Worum geht es? Das wichtigste Instrument im Zusammenspiel von Experiment und Theorie ist die Computersimulation. Sie erlaubt – gerade bei sehr komplexen Sachverhalten – eine Vorhersage auf Basis theoretischer Grundüberlegungen. Mithilfe von Computersimulationen mit dem Programm „VPython“ modellieren die Schüler:innen die Bewegung eines Federpendels aus den eigens gemessenen Anfangsbedingungen und nähern sich so der Bedeutung des Supercomputings in der Wissenschaft. Das Experiment wird von den Teilnehmenden selbstständig durchgeführt, mithilfe einer Videoanalyse ergründet und das Ergebnis mit der Prognose verglichen. Auf diese Weise wird der Modellierungsprozess in der Wissenschaft deutlich und nachvollziehbar.
Bezug zur FZJ-Forschung Supercomputer öffnen die Tür zu Fortschritten, die über den klassischen Weg durch Theorie und Experiment nicht zu erreichen wären. Supercomputing ist damit eines der wichtigsten Universal-Werkzeuge der heutigen Wissenschaft. In Jülich stehen mit dem Supercomputing Centre modernste Supercomputer-Ressourcen, IT-Werkzeuge, Methoden und Know-how zur Verfügung.
Vorgesehene Experimente
- Anfangsbedingungen und Konstanten des Experiments der Federschwingung - Eine erste Simulation - Das Experiment - Federschwingung - Vergleich von Experiment und Simulation
Lernvoraussetzungen
Vorteilhafte, aber nicht zwingende Lernvoraussetzungen:
Feder-Schwere-Pendel-Versuche kennen
das Hook'sche Gesetz kennen.
Anbindung an den Lehrplan
Oberstufe Physik:
Ziele einer vertieften physikalisch-naturwissenschaftlichen Bildung: „Die Schülerinnen und Schüler erfahren im Unterricht die Bedeutung der abstrahierenden, idealisierenden und formalisierten Beschreibung von Prozessen und Systemen, wenn sie regelmäßig mathematisch modellieren und Vorhersagen treffen. Gleichzeitig sind sich die Schülerinnen und Schüler der begrenzten Gültigkeit der Modelle bewusst. Sie lernen, dass aus theoretischen Überlegungen Aussagen zu neuen Zusammenhängen und zur Vorhersagbarkeit von Ereignissen abgeleitet werden können.“
Erkenntnisgewinnungskompetenz E4:
Die Schülerinnen und Schüler…
modellieren Phänomene physikalisch, auch mithilfe mathematischer Darstellungen und digitaler Werkzeuge, wobei sie theoretische Überlegungen und experimentelle Erkenntnisse aufeinander beziehen,
Oberstufe Mathematik
Kompetenzbereich Modellieren
„Modellieren entwickelt sich im Wechselspiel von Theorie und praktischer Anwendung, sie trägt zum Verständnis und zur Gestaltung der uns umgebenden Welt bei. Das Modellieren ist der Prozess der Strukturierung von Sachsituationen, der Beschreibung außermathematischer Realität durch mathematische Begriffe und Zusammenhänge (Mathematisierung) sowie der Nutzung mathematischer Zusammenhänge zur Lösung realer Probleme, der anschließenden Interpretation des Ergebnisses und der Validierung des Modells.“
Einführungsphase Informatik
Kompetenzbereich Modellieren
„Modellieren Um ein Problem aus einem inner- oder außerinformatischen Kontext lösen zu können, wird in der Regel zunächst ein informatisches Modell entwickelt, das auf einem prozessorgesteuerten Gerät implementiert werden kann. Informatisches Modellieren zielt auf eine abstrahierende Beschreibung der wesentlichen Komponenten und Parameter eines realen oder geplanten Systems sowie des Ordnungsgefüges und der Wirkungsbeziehungen zwischen ihnen. Der Modellierungsprozess beginnt mit der Analyse und einer strukturierten Zerlegung des Ausgangsproblems. Teilkomponenten müssen identifiziert, konstruiert und gegebenenfalls miteinander vernetzt werden. Ein Ergebnis eines Modellierungsprozesses ist in der Regel eine formale, textuelle oder grafische Darstellung.“
Die Schülerinnen und Schüler…
konstruieren zu kontextbezogenen Problemstellungen informatische Modelle,
modifizieren und erweitern informatische Modelle.
Kompetenzbereich Implementieren
Implementieren umfasst die Umsetzung eines Modells in ein Informatiksystem. Dazu gehören das Programmieren, Evaluieren und Validieren von Modellbestandteilen unter Nutzung geeigneter Werkzeuge. Grundlegende Methoden und Denkweisen der Programmentwicklung werden dabei in den Vordergrund gestellt. Die Programmerstellung ist ein bedeutsamer Bestandteil des Problemlösungsprozesses, weil erst dadurch das Modell wirksam wird. An dem entstandenen Informatiksystem können Wirkungen der Modellentscheidungen diskutiert sowie Ursachen und Tragweite von möglichen Fehlern im Modell erkannt und korrigiert werden. Dadurch werden die Selbstreflexion des Lösungsprozesses und eine vertiefte Modellkritik unterstützt.
Die Schülerinnen und Schüler…
implementieren auf der Grundlage von Modellen oder Modellausschnitten Computerprogramme,
modifizieren und erweitern Computerprogramme,
testen und korrigieren Computerprogramme.
Inhaltsfeld Algorithmen
Inhaltliche Schwerpunkte
Analyse, Entwurf und Implementierung einfacher Algorithmen
Die Schülerinnen und Schüler…
analysieren und erläutern einfache Algorithmen und Programme (A),
modifizieren einfache Algorithmen und Programme (I),
entwerfen einfache Algorithmen und stellen sie umgangssprachlich und grafisch dar (M),
implementieren Algorithmen unter Verwendung von Variablen und Wertzuweisungen, Kontrollstrukturen sowie Methodenaufrufen (I),
testen Programme schrittweise anhand von Beispielen (I).
Inhaltsfeld Formale Sprachen und Automaten
Inhaltliche Schwerpunkte
Syntax und Semantik einer Programmiersprache
Die Schülerinnen und Schüler…
implementieren einfache Algorithmen unter Beachtung der Syntax und Semantik einer Programmiersprache (I),
