Allgemein bildende Schulen Gymnasium

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Edwina Dunkle
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1 Allgemein bildende Schulen Gymnasium Gefördert durch Simulierte Welten Landesinstitut für Schulentwicklung Qualitätsentwicklung und Evaluation Unterrichtsbausteine zum Thema Simulation für den Unterricht in den Fächern NWT, Mathematik und Informatik Schulentwicklung und empirische Bildungsforschung Bildungspläne Stuttgart 2015 NwT 17

2 Redaktionelle Bearbeitung: Redaktion: Autorinnen und Autoren Jörg Hilpert (M.A.), Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS) StR Jochen Barwind (Dipl.-Physiker), Schelztor-Gymnasium Esslingen am Neckar Dr. Rüdiger Berlich, Gemfony scientific UG Prof. Dr. Hannes Hartenstein, Steinbuch Centre for Computing (SCC), Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Jörg Hilpert (M.A.), Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS) Dr. Ivan Kondov, Steinbuch Centre for Computing (SCC), Karlsruher Institut für Technologie (KIT) StR Peter Lürßen, Bismarck-Gymnasium Karlsruhe Prof. Dr. Ortwin Renn, Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS) Prof. Dr. Michael Resch, Höchstleistungsrechenzentrum der Universität Stuttgart (HLRS) Dr. Olaf Schneider, Steinbuch Centre for Computing (SCC), Karlsruher Institut für Technologie (KIT) StD in Dr. Almut Zwölfer, Schelztor-Gymnasium Esslingen am Neckar Stand: Oktober 2015 Impressum: Herausgeber Druck und Vertrieb Urheberrecht Landesinstitut für Schulentwicklung (LS) Heilbronner Straße 172, Stuttgart Telefon: Telefax: Landesinstitut für Schulentwicklung (LS) Heilbronner Straße 172, Stuttgart Telefon: Inhalte dieses Heftes dürfen für unterrichtliche Zwecke in den Schulen und Hochschulen des Landes Baden-Württemberg vervielfältigt werden. Jede darüber hinausgehende fotomechanische oder anderweitig technisch mögliche Reproduktion ist nur mit Genehmigung des Herausgebers möglich. Soweit die vorliegende Publikation Nachdrucke enthält, wurden dafür nach bestem Wissen und Gewissen Lizenzen eingeholt. Die Urheberrechte der Copyrightinhaber werden ausdrücklich anerkannt. Sollten dennoch in einzelnen Fällen Urheberrechte nicht berücksichtigt worden sein, wenden Sie sich bitte an den Herausgeber. Bei weiteren Vervielfältigungen müssen die Rechte der Urheber beachtet bzw. deren Genehmigung eingeholt werden. Landesinstitut für Schulentwicklung, Stuttgart 2015

3 Unterrichtsbausteine zum Thema Simulation Danksagung Für die weitreichende Unterstützung bei der Erstellung dieser Handreichung möchte sich das Projektteam von Simulierte Welten beim Baden-Württembergischen Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst (MWK), insbesondere bei Herrn Peter Castellaz, sowie beim Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS), dem Steinbuch Centre for Computing (SCC) des Karlsruher Instituts für Technologie, dem Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart und dem Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg bedanken. Ebenso sind das Schelztor-Gymnasium aus Esslingen am Neckar und das Bismarck-Gymnasium aus Karlsruhe als Modellschulen Teil des Projektes. Allen beteiligten Lehrenden und Lernenden, neben den genannten Schulen insbesondere auch denen des Robert-Bosch-Gymnasiums in Gerlingen sowie des Gymnasiums Neureut in Karlsruhe, gebührt ebenfalls unser Dank! 3

4 Landesinstitut für Schulentwicklung

5 Unterrichtsbausteine zum Thema Simulation Inhaltsverzeichnis Vorwort Schule... 9 Vorwort Wissenschaft Einleitung Bausteine für den Unterricht Beispiel einer Unterrichtseinheit im Fach NWT Baustein A: Was ist eine Simulation? Baustein B: Würfelsimulation Baustein C: Programmieren lernen Baustein D: Programmieraufgabe Minigolf Baustein E: Programmieraufgabe Billard Baustein F: Vorstellung verschiedener Computersimulationen Baustein G: Grenzen der Simulierbarkeit Beispiele aus der Physik Baustein H: Chancen, Risiken und gesellschaftliche Relevanz von Simulationen Weitere Anregungen zum Einsatz des Themas im Unterricht Modul Science AG Modul Seminarkurs Fazit Glossar Simulation und Modell Simulation vs. Visualisierung Simulation und Optimierung Simulation und das Hochleistungsrechnen Weiterführende Materialien und Informationen Beispiele für Simulationen Einführung in die Programmiersprache Scratch Das Projekt Simulierte Welten Zielsetzung Auszeichnungen Über die Autoren

6 Landesinstitut für Schulentwicklung 9 Beteiligte Institutionen Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) Steinbuch Centre for Computing (SCC) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS) Schelztor-Gymnasium Esslingen am Neckar Bismarck-Gymnasium Karlsruhe Gemfony scientific UG Literatur

7 Unterrichtsbausteine zum Thema Simulation Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Beispielhafter Ablauf der Unterrichtseinheit Abbildung 2: Zusammenhang zwischen Realität, Modell und Simulation Abbildung 3: Scratch Sage Hallo! Abbildung 4: Scratch Wiederhole 10mal Abbildung 5: Scratch Wenn Taste gedrückt Abbildung 6: Schüler beim Test der Minigolfbahn Abbildung 7: Energetika Abbildung 8: Wolf Sheep Predation in NetLogo Abbildung 9: EveryCircuit Abbildung 10: Funktionsfähige Schaltung Abbildung 11: Fehlerhafte Schaltung Abbildung 12: Screenshots aus Plague Inc Abbildung 13: Doppelpendel Foto Abbildung 14: Doppelpendel Foto Abbildung 15: Dynamic Geomag: Chaos Theory Explained Abbildung 16: (Fr)Eier Fall Parameterfindung Abbildung 17: (Fr)Eier Fall Bahn Abbildung 18: Suche nach dem Optimum einer Funktion mit vielen lokalen Optima mit Hilfe eines Parameterscans sowie einem Evolutionären Algorithmus Abbildung 19: Zwei Ansichten des Steinbuch Centre for Computing am Karlsruher Institut für Technologie Abbildung 20: Grafische Darstellung von Scratch Abbildung 21: Scratch Übersicht behalten Abbildung 22: Scratch Prozeduren steuern sich gegenseitig Abbildung 23: Scratch Die Maus als neues Objekt Abbildung 24: Scratch Verwendung mathematischer Befehle (1) Abbildung 25: Scratch Verwendung mathematischer Befehle (2) Abbildung 26: Scratch Kollisionsabfrage Abbildung 27: Scratch Unterprogramm Maus Abbildung 28: LightBot Abbildung 29: Hour-Of-Code Abbildung 30: Ebenen des Wissenserwerbs Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übersicht über die drei Phasen der Unterrichtseinheit NWT

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