Wenn heute von einer Künstlichen Intelligenz (KI) die Rede ist, kommen normalerweise künstliche neuronale Netzwerke mit Deep Learning zum Einsatz. In diesem Workshop werden die theoretischen Grundlagen dieser Netze betrachtet, vorgefertigte Anwendungen gezeigt, wenn möglich entwickeln wir eigene kleine neuronale Netze (z. B. mit TensorFlow). Anhand praktischer Beispiele wollen wir das Thema KI für Schülerinnen und Schüler zugänglich machen und es ihnen so ermöglichen, KI selbst einzusetzen und auch Nutzen und Risiken dieser Technik abzuschätzen. Als Programmiersprache wird Python verwendet. Vorkenntnisse sind hilfreich, aber nicht notwendig.

Wer selbst programmieren möchte, bringt einen Laptop mit installierter Python IDE (z. B. Spyder) mit. Empfohlene Konfiguration Python 64 Bit ver. 3.8, tensorlow 2.6

Labster ist ein 2013 gegründetes dänisches Unternehmen, welches sich die Modernisierung, Digitalisierung und Erleichterung der naturwissenschaftlichen Lehre auf die Fahne geschrieben hat. 

Dabei werden in den Laborsimulationen verschiedener Fachrichtungen (z.B. Physik, Chemie, Biologie) detailgenau, die realen Abläufe in einem Labor vermittelt und durch das Einbetten in eine Aufgabe auch das konzeptionelle Verständnis vertieft. 

Dabei sind viele Parameter frei gestaltbar. Damit erreichen wir das auch Fehler gemacht werden können, denn aus Fehlern kann man lernen und damit ist die Experimentiergeist der Lernenden gesteigert. Jede Simulation wird durch Quizfragen, Schaubilder und theoretische Erklärungen begleitet. Diese drei kurz dargestellten Komponenten bieten den Lernenden eine breit aufgestellte hybride Lernmöglichkeit. 

Eine Studie aus dem Jahr 2016 zeigt, dass Labster am besten im hybriden Einsatz funktioniert: Da Labster eine browserbasierte Software ist, hat der/die Nutzer*in jederzeit und überall die Chance, sich damit zu beschäftigen. Dadurch kann man seine Zeit selbst einteilen. Die einzelnen Einheiten, die im Workshop vorgestellt werden und getestet werden können, haben eine Dauer von 15-45 min.

Praktisch alle Jugendlichen bzw. jungen Lernenden besitzen Smartphones, die beachtlich leistungsfähig und mit einer großen Bandbreite an Sensoren und einer beachtlichen Rechenkapazität ausgestattet sind. Mit der kostenlosen App phyphox verwandeln sie sich in hochwertige mobile Labore. Diese Möglichkeiten bieten zu einem gewissen Grad auch Tablets.

Bei gemeinsamem Experimentieren mit Alltagsmaterialien, quasi in digitalen Freihandversuchen, werden die Einsatzmöglichkeiten von Smart Devices im Rahmen des Physikunterrichts – und darüber hinaus – erkundet.

Bitte vorab phyphox installieren: phyphox.org/download

Experimentieren ist eine grundlegende Tätigkeit der Erkenntnisgewinnung in Physik und im Physikunterricht. Es ist z. B. die Grundlage zur „Gewinnung“ von physikalischen Zusammenhängen und zur Bestimmung von konstanten Größen. Diese Ziele können jedoch nur erreicht werden, wenn Aussagen über die Güte einer Messung hinzugezogen werden. Denn eine schlüssige Folgerung aus den empirischen Daten einer Messung ist erst möglich, wenn eine Abschätzung der zugrunde liegenden Unsicherheiten vorliegt. Diese Unsicherheiten sind keine Fehler! Vielmehr sind sie Teil einer jeden Messung.

Mit diesem Workshop möchten wir anhand von konkreten Beispielen für den Physikunterricht aufzeigen, wie Messunsicherheiten im Physikunterricht ganz ohne oder mit wenigen einfachen mathematischen Mitteln behandelt werden können. Darüber hinaus sollen gemeinsam weitere Beispiele erarbeitet werden. Auf diese Weise gewinnen Schülerinnen und Schüler ein realistisches Bild von Messvorgängen und können die Qualität von Messverfahren beurteilen. 

