Hochrhein-Seminar. Regierungspräsidium Freiburg Abteilung 7 Schule und Bildung. Jahresbericht

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1 Hochrhein-Seminar für Mathematik und Naturwissenschaften Jahresbericht Regierungspräsidium Freiburg Abteilung 7 Schule und Bildung

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3 Hochrhein-Seminar für Mathematik und Naturwissenschaften Bericht der Seminarleitung Regierungspräsidium Freiburg Abteilung 7 Schule und Bildung

4 Grafik von Matthias Sochor, Hochrhein-Gymnasium Waldshut Redaktion: Lothar Senser, Hochrhein-Gymnasium Waldshut, Dr. Heike Reinshaus, Klettgau-Gymnasium Tiengen, Susanne Kiliani, ehemals Klettgau-Gymnasium Tiengen, Tamara Hallmann, Klettgau-Gymnasium Tiengen, Peter Vogt, Gewerbliche Schulen Waldshut, unter Mitarbeit der Leiterinnen und Leiter der Arbeitsgemeinschaften sowie von Seminarschülerinnen und -schülern. Herausgeber: Regierungspräsidium Freiburg Abteilung 7 Schule und Bildung Druck: Regierungspräsidium Freiburg Abteilung 7 Schule und Bildung

5 I Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Vorwort...1 Seminarbeschreibung...2 Kontaktdaten...3 Leitung des Seminars...3 Geschäftsstelle des Seminars und Kuratoriumsvorsitzender...3 Kontaktlehrer...3 Das Kuratorium...4 Das Hochrhein-Seminar im aktuellen Schuljahr...5 Statistik: Teilnehmerzahlen...7 Statistik: Arbeitsgemeinschaften und Schulen...8 Statistik der Teilnehmerzahlen in der Unter- und Mittelstufe...9 Statistik der Teilnehmerzahlen in der Oberstufe...10 Gesamtstatistik der Teilnehmerzahlen...11 Kalender der Unter- und Mittelstufe...12 Die Arbeitsgemeinschaften Unter- und Mittelstufe...14 Biologie/Chemie: Wir erforschen die Natur...15 Helena Riedmüller Realschule Jestetten...15 Chemie: Wir erforschen unsere Welt...17 Tobias Pfeifer - Klettgau-Gymnasium Tiengen...17 Informatik/Mathematik: Spaß am logischen Denken...20 Susanne Kintzi - Hochrheingymnasium Waldshut...20 Informatik: Einführung in die Robotik...24 Klaus Bollinger Hans-Thoma-Schule Laufenburg...24 Abschlussveranstaltung der Unter- und Mittelstufe am Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe November 2013: Bionikausstellung von Dr. Olga Speck Albert-Ludwigs-Universität Freiburg...32 Führung durch die Ausstellung in der Sedus-Stoll-Stiftung in Waldshut Dezember 2013: Dem Täter auf der Spur...35 Kriminaldirektor Bernhard Glaser Hochschule für Polizei Villingen-Schwenningen Januar 2014: Materialwissenschaften...37 Apl. Prof. Dr. Niedermayer - Paul Scherrer Institut Villigen März 2014: Physikalische Experimente...41 Prof. Dr. R. Allmendinger Hochschulcampus Tuttlingen der Hochschule Furtwangen Mai 2014: Exkursion der Unter- und Mittelstufe nach Basel...44 Kalenderübersicht der Oberstufe...46 Die Arbeitsgemeinschaften der Oberstufe...48 Biologie: Das geheimnisvolle Gehirn...49

6 Inhaltsverzeichnis II Dr. Heike Reinshaus - Klettgau Gymnasium Tiengen...49 Biologie: Biologie und Gesellschaft...51 U. Faller, Scheffelgymnasium Bad Säckingen...51 Chemie: Das Experiment zur Gewinnung neuer Erkenntnisse...54 Heidi Anger - Hochrheingymnasium Waldshut...54 Informatik/Robotik: Programmieren von Mikrocontrollern...57 Hubert Müller - Technisches Gymnasium Waldshut...57 Informatik: Programmieren mit C und Anwendungen zu Mathematik, Grafik und Datenbanken... Dipl.-Math. Techn. Michael Verderber - Technisches Gymnasium Waldshut...61 Mathematik und mehr...65 Jörg Rudolf, Hochrhein-Gymnasium Waldshut...65 Abschlussveranstaltung der Oberstufe am Biologie: Das geheimnisvolle Gehirn...69 Biologie: Biologie und Gesellschaft...70 Chemie: Das Experiment zur Gewinnung neuer Erkenntnisse...71 Informatik: Programmieren mit C++ und Anwendungen zu Mathematik, Grafik und Datenbanken...71 Informatik/Robotik: Programmieren von Mikrocontrollern...73 Mathematik und mehr...74 Vortragsreihe der Oberstufe Oktober 2013: Die Brennstoffzelle: Was ist der Stand der Technologie, wo drückt der Schuh?...77 Dr. Lorenz Gubler, Paul Scherrer Institut, Villigen Schweiz November 2013: Geschichte der Gehirnforschung...83 Prof. Dr. Robert-Benjamin Illing Universität Freiburg i. Br. Neurobiologisches Forschungslabor der Univ.-HNO-Klinik Dezember 2013: Nanotechnologie...86 apl. Prof. Dr. Johannes Boneberg - Universität Konstanz März 2014: Ultrakalte Atome - die kälteste Materie des Universums...90 Prof. Dr. Treutlein - Universität Basel... Studienfahrt Köln vom Programm...95 Übersichtskarte...96 Gesamtbericht Studienfahrt Köln Stadtführung WDR Medienwerkstadt... Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung...

7 III Inhaltsverzeichnis Bayer AG in Leverkusen... Baylab Plants Schülerlabor... Kabale und Liebe Schauspielhaus Köln Deutsches Luft-und Raumfahrtzentrum... Deutz AG- Motorenfabrik : Mathematikwochenende der Oberstufe Spannendes aus der Geometrie Verabschiedung von Frau Heidi Anger Teilnahme an Wettbewerben Informatik/Mathematik: Spaß am logischen Denken Susanne Kintzi Hochrheingymnasium Waldshut... Jugend forscht Chemie: Das Experiment zur Gewinnung neuer Erkenntnisse Heidi Anger - Hochrheingymnasium Waldshut... Jugend forscht, Regionalwettbewerb Mathematik und mehr Jörg Rudolf, Hochrhein-Gymnasium Waldshut Känguru-Wettbewerb Junge Rechentalente punkten... Landeswettbewerb Mathematik Bundeswettbewerb Mathematik Mathe-Adventskalender Bundeswettbewerb Informatik...116

8 Inhaltsverzeichnis IV

9 1 Vorwort Vorwort 30 Jahre ist es nun schon her, dass an den weiterführenden Schulen Baden-Württembergs das "Programm zur Förderung besonders befähigter Schülerinnen und Schüler" eingeführt wurde. Im Schuljahr 1997/98 schlossen sich diesem die Gymnasien des Landkreises Waldshut an mit der Einrichtung des "Hochrheinseminars für Mathematik und Naturwissenschaften". Für naturwissenschaftlich interessierte Schüler/innen bietet das Hochrheinseminar die Chance, sich intensiv mit Themen zu beschäftigen, die in dieser Tiefe und Vielfalt in den Lehrplänen nicht vorgesehen sind. Die Angebote gehen weit über das im Unterricht Übliche hinaus, sowohl thematisch, als auch in Form direkter Kontakte zu Hochschulen und Forschungseinrichtungen oder im Rahmen von Exkursionen zu innovativen Wirtschaftsunternehmen. Auf diese Weise hat das Hochrheinseminar bei zahlreichen Schüler/innen das tiefere Interesse an Mathematik und Naturwissenschaften geweckt und die spätere Studienwahl maßgeblich beeinflusst. Zudem bietet das Hochrheinseminar auch eine Plattform, auf der die allgemeinbildenden und die beruflichen Gymnasien des Landkreises Waldshut intensiv zusammenarbeiten. Das Hochrheinseminar ist zweifellos ein Gewinn für die Bildungslandschaft am Hochrhein. Eine Anregung sei mir zum Schluss erlaubt. Der Hochrhein hat ein deutsches und ein Schweizer Ufer. Was die Angebote, Institutionen und Dozenten betrifft, findet bereits eine intensive grenzüberschreitende Zusammenarbeit statt. Es wäre für die Hochrheinregion ein Gewinn, wenn es gelingen würde, zunehmend auch bei Schweizer Schülern Interesse am Angebot des Hochrheinseminars zu wecken und auf diese Weise auch grenzüberschreitende Kontakte zu fördern. Gebhard Kaiser Ehemaliger Schulleiter der Gewerblichen Schulen Waldshut

10 Seminarbeschreibung 2 Seminarbeschreibung Seit Beginn des Schuljahrs 1984/85 wird an den weiterführenden Schulen in Baden-Württemberg das "Programm zur Förderung besonders befähigter Schülerinnen und Schüler" durchgeführt. Im Rahmen dieses Programms hat die Abteilung "Schule und Bildung" des Regierungspräsidiums Freiburg zum Schuljahr 1997/98 für die Gymnasien des Landkreises Waldshut das "Hochrhein-Seminar für Mathematik und Naturwissenschaften" eingerichtet. Aufgabe des Seminars ist die Förderung besonders befähigter Schülerinnen und Schüler in Mathematik und Naturwissenschaften. Jeder Teilnehmer entscheidet sich für eine der angebotenen Arbeitsgemeinschaften mit besonderem Anspruchsniveau aus den Bereichen Mathematik, Physik, Technik, Chemie, Biologie oder Informatik. Gemeinsames Band für alle Seminarteilnehmer ist eine Veranstaltungsreihe mit Vorträgen. Dieses Angebot wird durch Studienfahrten und Wochenendseminare ergänzt und abgerundet. Die Teilnehmer des Seminars kommen in der Oberstufe von allen allgemein bildenden und beruflichen Gymnasien, in der Unter- und Mittelstufe auch von den Realschulen des Landkreises Waldshut. Träger des Hochrhein-Seminars sind das Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg, die Stadt Waldshut-Tiengen und der Landkreis Waldshut. Unterstützt wird das Seminar von der Sparkasse Hochrhein, weiteren Institutionen aus Industrie, Handel und Wirtschaft der Hochrhein-Region und von der Universität Konstanz. Ein Kuratorium begleitet die Arbeit des Seminars beratend. Dort sind vertreten: das Kultusministerium, das Regierungspräsidium Freiburg, die Stadt Waldshut-Tiengen, der Landkreis Waldshut, die Universität Konstanz, die Industrie- und Handelskammer Hochrhein-Bodensee, die Sparkasse Hochrhein, das Staatliche Schulamt Lörrach sowie die beteiligten Gymnasien.

