenheit, eine Fliesenwand ganz nach ihrem Wunsch zu gestalten. Zugang zum Lernspiel Das Lernspiel "Felia legt Fliesen" ist integriert in einen interaktiven Forschergarten, der die Kinder zu eigenständigen Entdeckungsreisen animiert. Die Figuren Tim und Juli begleiten sie dabei. Zum Spiel gelangt man über verschiedene Zugänge: Über den Button "Spiele und Wissen", wo Sie über ein Auswahlmenü einen Link zu "Felia legt Fliesen" finden. Oder Sie betreten direkt den Forschergarten und suchen ein Icon mit Felia, die vor einer alten Villa ein buntes Fliesenmuster legt (Abbildung 1, zum Vergrößern bitte anklicken). Technische Hinweise Für die Nutzung der Lernspiele auf der Kinder-Webseite muss Adobe Animation installiert sein. Aufgrund der grafischen Benutzeroberfläche kann es beim erstmaligen Öffnen der Seite zu einer längeren Ladezeit kommen. Die Dauer hängt von Ihrer Internetverbindung ab. Ist die Seite einmal geladen, ist die Navigation einfach und schnell möglich. Einführende Geschichte Wie jedes Lernspiel auf www.meine-forscherwelt.de beginnt auch "Felia legt Fliesen" mit einer kurzen Geschichte, die inhaltlich in das Spiel einführt. Das Intro kann auch übersprungen werden. SPIEL 1: Kannst du das fertig legen? Felia hat sich Muster mit dreieckigen und quadratischen Fliesen ausgedacht. Einige Fliesen hat sie auch schon verlegt - erkennen die Kinder das Muster? Ziel ist es, mit passenden Fliesen die noch vorhandenen Lücken zu schließen. Ein eingeblendetes Raster hilft den Kindern, die Fliesen richtig zu positionieren. Figuren mit Fliesen auslegen Auch Figuren sollen mit dreieckigen und quadratischen Fliesen ausgelegt werden. Welche Formen passen in die Umrisse? Als Hilfestellungen ist zu Beginn ein Raster eingeblendet. Bei höheren Levels gibt es dieses Raster nicht mehr. Auch die zu legenden Figuren werden komplizierter. SPIEL 2: Eigene Muster legen In diesem Spiel können sich die Kinder ihr eigenes Muster ausdenken. Zu Beginn wählen sie eines von drei Rastern. Je nach Raster stehen dreieckige oder quadratische Fliesen zur Auswahl, die über eine Farbpalette eingefärbt werden können. Auf Wunsch können auch eine horizontale oder vertikale Spiegelachse aktiviert werden. Wer weiß schon vorher, wie sein Muster danach aussieht? SPIEL 3: Einzelne Fliesen gestalten Im letzten Spiel gestalten die Kinder einzelne Fliesen, die sich dann automatisch auf der ganzen Wand verteilen. Zu Beginn können die Kinder wieder zwischen drei Rastern auswählen. Je nach Raster stehen ihnen dann Dreiecke oder Quadrate für die Gestaltung zur Verfügung, die sie auf Wunsch einfärben können. Sobald die Kinder eine Form in ihr Fliesenraster legen, sehen sie das Ergebnis an der Wand. Dokumente zum Ausdrucken Wer mag, kann sich am Ende von Spiel 2 und 3 seine selbst erstellten Fliesenmuster als PDF-Dokument ausdrucken. Diskussion der Erfahrungen Sammeln und diskutieren Sie die Erfahrungen der Kinder mit "Felia legt Fliesen". Wie weit sind sie gekommen? Gab es Level, die besonders knifflig waren? Im Spiel wurden ganze Wände mit ein oder zwei Formen ausgelegt. Welche Formen waren das? Warum hat man dazu wohl keine Kreise genommen? Eigene Fliesenmuster Schauen Sie sich gemeinsam die ausgedruckten Muster der Kinder an. Gibt es Muster, die sich ähnlich sind? Wie könnten diese Muster entstanden sein? Es gibt zum Beispiel Muster, in denen sich bestimmte Ausschnitte ständig wiederholen. Können die Kinder zeigen, was sich wiederholt? Nehmen Sie auch die Muster mit Spiegelachse unter die Lupe: Was macht diese Linie denn? Sind die Muster links und rechts von so einer Spiegellinie gleich oder sehen die Kinder auch Unterschiede? Lassen Sie die Kinder auch nach Mustern mit zwei Spiegelachsen suchen. Wie erkennt man die denn? Der Begriff Spiegelachse Ist der Vergleich mit dem Spiegel einmal gezogen, spricht grundsätzlich nichts dagegen, den Fachbegriff Spiegelachse einzuführen. Viele Kinder haben Freude am Lernen neuer Begriffe. Sie sollten danach regelmäßig in die Erklärungen und Beschreibungen der Kinder eingehen. Für besonders wissbegierige Kinder stehen auf der Kinder-Webseite weiterführende Lesetexte zur Verfügung. Sie sind direkt im Spiel über dem Bereich "Hilfe" zugänglich, dort gibt es einen Link "Wissen". Oder über den Knopf "Spielen & Wissen" am unteren Rand des Bildschirms. Die "Knabbertechnik" Im Spiel haben die Kinder ganze Flächen ohne Lücke mit quadratischen oder dreieckigen Fliesen ausgelegt ( Parkettierung ). Welche Form hätten die Fliesen noch haben können? Wie sehen zum Beispiel die Pflastersteine auf dem Schulweg oder der Parkettfußboden zu Hause aus? Manchmal kann man hier ganz ungewöhnliche Formen entdecken - noch ungewöhnlicher sind jedoch die Parkette oder Fliesen, die