Diese Unterrichtseinheit zu "Mittelwertberechnung von der ISS" stattet Lernende mit einfachen Analysewerkzeugen aus, mit denen sie selbstständig Daten erheben und diese mithilfe des arithmetischen Mittels auswerten können.Als Datenquelle steht den Lernenden ein von der ISS aufgenommenes Bild zur Verfügung, aus dem sie Bildwerte auslesen können. Die statistischen Methoden wenden die Schülerinnen und Schüler an, um Bildkorrekturen an dem Satellitenbild vorzunehmen und dadurch Aufnahmefehler zu korrigieren. Diese Unterrichtseinheit ist im Rahmen des Projektes " Columbus Eye - Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht " entstanden. Das übergeordnete Projektziel besteht in der Erarbeitung eines umfassenden Angebots an digitalen Lernmaterialien für den Einsatz im Schulunterricht. Dieses Angebot umfasst interaktive Lerntools und Arbeitsblätter, die über ein Lernportal zur Verfügung gestellt werden. Anwendungsbezogene Beispiele fördern die Problemlösungs-Kompetenz Die Stochastik ist eine zentrale inhaltsbezogene Kompetenz des Mathematikunterrichts, die in der Regel in der Jahrgangsstufe 7 vermittelt wird. Die Schülerinnen und Schüler erheben dabei Daten und werten sie unter Anwendung statistischer Methoden aus. Ein wichtiger Bestandteil ist die Betrachtung und Interpretation relativer Häufigkeiten und Mittelwerte, insbesondere des arithmetischen Mittels. Nutzen die Schülerinnen und Schüler diese Methoden anhand realitätsnaher und anwendungsbezogener Beispiele, spricht dies besonders ihre Problemlösungs-Kompetenz an. Ablauf Einsatz der Lernumgebung "Mittelwertberechnung von der ISS" Hier finden Sie Hinweise zu Aufbau und Einsatz der Lernumgebung. Die Abbildungen veranschaulichen die Funktionen und die interaktiven Übungen. Die Schülerinnen und Schüler können Mittelwertberechnungen anhand des arithmetischen Mittels durchführen. wenden Mittelwert-Filter zur Rauschunterdrückung auf digitale Bilder an. können das Prinzip eines "Moving Window" erklären. werden in die Erdbeobachtung von der ISS eingeführt. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "MatheMittelwertberechnung.exe" geöffnet. Unter anderen Betriebssystemen wird die Datei " MatheMittelwertberechnung.html" in einem Webbrowser geöffnet. Hierfür wird der Adobe Flash Player benötigt. Wichtig ist in beiden Fällen, dass die heruntergeladene Ordnerstruktur erhalten bleibt. Eigenschaften und Nutzerführung Der jeweils aktivierte Bereich wird auf der unteren Leiste der Lernumgebung eingeblendet (Abb.1). Während der erste Teil einen Einblick in die Thematik liefert und eine übergeordnete Aufgabenstellung benennt, gliedert sich der Rest des Moduls in zwei Sequenzen: Der erste Teil bietet Hintergrundinformationen zum Thema. Im zweiten Teil werden die Schülerinnen und Schüler aktiv und wenden eigenständig Bildbearbeitungsmethoden zur Lösung von entsprechenden Aufgaben an. Den Abschluss eines jeden Bereichs bildet ein Quiz. Erst nach dem Bestehen dieser kleinen Übung wird der folgende Teil der Lernumgebung zugänglich und erscheint in der Seitenleiste. Danach ist auch ein Springen zwischen den Teilbereichen möglich. Einleitung Nach dem Start des Lernmoduls sehen die Schülerinnen und Schüler den Einführungstext, der sie über den Inhalt und den Aufbau der Lernumgebung informiert. Im rechten Bereich des Fensters ist ein von der ISS aufgenommenes Bild zu sehen. Neben Ozean und Wolken kann man eine Versorgungskapsel vom Typ "Dragon" erkennen. Führt man die Maus über das Bild, kann man unter dem zuerst sichtbaren stark verrauschten Bild ein korrigiertes Bild aufdecken. Dies weist auf die Ziele der Bildkorrektur hin, die im Laufe des Lernmoduls entdeckt werden können. Durch das Schließen des Fensters gelangen die Lernenden in den ersten Teil des Lernmoduls. Sollten Unklarheiten bezüglich der Bedienung auftauchen, lässt sich durch einen Klick auf das Fragezeichen-Symbol am oberen rechten Rand des Lernmoduls jederzeit eine Bedienungshilfe aufrufen. Zwei Rubriken Der erste Teil des Lernmoduls legt als Hintergrundwissen die Grundlagen für die spätere Arbeit mit den ISS-Bildern im zweiten Modulteil. Dieser Teil besteht aus zwei Rubriken. In der ersten wird die Berechnung des arithmetischen Mittels erklärt. Mit einem Klick auf den rechten grünen Balken mit der Kennzeichnung "2" öffnet sich die zweite Rubrik, in der Bildstörungen und die Funktionsweise eines Moving Windows (= Kernel) erklärt werden. Letzteres wird mithilfe einer kurzen Animation dargestellt. Es kann jederzeit zwischen Rubrik 1 und 2 hin- und hergeschaltet werden. Nachdem sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Hintergrundwissen beschäftigt haben, gelangen sie über einen Klick auf das Feld "Quiz" in der Navigationsleiste in einen Bereich, in dem das erlernte Wissen kontrolliert werden kann. Für eine Beispiel-Bildmatrix berechnen sie den Mittelwert. Anwendung des Mittelwertfilters Im zweiten Modulteil erhalten die Schülerinnen und Schüler die Bilddaten und das mathematische Werkzeug, um Korrekturen an den ISS-Daten vornehmen zu können. Zunächst öffnet sich ein Fenster mit Aufgaben, an denen sich die Lernenden während ihrer Arbeit orientieren können. Die Schülerinnen und Schüler erhalten vier ISS-Bilder. Per drag & drop können die Bilder in das Hauptfenster gezogen werden. Zwei Bilder zeigen Kanada im Winter, zwei zeigen Teile der arabischen Halbinsel. Eine der Kanada-Aufnahmen enthält einen Blaustich, verursacht durch die Ralyeigh-Streuung der Atmosphäre. Man kann sie gut mit dem "Bilder vergleichen-Werkzeug" mit dem bereits gefilterten Bild vergleichen und die Unterschiede erkennen. Die beiden Bilder der arabischen Halbinsel enthalten ein leichtes und ein starkes Rauschen. Im rechten Bereich des Anwendungsbereichs befinden sich die Werkzeuge, mit denen die Lernenden die Bilddaten bearbeiten können. Unter "Filter wählen" können sie den Mittelwertfilter auswählen. Durch einen Klick in das Bild wird ein 3x3-Pixel-Fenster ausgewählt und in der rechten Seitenleiste dargestellt. Nun können die Schülerinnen und Schüler zunächst die Mittelwertberechnung nur auf das ausgewählte Fenster anwenden (Matrix filtern). Auf diese Weise haben sie die Möglichkeit, die Funktionsweise des Filters nachzuvollziehen und gegebenenfalls nachzurechnen. Über die Schaltfläche "Bild filtern" wird der Filter per Moving Window auf das gesamte Bild angewendet. In der rechten Seitenleiste stehen noch zwei weitere Werkzeuge zur Verfügung. Nach einem Klick auf die Schaltfläche "Pixelwerte auslesen" werden am Maus-Zeiger die Pixel-(Grau-)Werte im Bild angezeigt. Alle berechneten (gefilterten) Bilder befinden sich in der rechten Seitenleiste im Bereich "berechnete Bilder". Indem sie auf das Papierkorb-Symbol gezogen werden, können sie gelöscht werden. Abschluss Haben die Schülerinnen und Schüler die Bildkorrekturen durchgeführt und die gestellten Aufgaben beantwortet, können sie durch Beantworten der Fragen im zweiten Quiz die Bearbeitung des Moduls abschließen.

In diesem Projekt aus dem Musikunterricht erstellen Schülerinnen und Schüler eigene Videos zu Abschnitten des Stückes "Aquarium" aus dem Karneval der Tiere.Mit dem Programm "ArKaos" lässt sich Musik multimedial inszenieren. Die Bedienung der Software ist so einfach, dass der Schwerpunkt auf der kreativen Umsetzung durch vielfältige Möglichkeiten des Programms liegt, ohne dass man sich um komplizierte Programmierungen kümmern muss. Ein Beispiel für den Einsatz bietet die folgende Unterrichtssequenz. Zum Gesamtkontext der Sequenz Die hier beschriebene Sequenz ist Teil einer umfangreicheren Unterrichtseinheit zum "Karneval der Tiere" von Camille Saint-Saëns. Aspekte der gesamten Unterrichtseinheit sind zum Beispiel die Umsetzung von Musik in Tanz (in Form einer eigenen Choreographie der Schülerinnen und Schüler zu den "Schildkröten" sowie eines Tanzes zu dem in diesem Stück zitierten "Cancan" im Vergleich), das Klassenmusizieren und natürlich auch das Sprechen über Musik anhand von Hörbeispielen und Notenausschnitten. Musikalische Möglichkeiten aufzeigen Die gesamte Reihe ist darauf ausgelegt, den Schülerinnen und Schüler zu Beginn des Musikunterrichts der weiterführenden Schule einen ersten Einblick in einige unterschiedliche Möglichkeiten der Beschäftigung mit Musik zu vermitteln, die in den kommenden Jahren vertieft werden. Ablauf der Sequenz Die einzelnen Phasen der Sequenz im Überblick. Die Schülerinnen und Schüler sollen Abschnitte des Stückes "Aquarium" erkennen. die Musik mit dem Programm ArKaos inszenieren. dadurch auf kreative Art die Abschnitte interpretieren. Mit dem Programm "ArKaos" lässt sich Musik multimedial inszenieren. Die Bedienung der Software ist so einfach, dass der Schwerpunkt auf der kreativen Umsetzung durch vielfältige Möglichkeiten des Programms liegt, ohne dass man sich um komplizierte Programmierungen kümmern muss. Ein Beispiel für den Einsatz bietet die folgende Unterrichtssequenz. Möglichkeit zum Einsatz in der Schule Man kann auf den Schülerrechnern die Demoversion installieren, so dass auf mehreren Rechnern parallel die Präsentationen vorbereitet werden können - dabei stören die Bannereinblendung nur minimal. Für eine abschließende Präsentation (v. a. im Rahmen eines Konzertes) benötigt man dann nur noch eine Lizenz für den Präsentations-Computer, um die erarbeiteten Multimedia-Präsentationen ohne die Bannereinblendung vorführen zu können. Bilder im Kunstunterricht erstellen Während man sich im Musikunterricht noch mit anderen Sequenzen der Unterrichtsreihe beschäftigt, kann durch fächerübergreifendes