Mathematik: Unterrichtsmaterial für die Sekundarstufen

Diese Unterrichtseinheit ist für das Fach Mathematik in der 9. Klasse am Gymnasium konzipiert und richtet sich an die Sekundarstufe I. Sie umfasst vier Unterrichtsstunden und ermöglicht einen anschaulichen und lebensnahen Zugang zum Thema funktionale Zusammenhänge. Anhand eines Beispiels aus dem Gerüstbau lernen Schülerinnen und Schüler, lineare Funktionen im Koordinatensystem darzustellen und zu interpretieren. Grafische Darstellungen werden mit einer praktischen Anwendung verknüpft, wodurch mathematische Inhalte greifbarer und motivierender vermittelt werden. Die Einheit eignet sich ideal, um den Alltagsbezug von Mathematik im Unterricht zu stärken und funktionale Zusammenhänge kontextbezogen zu vertiefen. Die Unterrichtseinheit zum Thema "Lineare Funktionen im Gerüstbau" vermittelt den Schülerinnen und Schülern die mathematischen Grundlagen der linearen Funktionen und deren Anwendung im Kontext des Gerüstbaus. Ausgangspunkt ist die direkte Proportionalität, die in dieser Einheit funktional betrachtet wird. Zunächst wird die lineare Funktion y=mx eingeführt, die später als Teil der allgemeinen linearen Funktion y=mx+t vertieft wird. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten dabei anschaulich die Bedeutungen der Parameter m (Steigung) und t (y-Achsenabschnitt). Im nächsten Schritt lernen die Schülerinnen und Schüler, wie die Funktionsvorschrift einer linearen Funktion anhand von zwei vorgegebenen Punkten erarbeitet wird. Dies erfolgt zunächst durch theoretische Aufgaben und wird anschließend in Übungseinheiten vertieft. Der Lehrplanbezug liegt hier besonders auf der Anwendung von mathematischen Modellen zur Bestimmung von Funktionen und deren Parametern. Im abschließenden Teil der Einheit wird der Definitionsbereich von linearen Funktionen thematisiert, was einen wichtigen Aspekt der mathematischen Modellierung und Analyse darstellt. Ein weiterer wichtiger Teil der Einheit ist die Betrachtung des Zusammenhangs zwischen mathematischen Konzepten und deren Anwendung im Berufsfeld des Gerüstbaus. Hierbei werden die Schülerinnen und Schüler auf die Relevanz von linearen Funktionen bei der Planung und Berechnung von Gerüsten hingewiesen. Die Einheit schließt mit der Auseinandersetzung mit der mathematischen Theorie der linearen Funktionen, wobei der Fokus auf der exakten Bestimmung von Parametern und der korrekten Anwendung im konkreten Kontext liegt. Diese Unterrichtseinheit hat das Ziel, den Schülerinnen und Schülern die Anwendung von linearen Funktionen im praktischen Kontext näherzubringen, insbesondere im Bereich des Gerüstbaus. Der Fokus liegt auf der Berechnung von Funktionsgleichungen und der Anwendung dieser Funktionen auf alltägliche Aufgaben, wie die Berechnung von Löhnen oder die Planung von Gerüsten. Zu Beginn der Einheit wird die Bedeutung linearer Funktionen anhand eines praxisnahen Beispiels eingeführt: dem Taschengeld von Benni. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass bei einer festen Bezahlung pro Stunde eine direkte Proportionalität besteht, die durch eine lineare Funktion beschrieben werden kann. In der Erarbeitungsphase lernen die Schülerinnen und Schüler, wie sie diese Beziehungen mit der Funktion f(x) = m ∙ x + t berechnen können. Durch den Einsatz von Paararbeit und Gruppenarbeit können die Lernenden ihre Ergebnisse austauschen und das Verständnis vertiefen. In der anschließenden Sicherungsphase werden die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst und reflektiert. In der zweiten Stunde wird der mathematische Fokus auf die Berechnung von Funktionsgleichungen aus zwei gegebenen Punkten gelegt. Die Schülerinnen und