11 3 Kontaktdaten Kontaktdaten Leitung des Seminars Dr. Heike Reinshaus Klettgau-Gymnasium Tiengen, Sudetenstr. 1, Tiengen Peter Vogt Technisches Gymnasium Waldshut, Friedrichstr. 22, Waldshut Geschäftsstelle des Seminars und Kuratoriumsvorsitzender Lothar Senser (Oberstudiendirektor) Hochrhein-Gymnasium Waldshut, Waldtorstraße 8, Waldshut-Tiengen Telefon: 07751/ , Fax 07751/ Homepage: Kontaktlehrer Ulf Faller Scheffel-Gymnasium, Untere Flüh 4, Bad Säckingen Tel.: 07761/ , Wiebke Pankratz Realschule Weihergasse 18, Jestetten Tel.: 07745/7790, Klaus Bollinger Hans-Thoma-Schule, Rappensteinstraße 14, Laufenburg Tel.: 07763/93980, Susanne Henning Fürstabt-Gerbert-Schule, Todtooserstraße 25, St.Blasien Tel.: 07672/939120, Gabriele Pfeifer Realschule, Sudetenstr. 9, Tiengen Tel.: 07741/ , Dr. Heike Reinshaus Klettgau-Gymnasium, Sudetenstr. 1, Tiengen Tel.: 07741/ , Jörg Rudolf Hochrhein-Gymnasium, Waldtorstr. 8, Waldshut Tel.: 07751/ ,

12 Das Kuratorium Das Kuratorium Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg Studiendirektorin Barbara Reinhard Regierungspräsidium Freiburg Abteilung Schule und Bildung Schulpräsident Rudolf Bosch Leitender Regierungsschuldirektor Thomas Steiner Stadt Waldshut-Tiengen Oberbürgermeister Martin Albers Landkreis Waldshut Landrat Tilman Bollacher Fakultät für Physik der Universität Konstanz Professor Dr. Thomas Dekorsy Dauphin interiors Peter Rau Sparkasse Hochrhein Peter Kaiser Allgemeinbildende Gymnasien Oberstudiendirektor Bernd Crößmann Oberstudiendirektor Carsten Hansen Oberstudiendirektor Lothar Senser Berufliche Gymnasien Oberstudiendirektor Gebhard Kaiser Staatliches Schulamt Lörrach Leitender Schulamtsdirektor Helmut Rüdlin Leitung des Hochrhein-Seminars Dr. Heike Reinshaus Studiendirektor Peter Vogt Vorsitzender: Oberstudiendirektor Lothar Senser Schriftführerin: Dr. Heike Reinshaus Kassenprüfer: Oberstudiendirektor Bernd Crößmann Oberstudiendirektor Carsten Hansen 4

13 5 Das Hochrhein-Seminar im aktuellen Schuljahr Das Hochrhein-Seminar im aktuellen Schuljahr Oberstufe In den Bereichen Mathematik, Biologie, Chemie und Informatik konnten in diesem Jahr 6 Arbeitsgemeinschaften für die Oberstufe angeboten werden. Gegenüber dem letzten Schuljahr sank die Zahl der Teilnehmer in der Oberstufe von 96 auf 83. Es nahmen dabei fast gleich viele Mädchen und Jungen teil. Die größte Teilnehmerzahl stellte dabei die Klassenstufe 10 mit 25 Schülern und Schülerinnen. Die ChemieAG hatte mit 25 Teilnehmern die höchste Teilnehmerzahl. Zum Vergleich die Teilnehmerzahlen der letzten Schuljahre: 2010/2011 waren von den 91 Teilnehmern 46 Mädchen und 2011/2012 waren von den 69 Teilnehmern 24 Mädchen und 2012/2013 waren von den 96 Teilnehmern 38 Mädchen und 2013/2014 waren von den 83 Teilnehmern 37 Mädchen und Jungen. Jungen. Jungen. Jungen. Unter- und Mittelstufe Die Arbeitsgemeinschaften für die Unter- und Mittelstufe bestehen seit Februar Die Schüler und Schülerinnen können durch ein Angebot der Realschulen und Gymnasien des Landkreises so auch in der Nähe des Wohnorts eine Arbeitsgemeinschaft finden. Im aktuellen Schuljahr wurden 5 Arbeitsgemeinschaften angeboten, davon konnten 4 Arbeitsgemeinschaften durchgeführt werden. Trotz des Beginns der Unter- und Mittelstufe erst nach den Herbstferien war das Interesse nicht größer als mit dem Beginn nach den Sommerferien. Insbesondere bei den neu beginnenden fünften Klassen kommt mit dem Schulwechsel sowieso schon viel Neues auf die Kinder zu, weshalb wohl sich nur wenige für ein zusätzliches Angebot entscheiden. So meldeten sich gegenüber 63 Schülerinnen und Schüler im letzten Schuljahr diesmal nur 46 an. Dabei sind nur etwa ein Drittel Mädchen. Zum Vergleich die Teilnehmerzahlen der letzten Schuljahre: 2011/2012 waren von den 82 Teilnehmern 38 Mädchen und 44 Jungen. 2012/2013 waren von den 63 Teilnehmern 23 Mädchen und 40 Jungen. 2013/2014 waren von den 46 Teilnehmern 10 Mädchen und 36 Jungen. Ziel des Angebots ist es, den hochmotivierten Schülerinnen und Schülern der weiterführenden Schulen ein ergänzendes Angebot im mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich anzubieten, das die Kinder und Jugendlichen an das wissenschaftliche Arbeiten heranführt und die Freude an Mathematik und den Naturwissenschaften fördert.

14 Das Hochrhein-Seminar im aktuellen Schuljahr 6 Schwerpunkte sind dabei: Die Teilnahme an verschiedenen mathematisch-naturwissenschaftlich-technischen Wettbewerben Forschen außerhalb des Schulalltags mit Gleichgesinnten Freie wissenschaftliche Forschungsarbeiten für interessierte Schüler Flexible Leistungssteigerung Problemlösendes Denken im Team Selbständiges Arbeiten Stärkung sozialer und kommunikativer Kompetenzen Enge Kooperation mit Experten der Hochschulen und Forschungsinstituten der Industrie Zielgruppenspezifische Projekte, um der Heterogenität der Kinder gerecht zu werden. Im Begleitprogramm wurde angeboten: eine Vortragsreihe über aktuelle naturwissenschaftliche Forschung mit Vorträgen, zu denen auswärtige Referenten eingeladen wurden für die Oberstufe ein Mathematik-Wochenende zusammen mit dem Freiburg-Seminar für die Oberstufe eine fünftägige Studienfahrt nach Köln. Wir danken allen, die in diesem Jahr zum Gelingen des Hochrhein-Seminars beigetragen haben. Insbesondere danken wir: den Mitgliedern des Kuratoriums für die Unterstützung unserer Arbeit Herrn Prof. Dr. Dekorsy für die Vermittlung von Referenten den Leitern der Arbeitsgemeinschaften für ihren engagierten Einsatz den Referenten unserer Vortragsreihe für die Einblicke in die aktuelle Forschung den Schulleitungen der beteiligten Realschulen und Gymnasien sowie den Kontaktlehrern an den Schulen für ihre Kooperation und Hilfe den Firmen und Forschungseinrichtungen, die wir bei Exkursionen und der Studienfahrt besichtigen konnten dem Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg, dem Landkreis Waldshut, der Stadt Waldshut-Tiengen und der Sparkasse Hochrhein für die großzügige finanzielle Unterstützung dem Regierungspräsidium Freiburg für den Druck dieses Jahresberichts.

15 7 Statistik: Teilnehmerzahlen Statistik: Teilnehmerzahlen SCHULJAHR TEILNEHMER männlich weiblich % weiblich AGs 1997/ / / / / / / / / / / / / / / Einführung des Angebots für die Unter- und Mittelstufe zum Februar / / / Teilnehmerzahl Teilnehmer % weiblich AGs Schuljahr

16 Statistik: Arbeitsgemeinschaften und Schulen Statistik: Arbeitsgemeinschaften und Schulen UM = Unter- und Mittelstufe: 4 Arbeitsgemeinschaften AGSchulThema der Arbeitsgemeinschaft Kürzel Kürzel BC-UM RS-Jest Biologie/Chemie: Wir erforschen die Natur C-UM Chemie: Wir erforschen unsere Welt KGT IR-UM RS-Lauf Informatik: Einführung in die Robotik MI-UM HGWT Mathematik/Informatik: Spaß am logischen Denken O = Oberstufe: 6 Arbeitsgemeinschaften AGSchulThema der Arbeitsgemeinschaft Kürzel Kürzel B-O KGT Biologie: Das geheimnisvolle Gehirn C-O HGWT Chemie: Theorie- Experimente- Erkenntnisse BG-O ScheffelG Biologie: "Biologie und Gesellschaft" IR-O TG Informatik/Robotik: Programmieren von Mikrocontrollern M-O HGWT Mathematik und mehr IC-O TG Informatik: Programmieren mit C++ und Anwendungen zu Mathematik, Grafik und Datenbanken Die Schülerinnen und Schüler kommen aus den folgenden Schulen: Schule Schulname und Schulort BK II Technisches Berufkolleg II/Gewerbliche Schulen Waldshut HGWT Hochrhein-Gymnasium Waldshut JLS Justus-von-Liebig-Schule Waldshut KGT Klettgau-Gymnasium Tiengen KSB Kolleg St. Blasien RS-StBl Realschule St. Blasien RS-Jest Realschule Jestetten RS-Lauf Realschule Laufenburg RS-Tien Realschule Tiengen RS-WT Realschule Waldshut ScheffelG Scheffel-Gymnasium Bad Säckingen SG Sozialwissenschaftliches Gymnasium Bad Säckingen TG Technisches Gymnasium/Gewerbliche Schulen Waldshut 8

17 9 Statistik der Teilnehmerzahlen in der Unter- und Mittelstufe Statistik der Teilnehmerzahlen in der Unter- und Mittelstufe Anmeldungen zu Beginn des Schuljahres: 49 Klassenstufen und Arbeitsgemeinschaften Klasse BC-UM C-UM I-UM MI-UM Summe Klassenstufen und Schulen Klasse HGWT KGT RS-Jest RS-Lauf RS-Tien Summe Klassenstufen nach Geschlecht m/w BC-UM C-UM I-UM m 7 7 w MI-UM Summe

18 Statistik der Teilnehmerzahlen in der Oberstufe 10 Statistik der Teilnehmerzahlen in der Oberstufe Anmeldungen zu Beginn des Schuljahres: 94 Klassenstufen und Arbeitsgemeinschaften Klasse B-O BG-O C-O IC-O IR-O M-O Summe JS1 4 JS Klassenstufen und Schulen Klasse BK II HGWT JLS KGT ScheffelG SG 83 TG Summe JS1 13 JS Klassenstufen nach Geschlecht m/w B-O BG-O C-O 2 6 IC-O 9 18 IR-O 1 1 M-O Summe m w

19 11 Gesamtstatistik der Teilnehmerzahlen Gesamtstatistik der Teilnehmerzahlen Klassenstufen und Arbeitsgemeinschaften Klasse B-O BG-O C-O IC-O IR-O M-O BC-UM C-UM I-UM MI-UM 2 Summe JS1 4 JS Klassenstufen und Schulen Klasse BK II HGWT JLS KGT 1 9 ScheffelG SG 9 TG RS-Jest RS-Lauf 16 RS-Tien Summe JS1 13 JS Klassenstufen nach Geschlecht m/w BG-O B-O C-O 2 11 IC-O 9 18 IR-O 1 1 M-O BC-UM 9 C-UM I-UM m w MI-UM Summe

20 Kalender der Unter- und Mittelstufe Kalender der Unter- und Mittelstufe Erstes Halbjahr 12

21 13 Kalender der Unter- und Mittelstufe Zweites Halbjahr

22 Die Arbeitsgemeinschaften Unter- und Mittelstufe 14 Die Arbeitsgemeinschaften Unter- und Mittelstufe Biologie/Chemie: Wir erforschen die Natur Biologie/Chemie: Wir erforschen die Natur Seite 15 Chemie: Wir erforschen unsere Welt Tobias Pfeifer - Klettgau-Gymnasium Tiengen Seite 17 Informatik/Mathematik: Spaß am logischen Denken Susanne Kintzi - Hochrheingymnasium Waldshut Seite 20 Informatik: Einführung in die Robotik Klaus Bollinger Hans-Thoma-Schule Laufenburg Seite 24

23 15 Biologie/Chemie: Wir erforschen die Natur Biologie/Chemie: Wir erforschen die Natur Helena Riedmüller Realschule Jestetten In Kleingruppen, aufbauend auf dem Vorwissen der Schülerinnen und Schüler, haben die Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Arbeitsgemeinschaft die Natur durch Experimente und Recherchen erforscht, entdeckt und erlebt. Dabei standen selbstständiges Handeln und entdeckendes Lernen im Vordergrund. Die Beobachtungen und gewonnenen Erkenntnisse wurden diskutiert und protokolliert. Es galt durch selbstständiges Forschen (z.b. durch genaues Beobachten, Ausprobieren ) naturwissenschaftliche Zusammenhänge zu entdecken und damit die Natur zu ergründen. Denn nur wer sich in der Natur zurechtfindet, kann sie auch schützen. Zu Beginn haben wir uns mit der Frage beschäftigt "Wer oder was ist eigentlich Natur?". Der Wald, das Meer, die Seen, die Tiere und Pflanzen, die auf unserer Erde leben, der Mensch und unzählige weitere Dinge gehören zur Natur. Viele dieser Teilgebiete haben wir in der darauffolgenden Zeit genauer erforscht. Los ging es mit dem Thema "Wasser ein spannendes Element!". Zunächst führten wir zwei Gewässeruntersuchungen durch. Diese beinhalteten sowohl chemisch-physikalische Untersuchungen wie z.b. Bestimmung des ph-wertes, der Wassertemperatur und -härte sowie Messung der Konzentration einiger chemischer Verbindungen. Sie sind wichtige Indikatoren für die Gewässerverschmutzung. Auch biologische Untersuchungen wurden durchgeführt. Die Teilnehmenden setzten sich mit der Frage auseinander, welche wirbellosen Tiere im Wasser leben. Es wurden überraschend viele Tierchen entdeckt, die teilweise mit bloßem Auge nur schwer zu erkennen waren. Über diese kleinen wirbellosen Tiere sie gelten als Zeigerorganismen kann die Wasserqualität ebenfalls beurteilt werden, weil sie nur unter ganz bestimmten Bedingungen leben können. Des Weiteren haben wir uns mit der Frage "Weshalb kann der Wasserläufer auf dem Wasser laufen?" auseinandergesetzt. Dieses Phänomen haben wir mit verschiedenen, sehr interessanten Versuchen erforscht. Außerdem haben wir Eiswürfel lediglich mithilfe von Salz und Schnur aus dem Wasser geangelt.