Arbeiten im Kunstunterricht bereits das Material für die multimediale Inszenierung des "Aquarium" erstellt werden. Benötigt werden Bilder im Querformat ("Landschafts-Format"), damit die Bildschirm- bzw. Projektionsfläche optimal genutzt wird. Außerdem sollte die Größe nicht überschritten werden, die der Scanner verarbeiten kann (meist DIN A4). Natürlich können alternativ dazu auch Fotos eingescannt beziehungsweise digitale Fotos verwendet werden. Kennenlernen des Programms Das Programm ArKaos ist so einfach in der Bedienung, dass sich ein spielerischer Einstieg anbietet. Mit einer vorbereiteten Datei, die bereits die von der Klasse gemalten Bilder enthält, können die Schülerinnen und Schüler in kleinen Gruppen durch eigenes Experimentieren die wesentlichen Funktionen des Programms erkunden, nachdem man ihnen die grundlegende Funktionsweise vorher mitgeteilt hat. Tastatur mit Bildern belegen Im rechten Fenster der Arbeitsplattform des Programms findet man unter dem Punkt "Bildmaterial" die in dieser Datei bereitgestellten Bilder. Im unteren Fenster sieht man eine Tastatur abgebildet. Die einzelnen Tasten kann man mit dem gewünschten Bild belegen, indem man das Bild im rechten Fenster mit der Maus anfasst, auf die entsprechende Taste zieht und loslässt. Vorschau und Präsentationsmodus Durch diesen Arbeitsschritt ist die Computertastatur bereits mit dem entsprechenden Bildmaterial "programmiert" - sobald man eine Taste auf der Computertastatur drückt, erscheint im mittleren Fenster "Vorschau". Den eigentlichen Präsentationsmodus erreicht man, indem man im Menü "ArKaos" am oberen Bildschirmrand den Eintrag "ArKaos aktivieren" auswählt; daraufhin werden die Bedienfenster und Menüs ausgeblendet, und es werden nur noch die durch die Tasten aufgerufen Bilder im Großformat auf dem Bildschirm (bzw. bei angeschlossenem Beamer auf der Leinwand) gezeigt. Effekte zuweisen Genauso leicht lässt sich jede Taste mit einem Effekt belegen: Im linken Fenster "Effekte" durch Mausklick auf die Pfeile eine Kategorie auswählen. Den gewünschten Effekt mit der Maus anklicken, auf eine Taste im unteren Fenster ziehen, loslassen - fertig! Damit ist die Taste mit dem Bild und dem Übergang belegt; beides kann man sich im Vorschau-Fenster anschauen, indem man diese Taste drückt. Auf Wunsch kann man Bild und Effekt noch "fein-einstellen" (etwa die Geschwindigkeit eines Übergangs definieren), indem man auf die Taste im unteren Fenster doppelklickt. Genauere Angaben dazu finden Sie in der PDF-Dokumentation des Programms. Kontaktaufnahme In der Abfolge der einzelnen Unterrichtsschritte wird jeder individuell anders vorgehen, mögliche Höraufgaben ergeben sich aber durch die vorherige Beschäftigung mit dem Programm ArKaos: Welche Abschnitte könnt ihr in dem Musikstück unterscheiden? Wann sollte ein Bildwechsel erfolgen? Gruppenarbeit In einem zweiten Schritt kann sich dann die Aufgabenstellung für eine Gruppenarbeit anschließen: Welche Effekte sind welchem Abschnitt zuzuordnen? Spätestens bei dieser Aufgabenstellung bietet sich ein häufiges (auch von den Schülerinnen und Schüler immer wieder gefordertes!) Hören des Stückes an, mit längeren Pausen dazwischen, in denen sich die Gruppenmitglieder austauschen können. Diskussionen Gerade in diesen gruppeninternen Diskussionen finden durch die Aufgabenstellung motivierte, interessante Auseinandersetzungen der Klasse mit der Musik statt, die besonders lernwirksam werden können ("Welcher Effekt ist besonders schön?" - "Aber passt der andere nicht besser zur Musik?" - "Dieser Effekt ist aber für den anderen Teil besser geeignet!" - "Was ist uns eigentlich wichtiger: ein besonders schöner Effekt oder ein Effekt, der besonders gut passt?"). Meinungen bilden und vertreten Die Arbeit sollte unbedingt in kleinen Gruppen erfolgen, auch wenn im Computerraum möglicherweise für jede Person ein Computer vorhanden ist - ein wichtiger Lerneffekt besteht gerade darin, die eigene ästhetische Meinung innerhalb der Gruppe artikulieren und von der Position der anderen begründet unterscheiden zu können! Abschnitt 1 - Gleitende Fische Der erste Abschnitt des Musikstücks wird häufig mit wellenförmigen Bewegungen des Wassers oder auch mit dem Gleiten der Fische und den langsamen Bewegungen ihrer Schwanzflossen assoziiert. Dementsprechend wird auch oft der im Video zu sehende Effekt zur Präsentation des gewünschten Bildes ausgewählt: Abschnitt 2 - Sinkender Seestern Beim zweiten Abschnitt ähneln sich die Assoziationen auch häufig: oft wird - entsprechend der abwärts laufenden Melodielinie - das Bild eines langsam zum Boden des Aquariums sinkenden Gegenstandes oder Tieres genannt. Ein besonders gelungenes Beispiel ist ein zu Boden sinkender Seestern, der sich dabei langsam um die eigene Achse dreht - in diesem Bild kommt schön eine differenziertere Wahrnehmung der Melodie als die reine Abwärtsbewegung zum Ausdruck, die man auch am Notenbild belegen kann. Strudelnde Seeigel In der von den Bildeffekten ausgehenden Beschäftigung mit der Musik wurden für diesen Abschnitt zwei Effekte besonders häufig ausgewählt. Zum einen ein Effekt, bei dem sich das Bild langsam spiralförmig verdreht, als würde es in Zeitlupe in einen Strudel gezogen (also eine Parallele zur sprachlichen Beschreibung). Für die Abschlusspräsentation setzte sich aber schließlich der zweite Effekt durch, der im folgenden Videoausschnitt zu sehen ist: Abschnitt 3 - Aufwärtsglissando der Celesta Abschnitt 1 und 2 werden im weiteren Verlauf des Stücks zunächst wiederholt, nach einer dritten Wiederholung von Abschnitt 1 taucht aber ein neues Motiv auf: das Aufwärtsglissando der Celesta. Die Umsetzung in der multimedialen Präsentation zu diesem Abschnitt zeigt das folgende Video: Dein Einsatz! Bei der Aufführung der Arbeitsergebnisse kommt es darauf an, im richtigen Moment die vorher mit Bild und Effekt "programmierte" Taste zu drücken - genau wie beim Spielen eines Musikinstruments, bei dem man seinen Einsatz genau kennen muss. Durch das Programm werden also neben der intensiven Beschäftigung mit dem musikalischen Material echte musikpraktische Erfahrungen auch für Nicht-Instrumentalisten möglich. Schulkonzert Ideal wäre eine Aufführung im Rahmen eines Schulkonzertes, wobei eine Auswahl des "besten" Ergebnisses durch die Klasse einen guten Gesprächsanlass für eine Abschluss-Diskussion unter ästhetischer Fragestellung bietet. Hier können die Fragen, die intern in den Gruppen aufgekommen sind, durch die Lehrperson gebündelt werden und verschiedene Antworten darauf gesammelt und diskutiert werden. So können die Fragen zu einer intensiven Auseinandersetzung mit dem musikalischen Material und seiner Wirkung beitragen. Alle Schülerinnen und Schüler einbeziehen Nachteil einer solchen multimedialen Aufführung zu eingespielter Musik ist, dass an der endgültigen Präsentation des Gesamtergebnisses nur noch ein Klassenmitglied beteiligt ist. Wenn man die gesamte Klasse beteiligen will, ist dies durch eine Kombination der Leinwandpräsentation mit einer Bewegungsinszenierung möglich (bei diesem Stück etwa mit Jongliertüchern aus dem Sportunterricht, mit Luftballons und Seifenblasen). Bilder Grundsätzlich lässt sich in ArKaos jedes Bildmaterial verwenden, das in digitaler Form vorliegt: ob eingescannt, Fotos einer Digitalkamera, Bilder aus Malprogrammen und so weiter. Import Das Material kann im Format pict, bmp oder jpg in das Programm importiert werden. Ideal ist eine Auflösung von 72 dpi, weil so das bestmögliche Verhältnis von Darstellungsqualität und Anforderungen an die Rechenleistung des Computers gewährleistet ist. Außerdem sollte das Bildmaterial auf die richtigen Größenverhältnisse (also das Verhältnis von Breite und Höhe) gebracht werden. Entsprechend der Bildschirmauflösung ist dies bei ArKaos in der Regel ein Verhältnis von 800 x 600 Bildpunkten oder noch sicherer - vor allem bei geringerer Rechenleistung bzw. bei großer Anzahl an Bildern - von 640 x 480 Bildpunkten (oder gleichen Bruchteilen davon). Bildmaterial, das nicht diesem Verhältnis entspricht, wird bei der Darstellung zurechtgestaucht bzw. -gedehnt, was zu unschönen Effekten führen kann, wie man sie von Zerrspiegeln kennt. Deshalb ist es sinnvoll, das Bildmaterial schon vorab im Querformat anzulegen und anschließend in einem Bildverarbeitungsprogramm auf das Verhältnis 640 x 480 umzurechnen bzw. zurechtzuschneiden, bevor man es in ArKaos importiert. Porträts Falls doch einmal ein Bild im Porträtformat (hochkant) in die Präsentation aufgenommen werden soll, kann man sich mit einem kleinen Trick behelfen: Man fügt in einem Bildverarbeitungsprogramm rechts und links schwarze Balken an, die das hochformatige Bild auf das erforderliche Querformat bringen, in der Projektion aber anschließend nicht zu sehen sind.Die Arbeitsschritte im Einzelnen: Das Bild wird auf die gewünschte Höhe (also 480) gebracht. Anschließend werden die schwarzen Balken rechts und links in der Breite angefügt, die man benötigt, damit das Bild in der gewünschten Gesamtbreite (640) vorliegt. Breitwandformat Jetzt kann das um die Balken ergänzte Bild in ArKaos dargestellt werden, ohne dass es durch das Programm verzerrt wird. Ähnlich kann man natürlich verfahren, wenn ein Bild im extremen Breitwandformat präsentiert werden soll: Zuerst die Breite (640) festlegen, anschließend mit schwarzen Balken oben und unten auf die entsprechende Höhe (480) ergänzen. Weitere Informationen Ausführliche Angaben zur Bedienung und zu weiteren Funktionen des Programms findet man in der dem Programm beiliegenden Dokumentation im pdf-Format.