Lernaufgaben dienen der Entwicklung und Förderung von Kompetenzen. Sie bieten einen Zugang für unterschiedliche Lernniveaus, unterstützen individuelles sowie kooperatives Lernen und sind in einen lebensnahen, anwendungsbezogenen Kontext eingebettet.

Aber wie kann ich eine Lernaufgabe gewinnbringend in meinem Unterricht einsetzen? Das Fachset Physik der iMINT-Akademie stellt zwei entwickelte Lernaufgaben mit dem Kompetenzschwerpunkt „Bewerten“ zu den übergeordneten Themen „Verbraucherbildung“ und „Nachhaltige Entwicklung“ vor. Es wird sich um den Kauf des neuen Fernsehers und den Einsatz von Isotopenbatterien in Smartphones drehen.

Die Teilnehmenden bekommen die Möglichkeit das Material zu testen, Experimente auszuprobieren und die Lernaufgaben an die individuellen Voraussetzungen ihrer Lerngruppe anzupassen.

Die Konstruktion von Modellen zur Beschreibung von Phänomenen ist ein elementarer Teil des wissenschaftlichen Denkens. Mit GeoGebra erstellte dynamische Modelle helfen im Physikunterricht, die dahinter liegenden physikalischen Konzepte zu visualisieren und das Verhalten des untersuchten Systems innerhalb der Modellgrenzen zu simulieren. Allerdings müssen die aus dem Modell abgeleiteten Hypothesen noch mit einem realen Experiment überprüft werden.

Die Augmented Reality (AR) Funktion der App GeoGebra 3D Rechner erlaubt, die Modelle auf beliebige Strukturen einzublenden. Bei Veränderung der Position des Mobilgeräts bleiben die virtuellen Objekte an der zugewiesenen Stelle des von der Kamera eingefangenen Bildes. Der Modellinhalt lässt sich allerdings dynamisch an reale Gegebenheiten anpassen. Auf diese Weise wird eine leicht umsetzbare Erweiterung realer Experimente mit virtuellen Objekten ermöglicht, die als AR-Experimente bezeichnet werden. Virtuelle Bestandteile erweitern reale Strukturen dort, wo nicht beobachtbare Elemente zum Verständnis des Experiments beitragen und den Vergleich von Modell und Realität erleichtern.

In dem Workshop lernen Sie den Einsatz von dynamischen Modellen und AR-Experimenten zum Lehren und Lernen der Physik kennen und probieren einige Beispiele mit dem eigenen Mobilgerät aus.

Lernende in das Zentrum von Handlungen stellen – dieser Transformationsprozess von Lernen gelingt mit dem digitalen Tool Scobees und ermöglicht einfach sowohl die Organisation individueller Lernwege als auch jederzeit digital die Begleitung von Lernentwicklungen der Schülerinnen und Schüler. Wir zeigen in dieser Session, wie leicht Lerndifferenzierung mit Scobees möglich ist und wie sich Lernprozesse durch Feedbackmöglichkeiten und Reflexionen der Lernenden nachhaltig verändern.

In diesem Workshop möchten wir neue Möglichkeiten des kollaborativen Arbeitens mit GeoGebra Classroom und GeoGebra Notizen vorstellen. GeoGebra Classroom ist eine virtuelle Plattform, mit der Lehrpersonen sehr einfach digitale Materialien an SchülerInnen austeilen können. LehrerInnen können dabei den aktuellen Arbeitsfortschritt der SchülerInnen in Echtzeit mitverfolgen. Mit dem Werkzeug GeoGebra Notizen ist jetzt auch kollaboratives Arbeiten für Gruppen von SchülerInnen möglich. So können mehrere SchülerInnen gleichzeitig auf einem virtuellen Whiteboard an einer Aufgabe arbeiten oder Ideen und Meinungen zu einem Thema sammeln. In GeoGebra Notizen können SchülerInnen neben digitaler Handschrift auch Bilder, Videos, PDFs, interaktive GeoGebra Elemente und Webseiten einfügen. Es wird darum gebeten, einen Laptop mitzubringen.