sich durch die sogenannte Knabbertechnik herstellen lassen. Lassen Sie die Kinder zunächst eine Fliesenschablone basteln. Dazu benötigen Sie nichts weiter als ein Quadrat oder Rechteck aus Pappe. Von einer Seite "knabbern" sie nun etwas ab und kleben es mit etwas Tesafilm an gegenüberliegender Seite wieder an - fertig ist die Schablone! Wer möchte, kann auch an zwei Seiten gleichzeitig knabbern. Fliesen aus buntem Papier Mit ihrer Schablone können die Kinder nun ganz viele Fliesen aus buntem Papier herstellen - zwei Farben reichen schon aus, um schöne Farbmuster zu legen. Mögliche Fortsetzung Lassen Sie die Kinder die "Knabber-Regel" auch auf andere einfache Flächenformen übertragen. Wie würden die Kinder beispielsweise bei einem Dreieck vorgehen? Teilen Sie gleichseitige (!) Papierdreiecke aus und lassen Sie die Kinder ausprobieren. Experimente mit einer Spiegelfliese Lassen Sie die Kinder mit einer Spiegelfliese ausprobieren: Wie muss ich meinen Namen auf ein Blatt Papier schreiben, damit er im Spiegel richtig zu lesen ist? Wie lässt sich ein Lineal verlängern oder verkürzen? Wie male ich ein Gesicht, das einmal fröhlich und einmal traurig guckt? Diese oder ähnliche Anregungen finden Sie übrigens auch auf der Entdeckungskarte "Spieglein, Spieglein" aus dem Kartenset für Kinder "Mathematik - Geometrie mit Fantasie", die Sie kostenfrei als PDF-Dokument auf der Webseite der Stiftung heruntergeladen können: Download Entdeckungskarte "Spieglein, Spieglein" Weitere Spiegel-Experimente Die Kinder können auch vier identische, kleine Klebezettel oder andere flache Objekte wie Legeplättchen oder Ähnliches in eine Reihe legen: Wie viele Zettel können die Mädchen und Jungen mit dem Spiegel sehen? Gelingt es ihnen, auch eine ungerade Anzahl an Zetteln zu sehen? Ein Spiegel macht es möglich, aus vier Zetteln jede Anzahl zwischen Null und Acht zu sehen. Alles vor dem Spiegel wird nämlich verdoppelt - nur eben spiegelverkehrt! Lassen Sie die Kinder ihre Spiegel-Ergebnisse zeichnerisch dokumentieren. Die Position des Spiegels, also die Spiegelachse , markieren sie wie in "Felia legt Fliesen" mit einer geraden Linie. Spiegel-Tangram Stellen Sie mit den Kindern ein eigenes Spiegel-Tangram her. Das Spiel besteht aus Quadraten und Dreiecken zum Legen, einem Handspiegel und einem Satz Karten mit spiegelsymmetrischen Mustern aus bunten Quadraten und Dreiecken. Verteilen Sie zunächst quadratische Notizzettel in zwei Farben an die Kinder. Vierteln sie diese, erhalten sie vier kleine Quadrate und ein passendes Dreieck, indem sie ein kleines Quadrat noch einmal entlang seiner Diagonalen halbieren. Spiegeln von zwei Formen Zu zweit oder in kleinen Gruppen überlegen sich die Kinder nun Spiegelmuster, die durch Spiegeln von zwei Formen entstehen können. Das ist manchmal gar nicht so einfach! Um sich das Positionieren der Formen zu erleichtern, können die Kinder einen Schaschlik-Spieß zu Hilfe nehmen, der die Spiegelachse simuliert und später wieder entfernt wird. Die fertigen Muster werden auf Kärtchen aus Kartonpapier geklebt und untereinander ausgetauscht. Erkennen die Kinder, wo sich die Spiegellinie in den Mustern befindet? Wie müssen sie die Formen vor dem Spiegel anordnen, damit das gleiche Muster wie auf dem Kärtchen entsteht? Naturwissenschaftliche, technische und mathematische Phänomene sind Teil der Erfahrungswelt von Kindern: Morgens klingelt der Wecker, die Zahncreme schäumt beim Zähneputzen, das Radio spielt Musik, der heiße Kakao dampft in der Tasse, Frühstückseier und Äpfel können vom Tisch kullern, die Butter aber nicht. Kinder wollen ihre Welt im wahrsten Sinne des Wortes "begreifen" und mehr über Naturphänomene erfahren. Diese vielfältigen Anlässe im Alltag der Kinder lassen sich auch für die pädagogische Arbeit nutzen. Die Fragen der Kinder spielen deshalb beim Forschen und Experimentieren eine zentrale Rolle. Die Bildungsinitiative "Haus der kleinen Forscher" möchte vor allem Lernfreude und Problemlösekompetenzen fördern. Dabei sollen Kinder gerade nicht nach Erwachsenenverständnis "richtige" Erklärungen für bestimmte Phänomene lernen und diese auf Abruf wiedergeben können. Vielmehr möchte die Stiftung Pädagoginnen und Pädagogen Möglichkeiten an die Hand geben, um die Kinder bei einem forschenden Entdeckungsprozess zu begleiten. Dazu gehören unter anderem das Beobachten, Vergleichen und Kategorisieren, das sich Kinder zunutze machen, um die Welt um sich herum zu erkunden. Die Stiftung "Haus der kleinen Forscher" hat folgendes Bild vom Kind. Es prägt das pädagogische Handeln und beinhaltet die Vorstellung darüber, auf welche Weise Kinder lernen: Kinder sind reich an Vorwissen und Kompetenzen. Kinder wollen von sich aus lernen. Kinder gestalten ihre