Technik in Naturwissenschaften integrieren?! Susanne Metzger - Fachbereich Naturwissenschaften und Technik -

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1 Technik in Naturwissenschaften integrieren?! Susanne Metzger - Fachbereich Naturwissenschaften und Technik -

2 Technik in allgemeinbildenden Schulen? Lehrabschlüsse im Bereich industrielle und technische Berufe sind rückläufig (SKBF, 2003) Frauenanteil im Bereich Naturwissenschaft und Technik ist sehr tief (SKBF, 2003) für die Maschinenindustrie fehlen derzeit in der Schweiz bis Ingenieur/innen (Jaschob, 2008) Unternehmen haben immer häufiger Mühe, Ingenieurpositionen zu besetzen (Umbach-Daniel, 2008) technische Wissenschaften an universitären sowie Fachhochschulen verlieren an Attraktivität (SKBF, 2003) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 2

3 Technik in allgemeinbildenden Schulen?! Unser Leben ist von unzähligen technischen Erfindungen geprägt (Schumacher, 2009) Technikunterricht ist ein unentbehrlicher Bestandteil der Allgemeinbildung, weil er Kompetenzen anbahnt, die zur Bewältigung technisch geprägter Lebenssituationen erforderlich sind (VDI, 2007) Technikverständnis ist in der Schweiz auf allen Schulstufen zu wenig stark verankert (Furger,2008) Die Technik hat es bis heute kaum geschafft, als echter Bestandteil der Allgemeinbildung akzeptiert zu werden. Häufig wird technisches Unwissen sogar noch als Beweis echter Bildung betrachtet. (Schumacher, 2009) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 3

4 Technik in Naturwissenschaften integrieren?! historisch betrachtet Unterrichtskommission der GDNÄ (Beginn 20. Jhd.): einzelne technische Einrichtungen als wünschenswerte Inhalte im Physikunterricht Vertreter der Wirtschaft (1970er Jahre): gründliche Vermittlung von naturwissenschaftlichem Grundlagenwissen genügt VDI (1970er Jahre): Technik sollte als eigenständiges Fach etabliert werden BLK (1997): Aufgabe des Physikunterrichts ist eine Verbindung zwischen physikalischen Grundlagen und ihren technischen Anwendungen herstellen in den letzten Jahren: Zunahme technischer Bezüge in Physiklehrplänen und technischer Sachverhalte in Physikschulbüchern (Spiegel, 2008a) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 4

5 Technik in Naturwissenschaften integrieren?! aus Sicht der Schülerinnen und Schüler Befragung von 6309 Schüler/innen der Klasse (Spiegel, 2008b): - knapp 90 % bewerten die Bedeutung der Technik für unser Leben allgemein als sehr hoch - über 80 % würden eine stärkere Einbeziehung technischer Inhalte in den Physikunterricht bevorzugen ABER: Technische Themen finden im Natur und Technik -Unterricht der Sekundarstufe I im Kanton Zürich kaum Beachtung (Metzger & Schär, 2009) Lehrkräfte werden nicht entsprechend ausgebildet (Metzger & Schär, 2009; Spiegel, 2008b) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 5

6 Technik in Naturwissenschaften integrieren? aus Sicht des Technischen Werkens Das Technische Werken bietet prozessorientiertes, entdeckendes, forschendes, experimentierendes, problemlösendes, begriffsklärendes, gestaltendes, konstruierendes und handelndes Lernen. Eine Kooperation der andern Unterrichtsfächer mit dem Technischen Werken kann sich als besonders fruchtbringend erweisen (Seiter & Neubacher, 2009) Technik als angewandte Naturwissenschaft ist vorschnell und greift zu kurz (Mey, 2008) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 6

7 Technik in Naturwissenschaften integrieren?! aus der Sicht von Fachdidaktikerinnen und Fachdidaktikern durch Einbindung der Technik können didaktische Prinzipien wie Produktorientierung, Selbsttätigkeit, Alltagsorientierung und oft Schülergemäßheit gut umgesetzt werden (Wagner, 2004) Naturwissenschaftliche und technische Aspekte müssen in der didaktischen Aufbereitung so miteinander verwoben werden, dass das Kunstwort NaTech künftig als Bildungskomponente verstanden und verbreitet werden kann (Mey, 2008) Technikverständnis wird nicht automatisch im naturwissenschaftlichen Unterricht gefördert (Metzger, 2010) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 7

