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Wurfbewegungen lassen sich in vielfältiger Form – zum Beispiel beim Werfen eines Balles – nachvollziehen. Dabei muss unterschieden werden, in welcher Form der Ball geworfen wird: So kann man ihn senkrecht nach oben werfen oder ihn einfach aus der Hand senkrecht nach unten auf den Boden fallen lassen. In den meisten Fällen wird man den Ball aber schräg nach oben werfen, sodass ihn ein Partner oder eine Partnerin fangen kann. Man beobachtet dabei, dass die dabei entstehende Flugbahn davon abhängig ist, unter welchem Winkel und mit welcher Geschwindigkeit man den Ball abgeworfen hat.Bei der Besprechung von Wurfbewegungen kann man anhand von einfachen und bekannten Beispielen den Lernenden leicht verständlich machen, wie es zu einer Wurfbewegung kommt. Für die Erläuterung und Herleitung der physikalischen Gleichungen von Wurfbewegungen ist es dabei wichtig, den Unterschied zwischen einer eindimensionalen Bewegung (senkrechter Wurf und freier Fall) und der zweidimensionalen Bewegung beim schiefen Wurf schräg nach oben oder unten herauszuarbeiten. Wurfbewegungen und ihre physikalischen Gesetzmäßigkeiten Wurfbewegungen sind ein Thema, zu dem die Schülerinnen und Schüler zunächst anhand von relativ einfachen Zusammenhängen gut hingeführt werden können. Dadurch werden die für die verschiedenen Wurfbewegungen herzuleitenden Formeln verständlich und damit nachvollziehbar. Erst bei etwas komplexeren Aufgabenstellungen sind etwas anspruchsvollere mathematische Kenntnisse erforderlich, um die Gesetze an die Gegebenheiten anzupassen. Vorkenntnisse Vorkenntnisse sind bei diesem Thema auf jeden Fall vorhanden, weil alle Lernenden mit dem Werfen von Bällen oder Steinen am Wasser vertraut sein dürften. Anhand der dabei entstehenden Flugbahnen sollte es auch gut möglich sein, die entsprechenden und sich teilweise überlagernden physikalischen Gesetze den Lernenden verständlich zu machen. Didaktische Analyse Das Besondere an Wurfbewegungen ist deren Abhängigkeit von Anfangsgeschwindigkeit und Abwurfwinkel in Zusammenhang mit der stets wirkenden Gravitationskraft auf das jeweilige Flugobjekt. Das können Bälle, Steine oder auch Raketen sein. Sobald sie nach dem Abschuss sich selbst überlassen sind, entsteht eine sogenannte ballistische Flugbahn, die sich – in der Realität unter Einbeziehung der Luftreibung – exakt berechnen lässt. Methodische Analyse Bei der Besprechung der Gesetzmäßigkeiten von Wurfbewegungen lassen sich aufgrund der dabei wirkenden Überlappungen verschiedener Bewegungen auch Zusammenhänge mit anderen Bereichen der Physik – etwa der Elektrizitätslehre bei der Bewegung von freien Elektronen – herstellen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die sich teilweise überlappenden Abläufe bei Wurfbewegungen beschreiben und erklären. wissen, wie man die Formeln bei unterschiedlichen Wurfbewegungen herleitet und anwendet. kennen die Zusammenhänge von mechanischen Wurfbewegungen mit anderen Bereichen der Physik. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vertiefen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In diesem Unterrichtsprojekt planen die Schülerinnen und Schüler ganz konkret eine Reise durch Kalifornien und alle wichtigen dortigen Nationalparks. Gemeinsam als Klasse erarbeiten sie die Reiseroute, kontaktieren Hotels und holen sich Informationen zu den einzelnen Nationalparks ein. Die Einheit erfüllt damit die Kriterien eines kompetenzorientierten Unterrichts und schafft sehr natürliche Rede- und Schreibanlässe. Die Einheit ist auch sehr gut als benotetes Projekt oder sogar als Projektschulaufgabe geeignet. Für die meisten Schülerinnen und Schüler stehen Los Angeles und San Francisco für Kalifornien. Kalifornien hat aber viel mehr zu bieten als diese beiden Touristenmetropolen. Kaum ein Staat in den Vereinigten Staaten hat so viele verschiedene landschaftliche Höhepunkte und Superlativen wie Kalifornien. Mammutbäume, Wüstenlandschaften, Wasserfälle und Granitwände sind nur ein paar der geographischen Höhepunkte, denen die Schülerinnen und Schüler auf ihrer Reise begegnen. Die Einheit lädt Schülerinnen und Schüler dazu ein, gemeinsam als Klasse einen Trip durch Kalifornien zu planen. Im Verlauf müssen Hotels und Touristeninformationszentren gefunden und angeschrieben, Entfernungen ermittelt und Informationen eingeholt werden. Den Abschluss der Einheit bildet die Präsentation und Zusammenführung der einzelnen Arbeiten, sodass am Ende ein Gesamttrip durch Kalifornien vermittelt wird. Aufgrund des differenzierten Aufbaus der Einheit werden die Schülerinnen und Schüler im Verlauf der Einheit unterschiedlichste Kompetenzen (IT-Bereich, speaking skill, writing skill, presentation und anderes) anwenden und üben. Das Projekt beinhaltet 15 verschiedene Reisestationen. Mithilfe eines beiliegenden Bewertungsschemas können die Projekte als Ganzes, aber auch die Einzelbereiche, sinnvoll und zeitsparend bewertet werden. Je nach Zeitrahmen und Jahrgangsstufe kann das Schema entsprechend angepasst werden. Vorkenntnisse der Lernenden für die Projektdurchführung Schülerinnen und Schüler der 8. bis 10. Jahrgangsstufe sollten mit der Verwendung von PowerPoint oder einer anderen Präsentationssoftware vertraut sein. In höheren Jahrgangsstufen sollte auch das Schreiben eines formellen Briefes bereits bekannt sein, sodass die Lehrkraft hier auf Vorwissen aufbauen kann. Die Materialien zum Schreiben eines formellen Briefes dienen in diesem Fall nur als Wiederholung. Weiterhin kann die Lehrkraft davon ausgehen, dass Grundlagen einer guten Präsentation bereits im Fach Deutsch besprochen wurden. Didaktisch-methodische Analyse Die Projektplanung Entscheidend für das Gelingen des Projektes ist die richtige Einschätzung des Leistungsniveaus der Klasse. Je nach Jahrgangsstufe, zeitlichem Rahmen, örtlichen Gegebenheiten und dem eigenen Erwartungshorizont (Schulaufgabe oder lediglich Projekt zum gemütlichen Ausklang des Schuljahres) wird die Lehrkraft die Klasse entsprechend instruieren und begleiten müssen. Das Projekt ist mit 15 Stationen für eine Klasse mit 30 Schülerinnen und Schülern in Partnerarbeit konzipiert. Hinsichtlich der Komplexität des Projekts lassen sich aber leicht Anpassungen machen. Der zeitliche Rahmen des Projektes hängt stark von der gewünschten Intensität und der jeweiligen Klassenstufe ab. Im Normalfall wird sich die Projektarbeit über circa 4 Wochen hinziehen, wobei ein Großteil der Arbeit zu Hause erledigt werden muss. Die einzelnen Stationen Von den insgesamt 15 Stationen können natürlich einzelne Stationen weggelassen oder gekürzt werden, wenn die Projektarbeit in Kleingruppen durchgeführt werden soll. Auch hier ist der zeitliche Rahmen entscheidend, sodass am Ende genügend Zeit für die Präsentationen bleibt. Gegebenenfalls müssen die Daten auf den einzelnen Stationen angepasst werden. Präsentationen und Evaluation des Projektes Der Evaluationsbogen ist in vier Teile (Präsentation, Vortrag, E-Mail, Reisebericht) gegliedert und auf eine Gesamtpunktezahl von 100 ausgelegt. Natürlich können einzelne Bereiche (zum Beispiel der schriftliche Reisebericht) problemlos weggelassen werden. Das Schreiben einer E-Mail an ein Hotel, ein Tourismusbüro, einen Campingplatz oder eine bestimmte Sehenswürdigkeit kann eventuell etwas frustrierend sein, da Antworten länger dauern, oder ganz ausbleiben. Wenn dieser Aufgabenteil in die Bewertung einbezogen werden soll, so sollten Schülerinnen und Schüler bereits im Vorfeld dazu angehalten werden, die E-Mail möglichst bald und eventuell an verschiedene Adressaten zu schreiben, um zumindest zwei Antworten zu erhalten. Gleichzeitig ist dieser Teil meist sehr motivierend, da er einen echten Sprachanlass bietet. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler präsentieren einen selbständig erarbeiteten Inhalt in der Zielsprache. erlernen und üben das Schreiben eines formellen Briefes, beziehungsweise einer formellen E-Mail. schreiben einen eigenen Reisebericht in der Zielsprache. erstellen eine Präsentation am PC nach klar definierten Kriterien. suchen, bewerten und wählen selbstständig Informationen aus und präsentieren diese. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler treten mit Nichtmuttersprachlern in einen echten Austausch und holen Informationen zu verschiedenen Bereichen ein. arbeiten zu zweit an einem Projekt, welches ein klares Endprodukt als Ergebnis hat. organisieren sich in Absprache mit dem Partner oder der Partnerin selbst in Bezug auf Inhalt, Zeit und Vorgehensweise.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Wissenschaftsverständnis (Scientific Literacy) wird die Rolle der Wissenschaft am Beispiel der Corona-Pandemie erarbeitet. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei, wie die Wissenschaft in Bezug auf das neuartige Virus reagierte und welche Rolle die Politik und die Medien dabei spielten. Mit Hilfe von drei Mini Lectures und vier Arbeitsblättern erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Einblick in die Arbeit der Wissenschaft am Beispiel der Corona-Pandemie und wie die Politik, Medien und Gesellschaft auf die Corona-Pandemie reagiert hat. In der ersten Mini Lecture erarbeiten die Lernenden die Rolle und das Vorgehen der Wissenschaft in Bezug auf das neuartige Virus. In der dritten Mini Lecture setzen sich die Lernenden damit auseinander, welche Folgerungen man für zukünftige Pandemien ziehen kann und wie Wissenschaft und Politik zusammenarbeiten sollten. Die zweite Mini Lecture zeigt den Lernenden auf, welche Rolle die Politik durch ihre Entscheidungshoheit spielt und wie Medien die öffentliche Meinung beeinflussen können. Das Lernkonzept kann wahlweise im Präsenz- oder Fernunterricht verwendet werden. Die Schüler arbeiten überwiegend kollaborativ und digital. Die Unterrichtsmaterialien beinhalten einen aufeinander aufbauenden Gesamtkontext. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht . Die Schülerinnen und Schüler thematisieren das Wissenschaftsverständnis (Scientific Literacy) und erarbeiten die Rolle der Wissenschaft in der Corona-Pandemie in Bezug zu Politik und Medien. Vorkenntnisse Die wichtigsten Informationen werden durch die Mini Lectures erarbeitet, so dass kein spezielles, biologisches Hintergrundwissen benötigt wird. Eventuell müssen Fachbegriffe, zum Beispiel Pandemie kurz erläutert werden. Didaktische Analyse In der Einheit erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass die Wissenschaft eine beratende Rolle für die Politik einnimmt und dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler faktenbasiert arbeiten. Durch internationale und interdisziplinäre Zusammenarbeit konnten schnell Ergebnisse zum neuartigen Virus erforscht und veröffentlicht werden. Letztendlich wurde in einer rasanten Geschwindigkeit ein Impfstoff entwickelt. Durch die Corona-Pandemie hat sich die Rolle der Wissenschaft geändert, sie ist viel stärker in den öffentlichen Fokus geraten. In Zukunft wird die Wissenschaft bei medizinischen Krisen schneller und kooperativer zu Ergebnissen kommen. Die Politik wird jedoch immer der Entscheidungsträger für Beschränkungen und Gesetze bleiben, die Wissenschaft und einzelne Teilbereiche stehen aber zukünftig viel stärker im Fokus. Methodische Analyse Die Erarbeitung der Informationen mithilfe der Mini Lectures funktioniert am besten, wenn den Schülerinnen und Schülern digitale Endgeräte zur Verfügung stehen. Alternativ können die Videos im Plenum gezeigt und die Arbeitsblätter dazu bearbeitet werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nennen Informationen zur Corona-Pandemie. erklären die Arbeitsweise der Wissenschaft in der Corona-Pandemie. beschreiben die Rolle der Wissenschaft in Bezug zu Politik und Medien. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler extrahieren Informationen aus einem Video. recherchieren und analysieren Informationen im Internet. reflektieren die Arbeitsweise von Medien in Bezug auf wissenschaftliche Erkenntnisse. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vergleichen eigene Ergebnisse mit Ergebnissen von Mitschülern. entnehmen kollaborativ Informationen. argumentieren in einer anderen, ihnen zugewiesenen Rolle auch entgegen der eigenen Meinung. Hier können Sie sich die Videos zur Unterrichtseinheit anschauen. Mini Lecture Teil 1 Mini Lecture Teil 2 Mini Lecture Teil 3

Diese Lernumgebung bietet eine interaktive Einführung in das Perzeptron und einfache neuronale Feed-Forward-Netzwerke. Sie erzählt eine Geschichte über einen Anwendungsfall für Klassifikation, in die mehrere Aufgaben eingebettet sind. Künstliche Intelligenz ist an vielen Stellen völlig alltäglich geworden. Meistens sind diese Systeme aber nur Black-Boxen in unserem Alltag und es fällt schwer, mehr über die Funktionsweise herauszufinden. Gleichzeitig sind die Themen, wenn man sie unterrichtlich behandeln möchte, mathematisch zu anspruchsvoll für den Schulunterricht, sodass nur ein oberflächlicher Zugang zur eigentlichen Funktionsweise möglich ist. Genauso ist das Umsetzen von existierender Software in eigenen Programmen zwar im Unterricht möglich, aber nur für leistungsstarke Lerngruppen. Zur Lernumgebung gelangen Sie über den Link am Ende dieser Seite. Das "KI-Labor" bietet Möglichkeiten, mit dem eigenen digitalen Endgerät maschinelles Lernen erfahrbar zu machen. Es gibt verschiedene Themenbereiche und Lernumgebungen, in denen selbstständig mit den Möglichkeiten und Grenzen der jeweiligen Technologien experimentiert werden kann. Zur Ausführung der verschiedenen Umgebungen wird lediglich ein moderner Webbrowser benötigt. In dieser Unterrichtseinheit geht es um die Funktionsweise von einfachen neuronalen Netzen (sogenannte "Feed-Forward"-Netzwerke), beginnend mit dem einfachsten dieser Netze – dem Perzeptron. Als Anwendungsfall wird die Klassifikation von Obst anhand ausgewählter Features gewählt. Die Lernumgebung erzählt dazu eine interaktive Geschichte, in die verschiedene Aufgaben eingebettet sind. So muss zunächst das Perzeptron per Hand optimiert werden, das heißt die verschiedenen Modellparameter (Gewichte) passend gesetzt werden. Im Sinne des productive failure wird die Aufgabenstellung dann so erweitert, dass eine sinnvolle Klassifikation mit dem Perzeptron nicht länger möglich ist, dennoch sollen auch hier wieder Parameterwerte gefunden werden. Im nächsten Schritt wird das Perzeptron dann zu einem neuronalen Netz mit einer Zwischenschicht erweitert. Hier gestaltet sich die Parameteroptimierung sehr mühsam, sodass abschließend das Verfahren des automatischen Trainings durch den Backpropagation-Algorithmus als sinnvolle Ergänzung thematisiert wird. Die Einheit eignet sich im Fach Informatik als Einführung in eine Unterrichtseinheit zu maschinellem Lernen (speziell zu neuronalen Netzen) oder auch als fachlicher Anknüpfungspunkt für eine Einheit in einem anderen Fach, wenn es beispielsweise um ethische oder wirtschaftliche Fragen der KI geht. Wird die Einheit im Fach Informatik eingesetzt, so liegen sinnvolle Schwerpunkte auf der grundsätzlichen Funktionsweise von Klassifikatoren als EVA-System (Features als Eingabe, Klassen gegebenenfalls mit Sicherheit als Ausgabe), dem Aufbau von Perzeptren und Feed-Forward-Netzwerken sowie dem Training eines Netzwerks. Hier ist es denkbar, diese auch nochmal außerhalb der Lernumgebung selbst zu programmieren. Die interaktive Geschichte führt über einen konkreten Anwendungsfall in die Funktionsweise von neuronalen Netzen als Klassifikatoren ein. Durch die schrittweise Hinführung und einfach gestaltete Aufgaben, die letztlich durch Experimentieren gelöst werden können, bietet die Geschichte einen Rahmen für eine Unterrichtseinheit. Die behandelten Themen können und sollen im begleitenden Unterricht von der Geschichte abstrahiert und tiefergehend beleuchtet werden. Es ist dabei möglich, einen mathematischen Ansatz zu wählen und die Berechnungen des Perzeptrons in den Vordergrund zu stellen. Genauso ist es möglich, einen informatischen Ansatz zu verfolgen und ein Perzeptron nochmals als Programmieraufgabe umzusetzen. Das ist zum Beispiel auch als Einschub zwischen den beiden oben dargestellten Stunden möglich. Die Erweiterung des Perzeptrons zu vollständigen Feed-Forward-Netzwerken erfolgt aus den Beschränkungen des Perzeptrons direkt im Kontext des Anwendungsfalls der Geschichte. Es wird dabei auch erlebbar, dass die händische Einstellung bereits eines sehr einfachen solchen Netzes nicht sinnvoll gelingt und es automatisierte Lösungen dafür gibt. Diese können im geeigneten Kontext (zum Beispiel Informatik im vertiefenden Bereich der Sekundarstufe II) im Anschluss auch thematisiert und gegebenenfalls programmiert werden. Andernfalls bleibt ein phänomenologischer Ausblick, der etwa durch die Lernumgebung zur Handschrifterkennung des KI-Labors ergänzt werden kann, um die Möglichkeiten größerer Netzwerke zu behandeln. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten in der Lage sein, die Lernumgebung selbst verwenden können. Dafür bietet es sich an, dass sie sich im Vorfeld genau mit den Möglichkeiten auf Aufgaben der Geschichte beschäftigen, um auch für Rückfragen zur Verfügung zu stehen (2.1 Auswahl digitaler Ressourcen). Zudem müssen sie sicherstellen, dass die Lernumgebung – im Sinne der digitalen Teilhabe und gegebenenfalls unter Verwendung assistiver Technologien – von allen Lernenden genutzt werden kann (5.1 Digitale Teilhabe). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erklären, wie ein Perzeptron eine Ausgabe berechnet. analysieren den Einfluss von Parametern in einem Feed-Forward-Netzwerk. erklären wie Features für die Klassifikation eingesetzt werden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen und verstehen Funktionsweisen und grundlegende Prinzipien der digitalen Welt. erkennen und formulieren algorithmische Strukturen in genutzten digitalen Tools. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren in der Gruppe über informatische Themen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler reflektieren die gewonnen Ergebnisse und Erkenntnisse kritisch. erschließen Probleme und komplexe Themengebiete mithilfe von Gestaltungskompetenzen eigenständig.

