Didaktische FWU-DVD. Evolution und Optimierung Evolution and Optimization

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Evolution und Optimierung Evolution and Optimization

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Hauptmenü führt zurück zum Hauptmenü. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Bei der aktiven Auseinandersetzung mit dem Medium erwerben die Schülerinnen und Schüler Kompetenzen, die sich den in den KMK-Bildungsstandards formulierten Kompetenzbereichen zuordnen lassen: Die Schülerinnen und Schüler: stellen strukturelle bzw. funktionelle Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Organismen dar, beschreiben und erklären die Angepasstheit ausgewählter Organismen an ihre Umwelt, beschreiben und erklären Ursachen der Evolution an ausgewählten Lebewesen, erklären die Variabilität von Lebewesen, vergleichen Entwicklungsprozesse in der Technik mit denen in der natürlichen Evolution, erläutern den Begriff Bionik anhand konkreter Beispiele, stellen Erfolge der Anwendung evolutionsbiologischer Prinzipien auf die Optimierung technischer Produkte dar, analysieren Wechselwirkungen mithilfe von Modellen, beschreiben und beurteilen Erkenntnisse und Methoden der Bionik als aktuelles und interdisziplinäres Forschungsfeld im Rahmen der Biowissenschaften, wenden biologische Konzepte (Evolutionstheorie, Variabilität, Selektion) kritisch in außerfachlichen Kontexten (Entwicklung technischer Produkte) an, stellen Ergebnisse und Methoden naturwissenschaftlicher Untersuchungen dar und argumentieren damit, erwerben verstärkt englische Sprachkenntnisse und verbessern durch fachspezifische Terminologie ihre Kommunikationsfähigkeit. 2

3 Zum Inhalt Darwin auf dem Berg Evolution und Optimierung Film (10 min) Seit Jahrmillionen formt die Evolution das Leben auf unserem Planeten. Vor rund 150 Jahren hat ein Mann die Prinzipien der Evolution erkannt und sie benannt: Charles Darwin. Seine Grundsätze zur Variation (natürliche Vielfalt) und Selektion (natürliche Auslese) werden den Schülerinnen und Schülern kurz und prägnant vermittelt. Wie lassen sich aber diese Prinzipien der natürlichen Vielfalt und der natürlichen Anpassungsstrategien, zur Verbesserung von Technologien verwenden? Der Film zeigt: Wir Menschen nehmen uns die Ideen der Natur in vielen technischen Bereichen zum Vorbild. Manche Flugzeuge zum Beispiel fliegen nach dem Vorbild der Storchenflügel. Der animierte Film gibt Einblicke in die faszinierende Welt der Bionik und eröffnet den Schülerinnen und Schülern ein Bewusstsein für einen Wissenschaftszweig, der für zukunftsweisende und naturverträgliche Technologien steht. 3

4 Menü Darwin auf dem Berg Evolution und Optimierung (Sequenzen) Variation und Selektion (Filmsequenz 1:50 min) Die Bezeichnungen natürliche Vielfalt und natürliche Selektion wurde von Charles Darwin geprägt. Als Aspekte seiner Evolutionstheorie wurden sie als wesentliche Teile in die moderne Evolutionstheorie übernommen. Die Filmsequenz stellt anschaulich dar, wie Variation in der Natur zustande kommt und was sich hinter dem Begriff natürliche Selektion verbirgt. Künstliche Evolution in der Forschung (Filmsequenz 2:10 min) Wie kann man die Prinzipien der Evolution zur Entwicklung und Verbesserung von Technologien verwenden? Die Schülerinnen und Schüler erfahren in dieser Filmsequenz, wie Ingenieure am Vorbild der Evolution unterschiedliche Technologien entwickeln und optimieren. Als Beispiel dient das Winkelplatten-Experiment von Prof. Dr. Ingo Rechenberg aus dem Jahr Es zeigt, dass allein durch das Wechselspiel von zufälligen Variationen und der Auslese der am besten angepassten Form ein robustes Optimierungsverfahren entstehen kann. Die geschachtelte Evolutionsstrategie (Filmsequenz 2:00 min) Als Evolutionsstrategie wird die Umsetzung biologischer Prinzipien zur Lösung technischer Probleme bezeichnet. Prof. Dr. Ingo Rechenberg entwickelte im Laufe seiner Forschungskarriere eine Evolutions-Algebra, die eine umfangreiche Evolution simuliert. Mit dieser geschachtelten Evolutionsstrategie können sehr vielschichtige Optimierungen durchgeführt werden. Das komplexe Thema wird mithilfe eines Vergleichs veranschaulicht. So kann man sich einen Optimierungsprozess wie eine Bergbesteigung im Nebel vorstellen: Auch hier kommt es auf die Schrittlänge an, um den Berggipfel unter nahezu optimalen Bedingungen zu erreichen. 4

