MINT: Willkommen im Fachbereich

In dieser Unterrichtseinheit werden als zentrale Aufgabe Modelle von Sternbildern mit LEDs entworfen. Ein wesentliches Ziel ist dabei, die Helligkeitsunterschiede der Sterne durch die Variation des nötigen Vorwiderstandes zum Ausdruck zu bringen. Die Unterrichtseinheit wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt.In dieser Unterrichtseinheit werden Aspekte der Astronomie und technische Fragen miteinander verwoben. Beide Bereiche bieten vielfältige Anknüpfungsmöglichkeiten. Im Vordergrund steht das praktische Arbeiten mit Werkzeugen wie Lötkolben oder Bohrmaschine. Die Planung der Schaltung und die Wahl des Vorwiderstandes sind grundlegende technische Fragestellungen, die hier praktisch erarbeitet werden können. Durch die (einfache) experimentelle Bestimmung des Zusammenhanges zwischen Leuchtkraft und den wahrgenommenen Sternhelligkeiten (Magnituden) und die Umrechnung in die entsprechende Stromstärke sind zudem theoretische Vertiefungsmöglichkeiten gegeben. Die Schülerinnen und Schüler wählen zunächst ein Sternbild aus und zeichnen es auf eine Holzplatte. An den Sternpositionen bohren sie Löcher für die LEDs (Sacklochbohrung). Sie notieren für jeden Stern seine Helligkeit (Magnitude). Auf der Rückseite gestalten Sie eine einfache (Parallel-)Schaltung, die sie bis auf die Widerstände verlöten und fertigstellen. Die Schülerinnen und Schüler lassen 6 LEDs in gleichmäßigen Helligkeitsabständen von dunkel bis hell leuchten (hier mit Arduino, auch mit Netzgeräten möglich). Es zeigt sich, dass der Zusammenhang nicht linear ist (Weber-Fechner-Gesetz). Die gleichmäßigen Helligkeitsunterschiede entsprechen den astronomischen Magnituden. Über die eigenen Messungen und die Kennlinie der LED können nun die nötigen Vorwiderstände berechnet werden. Hierbei bietet es sich an, diese Informationen dem Produktdatenblatt der LEDs zu entnehmen und somit ein wichtiges technisches Hilfsmittel kennenzulernen. Man kann bereits nach der Messung und der Feststellung des Weber-Fechner-Gesetzes die gemessenen Werte ohne weitere Interpolation als Musterwerte zur Verfügung stellen oder die Lernenden völlig frei durch Probieren versuchen lassen, Helligkeitsunterschiede zum Ausdruck zu bringen. Nach dem Einlöten der passenden Vorwiderstände ist das Sternbild fertig. Durch vielfältige Vertiefungs- und Vereinfachungsmöglichkeiten ist das Projekt im regulären Unterricht, in Wahlpflichtkursen, AGs und in Projektwochen gut einsetzbar.Der Sternenhimmel übt seit Jahrtausenden eine große Faszination auf die Menschen aus. Auch bei Schülerinnen und Schüler der Gegenwart ist die Astronomie ein Thema, das großes Interesse weckt und damit als sinnstiftender Kontext hervorragend geeignet ist, um viele Lernende zu aktivieren. Das durchschnittliche Interesse ist oft größer als an den klassischen Naturwissenschaften. Zudem knüpft der vorliegende Unterrichtsentwurf an die eigenen Sinneswahrnehmungen an, geht es doch vor allem um optische Phänomene, und zwar um die Helligkeit der Sterne, die man mit dem eigenen Auge wahrnehmen kann. Der Einbezug sinnlicher Erfahrungen ist ein ähnlich großer Motivationsfaktor. Das Weltall ist indessen aber auch ein Raum, den man über das, was wir sehen, hinaus nur erforschen kann, wenn man Technik verwendet. Vom einfachen Teleskop mit Nachführung über ferngesteuerte Satelliten ist das Spektrum technischer Anwendungen sehr groß. Astrophysik und Ingenieurwissenschaften sind in diesem Bereich eng miteinander verknüpft. Das vorliegende Kernmodul kann beliebig erweitert werden. Es gibt viele Anknüpfungspunkte, die sich als Ausgangspunkt für Exkurse und Vertiefungen eignen. Im Mittelpunkt steht die Freude am Ausprobieren und Experimentieren, der Spaß am handwerklichen Arbeiten. Daher ist es wünschenswert, dass die Schülerinnen und Schüler möglichst selbstständig löten können und dürfen und genug Geräte zur Verfügung stehen. Ein zentraler Punkt ist die unterschiedliche