In dieser Unterrichtseinheit geht es um die quantitativen Konzentrationsbestimmung des gesundheitlich bedenklichen Azofarbstoffs Azorubin (E 122) in Getränken. Die Lernenden führen mit ihrem eigenen Smartphone/Tablet eine quantitative kolorimetrische Messung zur Ermittlung der Azorubin-Konzentration durch und erarbeiten sich dabei eigenständig das Funktions- und Auswertungsprinzip der Analyse. In dieser Unterrichtseinheit führen die Schülerinnen und Schüler mit ihren eigenen digitalen Endgeräten (Smartphones oder Tablets) eine quantitative Konzentrationsbestimmung mit erstaunlich hoher Genauigkeit durch, welche ansonsten nur mithilfe eines professionellen und kostspieligen UV/VIS-Spektralphotometers möglich wäre. Aufgrund des Low-Cost-Ansatzes ist es problemlos möglich, mehrere Untersuchungen in Sozialformen wie Paar- oder Gruppenarbeiten parallel laufen zu lassen. Untersucht wird die Limonade "Powerade Wild Cherry", welche den gesundheitlich bedenklichen Azofarbstoff Azorubin (E 122) enthält und vielen Kindern und Jugendlichen aus der Lebenswelt bekannt ist. Die zur Konzentrationsbestimmung nötige Vorgehensweise wird von den Schülerinnen und Schülern sukzessive in einem Wechsel aus zentralen und dezentralen Phasen erarbeitet und anschließend durchgeführt. Auf diese Weise werden sowohl kognitive als auch praktische Grundlagen gelegt, um das grundlegende Messprinzip einer professionellen Konzentrationsbestimmung mit einem echten UV/VIS-Spektralphotometer zu verstehen. Da die quantitative Untersuchung mit den digitalen Endgeräten der Schülerinnen und Schüler erfolgt, ist die Vorstellung des echten Spektralphotometers erst nach Erarbeitung der Vorgehensweise zur Messung und entsprechender Durchführung sinnvoll. So wird erst in der Vertiefung der Aufbau und die Funktionsweise eines professionellen Photometers vorgestellt, um dies dann mit der selbst entwickelten Methode zu vergleichen und zu analogisieren. Die Unterrichtseinheit vermittelt somit ein Grundverständnis über die Vorgehensweise zu kolorimetrischen Konzentrationsbestimmungen anhand farbiger Kalibrierlösungen und leitet gleichzeitig in die Einführung des UV/VIS-Spektralphotometers über. Es ist unbestritten, dass chemisches Verständnis nur durch ein aktives Handeln der Schülerinnen und Schüler aufgebaut wird und nicht ohne Weiteres von Lehrkraft auf die Lernenden übertragen werden kann. Die Notwendigkeit handlungsorientierter Lernsettings, die die Lernenden in den Fokus nehmen, lässt sich im Chemieunterricht aufgrund seiner experimentellen Komponente grundsätzlich gut realisieren, schließlich können haptische und kognitive Aktionsformen durch einen Wechsel von kurzen Handexperimenten und theoretischer Arbeit gleichermaßen berücksichtigt werden. Bislang stellt der Themenbereich der instrumentellen Analytik jedoch eine Ausnahme dar: Er ist maßgeblich von Analysemethoden geprägt, die das Vorhandensein kostspieliger Messgräte erfordern (zum Beispiel UV/VIS-Spektrometer, IR- oder NMR-Spektroskope), die in der Schulpraxis kaum zur Verfügung stehen. Dadurch können viele Analysemethoden oft nur auf theoretischer Ebene behandelt werden. Für das Verständnis über die Funktionsweise dieser Geräte ist ein hohes Abstraktionsniveau von Nöten ist. Aus dieser Problematik heraus resultiert die Herausforderung, instrumentelle Analysemethoden lernenden- und schulgerecht aufzubereiten, um eine experimentelle Behandlung von ausgewählten Themenbereichen aus der instrumentellen Analytik in einem handlungsorientierten Chemieunterricht zu ermöglichen. Eine Möglichkeit, das UV/VIS-Spektrometer zum Zwecke einer Konzentrationsbestimmung zu ersetzen, liefern uns die digitalen Endgeräte, die jeder Schüler und jede Schülerin in der Hosentasche mit sich trägt: Das Smartphone. Kostenfreien Apps zur Bestimmung der R,G,B-Werte einer Farbe ("Color Grab" (Android) beziehungsweise "ColorAssist Lite" (iOS)) können im richtigen Versuchsaufbau dazu genutzt werden, unbekannte Konzentrationen zu ermitteln. Ein wesentlicher Vorteil des abgebildeten Versuchsaufbaus ist, dass neben den Farbstofflösungen lediglich zwei Endgeräte und eine transparente Wellplatte benötigt werden. Das obere Endgerät dient der eigentlichen R,G,B-Wert-Messung der über die Kamera fokussierten Farbstoff-Lösungen, welche wiederum von einem weiteren Endgerät, dessen Bildschirm mithilfe einer passenden App (zum Beispiel "Screen-Flashlight" (Android) oder "Nachtlicht" (iOS) Licht ausstrahlt, von unten durchleuchtet wird. Durch das Vorhandensein der Endgeräte kann das Experiment problemlos als Übung in Paararbeit durchgeführt werden. Die Möglichkeit, mehrere Messungen parallel durchzuführen, bietet die Einbindung weiterer wissenschaftlichen Methoden an, wie beispielweise die Mittelwertbildung oder der Berechnung einer Standardabweichung mit anschließender Fehlerdiskussion. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden müssen digitale Medien nutzen, um die Interaktion mit den Lernenden auf individueller Ebene und als Gruppe, innerhalb und außerhalb des Unterrichts, zu verbessern. Dabei nutzen sie dieses auch, um rechtzeitig und gezielt Beratung und Unterstützung anbieten zu können und neue Formen und Formate der Hilfestellung und Anleitung zu entwickeln und einzusetzen. (3.2 Lernbegleitung) Digitale Medien werden ebenfalls genutzt, um das aktive und kreative Engagement der Lernenden mit einem Thema zu fördern und im Einsatz didaktischer Strategien die transversale Fähigkeiten, tiefgründiges Denken und kreativen Ausdruck zu fördern. Dabei öffnen die Lehrenden den Unterricht, um neue, reale Lernkontexte zu schaffen, die die Lernenden in praktische Aktivitäten, wissenschaftliche Untersuchungen oder komplexe Problemlösungen einbeziehen oder auf andere Weise die aktive Auseinandersetzung der Lernenden mit komplexen lebensweltlichen Sachverhalten erhöhen. (5.3 Aktive Einbindung der Lernenden) Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erklären das Prinzip einer kolorimetrischen und photometrischen Konzentrationsbestimmung durch den Farbvergleich mit Lösungen bekannter Konzentration. führen quantitative Messungen zur Ermittlung einer unbekannten Konzentration durch. formulieren einen Je-Desto-Zusammenhang zwischen Konzentration eines Farbstoffes und der Absorption der entsprechenden Komplementärfarbe (als didaktisch reduzierte Form des Lambert-Beerschen Gesetzes). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen digitale Werkzeugen kennen und wenden sie kreativ an (5.2.1). finden, bewerten und nutzen effektive digitale Lernmöglichkeiten (5.4.1). Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kooperieren in Paar- oder Gruppenarbeit mit gegenseitigem Respekt. achten bei der Experimentdurchführung auf die sachgemäße Nutzung der eigenen Endgeräte und der Endgeräte der jeweils anderen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler bewerten kritisch das Vorhandensein und die Menge gesundheitsschädlicher Farbstoffe in Lebensmitteln kritisch. planen kooperativ Lösungsmöglichkeiten zur experimentellen Analyse eines farbstoffhaltigen Getränks. kommunizieren und diskutieren über den Grenzwert von Azorfarbstoffen in Lebensmitteln. Niess, C. Czubatinski, L. Hornung, G. (2020): Die Konzentration eines Farbstoffs bestimmen. NiU Chemie; 178/179; 32–36 Czubatinski, L., Niess C., Hornung, G. (2020): Quantitative Analysen mit dem Smartphone oder Tablet zur Einführung des Konzentrations- begriffs – ein Beispiel für wissenschaftspropädeutisches Arbeiten in der SEK I. Chemkon; 27 (6); 295–299

Im Rahmen dieser Unterrichtseinheit erlernen die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit der Augmented-Reality (AR)-Applikation "PUMA : Spannungslabor" und nutzen diese für die Arbeit in Kleingruppen. In zwei Experimenten werden die Applikation beziehungsweise die in der Applikation dargestellten didaktischen Modelle der Elektrizität genutzt, um anhand der Modelle zu argumentieren und Hypothesen für den Experimentierprozess zu generieren. Die Unterrichtseinheit ist in drei Unterrichtsstunden gegliedert. Im Verlauf der ersten Unterrichtsstunde wird die AR-Applikation "PUMA : Spannungslabor" von der Lehrkraft im Rahmen eines Demonstrationsexperiments genutzt, um die Darstellung der didaktischen Modelle "Elektronengasmodell", "Rutschenmodell" und "Stäbchenmodell" mit den Schülerinnen und Schülern zu erarbeiten. Die Lehrkraft erklärt und demonstriert den richtigen Umgang mit der Applikation. Im Rahmen der folgenden zwei Unterrichtsstunden erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen in Experimenten die Gesetzmäßigkeiten zur Stromstärke und Spannung bei Parallel- bzw. Reihenschaltungen. In den Experimentierphasen "Hypothesen formulieren" und "Ergebnisse mit der Ausgangshypothese vergleichen" nutzen die Schülerinnen und Schüler dabei die Applikation "PUMA : Spannungslabor" zur Unterstützung der Argumentation mit didaktischen Modellen. Kurzbeschreibung der Applikation "PUMA : Spannungslabor" Die Applikation überblendet einen Stromkreis mit Darstellungen der Leitungselektronen (in Form kleiner weißer Kugeln) und Visualisierungen des elektrischen Potentials. Die Darstellung des elektrischen Potentials kann gemäß des Elektronengasmodells (in Form einer Färbung der Leiterbahnen entsprechend des elektrischen Potentials), gemäß des Stäbchenmodells (in Form einer Anhebung der Leiterbahnendarstellung entsprechend des elektrischen Potentials) oder gemäß des Rutschenmodells (durch zur Anhebung der Leiterbahnen zusätzlichen Einblendung der sich bewegenden Leitungselektronen) erfolgen. Für den Einsatz der Applikation wird ein Experimentierset ELEKTRIK 1 der Firma MEKRUPHY benötigt. Neben den bereits beschriebenen Darstellungen können außerdem Messdaten der elektrischen Grundgrößen (Spannung, Stromstärke, elektrischer Widerstand) an den Bauteilen eingeblendet werden und für eine qualitative Interpretation des elektrischen Widerstands kann eine Visualisierung der Darstellung der Interaktion von Leitungselektronen und Materie auf Teilcheneben gemäß des Drude-Modells des elektrischen Widerstands eingeblendet werden. Für die beschriebene Unterrichtseinheit werden die Darstellungen der Leitungselektronen und der Modelle der elektrischen Potentiale benötigt. In der Applikation ist ein Tutorial mit Videos implementiert, welches Lehrkräfte in ihrer ersten Nutzung anleiten kann. Weitere Informationen und eine Möglichkeit zum Download der Applikation finden Sie über den Link am Ende dieser Seite. Relevanz des Themas Die jüngere fachdidaktische Forschung zur Elektrizitätslehre der Sekundarstufe I hat festgestellt, dass viele Schülerinnen und Schüler den Unterricht mit teils stark prävalenten fehlerhaften Vorstellungen zum Stromkreis verlassen (etwa die Stromverbrauchsvorstellung, unzureichende Trennung der Konzepte von Spannung und Stromstärke oder fehlendes Systemdenken beim Betrachten eines Stromkreises). Durch die explizite Aufforderung der Nutzung didaktischer Modelle zur Generierung von Hypothesen und Plausibilisierung von Ergebnissen soll eine stärkere Verknüpfung von Fachinhalt und didaktischem Analogie-Modell erreicht werden, was die Vernetzung der Fachinhalte im Gedächtnis unterstützt und zu gefestigteren Wissensstrukturen führen soll. Die Darstellung der Analogie-Modelle der Elektrizität durch Augmented Reality reduziert zusätzlich die mentale Hürde, sich der Modelle bei der Argumentation und Diskussion physikalischer Sachverhalte zu bedienen. Notwendige und förderliche Voraussetzungen Für einen Einsatz der beschriebenen Unterrichtseinheit ist das Vorhandensein eines Klassensatzes des Experimentierkastens ELEKTRIK 1 erforderlich. Die Lehrkraft muss die Kästen im Vorfeld entsprechend der Anleitung in der Applikation "PUMA : Spannungslabor" präparieren. Die Lehrkraft sollte vor Durchführung der ersten Unterrichtsstunde dieser Einheit die Applikation selbst sorgfältig durchgearbeitet haben. Dafür kann die in der Applikation verfügbare Tutorial-Ressource und das Informationsblatt zur Applikation genutzt werden. Für die Schülerinnen und Schüler ist es ideal, wenn die in der Applikation darstellbaren Analogie-Modelle der Elektrizität (Elektronengasmodell, Rutschenmodell, Stäbchenmodell) bereits bekannt sind und im Unterricht eingeführt wurden. Die Applikation kann aber auch ohne vorherige Nutzung der genannten Modelle im Unterricht für die Erarbeitung der Gesetzmäßigkeiten bei Parallel- und Reihenschaltung auf die beschriebene Art und Weise genutzt werden. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten in der Lage sein, die Lernenden im Selbstgesteuerten Lernen unter Verwendung digitaler Technologien unterstützen (3.4 Selbstgesteuertes Lernen). Die Lehrenden sollten gewährleisten, dass die Lernenden für die Präsentation ihrer Ergebnisse die digitalen Medien nutzen, um ihre Argumentationen zu ihren wissenschaftlichen Untersuchungen zu unterstützen (5.3 Aktive Einbindung der Lernenden). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verwenden Analogien und Modellvorstellungen zur Wissensgenerierung. stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler setzen digitale Werkzeuge bedarfsgerecht zur Wissensgenerierung ein. können digitale Umgebungen und Werkzeuge für den Gebrauch anpassen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus. diskutieren Arbeitsergebnisse und Sachverhalte unter physikalischen Gesichtspunkten. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge zur Unterstützung ihrer Kommunikation und Argumentation. stärken ihre Technologiekompetenz im Umgang mit neuer Software durch zielgenaue Nutzung digitaler Werkzeuge. erkennen den Nutzen von digitalen Medien bei der Visualisierung von abstrakten mentalen Modellen.