5 Vorbild Storchenflügel (Filmsequenz 1:50 min) Die Optimierung von Flugzeugtragflächen ist eines der vielen Beispiele für die Übertragung von Evolutionsstrategien auf technische Anwendungen. Um die Gefahr von im Flug entstehenden Luftwirbeln zu minimieren, werden an den Enden der Tragflächen sogenannte Winglets angebracht. Diese orientieren sich am Vorbild des Storchenflügels. Die Schülerinnen und Schüler lernen, wie technische Ideen nach Vorbildern der Natur entstehen und wie am Beispiel der Winglets Technologien durch evolutionsstrategische Optimierungsprozesse Stück für Stück verbessert und weiterentwickelt werden können. Darwin on the Mountain Evolution and Optimization film (10 min) Hier startet der Film Darwin auf dem Berg Evolution und Otpimierung in englischer Sprache. Menü Darwin on the Mountain Evolution and Optimization (sequences) Aus diesem Menü können die Sequenzen des Films in englischer Sprache direkt angewählt werden. Menü Evolution in Natur und Technik (Grafiken/Texte/Bild) Homologie Mensch und Pferd (Grafik) Die Grafik zeigt einen Vergleich des Skeletts von Mensch und Pferd. Die Schülerinnen und Schüler sollen den Begriff 5

6 Homologie verstehen und lernen, dass sich homologe Merkmale von gemeinsamen Vorfahren ableiten. Die Beschriftung der Skelettstrukturen kann ein- und ausgeblendet werden. Die Grafik eignet sich somit gut für einen Einsatz am interaktiven Whiteboard. Analogie Maulwurf und Maulwurfsgrille (Bild) Die Graborgane einer Maulwurfsgrille und eines Maulwurfs werden hier als Beispiel für analoge Strukturen gegenübergestellt. Durch die Lehrkraft sollte in diesem Zusammenhang eine Abgrenzung zum Begriff Homologie erfolgen. Auch wenn auf den ersten Blick meist nicht zu erkennen ist, ob zwei Strukturen unterschiedlicher Arten homolog oder analog sind, lassen sich bei genauerer Betrachtung oftmals deutlich sichtbare Unterschiede herausarbeiten (z. B. Graborgan der Maulwurfsgrille aus Chitin und Hand des Mauswurfs aus knöchernem Innenskelett). Evolutionstheorien: Jean-Baptiste de Lamarck (Text) Der Zoologe und Botaniker Jean-Baptiste de Lamarck beschrieb zu Beginn des 19. Jahrhunderts den Evolutionsprozess als eine Umwandlung der Arten aufgrund der Veränderung ihrer Lebensbedingungen und ihrer inneren Bedürfnisse. Für die Vererbung erworbener Eigenschaften konnte man bis heute allerdings keine wissenschaftlichen Belege finden. Für die weitere Entwicklung der Evolutionstheorie war Lamarck jedoch zu seiner Zeit sehr bedeutsam: Als erster Forscher stellte er eine umfassende Theorie zur Entstehung der Artenvielfalt und der Angepasstheit der Lebewesen vor. Evolutionstheorien: Charles Darwin (Text) Charles Darwin ist wohl eine der bedeutendsten Persönlichkeiten in der Geschichte der Evolutionstheorie. In seinem Werk stellt Darwin zum einen die Abstammung von Lebewesen von früheren Formen dar und begründet so die Vielfalt der Arten. Die Ursachen dieser Evolution erklärt er durch die Prozesse der natür- 6