Schüler nutzen die Datei " Durch_zwei_Punkte.ggb ", um interaktiv zu erfahren, wie sich die Steigung und der y-Achsenabschnitt einer linearen Funktion durch das Verschieben der Punkte verändern. Auch hier wird durch Gruppenarbeit das kollaborative Lernen gefördert, und in der Sicherungsphase werden die Ergebnisse gemeinsam diskutiert, um die Bedeutung der Parameter m und t zu vertiefen. Die dritte Stunde wendet die erlernten mathematischen Konzepte direkt auf den Gerüstbau an. Die Schülerinnen und Schüler berechnen Funktionsgleichungen für verschiedene Teile eines Gerüsts und visualisieren ihre Berechnungen mit der Datei " Hausgeruest.ggb ". Diese praktische Anwendung fördert das Verständnis, wie Mathematik im Bauwesen genutzt wird, um präzise Berechnungen für die Positionierung von Gerüststützen und -streben durchzuführen. In der Sicherungsphase reflektieren die Schülerinnen und Schüler ihre Berechnungen und diskutieren die Auswirkungen von Änderungen der Parameter auf die Stabilität des Gerüsts. In den letzten Stunden setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit der Anwendung linearer Funktionen im Gerüstbau auseinander. Sie berechnen Funktionsgleichungen für geneigte Flächen und untersuchen, wie unterschiedliche Höhen die Gerüstkonstruktion beeinflussen. Dabei analysieren sie, wie lineare Modelle bei der Planung und Anpassung von Gerüsten eingesetzt werden – etwa zur Bestimmung von Aufbauhöhen und Neigungswinkeln. Die Methodenwahl – Plenumsdiskussionen, Paararbeit, Gruppenarbeit und der Einsatz von digitalen Tools wie Geogebra – ermöglichen es den Schülerinnen und Schülern, das Thema auf verschiedene Weise zu bearbeiten und das Verständnis zu vertiefen. Der interaktive Umgang mit den digitalen Tools unterstützt das visuelle Lernen und veranschaulicht abstrakte mathematische Konzepte. Die Unterrichtseinheit zielt darauf ab, den Schülerinnen und Schülern nicht nur die Berechnung von linearen Funktionen zu vermitteln, sondern auch ihre praktische Relevanz zu verdeutlichen. Indem die Lernenden mathematische Modelle auf konkrete Probleme anwenden, erkennen sie die Bedeutung von Mathematik im Alltag und im Berufsleben. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen den Zusammenhang zwischen linearen Funktionen und deren Anwendung in alltäglichen und beruflichen Kontexten. erarbeiten die mathematischen Grundlagen zur Berechnung von Funktionsgleichungen und deren Anwendung auf reale Fragestellungen wie Lohnberechnung und Gerüstbau. reflektieren die Bedeutung der Parameter m (Steigung) und t (y-Achsenabschnitt) in linearen Funktionen und deren Auswirkungen auf reale Berechnungen. wenden mathematische Konzepte auf praxisnahe Aufgaben im Bereich des Bauwesens an und erkennen den praktischen Nutzen von linearen Funktionen im Gerüstbau. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Tools wie GeoGebra, um mathematische Aufgaben zu visualisieren und interaktiv zu bearbeiten. recherchieren Informationen zu praktischen Anwendungen von linearen Funktionen und reflektieren diese im Hinblick auf reale berufliche Aufgaben. präsentieren ihre Ergebnisse in digitalen Formaten und verwenden dabei angemessene Darstellungsformen und Tools zur Visualisierung ihrer Berechnungen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten kooperativ in Paar- und Gruppenarbeit und unterstützen sich gegenseitig beim Lösen mathematischer Aufgaben. lernen, ihre Ergebnisse im Plenum zu präsentieren, und geben konstruktives Feedback zu den Lösungen ihrer Mitschülerinnen und Mitschüler. erweitern ihre Fähigkeit zur klaren Kommunikation von mathematischen Prozessen und Ergebnissen und entwickeln eine gemeinsame Lösungsstrategie im Team.