Ziel ist es, den Lernenden einen erweiterten Horizont der Struktur-Funktions-Beziehung von photosynthetisch aktiven Strukturen in phototrophen Mikro- und Makroalgen und deren Wechselwirkungen mit dem artspezifischen Lebensraum zu erläutern. Neben den grünen Chlorophyllen und gelb-orangenen Carotinoiden in Pflanzen haben Cyanobakterien und Rotalgen zusätzliche Lichtantennenkomplexe entwickelt, die sogenannten Phycobilisome, die aus verschiedenen Phycobiliproteinen (blau: C-Phycocyanine und Allophycocyanin und rot: Phycoerythrine) bestehen. Zu diesem Zweck wurden einfach durchzuführende Experimente mit einer Unterrichtsreihe entwickelt, die den Lernenden der Sekundarstufe II die bunte Welt der Photopigmente und Phycobiliproteinen näherbringen sollen.Schon bereits etablierte Versuche zur Fest-Flüssig-Extraktion von Photopigmenten aus Zellen höherer Pflanzen öffnen den Schülerinnen und Schülern deren bunte Vielfalt und rücken das Blatt als Organ der Photosynthese in den Fokus. Analog zu diesen Methoden können Photopigmente und Phycobiliproteine aus den phototrophen Mikro- und Makroalgen gewonnen werden und ein neues Feld an Lehr-Lern-Kontexten und Relevanzen öffnen. Die dafür geeigneten und verwendeten Mikro- und Makroalgen Chlorella vulgaris (Mikroalge), Arthrospira platensis (Mikroalge) und Palmaria palmata (Makroalge) sind in schon pulverisierter Form leicht und kostengünstigen käuflich zu erwerben. Die in dem Versuchsprotokoll gewählte Methode folgt den standardisierten Versuchsschritten einer Fest-Flüssig-Extraktion. Das methodische Vorgehen kann für die Schülerinnen und Schülern anhand des Vorgehens bei dem Zubereiten von Kaffee leicht und alltagsnah erklärt werden. Für die Fest-Flüssig-Extraktion werden fünf Versuchsansätze mit den jeweiligen Extraktionsmittel (Wasser oder acetonhaltiger Nagellackentferner) gewählt, wobei alle verwendeten Materialien kostengünstig in Drogerien oder Lebensmittelgeschäften erhältlich sind und die erforderlichen Sicherheitsstandards in Schulen erfüllen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die beschriebenen Experimente auf verschiedene Bildungsniveaus zuzuschneiden. Zusammen mit dem dazu entwickelten Unterrichtskontext veranschaulichen die Experimente grundlegende chemische Konzepte in einem biologischen Kontext und führen wissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen ein. Die Experimente liefern weitere Lernkontexte, die neben der Einführung in die Methoden zur Fest-Flüssig-Extraktion auch Bezüge zur Löslichkeit von lipophilen und hydrophilen Pigmenten aus phototrophen Organismen schließen können und Lehr-Lern-Kontexte zu molekularer Polarität, zwischenmolekulare Kräfte und Löslichkeitskonzepte ermöglichen.Photopigmente nehmen eine wesentliche Rolle in der Photosynthese ein und halten demnach eine Funktionsvielfalt inne, die nahezu jeden Aspekt unseres Lebens beeinflusst. Sie können daher für Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler von chemischen und biologischen Struktur-Funktions-Zusammenhängen in der realen Welt von entscheidender Bedeutung sein und tragen demnach eine einflussreiche Rolle im Wissensaufbau zu Charakteristika der Naturwissenschaften. Im Zuge des immer weiterwachsenden Trends zur pflanzenbasierten Ernährung erhalten Mikro- und Makroalgen Einzug in die Lebensmittelregale. In der Küche findet man sie nicht nur als Gewürz, sondern spielen auch ihre Pigmente als natürliche Farbstoffe in der Lebensmittel- und Textilindustrie eine wesentliche Bedeutung. Die alltagsnahe Relevanz eröffnet zahlreiche Potentiale diese Zusammenhänge im Chemieunterricht zu verdeutlichen und den Lernhorizont der Schülerinnen und Schüler zu erweitern. Vorkenntnisse von Lehrenden und Lernenden Spezifische Vorkenntnisse sind zur Durchführung der Unterrichtreihe vorteilhaft. Thematisch kann die Reihe in den biologischen Kontext der Photosynthese eingeordnet werden. Dabei sollten Begriffe wie beispielsweise Lichtsammelkomplexe, Photopigmente und deren Funktion im Lichtsammelkomplex höherer Pflanzen vorausgesetzt sein und das Bewusstsein der Vielfalt an phototrophen Organismen bestehen. Darüber hinaus sollten physikalische Zusammenhänge zur Optik und Begriffe wie Absorption, Absorptionsspektren, Wellenlänge verstanden sein. Im chemischen Kontext ist grundlegendes Wissen und Verständnis zu molekularen Polaritäten, zwischenmolekularen Kräften, Löslichkeitskonzepten und Chromatographie vorauszusetzen. Die Experimente zur Extraktion von Photopigmenten und Phycobiliproteinen aus Mikro- und Makroalgen folgen einem forschungsorientierten methodischen Vorgehen und stehen im Zuge der Entwicklung der Experimentierkompetenz der Schülerinnen und Schüler im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Die Möglichkeit besteht die beschriebenen Experimente auf verschiedene Bildungsniveaus zuzuschneiden, vielfältig auszuweiten und detaillierte Fokussierung von mehreren Themenkomplexen fachspezifisch herauszustellen. Aufgebaut ist die Unterrichtsreihe auf der Analyse der Pigmentzusammensetzung der Mikro- und Makroalgen in Abhängigkeit des verfügbarem Lichtspektrums beziehungsweise der verfügbaren Lichtqualität und Temperaturen und zielt auf die besondere Fähigkeit der Cyanobakterien zur chromatischen Adaption, um so die Photosyntheseffizienz zu steigern. Die artspezifische Pigmentzusammensetzungen werden durch die Experimente qualitativ sowie quantitativ für die Schülerinnen und Schüler sichtbar und photometrisch messbar. Voraussetzung ist die Verfügbarkeit von photometrischen Messgeräten in der Schule beziehungsweise auf das portable, modulare und kostengünstige Low-Cost-Photometer von desklab zurückgegriffen werden. Der Austausch mit Peers steht aufgrund der Gruppenarbeit oder Paararbeit, je nach Kursgröße, im Vordergrund. Bei dem Experimentieren unterstützen sich so die Schülerinnen und Schüler gegenseitig und leiten selbstständig den Experimentierprozess. Besonderheit aller Experimente ist, dass alle verwendeten Geräte, Gebrauchs- und Verbrauchsmaterialien kostengünstig in Drogerien oder Lebensmittelgeschäften erhältlich oder sogar schon im Haushalt zu finden sind. (Hinweis: Eine zusätzliche Unterstützungsmöglichkeit bei der Durchführung des Unterrichtskonzepts ist die besondere methodische Herangehensweise in Experimentierkisten, welche nicht nur als Transportmedium für alle Materialien und Geräte dient, sondern auch den Wissenstransfer zwischen Universität und Schule symbolisiert und den Transport von Wissensgut ermöglicht. Für Lehrkräfte aus Rheinland-Pfalz besteht die Möglichkeit diese Experimentierkiste auszuleihen.) Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten dazu in der Lage sein, die Unterrichtsreihe gezielt durch digitale Medien zu untermauern. Beispielsweise ist es möglich, ein digitales Laborbuch zu den Versuchsreihen anzulegen und die Datenanalyse mit einer Softwarelösung vorzunehmen. Das digitale Laborbuch kann zur Dokumentation aber auch als Interaktionstool genutzt werden und im Rahmen eines kollaborativen Doc's-Tool umgesetzt werden. Die Lehrkraft soll so in der Lage sein, die Lernende zu befähigen, digitale Medien im Rahmen der Gruppenarbeiten zu nutzen, um die Kommunikation und Kooperation innerhalb der Lerngruppe zu verbessern. Die Lernenden können in der Form des digitalen Laborbuches experimentelle Erkenntnisse und Fortschritte dokumentieren, diese kommunizieren und gemeinsam Auswertungen und Diskussionspunkte erarbeiten. Sicherzustellen sind Internetzugang und die Verfügbarkeit von Endgeräten für die Schülerinnen und Schüler. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen eigenständig Experimente zur Extraktion von Photopigmenten und Phycobiliproteinen aus Mikro- und Makroalgen durch und verwenden die Photometrie als analytische Methode zur Quantifizierung der Pigmentzusammensetzungen der unterschiedlichen Mikro- und Makroalgen. beschreiben die chemischen Eigenschaften und Funktionen der grünen Chlorophyllen, gelb-orangenen Carotinoiden und die sogenannten Phycobilisome, die aus verschiedenen Phycobiliproteinen (blau: C-Phycocyanine und Allophycocyanin und rot: Phycoerythrine) bestehen, im Lichtantennenkomplex von Mikro- und Makroalgen. erläutern Struktur-Funktions-Beziehung von photosynthetisch aktiven Strukturen in phototrophen Mikro- und Makroalgen und deren Wechselwirkungen mit dem artspezifischen Lebensraum. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden im Experimentierprozess zur Erkenntnisgewinnung den systematischen Umgang mit Variablen an, um den Einfluss der abhängigen Variable zu untersuchen. setzen die angewandten Methoden und experimentellen Vorgehensweisen in den einzelnen Versuchsschritten in Zusammenhang mit der dadurch implizierten Wirkung und definieren beispielsweise das Mörsern als eine Methode zum mechanischem Zellaufschluss. nutzen naturwissenschaftliche Arbeitsweisen (zum Beispiel Experimentieren, Beobachten, Messen, ...). Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stehen in der Gruppenarbeit im Austausch mit der Peer-Gruppe, wodurch ein Peer-Coaching explizit erfordert wird. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler analysieren die aus den Experimenten gewonnen Daten, interpretieren und bewerten sie, um Rückschlüsse auf die industrielle Verwendung der Mikro-/Makroalgen zu ziehen. kommunizieren Mikro-/Makroalgen als eine biotechnologische Lösung im Hinblick auf den Klimawandel. Literaturhinweise Zum Nachlesen: Zu der Versuchsreihe erscheint ein Artikel in der Zeitschrift "Journal of Chemical Education": L., Geuer; N., Erdmann; M., Lorenz; H., Albrecht; T., Schanne; M., Cwienczek; D., Geib; D., Strieth; R., Ulber; Colourful diversity - Modified methods for extraction and quantification of photopigments and phycobiliproteins isolated from phototrophic micro- and macroalgae" in der Zeitschrift "Journal of Chemical Education; Journal of Chemical Education; (2022) angenommen.