7 lichen Auslese. Viele Aspekte der Evolutionstheorie Darwins wurden in die moderne Evolutionstheorie übernommen. Seine These Survival of the fittest hat auch heute noch Bestand. Evolutionstheorien: Lamarck und Darwin im Vergleich (Grafik) Der wohl bekannteste Vergleich zwischen Lamarcks und Darwins Evolutionstheorien ist das Beispiel der Entwicklungsgeschichte von Giraffenhälsen. Die Grafik zeigt, wie sich der Hals von Giraffen laut der beiden Evolutionstheorien im Laufe von Generationen von kurz nach lang entwickelt haben müsste. Die beiden Evolutionstheorien können mit den Schülerinnen und Schülern im direkten Vergleich erarbeitet werden. Evolutionstheorien: Die synthetische Evolutionstheorie (Text) Neue wissenschaftliche Erkenntnisse und immer präziser werdenden Forschungsmethoden führten im Laufe der Zeit dazu, dass die Evolutionstheorie Charles Darwins weiterentwickelt und ergänzt wurde. Auf diese Weise entstand die synthetische Evolutionstheorie, die die Erkenntnisse Darwins mit neuesten Wissensständen aus Genetik, Ökologie, Paläontologie und Systematik ergänzt. Leonardo Da Vinci Der erste Bioniker (Text) Ideen aus der Natur zu sammeln und sie auf eigene technische Entwürfe zu übertragen das inspirierte schon seinerzeit das italienische Universalgenie Leonardo Da Vinci, wie sich in seinen zahlreichen technischen Skizzen auf beeindruckende Weise erkennen lässt. Vorgehen in der Bionik (vereinfacht) (Grafik) Eine übersichtliches Schema zeigt vereinfacht eine der üblichen Vorangehensweisen beim Entwickeln neuer Technologien im Wissenschaftszweig der Bionik. Die Schülerinnen und Schüler lernen, wie man von einem definierten Problem zur technischen Lösung gelangen kann. Interaktion Homologie der Wirbeltierskelette In dieser Interaktion können die Bestandteile des menschlichen Skeletts und verschiedener tierischer Skelette markiert werden. Die Schülerinnen und Schüler erkennen so auf spielerische Weise, dass die Skelette aller Wirbeltiere homologe Merkmale aufweisen, die auf gemein same Vorfahren zurückzuführen sind. 7

8 Verwendung im Unterricht Die Produktion Evolution und Optimierung ist insbesondere für den Einsatz in der Sekundarstufe I (ab 7. Klasse) konzipiert. Mithilfe des differenzierten Grafikmaterials (z. B. Vergleich unterschiedlicher Evolutionstheorien) kann sie aber auch in der Oberstufe gut zur Wiederholung und Vertiefung der Thematik eingesetzt werden. Die Produktion eignet sich sowohl für den Einsatz im einsprachigen sowie bilingualen Biologieunterricht als auch im Englischunterricht. Ausgehend von der Behandlung der Evolutionstheorie wird bei den Schülerinnen und Schülern die Perspektive auf deren Nutzbarmachung für technische Optimierungsprozesse geweitet. Da im inhaltlichen Fokus der Brückenschlag zwischen Biologie und Technik steht, eignet sich die Produktion ebenfalls gut für alle integrierten naturwissenschaftlichen Fächerverbünde bzw. für einen fächerübergreifenden Unterrichtseinsatz oder projektorientierte Unterrichtsvorhaben. In der Fremdsprache und im bilingualen Unterricht wird die Verwendung ab der 10. Klasse empfohlen. Im Zusatzmaterial liegen Vokabellisten und der englische Filmkommentar vor, welche der Lehrkraft einen guten Eindruck des fremdsprachlichen Niveaus vermitteln. Der Film, die Filmsequenzen und die Arbeitsblätter der Produktion liegen in deutscher und englischer Sprache vor. Der Film Darwin auf dem Berg bietet die Möglichkeit, die im Rahmen des Biologieunterrichts der Mittelstufe von den Schülerinnen und Schülern entwickelte Vorstellung von der biologischen Evolution der Lebewesen auf den Bereich der technischen Produktentwicklung zu transferieren. Diese enge Verknüpfung von technischer Anwendung und klassisch-biologischer Theoriebildung birgt ein hohes Potenzial, um naturwissenschaftliche Interessen zu wecken sowie die Möglichkeit, konzeptuelles Theoriewissen auf neue, bisher ungewohnte Kontexte zu übertragen. Die Produktion kann im Rahmen der folgenden Schwerpunkte eingesetzt werden: Variation (natürliche Vielfalt) und Selektion (natürliche Auslese) Evolutionstheorie nach Darwin und Lamarck Bionik Evolutionsstrategien als Optimierungsprozesse von Technologien Geschachtelte Evolutionsstrategie 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter / Worksheets (mit Lösungen) Interaktion Bilder / Grafiken Filmkommentare Vokabelliste Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Sequenzen und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Variation und Selektion / Genetic Variation and Natural Selection 2) Evolution und Optimierung / Evolution and Optimization 3) Bionik Was ist das? / What is Bionics? 4) Evolutionsstrategie / Evolutionary Strategy 5) Anwendung der Evolutionsstrategie / Applications of the Evolutionary Strategy Homologie von Wirbeltierskeletten Homologie Mensch und Pferd (unbeschriftet) Homologie Mensch und Pferd (beschriftet) Analogie Maulwurf und Maulwurfsgrille Evolutionstheorien: Jean-Baptiste de Lamarck Evolutionstheorien: Charles Darwin Evolutionstheorien: Lamarck und Darwin im Vergleich Evolutionstheorien: Die synthetische Evolutionstheorie Leonardo da Vinci Der erste Bioniker Vorgehen in der Bionik (vereinfacht) Filmkommentare in Deutsch und Englisch Vokabelliste (Englisch-Deutsch und Deutsch-Englisch) Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Untermenüs Evolution und Optimierung Darwin auf dem Berg Evolution und Optimierung Darwin auf dem Berg Evolution und Optimierung Film 10 min Variation und Selektion Künstliche Evolution in der Forschung 1:50 min 2:10 min Darwin auf dem Berg Evolution und Optimierung Sequenzen Die geschachtelte Evolutionsstrategie Vorbild Storchenflügel 2:00 min 1:50 min Darwin on the Mountain Evolution and Optimization Darwin on the Mountain Evolution and Optimization Evolution in Natur und Technik Arbeitsmaterial film 10 min sequences Grafiken Texte Bild Darwin on the Mountain Evolution and Optimization Variation and Selection 1:50 min Artificial Evolution in Scientific Research 2:10 min The Nested Strategy of Evolution 2:00 min Learning from the Stork 1:50 min Evolution in Natur und Technik Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter dt./engl. (mit Lösungen) 1 Interaktion Bilder und Grafiken Filmkommentare / Vokabelliste Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Homologie Mensch und Pferd Analogie Maulwurf und Maulwurfsgrille Evolutionstheorien Jean-Baptiste de Lamarck Charles Darwin Lamarck und Darwin im Vergleich Die synthetische Evolutionstheorie Leonardo Da Vinci Der erste Bioniker Vorgehen in der Bionik (vereinfacht) Grafik Bild Text Text Grafik Text Text Grafik 10