In dieser Unterrichtseinheit für den Mathematikunterricht der Sekundarstufe II (Klasse 10–11) lernen die Schülerinnen und Schüler die Exponentialfunktion kennen und üben den Umgang mit Funktionsgraphen und Funktionsgleichungen. Die Inhalte werden in den Kontext der Luftfeuchtigkeit in Räumen eingebettet. In dieser Unterrichtseinheit setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit Exponentialfunktionen im Kontext von Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsveränderungen in Innenräumen auseinander. Dabei handelt es sich um ein Thema, welches sie aus ihrem eigenen Alltag kennen. Der Ausgangspunkt ist die alltagsnahe Problemstellung von Kondenswasserbildung in Badezimmern und die Frage, welche Rolle Temperatur , Luftfeuchtigkeit und Belüftungssysteme dabei spielen. Zu Beginn der Einheit lernen die Schülerinnen und Schüler anhand eines Graphen, der die absolute Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt, die charakteristische Form einer Exponentialfunktion kennen. Sie beschreiben den Graphen, lesen Werte ab und übertragen die Erkenntnisse auf eine Funktionsgleichung. Dabei verknüpfen die Lernenden mathematische Konzepte mit einer Problematik, die sie aus dem Alltag kennen – der Feuchtigkeit in Badezimmern. Sprintaufgaben für leistungsstarke und schnelle Schülerinnen und Schüler ermöglichen eine Differenzierung. Anschließend wird das Taupunktdiagramm eingeführt, das im Bereich Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik ( SHK ) zur Beurteilung von Feuchtigkeitsproblemen genutzt wird. In einer anschließenden Gruppenarbeitsphase bearbeiten die Lernenden unterschiedliche Textaufgaben zur Luftfeuchtigkeit und untersuchen, wie sich der Startwert einer Exponentialfunktion auf den Graphen auswirkt. Im weiteren Verlauf beschäftigen sich die Lernenden mit der exponentiellen Abnahme , indem sie eine GeoGebra-Anwendung nutzen, um den Einfluss von Funktionsparametern zu untersuchen. Diese Erkenntnisse werden auf die reale Abkühlung eines Badezimmers nach dem Duschen übertragen – eine Situation, die sie aus ihrem täglichen Leben kennen. In einer komplexen Anwendungsaufgabe berechnen die Lernenden, wie lange ein Lüfter benötigt, um die Luftfeuchtigkeit auf ein bestimmtes Niveau zu senken. Differenzierung erfolgt hier über optionale Hilfestellungen und gestufte Aufgabenformate. Die Einheit schließt mit einem Rückbezug zur Eingangsfrage: Gemeinsam erarbeiten die Schülerinnen und Schüler konkrete Lüftungsempfehlungen zur Schimmelvermeidung. Durch die kontinuierliche Verknüpfung von mathematischen Inhalten mit vertrauten Alltagssituationen und SHK-relevanten Anwendungen erhalten die Lernenden einen handlungsorientierten Zugang zu exponentiellen Funktionen und lernen, mathematische Konzepte zur Lösung realer Probleme im Handwerk anzuwenden. Um den Lernenden einen verständlichen Zugang zu diesem mathematischen Konzept zu ermöglichen, wird die Thematik in den alltagsnahen Kontext von Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsveränderungen in Innenräumen eingebettet. Dies erleichtert nicht nur das Verständnis, sondern ermöglicht es den Schülerinnen und Schülern, mathematische Konzepte mit vertrauten Phänomenen aus ihrem eigenen Alltag zu verknüpfen. Zudem werden Bezüge zum Bereich Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik (SHK) hergestellt, um die Anwendungsrelevanz der