Mithilfe von Simulationen versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Aussagen über zukünftige Ereignisse in komplexen Systemen zu machen. In dieser Lernumgebung können an einem Simulationsmodell Zukunftsszenarien für den Zustand der Ostsee, eines unserer heimischen Meere, erkundet werden. Wie wirken sich menschliche Aktivitäten auf die Ostsee und ihre Organismen aus und was bedeutet dies wiederum für die Nutzung dieses Meeres in Zukunft? Inhaltliches Hauptziel dieser Unterrichtseinheit ist es, Prozesse und Zusammenhänge der wichtigsten Veränderungen der Ostsee (Erwärmung, Eutrophierung, Versauerung und Entsalzung) und deren Auswirkungen auf repräsentative Organismen des Ökosystems (Flohkrebse, Blasentang und Epiphyten) zu vermitteln. Diese Prozesse können mithilfe eines Simulationsmodells von den Lernenden untersucht werden. Ein weiteres Ziel ist es, die daraus resultierenden Herausforderungen für das Ökosystem und für die Gesellschaft (Wasserqualität, Fischerei, Tourismus) zu verstehen und zu diskutieren. Die Materialien wurden an der Kieler Forschungswerkstatt im Rahmen des Kiel Science Outreach Campus in Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Bereichen Meeresökologie, Medienpsychologie und Fachdidaktik entwickelt. Zur Webseite der Simulation und zu den Materialien gelangen Sie über den Link am Ende dieser Seite. Um einen authentischen Einblick in die Wissenschaft zu geben, basiert das Modell einer Computersimulation auf echten wissenschaftlichen Daten. Es ist ratsam, vor dem Einsatz der Simulation die einzelnen Prozesse der Veränderungen (Erwärmung, Versauerung, Eutrophierung und Salzgehaltsunterschiede) mit ihren Auswirkungen auf das Ökosystem Ostsee inhaltlich zu behandeln, da in der Simulation (zumindest im zweiten Schritt) diese vier Veränderungen inklusive ihrer gegenseitigen Abhängigkeiten gleichzeitig untersucht werden. Darüber hinaus werden auf Grundlage der veränderten Variablen direkt mögliche Auswirkungen auf das Gesamtsystem (Wasserqualität, Fischerei und Tourismus) gezeigt. Zur Vermeidung von Desorientierung und um eine kognitive Überlastung zu vermeiden, bearbeiten die Schülerinnen und Schüler ein begleitendes Skript, in dem sie die Ergebnisse ihrer Arbeit zusammenfassen. Diese Aufgaben stehen sowohl als digitales (eingebettet in die Website der Simulation) als auch analoges Format zur Verfügung. Um den Lernenden eine eigenständige Bearbeitung auch ohne Anleitungen der Lehrkraft zu ermöglichen, steht auf der Website unter dem Reiter "Anleitung" eine Schritt-für-Schritt-Erklärung zur Verfügung. Zunächst müssen sich die Lernenden kurze informative Audiodateien zu jeder Variable (= Veränderungen und Organismen) der Simulation anhören, bevor der interaktive Modus aktiviert wird. Dadurch wird ein grundlegender und gleicher Informationsstand gewährleistet. Danach können sie in einem interaktiven Modus selbstbestimmt mit der Simulation interagieren. Die Benutzeroberfläche ermöglicht es, die verschiedenen Veränderungen durch Bewegen eines Schiebereglers einzustellen und zu manipulieren. Die Lernenden können in Echtzeit beobachten, wie sich die von ihnen vorgenommenen Änderungen auf die Populationen der drei Organismen auswirkt. Um das Lernen mit der multidimensionalen Struktur der Simulation zu unterstützen, wurden Elemente wie Toolboxen mit Informationen über jede Veränderung und die verschiedenen Organismen implementiert. Die Schülerinnen und Schüler lernen zu Beginn anhand des (digitalen) Skripts mithilfe von Texten, Abbildungen und Videos die einzelnen Variablen der Simulation kennen. Anschließend sollen sie einzelne Veränderungen der Ostsee in unterschiedlichen Ausprägungen simulieren und die Auswirkungen auf die Organismen beobachten, beschreiben und erklären. Die Auswirkungen auf die Organismen werden dabei direkt in Wechselwirkung dargestellt. Das bedeutet, dass auch indirekte Auswirkungen sichtbar sind. Zum Beispiel führt ein geringerer Salzgehalt zu einer geringeren Population von Flohkrebsen (direkte Auswirkung), was wiederum zu einer Zunahme von Epiphyten führt und sich somit negativ auf die Entwicklung von Blasentang auswirkt (indirekte Auswirkungen). Anschließend müssen die Lernenden mehrere Parameter gleichzeitig verändern und die Auswirkungen auf der Ebene der Organismen untersuchen und beschreiben. Weitere Auswirkungen können mit einem dreistufigen Smiley-System am unteren Rand des Bildschirms gleichzeitig beobachtet werden. Auf diese Weise werden die Wechselwirkungen und Zusammenhänge der verschiedenen Veränderungen und Organismen mit zunehmender Komplexität erforscht. Schließlich diskutierten die Lernenden in ihrer Gruppe die Auswirkungen auf der systemischen Ebene und diskutieren mögliche Maßnahmen zum Schutz der Ostsee. Die Simulation "Ostsee der Zukunft" kann aufgrund der ausführlichen Erläuterungen auch ohne weitere ökologische Vorkenntnisse verwendet werden. In diesem Fall ist es jedoch ratsam, die Lernenden zu einer aufmerksamen Lektüre der erklärenden Informationen aufzufordern. Ansonsten wird unter Umständen ein systemisches Verständnis der komplexen Zusammenhänge nicht erreicht. Für ein vertiefendes Verständnis der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf ein Ökosystem wird daher der Einsatz der Simulation als Vertiefung oder Transfer einer Unterrichtseinheit zum Thema Ökosystem Ostsee empfohlen. Besonders ratsam ist dabei die Behandlung der abiotischen und biotischen Faktoren im Ökosystem Ostsee. Die Unterrichtseinheit lässt sich vor allem in den Fachanforderungen der Sekundarstufe II des Fachs Biologie im Themenbereich Ökologie einordnen. Ein Einsatz ist auch im Fach Geografie am Ende der Sekundarstufe I im Themenbereich Ozeane möglich. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Nutzung der browserbasierten Lernumgebung stellt keine besonderen technischen Anforderungen an die Lehrkraft. Die Lernumgebung sollte allerdings im Vorfeld hinsichtlich der Vorkenntnisse und Fähigkeiten der Lernenden – auch solcher mit besonderen Bedürfnissen – reflektiert (5.1) und gegebenenfalls mit Unterrichtselementen ergänzt werden, die eine Teilhabe aller ermöglicht. Der Einsatz dieser Lernumgebung sollte unter Berücksichtigung der Lerngruppe in eine entsprechende thematische Einheit (Ökosysteme, Anthropozän, Nachhaltigkeit, Meer, ...) eingebettet werden (2.1). Bei der geplanten Nutzung der Simulation im Rahmen einer Gruppenarbeit stellt die Unterstützung gemeinschaftlichen/kollaborativen Lernens in Gruppen (3.3) einen wichtigen Aspekt dar, um allen Teilnehmenden Lernfortschritte zu ermöglichen. Je nach konkretem Einsatz der Simulation in offeneren Kontexten – wie zum Beispiel flipped classroom oder Projektarbeit – ist selbstgesteuertes Lernen (3.4) erforderlich beziehungsweise muss ermöglicht werden. Eine aktive Einbindung der Lernenden (5.3) wird über die Kontextsetzung eines tatsächlich existenten und stärker zu werden drohenden Umweltproblems in der Ostsee erreicht. Bei der Erarbeitung von Handlungsoptionen müssen die Lernenden dabei begleitet werden, ihr in der Lernumgebung erworbenes Wissen auf komplexe Zusammenhänge anzuwenden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben verschiedene anthropogene Einflüsse auf das Ökosystem Ostsee. nennen drei Organismengruppen der Ostsee und deren Eigenschaften. verwenden und interpretieren aus einer modellhaften Simulation gewonnene Daten. können verschiedene Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf die Ostsee erklären. entwickeln und bewerten Handlungsoptionen für den Schutz der Ostsee. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren Informationen und Daten, interpretieren und bewerten sie kritisch. bewerten und nutzen digitale Lernmöglichkeiten. nutzen digitale Medien (hier: eine Simulation) für die Meinungsbildung und Entscheidungsfindung. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler eignen sich themenorientiert disziplinäres und interdisziplinäres Wissen zum systemischen Verständnis eines komplexen Problems an. treffen Vorhersagen auf Grundlage einer digitalen Simulation. wenden erworbenes Wissen auf ein "epochaltypisches Schlüsselproblem" (die Auswirkung anthropogener Veränderungen von Ökosystemen auf die Lebensgrundlagen) an. erlangen/festigen Teilkompetenzen des kritischen Denkens. entwickeln in Co-Agency mit Lehrpersonen mögliche Handlungsoptionen.