Bildung und Entwicklung aktiv mit. Jedes Kind unterscheidet sich durch seine Persönlichkeit und Individualität von anderen Kindern. Kinder haben Rechte. Bildung als sozialer Prozess Bildung ist ein sozialer Prozess. Kinder lernen im Austausch mit und von anderen, durch Anregung, durch individuelle Erkundung und durch gemeinsame Reflexion. Kinder lernen nicht nur von Erwachsenen, sondern auch mit und durch Zusammenarbeit mit anderen Kindern. Der pädagogische Ansatz der Stiftung ist von den zwei pädagogischen Leitlinien Ko-Konstruktion und Metakognition geprägt. Ko-Konstruktion Ko-Konstruktion bedeutet, dass Kinder durch die Zusammenarbeit mit anderen lernen. Lernprozesse sollten grundsätzlich von Kindern und pädagogischen Fachkräften gemeinsam "konstruiert" werden. Metakognition Während der gemeinsamen Gestaltung von Bildungsprozessen kann mit den Kindern thematisiert werden, dass sie lernen, was sie lernen und wie sie lernen. Dies geschieht über die Auseinandersetzung mit den eigenen kognitiven Prozessen (Gedanken, Meinungen, Einstellungen und so weiter), also das Wissen einer lernenden Person über ihr Wissen, ihre neugewonnenen Erkenntnisse und den Weg dorthin. An das Vorwissen der Kinder anknüpfen Die pädagogischen Fachkräfte bekommen eine Vorstellung von den Vorerfahrungen und Gedankengängen der Kinder, wenn sie ihnen genau zuhören, sie beobachten und nach ihren eigenen Vermutungen fragen. Mit den Kindern sprechen Die pädagogischen Fachkräfte unterstützen die Kinder durch Dialoge, den nächsten geistigen Entwicklungsschritt zu machen. Nicht erklären, sondern (hinter-)fragen! Die Kinder zum Nachdenken anregen Wenn Kinder einmal vermeintlich "falsche" Konzepte heranziehen, zum Beispiel "Der Strom ist schwarz", dann wird daraus ersichtlich, wo das Kind gerade steht. Aufgabe ist es, Kinder bei geeigneter Gelegenheit darauf aufmerksam zu machen, dass es zum Beispiel auch weiße Kabel gibt. Die pädagogische Fachkraft bringt die Kinder auf diese Weise dazu, selbst eine neue Theorie zu entwickeln. Kindern (Frei-)Raum zum Forschen geben Auf der Internetseite der Stiftung finden Sie unter "Forschen - Pädagogik - Pädagogischer Ansatz" Tipps zur Gestaltung von Forscherräumen in der Kita, welche auch auf Grundschulen übertragbar sind. Die gemeinnützige Stiftung "Haus der kleinen Forscher" unterstützt seit 2006 pädagogische Fachkräfte dabei, den Forschergeist von Mädchen und Jungen qualifiziert zu begleiten. Die Bildungsinitiative startete zunächst mit dem Fokus auf Kindern im Kindergartenalter. Seit 2011 können auch Horte und Grundschulen beim "Haus der kleinen Forscher" mitmachen. Die pädagogischen Leitlinien gelten für beide Zielgruppen. Die Themen und Phänomene, die die Kinder interessieren, bleiben ähnlich oder dieselben - egal ob Kita-Kind, Grundschul-Kind oder große Forscherin. Allerdings nimmt die Komplexität der Inhalte zu, um sie an die Kompetenzen und das höhere Vorwissen der sechs- bis zehnjährigen Kinder anzupassen. Ältere Kinder haben eine andere Verständnisebene - aus Staunen soll Verstehen werden. In den Workshops der Stiftung erleben Pädagoginnen und Pädagogen in Horten, Grundschulen und in der Ganztagsbetreuung, wie viel Spaß Naturwissenschaften machen können und dass man zum Forschen kein Labor braucht. Die Stiftung richtet ihr Angebot an Bildungseinrichtungen mit Ganztagsangeboten, wie Grundschulen und Horte. Das Angebot ist für die Lernbegleitung von sechs- bis zehnjährigen Kindern im außerunterrichtlichen Bereich konzipiert und orientiert sich inhaltlich an den Bildungs- und Lehrplänen der Bundesländer. Fortbildungsangebote der Bildungsinitiative Alle Teilnehmer erhalten umfangreiche Unterlagen zur Pädagogik, zum NaWi-Hintergrund sowie Vorschläge und Ideen für die Umsetzung.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Wahrscheinlichkeitsverteilungen lernen die Schülerinnen und Schüler über interaktive GeoGebra-Arbeitsblätter die Entwicklung der Normalverteilung als Näherung der Binomialverteilung kennen.Die Untersuchung von Binomialverteilungen B (n; p) bei wachsendem n führt über den integralen und lokalen Grenzwertsatz zur Approximation der Binomialverteilung durch die Normalverteilung. Mit ihr eröffnet sich den Lernenden ein weites Feld von Anwendungen in Naturwissenschaft und Technik, in der Wirtschaft und den Sozialwissenschaften. Der hier vorgestellte Online-Kurs bietet eine variabel einsetzbare Methode, die Entwicklung der Normalverteilung als Näherung der Binomialverteilung zu lehren oder zu lernen. In nahezu jedem Lehrbuch werden zur Darlegung der Beweisidee der lokalen und integralen Näherungsformel von de Moivre-Laplace zahlreiche Histogramme und Dichtekurven präsentiert. Der Einsatz der mit der kostenfreien