Leuchtkraft der Sterne. Das heißt, die LEDs sollen in unterschiedlichen Helligkeiten leuchten. Eine hervorragende Möglichkeit bietet hier der Versuch "Helligkeitsstufen" (AB 5). Die Schülerinnen und Schüler lernen hier den (nicht-linearen) Zusammenhang von Leuchtkraft und wahrgenommener Helligkeit (Weber-Fechner-Gesetz) praktisch kennen, entnehmen dem Produktdatenblatt einer LED die passenden Daten und berechnen daraus den passenden Vorwiderstand. Hier gibt es auch eine (optionale) Möglichkeit, den Arduino einzusetzen. Dieses Vorgehen ist aber vor allem für leistungsstarke Schülerinnen und Schüler als Differenzierung möglich, lässt sich aber auch als Demonstrationsexperiment gemeinsam mit der ganzen Klasse durchführen oder zugunsten einer stärkeren Fokussierung auf die praktische Arbeit ganz streichen. Die Vorwiderstände kann man im Einzelfall konkret vorgeben, durch Probieren herausfinden lassen oder berechnen lassen. Wenn die Magnituden des jeweiligen Sternbildes sehr nah zusammen liegen, kann es sinnvoll sein, die Helligkeitsunterschiede nicht als echte Magnituden zu verwenden, sondern die Unterschiede etwas hervorzuheben, indem man die 6 Stufen auf einen kleineren Bereich verteilt (zum Beispiel in 0,5er-Schritten). Das entspricht dann nicht mehr der Situation am Himmel, ist aber etwas wirkungsvoller. Dieses Vorgehen ist als Handlungsalternative auf AB 5 hinzugefügt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen Sternbilder und ihre Position am Himmel kennen. benutzen Schaltpläne als fachtypische Darstellungen. wenden das Ohm'sche Gesetz in einfachen Berechnungen. bohren, löten und stellen ein handwerkliches Produkt her. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen das Internet selbstständig zur Wahl eines Sternbild. verwenden Tablets und Computer. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nehmen Rücksicht auf Mitschülerinnen und Mitschüler. präsentieren Ergebnisse adressatengerecht.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Künstliche Intelligenz (KI) spielen die Schülerinnen und Schüler das Simulationsspiel "MENSCH, Maschine!" und erfahren so selbst, wie Maschinen lernen und was KI in heutigen Systemen bedeutet. Ob beim Entsperren unseres Smartphones per Gesichtserkennung, beim Sprechen mit Chatbots oder beim Navigieren im Straßenverkehr: Künstliche Intelligenz (KI) ist schon heute vielfach Bestandteil unseres Lebens. Aber wie funktionieren KI und Maschinelles Lernen überhaupt? Um dies verständlich zu machen, wurde im Kontext des Wissenschaftsjahres 2019 das analoge Simulationsspiel "MENSCH, Maschine!" entwickelt, das es Jugendlichen ermöglicht, spielerisch nachzuvollziehen, wie die Maschine lernt – und damit die Grundprinzipien von Maschinellem Lernen (ML) zu verstehen. Angelehnt an das Spiel "Bauernschach" tritt bei "MENSCH, Maschine!" ein menschlicher Spieler gegen eine Maschine an, die durch mehrere Mitspielerinnen und -spieler simuliert wird. Während des Spieles erleben die Spielerinnen und Spieler, dass Maschinelles Lernen ein algorithmischer und regelgeleiteter Prozess ist und wie die Maschine im Laufe der Spielrunden dazulernt. Im Anschluss an das Spielen findet eine Reflexion der Spielerfahrungen sowie ein Austausch darüber statt. Wie spielt man "MENSCH, Maschine!" im Unterricht? Gespielt wird das simple Spiel Bauernschach in mehreren Runden. Immer wenn die Maschine verliert, wird der letzte Zug der Maschine aus dem Spiel gestrichen. Je besser der menschliche Spieler gegen die Maschine spielt, desto schneller lernt die Maschine und verbessert ihre Gewinnchancen. Es sollte also darauf geachtet werden, dass der menschliche Spieler immer versucht, das Spiel zu gewinnen, da nur so eine Verbesserung des Modells möglich wird. Der Einfluss der Spielstärke des menschlichen Spielers kann auch gut im Rahmen der anschließenden Reflexion des Spieles diskutiert werden. Hinweise zur Reflexionsphase Die Lernenden beschäftigen sich im