8 Das Projekt Technik in der Allgemeinbildung Projekt des Zürcher Hochschulinstituts für Schulpädagogik und Fachdidaktik (ZHSF), d.h. Beteiligung von PH, ETH und Uni Zürich Zusätzliche Finanzierung durch Fonds Filep der ETH Oktober 2006: Start des Projektes Projektteam: Dozierende und Studierende der PH Zürich, Lehrpersonen Veröffentlichung der Einheiten auf zum kostenlosen Download für Lehrpersonen (und andere Interessierte) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 8

9 Ziele des Projektes Interesse an technischen Fragen soll geweckt werden Technikverständnis von Jugendlichen soll verbessert werden bessere Integration der Technik in bestehende Unterrichtsgefäße (primär Sekundarstufe I) verstärkte Förderung des Technikverständnisses in der Aus- und Weiterbildung von Lehrpersonen Im Fach Natur und Technik steht Natur für Biologie und Technik für Chemie und Physik (Studentin Sek I PH Zürich) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 9

10 Technik(verständnis) Massnahmen, Einrichtungen und Verfahren, die dazu dienen, die Erkenntnisse der Naturwissenschaften für den Menschen praktisch nutzbar zu machen Kennen, Verstehen und kritische Beurteilung der wichtigsten Grundkonzepte und Phänomene, auf denen Materialien, Geräte, Systeme und Funktionen unserer technikgestützten Zivilisation aufgebaut sind Technikverständnis ist Teil der Allgemeinbildung Vernetzung mit den anderen Bereichen (Mey, 2004) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 10

11 Kompetenzen im Bereich Technik Technik verstehen: Zielorientierung und Funktionen, Begriffe, Strukturen, Prinzipien der Technik kennen und anwenden Technik konstruieren und herstellen: Technische Lösungen planen, entwerfen, fertigen, optimieren, prüfen und testen Technik nutzen: Technische Lösungen auswählen, fach- und sicherheitsgerecht anwenden sowie entsorgen Technik bewerten: Technik unter historischer, ökologischer, wirtschaftlicher, sozialer sowie humaner Perspektive einschätzen Technik kommunizieren: Technikrelevante Informationen sach-, fachund adressatenbezogen erschließen und austauschen. (VDI 2007) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 11

12 Didaktisches Konzept Inhalte: moderne Technik und Technologie möglichst viele Technik-Kompetenzen fördern Interessen der Schülerinnen und Schüler berücksichtigen: - Bezug zum Alltag der Schülerinnen und Schüler - Bezug zum menschlichen Körper - erstaunliche Phänomene - gesellschaftliche Bedeutung Berücksichtigung der möglichen Fehlvorstellungen und naiven (fachlich falschen) Theorien der Schülerinnen und Schüler selbst gesteuertes Handeln fördern, insbesondere durch selbst durchgeführte Experimente korrekter Sprachgebrauch in Texten und von der Lehrperson Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 12

13 Aufbau der einzelnen Einheiten jeweils 4 6 Lektionen möglichst einfaches Material Hintergrundinformationen für die Lehrpersonen Erstellung Erprobung mit Studierenden Erprobung in Schulklassen - didaktische Begutachtung Begutachtung Fachpersonen ETH sprachliche Begutachtung Veröffentlichung unter: (zum Teil noch im Passwort geschützten Bereich) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 13

14 Wie Röntgenbilder entstehen Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 14

15 Wie Röntgenbilder entstehen Ziele: Die Schülerinnen und Schüler... verstehen das Prinzip des elektromagnetischen Spektrums und die Verwandtschaft von Röntgenstrahlen und Licht. verstehen die Entstehung von Röntgenbildern als Schattenwurf von Röntgenstrahlen. können einfache anatomische Interpretationen von Röntgenbildern machen. Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 15

16 Computertomographie Ziele: Die Schülerinnen und Schüler verstehen die prinzipielle Funktionsweise eines Computertomographen. können ein Modellexperiment aus LEGO-Steinen und elektrischen Widerständen nachbauen und die entstehenden Bilder interpretieren. sehen die Schwierigkeiten bei der Interpretation von CT-Bildern. können einfache lineare Gleichungssysteme aufstellen und lösen. Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 16

17 Computertomographie Funktionsweise eines Computertomographen ( Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 17

18 Computertomographie Beispiele von CT-Bildern (Institut für Diagnostische Radiologie, Kantonsspital/Universitätskliniken Basel) Veranschaulichung durch Applets: Einstein s Legacy CAT Scans Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 18

19 Computertomographie Der LEGO duplo-tomograph 16 gesunde Elemente: 0 Ω 6 kranke Elemente: 4.7 Ω LEGO duplo-stein als Lampenfassung Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 19