24 Biologie/Chemie: Wir erforschen die Natur 16 Anschließend haben wir uns mit dem komplexen Thema "Was ist Luft und was kann sie alles?" beschäftigt. Auch dazu wurden zahlreiche Experimente durchgeführt. Wir erforschten beispielsweise, ob Wasser oder Luft stärker ist, wie ein gekochtes, geschältes Ei in eine Glasflasche und auch wieder aus ihr heraus kommt, wessen Luftballonrakete am schnellsten ist und vieles mehr. Es war immer wieder sehr spannend, mit welchen teilweise unterschiedlichen Vorgehensweisen alle Schülerinnen und Schüler zum Ziel kamen. Diese wurden in Versuchsprotokollen festgehalten. Viel Spaß hatten wir auch bei der Erforschung des Waldes mit seinen Bewohnern. Wir haben uns zunächst mit dem Mikroskop beschäftigt, um dann später verschiedene Dinge mikroskopieren zu können. Bäume wurden unter die Lupe genommen, Ameisen sowie die Lebensweisen von Weinbergschnecken und Asseln wurden mithilfe von Versuchen erforscht und genau untersucht. Es war schön zu beobachten, mit welcher Begeisterung und Interesse die Schülerinnen und Schüler selbstständig die Natur auf vielfältige Weise erforscht haben und alltäglichen Phänomenen auf den Grund gegangen sind.

25 17 Chemie: Wir erforschen unsere Welt Chemie: Wir erforschen unsere Welt Tobias Pfeifer - Klettgau-Gymnasium Tiengen Ablauf unserer Forschungen: In diesem Schuljahr beschäftigte sich die Chemie-AG am KGT mit dem Thema "Feuer und Flamme". Wie bereits vor zwei Jahren wollte ich auch dieses Mal die Kerze als erstes Forschungsobjekt anbieten. Ich war gespannt, ob die diesjährige Chemie-AG bei ihren Forschungen einen ähnlichen Weg einschlagen würde wie die Chemie-AG vor zwei Jahren, oder ob sie hierbei Neuland betreten würde. Nachdem auch in diesem Schuljahr wieder ein mehrstündiges, kurzweiliges Kennenlernen der Laborgeräte und der notwendigen Sicherheitsvorkehrungen zu Beginn stattfand, starteten wir anschließend also mit der Kerze als Forschungsobjekt. Schnell zeigte sich, dass die Schüler zwar die gleichen Forschungsziele wie die frühere Chemie-AG festlegten (z.b. "Was braucht eine Kerze zum Brennen?"), dann aber an vielen Stellen völlig andere Versuche entwickelten. Während die frühere Chemie-AG beispielsweise zunächst entdeckte, dass Kerzenwachs alleine nicht brennt und dann später bemerkte, dass es bei starkem Erhitzen doch brennt, war es dieses Mal gerade umgekehrt: Die Schüler machten gleich am Anfang die überraschende Entdeckung, dass Kerzenwachs auch alleine brennt, wenn man es in einem Löffelspatel stark erhitzt. Schnell war die Hypothese entworfen, dass man das Wachs durch andere schmelzbare Stoffe ersetzen könne. Die überraschende Idee der Schüler: Lasst uns das Wachs der Kerze durch Seife ersetzen wir bauen eine Seifenkerze! Ich als Lehrer war überzeugt: Das kann nicht funktionieren, aber die Schüler belehrten mich eines Besseren! Die von den Schülern aus Seife geschnitzten und mit

26 Chemie: Wir erforschen unsere Welt 18 einem neuen Docht versehenen Kerzen brannten zunächst nicht, bis eine Schülergruppe entdeckte, dass man auch Seife im Spatel schmelzen kann. Sie goss die flüssige Seife über den Docht und siehe da die so präparierte Seifenkerze brannte zumindest eine halbe Minute. Nun war der Ehrgeiz der Schüler entfacht. Ideen wurden zwischen den Schülergruppen ausgetauscht und optimiert, bis schließlich eine Seifenkerze zu meiner Überraschung einige Minuten brannte (hier war ich mehr überrascht als meine Schüler!). Die Schüler zogen daraus zwei Schlussfolgerungen: 1. Der Docht alleine brennt nicht, aber zusammen mit Wachs / Seife brennt er. 2. Der Brennstoff Wachs / Seife muss schmelzen, um zu brennen. Die Seifenkerze brannte also nicht gut, weil Seife nicht so gut schmilzt wie Wachs. Wie in der früheren Chemie-AG erkannten die Schüler auch in diesem Jahr, dass wohl auch die Luft eine Rolle beim Brennen der Kerze spielt. Aber auch hier war der Ablauf wieder ein ganz neuer: Während die frühere Gruppe durch Internet-Recherche herausfand, dass die Kerze Sauerstoff zum Brennen braucht, waren bei der diesjährigen Schülergruppe fast alle Schüler der Meinung, hier bereits ohne Recherche Bescheid zu wissen: Die eine Hälfte der Gruppe nannte Sauerstoff, die andere Hälfte Kohlenstoffdioxid als benötigtes Gas! Über den weiteren Weg waren sich die Schüler hingegen einig: Man müsse eine Kerze in ein Gefäß mit Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid stellen, dann würde man schon sehen, wer Recht hat. Kopfzerbrechen bereitete den Schülern dann aber das Problem, wie man ein Gefäß so mit einem Gas befüllt, dass keine Luft mehr im Gefäß ist. Der Ansatz, das Gefäß unter Wasser zu befüllen ließ die Schüler grübeln, aber nach einigen Fehlversuchen und Diskussionen klappte es dann. Und so klärte wieder einmal das Experiment unsere Schülerfrage: In Kohlenstoffdioxid verlöschte die Kerze augenblicklich, während sie in reinem Sauerstoff mit viel hellerer Flamme weiter brannte. Da es an dieser Stelle passte, stellte ich den Schülern die Nachweise für

27 19 Chemie: Wir erforschen unsere Welt Sauerstoff (Glimmspanprobe) und Kohlenstoffdioxid (Kalkwasser-Trübung) vor. Diese Nachweise verwendeten die Schüler dann in den folgenden Stunden, um zu klären, ob beim Brennen der Kerze Kohlenstoffdioxid entsteht. Hierbei entdeckten sie nicht nur, dass ihre Vermutung stimmte. Eine Gruppe meinte sogar gesehen zu haben, dass ihre Apparatur an einer Stelle von innen beschlagen war war etwa Wasser entstanden? Mit großen Skizzen an der Tafel entwarfen sie einen Versuchsaufbau, um auch diese Frage zu klären. Und tatsächlich: Bei der Versuchsdurchführung entstanden einige Tropfen. Um zu klären, ob es sich tatsächlich um Wasser handelte, gab ich den Schülern auch an dieser Stelle mit dem zugehörigen Nachweis (Watesmo-Papier) das benötigte "Werkzeug" an die Hand. Natürlich überraschte es die Schüler nicht wirklich, dass es sich bei den Tropfen tatsächlich um Wasser handelte. Als Abschluss des Themas bot ich den Schülern an, Kerzen zu ziehen. Auch hier war schnell wieder die Neugierde im Spiel: Kann man auch spiralige Kerzen ziehen? Oder womöglich sogar herzförmige Kerzen?! Wie man auf dem Foto sieht, schafften es die Schüler, nachdem sie eine Methode entwickelt hatten, den Docht zu formen. Bewertung: Mir (und meinen Schülern) machte die Chemie-AG auch dieses Jahr wieder außerordentlich viel Spaß. Der Ablauf, dass ein Forschungsobjekt (hier die Kerze) selbst die Fragen an die Schüler stellt und diese dann zu ganz eigenen Forschungsideen animiert, ist auch für mich jedes Mal wieder aufs Neue spannend. Als Lehrer hatte ich zwar von der früheren Chemie-AG einen Überblick über das Thema, aber der tatsächliche von Schülern vorgeschlagene Weg zur Erforschung war dieses Jahr in weiten Teilen anders. Forschen bedeutet eben, sich immer wieder von der Natur überraschen zu lassen!

28 Informatik/Mathematik: Spaß am logischen Denken 20 Informatik/Mathematik: Spaß am logischen Denken Susanne Kintzi - Hochrheingymnasium Waldshut Teilnehmer Die 16 Kursteilnehmer, die sich zu Beginn für diese AG angemeldet hatten, setzten sich in diesem Schuljahr lediglich aus Fünft- und Sechstklässlern zusammen (sechs aus Klasse 5 und zehn aus Klasse 6). Vier der Sechstklässler waren im letzten Schuljahr auch schon mit dabei. Nach etwa drei Wochen meldete sich ein Teilnehmer wieder ab, sodass es bis zum Schuljahresende 15 regelmäßige Teilnehmer gab, die ausnahmslos Schüler des HochrheinGymnasiums in Waldshut waren. Inhalte, Ablauf, Methoden In dieser AG ging es um die verschiedensten Fragestellungen aus den Bereichen Mathematik und Informatik. Das gesamte Schuljahr wurde in drei größere Blöcke unterteilt: Ein führung in die Programmierung, Kryptologie und Geometrie am Computer. In einzelnen Stunden zwischendurch wurden außerdem verschiedene andere mathematische Aspekte aufgegriffen. So ging es mal um Zahlenzaubereien, um einen Pentomino-Kalender, um verblüffende Papierfaltkunststücke (z.b. das Möbiusband, wie man durch eine Postkarte steigt, ), es wurden verschiedene Knobelspiele ausprobiert und ein mathematisches Quiz gespielt. Gemeinsam besuchten wir auch an einem Nachmittag die Ausstellung "Mathematik zum Anfassen" in der Stoll VITA Stiftung. Im ersten großen Block beschäftigten wir uns mit dem Programmieren. Die meisten Schüler waren auf diesem Gebiet blutige Anfänger und konnten sich mit Hilfe geeigneter Selbstlernmaterialien in individuellem Tempo die Grundkenntnisse des Programmierens anhand der anschaulichen Programmiersprache Logo aneignen. So lernten sie schnell Programme zu schreiben, bei denen man eine Schildkröte in verschiedene Richtungen laufen lassen kann. Damit ließen sich verschiedenste Figuren zeichnen. Auf diese Weise konnten die Kinder visuell nachvollziehen, wie der Computer ihre Befehle verarbeitet, und sie entdeckten Fehler meist selbstständig. Sie erlernten außerdem, wie sie durch die Verwendung von Schleifen und Modulen (Prozeduren) Programme schreiben können, die möglichst kurz, verständlich und leicht veränderbar sind. Besonders fortgeschrittene Teilnehmer, unter anderem diejenigen, die sich im letzten Schuljahr schon mit der Programmiersprache Logo beschäftigt hatten, konnten sich schon mit der Programmiersprache Java Turtle beschäftigen. Im Rahmen dieser Informatik-Einheit nahmen wir auch am Informatik-Biber-Wettbewerb teil.