Diese Unterrichtseinheit zur Bildverbesserung mit Statistik versetzt die Lernenden in die Lage, Fehler in Satellitenbildern zu erkennen und diese zu bereinigen. Dazu wenden sie Kenntnisse der Stochastik an, die sie im Mathematik-Unterricht erlernt haben.Das Ziel der Unterrichtseinheit "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" ist es, Schülerinnen und Schüler mit einfachen Analysewerkzeugen auszustatten, mit denen sie selbstständig Daten erheben und mithilfe des arithmetischen Mittels und des Medians auswerten können. Als Datenquelle steht ihnen ein Satellitenbild zur Verfügung, aus dem sie Bildwerte auslesen können. Die statistischen Methoden wenden die Lernenden an, um Bildkorrekturen an dem Satellitenbild vorzunehmen und dadurch Aufnahmefehler zu korrigieren. Die Unterrichtseinheit ist im Rahmen des Projekts "Fernerkundung in Schulen" (FIS) am Geographischen Institut der Universität Bonn entstanden. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II. Mathematische Methoden realitätsnah anwenden Die Stochastik ist eine zentrale inhaltsbezogene Kompetenz des Mathematikunterrichts, die in der Regel in der Jahrgangsstufe 7 vermittelt wird. Die Schülerinnen und Schüler erheben dabei Daten und werten sie unter Anwendung statistischer Methoden aus. Ein wichtiger Bestandteil ist die Betrachtung und Interpretation relativer Häufigkeiten und Mittelwerte, insbesondere des arithmetischen Mittels und des Medians. Nutzen die Schülerinnen und Schüler diese Methoden anhand realitätsnaher und anwendungsbezogener Beispiele, spricht dies besonders ihre Problemlösungskompetenz an. Ablauf Die Lernumgebung "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" Hier finden Sie Hinweise zum Aufbau der Lernumgebung. Die Abbildungen veranschaulichen die Funktionen und die interaktiven Übungen zu den Themenfeldern "Stochastik und Mittelwerte" und "Bildverbesserung". Die Schülerinnen und Schüler führen anhand des arithmetischen Mittels und des Medians Mittelwertberechnungen durch. wenden Mittelwert-Filter zur Rauschunterdrückung auf digitale Satellitenbilder an. können das Prinzip eines "Moving Window" erklären. beschreiben die Unterschiede zwischen dem arithmetischen Mittel und dem Median anhand der Ergebnisse der Korrektur eines Satellitenbildes. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "Bildverbesserung.exe" geöffnet. Unter anderen Betriebssystemen wird die Datei "Bildverbesserung.html" in einem Webbrowser geöffnet. Hierfür wird der Adobe Flash Player benötigt. Wichtig ist in beiden Fällen, dass die heruntergeladene Ordnerstruktur erhalten bleibt. Einleitung Nach dem Start des Lernmoduls "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" sehen die Schülerinnen und Schüler den Einführungstext, der sie über den Inhalt und den Aufbau informiert. Im rechten Bereich des Fensters ist ein Falschfarben-Bild des RapidEye-Satelliten zu sehen (Abbildung 1). Das Bild zeigt die Stadt Bratsk in Sibirien. Führt man die Mouse über das Bild, kann man unter dem zuerst sichtbaren stark verrauschten Bild ein korrigiertes Bild aufdecken. Dies weist auf die Ziele der Bildkorrektur hin, die im Laufe des Lernmoduls entdeckt werden können. Durch das Schließen des Fensters gelangen die Schülerinnen und Schüler in den ersten Teil des Lernmoduls. Sollten Unklarheiten bezüglich der Bedienung auftauchen, lässt sich durch einen Klick auf das Fragezeichen-Symbol am oberen rechten Rand des Lernmoduls jederzeit eine Bedienungshilfe aufrufen. Erster Teil: Hintergrundwissen Der erste Teil des Lernmoduls "Satellitenbilder: Bildverbesserung mit Statistik" legt als Hintergrundwissen die Grundlagen für die spätere Arbeit mit den Satellitenbildern im zweiten Modulteil. Dieser Teil besteht aus zwei Rubriken. In der ersten werden die Berechnung des arithmetischen Mittels und des Medians erklärt. Mit einem Klick auf den rechten grünen Balken mit der Kennzeichnung "2" öffnet sich die zweite Rubrik, in der die Funktionsweise eines Moving Windows (= Kernel) erklärt wird. Dies wird mithilfe einer kurzen Animation dargestellt. Es kann jederzeit zwischen Rubrik 1 und 2 hin- und hergeschaltet werden. Nachdem sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Hintergrundwissen beschäftigt haben, gelangen sie über einen Klick auf das Feld "Quiz" in der Navigationsleiste in einen Bereich, in dem das erlernte Wissen kontrolliert werden kann. Für eine Beispiel-Bildmatrix berechnen sie den Mittelwert und den Median. Anwendung der Kantendetektion Im zweiten Modulteil erhalten die Schülerinnen und Schüler die Bilddaten und mathematischen Werkzeuge, um Korrekturen an den RapidEye-Daten vornehmen zu können. Zunächst öffnet sich ein Fenster mit Aufgaben, an denen sich die Lernenden während ihrer Arbeit orientieren können. Die Schülerinnen und Schüler erhalten drei RapidEye-Bilder des gleichen Bildausschnitts, die alle unterschiedliche Fehler aufweisen. Zur Kontrolle erhalten sie ein fehlerfreies Bild. Per drag & drop können die Bilder in das Hauptfenster gezogen werden. Im rechten Bereich des Anwendungsbereichs befinden sich die Werkzeuge, mit denen die Schülerinnen und Schüler die Bilddaten bearbeiten können. Unter "Filter wählen" können sie zwischen dem Mittelwert- und dem Median-Filter umschalten. Durch einen Klick in das Bild wird ein 3x3-Pixel-Fenster ausgewählt und in der rechten Seitenleiste dargestellt. Nun können die Schülerinnen und Schüler zunächst die Mittelwert- oder Median-Berechnung nur auf das ausgewählte Fenster anwenden (Matrix filtern) (Abbildung 2). Auf diese Weise haben sie die Möglichkeit, die Funktionsweise des Filters nachzuvollziehen und gegebenenfalls nachzurechnen. Über die Schaltfläche "Bild filtern" wird der Filter per Moving Window auf das gesamte Bild angewendet. Haben die Schülerinnen und Schüler die Bildkorrekturen durchgeführt und die gestellten Aufgaben bearbeitet, können sie durch Beantworten der Fragen im zweiten Quiz die Bearbeitung des Moduls abschließen.

In der Unterrichtseinheit zu Stadtentwicklung und Stadtstrukturen lernen die Schülerinnen und Schüler, mit einem einfachen Analysewerkzeug der Fernerkundung aus einem digitalen Satellitenbild Ecken und Kanten abzuleiten und Aussagen in Bezug auf die räumlichen Strukturen von Städten zu formulieren. Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit den unterschiedlichen Strukturen von Städten in vier verschiedenen Kulturräumen der Erde. Das digitale Lernmodul ist so aufgebaut, dass die Schülerinnen und Schüler in einem ersten Teil mehr über die Entwicklung und innere Differenzierung von Städten in Mitteleuropa, den USA, Südamerika und den sozialistischen Staaten erfahren. Die Unterrichtseinheit entstand im Rahmen des Projekts Fernerkundung in Schulen (FIS) am Geographischen Institut der Universität Bonn. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II. Themenbereich Stadtentwicklung und Stadtstrukturen Ein zentrales Thema des Erdkundeunterrichts im Lehrplan der Jahrgangsstufen 10 bis 13 stellt der Bereich der Stadtentwicklung und Stadtstrukturen dar. Dieser Themenbereich umfasst auch die Frage, wie sich die Städte verschiedener Kulturräume unterscheiden und ob man sie anhand von Idealtypen beschreiben kann. Hiermit wird Bezug auf die nationalen Bildungsstandards genommen, in denen folgende zwei Kompetenzbereiche angesprochen werden: Sachkompetenz: Beschreibung der Genese städtischer Strukturen mit Bezug auf grundlegende Stadtentwicklungsmodelle Urteilskompetenz: Bewertung städtischer Veränderungsprozesse als Herausforderung und Chancen zukünftiger Stadtplanung. Ablauf Anhand von Schrägluftbildern und schematischen Illustrationen können sich die Schülerinnen und Schüler eigenständig über die kulturgenetische Entwicklung der ausgesuchten Stadtmodelle informieren. Im nächsten Schritt erfolgt der praktische Teil: Hier stehen den Schülerinnen und Schülern vier hochaufgelöste Echtfarben-Bilder des RapidEye-Satelliten zur Verfügung. Sie können diese Bilder mithilfe der so genannten "Edge Detection" (Kantendetektion) bearbeiten. So werden Kanten und Linien hervorgehoben, Flächen treten dagegen in den Hintergrund. Anhand der sich abzeichnenden Struktur können die Schülerinnen und Schüler das Wissen über die spezifische Stadtentwicklung und die innere Differenzierung der ausgesuchten Kulturräume anwenden und Gemeinsamkeiten wie Unterschiede zwischen Realität und Idealtyp feststellen. Die Lernumgebung zur Unterrichtseinheit "Städte der Welt" Hier finden Sie Hinweise zum Aufbau der Lernumgebung. Die Abbildungen veranschaulichen die Funktionen und interaktiven Übungen zum Themenfeld. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Stadtstrukturen. erörtern Stadtmodelle unterschiedlicher Kulturräume. orientieren sich mithilfe von Satellitenbildern räumlich. wenden die Bildbearbeitungsmethode der Kantendetektion an. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit "Urbane Strukturen" bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um die Thematik durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "StaedteWelt.exe" geöffnet. Unter anderen Betriebssystemen wird die Datei "StaedteWelt.html" in einem Webbrowser geöffnet. Hierfür wird der Adobe Flash Player ( kostenloser Download ) benötigt. Wichtig ist in beiden Fällen, dass die heruntergeladene Ordnerstruktur erhalten bleibt. Der jeweils aktivierte Bereich wird auf der unteren Leiste der Lernumgebung eingeblendet. Während der erste Teil einen Einblick in die Thematik liefert und eine übergeordnete Aufgabenstellung benennt, gliedert sich der Rest des Moduls in zwei Sequenzen: Der erste Teil bietet Hintergrundinformationen zum Thema. Im zweiten Teil werden die Schülerinnen und Schüler aktiv und wenden eigenständig Bildbearbeitungsmethoden zur Lösung von entsprechenden Aufgaben an. Den Abschluss eines jeden Bereichs bildet ein Quiz. Erst nach dem Bestehen dieser kleinen Übung wird der folgende Teil der Lernumgebung zugänglich und erscheint in der Seitenleiste. Danach ist auch ein Springen zwischen den Teilbereichen möglich. Inhalte im Überblick Einleitung Der erste Bereich des Moduls wird nach dem Start automatisch geladen. Nach dem Start des Lernmoduls sehen die Schülerinnen und Schüler den Einführungstext, der sie über den Inhalt und den Aufbau informiert. Im Hintergrund ist eine Aufnahme von der ISS der Erde bei Nacht zu sehen. Deutlich sichtbar sind die beleuchteten Flächen der Großstädte. Hintergrundwissen zu den Stadttypen Nachdem das Fenster weggeklickt wurde, erscheint eine Weltkarte, bei der vier Länder blau hervorgehoben sind (Abbildung 2). Klickt man mit der Maus in eines dieser Länder, so öffnet sich ein Fenster mit Hintergrundwissen zu den einzelnen Stadttypen. Die USA steht dabei für den US-amerikanischen, Deutschland für den mitteleuropäischen, Brasilien für den südamerikanischen und Russland für den Stadttypus der ehemaligen sozialistischen Länder. Die vier Informationsfenster sind so aufgebaut, dass in einem Eingangstext ein Überblick über den historischen Kontext und die markanten Merkmale des jeweiligen Stadttyps gegeben wird. So werden unter anderem beim US-amerikanischen Typus auf den Central Business Districht (CBD) und den schachbrettartigen Grundriss, beim südamerikanischen auf die Plaza und die ausgeprägte ethnische Segregation mit Elendsvierteln, beim mitteleuropäischen auf die Altstadt und die Widerspiegelung von Machtstrukturen wie feudale Schlossanlagen, beim sozialistischen wiederum auf Magistralen und Großwohnsiedlungen hingewiesen. Die Erläuterungen werden durch ein Schrägluftbild, eine Tabelle zur morphogenetischen, funktionalen und sozialen Gliederung, und ein schematisches Stadtmodell unterstützt. Ein Quiz (siehe Musterlösungen) fragt das Gelesene ab und beendet den ersten Teil der Lerneinheit. Anwendung der Kantendetektion Im zweiten Modulteil sollen die Schülerinnen und Schüler eine Methodik der Geographie, die Fernerkundung, anwenden. Es geht hier darum, vier Bilder des RapidEye-Satelliten zu bearbeiten, um verschiedene Aufgaben zu lösen. Zunächst sollen sich die Lernenden einen visuellen Eindruck verschaffen und die räumliche Struktur der abgebildeten Stadt beschreiben. Anschließend können sie die Filterfunktion anwenden. Diese nennt sich Edge Detection (Kantendetektion) und dient dazu, Ecken und Kanten auf einem Satellitenbild hervorzuheben. Aus einem Echtfarbenbild wird so ein Graustufenbild, bei dem Linienobjekte weiß und flächenhafte Objekte dunkel dargestellt werden. Dies erleichtert die Erkennung von Stadtstrukturen, die von Straßen, Gebäuden und Plätzen geprägt sind. D ie Schülerinnen und Schüler erläutern nun die Unterschiede im Vergleich zum ursprünglichen Satellitenbild. Abschließend erörtern sie, welche Stadt welchem Kulturraum angehören könnte und vergleichen ihr Ergebnis mit dem Idealtyp aus dem Hintergrundwissen. Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede könnte es geben? Im Bearbeitungsfenster (Abbildung 3) befinden sich die Satellitenbilder von Karlsruhe, Bratsk (Russland), New York und São Paolo am linken und die Filterfunktion am rechten Rand. Fährt man mit der Maus über eines der Bilder und "greift" es, kann man das Bild in das große Feld ziehen. Nach der Betrachtung klickt man auf "Bild filtern" und führt so die Edge Detection aus. Im Bereich "Berechnete Bilder" werden die Ergebnisse abgelegt. Ist der Speicher voll, müssen ältere Bilder gelöscht werden. Zusätzlich kann man das Echtfarbenbild und das gefilterte Bild gleichzeitig in das große Feld ziehen und mit "Bilder vergleichen" zwischen den beiden Bildern hin- und herwechseln. Abbildung 3 zeigt jeweils das Echtfarbenbild und das gefilterte Bild übereinandergelegt. Zunächst wird deutlich, dass die Satellitenbilder zwar eine vergleichsweise hohe räumliche Auflösung von 5 Metern besitzen, diese jedoch nicht ausreicht, um urbane Details wie kleinere Häuser erkennen zu können. Die Qualität ist ebenfalls unterschiedlich. So wirkt das Bild von São Paolo "unscharf". Dies liegt daran, dass zuvor schon ein Filter drüber laufen musste, um atmosphärische Störungen und Wolken zu entfernen. Ein bekanntes Problem in der Fernerkundung der Äquatorregionen.

