An Verpackungen kann man (nicht nur, aber besonders effektiv) Mathematisches Modellieren lernen

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1 An Verpackungen kann man (nicht nur, aber besonders effektiv) Mathematisches Modellieren lernen Prof. Dr. Regina Bruder Technische Universität Darmstadt ISTRON Hamburg

2 Gliederung 1. Visionen für einen modernen Mathematikunterricht. Verpackungsoptimierung: Mathematisch Modellieren in verschiedenen Stufen 3. Methodische Unterstützungsinstrumente zum langfristigen Kompetenzaufbau

3 Vision für modernen MU: Was soll durch den Mathematikunterricht von der Mathematik verstanden, Mathematische Gegenstände... als eine deduktiv geordnete Welt eigener Art... begreifen. behalten und Problemlösefähigkeiten (heuristische Fähigkeiten, die über die Mathematik hinausgehen) angewendet werden können? Erscheinungen der Welt um uns... in einer spezifischen Art wahrzunehmen und zu verstehen. Vgl. die drei Grunderfahrungen bzgl. Mathematik nach H.Winter 1995

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5 Langfristiger Kompetenzaufbau bezüglich eines mathematischen Blickes in die Welt, kann heißen: a) Die Umwelt/Lebenswelt mit mathematischem/logischem Blick kritisch prüfen: Stimmt das? Kann das denn sein? Warum ist das so? b) Den Mehrwert von Mathematik erfahren: Wo kommt Mathematik vor wo ist Mathematik versteckt? Wie fragen Mathematiker? Was wissen wir jetzt besser/genauer mit Mathematik als vorher? Beispiele: - wir können Größen abschätzen - wir können Dinge, Sachverhalte, Anteile miteinander vergleichen - wir können Oberflächen, Volumina optimieren

6 a) Schätze das Volumen dieser Schachtel und beschreibe, wie du dabei vorgehst! b) Wenn das Volumen des Inhalts 70% (oder weniger) des Volumens der Verpackung beträgt, spricht man von einer Mogelpackung. Handelt es sich hier um eine Mogelpackung? Begründe deine Meinung rechnerisch.

7 Wo findet man Realität, die wirklich mathematisch betrachtet wird? Verpackungen kreieren und analysieren a)wie viel Prozent des Packungsvolumens enthält essbaren Inhalt? b)sind die Kriterien für eine Mogelpackung erfüllt? c)wie könnte man die 15 Pralinen noch anders verpacken? Konstruiere einen neuen Vorschlag!

8 Stellt Euch vor, Ihr werdet als Mathematikexperte bei einer Firma, die Schokowaffeln produziert, um Hilfe gebeten. Eure Aufgabe ist es, möglichst viele Ideen zu entwickeln, was alles an den Schokowaffeln verändert werden kann! Welche Vorschläge würdet ihr unterbreiten?

9 Schülerreaktionen aus dem Unterricht: Die Waffeln krümeln immer so, kann man das ändern? Wenn man Werbeblättchen bekommt, würden bestimmt mehr Leute die Waffeln kaufen. Ich möchte gerne wissen, wie lange ich joggen muss für so eine Waffel! Das sollte man dann drauf schreiben! Ich habe mal gelesen, dass Kakao teurer ist als Nüsse. Ob sich die Zusammensetzung der Schokowaffel in den letzten Jahren schon geändert hat? Wieso sind die Waffeln eigentlich quadratisch hat das einen besonderen Grund? Kann man die Waffeln noch anders einpacken und Papier sparen ohne gleich schmutzige Finger zu bekommen?

10 Um welche prototypischen Sachverhalte geht es? Schätzen und Überschlagen von Größen (sinnhaft!!) Annahmen machen! Schaffen es die Luftballons bis über den nahe gelegenen Berg? Schokowaffeln optimieren Alternative Verpackungen finden Erfüllt die Konfektschachtel die Kriterien einer Mogelpackung? Wie viel Liter Wasser passen in diesen Fasswagen?