29 21 Informatik/Mathematik: Spaß am logischen Denken Im zweiten Block ging es um das Thema Kryptologie. Die Schüler lernten verschiedene Verschlüsselungsmethoden kennen, mussten Texte entschlüsseln und eigene Botschaften für ihre Mitschüler verschlüsseln. So fing es relativ einfach an mit dem Freimaurer-Code und der Lochschablone. Auch die Anwendung der Skytale war im Grunde schnell durchschaut und so konnten die Schüler den Geheimtext auch ohne Stab oder Rolle, nur mit Papier und Stift, relativ einfach entschlüsseln. Nachdem sie auch den Cäsar-Code kennengelernt hatten, wurden die beiden Verschlüsselungsmethoden Cäsar und Skytale nacheinander auf einen Text angewendet. Mit großer Konzentration konnte auch diese Schwierigkeit gut bewältigt werden. Als es um die Frage ging, ob der Cäsar-Code wirklich sicher ist oder ob es möglich ist, ihn zu knacken, kamen einige Schüler von selbst auf die Methode der Häufigkeitsanalyse. Bei monoalphabetischen Verschlüsselungsmethoden (wie beispielsweise dem Cäsar-Code) können lange Texte durch Aufspüren der am häufigsten bzw. am seltensten vorkommenden Buchstaben und durch geeignete Zuordnung der "echten" häufigsten bzw. "echten" seltensten Buchstaben entschlüsselt werden, ohne dass man den Schlüssel vorher kennt. Nicht so einfach ging das bei der Vigenère-Verschlüsselung, einer polyalphabetischen Verschlüsselungsmethode, bei der zur Verschlüsselung nicht nur ein Geheimtextalphabet angewandt wird, sondern 26 verschiedene benutzt werden. Nachdem die Schüler die Entund Verschlüsselungen zunächst von Hand durchgeführt hatten, wurde am Ende dieser Einheit der Computer noch zu Hilfe genommen. Am Abschluss stand eine kleine Schatzsuche: die Schüler schrieben sich in Kleingruppen gegenseitig verschlüsselte Botschaften darüber, wo sie im und um das Schulgebäude herum den nächsten Hinweis versteckt haben. Als nächstes beschäftigten wir uns mit geometrischen Fragestellungen. Die Schüler lernten die Geometriesoftware Euklid Dyna Geo und GeoGebra kennen und stellten nach einer kurzen Einführung in die Basiswerkzeuge zuerst eher einfache und später auch kompliziertere Konstruktionen an. Zunächst ging es "nur" darum, Muster von Vorlagen nachzukonstruieren, was sich manchmal als nicht ganz so trivial wie vermutet herausstellte. Auch mit Vierecken, Kreisen und mit Spiegelungen beschäftigten sich die Schüler und gewannen einige neue Erkenntnisse. Das gesamte Schuljahr über stand das eigene Erfahren und Ausprobieren im Vordergrund. Durch verschiedene Arbeitsblätter und Selbstlernmaterial konnten die Schüler meist selbstständig in ihrem eigenen Tempo arbeiten. Dabei war ihnen oft freigestellt, ob sie für sich alleine, mit Partner oder in Kleingruppen vorgehen wollten. Gelegentlich wurde auch gemeinsam im Plenum etwas erarbeitet oder erklärt, was meistens bei Einführungen in ein neues Thema oder Unterthema der Fall war.

30 Informatik/Mathematik: Spaß am logischen Denken 22 Am Ende des Schuljahres veranstalteten wir wieder eine GPS-Schnitzeljagd durch Waldshut. Die Kinder bekamen GPS-Navigationsgeräte gestellt und mussten mit diesen verschiedene Stationen eines Rundweges finden. Die geographischen Koordinaten der jeweils nächsten Station erhielten sie jedoch erst, wenn sie die Knobelaufgabe an der gerade gefundenen Station gelöst hatten. Die Aufgaben beinhalteten teilweise auch Themen, die im Laufe des Schuljahres behandelt worden waren.

31 23 Informatik/Mathematik: Spaß am logischen Denken Gemeinsam begonnen hatten wir auch mit dem Wettbewerb "Mathe im Advent": Die Kinder konnten jeden Tag im Advent ein Türchen mit einer Knobelaufgabe öffnen. Außerdem nahmen wir wieder mit mehreren Kleingruppen am Fotowettbewerb "Mathematik im Alltag entdecken" teil, der von den Prisma-Schulen in Böblingen durchgeführt wurde. Leider konnten wir bei beiden Wettbewerben keinen Preis erzielen. Abschließende Beurteilung Da sich in diesem Schuljahr nur Fünft- und Sechstklässler angemeldet hatten, war die Gruppe leistungsmäßig ziemlich homogen und das Wissensniveau nicht allzu stark gestreut. Das erleichterte manchmal das gemeinsame Erarbeiten eines Sachverhaltes. Die Schüler waren insgesamt sehr aufgeweckt und zeigten großes Interesse an den verschiedensten Problemstellungen. Vor allem bei offenen Aufgabenstellungen konnte man auch Unterschiede in der Arbeitsweise der Kinder bemerken. Manche knieten sich richtig verbissen in einzelne Fragestellungen hinein, weil sie unbedingt alleine zur richtigen Lösung finden wollten. Jene waren auch gerne bereit, immer größere Herausforderungen anzunehmen. Andere benötigten bei Problemen mehr Hilfestellung und wollten einfach nur schnell und ohne großen Aufwand zur Lösung kommen. Insgesamt war aber immer für jeden Typ etwas dabei und so konnte man allen gerecht werden. Abschließend lässt sich sagen, dass die Schüler das gesamte Schuljahr über toll mitgearbeitet haben und mit Freude bei der Sache waren.

32 Informatik: Einführung in die Robotik 24 Informatik: Einführung in die Robotik Klaus Bollinger Hans-Thoma-Schule Laufenburg Thematik und Ziele: In der Arbeitsgemeinschaft "Einführung in die Robotik" haben die Schüler mit Bausteinen von LEGO Mindstorms in kleinen und großen Teams eigene Roboter konstruiert, programmiert, ausprobiert und bei Bedarf optimiert. Dabei haben sie nicht nur grundlegende Kenntnisse in den Bereichen Programmieren, Robotik und Regel- und Steuertechnik erworben, sondern auch die folgenden Kompetenzen trainiert: 1. ihre Problemlösefähigkeit (z.b. beim Konstruieren und Programmieren der Roboter) 2. ihre Kreativität und ihr Einfallsreichtum (z.b. beim Entwickeln eigener Roboter) 3. ihr Durchhaltevermögen 4. das selbstständiges Lernen (z.b. bei der Benutzung des LEGO-Mindstorms-Tutorials) 5. ihre Kooperations- und Teamfähigkeit Teilnehmer: Die AG "Einführung in die Robotik" startete mit zwölf Schülern von zwei verschiedenen Schulen aus der Klassenstufe 6 bis 8. Davon sind während der ersten Wochen nacheinander vier Kinder aus unterschiedlichen Gründen wieder abgesprungen. An ihrer Stelle sind sofort andere Kinder nachgerückt, die sich zu Schuljahresbeginn ebenfalls für die AG beworben, aber aufgrund der begrenzten Teilnehmerzahl damals keinen Platz bekommen hatten. Die Kinder brachten hauptsächlich aufgrund ihres unterschiedlichen Alters mitunter sehr unterschiedliche Interessen, Kenntnisse und Kompetenzen in die Arbeitsgemeinschaft mit. Diese Heterogenität machte die Zusammenarbeit sehr spannend.

33 25 Informatik: Einführung in die Robotik Inhalt, Methoden, Verlauf: In der Zeit bis Weihnachten lernten die Schüler in erster Linie die Funktionen, die Programmierung und mögliche Anwendungen der wichtigsten Bausteine aus ihrem LMEBaukasten kennen, z.b. den NXT-Baustein, die Servo-Motoren, den Geräusch-Sensor, den Lichtsensor und den Abstandssensor. Dabei nutzen sie vielfältige Informationsquellen, wie das mitgelieferte Handbuch, ein interaktives Tutorial am PC, Internet-Foren und natürlich den Erfahrungsaustausch untereinander. Im Rahmen von spielerischen Aufgaben (mit ansteigenden Schwierigkeitsgraden) entwickelten die Kinder jeweils in Zweierteams eigene Roboter zur Lösung der Aufgaben und ließen diese in spielerischen Wettbewerben gegeneinander antreten. Dadurch konnten sie das frisch erworbene Wissen sofort anwenden und vertiefen. Zwischen Weihnachten und Ostern arbeiteten die Kinder mit dem LEGO-Projekt-Set "die grüne Stadt". Zu diesem Set gehört ein 3m 2 großes Spielfeld, auf dem sich die Roboter mit Hilfe ihrer Sensoren und natürlich der richtigen Programmierung zwischen den Gebäuden "der grünen Stadt" zurechtfinden und nacheinander einzelne Stationen abfahren und jeweils mechanisch auslösen mussten. Beim Arbeiten mit der "grünen Stadt" zeigte sich schnell, dass für die Lösung der einzelnen Aufgaben sehr viel mehr Einfallsreichtum, Geschick, Programmierkenntnisse und auch Ausdauer nötig waren, als wir anfänglich angenommen hatten. Einige besonders komplexe Aufgaben stellten sich als unglaublich "harte Nüsse" heraus, für deren Lösung wir sehr lange benötigten oder sogar bis zum Schluss keine echte Lösung finden konnten. Umgekehrt freuten wir uns darum umso mehr über jeden kleinen Fortschritt bzw. Erfolg, der uns als Team der Lösung eines solchen Problems näher gebracht hatte. Ab Ostern arbeiteten alle Kinder an einem gemeinsamen Abschluss-Projekt, dessen Inhalt sie sich selbst gewählt hatten: ein Geschicklichkeitsspiel, das beim nächsten Schulfest ausgestellt werden soll und aus mehreren Roboter-Einheiten besteht, die zwar einzeln programmiert, letztlich aber trotzdem alle zusammenarbeiten müssen. Bei diesem Geschicklichkeitsspiel muss ein von außen mittels selbstkonstruiertem Joystick gesteuerter Sensor-Arm entlang den Linien eines Parcours gesteuert werden. Wenn der Sensor-Arm im Ziel ankommt, wird zur Belohnung eine Murmelbahn ausgelöst; wenn er versehentlich von der Bahn abkommt, dann fährt er automatisch zurück zum Startpunkt.

34 Informatik: Einführung in die Robotik 26 Da diese Aufgabe sehr umfangreich und anspruchsvoll ist, arbeiteten die Schüler größtenteils sehr engagiert und ehrgeizig an den vielen einzelnen Problemen, die es bis zur Fertigstellung des Spiels nacheinander zu lösen galt. Vor allem gegen Ende des Schuljahres, als offensichtlich wurde, dass die Zeit knapp wird, arbeiteten die meisten Schüler auf Hochtouren und mit viel persönlichem Ehrgeiz an diesem Projekt. Bewertung: Das Material von LEGO-Mindstorms hat sich sehr gut für die Vermittlung der angestrebten Inhalte und Ziele bewährt: es besitzt einen sehr hohen Aufforderungscharakter, macht einen spielerischen Zugang in die Thematik möglich und lässt sich äußerst flexibel (auf unterschiedlichen Niveaus) einsetzen. Dank dieses Materials und der durchgeführten spielerischen Wettbewerbe waren die Schüler stets hoch motiviert und immer mit sehr viel Spaß bei der Sache. Die unterschiedlichen Voraussetzungen (Alter, Interesse, Kenntnisse, Kompetenzen), die die verschiedenen Kinder mitbrachten, erforderte eine sehr offene Form der Zusammenarbeit mit sehr viel Platz für individuelles Lernen. Dieser Platz wurde vor allem durch das große Angebot an verschiedenen Informationsquellen und die unterschiedlich schwierigen Aufgabenstellungen geschaffen, die jedem Kind erlaubten, seinen eigenen Zugangsweg und den Grad, bis zu dem es in die Thematik eindringen wollte, selbst zu wählen. Während des gemeinsamen Abschluss-Projektes haben die Kinder besonders intensiv und mit sehr viel Leidenschaft gearbeitet. Der "Zeitdruck", der durch das bevorstehende Schuljahresende herrschte, und die Tatsache, dass sich das Ziel nur gemeinsam erreichen ließ und deshalb jeder Verantwortung übernehmen musste, spornten die meisten Schüler zu Höchstleistungen an und schweißten beinahe alle Kinder zu einem funktionierenden harmonierenden Team zusammen.