In dieser Unterrichtseinheit zum Braunkohletagebau setzen sich die Lernenden mit dessen vielfältigen Auswirkungen auf ökologische, ökonomische wie auch soziale Aspekte auseinander. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar.Am Beispiel des Braunkohletagebaus Hambach westlich von Köln werden die Entstehung und Lage von Braunkohle sowie die Abbautechniken genau erklärt. Ergänzend vergleichen und bewerten die Schülerinnen und Schüler die Entwicklung verschiedener durch den Braunkohleabbau geprägte Gebiete. Dabei sollen sie die Bedeutung des Braunkohleabbaus für die deutsche Energieversorgung verstehen und die Entwicklung nach der Rekultivierung einschätzen lernen. Die Materialien und computergestützten Anwendungen stammen aus dem Projekt "Fernerkundung in Schulen" (FIS). Das Projekt des Geographischen Institutes der Universität Bonn beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II.Der Eingriff des Menschen in den Naturhaushalt lässt sich besonders gut am Beispiel des Braunkohletagebaus ableiten. Der Ausbau der Tagebaugruben führt entsprechend der Größe des Eingriffes in den Landschaftshaushalt zu einer Vielzahl von ökologischen, sozialen und ökonomischen Auswirkungen. Die Untersuchung der Zusammenhänge und ihrer Folgen für Mensch und Natur geschieht dabei immer häufiger mithilfe von Fernerkundung. Auf diese Weise lassen sich zeitliche Veränderungen analysieren, Problemstellungen identifizieren und mögliche Wechselwirkungen zwischen Mensch, Umwelt, Politik und Wirtschaft ableiten. In dieser Unterrichtseinheit zum Braunkohletagebau wird ein breites Spektrum an Fernerkundungsdaten eingesetzt, das den Schülerinnen und Schülern die Vielzahl der Einsatzmöglichkeiten dieser Daten näher bringt. Es gibt immer mehr Open Source-Produkte im GIS-Bereich, die auch für den Einsatz an Schulen geeignet sind. Die beiden hier vorgestellten Software-Pakete LandSerf und Jump4Schools sind einfach zu installieren (nur JAVA erforderlich) und zeichnen sich durch eine einfache Menüführung aus. Unterrichtsverlauf 1. und 2. Stunde Der Einstieg in die Thematik Braunkohletagebau erfolgt über ein Satellitenbild; anschließend erarbeiten die Lernenden den Entstehungsprozess der Braunkohle. 3. Stunde: Digitales Geländemodell Hier finden Sie Informationen zur Installation und Nutzung der Open Source Software "LandSerf", mit der sich das Höhenprofil des Tagebaus darstellen lässt. 4. Stunde: Landschaftswandel durch den Tagebau Im nächsten Schritt analysieren die Lernenden die Landschaftsveränderung durch Braunkohletagebau mithilfe eines Geoinformationssystems (GIS). 5. Stunde: Soziale Folgen des Braunkohletagebaus Die letzte Stunde dieser Unterrichtsreihe untersucht die sozialen Folgen, die mit einer Umsiedelung der Bevölkerung aus den Abbaugebieten des Braunkohletagebaus verbunden sind. Die Schülerinnen und Schüler können mithilfe von Satellitenbildern Landschaftsveränderungen durch den Braunkohletagebau erkennen. können Entstehung, Lage und Abbau von Braunkohle erklären. diskutieren die wirtschaftliche Bedeutung der Braunkohle sowie die ökologischen und sozialen Folgen ihres Abbaus. Zum Einstieg in das Thema bietet sich diese Satellitenaufnahme von Deutschland an (Abbildung 1, Platzhalter bitte anklicken). Zunächst geht es darum, das Rheinische Braunkohlerevier im Satellitenbild zu identifizieren. Dazu wird das Bild mittels Beamer an eine Leinwand projiziert. Die Schülerinnen und Schüler sollen mögliche wirtschaftliche, ökologische und soziale Folgen des Abbaus diskutieren. Mit einem kostenlosen Bildbearbeitungsprogramm (zum Beispiel IrfanView ) kann man stufenlos in das Bild hineinzoomen und die Landschaftsstrukturen westlich von Köln genauer untersuchen. Die Folien 1 bis 4 und das Arbeitsblatt 1 dienen dazu, die wirtschaftliche Bedeutung der Braunkohle genauer zu erarbeiten. Die zweite Stunde dieser Unterrichtsreihe kommt ohne Fernerkundung aus. Aus diesem Grund ist das hier vorgestellte Material nur als Vorschlag zu sehen. Es kann genauso gut mit anderem Material und anderen Ideen gearbeitet werden. Im Idealfall sollte die gesamte Stunde im Computerraum durchgeführt werden. Die Schülerinnen und Schüler können dann die besprochenen Aufgaben selber am Rechner mithilfe von Arbeitsblatt 4 (braunkohle_ab_4_abbau.pdf) erarbeiten. Zur genaueren Analyse der Tagebauflächen eignet sich die Aufnahme des ASTER-Sensors besser als die MODIS-Aufnahme aus Abbildung 1, da diese eine höhere räumliche Auflösung bietet (siehe Abbildung 2). Auch dieses Satellitenbild kann mit einem herkömmlichen Bildbearbeitungsprogramm mittels Beamer an die Wand projiziert werden. Um jedoch die Geländeform zu verdeutlichen, bedienen wir uns im nächsten Schritt eines digitalen Geländemodells. Nun kommt die Software zum Einsatz. Es gibt immer mehr Open Source-Produkte im GIS-Bereich, die sich auch für den Einsatz an Schulen eignen. LandSerf wurde an der City University von London entwickelt. Das Programm gibt es nur mit englischer Menüführung, deshalb - und auch aufgrund der relativen Komplexität - ist es eher für Oberstufenschüler geeignet. LandSerf steht unter www.landserf.org zum Download bereit und ist speziell für die Bearbeitung und Visualisierung von Digitalen Geländemodellen entwickelt worden (siehe auch unter Zusatzinformationen). Die Software basiert auf JAVA , daher muss dies auf den Computern installiert sein. Hinweise zur Arbeit mit LandSerf Der Einsatz von LandSerf im Unterricht sollte durch die Lehrkraft angeleitet werden, das heißt entweder zunächst am Beamer präsentiert oder durch Handreichungen mit Screenshots und Erläuterungen der wichtigsten Funktionen unterfüttert werden. Über den dritten Button von links öffnet man eine Datei. In dem dann erscheinenden Menü wird als Dateityp ArcGIS text raster (.grd, .asc) ausgewählt. Navigieren Sie zu der Datei srtm_rheinland.asc und öffnen Sie sie. Es erscheint bereits farbig eingefärbt das Digitale Geländemodell eines Ausschnitts aus der Region um Köln (siehe Abbildung 3). Gut zu erkennen sind die Gruben der Braunkohletagebaue in der Mitte des Bildes. Mit dem Werkzeug "Profile" (zu finden unter "Info") kann man einen Profilquerschnitt erstellen. Indem man mit dem Mauszeiger eine Linie über die Abraumhalde des Tagebaus Hambach und die Grube zieht, erhält man in dem kleinen Grafikfenster das dazu gehörige Höhenprofil (siehe Abbildung 4). Auf diese Weise lassen sich die tatsächlichen Höhenverhältnisse sehr schön visualisieren und die Lernenden erhalten einen Eindruck von der tatsächlichen Tiefe der Grube. Ein weiteres effektvolles Tool ist der 3D-Viewer (rotes Sternchen in der Button-Leiste oder unter dem Menüpunkt "Display"). Hier wird ein 3D-Eindruck des Geländes erzeugt, durch das die Schülerinnen und Schüler navigieren können. Vergleich der Ergebnisse mit dem Modell Die Schülerinnen und Schüler sollen nun aus den durch die Arbeit mit den ASTER- und SRTM-Daten gewonnenen Erkenntnissen ein Modell des rheinischen Braunkohletagebaus ableiten. Dies geschieht entweder gemeinsam auf einer Folie am Overheadprojektor oder in Einzelarbeit (Arbeitsblatt 4, Aufgabe 1). Die Ergebnisse der Schüler können im Anschluss mit einem offiziellen Modell des rheinischen Braunkohletagebaus verglichen werden (zur Bearbeitung in Einzelarbeit siehe Aufgabe 2 auf dem Arbeitsblatt). Dieses Modell befindet sich auf Folie 6. Wo liegen Gemeinsamkeiten und Unterschiede? Starten Sie das Programm durch Doppelklicken der Datei JUMP4Schools.exe. Die sogenannte JUMP Werkbank öffnet sich. Das Programm unterscheidet beim Datenimport zwischen zwei Datentypen: Karten und Folien. Unter Karten versteht man Rasterbilder, also zum Beispiel eingescannte topographische Karten oder Satellitenbilder. Diese Daten lassen sich in dem Programm nicht weiter verändern und dienen als Hintergrundbild, mit dessen Hilfe man Folien erstellen kann, den zweiten Datentyp. Zum Öffnen oder Neuerstellen von Daten öffnet man das Menü "Karten und Folien". Zum Öffnen eines Satellitenbildes klickt man auf "Karte laden". Zuerst wird das Bild aus dem Jahr 1989 geöffnet (hambach_1989.tif). Im Projektfenster erscheint das Satellitenbild des Tagebaus Hambach in einer Echtfarbendarstellung (Abbildung 5). Im linken Bereich des Projektfensters werden alle Karten und Folien angezeigt, die in das Projekt geladen wurden. Über das Häkchen sind sie an- und abschaltbar. Die Karte dient nun als Hintergrunddarstellung für die folgende Folie. Die Schülerinnen und Schüler können nun eine neue Folie erstellen, in dem sie im Menüpunkt "Karten und Folien" die Option "Neue Folie hinzufügen" auswählen. Eine Folie ist im Gegensatz zu einer (Raster-)Karte eine Vektordatei. Prinzipiell kann es sich dabei um einen Punkt, eine Linie oder ein Polygon handeln. Die einzelnen Eckpunkte der Linien und Polygone können beliebig verschoben werden. Eine kleine Werkzeug-Box öffnet sich. Durch Anklicken der Option "Erzeuge Polygon" (links oben) wird dieses Werkzeug aktiv und der Mauszeiger zu einem Fadenkreuz. Nun können die Lernenden die Umrisse des Tagebaus mit dem Mauszeiger nachzeichnen. Mit einem Doppelklick wird das Polygon geschlossen. Abbildung 6 zeigt das in etwa zu erwartende Ergebnis. Hat man eine neue Folie erstellt, erscheint sie mit dem Namen "Neu" im linken Teil des Projektfensters. Durch einen Doppelklick auf den Namen kann man diesen verändern. Ebenso kann man die Farbdarstellung des Polygons ändern, indem man auf das Palettensymbol ("Darstellung ändern") klickt und eine Farbe auswählt. Will man noch die Fläche des Polygons berechnen lassen, wählt man über den Menüpunkt "Funktionen" die Option "Fläche berechnen". In Kleingruppen analysieren die Schülerinnen und Schüler die Entwicklung in drei verschiedenen Gemeinden. Unter Zuhilfenahme einer Atlaskarte diskutieren die Lernenden die möglichen Folgen des Braunkohletagebaus für die Siedlungsgebiete. Die Arbeitsblätter 5a, 5b und 5c zeigen Zeitreihen in den Gemeinden Bedburg, Jüchen und Niederzier im rheinischen Braunkohlerevier (siehe Abbildung 7). Die Schülerinnen und Schüler können so die Veränderung der Siedlungsstruktur während der letzten Jahrzehnte nachvollziehen und sich mit den sozialen Folgen des Braunkohletagebaus auseinander setzen. Bevor die Schülerinnen und Schüler in die Diskussion starten bleibt zu klären, was mit den ehemaligen Abbauflächen passiert. Folie 7 zeigt eine Karte mit Betriebsflächen, Rekultivierungsflächen und Umsiedelungen.