11 Was ist wesentlich? Orientierung an der Curriculumspirale Abstände Figuren erkennen untersuchen erzeugen variieren berechnen Datensätze beschreiben darstellen strukturieren Algebraische Aspekte: Zahl Geometrische Aspekte: Raum Objekte (und Prozesse) optimieren - bei Verpackungen

12 Was soll man beim Modellieren und für mathematisches Modellieren lernen? Mathematisches Modell 3 Mathematische Ergebnisse Kompetenzaspekte: 1 Typische, mit Mehrwert mathematisch bearbeitbare Kontexte kennen lernen Mathematik 4 Lernen, begründete Annahmen zu machen Realität Realmodell 1 Realsituation 5 Reale Ergebnisse 3 Mathematische Werkzeuge und Darstellungsformen kennen und verwenden können 4 Interpretieren/Deuten mathematischer Ergebnisse im Kontext

13 Ziele des langfristigen Kompetenzaufbaus sind, dass die Lernenden - -- mathematische Fragestellungen erkennen, auch in Alltagssituationen, und solche Fragestellungen formulieren und erläutern können. - in Verbindung mit Verpackungen - Mathematisierungsmuster und verschiedene heuristische Vorgehensweisen sowie Darstellungsarten zur mathematischen Bearbeitung realitätsbezogener Fragestellungen kennen und diese situations- und sachgerecht anwenden, interpretieren und begründen können. - entwickeln Anstrengungsbereitschaft und Reflexionsfähigkeit für ihr eigenes Handeln.

15 . Verpackungsoptimierung: Mathematisch Modellieren in verschiedenen Stufen - Die Lernenden erkennen mathematische Fragestellungen, auch in Alltagssituationen, und können solche Fragestellungen formulieren. Rundgang mit der Mathematikbrille... Frage: Wo ist Mathematik in Verpackungen versteckt?

16 . Verpackungsoptimierung: Mathematisch Modellieren in verschiedenen Stufen Was ist an Verpackungen von Bedeutung? (relevante Fragen stellen lernen) Schutzfunktion Schutz des Füllguts über die gesamte Lieferund Gebrauchskette Transportierbarkeit Schutz vor Veränderung der Produktqualität Schutz vor Füllgutverlusten Informationsträger Verpackung als System: Verkaufs-, Um- und Transportverpackung Art des Materials Form Handhabbarkeit Herstellungsverfahren

17 Die öffentliche Diskussion hat sich in den vergangenen Jahren von der Nachhaltigkeit (Rio) über die Klimadiskussion auf eine Kohlenstoff-Fußabdrucks-Diskussion in der Öffentlichkeit zugespitzt Verschiedene Hersteller auf europäischer Ebene wollen auf Produkten bzw. Verpackungen zukünftig freiwillig über die erzeugten CO - Emissionen informieren.

18 In Deutschland sind Politik und Wirtschaft von der Wirkung einer quantitativen CO -Kennzeichnung nicht überzeugt. (Ergebnisbericht PCF-Projekt, Januar 009)

19 - Die Lernenden erkennen mathematische Fragestellungen, auch in Alltagssituationen, und können solche Fragestellungen formulieren. Rundgang mit der Mathematikbrille... Frage: Wo ist Mathematik in Verpackungen versteckt? Vergleichen verschiedener Verpackungen miteinander Frage: Welche Mathematik wird wofür benötigt? Art des Materials Form Handhabbarkeit Herstellungsverfahren Ökologische Aspekte

20 Vergleichen verschiedener Verpackungen miteinander nach Art des Materials mit Optimierungsideen allerdings in Abhängigkeit von der Art der Herstellung

21 Vergleichen verschiedener Verpackungen miteinander nach der Form der Verpackung in Verbindung mit dem Herstellungsverfahren und der Optimierung des Materialverbrauchs