Inhalte zu verdeutlichen. Für das Verständnis der Exponentialfunktion sowie des exponentiellen Wachstums und der exponentiellen Abnahme sind grundlegende Kenntnisse im Bereich der Funktionen erforderlich. Methodisch wird die Einheit abwechslungsreich gestaltet, indem Einzel-, Paar- und Gruppenarbeitsphasen mit Plenumsdiskussionen kombiniert werden. Die Schülerinnen und Schüler werden ermutigt, ihre Arbeitsergebnisse zu besprechen, zu vergleichen und kritisch zu reflektieren. Um den unterschiedlichen Vorkenntnissen, Fähigkeiten und Lernrhythmen der Schülerinnen und Schüler gerecht zu werden, sind gezielte Differenzierungsmaßnahmen integriert. Dies ermöglicht eine individuelle Förderung sowohl durch gestufte Aufgabenformate als auch durch optionale Hilfestellungen für verschiedene Leistungsniveaus. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nennen charakteristische Eigenschaften der Exponentialfunktion. deuten die Wirkung von Parametern im Funktionsterm von Exponentialfunktionen auf den Graphen. beschreiben Wachstumsvorgänge mithilfe von Exponentialfunktionen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler üben, Informationen und Daten zu analysieren, interpretieren und kritisch zu bewerten. üben, digitale Werkzeuge bedarfsgerecht einzusetzen. üben, Suchstrategien zu nutzen und weiterzuentwickeln. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren adressatengerecht und verknüpfen dabei Alltags- und Fachsprache situationsgerecht. verbessern ihre Fähigkeiten, ihre Erkenntnisse zu präsentieren. arbeiten in Gruppen oder in Paararbeit.

In dieser Unterrichtseinheit für den Mathematikunterricht der Sekundarstufe I zum Thema "Goldener Schnitt" lernen die Schülerinnen und Schüler die Begriffe und die Eigenschaften des Goldenen Schnitts zur Berechnung und Konstruktion von Verhältnissen kennen. Sie berechnen die Goldene Zahl, konstruieren Goldene Rechtecke und Dreiecke und befassen sich mit der Fibonacci-Spirale. Ziel ist die Umsetzung eines Unterrichts im Sinne des selbstgesteuerten Lernens mit differenzierten Aufgaben. Der Goldene Schnitt ist ein faszinierendes mathematisches Verhältnis, das in vielen Bereichen des Lebens (Körpermaße), der Kunst (Mona Lisa), Bildhauerei (Michelangelos David), der Architektur (Altes Leipziger Rathaus) und der Natur (Nautilus) auftaucht. In dieser Unterrichtseinheit für den Mathematikunterricht der Sekundarstufe I setzen sich die Schülerinnen und Schüler intensiv mit dem Thema "Goldener Schnitt" auseinander. Der erste Teil der Einheit vermittelt eine grundlegende Einführung in die mathematischen Aspekte des Goldenen Schnitts. Mithilfe verschiedener Aufgaben entdecken die Lernenden, in welchem Zusammenhang der Goldene Schnitt zur Mathematik steht. Im zweiten Teil liegt der Fokus auf der Architektur. Die Schülerinnen und Schüler recherchieren nach Gebäuden, die dem Goldenen Schnitt entsprechen, und überprüfen am Beispiel des Alten Rathauses in Leipzig, inwieweit es nach diesen Prinzipien errichtet wurde. Im dritten Teil wird das Thema auf das Steinmetz-Handwerk übertragen, wodurch den Lernenden eine praxisnahe und lebensweltbezogene Perspektive geboten wird. Hier setzen sie sich auch mit der Fibonacci-Folge auseinander und untersuchen Denkmäler auf die Anwendung des Goldenen Schnitts im Handwerk. Durch praxisorientierte Textaufgaben wird das Verständnis des Themas weiter