35 27 Abschlussveranstaltung der Unter- und Mittelstufe am Abschlussveranstaltung der Unter- und Mittelstufe am Alle Teilnehmer und Teilnehmerinnen der Arbeitsgemeinschaften trafen sich im Musiksaal des Hochrhein-Gymnasiums. Sie stellten die Ergebnisse ihrer Arbeit während des Schuljahres vor. Chemie: Wir erforschen unsere Welt Tobias Pfeifer Klettgau-Gymnasium Tiengen

36 Abschlussveranstaltung der Unter- und Mittelstufe am Informatik: Einführung in die Robotik Klaus Bollinger Hans-Thoma-Schule Laufenburg Roboter mit Lego Mindstorms gebaut und programmiert: Ein Videofilm zeigt uns noch den programmierten Roboter in Aktion. 28

37 29 Abschlussveranstaltung der Unter- und Mittelstufe am Mathematik/Informatik: Spaß am logischen Denken Susanne Kintzi - Hochrheingymnasium Waldshut Befehle bei Xlogo: Befehl Bedeutung (x steht für beliebige Zahlen) Fd x Gehe x nach vorne Bk x Gehe x nach hinten Lt x Drehe dich um x Grad nach links Rt x Drehe dich um x Grad nach rechts Die faszinierende Kyptologie: Cäsar-Verschlüsselung und Vigenère Möbiusband

38 Abschlussveranstaltung der Unter- und Mittelstufe am MATHE-ZAUBERTRICKS Das Zahlenspiel und seine verblüffende richtige Lösung im verschlossenen Kouvert: Zum Abschluss gibt es noch einen faszinierenden selbst zusammengestellten Videofilm über die Zusammenarbeit der Kinder in dieser Arbeitsgemeinschaft:

39 31 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe 15. November 2013: Bionikausstellung von Dr. Olga Speck Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Führung durch die Ausstellung in der Sedus-Stoll-Stiftung in Waldshut Seite Dezember 2013: Dem Täter auf der Spur Kriminaldirektor Bernhard Glaser Hochschule für Polizei Villingen-Schwenningen Seite Januar 2014: Materialwissenschaften Apl. Prof. Dr. Niedermayer - Paul Scherrer Institut Villigen Seite März 2014: Physikalische Experimente Prof. Dr. R. Allmendinger Hochschulcampus Tuttlingen der Hochschule Furtwangen Die Vorträge sowie die Abschlussveranstaltung fanden im Musiksaal des Hochrhein-Gymnasium jeweils an einem Freitag von 15:00 16:30 Uhr statt. Hochrhein-Gymnasium, Waldshut-Tiengen, Waldtorstr. 8, Telefon: 07751/ Seite 41

40 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe November 2013: Bionikausstellung von Dr. Olga Speck Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Führung durch die Ausstellung in der Sedus-Stoll-Stiftung in Waldshut Herr Spieß von der Sedus-Stoll-Stiftung erklärt kurz den Begriff Bionik als die Verbindung von Biologie und Technik. Was sich über Jahrmillionen in der Natur entwickelt und bewährt hat, wird untersucht und die Struktur übernommen und mit neuen technischen Materialien nachgebaut. Die teilnehmenden 22 Schülerinnen und Schüler verteilen sich dann in Zweier- oder Dreiergruppen auf die 14 Austellungsvitrinen. Jede Gruppe hat folgende drei Aufgaben: 1. Worum geht es in dieser Vitrine? 2. Welches Ausstellungsstück fasziniert mich am meisten? 3. Was ist meine Frage zu diesem Bereich? Die Kinder stellen nun die verschiedenen Vitrinen vor und Herr Spieß erklärt das jeweilige Funktionsprinzip und die darauf beruhenden Anwendungsbeispiele. Hier einige Beispiele der Ausstellung: 1. Zangenprinzip Der auf den ersten Blick faszinierende Bionikroboter hat aber gar nichts mit diesem Prinzip zu tun. 2. Fischflosse Wenn eine Struktur mit Fin Ray Effect gegen einen Gegenstand gedrückt wird, passiert Überraschendes, denn sie passt sich der Form des Gegenstandes an. Die Konstruktion ist erstaunlich einfach: Ein Dreieck aus biegeelastischen Längs- und Querstreben, die elastisch miteinander verbunden sind. Dieses Bauprinzip lässt sich leicht in verschiedenen technischen Produkten umsetzen.

41 33 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe Heute nutzen Firmen wie zum Beispiel Vileda oder Festo den Fin Ray Effect, um ihre Produkte zu verbessern oder völlig neuartige Anwendungen zu entwickeln. Die Stabilität der Strukturen entsteht durch die jeweilige Struktur. Dies konnte dann beim Bastelbogen aus Papier selbst ausprobiert werden. Die Robotik-Arbeitsgemeinschaft möchte den Fin Ray Effekt an einem Greifarm testen. 3. Klettverschluss und Tierpfoten Jeder kennt den Klettverschluss mit seinen biegsamen Haken und seinem Vorbild, den Klettensamen. Neu war auch mir, dass der Stacheldraht als Vorbild ein Dornengestrüpp hat, 1870 so erfunden wurde und viele Cowboys arbeitslos machte. Ein weiteres Beispiel sind Reifenprofile, die sich der Geschwindigkeit anpassen und Tierpfoten abgeschaut wurden. 4. Das Modul Fluidic Muscle Ob Elefant, Gepard oder Pinguin, Wirbeltiere haben eines gemeinsam: Ihre Bewegungen erfolgen durch das Zusammenspiel von Skelett, Muskeln und Nervensystem. Muskeln haben ein ausgezeichnetes Masse-Leistungsverhältnis. Sie entwickeln auf kurze Distanz hohe Maximalkräfte und sind dennoch zu sanften und geschmeidigen Bewegungen fähig.

42 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe 5. Dämpfen und Schützen Der Fahrradhelm mit einer harten Schale und der Kombination mit verformbarem Material übernimmt Elemente der Kokosnussfrucht. 6. Leichtbauweise Stabilität wird in Leichtbauweise durch Gitterstrukturen erreicht. Ein Knochen ist dafür ein gutes Beispiel. Mit der Methode der finiten Elemente können so stabile und leichte Bauteile oder auch Gebäude konstruiert werden. Pavillionkonstruktion mit finiten Elementen Weitere Beispiele sind auf der Seite des Bionikinstituts zu finden: Das Leitbild der Bionik ist durch den Besuch der Ausstellung deutlich geworden: Bionik bedeutet Lernen von der Natur für die Technik. 34

43 35 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe 13. Dezember 2013: Dem Täter auf der Spur Kriminaldirektor Bernhard Glaser Schwenningen Hochschule für Polizei Villingen- Kriminaltechnische Spuren sind aus der heutigen Ermittlungsarbeit der Polizei nicht mehr wegzudenken. Sie sind die stummen Zeugen einer Tat. Es bedeutet häufig einen hohen technischen Aufwand, um Spuren zu erkennen, sie zu sichern, auszuwerten und letztlich richtig zu interpretieren. Die Spurensicherung und Spurenauswertung hat aber nicht nur das Ziel, den Täter zu finden, sondern auch wichtige Informationen zum Tatablauf zu liefern. Denkbar ist es zum Beispiel auch, dass ein Tatverdächtiger aufgrund der Spurenaus wertung entlastet werden kann. Aber was ist eigentlich eine Spur? Welche Spuren gibt es? Wie können sie zum Täter führen? Was können sie über den Tathergang aussagen? Welche wissenschaftliche Erkenntnisse und Methoden stecken dahinter? Die Antworten auf diese Fragen ließen nicht lange auf sich warten. Herr Glaser machte zu Beginn seines Vortrages deutlich, dass man zwischen der Spurensicherung und der Spurenauswertung unterscheiden muss. Die Spurensicherung wird am Tatort von Kriminalbeamten des gleichnamigen Fachbereichs vorgenommen. Die Auswertung findet später in einem kriminaltechnischen Labor statt. Auf die Frage von Herrn Glaser, welche Spuren es denn gäbe, hatten die Schüler jede Menge Antworten parat: Von Hautschuppen, Haaren über Fingerabdrücke, Schuhspuren, Speichel bis hin zu Blutspuren, Patronenhülsen und Reifenspuren wurde eine Vielzahl von möglichen Spuren genannt. Als erstes wurde der Fingerabdruck etwas genauer unter die Lupe genommen. Herr Glaser erklärte, dass bei Fingerabdrücken verschiedene Grundmuster zu erkennen sind. Manchmal laufen die einzelnen

44 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe 36 Linien wirbelartig, parallel oder kreisförmig zusammen. Außerdem gibt es weitere Merkmale wie beispielsweise Minutien oder kleine Narben. Herr Glaser erklärte, dass ein Fingerabdruck vom Tatort mit dem Fingerabdruck eines Tatverdächtigen in mindestens zwölf solcher Merkmale übereinstimmen muss, damit man sicher gehen kann, dass der Tatverdächtige sich am Tatort aufgehalten hat. Werden bei einem Verbrechen Schusswaffen gebraucht, kann die Analyse der Projektile am Tatort wichtige Hinweise liefern. Herr Glaser erklärte, dass beim Abfeuern eines Geschosses Formspuren entstehen, die Rückschlüsse auf die verwendete Tatwaffe zulassen. Weitere wichtige Spuren sind die Werkzeugspuren an Zylinderschlössern. Herr Glaser zeigte dazu Bilder, auf denen verschiedene Kratzmuster auf Zylinderschlössern zu erkennen waren. Eine immer größere Rolle spielen die digitalen Spuren, die jeder Mensch beim Surfen im Internet oder beim Versenden von s hinterlässt. Herr Glaser sensibilisierte uns in diesem Zusammenhang, nicht zu viele persönliche Daten im Internet preis zu geben, da es leider auch Menschen gibt, die diese Daten missbrauchen. Es war ein spannender Vortrag, der uns einen Einblick in die vielfältige Ermittlungsarbeit der Polizei gegeben hat.