Die Unterrichtseinheit dient als Experimentierstunde, bei dem die Schülerinnen und Schüler ihr vorhandenes Wissen über einen stromdurchflossenen Leiter und die Lorentzkraft in Verbindung bringen. Ziel der Unterrichtsstunde ist die Formulierung des Ampèreschen Kraftgesetzes.Der Versuch von Oersted zeigt, dass ein stromdurchflossener Leiter ein konzentrisches Magnetfeld um den Leiter herum zur Folge hat. Anhand einer Magnetfeldnadel und deren veränderten Ausrichtung, sobald der Stromkreis geschlossen ist, kann dieses Magnetfeld nachgewiesen werden. Das Wissen über dieses Magnetfeld wird sowohl für das Feldlinienbild einer stromdurchflossenen Spule als auch für die Erklärung einer Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter benötigt. Die AR-Applikation stellt die konzentrischen Felder graphisch im Raum dar. Weitere Informationen und einen Link zum Download finden Sie am Ende dieser Seite. Die Unterrichtseinheit dient als experimentelle Vertiefung des Versuchs von Oersted und ist in drei Teile gegliedert. Nachdem die Schülerinnen und Schüler das Phänomen an einem Leiter feststellen konnten, wird dasselbe Phänomen auf zwei parallele Leiter mit derselben Polung übertragen. Anschließend erörtern die Lernenden den Fall für zwei parallele Leiter mit entgegengesetzter Polung. Zum Schluss der Unterrichtsstunde folgt eine Zusammenfassung, welches das Ampèresche Kraftgesetz wiedergibt. Relevanz des Themas Der elektrische Strom in einem Kabel hat eine magnetische Wirkung auf seine Umgebung. Diese Tatsache dient als Grundlage für Phänomene wie beispielsweise die Lorentzkraft. Durch diese Grundlage findet der Versuch von Oersted in allen Themen des Elektromagnetismus seine Berechtigung. Mit diesem Wissen können Anwendungen – wie Feldlinienbilder von Spulen, grundlegende Induktionsphänomene, Elektromotoren oder ähnliches – erklärt und verstanden werden. Vorkenntnisse Die Funktionsweise (Grundlagen, benötigte Ladungsträger et cetera) eines geschlossenen Stromkreislaufes sollte bekannt sein. Didaktisch-methodische Analyse In dieser Unterrichtseinheit folgen die Lernenden dem Prinzip des entdeckenden Unterrichts. Durch Beobachtung des Ausschlages der Kompassnadel wird auf das Phänomen aufmerksam gemacht. Durch Anwendung auf weitere analoge Versuchsdurchführungen wird das Wissen vertieft, mit Abschluss in einer allgemein gültigen Aussage. Hinweis zum Arbeitsblatt Hier finden Sie Angaben zur Verteilung an die Schülerinnen und Schüler. Dabei kann frei entschieden werden, ob die Lernenden Aufgabenteil 3 bearbeiten. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden benötigen die Kompetenz die richtige digitale Ressource für das Lehren und Lernen zu identifizieren und auszuwählen. Dabei müssen sie das spezifische Lernziel, den Kontext, den pädagogischen Ansatz und die Lerngruppe bei der Auswahl der Ressource berücksichtigen (2.1 Auswahl digitaler Ressourcen). Zusätzlich müssen die Lehrenden die digitalen Geräte richtig im Unterrichtsprozess implementieren, um die Effektivität der Unterrichtsinterventionen zu verbessern (3.1 Lehren). Zusätzlich muss die digitale Technologie richtig eingesetzt werden, um die Zusammenarbeit der Lernenden zu verbessern und zu fördern (3.3 Kollaboratives Lernen). Die Einheit bietet die Möglichkeit, dass Lernende auf unterschiedlichen Ebenen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorankommen und ihre Lernziele verfolgen. Diese Möglichkeit muss durch den Lehrenden durch die digitale Technologie und den Ablauf der Einheit angeboten werden (5.2 Differenzierung und Personalisierung). Durch diese Möglichkeit können die Lernenden sich aktiv und kreativ mit der Thematik auseinandersetzen. Deshalb ist von den Lehrenden gefordert diese Möglichkeit zu nutzen und neue reale Kontexte zu eröffnen, die die Lernenden selbst in praktischen Aktivitäten und wissenschaftlichen Untersuchungen einbeziehen und somit eine aktive Beteiligung der Lernenden an dem komplexen Thema zu erhöhen (5.3 Lernende aktiv einbeziehen). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen den Zusammenhang zwischen Stromfluss und magnetischer Wirkung. fördern ihre experimentelle Kompetenz. kennen die Bedeutung des Ampèreschen Kraftgesetz. Medien- und Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren und Kooperieren, um das Phänomen zu erfassen. setzen ein digitales Werkzeug bedarfsgerecht ein, um das Phänomen zu erklären. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler decken Zusammenhänge auf, indem sie komplexe Systeme analysieren, Hypothesen formulieren und dies aktiv überprüfen. arbeiten zusammen an einem Experiment, sodass sich Gruppendynamiken entwickeln und klare Vereinbarungen getroffen werden müssen. nutzen Fragetechniken und stellen Fragen, um gemeinsam die Ursache des Phänomens zu finden. werden im Umgang mit digitalen Medien geschult. Schwanke, Hagen; Trefzger, Thomas (2022): Entwicklung und Evaluierung der AR-Applikation "Magneto". In: Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP) (Hg.): Unsicherheit als Element von naturwissenschaftsbezogenen Bildungsprozessen. Unter Mitarbeit von Sebastian Habig und Helena van Vorst: Universität Duisburg-Essen; Universität Erlangen-Nürnberg (Band 42). Online verfügbar unter https://www.gdcp-ev.de/wp-content/tb2022/TB2022_572_Schwanke.pdf

In diesen auf Project-Based Learning basierenden Moodle-Kursen untersuchen und erklären Schülerinnen und Schüler interessante und relevante naturwissenschaftliche Phänomene. Bei jeder dieser sogenannten Curriculum Replacement Units (CRU) handelt es sich um eine kontextorientierte, vernetzende, digitale Unterrichtseinheit zum Basiskonzept Energie. Naturwissenschaftlicher Unterricht soll Schülerinnen und Schüler dazu befähigen, naturwissenschaftliche Phänomene zu erklären und Probleme zu lösen. Häufig können Schülerinnen und Schüler jedoch nur auswendig gelerntes, isoliertes Faktenwissen wiedergeben. Für die Erklärung von Phänomenen und die Lösung von Problemen braucht es aber eine vernetzte Wissensbasis, in der Ideen miteinander verknüpft statt isoliert sind. Zentrale Ideen verknüpfen verschiedene Teilbereiche und unterstützen daher den Aufbau einer vernetzten Wissensbasis. Die Betonung von zentralen Ideen für den Aufbau einer vernetzten Wissensbasis findet sich auch in den KMK-Bildungsstandards durch die Einführung von Basiskonzepten wieder. Mithilfe der Basiskonzepte sollen Sachgebiete der Physik stärker miteinander verbunden werden, um kumulatives Lernen zu erleichtern. Eines der Basiskonzepte und zudem eine der zentralen Ideen in Physik ist das Energiekonzept. Es lassen sich insbesondere durch die vielfältigen Manifestationen von Energie, den Energieformen, und deren Umwandlungen ineinander, unterschiedliche Sachgebiete der Physik miteinander verknüpfen. Beispielsweise können in einem elektrischen Stromkreis die Stromstärke und die Temperatur eines stromdurchflossenen Leiters über die Umwandlung von elektrischer in thermische Energie verknüpft werden Die hier zur Verfügung gestellten zehn digitalen Unterrichtseinheiten (CRUs) im Umfang von 4 bis 6 Unterrichtsstunden können zur Verknüpfung von Sachgebieten mithilfe des Basiskonzepts Energie verwendet werden. Die Links und Hinweise zu allen CRUs finden Sie am Ende dieser Seite. Beispiel einer CRU Um die elektrische Energie auf Grundlage der thermischen Energie im Anfangsunterricht der Sekundarstufe I zu vertiefen, wurde für eine der Unterrichtseinheiten die Fragestellung "Warum wird ein Laptop manchmal heiß?" identifiziert. Die Erarbeitungsphase gliedert sich nach den drei Unterfragen: Wo wird ein Laptop heiß? Wann wird ein Laptop heiß? Wie lässt sich die Erhitzung eines Laptops verhindern? Anhand von Experimenten im einfachen Stromkreis und der Erhitzung der stromdurchflossenen Leiter werden unter Einsatz einer Wärmebildkamera die ersten zwei Fragestellungen beantwortet. Zur Beantwortung der dritten Fragestellung werden die zuvor durchgeführten Experimente in Kombination mit einem Wärmerohr durchgeführt und auf diese Weise auf den (thermischen) Energietransport fokussiert. In der Reflexionsphase wird schließlich das Erlernte auf die Erhitzung eines Smartphones transferiert und mögliche Kühlungsmöglichkeiten diskutiert. Die auf dem Ansatz von Project-Based Learning basierenden Unterrichtseinheiten lassen sich in die drei Phasen Einleitung, Erarbeitung und Reflexion zerlegen. Wobei für die Einleitung eine Unterrichts-stunde, für die Erarbeitung zwei bis vier Unterrichtsstunden und für die Reflexion nochmal eine Unterrichtsstunde eingeplant werden sollte. In der Einleitungsphase sollen sich die Schülerinnen und Schüler zunächst noch keine neuen Inhalte erarbeiten, sondern sich insbesondere mit einem Phänomen und einer damit verbundenen Leitfrage beschäftigen. Gleichzeitig dient die Einleitungsphase zur Strukturierung der Unterrichtseinheit entlang der Beantwortung der Leitfrage durch die Entwicklung und Strukturierung von Unterfragen. Jede Erarbeitungsphase einer Unterrichtseinheit beginnt im ersten Schritt mit der Wiederholung der für das Phänomen beziehungsweise die Leitfrage wichtigen Energieformen. Im zweiten Schritt findet auf inhaltlicher Ebene die Vernetzung von Inhalten verschiedener physikalischer Sachgebiete über das Prinzip der Umwandlung zweier Energieformen statt. Im dritten Schritt, der Vertiefung , wird schließlich die Vernetzung durch das Aufgreifen weiterer Energieaspekte (Transfer, Entwertung und Erhaltung) vertieft und verstärkt. Passend zu den drei Schritten in der Erarbeitungsphase werden jeweils drei Unterfragen zur Leitfrage je CRU entwickelt und untersucht. Während die Einleitung der Unterrichtseinheit entsprechend vorstrukturiert ist, sind die Lernaktivitäten in der Erarbeitung bewusst variabel gehalten. Die Wahl der Lernaktivität unterscheidet sich je nach Inhalt, Klassenstufe beziehungsweise der curricularen Vorgabe und der Unterfragen. Zum Abschluss der Unterrichtseinheit werden in einer Reflexionsphase entweder die Leitfrage und die Unterfragen selbstständig durch die Schülerinnen und Schüler beantwortet. Die Schülerinnen und Schüler sollen so die Fragen nacheinander und auf diese Weise kumulativ die Leitfrage. Oder es wird eine Concept Map von den Schülerinnen und Schülern entwickelt, in der die Inhalte der Einheit grafisch von den Schülerinnen und Schülern geordnet und miteinander verbunden werden sollen. Auf diese Weise sollen die Wissensnetzwerke der Schülerinnen und Schüler expliziert und so noch nicht vorhandene Verbindungen zwischen physikalischen Ideen identifiziert werden. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigiCompEdu Modell) Die Lehrenden … … müssen sich die Moodle-Kurse unter dem jeweiligen Link herunterladen und in das Moodle der Schule hochladen. (2.1 Digitale Ressourcen auswählen) … sollten in der Lage sein, die digitale Lernumgebung so in ihren Unterricht einzubetten, dass die Lernenden einen möglichst großen Lerneffekt haben. Sie können dazu unter anderem in den einzelnen Phase der Unterrichtseinheit zwischen verschiedenen Optionen auswählen. Zum Beispiel entscheiden sie je nach Lerngruppe und lokalen Gegebenheiten zwischen Demonstrationsexperiment, Lernendenexperiment oder Video. (2.2 Digitale Ressourcen erstellen und Anpassen). Es wird empfohlen, die jeweilige Einheit wenigstens einmal selbst getestet oder im besten Fall komplett durchlaufen zu haben. Zudem ist ein grundlegendes Verständnis für den Umgang mit dem jeweiligen Endgerät (Computer, Mobiles Device,…) nötig. … sollten gewährleisten, dass allen Lernenden unabhängig von ihrer digitalen Affinität zu den eingesetzten Endgeräten oder von anderen besonderen Bedürfnissen ein Zugang zu der digitalen Lernumgebung ermöglicht wird (5.1 Lerner-Orientierung - Digitale Teilhabe). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler ordnen Alltagsbeispiel darin auftretende Energieformen zu. beschreiben und analysieren Vorgänge in denen Energie umgewandelt wird. analysieren im Sachzusammenhang vorhandene Energieformen und deren Umwandlung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erfassen, speichern und organisieren Daten und Informationen. nutzen digitale Werkzeuge zum Lernen, Arbeiten und Problem lösen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler lösen Probleme, indem sie zum Verständnis von Phänomenen wesentliche Leitfragen entwickeln und diese in Unterfragen aufteilen und beantworten. denken kritisch, in dem sie die Antworten auf die Unterfragen zusammenfassen und hinsichtlich der Phänome und Leitfragen reflektieren. organisieren Wissen, in dem sie verschiedene Teilbereiche der Physik durch zentrale Ideen vernetzen und so eine vernetzte Wissensbasis konstruieren. Fischer, Julian Alexander; Steinmann, Tatjana; Kubsch, Marcus et al.: Die Rettung der Phänomene! Durch Leitfragen sinnstiftendes Lernen initiieren und strukturieren. in: MNU Journal, Jahrgang 74, Nr. 2, 03.2021, S. 140–145. Weßnigk, Susanne; Neumann, Knut; Kerres, Michael: Energie unterrichten über eine digitale Lehr-Lernplattform – Konzeption von Unterrichtseinheiten mit digitalen Medien und Werkzeugen. in: Unterricht Physik 179, 2020, S. 31–36 *Die Hauptenergieform ist die Energieform, die in der letzten Stunde eingeführt wurde. Diese soll mit Bezug zur Bezugsenergieform, die zuvor unterrichtet wurde, vertieft werden.

Messen bedeutet für Schülerinnen und Schüler häufig nur noch einen Wert von einem Display abzulesen. Wie dieser Wert entsteht, bleibt in der Blackbox verborgen. Diese Unterrichtseinheit ist so konzipiert, dass Schülerinnen und Schüler in eine Blackbox hineinsehen, indem sie eigenständig ein Messinstrument bauen: Mit einem Mikrocontroller realisieren sie eine Lichtschranke und führen dann mit dieser eigenständig Experimente durch. Hierbei steht die Vermittlung grundlegender Kenntnisse im Bereich Programmierung und Datenerfassung gleichberechtigt neben der Bearbeitung physikalischer Fragestellungen zum Pendel. Bei physikalischen Messungen kommen heutzutage vor allem digitale Messwerterfassungssysteme zum Einsatz. Ziel der Unterrichtseinheit ist daher, Schülerinnen und Schülern einen Einblick in die Funktionsweise derartiger Systeme zu geben. Konkret sollen sie erlernen, mit einem Arduino eine Lichtschranke zu bauen und diese in Pendelexperimenten einzusetzen. Der Arduino ist ein Mikrocontroller, das heißt ein Kleinstcomputer, der über eine frei verfügbare Software vergleichsweise einfach zu programmieren ist. Der Arduino selbst bietet eine Reihe an Schnittstellen und Sensoren; darüber hinaus können weitere externe Sensoren angeschlossen werden. Damit eignet er sich, anwendungsnahe Steuerungs- und Regelungsaufgaben umzusetzen. Alle Materialien finden Sie unten gebündelt in einer ZIP-Datei zum Download. Die Unterrichtseinheit ist in drei Phasen gegliedert. Zudem kann eine vierte optionale Lernphase genutzt werden. In Phase 1 wird das Ziel der Einheit präsentiert, also die Steuerung einer Lichtschranke in Pendelexperimenten mit dem Arduino. Anschließend erarbeiten die Schülerinnen und Schüler, welche Schritte dazu notwendig sind beziehungsweise welche Fragen auf dem Weg dorthin geklärt werden müssen. Es folgt eine Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit der Programmierung des Arduino (unter anderem Programmstruktur verstehen und verändern). Phase 2 fokussiert dann die Nutzung des Arduino zur Messwerterfassung. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Schritt für Schritt eine Lichtschranke und erarbeiten, welche Signale erfasst werden, wie eine Messung optimiert werden kann und wie die Messwerte gespeichert werden können. In Phase 3 kommt die entwickelte Lichtschranke und die erarbeiteten Erkenntnisse nun in einem klassischen physikalischen Experiment zum Einsatz: In drei Versuchsreihen sollen die Schülerinnen und Schüler den Einfluss von anfänglicher Amplitude, Fadenlänge und Masse eines Fadenpendels auf dessen Periodendauer untersuchen – unter Zuhilfenahme der vorab entwickelten Lichtschranke. Die optionale Phase 4 dient als Sicherungsphase und kann unterschiedlich gestaltet werden. So können beispielsweise die Codes von den Schülerinnen und Schülern kommentiert und miteinander verglichen werden oder es könnten Poster oder Präsentationen erstellt werden, in denen die Schülerinnen und Schüler ihre Vorgehensweisen dem Klassenverband vorstellen. Diese Phase bietet sich auch an, um mit den Schülerinnen und Schülern auf einer motivational-affektiven Ebene zu reflektieren, zum Beispiel welche Aha-Erlebnisse sie hatten oder inwieweit sie Selbstvertrauen in die eigenen Programmierfähigkeiten aufbauen konnten. Grundsätzlich lässt sich diese Lerneinheit auch einsetzen, um in die Arbeit mit dem Messsystem Laborino einzuführen. Je nach Kenntnisstand der Schülerinnen und Schüler sollten Lehrkräfte darauf vorbereitet sein, grundlegende Begriffe der Programmierung (zum Beispiel Variable, Bibliothek et cetera) zu erläutern beziehungsweise eine entsprechende Unterrichtseinheit vorzuschalten (hier gibt es beispielweise digitale Ressourcen, die in die Grundlagen des Arduino einführen und beispielsweise als vorbereitende Hausaufgabe bearbeitet werden könnten). Um Strategien der Problemlösung zu vermitteln, bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler – sollten sie bei ihrer Programmierung auf Probleme oder Unklarheiten stoßen – eine Internetrecherche durchführen zu lassen. Da die Software des Arduino kostenfrei ist, gibt es einige Foren, in denen Probleme mit Codes diskutiert werden oder auch frei verfügbare Beispielcodes, die die Schülerinnen und Schüler für ihre Zwecke anpassen können. Als physikalischer Anwendungskontext wurde das Fadenpendel gewählt, das ein Standardthema im Physikunterricht darstellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die physikalischen Grundlagen des Fadenpendels bereits behandelt wurden, um den Fokus klar auf das Verständnis der Funktionsweise digitaler Messwerterfassungssysteme legen zu können. Die Materialien zu Phase 3 beinhalten entsprechend eine Infobox zum Wiederauffrischen des Fadenpendels. Es ist davon auszugehen, dass dennoch einige Schülerinnen und Schüler intuitiv von einer Abhängigkeit der Periodendauer mit der anfänglichen Auslenkung beziehungsweise der Masse ausgehen. Dies sollte durch die Lehrkraft entsprechend begleitet werden. Diese Unterrichtseinheit ist – vor allem durch die Länge der einzelnen Phasen – eher für den Einsatz im Rahmen einer Projektwoche geeignet, sodass die Schülerinnen und Schüler sich jeweils einen Tag mit einer Phase auseinandersetzen können. Es ist allerdings auch denkbar, die Aufträge in den vier Phasen jeweils so in kleinere Teile zu splitten, dass sie über mehrere Wochen hinweg in 45- oder 90-Minuten-Einheiten bearbeitet werden können. Durch die Verbindung von Grundlagen der Programmierung mit einem physikalischen Kontext ist darüber hinaus die Einheit geeignet für ein fachübergreifendes Projekt zwischen Physik- und Informatikunterricht. Grundsätzlich können die Aufgaben alle in Einzelarbeit bearbeitet werden. Um jedoch auch soziale Kompetenzen, Teamarbeit und das gemeinsame, kreative Problemlösen zu fördern, bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler in Gruppen arbeiten zu lassen und auch einen Austausch über Gruppen hinweg zuzulassen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Ein zentrales Lernziel für die Schülerinnen und Schüler ist es, Grundlagen der Programmierung kennenzulernen und dabei auch eine eventuell vorhandene Scheu gegenüber informatischen Aufgaben abzubauen. Der Kontext digitaler Messwerterfassungssysteme ermöglicht ihnen darüber hinaus, die Grundlagen derartiger Systeme zu durchdringen. Entsprechend sollten Lehrende für die Durchführung der Einheit selbst Kompetenzen im Bereich der Programmierung (6.3 Erstellung digitaler Inhalte) und des Problemlösens (6.5 Digitales Problemlösen) mitbringen. Sofern diese nicht vorhanden sind, müssten sie im Rahmen von Fortbildungen erworben werden (1.4 Digitale Weiterbildung). Um die Schülerinnen und Schüler angemessen durch die Lerneinheit begleiten zu können, sind pädagogisch-didaktische Kompetenzen nötig, die den einzelnen Schülerinnen und Schülern selbstreguliertes Lernen (3.4 Selbstgesteuertes Lernen) und damit Kompetenzerleben ermöglichen (5.3 Aktive Einbindung der Lernenden), um deren Selbstvertrauen in ihre Programmierfähigkeiten zu stärken, auch wenn diese bislang nur sehr gering ausgeprägt sein sollten (5.2 Differenzierung und Individualisierung). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bauen Versuchsanordnungen auch unter Verwendung von digitalen Messwerterfassungssystemen nach Anleitungen auf, führen Experimente durch und protokollieren ihre Beobachtungen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen und verstehen Funktionsweisen und grundlegende Prinzipien der digitalen Welt. erkennen und formulieren algorithmische Strukturen in genutzten digitalen Tools. planen und verwenden eine strukturierte, algorithmische Sequenz zur Lösung eines Problems. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erwerben Selbstvertrauen bezüglich ihrer Programmierfähigkeiten beziehungsweise bauen Hemmungen gegenüber informatischen oder technischen Aufgabenstellungen ab. arbeiten im Team. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler lösen kreativ Probleme. erlangen grundlegende Kompetenzen zum Aufbau von Technological Literacy. bauen ihre Resilienz in Problemlöseprozessen aus.