20 Computertomographie Der LEGO duplo-tomograph 4.7 Ω 9.4 Ω 0 Ω 14.1 Ω 18.8 Ω Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 20

21 Computertomographie Von den CT-Daten zum Bild experimentell mit Hilfe von Excel-Simulationen mit Mathematik und Gleichungssystemen Erweiterung auf Kakuro-Rätsel Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 21

22 Fiberendoskopie: Bilder aus dem Innern des Menschen Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 22

23 Fiberendoskopie: Bilder aus dem Innern des Menschen Ziele: Die Schülerinnen und Schüler... kennen das Konzept der Reflexion und Brechung sowie das Prinzip der Glasfaser. verstehen, wie ein Fiberendoskop funktioniert. können einfache anatomische Strukturen auf endoskopischen Bildern identifizieren. Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 23

24 LED Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 24

25 LED Ziele: Die Schülerinnen und Schüler... kennen die Unterschiede zwischen Glühlampen und LEDs. können LEDs in Schaltungen einbauen. können grundlegende Experimente der LED-Schaltungstechnik (nach Anleitung) zusammenbauen. Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 25

26 GPS Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 26

27 GPS Ziele: Die Schülerinnen und Schüler... erfahren, wie satellitengestützte Navigationssysteme funktionieren, und erkennen deren Vorteile (und Risiken). kennen die neuesten Entwicklungen (wie EGNOS, Galileo, etc.). wagen einen Ausblick in zukünftige technische Anwendungen wie GPS- Handys oder mobiles GPS. Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 27

28 Hydraulik Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 28

29 Hydraulik Ziele: Die Schülerinnen und Schüler... erkennen, dass Wasser im Gegensatz zu Luft nicht komprimierbar ist. erfahren, dass der Druck in alle Richtungen gleich ist. können die Funktionsweisen von technischen Anwendungen wie hydraulische Wagenheber oder Hebebühnen beschreiben und als Modell nachbauen. Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 29

30 Moderne Kryptologie Probleme bei der Nachrichtenübertragung: Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 30

31 Moderne Kryptologie Ziele: Die Schülerinnen und Schüler... kennen die Prinzipien der modernen Verschlüsselungsverfahren. können Codierung, Verschlüsselung und Entschlüsselung mit Hilfe der Addition mit Rest durchführen. können einfache Bilder kryptographisch verschlüsseln. können Bitfolgen in Bitmap-Dateien verstecken. + = Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 31

32 Verschiebeverfahren nach Cäsar Klartextalphabet a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J Geheimtextalphabet ZRICSU WKMRD CZKCC? Physik macht Spass! Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 32

33 Verschiebeverfahren nach Cäsar a b c d e f g h x y z Klartextalphabet Klartextzahl Geheimtextzahl K L M N O P Q R H I J Geheimtextalphabet Codierung durch Addition modulo 26 (z.b. mit n = 10): e 04 y mod 26 = 14 O + 10 mod 26 = 08 I Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 33

34 Verschlüsseln ohne Schlüsseltausch A wählt einen kurzen Klartext der Länge n. A codiert den Klartext durch die Folge von Zahlen von 0 bis 25. A wählt einen zufälligen Schlüssel der Länge n aus Zahlen von 0 bis 25. A addiert Klartextcode und Schlüsselcode mod 26 zum Geheimtextcode. A übergibt den Geheimtext an den Partner B. B wählt einen zufälligen Schlüssel der Länge n aus Zahlen von 0 bis 25. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 34

35 Verschlüsseln ohne Schlüsseltausch B addiert Geheimtext und Schlüsselcode mod 26 zum Geheimtextcode. B übergibt den Geheimtext an den Partner A zurück. A subtrahiert den eigenen Schlüsselcode vom Geheimtext und erhält den neuen Geheimtext. A übergibt den Geheimtext an den Partner B zurück. B subtrahiert den eigenen Schlüsselcode vom Geheimtext und erhält den Klartextcode. B decodiert die Klartextfolge zum Klartext. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 35

36 Kryptographie Übertragung eines Klarbildes mit Hilfe eines Schlüsselbildes in ein Geheimbild Schlüsselbild: jeder Punkt wird zufällig durch oder dargestellt Schlüsselbild + Klarbild = Geheimbild: + = + = + = + = Entschlüsselung durch Überlagern von Geheim- und Schlüsselbild Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 36