45 37 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe 17. Januar 2014: Materialwissenschaften Apl. Prof. Dr. Niedermayer - Paul Scherrer Institut Villigen Bereits in den frühen Epochen der Menschheitsgeschichte lernte der Mensch neue Materialien für sich nutzbar zu machen und sie weiter zu entwickeln. Auch wer heute einen Computerchip oder eine Batterie für ein Elektroauto entwickeln will, muss die Materialien genau verstehen. Am Paul Scherrer Institut erforschen Wissenschaftler mit speziellen Geräten neue Materialien und können auf diese Weise neue Materialien für neuartige technische Anwendungen nutzbar machen. In seinem Vortrag stellte Herr Professor Niedermayer solche Materialien vor. Ein Beispiel sind Supraleiter, die elektrischen Strom ohne Widerstand leiten können. In einem beeindruckenden Experiment zeigte Professor Niedermayer einen Supraleiter in der Schwebe. Das Experiment faszinierte die jungen Zuschauer so sehr, dass Herr Niedermayer den Versuch mehrmals wiederholen musste. Beispiele für den Einsatz unterschiedlicher Materialien in moderner Technik:

46 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe 38 Wichtige Beiträge auf dem Weg zu supraleitenden Materialien mit hoher Sprungtemperatur: Hochtemperatursupraleiter haben ausgeprägte Schichtstrukturen: Ebenen aus Kupfer und Sauerstoff sind wesentliches Strukturelement Stromtransport nur in diesen Ebenen Was hält den Supraleiter in der Schwebe? schwebender Supraleiter Magnetfeld-Linien Magnetfeld-Linien durchdringen Supraleiter Veranschaulichung Finger greifen durch Papierkarton

47 39 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe

48 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe 40 Verschiedene Formen des Kohlenstoffs: Graphit Diamant Bucky Balls: C60 Nanotubes Graphen

49 41 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe 28. März 2014: Physikalische Experimente Prof. Dr. R. Allmendinger Hochschulcampus Tuttlingen der Hochschule Furtwangen Die Physik hilft uns dabei, alltägliche Vorgänge zu verstehen und zu verbessern. Herr Professor Allmendinger demonstrierte zusammen mit seinem Team physikalische Phänomene und erklärte diese mithilfe physikalischer Gesetze. Dazu zeigte das Team faszinierende Experimente zu Seifenblasen, Klangfiguren, zum mechanischen Gleichgewicht und zu Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten. Die jungen Zuschauer durften manchmal auch mit experimentieren und waren sehr beeindruckt von den zahlreichen Experimenten. Beispiel zu stabilen Gleichgewichtslagen:

50 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe 42

51 43 Vortragsreihe der Unter- und Mittelstufe Seifenblasen als Minimalflächen: Bei vorgegebenen Randlinien nimmt die Flüssigkeitshaut die zweidimensionale Form mit minimaler Energie an. Bei vernachlässigtem Gewicht ist dies eine Fläche mit (relativ) minimalem Flächeninhalt, eine Minimalfläche. Olympiastadion in München nach dem Vorbild der Minimalfläche

52 20. Mai 2014: Exkursion der Unter- und Mittelstufe nach Basel Mai 2014: Exkursion der Unter- und Mittelstufe nach Basel Am 20. Mai 2014 unternahmen die Teilnehmer der Unter- und Mittelstufe zusammen mit ihren AG-Leitern einen Ausflug in die Schweiz nach Basel. Nach der Anreise mit dem Zug ging es zu Fuß weiter Richtung Innenstadt zum Historischen Museum für Geschichte. Dabei durfte ein Zwischenhalt beim bekannten Tinguely-Brunnen nicht fehlen. Im Museum durften die Kinder dann selbst aktiv werden und sich mit der Geschichte der Naturwissenschaften auseinandersetzen: Wie hat man sich die Erde in früheren Zeiten vorgestellt? Seit wann weiß man, dass sich die Erde um die Sonne dreht? Welche Messgeräte standen früheren Sternenforschern zur Verfügung und wozu dienten ein Astrolabium oder eine Armillarsphäre? Die Antworten auf solche und ähnliche Fragen ließen während des Workshops nicht lange auf sich warten und es wurde dabei deutlich, dass in der Vergangenheit der Erwerb von neuen Erkenntnissen mit riesigen und manchmal gefährlichen Abenteuern verbunden war. Nach dem Besuch im Museum ging es zu Fuß weiter zum Zoologischen Garten, der von den Baslern liebevoll auch Zolli genannt wird. Im Seelöwentheater gönnten sich alle erst einmal eine Mittagspause. Danach konnten die Teilnehmer in Gruppen den Zolli und seine Tiere selbstständig erkunden. Der Abschluss bildete die gemeinsame Besichtigung des Vivariums in der Nähe des Ausgangs. Anschließend machten sich alle auf den Weg zum Bahnhof und fuhren gemeinsam mit dem Zug wieder nach Hause.

53 Mai 2014: Exkursion der Unter- und Mittelstufe nach Basel Einige Eindrücke von der Exkursion der Unter- und Mittelstufe: Besuch des Tinguely-Brunnens und des Historischen Museums Basel Das Vivarium im Zolli

54 Kalenderübersicht der Oberstufe Kalenderübersicht der Oberstufe Erstes Halbjahr 46

55 47 Zweites Halbjahr

56 Die Arbeitsgemeinschaften der Oberstufe 48 Die Arbeitsgemeinschaften der Oberstufe Biologie: Das geheimnisvolle Gehirn Dr. Heike Reinshaus - Klettgau Gymnasium Tiengen Seite 49 Chemie: Das Experiment zur Gewinnung neuer Erkenntnisse Heidi Anger - Hochrheingymnasium Waldshut Seite 54 Informatik/Robotik: Programmieren von Mikrocontrollern Hubert Müller - Technisches Gymnasium Waldshut Seite 57 Informatik: Programmieren mit C++ Dipl.-Math. Techn. Michael Verderber - Technisches Gymnasium Waldshut Seite 61 Mathematik und mehr Jörg Rudolf, Hochrhein-Gymnasium Waldshut Seite 65

57 49 Biologie: Das geheimnisvolle Gehirn Biologie: Das geheimnisvolle Gehirn Dr. Heike Reinshaus - Klettgau Gymnasium Tiengen Thematik und Ziele: In diesem Kurs sollten die Schüler/innen die Gelegenheit haben, die Anatomie und unterschiedliche Aufgabenbereiche des Gehirns von Säugern und Mensch näher kennenzulernen. Teilnehmer: Das Teilnehmerfeld setzte sich aus Schülern/innen der Kursstufe zusammen, so dass die Gruppe über ein homogenes Grundwissen verfügte. Die Zusammenarbeit der Teilnehmer war hervorragend. Inhalte: Innerhalb der Thematik der Geschichte der Hirnforschung standen die Anatomie des menschlichen Gehirns sowie die Entdeckungen über die Funktionen und physiologischen Vorgänge im Mittelpunkt. Es kristallisierte sich heraus, dass insbesondere Trepanation als Verfahren der Öffnung des Schädels und GALVANIs Abhandlungen über die Kräfte der Elektrizität bei Muskelbewegungen auf besonders großes Interesse gestoßen sind. Durch die Verknüpfung von Theorie und praktischer Arbeit wurde die Thematik der Anatomie des Schädels und des Gehirns bearbeitet. Schädelmodelle, Gehirnmodelle sowie Fachbegriffe in Deutsch und Latein wurden dabei miteinander kombiniert.

58 Biologie: Das geheimnisvolle Gehirn 50 Höhepunkt der anatomischen Arbeit war das Sezieren von Reh- und Wildschweinköpfen mit dem Ziel, das Gehirn als Ganzes als Präparat zur Verfügung zu haben. Keiner konnte sich der Faszination, ein Gehirn berühren zu können, entziehen. Die Gehirnpräparate stehen jetzt der Biologie als Anschauungsmaterial zur Verfügung. Das letzte komplexe Thema waren die funktionellen Verknüpfungen von Nerven und Gehirnabschnitten. Mit Hilfe von Modellen, Experimenten und Informationsmaterial konnten zum Beispiel Bewusstsein, Lernen und die Plastizität des Gehirns verdeutlicht werden. Die Arbeit des menschlichen Gehirns konnte dann abschließend durch die Ableitung der Gehirnströme durch ein EEG (Elektroenzephalogramm) sichtbar gemacht werden. Fazit: Es hat sich gezeigt, dass die Schüler/innen sich intensiv mit solch einer komplexen Thematik beschäftigen wollen und besonders ihr Interesse für den medizinischen Bereich gefördert werden konnte.

59 51 Biologie: Biologie und Gesellschaft Biologie: Biologie und Gesellschaft U. Faller, Scheffelgymnasium Bad Säckingen Forschungsergebnisse der modernen Biologie und Medizin haben weitreichende, vielfach diskutierte Auswirkungen auf die Gestaltung unserer Gesellschaft. Manche neuen Möglichkeiten betreffen auch individuelle Entscheidungen, man denke beispielsweise an die Frage, ob und gegen welche Krankheiten wir uns impfen lassen wollen. Im regulären Oberstufen-Biologieunterricht werden diese Fragen angestoßen, meist fehlt aber die Zeit, sie ausführlicher zu bedenken, um so zu ausgewogeneren Stellungnahmen zu kommen. Hier setzt der Kurs "Biologie und Gesellschaft" an. Geleitet vom Interesse der Teilnehmer haben wir mehr oder weniger aktuelle Themen so aufgegriffen, wie sie in Printmedien oder TV präsentiert werden, Hintergründe beleuchtet und dann oftmals kontrovers diskutiert. Zusammensetzung und Charakter des Kurses Angemeldet hatten sich 17 Schülerinnen und Schüler, neun aus der Jahrgangsstufe zehn, acht aus dem Abiturjahrgang. Alle haben regelmäßig an unseren Treffen teilgenommen, nach dem Abitur fehlten allerdings die 12'er. Für mich als Kursleiter bestand die Herausforderung darin, dem unterschiedlichen Vorwissen der Zehnt- und Zwölftklässler gerecht zu werden. Die Medienberichte bildeten aber eine gute Grundlage, auf die ergänzend aufgebaut werden konnte. Zudem haben wir Themen gebündelt, die inhaltlich aufeinander aufbauten. So war es möglich, eine gemeinsame Wissensbasis zu schaffen, ohne dass der dozierende Part überhand nahm. Wo immer möglich verstand ich mich als Moderator oder ließ die Teilnehmer selbstständig diskutieren. Bei Problemthemen haben wir nach Kenntnisnahme der Medienberichte einen "Bauchentscheid" durchgeführt: D. h., die Teilnehmer bezogen spontan pro oder kontra Stellung. Spannend war dann immer, wie das Abstimmungsergebnis sich veränderte, nachdem wir die Themen ausführlicher behandelt hatten. Medizinethische Fragen Eingestiegen waren wir über zwei Doppelstunden mit der Frage, ob "Laborfleisch" aus Rindermuskel-Stammzellen das Fleisch der Zukunft sei. Als alternative Proteinlieferanten fassten wir beispielsweise die inzwischen viel beworbene Insektennahrung ins Auge. Das Interesse der Gruppe leitete uns dann aber in die Medizin. Zunächst beschäftigte uns die Frage, ob es eine allgemeine Impfpflicht geben sollte, z. B. gegen Masern, FSME oder Influenza. Anschließend standen längere Zeit fortpflanzungsmedizinische Fragen auf der Agenda: Angeregt zunächst durch einen längeren Bericht in der ZEIT ("Familie auf Vorrat") behandelten wir das "Sozial egg freezing", mit dem das biografische Fruchtbarkeitsfenster

60 Biologie: Biologie und Gesellschaft 52 der Frau erweitert werden kann. Hierbei interessierte uns auch, wie die weiblichen Wechseljahre evolutionsbiologisch zu verstehen sind, steht der Mensch diesbezüglich doch mit wenigen Ausnahmen im Tierreich ziemlich einmalig da! Dann ging es um neue, relativ unaufwendige und gefahrlose Methoden der Pränataldiagnostik, mittels der man Kinder mit Downsyndrom frühzeitig diagnostizieren kann: Welche Konsequenzen hat es, einen solchen Test in der Pränataldiagnostik zu etablieren? Das berührt auch die Frage, welches Lebensrecht Menschen mit Downsyndrom zusteht. Einen Schritt weiter ging das nächste Thema "Präimplantationsdiagnostik". In der bundesdeutschen Politik wurde hierüber jüngst intensiv debattiert. Ob und unter welchen Gesichtspunkten extrauterin befruchtete Embryonen selektiert werden dürfen, darüber entscheidet ganz wesentlich, ab wann wir einem Embryo unantastbare Menschenwürde zusprechen. Bei näherer Betrachtung der frühen Embryonalentwicklung und der Befruchtungsvorgänge, wie sie uns heute bekannt sind, ist diese Frage nicht leicht zu entscheiden. Entsprechend offen gestaltete sich unsere Diskussion. Thematisch ergab sich, dass wir in diesem Zusammenhang auch die Forschung mit embryonalen Stammzellen und ihre möglichen Alternativen ansprachen. Da es hier auch um die Frage geht, ob wir mit embryonalen Stammzellen Organe "züchten" können, kamen wir des Weiteren auf das Thema Organspende. Dies geht jeden von uns direkt an, da wir gehalten sind, einen Organspendeausweis zu tragen, in dem wir auch angeben können, wenn wir kein Organspender sein wollen. Neurobiologie Als zweiter Themenstrang interessierte uns die in den Medien viel besprochene Hirnforschung. Hier machte den Auftakt ein Vortrag des bekannten Neurobiologen Gerald Hüther mit der Frage, ob mentale Umprägung vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeitskrise möglich ist, den Hüther anlässlich einer Konferenz der Stiftung für kulturelle Erneuerung (Denkwerk Zukunft) gehalten hatte. In den darauf folgenden Stunden drehten sich die Gedanken aus verschiedenen Perspektiven um die Frage, wie frei unser Wille sei. Viele Hirnforscher sprechen dem Menschen einen freien Willen generell ab. Hier begannen wir mit einer Sendung des Kultursenders 3sat "Scobel" zum Thema "Empathie: über Entstehung und Verlust des Mitgefühls". Wie kann man extreme Gewaltverbrecher verstehen? Wie müssen wir mit diesen Menschen umgehen? Gibt es Therapiemöglichkeiten? Wie kann man Gewaltverbrechen vorbeugen? Welche Konsequenzen hat dies für die Erziehung? Mit einem Artikel aus der Geoausgabe "Tatort Gehirn" haben wir uns mit den Konsequenzen für die Justiz beschäftigt: Wie so oft haben wir bei näherer Beschäftigung festgestellt, wie vielschichtig die Sachlage ist und wie wenig man ihr mit allzu schnellen Antworten gerecht wird.

