Viele Schülerinnen und Schüler sind im Wald schon einmal einer Ameisenstraße begegnet. Liegt in der Nähe eines Ameisenhaufens etwas Futter, zum Beispiel ein kürzlich verendeter Regenwurm oder ein verloren gegangenes Stückchen Kuchen, stellt sich am Futterplatz bald ein emsiges Kommen und Gehen ein. Auf einer wohldefinierten Route eilen die Arbeiterinnen herbei und kehren futterbeladen zum Nest zurück. Im Rahmen dieser Unterrichteinheit kommt das kostenlose Simulationswerkzeug NetLogo zum Einsatz. Die Schülerinnen und Schüler erleben das zentrale systemtheoretische Konzept der "Selbstorganisation" am Beispiel von Futter suchenden Ameisen. Von Selbstorganisation spricht man, wenn auffällige raum-zeitliche Strukturen aufgrund der Wechselwirkung zahlreicher Systemteile selbstständig entstehen, ohne dass dazu ein übergeordneter "Koordinator" oder "Organisator" notwendig ist.
Simulation einer Ameisenstraße mit NetLogo
- Biologie
- Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
- Ablaufplan, Video, Software, Arbeitsblatt, Lernkontrolle
- 1 Arbeitsmaterial
Schülerinnen und Schüler erkunden mit einer agentenbasierten Simulationsumgebung das Verhalten von Ameisen und entdecken dabei, wie die einzelnen Tierchen im Zusammenspiel mit zahlreichen Artgenossen das Phänomen einer Ameisenstraße erzeugen.
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
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NetLogo kennen lernen
erste Erfahrungen mit NetLogo und dem „Game of Life“ sammeln, Vorstellung des Grundprinzips agentenbasierter Modellierungen (Agenten, Regeln und Zeitschritte)
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Abschluss
Schlusssatz, Schlussdiskussion
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Phänomen entdecken
auf dem Schulareal Ameisenstraße suchen, beschreiben und skizzieren
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Phänomen analysieren
mögliche Mechanismen sammeln (Hypothesen)
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Virtuelle Ameisenwelt kennen lernen, Einstieg in die Simulationsexperimente
Computergehirn „Ameise“ kennen lernen
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*Experiment 1* ("Normalzustand")
Simulation mit dem Modell „Ameisenstraße“ durchführen
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Experiment 1 besprechen
SuS schreiben auf das Arbeitsblatt, was sie bei der Simulation erstaunt/überrascht hat
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*Experiment 2* ("Keine Pheromonproduktion")
(I) SuS schreiben individuelle Erwartungen und Beobachtungen in das Arbeitsblatt (qualitativ, quantitativ)
(II) Gruppen vergleichen ihre „Messwerte“ untereinander (Zeit, bis alles Futter entdeckt ist)
(III) Gruppen interpretieren die Ursache der Unterschiede
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*Experiment 4* - Eigenes Experiment entwerfen und durchführen ("Extreme Bedingungen")
Beobachtungen notieren und interpretieren
Didaktisch-methodischer Kommentar
- Mögliche Themenfelder
Die Simulation der Ameisenstraße kann beispielhaft das Prinzip der Selbstorganisation veranschaulichen, zum Beispiel im Rahmen der Ökologie oder bei der Behandlung von Hyperzyklen (Entstehung des Lebens). Zudem kann die Simulation das Thema Staaten bildende Insekten "würzen". - Unterrichtsverlauf und Arbeitsmaterial (I)
Mit der Simulation "Game of Life" lernen die Schülerinnen und Schüler das Grundprinzip der agentenbasierten Modellierung kennen. Nach der Beobachtung einer realen Ameisenstraße steigen sie in die virtuelle NetLogo-Ameisenwelt ein. - Unterrichtsverlauf und Arbeitsmaterial (II)
Die Schülerinnen und Schüler experimentieren weitgehend selbstständig mit der virtuellen Ameisenstraße. Vor dem Start der Experimente sollen konkrete Erwartungen formuliert werden. - Unterrichtsverlauf und Arbeitsmaterial (III)
In der Diskussionsphase kann - falls die Zeit reicht - auch die Aussagekraft von Simulationen prinzipiell hinterfragt werden. Zum Abschluss sollte auf jeden Fall der Bogen zum Thema "Selbstorganisation" gespannt werden.
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materialien_ameisenstrasse.zip
Alle Arbeitsmaterialien (NetLogo-Files, Arbeitsblätter, Musterlösungen) zur Ameisenstraßensimulation in einem Rutsch.
Mappe Merkliste
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NetLogo
Die Homepage von NetLogo. Von hier aus kann die Software und ein ausführliches Handbuch heruntergeladen werden. Hier finden Sie auch „Models Library“, die ebenfalls kostenlos heruntergeladen werden kann. Diese enthält auch eine „Ant“-Simulation. Für den Einsatz im Unterricht sollten Sie jedoch die Ameisenstraßensimulation verwenden, die Sie im Downloadbereich dieses Artikels herunterladen können (ameisenstrasse.nlogo)!
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Links und Literatur
Mehr Infos zur Ameisenstraße, zur Selbstorganisation und zu Netlogo.
Vermittelte Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler sollen
- das Grundprinzip der agentenbasierten Modellierung (Agenten, Regeln und Zeitschritte) kennen.
- das Phänomen und den Begriff der Selbstorganisation kennen lernen
- erkennen, dass eine kleine Parameterveränderung an einem komplexen System unerwartet große Auswirkungen und umgekehrt eine große Parameterveränderung praktisch keine Auswirkung haben kann.
- lernen, dass einem Experiment immer eine Phase der Erwartungsbildung vorausgeht und eine Phase der Interpretation folgt.
Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial
| Thema | Simulation einer Ameisenstraße mit NetLogo |
|---|---|
| Autor | Dr. Johannes Kottonau |
| Fach | Biologie |
| Zielgruppe | Sekundarstufe II (zum Thema Selbstorganisation), als Zusatzmaterial zum Thema Ameisen oder Staaten bildende Insekten auch Sekundarstufe I |
| Zeitraum | 5 Stunden (1 Stunde für die Einführung in NetLogo, 2 Doppelstunden für die Ameisenstraßen-Simulationen) |
| Technische Voraussetzungen | Computer mit Betriebssystem Windows, Macintosh oder Linux, Bildschirmauflösung mind. 1024 x 768 Pixel, Erfüllung der Systemvoraussetzungen für NetLogo; ideal: ein Lehrer-Computer mit Beamer plus jeweils 1 Rechner pro 2 Schülerinnen und Schüler, minimal: ein Lehrer-Computer mit Beamer |
| Software | NetLogo (kostenloser Download aus dem Internet); Java Virtual Machine (JVM), wird beim Download mitgeliefert - wenn eine bereits vorher installierte JVM verwendet werden soll, dann muss deren Version mindestens 1.4.1, besser höher sein; NetLogo-Modelldateien "ameisenstrasse.nlogo" und "game_of_life.nlogo" (siehe Download) |
| Planung | Verlaufsplan "Ameisenstraße" |
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