22 Mathematisch Optimieren am Beispiel von Verpackungen Ein Volumen von 1 Liter/1 dm³ soll verpackt werden! Es sind Bedingungen für eine minimale Oberfläche bei verschiedenen gegebenen Körperformen zu finden! Mögliche Körperformen: Mögliche Kugel, Zylinder, Körperformen: Würfel, Kreiskegel, Kugel, Prisma Zylinder, mit gleichseitigem Würfel, Kreiskegel, Dreieck als Prisma Grundfläche, mit gleichseitigem Dreieck als Grundfläche, Pyramide mit quadratischer Pyramide Grundfläche, mit quadratischer Grundfläche, Tetraeder Tetraeder

23 Ein Volumen von 1 Liter/1dm³ soll verpackt werden! Körper Optimale Verpackung Kugel A = 4 πr r = 3 V 3 4 π A = 483,60 cm Zylinder A = πr + V V r r = 3 V 3 π A = 553,58 cm Würfel A = 6 a a = 3 V A = 600cm Kreiskegel A 9 V 4 6 πr + + r r = A = 609,30cm = π r 9 V 8 π

24 Prisma mit gleichseitigem Dreieck als Grundfläche A = a V a 3 a = 3 4 V A = 654,57cm Pyramide mit quadratischer A = a + a V a A = 660,39 cm Grundfläche Tetraeder A = a 3 a 1 V = 3 A = 70,56cm

25 - Die Lernenden erkennen mathematische Fragestellungen, auch in Alltagssituationen, und können solche Fragestellungen formulieren. Rundgang mit der Mathematikbrille... Frage: Wo ist Mathematik in Verpackungen versteckt? Vergleichen verschiedener Verpackungen miteinander Frage: Welche Mathematik wird wofür benötigt? Art des Materials Form Handhabbarkeit Herstellungsverfahren Ökologische Aspekte

26 Fallbeispiel: Bier in Glasflasche oder Alu-Dose Die ökologischen Stellschrauben innerhalb eines Produktlebenswegs sind je nach Umweltproblemfeld an unterschiedlichen Stellen zu finden. Entsorgung + Recycling Distribution g PO4-Äquivalente pro l Füllgut Abfüllung UBC-Recycling 1 Sekundäre- 5 und tertiäre Verpackung 0 Kunststoff-Herstellung. Etikettherstellung Verschlussherstellung Getränkebehälterherstellung kg CO-Äquivalente pro 1000 l Bier Fallbeispiel 1: Regionaler Vertrieb Treibhauseffekt Distribution k g C O -Ä quiv alente pro 1000 l B ier Treibhauseffekt Fallbeispiel : Deutschland weiter Vertrieb Prozessschrottaufbereitung 0 0 Dosenbandherstellung Primär-Aluminium-Herstellung, Blechherstellung für Kronkorken 0. Glas T100 UZ5 4. Alu T100 Glas MW Alu-Dos 0 5. Glas T Alu T680 UZ11 MW EW Quelle: IntJLCA (Basis: IFEU-Studie im Auftrag der GDA)

27 - Die Lernenden erkennen mathematische Fragestellungen, auch in Alltagssituationen, und können solche Fragestellungen formulieren. Rundgang mit der Mathematikbrille... Frage: Wo ist Mathematik in Verpackungen versteckt? Vergleichen verschiedener Verpackungen miteinander Verpackungen analysieren Kreation einer neuen Leckerei mit Verpackung Frage: Welche Mathematik wird wofür benötigt?

28 Beispiele für Analysen von Verpackungen Ist die Tetrapak-Milchtüte materialoptimal? Ansatz 1 Der erste Ansatz berücksichtigt ausschließlich die Materialminimalität der 1-Liter-Milchtüte mit quadratischer Grundfläche. Aspekte wie Stabilität, Handlichkeit und Öffne- und Wiederverschließmöglichkeit, die in der realen Herstellung beachtet werden müssen, spielen keine Rolle. Wollen Sie Ihre CDs in der Hülle verschicken, empfehlen wir Ihnen den Jewelcase Versandbrief. Auch er ist selbstklebend und portooptimiert. Prüfe das nach!