dynamischen Geometriesoftware GeoGebra entwickelten Applets schafft hier Visualisierungsmöglichkeiten, die auf dem Papier und an der Tafel nicht realisierbar sind und das Verständnis erleichtern.Erfahrungsgemäß entdecken die Schülerinnen und Schüler sehr schnell alleine die Bedienungsmöglichkeiten der Applets und erkennen, welche unabhängigen Objekte bewegt werden können, so dass auf ausführliche Bedienungshinweise verzichtet werden kann. Zu Beginn der Stunde hat sich bei computergestützten Unterrichtseinheiten eine "Austobphase" bewährt, in der die Lernenden etwa fünf Minuten lang einfach alle Knöpfe und Regler eines Programms ausprobieren dürfen, bevor sie dann (nach einem "Reset") zielgerecht die einzelnen Arbeitsanweisungen befolgen. Voraussetzungen Stochastische Vorkenntnisse Erforderliche mathematische Voraussetzung für den Kurs ist die Behandlung der Bernoulli-Kette und binomialverteilter Zufallsgrößen mit den grundlegenden Begriffen Erwartungswert, Varianz und Standardabweichung. Auch die grafische Darstellung der Wahrscheinlichkeitsverteilung und Verteilungsfunktion mit Histogramm und Dichtefunktion sowie die Standardisierung von Zufallsgrößen sollten bekannt sein. Diese Vorkenntnisse werden im Online-Kurs noch einmal kurz als Vorbereitung für die folgenden Ausführungen wiederholt. Integralrechnung Neben diesen stochastischen Vorkenntnissen sind zur Behandlung der Gaußschen Integralfunktion und ihrer Eigenschaften auch Erfahrungen aus der Analysis, insbesondere der Integralrechnung, hilfreich. Einsatz im Unterricht Für den Online-Kurs bieten sich verschiedene Einsatzmöglichkeiten an: begleitende dynamische Visualisierung der mathematischen Sachverhalte während der Behandlung im Unterricht selbstständige Vertiefung und Festigung des bereits im Unterricht behandelten Stoffs, eventuell in Übungsstunden oder als Hausaufgabe Wiederholung und Zusammenfassung zurückliegender Lerninhalte (zum Beispiel vor Prüfungen) Partnerarbeit oder Präsentation Im Idealfall arbeiten die Schülerinnen und Schüler selbstständig in Einzel oder Partnerarbeit an einem Computer. Die Applets können natürlich auch mit einem Beamer oder im Computerraum durch Spiegelung des Lehrer-Bildschirms in einem fragend-entwickelnden Unterricht oder einem Lehrervortrag präsentiert werden. Materialien zur Binomial- und Normalverteilung Interaktive GeoGebra-Applets Dynamische Arbeitblätter eröffnen neue Wege des Lehrens und Lernens. Die Schülerinnen und Schüler können mithilfe der Maus ("Anfassen" von Punkten oder per Schieberegler) oder der Tastatur am Computer die Parameter der verschiedenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen kontinuierlich verändern und so deren dynamische Entwicklung und Annäherung verfolgen. Dies ermöglicht einen aktiv-entdeckenden Zugang zu den mathematischen Sachverhalten. Kurze Kontrollaufgaben mit einblendbaren Lösungen dienen der eigenständigen Lernzielkontrolle. Textgestaltung, "Mouse-Over-Effekte" und Popups Der Text der Webseiten wurde bewusst prägnant gehalten, um einen selbstständigen Hefteintrag zu erleichtern. Alle wichtigen Begriffe sind (wie im Tafel-Unterricht) rot hervorgehoben. Zeigt man mit der Maus auf sie, werden eine kurze Definition oder Zusatzinformationen eingeblendet (Mouse-Over-Effekt). Zur Gewährleistung eines möglichst linearen Lernablaufs wurden Hyperlinks nur sehr sparsam eingesetzt. Aufgaben und Antworten Die Kontrollaufgaben sind kurz und einfach zu bearbeiten, um die Schülerinnen und Schüler durch ein schnelles und erfolgreiches Fortkommen zu motivieren. In nachfolgenden oder begleitenden Übungen sollte der Schwierigkeitsgrad mit reorganisatorischen und Transferaufgaben erhöht werden. Die Antworten auf die Kontrollfragen können durch Anklicken der abschließenden Frage- oder Ausrufezeichen angezeigt werden, was sich bei den Schülerinnen und Schülern schnell herumspricht. Hier muss an die Arbeitsdisziplin der Lernenden nach dem Motto "erst denken, dann klicken" appelliert werden.Die Schülerinnen und Schüler wiederholen die Binomialverteilung. verstehen die Entstehung der standardisierten Dichtefunktion. können die integrale Näherungsformel von de Moivre-Laplace herleiten und anwenden. verstehen mit den Kenntnissen der Integralrechnung die Entstehung der Gaußschen Integralfunktion. verstehen die Herleitung der lokalen Näherungsformel und ihre Abgrenzung zur integralen Näherungsformel. können die lokale Näherungsformel anwenden. können die Entwicklung der Normalverteilung als Näherung der Binomialverteilung nachvollziehen und die Normalverteilung anwenden. erkennen die Bedeutung des Zentralen Grenzwertsatzes. Stochastische Vorkenntnisse Erforderliche mathematische Voraussetzung für den Kurs ist die Behandlung der