61 53 Biologie: Biologie und Gesellschaft In diesem Zusammenhang kamen wir zuletzt auf das Thema: Meditation und Wissenschaft. Seit über eineinhalb Jahrzehnten werden Meditationspraktiken auf ihre Wirkung hin biologisch und medizinisch intensiv erforscht. Auf der Webseite der Kongresse zum Thema "Meditation und Wissenschaft" (2010 bis 2014 in Berlin) finden sich hierzu viele Anregungen. Unter anderem wird immer wieder gefordert, mentale Techniken wie Meditation in geeigneter Weise in der Schule zu vermitteln. So interessierten wir uns dafür, ob dies aus Schülerperspektive erstrebenswert ist und wie dies gegebenenfalls aussehen könnte. Wie viel Mensch steckt im Tier - wie viel Tier im Menschen? Vonseiten der Kursteilnehmer tauchte die Doppelfrage nach der Mensch-Tier-Grenze auf. Zunächst haben wir uns Verhaltensbeispiele bei Ratten, Orcas und Elefanten betrachtet und uns intelligenten Leistungen bei Vögeln zugewendet. Auch wenn die menschliche Intelligenz im Besonderen seit der Zeit der Hochkulturen im Tierreich kein Gegenstück hat, so finden sich bei manchen Tieren trotzdem erstaunliche mentale Leistungen und emotionale bzw. soziale Verhaltensweisen. Die Alleinstellung des Menschen im Tierreich wird aus dieser Perspektive zumindest hinterfragbar. In diesem Zusammenhang kamen wir auf ein emotional aufgeladenes Thema: die Beurteilung der Homosexualität beim Menschen. Homosexuelle Handlungen sind bei sehr vielen Tieren bekannt und es wird zur Frage, wie man dieses Verhalten auch evolutionsbiologisch verstehen kann. Die Beantwortung dieser Frage beeinflusst auch den gesellschaftlichen Umgang mit homosexuell veranlagten Menschen. Sollen zum Beispiel homo- und heterosexuelle Partnerschaften in jeder Hinsicht gleichgestellt sein, was bis heute in Deutschland nicht durchweg der Fall ist? Mit einem leichten Augenzwinkern, aber bei näherem Zusehen auch mit Blick für die Tragweite dieses Themas kamen wir über eine Dokumentation "Ape Man" auf die Frage nach evolutionär vererbten Verhaltensmustern beim Menschen am Beispiel des AlphaMännchen-Verhaltens. Vergleiche zwischen Mensch und Schimpanse/Gorilla führen erstaunliche Parallelen zutage. Was sind Verhaltenssignale, die die Dominanz in einer Gruppe ermöglichen? Welche Bedeutung hat das Alpha-Tier-Syndrom? Wie ist es evolutionär verständlich? Was ist ein "guter Alpha"? Wo liegen die Gefahren? Mit diesen Fragen haben wir den diesjährigen Kurs abgeschlossen. Ich blicke als Kursleiter auf ein Jahr zurück, von dem ich viel profitiert habe. Nicht nur durch die Vorbereitung von Themen, in die ich mich bisher weniger vertieft hatte. Ganz besonders anregend und bereichernd war die Unbefangenheit und Frische der Schülerin nen und Schüler während der Diskussionen. Dafür allen Teilnehmern vielen Dank.

62 Chemie: Das Experiment zur Gewinnung neuer Erkenntnisse 54 Chemie: Das Experiment zur Gewinnung neuer Erkenntnisse Heidi Anger - Hochrheingymnasium Waldshut "Ich habe keine besondere Begabung, sondern bin nur leidenschaft- lich neugierig." Albert Einstein In unserer AG wollten wir neugierig sein auf die Strukturen, die Bindungen und die Eigenschaften der Stoffe, die uns umgeben. Mittels der theoretischen Grundkenntnisse zu Farbstoffen, komplexchemischen Reaktionen, der Orbitaltheorie, der Elektrochemie u.a. lernten wir experimentell zu arbeiten und erhielten damit neue Erkenntnisse, die wir in Projekten darstellten. Unsere AG umfasste 24 Schüler der Klassenstufe 10-12, davon waren 15 Mädchen. Besonders durch die Arbeit in kleinen Gruppen ist es möglich, Ergebnisse zu diskutieren und neue Erkenntnisse zu gewinnen. Wenn man dann noch die Idee hat, diese in Form eines Projektes beim Wettbewerb Jugend forscht darzustellen, dann hat man schon sehr viel erreicht. Am Freitag, wöchentlich, trafen sich die AG-Teilnehmer, um gemeinsame Versuche durchzuführen, theoretische Grundlagen zu diskutieren und auch um in Gruppen zu arbeiten. Oftmals musste zusätzliche Zeit gefunden werden, um mit jeder Gruppe zufriedenstellend zu arbeiten. Die Schüler hatten neben ihrem Unterricht sehr arbeitsintensive Zeiten und manchmal brauchten sie auch einen kleinen Motivationsschub. Es ist schon erstaunlich, welche Energie die einzelnen Gruppen aufwendeten, um in ihrer Freizeit solch ein Projekt zu gestalten. Dann war der Wettbewerb die große Bewährungsprobe. Von Mittwoch bis Freitag stellten die Schüler ihre Arbeit vor zwei Jurorengruppen vor. Außerdem erklärten sie vielen Besuchern ihr Projekt und mussten unzählige Fragen beantworten. Vor dem Wettbewerb ist nicht gleich nach dem Wettbewerb. Die Schüler haben oftmals eine lange Durststrecke überstanden, durch ihre Präsentation und Gestaltung und durch Anerkennung von den Juroren, den Besuchern, den anwesenden Betrieben und den

63 55 Chemie: Das Experiment zur Gewinnung neuer Erkenntnisse betreuenden Lehrern erhielten sie Power für ihr Selbstbewusstsein. Anerkennung für eine Leistung ist ein wesentlicher Bestandteil zur Förderung eines jeden Menschen. Die Schüler lernten wissenschaftlich zu arbeiten und sich intensiv über längere Zeit mit einem Thema zu beschäftigen. Markus Vatter, Finanzchef der Sick AG äußerte dazu, dass es immer wieder erstaunlich ist, Jugendliche zu sehen, die begeistert sind. Die Wirtschaft braucht Jugend forscht dringender denn je. Am waren die Teilnehmer natürlich bereit, ihre Projekte zum Informationstag für die kommenden Schüler der zukünftigen 5. Klassen und deren Eltern vorzustellen. Der Raum war mit Besuchern überfüllt und voller Begeisterung berichteten die Jufo-Teilnehmer von ihrer Arbeit. Besuch der ETH Zürich am Elisa Bäumer, eine ehemalige Schülerin unserer Schule und jetzige Physikstudentin, führte uns durch die Gebäude und erklärte uns Möglichkeiten und Voraussetzungen eines Studiums an der ETH. Danach hatten wir die Möglichkeit, bei Frau Prof. Wennemers, Bereich Biochemie, eine Darstellung des Chemiestudiums durch zwei Doktoranden anzuhören. Wir konnten sogar in den Laborgebäuden die Arbeit der einzelnen Forschungsgruppen bestaunen, wie die Projekte der Organkatalyse und Tumor Targeting. Diese Exkursion wird noch lange nachwirken und hat schon jetzt einige dazu gebracht, an dieser Hochschule zu studieren.

64 Chemie: Das Experiment zur Gewinnung neuer Erkenntnisse 56 Die Doktoranden Stefanie Dobitz und Patrick Hilpert beantworteten alle Fragen in ihrer lockeren Art und bestärkten die Schüler in ihrer Entscheidung. Experimentalvortrag Chemie Im Chemie-Raum brodelt und raucht es mal wieder. Simon übt gerade sein Experiment für die 200-Jahr-Feier und schon steigen die Rauchwolken bis zur Decke und hüllen alles in ihren wohligen Dampf. Das ist aber nur eines der Experimente, welches die Projektgruppe "Der Zauber der Chemie" für die große Feier vorbereitet. Nebenan wird teurer Wein hergestellt, Eis fängt plötzlich an zu brennen, Leben wird erschaffen, aus einer Schüssel kriechen die "Schlangen des Pharao" und viele andere schöne Experimente werden bis ins Detail geübt, damit bei der Vorführung auch ja nichts schief geht. Jeder weiß was er zu tun hat, und alle freuen sich schon sehr, endlich in die weißen Laborkittel zu schlüpfen, die Laborbrille aufzusetzen und allen zu zeigen, was für unglaubliche Dinge man mit Chemie machen kann. (Text von Jessica Esser, 10d) Die Arbeit mit den Schülern hat mir sehr viel Freude bereitet. Ich hoffe, dass sie ihre Begeisterung zu den Naturwissenschaften nicht verlieren und gern an die Chemie-AG zurückdenken.