37 Technik in der Ausbildung zur Lehrkraft für Natur und Technik (Sek I) an der PH Zürich alle Studierende mit dem Fach Natur und Technik müssen an der Kompaktwoche Technik, Mensch, Gesellschaft teilnehmen Technik und einzelne Unterrichtseinheiten aus dem Projekt Technik in der Allgemeinbildung haben ihren festen Platz im Abschluss-Modul Natur und Technik-Didaktik Masterarbeiten an der PHZH zum Thema: Biometrische Erkennungsverfahren, Digitalkamera, Lügendetektor, Nanotechnologie im Alltag Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 37

38 Technik in der Weiterbildung für Natur und Technik -Lehrpersonen diverse Weiterbildungen zu verschiedenen Einheiten aus dem Projekt Technik in der Allgemeinbildung MINT-Lernzentrum ( - Weiterentwicklung der Einheiten - Einbinden in einen grösseren Kontext - Weiterbildungen anbieten Innovation SWISE (Swiss Science Education; - einer von vier Bereichen: Technik - ein angebotenes Weiterbildungsmodul: Technik in Naturwissenschaften integrieren Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 38

39 Herzlichen Dank den Mitarbeitenden im Projekt, insbesondere Paul Weymuth und Oliver Cerny den Mitarbeitenden von EducETH, insbesondere Peter Greutmann, Gaby Schweizer sowie den Experten für das fachliche Review... dem fonds filep der ETH für die Finanzierung Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit! Für Fragen, Anregungen, Rückmeldungen: Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 39

40 Literatur BLK Bund-Länder-Kommission (1997). Heft 60. Gutachten zur Vorbereitung des Programms "Steigerung der Effizienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts. [ ] BFS Bundesamt für Statistik (2008). Ausbildung in Naturwissenschaften, Mathematik und Technik in der Schweiz. Neuchâtel: BFS. Furger, M. (2008, 22. März). Bildungsdirektion will Naturwissenschaften aufwerten: Experten stellen mangelhafte Kenntnisse bei Lehrerinnen und Lehrern fest. Neue Zürcher Zeitung, 68. Jaschob, D. (2008, ). Die Konjunktur des «Ingenieurmangels». Neue Zürcher Zeitung, 216, 17. Metzger, S. (2007). Didaktisches Konzept zum Projekt "Technik in der Allgemeinbildung". [ ] Metzger, S. (2010): Naturwissenschaften in der Sekundarstufe I? Ein Blick auf den Kanton Zürich und die Schweiz, Schweizerische Zeitschrift für Bildungsforschung (eingereicht) Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 40

41 Literatur Metzger, S. & Schär, P. (2009). Bestandesaufnahme an allgemeinbildenden Schulen im Kanton Zürich: Vom Kindergarten bis zur Sekundarstufe I. In: Stern, E., Metzger, S. & Zeyer, A.. Expertise zu Naturwissenschaft und Technik in der Allgemeinbildung im Kanton Zürich. [ ] Mey, H. (2008). Berg. Tunnel. Technik. Von der Notwendigkeit, Technikverständnis in die Allgemeinbildung zu integrieren. NaTechInfo Informationsbulletin des Vereins NaTech Education [ ] Mey, H. (2004). Technik-Verständnis als vernachlässigter Teil der Allgemeinbildung. Werkspuren 2004, Schumacher, R. (2009). Die Vermittlung technischer Inhalte im naturwissenschaftlichen Unterricht. In: Stern, E. et al.. Expertise zu Naturwissenschaft und Technik in der Allgemeinbildung im Kanton Zürich. [ ] Seiter, J. & Neubacher, E. (2009). Vorschlag Leitkonzept Thematisches Netzwerk Technisches Werken. [ ] Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 41

42 Literatur SKBF Schweizerische Koordinationsstelle für Bildungsforschung (2003). Keine Lust auf Mathe, Physik, Technik? Trendbericht Nr. 6. Aarau: SKBF. Spiegel, R (2008a). Der Technikbezug im Physikunterricht im Wandel der Geschichte. PdN-PhiS 4/ Spiegel, R (2008b). Vorstellungen und Wünsche von Schülern und Physiklehrkräften zur Einbeziehung technischer Inhalte in den Physikunterricht. PdN-PhiS 4/ Umbach-Daniel, A. (2008). Ingenieure im Topmanagement der Schweizer Wirtschaft. Präsenz in Geschäftsleitungen und Verwaltungsräten Karrieren und Karrierechancen. Schlussbericht. Zugriff am unter Management_Zf.pdf VDI Verein Deutscher Ingenieure e. V. (Hrsg.) (2007). Bildungsstandards Technik für den Mittleren Schulabschluss. bildungsstandards_2007.pdf [ ] Wagner, W. (2004). Technik im naturwissenschaftlichen Unterricht. MNU 57/ Technik in Naturwissenschaften integrieren?! 42