Intelligente Geräte, ferngesteuerte Haustechnik: Ein Smart Home hilft, Energie zu sparen und kann lästige Alltagsaufgaben übernehmen. Doch was passiert mit den persönlichen Daten im "Internet der Dinge"? In dieser Unterrichtseinheit recherchieren die Schülerinnen und Schüler Chancen und Risiken des digitalen Wohnens, holen Expertenmeinungen ein und bereiten die Thematik als Erklärvideo auf.Auf dem Weg nach Hause schaltet sich die Heizung automatisch ein. Sie kommuniziert mit meinem Smartphone und weiß, wo ich gerade bin. Der Kühlschrank hat bereits Milch, Tomaten und Joghurt im Supermarkt bestellt, der Staubsaugerroboter dreht eine letzte Runde und surrt in den Schrank, der Fernseher sucht aus meinem Nutzerprofil ein Lieblingsprogramm im Netz heraus und plant die mediale Abendgestaltung. Willkommen im Zeitalter des digitalen Wohnens! Die vernetzte Haustechnik, die ferngesteuert per App organisiert werden kann, bietet zahlreiche Anwendungen für die Implementierung eines Smart Homes. Im Fokus der meisten Angebote stehen Regelmechanismen zur Energieeffizienz oder Einbruchsicherung sowie Komfortanwendungen mittels "intelligenter" Haushaltsgeräte. Dabei sammeln die Geräte Nutzungsdaten der Hausbewohner, schicken diese ins Netz und gleichen sie mit weiteren Informationen ab. Doch wie sieht es dabei mit dem Datenschutz und der Datensicherheit aus? Das soll in dieser Einheit differenziert beleuchtet werden. Problemstellung Das Smart Home ist auf dem Weg, einer der wichtigsten Anwendungsbereiche der Zukunfts-Ökonomie zu werden. In dieser "Industrie 4.0" oder dem "Internet der Dinge und Dienste" ist der Mensch nicht mehr die einzige Schnittstelle zwischen digitaler und realer Welt. Im IoT (Internet of Things) kommunizieren die Geräte untereinander über vernetzte Schnittstellen und treffen auch selbstständige Entscheidungen. Dabei werden riesige, zum Teil auch sehr intime, Datenmengen aus dem privaten Wohnumfeld ins Netz geladen, um Persönlichkeits- und Kundenprofile zu berechnen. Was dort in der Informationswolke mit den Daten exakt passiert, weiß niemand wirklich. Fest steht, dass grundlegende Fragen zum Datenschutz, zur informellen Selbstbestimmung oder der Spam- und Hackersicherheit nicht geklärt sind. Konsumenten sollten trotz des Komforts, den eine vernetzte Haustechnik mit ihren Gesichts-, Gesten- und Stimmerkennungsprogrammen verspricht, auch mögliche Gefahren einer solchen Technologie beurteilen können. Einordnung des Themas Neben Fragen der informellen Selbstbestimmung sind auch die Auswirkungen des digitales Wohnens auf den Menschen Thema dieser Unterrichtseinheit. Indem Geräte untereinander kommunizieren und teils selbstständig agieren und Angebote offerieren, ist der Mensch nicht mehr der alleinige Vermittler zwischen digitaler und analoger Welt. Die Geräte nehmen Entscheidungen ab, filtern Informationen, schaffen eine Wohlfühlatmosphäre und können so emotional manipulieren. Ob die Technik sich hierbei an die Bedürfnisse des Menschen oder der Mensch sich an die Technik anpasst, bleibt dabei offen. Bezug zur Lebenswelt Indem die Schülerinnen und Schüler eine SWOT-Analyse zum digitalen Wohnen erstellen, können Sie Chancen und Risiken durch das "Internet der Dinge" an konkreten Beispielen des digitalen Wohnens durchdenken und für sich selbst Entscheidungen für den Umgang mit diesen Technologien treffen. Dabei nehmen sie sowohl die Perspektive des Konsumenten als auch die des Produzenten ein. Sie schätzen dabei ab, inwiefern technische Innovationen einen wirklichen Nutzen versprechen und werden für die Notwendigkeit einer gründlichen Gefährdungsanalyse bei der Umsetzung von Zukunftstechnologien sensibilisiert. Darüber hinaus setzen sich die Lernenden selbstreflexiv damit auseinander, inwiefern das digitale Leben ihre Persönlichkeit, ob bereichernd oder manipulierend, beeinflusst. Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Vernetzte Haustechnik" Der Ablauf der Unterrichtseinheit "Vernetzte Haustechnik: Chancen und Risiken" wird hier Schritt für Schritt erläutert. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler gewinnen einen Überblick über die Inhalte, Ziele und Anwendungsmöglichkeiten von Innovationen in der Informationstechnologie im Wohnbereich. sind in der Lage, Kernbegriffe dieser Entwicklung zu erläutern, wie "Smart Home", "Internet der Dinge" ("IoT/Internet of Things"), "Big Data", "Industrial Internet", "Industrie 4.0", "Cloud Computing" oder "Data Mining". haben sich mit Chancen und Risiken von Zukunftstechnologien befasst und können auf dieser Basis Nutzen und Gefahren unterschiedlicher Anwendungen bewerten. erörtern die gesellschaftspolitische Relevanz dieser Entwicklungen im Hinblick auf die informelle Selbstbestimmung, das Recht auf Privatsphäre und den Datenschutz. haben Expertenmeinungen zum Thema eingeholt und überblicken die wichtigsten Argumente für und gegen den Einsatz digitaler Steuerungstechnologie im Wohnbereich. nutzen eine SWOT (Stärken-Schwächen-Chancen-Risiken)-Analyse als Instrument für eine Positions- und Bewertungsgrundlage. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, im Internet und in sozialen Netzwerken Fachinformationen und qualifizierte Expertenmeinungen zu recherchieren. setzen sich quellenkritisch mit Informationen aus dem Netz auseinander. präsentieren ihre Arbeitsergebnisse in Form eines Erklärvideos, wobei sie mithilfe der Technik des Storytelling komplexe Sachverhalte aufs Wesentliche reduzieren und prägnant und allgemeinverständlich aufbereiten. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in themenbezogenen Gruppen und organisieren die einzelnen Arbeitsschritte eigenständig im Team. sind in der Lage, komplexe Materialsammlungen zu ordnen und zielgruppengerecht aufzuarbeiten. können die Arbeitsergebnisse selbstreflexiv auf das eigene Lebensumfeld beziehen. kommunizieren mit Fachleuten und Experten, um kompetente Standpunkte für ein komplexes Thema einzuholen. Einstiegsvideos und Brainstorming Die Schülerinnen und Schüler erfahren in den Einstiegsvideos, welche technischen Anwendungen in einem Smart Home implementiert werden können und werden mit ersten Aspekten von Chancen und Risiken dieser Technologien konfrontiert. Hieran schließt sich ein Brainstorming an, in dem weitere Beispiele für solche Anwendungen gesucht werden. Auch Pro- und Kontra-Argumente dürfen an dieser Stelle bereits aufgeführt werden. Die Ergebnisse dieser Unterrichtsphase sollten schriftlich fixiert werden (Tafel, Beamer, Whiteboard), da sie als Grundlage für die Gruppenbildung herangezogen werden können. Vorbereitungen Zunächst wird den Lernenden die SWOT-Tabelle als Analyse-Instrument vorgestellt. Diese hilft ihnen, während der Internet-Recherche die einzelnen Aspekte unter den Gesichtspunkten Stärken - Schwächen - Chancen - Risiken zu strukturieren und zu bewerten. Anschließend werden Gruppen gebildet. Hierdurch können je nach Interessenslage nach der Einstiegsphase einzelne Aspekte eines Smart Homes für die Bearbeitung herausgegriffen werden. Energieeffizienz im Wohnbereich durch digitale Steuerung der Heizungs- und Lichtsysteme Sicherheitsoptimierung im Smart Home (ferngesteuerte Alarmanlagen, Rauch- beziehungsweise Schadstoffmelder, Bewegungsmelder, Überwachungselektronik, Tür-/Fenster-Sensoren, Anwesenheitssimulationen et cetera) vernetzte Multimedia-Geräte, Unterhaltungselektronik "intelligente" Haushaltsgeräte (Waschmaschine, Kühlschrank, Roboter, Kaffeemaschine et cetera) digitales Wohnen und Lebenshilfe (Senioren, Menschen mit Behinderung et cetera) Datenschutz, informelle Selbstbestimmung, "Big Data" IT-Sicherheit (Spam, Hacker-Angriffe, Virenschutz, Updates, Passwortsicherheit et cetera) Persönliche Folgen des digitalen Wohnens (Hilfe im Alltag, Informationsfilterung, emotionale Manipulation, Kontrollverlust, Zeitersparnis und Komfort, Spaßfaktor, Imagegewinn, finanzieller Aufwand, Zeitaufwand durch Einrichtung, Bedienung, Wartung et cetera) Internetrecherche Die Schülerinnen und Schüler sollten sich darüber bewusst sein, dass sie bei der Internetrecherche auf werbende Inhalte stoßen werden. Daher ist es wichtig, neben Informationen von Anbietern dieser Technologien auch Artikel von unabhängigen journalistischen Medien einzubeziehen, um unterschiedliche Informationsquellen zu nutzen. Ein wichtiges Instrument hierzu ist eine Recherche und Befragung von Expertinnen und Experten, nach denen die Gruppen im Internet und insbesondere in den sozialen Netzwerken suchen. Die Lernenden wechseln hierbei von der rein rezeptiven, passiven Informationsbeschaffung in die aktive, investigative Recherche und suchen gezielt nach Ansprechpartnerinnen und Ansprechpartnern und schreiben diese auch an. Ergebnissicherung Wenn die Schülerinnen und Schüler in der Recherchephase Expertinnen und Experten befragt haben, sollten Sie vor der Ergebnissicherung genügend Zeit für Rückantworten einplanen. Sind die Experten-Antworten eingegangen, erstellen die Lernenden aus allen gewonnenen Informationen eine ausführliche SWOT-Tabelle, die die ermittelten Argumente, Standpunkte und weiteren Aspekte zum digitalen Wohnen in Stärken und Schwächen, Chancen und Risiken einteilt. Diese Analyse dient als Vorlage für die weiteren Arbeitsschritte. Umsetzung des Erklärvideos Die Schülerinnen und Schüler erstellen für ihr Gruppenthema eine Verbraucherinformation für Menschen, die sich für Smart-Home-Technologien interessieren. Hierfür nutzen sie ein besonderes Video-Erklärformat, ähnlich wie es explainity oder simpleshow einsetzen. Darin verarbeiten sie komprimiert und prägnant die gewonnenen Arbeitsergebnisse aus der Recherche und ihrer SWOT-Analyse. Sie erstellen ein Storyboard und einen Sprechertext und zeichnen hierzu passende Skizzen und Symbole auf Papier. Die Präsentation kann zunächst offline auf einem Tisch erfolgen. Anschließend filmen die Lernenden das Erklärvideo per Videokamera oder Smartphone. Präsentation Die Schülerinnen und Schüler betrachten die Videoclips der Gruppen im Plenum. Darauf folgt eine Feedbackrunde. Die Filme können anschließend auf eine Videoplattform hochgeladen werden.

