Zusammenleben. Satellitennavigation beim Geocaching Galileo als europäische Antwort auf GPS. Unterrichtseinheiten Niveau I/II

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1 Unterrichtseinheiten Niveau I/II Zusammenleben Satellitennavigation beim Geocaching Galileo als europäische Antwort auf GPS Vielfalt in Europa (er)leben Lehrerinformation erarbeitet von Dr. Oliver Gräf

2 Satellitennavigation beim Geocaching Galileo als europäische Antwort auf GPS erarbeitet von Dr. Oliver Gräf INHALTSVERZEICHNIS Zuordnung zum Exzerpt 3 Timeline 4 Lehrerinformation 5 Didaktischer Kommentar 5 Problemstellung entdecken 5 Lernaufgabe 6 Standortangabe mithilfe geographischer Koordinaten 6 Prinzip der GPS-Ortung mit anderen Körpern als Bezugspunkt 6 Prinzip der GPS-Ortung 6 Vertiefungsmöglichkeiten 6 Wozu Galileo? 6 Präsentation der Ergebnisse 6 Quellen 7 C ImTeam4EU 2

3 Zuordnung zum Exzerpt Gegenstand: Zusammenleben in Europa Themenfeld: Vielfalt in Europa (er)leben Schwerpunkt der Stunde(n): Schülerinnen und Schüler erläutern relativistische Effekte bei der Positionsbestimmung im Zusammenhang mit dem Geocaching am Beispiel der Zeitdilatation und des Einflusses des Gravitationsfeldes im Zusammenhang mit der zu erwartenden Präzision beim europäischen Projekt Galileo. Lernprodukte: E-Portfolio (digitales Portfolio auf Moodle oder ähnlichen Plattformen) Teilziele (nach Niveaus): Die Schülerinnen und Schüler I... beschreiben das Prinzip der Ortsbestimmung mithilfe geographischer Koordinaten im Zusammenhang mit einem Geocaching und erklären das Prinzip der Ortsbestimmung mittels Zeitmessung bei der Satellitenortung. II erläutern die relativistischen Effekte der Zeitdilatation und den Einfluss des Gravitationsfeldes auf die Zeitmessung und damit auf die Genauigkeit der Ortsbestimmung mithilfe von Satelliten. Methoden: Gelenkte Internetrecherche Placemat Think-pair-square Plus-Minus-Interesting (Variante) Three-Steps-Interview (E)-Portfolio C ImTeam4EU 3

4 Timeline I. Einführung Lernaufgabe: Viele Tausend Menschen betreiben in ihrer Freizeit weltweit das Geocaching. Dies ist eine Art Schatzsuche mit digitalen Hilfsmitteln. Die geographischen Koordinaten der Verstecke werden im Internet veröffentlicht und können mithilfe eines GPS-Empfängers aufgespürt werden. Nachdem ihr selbst ein Geocaching durchgeführt habt, geht es darum zu verstehen, wie die Standortbestimmung auf der Erde funktioniert. Was hier ein Freizeitspaß ist, ist bei der Navigation auf See überlebensnotwendig und bei unseren Autofahrten hilfreich. Eure Erkenntnisse werden in einem digitalen Portfolio auf Moodle gesammelt. Die besten Ergebnisse eurer Arbeitsgruppe werden daraus zusammengestellt und den anderen präsentiert. II. Erarbeitung Auf der Grundlage der ersten Standortbestimmungen auf der Erdoberfläche und der Angabe des Standortes mithilfe von Breiten- und Längengraden wird die prinzipielle Funktionsweise der GPS-Ortung erarbeitet. Die notwendige Präzision bei der Zeitmessung (relativistische Effekte) führt die Schülerinnen und Schüler schließlich zum europäischen Großprojekt Galileo. III. Präsentation Die Arbeitsergebnisse werden in einem E-Portfolio gesammelt und die besten Ergebnisse präsentiert. C ImTeam4EU 4