Bernoulli-Kette und binomialverteilter Zufallsgrößen mit den grundlegenden Begriffen Erwartungswert, Varianz und Standardabweichung. Auch die grafische Darstellung der Wahrscheinlichkeitsverteilung und Verteilungsfunktion mit Histogramm und Dichtefunktion sowie die Standardisierung von Zufallsgrößen sollten bekannt sein. Diese Vorkenntnisse werden im Online-Kurs noch einmal kurz als Vorbereitung für die folgenden Ausführungen wiederholt. Integralrechnung Neben diesen stochastischen Vorkenntnissen sind zur Behandlung der Gaußschen Integralfunktion und ihrer Eigenschaften auch Erfahrungen aus der Analysis, insbesondere der Integralrechnung, hilfreich. Für den Online-Kurs bieten sich verschiedene Einsatzmöglichkeiten an: begleitende dynamische Visualisierung der mathematischen Sachverhalte während der Behandlung im Unterricht selbstständige Vertiefung und Festigung des bereits im Unterricht behandelten Stoffs, eventuell in Übungsstunden oder als Hausaufgabe Wiederholung und Zusammenfassung zurückliegender Lerninhalte (zum Beispiel vor Prüfungen) Partnerarbeit oder Präsentation Im Idealfall arbeiten die Schülerinnen und Schüler selbstständig in Einzel oder Partnerarbeit an einem Computer. Die Applets können natürlich auch mit einem Beamer oder im Computerraum durch Spiegelung des Lehrer-Bildschirms in einem fragend-entwickelnden Unterricht oder einem Lehrervortrag präsentiert werden. Interaktive GeoGebra-Applets Dynamische Arbeitblätter eröffnen neue Wege des Lehrens und Lernens. Die Schülerinnen und Schüler können mithilfe der Maus ("Anfassen" von Punkten oder per Schieberegler) oder der Tastatur am Computer die Parameter der verschiedenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen kontinuierlich verändern und so deren dynamische Entwicklung und Annäherung verfolgen (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Dies ermöglicht einen aktiv-entdeckenden Zugang zu den mathematischen Sachverhalten. Kurze Kontrollaufgaben mit einblendbaren Lösungen dienen der eigenständigen Lernzielkontrolle. Textgestaltung, "Mouse-Over-Effekte" und Popups Der Text der Webseiten wurde bewusst prägnant gehalten, um einen selbstständigen Hefteintrag zu erleichtern. Alle wichtigen Begriffe sind (wie im Tafel-Unterricht) rot hervorgehoben. Zeigt man mit der Maus auf sie, werden eine kurze Definition oder Zusatzinformationen eingeblendet (Mouse-Over-Effekt). Zur Gewährleistung eines möglichst linearen Lernablaufs wurden Hyperlinks nur sehr sparsam eingesetzt. Aufgaben und Antworten Die Kontrollaufgaben sind kurz und einfach zu bearbeiten, um die Schülerinnen und Schüler durch ein schnelles und erfolgreiches Fortkommen zu motivieren. In nachfolgenden oder begleitenden Übungen sollte der Schwierigkeitsgrad mit reorganisatorischen und Transferaufgaben erhöht werden. Die Antworten auf die Kontrollfragen können durch Anklicken der abschließenden Frage- oder Ausrufezeichen angezeigt werden, was sich bei den Schülerinnen und Schülern schnell herumspricht. Hier muss an die Arbeitsdisziplin der Lernenden nach dem Motto "erst denken, dann klicken" appelliert werden.

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

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Evolution: Entstehung der Welt" lernen die Schülerinnen und Schüler die Evolutionstheorie von Charles Darwin kennen. Das angestrebte Wissen basiert auf naturwissenschaftlichen Erkenntnissen und führt Ursache-Wirkungsbeziehungen auf diese zurück. Eine ideologie- und mythenfreie Darstellung erhebt den Anspruch an aufgeklärte Wissensvermittlung im Unterschied zur Schöpfungsgeschichte des Alten Testaments. Die Unterrichtseinheit für die Klassen 4 bis 6 stellt den Lernenden kleinschrittig und didaktisch reduziert die evolutionäre Entwicklung vor. Schlüsselbegriffe der Einheit sind Fossilien, Entwicklung und Entstehung von Leben, die Erdzeitalter, Bedrohung und Aussterben von Arten sowie die evolutionären Prinzipien von Darwin: Natürliche Variation einer Art / Anpassung (Survival of the fittest) / Wie neue Arten entstehen. Zum Verständnis von Wissenschaft Zu Beginn der Einheit sollte ein grundlegendes Verständnis zur Bedeutung von "Wissenschaft" im Unterschied zu Fiktion und Mythen geschaffen werden. Den Schülern und Schülerinnen werden bekannte Textsorten vorgestellt, besipielsweise Max und Moritz, Harry Potter, Märchen. Die Schülerschaft lernt, dass diese Textsorten unterhaltsame Lektüre sind, die aber nicht als Abbild der Wirklichkeit verstanden werden dürfen. Demgegenüber steht wissenschaftliches Arbeiten mit Beweisführung, Dokumentation und Überprüfbarkeit. Unterrichtsablauf Die Unterrichtseinheit wird mit der Frage eröffnet, wie sich die Schülerinnen und Schüler die Entstehung des Lebens auf der Erde vorstellen. Unterschiedliche Hypothesen werden notiert. Die Schülerinnen und Schüler lernen den Naturwissenschaftler Charles Darwin kennen und setzen sich mit dem Begriff "Evolution" auseinander. Der Begriff Fossil sollte als Beweismittel für Darwins Theorien thematisiert werden. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten gemeinsam, welche biologischen Grundlagen gegeben sein müssen, damit sich Leben auf unserem Planeten entwickeln kann. Die Entwicklung von Kleinstlebewesen zu immer höher entwickelten Tieren wird in einer Abbildung dargestellt. Mithilfe dieser erkennen und benennen die Schülerinnen und Schüler die nächstfolgenden evolutionären Entwicklungsschritte. Sie lernen außerdem die Einteilung der unvorstellbar langen Zeitspanne in Erdzeitalter kennen. Anhand von Beispielen (etwa des Maulwurfs) erläutert die Lehrkraft die Notwendigkeit der Übereinstimmung von physiologischer und anatomischer Ausstattung aller Lebewesen mit ihrer Umwelt. Anhand des Anpassungsbeispiel der Darwinschen Finken wird Darwins Zitat erarbeitet: "Survival of the fittest". Es sollte unbedingt darauf hingewiesen werden, dass hiermit nicht die Aufforderung gemeint ist, der "Stärkere" setzt sich durch, sondern dass die Fähigkeit von Flexibilität und Reaktionsvermögen auf die Umweltverhältnisse das Überleben einer Art sichern. Auch in der heutigen Zeit gibt es zahlreiche aktuelle Meldungen über das Aussterben bedrohter Tierarten. Die Lehrkraft kann zu diesem Thema Recherche-Aufgaben an Gruppen verteilen oder aber Vertreter von Tierschutz- und Umweltschutzverbänden in die Schule einladen. Von den Ergebnissen werden Plakate gestaltet, die die Schulöffentlichkeit informieren. Die Schülerinnen und Schüler lernen im weiteren Verlauf, dass das erste Leben aus Einzellern bestand und ausschließlich im Wasser, im Urmeer, entstehen konnte. Die Begriffe "Zelle" und "Zellteilung" werden altersgemäß vorgestellt, damit die Lernenden schlussfolgern können, dass aus Einzellern durch Zellteilung Mehrzeller werden. Durch Umwelteinflüsse verändert sich das Urmeer und die Einzeller und Bakterien verändern und entwickeln sich laufend weiter. Das Urmeer wird sehr "voll", das Nahrungsangebot wird knapper. Gleichzeitig entwickeln sich an Land Pflanzen und bieten neue Ressourcen. Aus den Fischen entwickeln sich Landtiere. Das Beispiel Wolf und Hund dokumentiert diese Veränderung für die Schülerinnen und Schüler einprägsam, da beide Tierarten den Schülerinnen und Schülern bekannt sind. In allen Erdzeitaltern kommt es zum Aussterben bestimmter Tierarten. Diese Tatsache sollte in den Zusammenhang mit aktueller Umweltpolitik gestellt werden und die Lernenden motivieren, sich für den Erhalt natürlicher Lebensbedingungen einzusetzen. Die Entwicklung von menschenähnlichen Primaten hin zum Homo Sapiens Sapiens ist ein unvorstellbar langer Prozess. Die wesentlichen Entwicklungsschritte werden beschrieben, sodass die Lernenden entdecken, dass "Evolution" kein abgeschlossener, sondern ein sich permanent weiterentwickelnder Prozess ist. Wie sich Mensch und Lebensweisen ändern und weiterentwickeln, wird in Karikaturen dargestellt und regt die Schülerinnen und Schüler an, sich weitergehende Gedanken zu machen und kreative Beispiele zu entwerfen. Zu unterschiedlichen Themen lassen sich Interessensgruppen bilden, die ihren Blick in die Zukunft auf Plakaten gestalten und präsentieren. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen evolutionäre Prinzipien kennen, nach denen sich das Leben auf der Erde entwickelt hat. benennen und begründen den Unterschied zwischen Glauben und Wissenschaft. lernen wissenschaftliche Methoden kennen, mit denen Darwin seine Theorie begründet. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet zu vorgegebenen Fragestellungen. deuten Symbole und Fossilien. arbeiten selbstständig, verstehen Aufgabenstellungen und setzen diese gezielt um. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler gehen mit den Beiträgen ihrer Mitschüler und Mitschülerinnen würdigend um. beziehen die geäußerten Gedanken ihrer Mitschüler und Mitschülerinnen in ihre eigenen Überlegungen mit ein. äußern sich zielführend und themenzentriert.