In dieser Unterrichtseinheit zu Raumnutzungskonflikten bei Windenergieanlagen schlüpfen die Lernenden in die Rolle einer Raumplanungsbehörde und schlagen einen "optimalen" Standort für Windkraftanlagen in der Gemarkung Simmersfeld–Seewald/Besenfeld im Nordschwarzwald vor.Der Ausbau erneuerbarer Energien stößt bei den Bundesbürgerinnen und -bürgern auf breites Interesse. Etwa 80 Prozent der Bevölkerung sehen es als sehr wichtig oder sogar außerordentlich wichtig an, die erneuerbaren Energien stärker zu nutzen und auszubauen. Allerdings stellt es sich häufig als herausfordernde Aufgabe dar, geeignete Standorte für die Produktion regenerativer Energien zu finden, da viele unterschiedliche Interessen und Anforderungen zu berücksichtigen sind. Diesen Prozess einer Standortwahl können die Schülerinnen und Schüler mithilfe eines WebGIS nachvollziehen und die Ergebnisse anhand der gewählten Kriterien begründen.Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten den Standortfindungsprozess für einen Windpark mithilfe eines Geographischen Informationssystems und analysieren die raumwirksamen Ausschlusskriterien. Das beigefügte Arbeitsblatt gibt detaillierte Hinweise zur Vorgehensweise. "Raumnutzung bei Windenergieanlagen": technische Hinweise Auf dieser Seite erhalten Sie wissenswerte Hinweise, bevor Sie und Ihre Schülerinnen und Schüler im Unterricht mit dem WebGIS-Modul starten. Unterrichtsverlauf "Raumnutzung bei Windenergieanlagen" Hier finden Sie Informationen zum Ablauf der Unterrichtseinheit "Raumnutzung bei Windenergieanlagen". Die Arbeitsschritte bei der Standortplanung werden zunächst an der Tafel und anschließend am Computer mithilfe des WebGIS durchgeführt. Die Schülerinnen und Schüler analysieren und bewerten Möglichkeiten der Energienutzung. verstehen und bewerten Perspektiven der Energieversorgung der Zukunft. analysieren bedingende und auslösende Faktoren eines raumwirksamen Problems in ihrer Wechselwirkung erarbeiten und Lösungsansätze für ein konkretes Planungsbeispiel. übertragen auf kommunaler Ebene die Leitideen der Agenda 21 auf ein konkretes Planungsbeispiel. Dieses WebGIS-Projekt läuft nicht mit dem Internet-Explorer! Verwenden Sie einen der folgenden Browser: Mozilla FireFox, Google Chrome, Apple Safari oder Opera. GeoPortal des LMZ Baden-Württemberg: Windparkprojekt Über diesen Link wird das Projekt "Windpark" auf der Oberfläche des GeoPortals des Landesmedienzentrums Baden-Württemberg gestartet. Symbolleiste Es wird empfohlen, dass die Schülerinnen und Schüler sich mit den Buttons in der Symbolleiste in den ersten fünf Minuten des Unterrichts vertraut machen. Von Bedeutung sind vor allem die sichere Handhabung des Zeichnens und des Löschens von Polygonen sowie des Speicherns des Projekts, wenn der Unterrichtsverlauf eine Unterbrechung verlangt. In der oberen Leiste über dem Kartenfenster stehen Werkzeuge zur Verfügung. Digitalisieren von Polygonen Zeichnen mit der Maus nennt man Digitalisieren. Es entstehen hierbei Vektorgrafiken. Dazu muss man das Werkzeug zum Zeichnen eines Polygons anklicken. Per linkem Mausklick werden die jeweiligen Eckpunkte des Polygons festgelegt. Per Doppelklick wird das Polygon fertiggestellt beziehungsweise die Zeichnung beendet und das Polygon geschlossen. Korrektur von Polygonen Wurde ein Eckpunkt falsch gesetzt, kann nachträglich das fertige Polygon bearbeitet werden, auch einzelne Korrekturen sind möglich: Dazu einfach den "Verändern"-Button anklicken, und einmal auf das zu verändernde Polygon klicken. Nun sind alle Eckpunkte durch Punktsymbole hervorgehoben, und die nachfolgend aufgeführten Funktionen können durchgeführt werden: Eckpunkt verschieben, löschen oder hinzufügen. Eckpunkt verschieben Ein einzelner Eckpunkt lässt sich mit gedrückter linker Maustaste an die gewünschte Position verschieben. Eckpunkt löschen Mit dem Mauszeiger über einen Eckpunkt fahren, bis über ihm gekreuzte Pfeile erscheinen und die Taste drücken. Eckpunkt hinzufügen Man fährt mit dem Mauszeiger auf die gewünschte Position des neuen Eckpunkts auf einer Linie, bis gekreuzte Pfeile erscheinen. Durch einen Linksklick wird einer neuer Punkt erzeugt. Der neue Eckpunkt kann verschoben werden, siehe oben. Alle Polygone zugleich löschen Durch Anklicken des Buttons, der an ein "Einfahrt verboten"-Verkehrsschild erinnert (roter Kreis mit waagerechtem weißen Balken) lassen sich alle Objekte auf einmal löschen. Projekt speichern Wenn der Unterrichtsverlauf die Unterbrechung der Arbeit verlangt, kann das Projekt gespeichert werden. Dazu den "Speichern"-Button anklicken (Diskettensymbol) und das Verzeichnis wählen, auf das die Lernenden in der nächsten Stunde Zugriff haben. Es wird empfohlen, den vom System gewählten Namen der Projektdatei "Project.gbw" umzubenennen. Projekt öffnen WebGIS starten im Browser Mozilla FireFox oder Google Chrome, Safari, Opera mit der URL gis.lmz-bw.de/windpark/ . "Öffnen"-Button anklicken, die Einstellungen und Verortung des Projekts werden entsprechend wieder hergestellt. An einem realen Beispiel erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in aufeinander folgenden Schritten, welche Kriterien bei der Standortwahl zu berücksichtigen sind. Sie beschäftigen sich mit den Wechselwirkungen, die mit den verschiedenen Ansprüchen an bestimmte Flächen verbunden sind, und entwickeln Lösungsansätze. Einstieg: Raumnutzungskonflikte Als Einstieg in die Thematik können Nachrichtenmeldungen dienen. Anhand dieser Meldungen sammeln die Lernenden, welche Raumnutzungskonflikte bei der Planung des Windparks aufgetreten sind. Problematisierung Nun sollen die Schülerinnen und Schüler in die Rolle einer Planungsbehörde schlüpfen und nach Abwägen der Anforderungen an den Standort einen Vorschlag für einen Windpark für die Gemarkung Simmersfeld-Seewald/Besenfeld erarbeiten. Erarbeitung an der Tafel An der Tafel werden zunächst die Standortanforderungen für Windkraftanlagen gesammelt. Anschließend werden die Flächen gesucht, die nicht geeignet für die Errichtung von Windrädern sind und daher ausscheiden (beispielsweise Siedlungen, Schutzgebiete). Im nächsten Schritt nutzen die Lernenden den Computer als Entscheidungshilfe, um geeignete Flächen für die Standortplanung zu visualisieren. Erarbeitung am Computer Standortplanung Mithilfe des WebGIS führen die Schülerinnen und Schüler nun eine Standortplanung für den Untersuchungsraum durch. Orientieren Zunächst starten die Schülerinnen und Schüler das WebGIS-Modul "Ein Standort für einen Windpark". Als erstes erscheint im Kartenfenster eine topographische Karte und links die Legende, in der einzelne Themen sichtbar oder unsichtbar geschaltet werden können. Mithilfe der Ortssuche (Suchfenster unterhalb der Legende) ist die Eingabe des gewünschten Ortsnamens möglich, auf den die Karte dann zentriert wird. In diesem Unterrichtsbeispiel wird der Ortsname "Simmersfeld" eingegeben. Ausschlusskriterien bearbeiten Hierbei wird der Kartenausschnitt schrittweise eingegrenzt, indem Flächen, die für Windkraftanlagen ungeeignet sind, farbig hervorgehoben werden. Als erstes wird in der Legende das Feld "Schutzgebiete" durch ein Häkchen aktiviert und damit sichtbar. Weitere Einschränkungen ergeben sich durch Siedlungen und rundherum erforderliche Pufferzonen als Abstandsflächen. Die Siedlungsflächen werden per Mausklick mit der Polygonfunktion eingezeichnet. Anschließend kann mit dem Pufferwerkzeug experimentiert werden, indem verschieden breite Pufferzonen um die Siedlungen gelegt werden. Bei einer 1000m-Pufferzone ist die verbleibende Fläche für einen Windpark schon erheblich reduziert. Anforderungen bearbeiten Die noch übrigen Flächen müssen nun hinsichtlich der Standortanforderungen, die ein Windpark stellt, genauer betrachtet werden. Dazu analysieren die Schülerinnen und Schüler die Relief-Situation zunächst durch Anklicken des Themas "Schummerung" in der Legende. Hierbei werden Höhenrücken als geeignete Flächen bereits gut erkennbar. Mithilfe des Werkzeugs "Profil zeichnen" können die Lernenden einen Geländeschnitt anzeigen lassen, um so geeignete Flächen zu identifizieren. Schließlich sollen noch die Windgeschwindigkeiten berücksichtigt werden, indem die dargestellten Windrosen untersucht werden (dazu das Häkchen beim Thema "Windrose" aktivieren).