5 Lehrerinformation Didaktischer Kommentar War früher die Positionsbestimmung, beispielsweise bei der Seefahrt, nur etwas für Profis, dort aber überlebensnotwendig, so hat heute jedes Smartphone einen GPS-Empfänger, um dieses Problem zu lösen. Die Schülerinnen und Schüler nutzen dies, um sich in einer fremden Stadt den Weg zur nächsten Pizzeria anzeigen zu lassen, beim Geocaching oder auch bei der Nutzung anderer Apps. Im Schwerpunkt soll es hier um die prinzipielle Funktionsweise der Positionsbestimmung mittels Satellitennavigation gehen. Dabei wird das Problem zunächst auf die Positionsbestimmung in der Ebene reduziert. Die Bestimmung von Abständen diverser Satelliten zu einem Körper auf der Erdoberfläche mittels Zeitmessung bei bekannter Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen führt im Hauptteil zum Schwerpunkt: die Berücksichtigung relativistischer Effekte bei der Zeitmessung. Die Gesetzmäßigkeiten zur Berechnung der Zeitdilatation und zum Einfluss des Gravitationsfeldes werden als bekannt vorausgesetzt, also nicht hergeleitet, sondern nur verwendet. Das amerikanische GPS ist heute allen Verwendern von Smartphones ein Begriff. Diese Unterrichtseinheit soll den Schülerinnen und Schülern daher auch das europäische Großprojekt Galileo näher bringen. nen und Schüler eine Gruppenlösung der Lernaufgabe gestalten. Empfehlenswert ist die Portfolioarbeit in den Unterricht zu integrieren, d.h. dafür in Abhängigkeit von der Vorerfahrung mit dieser Methode Unterrichtszeit einzuräumen. Eine Variante, die den Umgang mit digitalen Medien schult, ist das E-Portfolio ( Dadurch, dass die Sammelmappe der Ergebnisse auf einem Server liegt, können verschiedene Medientypen erzeugt und nach dem Hochladen von anderen in einfacher Weise eingesehen werden. Die Lernplattform Moodle ist im Schulbereich weit verbreitet und soll in dieser Unterrichtseinheit für das E-Portfolio genutzt werden. Diese Unterrichtseinheit verwendet Moodle als Werkzeug, sie ist keine Einführung in die Benutzung von Moodle. Auch auf Zusatzmodule, wie Mahara ( wird hier verzichtet. Ebenfalls nicht erläutert, sondern vorausgesetzt, wird der Umgang mit einem Textverarbeitungsprogramm, das Einbinden von Grafiken in ein solches Dokument, die Erzeugung von Audio- und Videodateien. Stehen technische Probleme der Durchführung im Wege, so scheitert dadurch nicht das gesamte Unterrichtsvorhaben, sondern muss lediglich hin zu einem klassischen Portfolio abgeändert werden. Im Rahmen einer gelenkten Internetrecherche suchen die Schülerinnen und Schüler Antworten auf gestellte Fragen und Probleme. Sie erstellen aus ihren Antworten und Problemlösungen ein Portfolio als Lernprodukt, in dem der Lernprozess dokumentiert werden soll. Dabei gibt es Pflicht- und Kürbereiche. Im Pflichtbereich geht es um den Einfluss relativistischer Effekte auf die Genauigkeit der Standortbestimmung. Im Kürbereich könnten die relativistischen Effekte hergeleitet oder die prinzipielle Funktionsweise von Atomuhren beschrieben werden. Daraus sollen die Schülerin- Möglich wird die Durchführung in der SI dadurch, dass man die Aufgaben zur relativistischen Physik weglässt. Eine Bestenauswahl aus den so gesammelten Portfolios der Arbeitsgruppen (Viererteams), die die Schüler jeder Gruppe vornehmen, kann der Lehrkraft am Ende dazu dienen, eine abschließende Präsentation unter Beteiligung mehrerer Teams durchführen zu lassen. Problemstellung entdecken: Indem die Schülerinnen und Schüler sich mit dem Prinzip des Geocachings beschäftigen und dies selber durchführen, soll die Bedeutung der Positionsbestimmung deutlich werden. In Vierergruppen wird die Aufgabe gelöst, indem im ersten Schritt arbeitsteilig ein Wikipediaartikel nach Antworten auf Leitfragen durchsucht wird. Die Lösung der Teilaufgaben wird wechselseitig vorgestellt, diskutiert und optimiert. Anschließend sollen die Schüler selbst mit Hilfe von Smartphones mit GPS-Empfängern einen vorgegebenen Geocache finden. (Arbeitsblatt 1) Lernaufgabe: Wie funktioniert Geocaching? Viele Tausend Menschen betreiben in ihrer Freizeit weltweit das Geocaching. Dies ist eine Art Schatzsuche mit digitalen Hilfsmitteln. Die geographischen Koordinaten der Verstecke werden im Internet veröffentlicht und können mithilfe eines GPS-Empfängers aufgespürt werden. C ImTeam4EU 5