Über das Anschauungsproblem vom Finden der schnellsten Route lernen die Schülerinnen und Schüler die Grundlagen der Netzwerkoptimierung und das algorithmische Lösen von "Schnellste-Wege-Problemen". Darüber hinaus bearbeiten die Schülerinnen und Schüler das Problem, einen möglichst guten Kompromiss zwischen schnellster und umweltfreundlichster Route zu finden und tauchen dabei in ein Problem der multikriteriellen Optimierung ein. Was ist die schnellste Route von Mainz nach München? Google Maps oder andere Online-Karten beantworten uns diese Frage schnell. Aber wie geht ein Computerprogramm dabei vor? Ist die schnellste Route automatisch auch die umweltfreundlichste Route? In diesem Unterrichtsmaterial müssen als erstes aus dem komplexen Straßennetz auf einer Karte Süddeutschlands die wichtigsten Informationen und Wege von Mainz nach München gefunden werden. Dabei konzentrieren sich die Lernenden auf das Autobahnnetz und markieren Straßen und Autobahnkreuze. Autobahnabschnitte werden mit Zeiten ergänzt, die man benötigt, um sie zurückzulegen. So erstellen die Schülerinnen und Schüler einen Graph und entwickeln eine grobe Vorstellung von möglichen Routen und eventuell sogar schon eine Idee für die schnellste Route. An dieser Stelle werden die anwendungsbezogenen Arbeitsblätter durch ein nicht obligatorisches Video ergänzt, das Graphen formal-mathematisch einführt. Die Materialien und Arbeitsblätter finden Sie über den Link am Ende dieser Seite. Wie kann man sich jedoch sicher sein, die schnellste Route gefunden zu haben? Dafür soll der Dijkstra-Algorithmus, der wohl bekannteste "Kürzeste-Wege-Algorithmus", so nachvollzogen werden, dass die Lernenden ihn selbst anwenden können. Da es sich um einen für Schülerinnen und Schüler komplexen Algorithmus in einem nicht bekannten Anwendungsgebiet handelt, bekommen die sie zum Nachvollziehen zuerst übersichtliche grafische Hilfestellungen und Hinweise, die es besonders zu beachten gilt. Auch ein Erklärvideo soll helfen, den Algorithmus zu verstehen. Nachdem die Lernenden den schnellsten Weg gefunden und versucht haben, den Dijkstra-Algorithmus selbst zu formulieren, sind sie nun selbst gefordert, die umweltfreundlichste Route von Mainz nach München zu finden. Weil die Umweltfreundlichkeit einer Route einerseits von sehr vielen Faktoren abhängt, andererseits aber auch nicht eindeutig definiert ist, handelt es sich dabei um eine starke Vereinfachung. Abschließend wird folgende Frage bearbeitet: Wie findet man den besten Kompromiss zwischen schneller und umweltfreundlicher Route? Thematisch schließt somit die Lerneinheit in Richtung der aktuellen Nachhaltigkeitsdebatte ab und schafft fachmathematisch eine Verbindung zwischen Netzwerk- und multikriterieller Optimierung. Darüber hinaus haben die Lernenden die Möglichkeit, sich in einem interaktiven Jupyter-Notebook-Kurs mit dem Programmieren des Dijkstra-Algorithmus zu beschäftigen. Dieser löst die Anschauungsbeispiele in der Programmiersprache Python. Relevanz des Themas Heutzutage spielen Navigationsprogramme, besonders Google Maps oder Apple Karten, eine sehr große Rolle und werden alltäglich verwendet. Das Lösen von Navigationsproblemen kann dem mathematischen Fachgebiet der Netzwerkoptimierung zugeordnet werden. Das allein zeigt die herausragende Relevanz und unterschätzte Bedeutung eines Themas, das in den Lehrplänen der Länder deutschlandweit bisher keine große spielt. Vorkenntnisse Die Lernenden benötigen für die Unterrichtseinheit keine mathematischen Vorkenntnisse, da es sich um ein außerschulisches mathematisches Anwendungsfeld handelt. Durch die recht anspruchsvollen Inhalte ist diese Lernumgebung jedoch erst für Schülerinnen und Schüler ab der 8. Klasse bis hin zur Oberstufe empfohlen. Didaktische Analyse Die Schülerinnen und Schüler lernen mathematische Inhalte im Bereich der Netzwerkoptimierung kennen. Sie lernen den Umgang mit Graphen, Knoten, Kanten und Kantengewichten. Ein Exkurs mit einer kleinen Einführung in die formal-mathematische Netzwerkoptimierung wird für leistungsstarke Oberstufenschülerinnen und -schüler in einem Video gegeben. Außerdem erarbeiten sie ein algorithmisches Vorgehen, den Dijkstra-Algorithmus, sowie ein bikriterielles Netzwerkoptimierungsproblem. Lernschwierigkeiten sind besonders bei der Formulierung des Algorithmus zu erwarten, weswegen hier das Wahrnehmen der Hilfestellungen im Erklärvideo empfohlen wird. Methodische Analyse Das Lernheft beziehungsweise die Arbeitsblätter können ausgedruckt, ausgeteilt und bearbeitet werden. Die Bearbeitung an Tablets bietet sich ebenfalls an. Für den Programmierexkurs ist ein Computer oder ein Tablet notwendig. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, die Lerneinheit methodisch durchzuführen: Sie kann über mehrere Stunden als Wochenarbeitsauftrag mit dem Lernheft in Einzel- oder Paararbeit erfolgen. Sicherungen können in kleinen Gruppen- oder Paararbeitsphasen durchgeführt werden, indem Ergebnisse verglichen werden. Die Arbeitsphasen des Lernhefts sind als Arbeitsblätter nutzbar. Für jede Arbeitsphase kann eine Unterrichtsstunde verwendet werden. Am Anfang kann ein gemeinsamer Einstieg und am Ende eine gemeinsame Sicherung stattfinden. Die Arbeitsphasen finden in Einzel- oder Paararbeit statt. Es ist auch denkbar, das Lernheft vollständig in einer Heimarbeitsphase durchzuführen. Am Ende sollte aber eine Besprechung im Unterricht stattfinden Hinweise zu den Materialien Arbeitsblatt 1 : Die Lernenden erstellen aus Kartenmaterial ein Netzwerk aus Knoten und Kanten. Arbeitsblatt 2 : Die Lernenden vollziehen an einem Beispiel den Dijkstra-Algorithmus nach und formulieren ihn selbst. Arbeitsblatt 3 : Die Lernenden wenden den Dijkstra-Algorithmus an einem Beispiel selbst an. Arbeitsblatt 4 : Die Lernenden lösen an einem Beispiel ein bikriterielles Netzwerksoptimierungsproblem. Programmierexkurs : Die Lernenden vollziehen den Code des Dijkstra-Algorithmus nach und programmieren Abschnitte selbst. Alle Arbeitsblätter sind einzeln oder als Lernheft zusammengefasst verfügbar. Sie können die Arbeitsblätter über den Link am Ender der Seite herunterladen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrkräfte integrieren das Hilfsmaterial zur Programmierung des Dijkstra-Algorithmus, um den Lernenden das Erarbeiten eigener, kreativer Lösungen zu ermöglichen und sie in ihrem Lösungsprozess zu unterstützen (3.2 und 3.4). Dabei nutzen sie das Lernvideo zu Graphen, um den Lernenden das Vertiefen ihres eigenen Wissens zu ermöglichen (3.4). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erstellen einen Graph mit Knoten, Kanten und Kantengewichten, indem sie aus Kartenmaterial einen Graphen erstellen. erklären und formulieren den Dijkstra-Algorithmus, indem sie ihn an einem Beispiel nachvollziehen und anschließend die einzelnen Schritte dokumentieren. wenden den Dijkstra-Algorithmus an, indem sie die umweltfreundlichste Route zwischen Mainz und München finden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen die Funktionsweise von Navigationsprogrammen, indem sie grundlegende Prinzipien der Netzwerkoptimierung anhand eines Beispiels nachvollziehen. erklären einen Algorithmus, indem sie algorithmische Strukturen in einem Beispiel erkennen und allgemeingültig formulieren. lösen ein technisches Problem, indem sie ein "Kürzeste-Wege-Problem" in der Programmiersprache Python formulieren. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren miteinander, indem sie in Paararbeit zusammenarbeiten. geben einander Feedback, indem sie in Sicherungsphasen Lösungen kontrollieren und besprechen. 21st Century-Skills Die Schülerinnen und Schüler fördern sich im kritischen Denken, indem sie bei der Formulierung und Programmierung des Dijkstra-Algorithmus strukturiert vorgehen, Argumente innerhalb der Lerngruppe analysieren und die Ergebnisse des Dijkstra-Algorithmus nutzen, um die umweltfreundlichste Route zu bestimmen*. stärken ihre Fähigkeiten zur Kollaboration und Kommunikation, indem sie die Aufgaben im Team diskutieren und lösen. fördern ihr Verständnis der digitalen Welt, indem sie durch das Bearbeiten der Aufgaben einen Einblick in die Funktionsweise von Navigationsprogrammen erlangen. * nach Ennis, R.H. (2011). Critical Thinking: Reflection and perspective – Part I. Inquiry: CT across the Disciplines 26 (1), S. 4–18.