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler Wissenswertes zum Thema Fasching/Fastnacht/Karneval. Sie sammeln Informationen im Internet und basteln Faschingskisten für Klassenkameraden und/oder gestalten zuhause ein Faschingsfenster. Außerdem können sie ihr Wissen in interaktiven Übungen erweitern und festigen. Fasching, Fastnacht, Karneval – die Namen können regional unterschiedlich sein, ebenso wie die dortigen Traditionen und Bräuche, zum Beispiel Umzüge und politische Büttenreden. Der Ursprung des Wortes Karneval liegt vermutlich im Lateinischen "carne levare" und bezieht sich auf die "Wegnahme des Fleisches". Während der "fünften Jahreszeit" wird vor der vierzigtägigen Fastenzeit ausgelassen gefeiert, den Höhepunkt bildet das Wochenende und der Rosenmontag vor Aschermittwoch. Unter "normalen" Bedingungen spielt diese Zeit für Kinder oft eine große Rolle: Sie kommen kostümiert in die Schule, Klassenzimmer und Pausenhalle sind mit Girlanden und Luftschlangen bunt geschmückt, statt Unterricht wird gespielt und getanzt, gemeinsam rezitiert man Narrensprüche und singt Fastnachtslieder. In manchen Regionen besetzen die Narren die Schule, nehmen die Lehrkräfte "gefangen" und "befreien" die Schülerinnen und Schüler. Auch wenn Schulschließungen das lustige Treiben in und außerhalb der Schule unmöglich machen und man Masken momentan weniger mit Feiern als viel mehr mit Schutzmaßnahmen in der Pandemie verbindet, kann man die närrischen Tage trotz Distanzunterricht gebührend feiern und sich mit den Traditionen und Bräuchen dieser Zeit auseinandersetzen. Als Ergänzung zur vorliegenden Unterrichtseinheit bieten sich diese interaktiven Übungen an. Das Thema Fasching im Unterricht Der Unterrichtsvorschlag kann zwar das Faschingserlebnis in der Schule nicht ersetzen, eröffnet aber analoge und digitale Möglichkeiten, sich mit Traditionen auseinanderzusetzen und den Spaß an der fünften Jahreszeit miteinander zu teilen. Vorkenntnisse und Vorbereitung Die Lernenden brauchen einen Zugang zum Internet und müssen sich mit digitaler Kommunikation auskennen. Bastelmaterial, Schreibpapier, Kleber, ein Karton oder eine Kiste und einige Faschingsartikel sollten ebenfalls vorhanden sein. Didaktische Analyse Die Schülerinnen und Schüler knüpfen beim Thema Fasching an eigene Erfahrungen an. Sie aktivieren und erweitern ihr Sach- und Sprachwissen über Faschingsbrauchtum. Mit zwei projektartigen Gestaltungsaufgaben werden Gemeinschaftserlebnisse trotz Distanzunterricht angestoßen. Methodische Analyse Begleitende Arbeitsblätter strukturieren den Arbeitsprozess. Der kommunikative Austausch über die Ergebnisse kann auch in Videokonferenzen stattfinden. Drei interaktive Übungen können ergänzend eingesetzt werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erweitern Wortschatz und Wissen zum Thema Fasching, Fastnacht, Karneval. verarbeiten kognitiv und gestaltend Informationen. schreiben einen Text über Brauchtum in ihrer Heimat. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen das Internet zur Information. unternehmen virtuelle Museumsbesuche. kommunizieren in Videokonferenzen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler tauschen ihre Erkenntnisse aus. bewältigen Gestaltungsaufgabe für andere.

Diese Unterrichtsreihe stellt Berufsschulen Materialien zur Verfügung, die eine Einführung in die Mikrocontroller-Programmierung am Beispiel des Arduino ermöglichen. Dabei kann gänzlich auf Hardware verzichtet werden, denn die Simulation bietet eine vollständige und leicht bedienbare Virtualisierung. Der Beitrag entstand im Rahmen des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Projekts "Berufsschule digital". Der Arduino ist ein Mikrocontroller und Open Source-Projekt von Massimo Banzai und David Cuartielles aus dem Jahr 2005. Hard- und Software sind im Internet unter einer Creative-Commons-Lizenz frei verfügbar. Ein Mikrocontroller besteht aus einem Prozessor und verschiedenen Peripherie-Elementen. In vielen Haushaltsgeräten oder Maschinen werden Mikrocontroller für zahlreiche Aufgaben eingesetzt. So findet man diese in Waschmaschinen, Fernsehgeräten, Fernbedienungen, Druckern, aber auch in Fahrzeugen, zum Beispiel für die Steuerung von Fensterhebern, Airbags oder Klimaanlagen. Dieses Unterrichtsmaterial für die Berufsschulfächer Elektrotechnik und Metalltechnik umfasst eine Einführung für die Lehrkraft sowie die Schülerinnen und Schüler in Form einer PowerPoint-Präsentation. Vorbereitet sind sieben Unterrichtseinheiten , für die lediglich pro Schülerin oder Schüler ein Computer mit Internetverbindung benötigt wird. Die Programmier-Aufgaben lassen sich komplett am Bildschirm bearbeiten. Die Unterrichtseinheiten orientieren sich an einem Pkw, der mit Sensoren und Programmen in seinen Funktionen erweitert wird , zum Beispiel durch ein automatisches Abblendlicht, einen Parksensor und eine automatische Abstandsregelung. Vorkenntnisse Die Lernenden benötigen keine Vorkenntnisse in Programmierung. Sie sollten aber über grundlegende Computerkenntnisse verfügen. Didaktische Analyse Das Thema Programmieren ist generell von Relevanz für alle Schülerinnen und Schüler, denn die Digitalisierung bringt immer mehr Automatisierung und Künstliche Intelligenz (KI) in den Alltag der Menschen. Die Schülerinnen und Schüler von heute sollten im Hinblick auf ihre Zukunft grundlegende Zusammenhänge der Programmierung kennen, um die Möglichkeiten aber auch Beschränkungen von Software zu erfassen. Heutiges Programmieren findet kaum noch auf einem leeren Blatt Papier statt. Programmcode wird heute aus dem Internet geladen, analysiert, wiederverwendet und abgeändert. Wichtig ist es, wiederverwendeten Programmcode vollständig verstanden zu haben, um ihn für eigene Projekte zu benutzen. Die Lehrkraft sollte die Schülerinnen und Schüler zu dieser Vorgehensweise anhalten. Mithilfe einer detaillierten Kommentierung des Programmcodes kann sichergestellt werden, dass bei den Lernenden das notwendige Verständnis vorhanden ist. Methodische Analyse Die Lerneinheiten sowie die Lösungen sind auf tinkercad.com vorbereitet und werden auch dort von den Lernenden bearbeitet. Die Lehrkraft kann die Schülerinnen und Schüler bei TinkerCAD als Klasse einladen oder Einzel-Accounts durch die Schülerinnen und Schüler erstellen lassen, die dann auch zuhause genutzt werden können. Weiterhin ist es möglich, die Aufgaben mit realen Bauteilen und Mikrocontrollern zu bearbeiten, weil sowohl Programmier-Code als auch Hardware identisch in der Simulation abgebildet werden. Entsprechende Hardware-Sets sind kostengünstig frei erhältlich. Für Schülerinnen und Schüler mit Vorkenntnissen enthält jede Unterrichtseinheit eine Aufgabe für "Profis". Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen grundlegende Programmier-Techniken kennen. lernen einen Mikrocontroller (Arduino) kennen. nutzen eine Virtualisierung für Programmierzwecke (tinkercad.com). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge für die Lösung alltäglicher Aufgaben mithilfe von Elektronik. erkennen Algorithmen und ändern diese für die Lösung der Aufgaben ab. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen selbstorganisiert mit vorbereitetem Material. unterstützen sich gegebenenfalls in Partnerarbeit bei der Lösung der Aufgaben.