Anschluss an das Spielen zunächst mit der Frage, ob die Maschine im Laufe der Spiele besser spielt. In der Regel wird diese Frage, abhängig vom Spielverlauf der jeweiligen Gruppen, unterschiedlich beantwortet und begründet. In den ersten zehn Runden gewinnen Mensch und Maschine häufig ähnlich oft – aus statistischer Perspektive ist damit tatsächlich noch keine Änderung im Gewinnverhalten zu erkennen. Hier kann man in den Gruppen, in denen mit "Nein" geantwortet wurde, nachfragen, ob es denn für den menschlichen Spieler im Laufe des Spieles schwieriger wurde, gegen die Maschine zu gewinnen. Auch von den Gruppen, die angeben, dass ihre Maschine im Laufe der Spiele besser spielt, wird häufig als Begründung genannt, dass die Maschine ja besser werden müsse, da die schlechten Züge eliminiert seien. Diese Erkenntnis der Schülerinnen und Schüler kann gut dazu genutzt werden, um im Anschluss gemeinsam das Lernverfahren der Maschine (Arbeitsblatt 1) sowie die Frage, inwiefern Maschinen "intelligent" agieren (Arbeitsblatt 2) zu erarbeiten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschäftigen sich spielerisch mit dem Lernverfahren von Maschinen (in der Fachsprache "bestärkendes Lernen"). erfahren, was künstliche Intelligenz in heutigen Systemen bedeutet – nämlich den Einsatz Maschineller Lerner, die für genau eine Aufgabe trainiert wurden. erkennen, dass nicht das Handeln der Maschine beziehungsweise der einzelnen Rollen intelligent ist, sondern dass alle Handlungen auf Algorithmen, also Regeln, basieren und diese nur für den Betrachter intelligent wirken können. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten im Team. reflektieren im Plenum gemeinsam die Erfahrungen aus der Spielphase und lernen so, die Erkenntnisse aller Mitspielenden konstruktiv zu vergleichen und zu bewerten.

In dieser Unterrichtseinheit erwerben die Schülerinnen und Schüler Kenntnisse über die Entstehung von Fossilien. Sie lernen Fossilien zu begutachten und erkennen deren Bedeutung für die historische Wissenschaft.In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Fossilien sollen die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass aus diesen urzeitlichen Funden wichtige Aussagen über die Entstehung des Lebens auf unserem Planeten getroffen werden können. Die Arbeit der Paläontologie wird dargestellt und die Entstehung von Fossilien wird sukzessive erarbeitet. Ergänzend zu dieser Einheit können Materialien aus der Unterrichtseinheit Evolution: Entstehung der Welt eingesetzt werden. Fossilien als Thema im Sach- und Geschichtsunterricht Die Unterrichtseinheit vermittelt den Schülern und Schülerinnen Kenntnisse über die Entwicklung des Lebens auf dieser Erde. Anhand der Fossilien hat Darwin seine Evolutionstheorie begründet und bewiesen. Fachspezifische Abbildungen, Informationstexte und fachbezogene Arbeitsaufgaben lassen die Schülerinnen und Schüler die evolutionäre Entwicklung nachvollziehen und unterstützen die Aneignung fachspezifischer Erkenntnisse. Methodische Analyse Motivierende Arbeitsaufgaben führen die Gedanken der Schülerinnen und Schüler auf den richtigen Weg zur Lösung der Problemfragen. Die Bearbeitung der Arbeitsaufgaben erfordert eigenes Denken und logisches Schlussfolgern statt einfaches Hinweglesen über vorgegebene Texte. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erlangen gesicherte Erkenntnisse über die Bedeutung fossiler Funde für das Wissen über die Entwicklung des Lebens auf unserer Erde. werden anhand von motivierenden Arbeitsaufgaben zur Erkenntnisgewinnung angeregt. können fachspezifische Begriffe und Zusammenhänge deuten und bewerten. können Bildmaterial in ihrer Aussage richtig bewerten und zur Erkenntnisgewinnung nutzen. lesen Informationstexte sinnerfassend. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kooperieren untereinander und profitieren von den Beiträgen ihrer Mitschülerinnen und Mitschüler. gehen würdigend mit den Beiträgen anderer um.