29 - Die Lernenden erkennen mathematische Fragestellungen, auch in Alltagssituationen, und können solche Fragestellungen formulieren. Rundgang mit der Mathematikbrille... Frage: Wo ist Mathematik in Verpackungen versteckt? Vergleichen und Analysieren von Verpackungen Frage: Welche Mathematik wird wofür benötigt? Realsituationen mathematisch beschreiben: Material- und Kostenoptimierung bei der Herstellung von Verpackungen unter Berücksichtigung von Nutzerfreundlichkeit Schutz und Haltbarkeit des Verpackungsinhalts ökologischer Aspekte Frage: Wie kann man solche Situationen/Zusammenhänge mathematisch beschreiben? Welche Vorteile, welchen Mehrwert kann eine mathematische Beschreibung bieten?

30 Realsituationen mathematisch beschreiben: 1.) Optimierung der Verpackung auf der Palette unter Berücksichtigung von Schachtelbauarten, Schachtelabmessungen, Materialverbrauch, der Qualitätsbestimmung einzusetzender Wellpappe für die Versandverpackung und der Geometrie der Produktverpackung;.) Optimierung des Verpackungsspektrums, d.h. Reduzierung der Verpackungsvielfalt durch optimales Packen der Artikel in der Verpackung und optimale Stapelung der Packungen auf der Palette, sowie durch Verpackungsauswahl und statistische Auswertung der Packergebnisse Quelle:

31 Realsituationen mathematisch beschreiben: Wie gelingt hier eine materialsparende Herstellung?

32 Realsituationen mathematisch beschreiben: Dosenoptimierung unter dem Gesichtspunkt der Nutzerfreundlichkeit

33 Innehalten und Orientieren : Mathematikbrille aufsetzen zur Reflexion Welches sind typische Fragen, die Mathematiker stellen und auch zu beantworten versuchen? -etwas optimieren -etwas schrittweise verfeinern, annähern -einen Algorithmus finden (eine Formel ) für einen Zusammenhang -Mathematische Modelle für Realsituationen finden, Simulationen Wenn man eine Lösung für ein Problem gefunden hat: - Ist das die einzige Lösung? Kann man das beweisen? - Kann man diese spezielle Lösung auch verallgemeinern?

34 Reflexion und Hintergrund Jedes Ziel umfasst: - Intelligentes Wissen Handlungskompetenz Die Lernenden - - erkennen mathematische Fragestellungen, - auch in Alltagssituationen, und können solche Fragestellungen formulieren und erläutern. In welche Richtungen kann man fragen? (Wo ist Mathematik versteckt, wo hilfreich ) Typische Mathematikerfragen kennen Konkrete Fragen in einem Kontext finden auf verschiedenen Orientierungsleveln 1. Probierorientierung. Orientierung am Bsp. 3. Feldorientierung Metakompetenz Beurteilungskriterien für mathematikhaltige Fragestellungen

35 Verpackungen machen in Deutschland ca. 1% in der CO-Gesamtemission aus. Durchschnittbilanz Tonnen CO pro Jahr Durchschnittliche CO - Emission pro Kopf in Privathaushalten Heizen und Warmwasser 1,97 Elektrogeräte 0,75 Energieverbrauch gesamt,7 Verbrauch der Allgemeinheit 11% Heizen und Warmwasser 18% Privatfahrzeuge 1,56 Offentliche Verkehrsmittel 0,11 Flugreisen 0,85 Mobilität gesamt,5 Ernährung 1,65 Persönlicher Konsum,75 Verbrauch der Allgemeinheit 1,4 Konsum gesamt 5,64 Gesamt 10,88 Persönlicher Konsum 6% Ernährung 15% Elektrogeräte 7% Offentliche Verkehrsmittel 1% Flugreisen 8% Privatfahrzeuge 14% Quelle: Umweltbundesamt

37 Unterrichtskonzept von MABIKOM Unterrichtseinstieg KÜ Lernprotokoll Wahlaufgaben, Aufgabenset KÜ KÜ Checkliste LHA Blütenaufgaben Lernkontrolle

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