„Schülerinnen und Schüler lernen aktiv und verantwortungsbewusst, gemeinsam mit anderen an nachhaltigen Entwicklungsprozessen lokal und global teilzuhaben und Entscheidungen für die Zukunft zu treffen. Dabei orientieren sie sich am Leitbild der nachhaltigen Entwicklung. … Die Schülerinnen und Schüler erwerben Kompetenzen, die es ihnen auf der Grundlage eines ethischen Wertesystems ermöglichen, nicht nachhaltige und nachhaltige Entwicklungstendenzen in einer zunehmend globalisierten Welt zu erkennen, zu analysieren und zu bewerten.“ (Rahmenplan Berlin, S. 34)

Damit dieses Ziel erreicht werden kann, benötigen die Schülerinnen und Schüler auch mathematische Kenntnisse und Kompetenzen:
• Sicherer Umgang mit Zahlen und Größen
• Fortgeschrittene Anwendung der Prozentrechnung
• Grundbegriffe der Statistik
• Interpretation von Daten und ihrer verschiedenen Darstellungsformen
• Beurteilung von Aussagen und Argumentationen zu Datenzusammenstellungen und deren Darstellungen
• Vertieftes Verständnis des mathematischen Modellierungsprozesses
• Fähigkeit, mathematikhaltige Texte im Kontext nachhaltige Entwicklung zu verstehen

Umgekehrt können die Schülerinnen und Schüler u. a. solche Kenntnisse und Kompetenzen zunehmend erwerben, wenn der Mathematikunterricht aktuelle Anlässe im Kontext aufgreift und Gelegenheit zur Auseinandersetzung damit gibt. Für manche Schülerinnen und Schüler könnte dies auch zu eine neuen Motivation im Mathematikunterricht beitragen.

Im Workshop möchten wir Gelegenheit geben, ausgehend von einer Zeitungsgrafik zum Verbrauch von Einwegbechern in Berlin an Ideen für ein Unterrichtsvorhaben in einer eigenen Lerngruppe zu arbeiten und die damit zusammenhängenden didaktischen und methodischen Fragen zu diskutieren. Hintergrundmaterial zum Kontext stellen wir bereit. 
Eine solche Arbeit ist gleichzeitig exemplarisch für die Kooperation im Netzwerk MUED (ca. 700 Mathematiklehrkräfte in Deutschland), in dem wir seit vielen Jahren u. a. an dem Schwerpunkt „Umwelterziehung im Mathematikunterricht“ mitarbeiten. Siehe auch: https://www.mued.de/html/inhalte/i5-oekologie.html

Zählt Sven noch oder multipliziert er schon? Nutzt Özlem Rechenstrategien oder wendet sie schriftliche Verfahren im Kopf an? Und wenn alle stets das richtige Ergebnis haben – sind diese Informationen wichtig? Ja, denn nur wer erkennt, wie Kinder und Jugendliche denken und was sie verstanden haben, kann passende Lernangebote bereitstellen.

Individuelle Lernstände im laufenden Unterricht festzustellen und Lernangebote darauf abzustimmen, ist eine große Herausforderung. In Neuseeland wurde zur Unterstützung der Lehrkräfte ein Lernentwicklungsmodell zur Arithmetik (Erwerb des Zahlbegriffs bis zur Prozentrechnung) und darauf aufbauend ein Diagnostisches Interview ausgearbeitet. Dieses wird in übersetzter Fassung seit einigen Jahren auch an deutschen Schulen und in der Lehrkräfteaus- und -fortbildung erfolgreich eingesetzt. Die Heterogenität im Denken der Kinder und Jugendlichen und deren individuelle Stärken werden nicht nur in Klassen mit großer kultureller oder sozialen Vielfalt bei der Durchführung erkennbar.

Siehe auch: https://www.mathematik-lehren.de/blog/methoden-aufgaben-werkzeuge/post/basiswissen-und-strategien-erfragen/

Nach einer Einführung in das Lernentwicklungsmodell möchten wir im Workshop Gelegenheit zur Analyse von Interviewausschnitten (u. a. aus einer Berliner Willkommensklasse), zur Diskussion über jeweils weitere Lernangebote und zum Kennenlernen typischer Formen der Unterrichtsgestaltung in Neuseeland geben. Ein Austausch über Erfahrungen zur individuellen Förderung und über Chancen in der Nutzung der vorgestellten Elemente soll den Workshop abschließen.