In dieser Unterrichtseinheit berechnen die Lernenden mit digitalen Hilfsmitteln die Wahrscheinlichkeit für den Achtelfinaleinzug von Deutschland bei der Fußballweltmeisterschaft 2022 mithilfe von Sportwetten. Das Ziel des Materials ist es, die Aufgabe mithilfe von Modellierungstätigkeiten zu lösen und dadurch die Kompetenz des mathematischen Modellierens zu stärken.In dieser Unterrichtseinheit wird die Wahrscheinlichkeit eines Achtelfinaleinzugs von Deutschland bei der Fußball-WM 2022 in Katar bestimmt. Als Ansatzpunkte werden dazu die Wettquoten von Sportwettenanbietern verwendet. Es handelt sich um eine Modellierungsaufgabe, bei der die Schülerinnen und Schüler im Laufe der Unterrichtseinheit die verschiedenen Teilschritte des mathematischen Modellierens durchlaufen. Die Lernenden werden schrittweise durch die Aufgabe geführt und erarbeiten sich damit Stück für Stück die Lösung der Aufgabe selbstständig. Unterstützt werden sie dabei von einer digitalen Lernumgebung, die Informationstexte, Aufgabenstellungen und Zusatzmaterialien wie GeoGebra-Simulationen und Vorlagen für Tabellenkalkulationen enthält. Zusätzlich erhalten die Lernenden ein Aufgabenheft, in dem sie die Aufgaben schriftlich bearbeiten können. Im Laufe der Unterrichtseinheit wird die Ausgangssituation der Aufgabenstellung zunächst analysiert, vereinfacht und anschließend in das mathematische Modell eines zweistufigen Zufallsexperiments übersetzt. Danach werden die beiden Stufen des Zufallsexperiments getrennt voneinander betrachtet und entsprechende mathematische Überlegungen angestellt. Ein entscheidender Aspekt der mathematischen Überlegungen ist die Übersetzung der Wettquoten in Wahrscheinlichkeiten, wobei im Zuge dessen Begriffe wie Pseudowahrscheinlichkeiten und gewinnbereinigte Wahrscheinlichkeiten eingeführt und voneinander abgegrenzt werden. Anschließend werden in mehreren Teilschritten unter Verwendung der ersten und zweiten Pfadregel und dem Satz über bedingte Wahrscheinlichkeiten schließlich die verschiedenen Probabilitäten berechnet, die schlussendlich zu der gesuchten Wahrscheinlichkeit des Achtelfinaleinzugs zusammengefasst werden. Zuletzt wird die Aufgabenlösung und damit das erstellte Modell durch den Vergleich mit der bei Sportwettenanbietern angegebenen Wettquote kritisch hinterfragt, was den Modellierungsprozess abschließt. Neben den bereits beschriebenen mathematischen Inhalten werden auch kombinatorische Überlegungen beim Aufstellen der Baumdiagramme angestellt sowie digitale Kompetenzen durch die Verwendung der Simulationen und Tabellenkalkulationen gestärkt. Ziel der Unterrichtseinheit ist es somit, die Modellierungskompetenz und die digitalen Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler zu stärken, wodurch wichtige Aspekte der Bildungsstandards aufgegriffen werden. Das Thema "Mathematisch modellieren" im Unterricht Mathematische Modellierungen erlangen im Kontext interdisziplinärer Aufgaben- und Fragestellungen zunehmende Bedeutung, da zur Beantwortung mathematischer Fragestellungen Realsituationen zunächst in entsprechende Modelle übersetzt werden müssen, bevor eine Aufgabenlösung erfolgen kann. In der vorgestellten Unterrichtseinheit kann die Modellierungskompetenz auf erhöhtem Niveau durch die Bearbeitung einer komplexen, realitätsnahen Aufgabenstellung gefördert werden. Dafür wurde die vorgestellte digitale Lernumgebung auf Grundlage von erprobten und in der Literatur beschriebenen Konzepten für Unterrichtsreihen und Projekttage erstellt, da durch diese der Modellierungsprozess bei Schülerinnen und Schülern schrittweise angeleitet werden kann. Didaktisch-methodische Analyse Durch die vorgestellte digitale Lernumgebung wird die Modellierungskompetenz von Schülerinnen und Schülern gefördert. Sie durchlaufen während der Bearbeitung der Aufgabenstellung die in den KMK-Bildungsstandards geforderten und beschriebenen Teilschritte der mathematischen Modellierung, wodurch die Kompetenz insgesamt gestärkt wird. Um den ebenfalls in den Bildungsstandards geforderten Aspekt der Digitalisierung aufzugreifen, werden in der digitalen Lernumgebung Simulationen und Tabellenkalkulationen verwendet. Die Simulationen helfen zusätzlich, die erarbeiteten Sachverhalte darzustellen und zu visualisieren. Insbesondere die schnelle und einfache Erstellung von Baumdiagrammen mithilfe von Schiebereglern stellt einen enormen Vorteil dar, da nicht die zeichnerische Umsetzung, sondern die Mathematik im Vordergrund steht. Die Verwendung der Tabellenkalkulationen zeigt den Lernenden Chancen von digitalen Programmen in Bezug auf Datensätze auf und erleichtert den Umgang mit diesen. Die vorgestellte und praktisch erprobte Modellierungsaufgabe behandelt Sportwetten als thematischen Schwerpunkt, da dieses Thema einen großen Alltagsbezug für die Lernenden aufweist. Durch die Präsenz des Themas bei Schülerinnen und Schülern steigt die Motivation der Bearbeitung, da die Relevanz der Fragestellung deutlich wird. Dies wurde bei mehreren Durchführungen mit Lernenden im Rahmen des Mathematik-Labors, einem außerschulischen Lernort, beobachtet. Hier bearbeiteten Schülerinnen und Schüler im Rahmen von Workshops und Modellierungstagen erfolgreich die vorgestellte Modellierungsaufgabe. Methodisch wurde eine digitale Lernumgebung erstellt, welche die Lernenden selbstständig zu Hause oder bei entsprechender technischer Ausstattung (Vorhandensein von genügend vielen digitalen Endgeräten) in der Schule verwenden können. Innerhalb der Lernumgebung liegen verschiedenen Kapitel vor, die schrittweise von den Lernenden bearbeitet werden können. Der Vorteil besteht darin, dass alle Schülerinnen und Schüler in ihrem eigenen Tempo arbeiten können und damit der Kompetenzaufbau sichergestellt wird. Zusätzlich werden über entsprechende PopUp-Fenster Hilfestellungen bereitgestellt. Insgesamt ist sowohl eine selbstständige als auch eine durch die Lehrkraft angeleitete Verwendung möglich. Die Bearbeitung der Aufgaben kann, je nach Unterrichtssetting und Ausstattung, entweder in Einzel- oder in Paararbeit erfolgen. Paararbeit hat den Vorteil, dass zusätzlich die Kommunikationskompetenz gestärkt wird. Außerdem kann sich die Einbringung unterschiedlicher Ideen positiv auf den Modellierungsprozess auswirken. Weiterhin ist auch eine Verwendung in der Schule oder zu Hause möglich, sodass die digitale Lernumgebung auch für virtuelle Unterrichtsformen verwendet werden kann. Vorkenntnisse von Lehrenden und Lernenden Bei der digitalen Lernumgebung handelt es sich um eine moodle-basierte Anwendung auf der kostenfreien und öffentlich zugänglichen Webseite "OpenWueCampus". Zur Bearbeitung der Lernumgebung können sich Lehrende und Lernende unter Verwendung eines Gastzugangs mit entsprechendem Passwort (MMS_Sportwetten!) in den zugehörigen Kurs einschreiben. Dort kann dann das Material bearbeitet werden, wobei keine speziellen Kenntnisse zur Bearbeitung notwendig sind. Die GeoGebra-Simulationen sind direkt in die Lernumgebung eingebunden und erfordern nur die Bedienung von Schiebereglern und Text-Werkzeugen. Bei der Bearbeitung der Tabellenkalkulation sind grundlegende Kenntnisse, wie die Rechnung mit Zellenbezügen hilfreich. Dies wird aber auch innerhalb der Lernumgebung nochmals erklärt. Insgesamt können Lehrkräfte die digitale Lernumgebung ohne Vorkenntnisse in den Unterricht einbauen, da alle Simulationen bereits vollständig eingebettet sind und nicht mehr angepasst werden müssen. Schülerinnen und Schüler benötigen technisch ebenfalls keine Vorkenntnisse. Inhaltlich wird die Kenntnis über Zufallsexperimente, Baumdiagramme, die Pfadregeln und die bedingte Wahrscheinlichkeit vorausgesetzt. In der digitalen Lernumgebung werden sowohl Vorlagen für Tabellenkalkulationen in GeoGebra als auch in Excel verwendet. Der Hintergrund dafür ist, dass für die komplexen Rechnungen und Verknüpfungen die grundlegenden Funktionen der GeoGebra-Tabellenkalkulation nicht ausreichen, weshalb dafür das umfangreichere Programm Excel verwendet wird. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen Damit für die Lernenden ein möglichst großer Lerngewinn und Kompetenzaufbau durch die Lernumgebung erfolgen kann, sollen Lehrende die digitale Lernumgebung als innovative Lehrmethode reflektiert in ihren Unterricht einbauen können. Dazu sollen digitale Endgeräte mit Internetzugang zur Verfügung stehen und die Lernumgebung vor Verwendung erprobt werden (3.1 Lehren). Wichtig zur erfolgreichen Implementierung der digitalen Lernumgebung in den Unterricht ist, dass sichergestellt wird, dass alle Lernenden Zugang zu den erforderlichen digitalen Endgeräten mit Internetzugang haben. Außerdem sollen die Schülerinnen und Schüler bei der Handhabung unterstützt werden, damit unterschiedliche Voraussetzungen und Vorkenntnisse kein Hindernis in der Benutzung der digitalen Endgeräte und der digitalen Lernumgebung darstellen. Beide Punkte sollen von Lehrenden sichergestellt werden (5.1 Zugang und Inklusion). Lehrende sollen die Differenzierungsmöglichkeiten, die in der digitalen Lernumgebung in Form von optionalen Hilfestellungen zur Verfügung gestellt werden, geeignet und zielführend in ihren Unterricht einbauen können (5.2 Differenzierung und Personalisierung). Weiterhin sollen Lehrende verschiedene Lernformen (kooperatives und selbstreguliertes Lernen) und Kompetenzerwerbsprozesse (Informations- und Medienkompetenz) der Lernenden, die durch die Lernumgebung initiiert werden, unterstützen und fördern. Dazu müssen sie die Schülerinnen und Schüler im Rahmen der Medienkompetenz unter anderem bei der Analyse und Verarbeitung von Datensätzen mit digitalen Hilfsmitteln wie Simulationen und Tabellenkalkulationsprogrammen unterstützen. Aus diesem Grund sollen auch Lehrende Kompetenzen in diesen Bereichen aufweisen (3.3 Kooperatives Lernen, 3.4 Selbstreguliertes Lernen, 6.1 Informations- und Medienkompetenz). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihre Modellierungskompetenz durch Bearbeitung der stochastischen Sportwetten-Modellierung. vertiefen ihre fachliche Kompetenz in den Bereichen der bedingten Wahrscheinlichkeiten, der Beschreibung von Zufallsexperimenten durch Baumdiagramme und der Berechnung von Wahrscheinlichkeiten mit Pfadregeln. interpretieren Sportwettenquoten unter mathematischen Gesichtspunkten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren und interpretieren den Datensatz der Sportwettenquoten vor dem Hintergrund der Notwendigkeit für die gegebene Aufgabenstellung. erkennen den Mehrwert der Verwendung von Tabellenkalkulationsprogrammen bei der Bearbeitung von Datensätzen. übersetzen ihre mathematischen Überlegungen in die bereitgestellten GeoGebra-Simulationen und nutzen die Simulationen zur Visualisierung von komplexen Inhalten. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler unterstützen sich bei der Bearbeitung der Aufgabenstellung gegenseitig. beschreiben ihr Vorgehen bei der Aufgabenlösung dem Partner oder der Partnerin und argumentieren hinsichtlich der Vereinfachung der Situation und der Plausibilität der Modellierung. dokumentieren Lösungen schriftlich und stellen sie verständlich dar. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler reflektieren das aufgestellte Modell und die daraus gewonnenen Ergebnisse kritisch. verwenden Daten und Informationen zur Aufgabenlösung zielgerichtet. erkennen den Nutzen von digitalen Medien bei der Visualisierung von und dem Umgang mit Datensätzen. lernen die mathematische Modellierung als Möglichkeit zur Bearbeitung interdisziplinärer Fragestellungen kennen. Literaturhinweise Die Materialien wurden auf Grundlage folgender Publikationen erstellt: Siller, H.-S., Maaß, J. (2009). Fußball EM mit Sportwetten. In: Brinkmann, A., Oldenburg, R. (Hrsg.). Materialien für einen realitätsbezogenen Mathematikunterricht 14 (S. 95–112), Franzbecker: Hildesheim. Maaß, J., Siller, H.-S. (2015). Wettbetrug – ein aktuelles und realitätsbezogenes Thema zum mathematischen Modellieren. In: Maaß, J., Siller, H.-S. (Hrsg.). Neue Materialien für einen realitätsbezogenen Mathematikunterricht 2, Realitätsbezüge im Mathematikunterricht (S. 79–85), Wiesbaden: Springer. DOI 10.1007/978-3-658-05003-0_1 Siller, H.-S.; Habeck, D.; Salih, A.; Fefler, W. (2015). Sportwetten und Großereignisse als Chance für den Mathematikunterricht. Praxis der Mathematik in der Schule, Nr. 66, 57. Jg. (Dezember 2015), S. 42–46. Habeck, D., Siller, H.-S. (2017). Die 3-Punkte-Regel bei Fußballturnieren mathematisch analysiert – oder: Warum es wahrscheinlicher ist die Hauptrunde mit 5 Punkten anstatt mit 6 Punkten zu erreichen. In: Stochastik in der Schule. Heft 3, S. 2–7. Siller, H.-S., Maaß, J. (2018). Fußball EM mit Sportwetten. In: Siller, H.-S., Greefrath, G., Blum, W. (Hrsg.): Neue Materialien für einen realitätsbezogenen Mathematikunterricht 4, Realitätsbezüge im Mathematikunterricht (S. 343–356), Wiesbaden: Springer. DOI 10.1007/978-3-658-17599-3_25