In dieser Unterrichtseinheit mit interaktiven Übungen zum Thema Sonnenschutz entdecken Schülerinnen und Schüler spielerisch, wie UV-Strahlung wirkt, warum sie schädlich sein kann und wie sie sich aktiv und wirksam schützen können. Durch einfache Experimente, kooperative Aufgaben und den Bezug zu eigenen Alltagserfahrungen wird ein nachhaltiges Bewusstsein für die Wichtigkeit von Sonnenschutz geschaffen. Die Lernenden formulieren eigene Sonnenschutzregeln, die sie im Schulalltag anwenden können – und erleben dabei, dass es auch Spaß machen kann, Verantwortung für die eigene Gesundheit zu übernehmen. Kinder im Grundschulalter verbringen viel Zeit im Freien – auf dem Schulhof, bei Ausflügen oder beim Spielen im Alltag – und sind dabei regelmäßig der UV-Strahlung ausgesetzt; häufig, ohne sich der damit verbundenen Gefahren bewusst zu sein. Gleichzeitig ist das Thema Sonnenschutz (UV-Schutz) bei vielen Kindern negativ belegt: Sonnencreme gilt als lästig, Hüte, Kappen mit Nackenschutz oder lange Kleidung oft als "uncool". Umso wichtiger ist es, das Thema frühzeitig, altersgerecht und motivationsfördernd im Unterricht aufzugreifen und für Sonnenschutz zu sensibilisieren. Die vorliegende Unterrichtseinheit verfolgt das Ziel, Schülerinnen und Schüler spielerisch über die Wirkung von Sonnenstrahlung, die Gefahren übermäßiger UV-Belastung und wirksame Schutzmaßnahmen aufzuklären. Dabei stehen vor allem die Förderung von Selbstverantwortung, der Aufbau von Handlungswissen sowie die positive Besetzung des Themas im Fokus. Der Einstieg in die Unterrichtseinheit erfolgt über eine kindgerechte Einführung in die verschiedenen Arten der Sonnenstrahlung, insbesondere in die unsichtbare UV-Strahlung. Mithilfe eines einfachen Experiments mit UV-Perlen wird das Unsichtbare für die Lernenden sichtbar gemacht (Sollten keine UV-Perlen zur Verfügung stehen, sieht der Ablaufplan eine Alternative vor, bei der die Experimente anschaulich durch ein Video dargestellt werden.): Die Perlen verfärben sich bei Kontakt mit UV-Strahlung und machen diese sichtbar. Dies dient als Ausgangspunkt, um gemeinsam über die Risiken nachzudenken, die mit der UV-Belastung für den Körper verbunden sind. Ein kurzer Info-Text klärt schließlich über diese Risiken auf. Falls an der Schule noch keine UV-Perlen vorhanden sind, empfiehlt es sich, diese vorab zu organisieren und den Schülerinnen und Schülern für die Experimente bereitzustellen. Im Anschluss erarbeiten die Schülerinnen und Schüler anhand eines Wimmelbildes sinnvolle Schutzmaßnahmen in einer alltäglichen Szene – dem Spielen auf dem Schulhof. Sie reflektieren eigene Erfahrungen, benennen geeignete Schutzmittel wie Kleidung, Schatten oder Sonnencreme und testen deren Wirkung erneut bei einem einfachen Experiment mithilfe der UV-Perlen. In einem weiteren Schritt wird auch der UV-Index eingeführt und als hilfreiches Instrument zur Einschätzung der täglichen UV-Belastung einfach und anschaulich mithilfe einer Sonnenuhr erklärt. Weiter lernen die Kinder, wie sich Sonnenschutz dem individuellen Hauttyp anpassen lässt, und wenden das Gelernte auf ihren Alltag an. Neben dem Erwerb von fachlichem Wissen steht in dieser Unterrichtsphase vor allem die Förderung aktiven, reflektierten Handelns im Vordergrund und der Transfer des Wissens auf die eigene Lebenswelt. Zum Abschluss der Reihe erstellen die Lernenden in Gruppenarbeit ein Sonnenschutz-Poster mit eigenständig formulierten Sonnenschutz-Regeln und bauen gemeinsam eine Sonnenschutz-Station für das Klassenzimmer auf. Durch dieses kooperative Vorgehen wird das Wissen nachhaltig gefestigt und in konkrete Handlungen überführt. Als kreative Erinnerung an das Gelernte und als gemeinsamen Abschluss gestalten die Kinder zudem ein UV-Perlen-Armband, das sie auch im Alltag an die Bedeutung von Sonnenschutz erinnert. Begleitet werden die Lerninhalte durch zwei Sympathiefiguren – Elif und Jari. Gemeinsam mit den beiden entdecken die Schülerinnen und Schüler alles Wichtige rund um den Sonnenschutz und bauen Schritt für Schritt ihr Wissen auf, indem sie die Sympathiefiguren in ihrem Lernprozess begleiten. Ergänzend zu den Arbeitsblättern steht zu jedem inhaltlichen Schwerpunkt (zu jedem Arbeitsblatt) je eine interaktive Übung zur Verfügung. Diese sind thematisch auf die jeweiligen Lerninhalte abgestimmt und unterstützen die Vertiefung sowie Festigung des erarbeiteten Wissens auf spielerische Weise und eignen sich insbesondere für den jeweiligen Stundenabschluss. Die Unterrichtseinheit ist lebensweltbezogen, handlungsorientiert und interaktiv angelegt. Ziel ist es, die Schülerinnen und Schüler der dritten und vierten Jahrgangsstufe für die Bedeutung wirksamen Sonnenschutzes zu sensibilisieren und ihnen ein grundlegendes Verständnis für die Wirkung der Sonnenstrahlung sowie geeignete Schutzmaßnahmen für den Alltag zu vermitteln. Im Mittelpunkt steht folglich ein handlungsorientierter Zugang: Durch einfache Experimente mit den UV-Perlen, gezielte Beobachtungen in ihrer Umgebung (Sonne auf dem Schulhof), die Nutzung interaktiver Übungen zur Festigung des Wissens sowie kreative Arbeitsphasen (Basteln von UV-Armbändern) wird das anfänglich noch abstrakt scheinende Thema UV-Strahlung konkret für die Lernenden erfahrbar gemacht. Die Schülerinnen