65 57 Informatik/Robotik: Programmieren von Mikrocontrollern Informatik/Robotik: Programmieren von Mikrocontrollern Hubert Müller - Technisches Gymnasium Waldshut 1. Zielsetzung des Kurses: Der Kurs richtet sich an Schüler, die Interesse an Programmierung, Elektronik und Mechatronik haben. Nach einem Jahr kennen alle Teilnehmer grundlegende Techniken der Programmierung und können einfache Aufgaben selber lösen. Die Schüler lernen allgemeine Lösungsansätze für Aufgaben aus der Steuerungs- und Regelungstechnik. Das beinhaltet: Abfragen von Sensoren (Schalter, Lichtsensor, Lagesensor, Inkrementalgeber) und Ansteuern von Aktoren (Leuchten, Motoren, Ventilen). 2. Zusammensetzung der Gruppe im Schuljahr 13/14 Angemeldet waren 10 Schüler. 8 Schüler haben tatsächlich teilgenommen. 6 männliche Teilnehmer und 1 weibliche Teilnehmerin haben den Kurs bis zum Ende des Jahres besucht und eine Teilnahmebescheinigung erhalten. Eine große Gruppe der Teilnehmer stammte aus Klassenstufe 9. Alle Schüler hatten wenig bis gar keine Vorkenntnisse zum Thema. Unter diesem Gesichtspunkt war die Gruppe homogen. Ich habe deshalb die Arbeitsgemeinschaft als Anfängerkurs durchgeführt. Das Verständnis für das Thema wurde langsam aufgebaut, indem sich der Schwierigkeitsgrad der Aufgaben von Termin zu Termin erhöht hat. Die Schüler haben am Anfang viel Führung und Anleitung benötigt. In der Arbeitsgemeinschaft verwendete Microcontrollerplatine

66 Informatik/Robotik: Programmieren von Mikrocontrollern Inhalte des Kurses im Schuljahr 13/ Funktionsweise eines Mikrocontrollers Anhand des schuleigenen Mikrocontrollerboards wurden grundlegende Bestandteile einer CPU: Rechenwerk, Steuerwerk und IO-Einheit erarbeitet. Die Platine enthält auch Peripherie, dazu gehören: Schalter, Tasten, LEDs, 7-Segmentanzeigen, LCD-Anzeige. 3.2 Grundlegende Programmiertechniken Zu den Grundstrukturen jeder Programmiersprache gehören Verzweigungen, Schleifen, Wiederholungen, Mehrfachverzweigungen. Diese können auch grafisch durch Struktogramme veranschaulicht werden. Zweckmäßig ist es, wenn die einzelnen Aufgaben eines Gesamtprogramms in einzelne Funktionen aufgeteilt werden. Deshalb ist das Schreiben von Funktionen und auch die Anwendung von fertigen Funktionen wichtiger Bestandteil des Kurses. Die Ausgabe von Text und Ergebnissen über die LCD-Anzeige wird durch Verwendung der mitgelieferten Funktionen recht einfach. Die gewerblichen Schulen besitzen eine Lizenz für die Simulationssoftware 8051winXL von der Firma Simsoft. Diese Software ermöglicht eine Simulation des selber geschriebenen Programms am PC. Es kann die Ansteuerung von Modulen wie 7-Segmentanzeigen, Motoren, Würfel, Ampeln usw. durch den Mikrocontroller simulieren. Dieses Programm können die Schüler auch zu Hause nutzen. Die Schüler lernen nebenbei die Verwendung der verschiedenen Zahlensysteme (Dezimal, Dual, Hexadezimal). Das Bild zeigt die Simulationsoberfläche des Programms 8051winXL. Zu erkennen sind die Bestandteile eines Mikrocomputers (CPU, Bussystem, RAM, ROM). An PORT-0 (P0) hängt eine Garage. Die Ausgaben an den Ports werden als Hexadezimalzahl und Dualzahl angezeigt. Wenn die Steuerung richtig programmiert ist, zeigt die Simulation, wie das Tor nach einem Tastendruck aufgeht, am Endanschlag stoppt und bei einem weiteren Tastendruck wieder herunterfährt.

67 59 Informatik/Robotik: Programmieren von Mikrocontrollern 3.4 Regelungstechnik mit dem Mikrocontroller am Beispiel Füllstandsregelung. Regelungstechnik ist ein wichtiges Fachgebiet in der Ausbildung von Technikern und Ingenieuren. Jede physikalische Größe kann geregelt werden: z. B: Licht, Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand usw. Jedes regelungstechnische Problem kann mit einem einheitlichen Blockschaltbild dargestellt werden: Die einzelnen Symbole des Blockschaltbildes stehen für konkrete technische Bauelemente. Im Beispiel einer Füllstandsregelung steht das Stellglied für das Ventil in der Zuflussleitung. Der Mikrocontroller erfasst über seine Analogeingänge den eingestellten Sollwert des Füllstandes und den Istwert, ermittelt die Differenz und berechnet die Stellgröße (Öffnung des Zulaufventils). Dieses Prinzip findet man bei jeder Regelung. Das Bild zeigt den Behälter mit Zufluss und Abfluss. Der Füllstand wird mit Mikrocontrollern geregelt. 3.5 Roboter Für die Arbeitsgemeinschaft stehen vier selbstfahrende Roboter (Asuro) zur Verfügung. Anhand dieser Roboter können die vorher gelernten Programmiertechniken sehr gut angewendet werden. Nebenbei lernen die Schüler grundlegende Techniken wie AD-Umsetzung, DA-Umsetzung. Bei der Linienverfolgung müssen zwei Helligkeitssensoren abgefragt werden. Die Werte müssen miteinander verglichen werden und dann mit einem Algorithmus die Ansteuerung der Motoren berechnet werden. Eine andere Aufgabe war die Fernsteuerung des Roboters über die Tastatur eines Computers.

68 Informatik/Robotik: Programmieren von Mikrocontrollern Schülerwettbewerb der Firma Testo Die Firma Testo (Lenzkirch/Titisee) veranstaltet jedes Jahr einen Schülerwettbewerb. Schüler reichen ein selbstentwickeltes Projekt mit einem Mikrocontroller ein. Von der Arbeitsgemeinschaft haben die Schüler Valentin Schlegel und Andreas Matt teilgenommen. Sie haben eine automatische Teezubereitung konstruiert und programmiert. Das Wasser in der Tasse wird mit einem Tauchsieder zum Kochen gebracht. Danach taucht ein Schrittmotor mit Hebelarm den Teebeutel ins Wasser. Der Teebeutel wird nach einer einstellbaren Zeit wieder aus dem Wasser gezogen und gegebenenfalls ein Zuckerwürfel aus einem Fallmagazin zugefügt. Der Tee ist fertig. Die beiden Schüler haben den dritten Platz erreicht. 4. Zusammenfassung und Ausblick Die Schüler haben im Kurs Grundlagen der Informatik erarbeitet und nebenbei noch Einblick in Elektronik und Mechatronik erhalten. Die Teilnehmer hatten die Möglichkeit, durch die verschiedenen Übungsaufgaben Erfahrungen mit der Thematik zu sammeln. Interesse wurde hoffentlich geweckt. Es kann auch sein, dass ein Teilnehmer entdeckt, dass das Thema nicht zu seinen Stärken gehört. Das ist aber aus meiner Sicht der Zweck des Hochrheinseminars: Die Schüler können sich mit Themen befassen, die im Unterricht nicht behandelt werden und sich so ihre Stärken und Schwächen bewusst machen. Die 7 Teilnehmer, die bis zum Schluss durchgehalten haben, können einfache Programme schreiben und geschriebene Programme verstehen.

69 61 Informatik: Programmieren mit C++ Informatik: Programmieren mit C++ und Anwendungen zu Mathematik, Grafik und Datenbanken Dipl.-Math. Techn. Michael Verderber - Technisches Gymnasium Waldshut Planung und Ausgangslage Meine letzten C++-Programmierkurse lagen schon einige Jahre zurück und fanden seinerzeit unter anderen Voraussetzungen statt. Damals kamen die Schüler zum Teil noch aus dem neunjährigen Gymnasium, waren älter und reifer und hatten häufig schon Programmiererfahrung. Davon konnte nun unter den Bedingungen des achtjährigen Gymnasiums nicht mehr ausgegangen werden. In der Ausschreibung verzichtete ich daher darauf, die Programmiererfahrung vorauszusetzen. Dies hatte überraschend viele Anmeldungen zur Folge, so dass in einem ersten Vorbereitungstreffen die Schüler zwischen meinem Kurs und dem zweiten Informatik-Kurs (Robotik mit C) verteilt werden mussten. Dennoch umfasste der Kurs zunächst 14 Schüler. Im Laufe der nächsten Wochen wechselten zwei Schüler in den zweiten Informatik-Kurs, dafür kamen nach den Weihnachtsferien zwei weitere Schüler aus der 9. Klasse des Hochrhein-Gymnasiums hinzu, die von Klassenkameraden zur Teilnahme angeregt worden waren. Die Neulinge arbeiteten sich erstaunlich gut ein und kamen trotz ihres anfänglichen Rückstandes mit. Das Gros der Teilnehmer entstammte der 9. Gymnasialklasse, hinzu kamen ein Achtklässler, ein Berufskollegabsolvent, ein ITG-Absolvent und drei Abiturienten. Nennenswerte Programmiererfahrung hatte etwa ein Drittel der Teilnehmer. Bei dieser Teilnehmerstruktur war nicht mehr daran zu denken, dass sich die Schüler die Inhalte selbst erarbeiten. Vielmehr war vorgesehen, in jeder Doppelstunde eine kurze Einführung zu geben, die neuen Programmiertechniken anzuwenden und schließlich zu besprechen. Das Ganze sollte sich an mathematischen Themen ausrichten. Im Kern ging es darum, einen eigenen Datentyp für Brüche zu entwickeln, der auch das Erweitern und Kürzen automatisch vornimmt. Dabei sollten Schritt für Schritt anspruchsvollere Techniken verwendet und die Lösung immer wieder überarbeitet und verbessert werden. Der Bruchdatentyp sollte schließlich mit Hilfe der Schablonentechnik ( templates) so ausgebaut werden, dass man auch beliebig genaue Ganzzahltypen für den Zähler und den Nenner einsetzen konnte. Den Abschluss sollten verschiedene Anwendungen bilden. Verlauf Natürlich wich der Verlauf von der Planung ab; die Zeit reichte nicht, um das volle Programm durchzuziehen. Schon zu Beginn wurde Aufgaben wie Primzahlprüfung, Teilerbestimmung und vollkommenen Zahlen viel mehr Zeit gewidmet, als eigentlich vorgesehen war, weil sich die Schüler stärker dafür interessierten, als ich es erwartet hatte.

70 Informatik: Programmieren mit C++ 62 Als wir uns der Bruchrechnung näherten, musste ich teils Zwischenschritte einbauen, die nicht vorgesehen waren, und dafür andere Zwischenschritte aus Zeitmangel weglassen. Und zur Schuljahresmitte mussten die neu hinzugekommenen Schüler erst einmal eingearbeitet werden. Das übernahmen zum Teil ihre Klassenkameraden, die dadurch natürlich mit ihren eigenen Aufgaben langsamer vorankamen. Die Schüler der Abschlussklassen kamen wegen der anstehenden Prüfungen seltener, was auch bremsend wirkte. Die Verzögerungen brachten aber keinen Leerlauf mit sich, weil die Schüler immer wieder etwas an ihren Programmen zu verbessern und auszubauen hatten. Schließlich galt es, die bestehenden Programme immer wieder an neue Programmiertechniken anzupassen. Als Anwendung des Bruchdatentyps sollte jeder einen Bruch-Taschenrechner programmieren, und dabei hatte jeder Schüler es selbst in der Hand, wie aufwändig dieser sein sollte. Bei den Ein- und Ausgabefunktionen für Brüche fanden einige Schüler sehr elegante Lösungen, welche in die spätere gemeinsame Musterlösung Eingang fanden. In dem Maße, in welchem die Techniken ausgefeilter wurden, wurde es nämlich erforderlich, eine Musterlösung für den jeweils neuesten Schritt auszugeben, weil sich immer wieder zeigte, dass ein Schüler trotz der Besprechungen etwas übersah und zu ändern vergaß.

71 63 Informatik: Programmieren mit C++ Nach Ostern musste ich den Stoff deutlich straffen und kürzen, um noch zu den Grafikanwendungen kommen zu können. Die Ausnahmebehandlung wurde noch ausführlich geübt, die Vererbung nur in den Grundzügen besprochen, und für die Schablonen gab es ein Übungsblatt zum Selbstlernen. Für die Grafikprogrammierung standen sowohl das Programmpaket FLTK als auch die darauf basierende, von mir entwickelte, einfache Grafikbibliothek zur Verfügung. Ich brachte einige Beispielprogramme als Anregung mit. Zunächst experimentierten die Schüler mit einfachen Zeichnungen. Für die Schlusspräsentation war an eine Grafikanwendung gedacht; ich entwickelte hierzu einen einfachen Bruchtaschenrechner mit Grafikoberfläche und stellte ihn in mehreren Ausführungen zur Verfügung, um die verschiedenen Lösungswege für eine Grafikoberfläche aufzuzeigen. Die Schüler hatten so eine Anregung für eigene Anwendungen. Vom Ehrgeiz gepackt, programmierte schließlich ein Schüler während der Pfingstferien direkt mit dem FLTK-Programmpaket eine einfache Kasse mit Rückgeldberechnung für die Schlusspräsentation. In das Programmpaket arbeitete er sich selbst anhand der mitgelieferten, englischsprachigen Dokumentation ein.