vertieft. Ein begleitendes Informationsblatt unterstützt die Recherchearbeit. Zur Verfügung stehenden GeoGebra-Dateien erleichtern das Verständnis und bieten eine weitere Annäherung an das Thema. Diese Dateien stehen zum Download auf der Materialseite zur Verfügung. Neben dem Informationsblatt beinhalten die Arbeitsblätter teilweise Erklärungen und daran gekoppelte Aufgaben. Grundsätzlich wird auf das Informationsblatt als Quelle verwiesen. Die Arbeitsblätter bauen aufeinander auf, so dass die Schülerinnen und Schüler mit dem letzten Arbeitsblatt eigenständig den Goldenen Schnitt umsetzen können sollten. Die Unterrichtseinheit ist für einen Zeitraum von 12 bis 16 Unterrichtsstunden angelegt, wobei pro Woche ein Arbeitsblatt bearbeitet werden kann. Die Bearbeitungszeit kann sich durch die eigenständige Recherchearbeit mit dem Informationsblatt um ein bis zwei Wochen verlängern. Differenzierte Aufgabenstellungen bieten den Lernenden verschiedene Zugänge zum Thema und unterstützen sie in ihrer individuellen Herangehensweise. Der Unterrichtsverlauf folgt einer Struktur, die in drei Phasen unterteilt ist: Plenumsphase, Übungsphase und Rückmeldungsphase. Alternativ können die Aufgaben auch in Wochenplänen eingesetzt werden, was eine flexible Gestaltung des Unterrichts ermöglicht. Im Verlaufsplan werden die Phasen ergänzt, in denen die Lehrkraft die Inhalte präsentiert und den Lernenden Raum gibt, Fragen zu stellen. Die verbleibende Zeit ist für eigenständiges und selbstverantwortliches Lernen vorgesehen. Diese Phasen werden nicht gesondert aufgeführt. Diese Einheit basiert auf dem Prinzip des "eigenständigen" Lernens. Hierzu dienen Infokästchen und ausführliche Erklärungen zur Erarbeitung des Inhaltes. An diesen Erklärungen knüpfen differenzierte Aufgaben an, um verschiedene Leistungsniveaus abbilden zu können. Die vertiefenden Übungen dienen zur weiteren Differenzierung. Im ersten Schritt sollte das Informationsblatt erarbeitet werden. Die Arbeitsblätter 1 bis 2 sowie das Informationsblatt können in der Jahrgangsstufe 9 und 10 eingesetzt werden. Die Arbeitsblätter bauen aufeinander auf, so dass es sinnvoll ist, dass die Schülerinnen und Schüler die Arbeitsblätter chronologisch erarbeiten. Ebenfalls sollten die Schülerinnen und Schüler entsprechende Vorkenntnisse in Geometrie (insbesondere in Bezug auf Dreiecke und Vielecke) für die Arbeitsblätter mitbringen. Die Aufgaben mit vier Sternen sind für leistungsstarke Schülerinnen und Schüler geeignet. Im Rahmen des selbstständigen Lernens mit Wochenplänen können diese Aufgaben als Zusatzaufgaben notiert werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen und beschreiben geometrische Strukturen in der Umwelt. berechnen Streckenlängen, auch unter Nutzung von Ähnlichkeitsbeziehungen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler suchen, verarbeiten und bewahren Inhalte und Materialien auf. kommunizieren und kooperieren auf verschiedenen Ebenen miteinander. setzen digitale Werkzeuge zum Lösen von Problemen ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können sachlich kommunizieren. können gemeinsam Aufgaben bearbeiten und ausführen. können sich an Absprachen und Vereinbarungen halten. Verwendete Literatur Zirburske, Heinz. 2017. Mathematik 2, Geometrie und Trigonometrie (12. Auflage), S. 154-156 Scheid, Harald. 2001. Elemente der Mathematik (3. Auflage), S.36;71