In dieser Unterrichtseinheit erarbeiten die Schülerinnen und Schülern das Prinzip der Rückkopplungsschleife zur Verbreitung von Ideen.In dieser Auskopplung des Unterrichtsmaterials "Systeme verstehen" lernen die Schülerinnen und Schüler, welche Auswirkungen eine einzige Systemänderung auf die Klimakrise haben kann. Viele Jugendlichen sind einem Ohnmachtsgefühl ausgeliefert, wenn sie mit großen Problemen oder Aufgaben konfrontiert werden. Jedoch kann man sich die Macht der Masse auch zunutze machen und als Systemveränderer eine Kettenreaktion auslösen. In der Unterrichtseinheit "Systeme beeinflussen" entwickeln die Schülerinnen und Schüler eine eigene Rückkopplungsschleife: Welche Systemänderungen kann von einer Gruppe ausgelöst werden, die immer mit dem Fahrrad zur Schule oder zur Arbeit fährt? Durch eine spielerische Herangehensweise wird den Schülerinnen und Schülern das Systemdenken alltagsnah vermittelt. Das Konsumverhalten der Jugendlichen sowie dessen Zusammenhang mit der Regenwaldzerstörung dienen als Beispiel, an dem die Schülerinnen und Schüler lernen können Informationen aus Systemmodellen zu entnehmen und neue Informationen zu integrieren. Sie sollen befähigt werden Prognosen zu erstellen, wie sie in ein System eingreifen können, um letztendlich die Möglichkeit zu haben, solche Eingriffe zu planen und zu bewerten.Sich über seine Handlungen als Systemveränderer klar zu werden und sich bewusst zu machen, wie man selber als Auslöser eine Veränderung bewirkt, hilft, zukünftig entspannter und emotional gefestigt mit neuen Herausforderungen und Zielkonflikten umzugehen und auf deren Bewältigung hinzuarbeiten. Die Lehrkräfte und die Schülerinnen und Schüler benötigen zur Durchführung der Einheit keine Vorkenntnisse. Zur Bearbeitung der Einheit empfiehlt es sich vorab über das Thema Rückkopplungsschleifen und ihre Wirkung zu sprechen, damit die Schülerinnen und Schüler die Thematik einordnen können. Mit der Einheit wird eine kreative Bearbeitung von einem Thema angeregt, welches den Lernenden in allen Lebensbereichen begegnet und übertragen werden kann. Die Einheit liefert die Möglichkeit, auf kreative Weise ein manchmal ernstes und hemmendes Thema mit aktuellen Umwelt- und Nachhaltigkeitsthemen zu verknüpfen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler begreifen Systeme, Subsysteme und Überlappungen von Systemen. nutzen Modelle und Systeme als Wirklichkeitsschablonen. erkennen Veränderbarkeit von Systemgrößen (Rückkopplungen). lernen das Planen und die Bewertung von Eingriffen in Systemen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler hinterfragen Werte und Normen. verorten sich selbst im System und stellen fest, dass sie Teil des Ganzen sind. lernen die Natur als Systemkünstler kennen.

In dieser Unterrichtseinheit werden die Schülerinnen und Schüler anhand von Beispielen mit verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten für Dioden vertraut gemacht. Im Anschluss daran wird an einer kleinen Zahl von technischen Anwendungen wie etwa der LED (Leuchtdiode) oder dem nicht minder bekannten Kassenscanner für Strichcodes den Lernenden die Vielzahl von Möglichkeiten für technische Anwendungen der Halbleitertechnologie aufgezeigt. Sie können darin erkennen, wie aus relativ "einfachen" Halbleiter-Bauelementen kompliziert aussehende technische Geräte geschaffen werden können, die unser Alltagsleben massiv erleichtern. Von der Tatsache ausgehend, dass viele für uns heute selbstverständliche technische Anwendungen wie Computer, Digitalkameras oder Energiesparlampen ohne die Halbleitertechnologie nicht machbar wären, wird zunächst an einfachen Schaltungen aus Glühlampen, Schaltern und Dioden gezeigt, wie die eben genannten Bauteile in einem Stromkreis geschaltet werden müssen, um einen bestimmten Stromfluss zu erhalten. An der etwas aufwendigeren Grätz-Schaltung können die Lernenden erkennen, wie der aus der Steckdose kommende Wechselstrom durch Gleichrichtung zu einem pulsierenden Gleichstrom wird. Halbleiterphysik im Unterricht ­– Beispiele und Anwendungen Mit einfachen Beispielen werden die Schülerinnen und Schüler zu speziellen Anwendungen wie LEDs, elektrische Zahnbürste und Scanner hingeführt. Sie lernen dabei, dass für manche Anwendungen neben den hauptsächlichen Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium auch solche aus