und Schüler lernen so nicht nur, was sie tun können, um sich vor der Sonne zu schützen, sondern auch, warum bestimmte Schutzmaßnahmen notwendig sind – ein entscheidender Schritt hin zu selbstverantwortlichem, gesundheitsförderndem Handeln. Kooperative Lernformen spielen dabei ebenso eine wichtige Rolle. Durch Gespräche, Paar- und Gruppenarbeiten tauschen die Kinder Erfahrungen aus, entwickeln gemeinsam Regeln und bewerten Schutzmaßnahmen. Dieser soziale Austausch trägt nicht nur zum Wissenserwerb bei, sondern hilft auch dabei, mögliche Vorbehalte abzubauen – etwa gegenüber dem Auftragen von Sonnencreme oder gegenüber "uncooler" Kleidung. Die Erfahrung, dass alle gemeinsam an denselben Aufgaben arbeiten und gemeinsame Schutzmaßnahmen und Klassenregeln für beispielsweise den Sonnenschutz in der Pause entwickeln, wirkt dabei motivierend. Eine besonders sinnvolle Maßnahme zur positiven Besetzung des Themas ist das Basteln von UV-Perlen-Armbändern oder Schlüsselanhängern, bei dem die Kinder individuelle Varianten wählen können. Diese selbst erstellten Produkte dienen nicht nur als Erinnerung im Alltag an das Gelernte, sondern verbinden das Thema mit einem kreativen, persönlichen Zugang. Die Schülerinnen und Schüler lernen zudem nicht nur in kooperativen Settings, sondern auch durch die gezielte Einbindung von Sympathiefiguren, die den Lernprozess emotional begleiten und strukturieren. Die Einbindung der Sympathiefiguren Elif und Jari schafft zusätzlich Identifikationsmöglichkeiten. Sie begleiten die Kinder als roter Faden durch die Einheit, geben Impulse und regen zur Reflexion an. Die Kinder beobachten deren Verhalten, übertragen es auf ihren eigenen Alltag und lernen so auf modellhafte Weise. Die Unterrichtsphasen sind zudem so angelegt, dass die Schülerinnen und Schüler möglichst oft selbst aktiv werden: durch Erkundungen im Freien, einfache Experimente mit den UV-Perlen, das Testen von Sonnencreme, das Auswerten von Beobachtungen und das Erstellen eigener Regeln. Die interaktiven Übungen ergänzen die Arbeitsblätter gezielt, dienen der Differenzierung und der spielerischen Festigung. Für jedes Arbeitsblatt ist eine interaktive Übung vorgesehen. Insgesamt stehen drei interaktive Übungen zur Verfügung, die flexibel nach den jeweiligen Schwerpunkten oder am Ende der Unterrichtseinheit einsetzbar sind. Ziel ist es unter anderem, das im Unterricht erworbene, theoretische Wissen in praktisches Handlungswissen zu überführen – etwa durch das Aufstellen einer Sonnenschutz-Station im Klassenraum, das Erstellen von Schattenplatz-Schildern oder das Einbringen von Sonnenschutzregeln in den Schulalltag. So wird Partizipation ermöglicht, Selbstwirksamkeit gestärkt und die Bedeutung des Gelernten über die Unterrichtssituation hinaus erfahrbar gemacht. Insgesamt verfolgt die Einheit also das Ziel, naturwissenschaftliche und gesundheitliche Zusammenhänge alltagsnah und kindgerecht aufzubereiten und damit zur Gesundheitsbildung sowie zur Entwicklung eines verantwortungsvollen, selbstbestimmten Umgangs mit der Umwelt beizutragen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… benennen die drei Strahlenarten des Sonnenlichts. beschreiben die drei Strahlenarten des Sonnenlichts. beschreiben die Wirkung von UV-Strahlung auf den menschlichen Körper. bewerten alltägliche Situationen im Hinblick auf mögliche UV-Belastung und geeignete Schutzmaßnahmen. begründen die Notwendigkeit, sich bei Sonneneinstrahlung zu schützen – unabhängig vom Hauttyp. erklären, wie sie sich im Alltag wirksam vor UV-Strahlung schützen können (z. B. durch Kleidung, Sonnencreme, Schatten, Kappen mit Nackenschutz). entnehmen einem altersgerechten Sachtext zentrale Informationen (z. B. zur Wirkung von Sonnenstrahlen oder zum UV-Index). Medien- und Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… gehen verantwortungsbewusst mit digitalen Endgeräten um. lösen mithilfe digitaler Endgeräte verschiedene interaktive Übungen. dokumentieren Beobachtungen aus einem Experiment. gestalten ein Plakat zu Sonnenschutzregeln. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… verbessern ihre Sozialkompetenz, indem sie kooperativ ein Poster zu Sonnenschutz-Regeln erstellen. verbessern ihre Sozialkompetenz, indem sie im Team oder in Kleingruppen zusammenarbeiten. stimmen sich bei der Durchführung von Aufgaben und Präsentationen ab. verbessern ihre Sozialkompetenz, indem sie ihre Ergebnisse adressatengerecht präsentieren. übernehmen Verantwortung für die eigene Gesundheit und die ihrer Mitschülerinnen und Mitschüler. reflektieren eigene Erfahrungen mit Sonne und Sonnenschutz. entwickeln Mitverantwortung für jüngere Kinder, z. B. durch die Thematisierung von Schutzmaßnahmen für Geschwisterkinder.