11 Produktionsangaben Evolution und Optimierung (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2014 DVD-Konzept Svenja Weiß DVD-Authoring und Design TV Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2014 Bildnachweis Thinkstock: alainolympus Grafik Anika Krings FWU Interaktion Christina Kokkalis Arbeitsmaterial Michael Germ Julia Thielmann Begleitheft Svenja Weiß Christina Lehni Pädagogische Referentin im FWU Svenja Weiß Produktionsangaben zu den Filmen Darwin auf dem Berg Evolution und Optimierung Darwin on the Mountain Evolution and Optimization Produktion Michael Tewiele, 2011 Herausgabe FWU Institut für Film und Bild, 2014 Konzeption / Illustration / Animation Michael Tewiele Musik Florian Bodenschatz Sounddesign Anja Driemecker Besonderen Dank an Prof. Dr. Ingo Rechenberg, TU Berlin Iván Santibáñez Koref, TU Berlin Dr. Jan Ole Kriegs, LWL Museum für Naturkunde Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2014 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Evolution und Optimierung / Evolution and Optimization Seit über 4 Milliarden Jahren formt Evolution das Leben auf unserem Planeten. Doch was genau ist Evolution? Wie funktioniert sie? Und welche Rolle spielen Evolution und Darwins Prinzipien bei der Entwicklung von neuen Technologien? Die bilinguale FWU- Produktion (deutsch / englisch) geht diesen Fragen in anschaulichen und kurzweiligen Animationen nach und stellt die faszinierende Wissenschaft der Bionik vor. Im Arbeitsmaterial stehen Arbeitsblätter, eine Interaktion und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2014 Laufzeit: 10 min Filmsequenzen: 4 Grafiken / Bilder: 8 Sprachen: Deutsch / Englisch DVD-ROM-Teil: Unterrichtsmaterialien Interaktion: 1 Arbeitsblätter: 5 Deutsch und 5 Englisch (mit Lösung; als PDF zum Ausfüllen) Adressaten: Allgemeinbildende Schule (Klasse 7-13) Schlagwörter: Abstammung, Analogie, Angepasstheit, Anpassung, Artbildung, Auslese, Biodiversität, Bionik, Darwin, Da Vinci, Entwicklung, Evolution, Evolutionsbiologie, Evolutionsforschung, Evolutionsstrategie, Evolutionstheorie, Flugmechanik, Flugzeug, Forschung, Homologie, Körperbau, Konvergenz, Lamarck, Mutation, Ordnungssystem, Rekombination, Selektion, Technik, Technologie, Variabilität, Variation, Vielfalt, Vogel, Vogelflug, Wirbeltier Systematik: Biologie Fremdsprachen / Englisch Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG Allgemeine Biologie Evolution Allgemeine Biologie Biologische Forschung, biologische Arbeitsmethoden Zoologie Allgemeine Zoologie; Gestalt und Bau Sprachliche Fertigkeiten Bilingualer Unterricht GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de