Galliumphosphid oder Indium-Gallium-Nitrid benötigt werden. Bei LEDs beispielsweise werden spezielle Halbleitermaterialien benötigt, die es ermöglichen, Licht im sichtbaren Bereich und mit unterschiedlichen Farben darzustellen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können nur dahingehend angenommen werden, dass alle Lernenden wohl wissen, dass es stromsparendes LED-Licht gibt. Dass dieses mithilfe von Halbleitertechnik erzeugt wird, dürfte den meisten ebenso neu sein wie mit Halbleitern funktionierende Scanner. Didaktische Analyse Bei der Behandlung des Themas sollte man darauf hinweisen, dass die Halbleitertechnologie einer technischen Revolution gleichkommt, da diese Möglichkeiten mit ihrer unglaublichen Vielfalt noch vor 50 Jahren so gut wie unbekannt waren. Der stetige Fortschritt mit heutigen Smartphones, die ein Vielfaches früherer Tischcomputer können, ist nur der Halbleitertechnologie mit immer kleineren Chips mit vielfacher Speicherkapazität zu verdanken. Methodische Analyse Es gibt nur wenige Versuche, die einen sofort sichtbaren und damit nachvollziehbaren Einblick in die aufwendige Technologie bieten. Deshalb ist es nötig, mithilfe von aussagekräftigen Abbildungen, Folien, Animationen und gut gemachten Videos den Unterricht, wenn möglich, zu ergänzen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung der Halbleitertechnologie in der heutigen Technik. können Schaltungen mit Dioden unterscheiden, die in- oder entgegen der Duchlassrichtung geschaltet sind. können Anwendungen wie LEDs oder Scanner beschreiben und erklären. 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 Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinander 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 dieser Unterrichtseinheit untersuchen die Schülerinnen und Schüler unter Einbezug von Grundlagen der Mechanik die Geschwindigkeitsänderung einer Rakete. Das Prinzip der Impulsübertragung und -erhaltung spielt in der Raumfahrt eine große Rolle. Nach diesem Prinzip funktioniert der Antrieb einer Rakete, die beispielsweise in den Weltraum geschossen wird. Die Schülerinnen und Schüler schauen sich an, wie eine Rakete konstruiert werden muss, um die Impulsübertragung bestmöglich gewährleisten zu können. Des Weiteren werden zum besseren Verständnis und zur Einordnung der benötigten Antriebskraft beziehungsweise des Impulses verschiedene Vergleichsrechnungen mit impulsabhängigen Abläufen in der Natur und Technik angestellt. Außerdem überlegen die Schülerinnen und Schüler, welche Voraussetzungen geschaffen werden müssen, damit die Rakete nicht nur die Erde verlässt, sondern auch navigationsfähig und kontrollierbar bleibt. Dabei wird unter anderem auch die Erdanziehungskraft mit einbezogen. Um sich fortzubewegen, stößt eine Rakete heiße Gase mit hoher Geschwindigkeit aus. Dadurch verliert sie Masse und eine Erhöhung der Geschwindigkeit wird bewirkt. Die Beschleunigung einer Rakete geht aus der Impulserhaltung hervor. Der Impuls eines Systems (zum Beispiel eine Rakete) beschreibt, wie es sich zu einem Zeitpunkt t bewegt. Die Formel lautet: p = m • v mit m als Masse und v der Geschwindigkeit. Vor dem Start ist die Rakete mit ihrem Treibstoff gefüllt und bewegt sich nicht. Die Rakete mit ihrem Treibstoff haben keinen Impuls, der Gesamtimpuls ist also Null. Wird der Treibstoff jedoch gezündet, strömt er am unteren Ende der Rakete raus und hat demnach einen nach unten gerichteten Impuls. Dadurch wird ein entgegengesetzter Impuls an die Rakete gegeben, was dafür sorgt, dass sie von der Erde abhebt. Das Arbeitsblatt passt in den Physikunterricht im Zusammenhang mit Impuls und Kraft zum "Basiskonzept Wechselwirkung". Die Schülerinnen und Schüler sollten über Grundlagen der Mechanik verfügen (Zusammenhang von Geschwindigkeit, Strecke, Zeit, Beschleunigung). Nach verständlicher Einführung durch die Lehrkraft oder durch eigenständiges Erarbeiten der beigefügten Grundlagen/Einführung kann das Arbeitsblatt als Hausaufgabe erarbeitet werden. Dieses Projekt kann als inhaltliche Vorbereitung für ESA Wettbewerbe wie die "Moon Camp Challenge" benutzt werden. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Erhaltung von Impulsen und den Aufbau einer Rakete kennen. untersuchen die Geschwindigkeitsänderung am Beispiel einer Rakete. tauschen sich über die Schwierigkeiten von Weltraummissionen aus.