6 Lernmaterial bearbeiten: Die Lernaufgabe ist mithilfe von fünf Arbeitsblättern und acht Teilaufgaben strukturiert. Standortangabe mithilfe geographischer Koordinaten Nachdem die Schülerinnen und Schüler geographische Koordinaten bereits verwendet haben, sollen sie nun erläutern, was diese bedeuten. Als Informationsquelle dienen zwei Videos und ein Wikipediaartikel. Es soll dabei mit älteren Schülern auf höherem Anspruchsniveau deutlich werden, dass die dabei erforderliche Präzision die Berücksichtigung relativistischer Effekte notwendig macht. Die Schülerinnen und Schüler berechnen die Einflüsse der Zeitdilatation und des Gravitationsfeldes der Erde auf die Zeitmessung. (Arbeitsblatt 4, Material 1-2) Arbeitsteilig sollen die Schüler die Festlegungen zu Längenund Breitengraden und dem Nullmeridian erklären sowie das Problem der Längengradbestimmung beschreiben. Dabei soll die Präzision bei der Zeitmessung zur Bestimmung des Längengrades deutlich werden. Ziel ist hier, einen Vortrag auszuarbeiten, der als Audiodatei den Teammitgliedern zur Beurteilung vorgelegt werden soll. (Arbeitsblatt 2, Material 1) Prinzip der GPS-Ortung mit anderen Körpern als Bezugspunkt Hier geht es darum, dass Prinzip der Positionsbestimmung mithilfe des Abstandes zu anderen Objekten zu erkennen. Auf dem Schulhof nehmen die Viererteams deshalb Positionsbestimmungen durch Abstandsmessungen zueinander vor. Drei Schülerinnen und Schüler kennen ihren Abstand zueinander, nehmen diese Position ein und markieren ihren Standort. Es soll die Position zu einer vierten Schülerin bzw. einem Schüler festgelegt werden, indem die Abstände zu jedem der anderen ausgenutzt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen dabei erkennen, wie viele andere Körper und deren Distanzen notwendig sind, um die eigene Position zweifelsfrei festlegen zu können. Das Ergebnis soll fotografiert, das Ergebnis in einer Textdatei formuliert und auf Moodle hochgeladen werden. Unterstützungsangebote sollen auch Gruppen mit Problemlösungsschwierigkeiten zum Ergebnis führen. (Arbeitsblatt 3, Material 1, Unterstützungsangebot) Vertiefungsmöglichkeiten: Dieser Pflichtbereich wird durch ein Wahlangebot ergänzt, durch das die Schülerinnen und Schüler in Abhängigkeit ihrer Interessen ihre Kenntnisse vertiefen sollen. So können sie sich mit der prinzipiellen Funktionsweise von Atomuhren und Messfehlern beschäftigen, oder aber ausgehend von Lichtuhren zur Herleitung der Zeitdilatationsformel kommen. In jedem Falle soll ein Kurzvortrag vor den anderen Teammitgliedern vorbereitet und gehalten werden. Diese melden zurück, was ihnen gelungen bzw. verbesserungswürdig erscheint. Wozu Galileo? Die Schülerinnen und Schüler sollen zum europäischen Großprojekt Galileo recherchieren und dabei die Vor- und Nachteile gegenüber dem amerikanischen GPS formulieren. Dazu werden individuell verschiedene Textquellen auf genannten Websites bearbeitet. Die Schülerinnen und Schüler werden dazu in den Viererteams interviewt, formulieren eine gemeinsame Antwort auf die Frage nach den Vorteilen von Galileo bzw. dem Unterschied zwischen GPS und Galileo und laden eine Textdatei auf Moodle hoch. (Arbeitsblatt 5) Präsentation der Ergebnisse: Schließlich hat die Lehrkraft die Möglichkeit alle auf Moodle gesammelten Dokumente zu kommentieren und zu bewerten und kann schließlich exemplarisch einige Lösungen auswählen, die die entsprechenden Gruppen dann im Plenum präsentieren. Prinzip der GPS-Ortung Geht es in Teilaufgabe 3 um Abstandsmessung auf dem Schulhof mittels Maßband, so führt die Teilaufgabe 4 zur Bestimmung von Abständen über die Messung der Zeit, die elektromagnetische Wellen von Satelliten zu Körpern auf der Erdoberfläche benötigen. Arbeitsblätter 1-5 Material C ImTeam4EU 6

7 Quellen: Geocaching: (abgerufen am ; 16:05) =de (abgerufen am , 16:10) Geographische Koordinaten: (abgerufen am , 16:20) (abgerufen am , 16:25) (abgerufen am , 16:40) Prinzip der GPS-Ortung: (abgerufen am , 17:04) Zeitdilatation: (abgerufen am , 17:08) (abgerufen am , 17:10) (abgerufen am , 17:15) (abgerufen am , 17:20) (abgerufen am , 17:22) Satellitennavigation: (abgerufen am , 17:25) Galileo: (abgerufen am , 17:30) (abgerufen am , 17:35) (abgerufen am , 17:40) (abgerufen am , 17:48) E-Portfolio: (abgerufen am , 17:55) (abgerufen am , 17:59) C ImTeam4EU 7