Simulationen im Unterricht

Simulationen interpretieren, testen und so komplexe Systeme erforschen
Sekundarstufe I
Sekundarstufe II
Naturwissenschaften
Geografie & Wirtschaftskunde
Mathematik
Geschichte & Sozialkunde

Kerngebiete

  • Informations-, Daten- und Medienkompetenz
  • Mediengestaltung

Schlüsselkompetenzen

  • Digitale Kompetenz
  • Mathematische & Naturwissenschaftliche Kompetenz

Ressourcen

  • PC/Laptop/Tablet mit Internetverbindung
  • ein Simulationstool - NetLogo und/oder Insight Maker (kein Download notwendig, beide Tools laufen im Browser)

Durchführung

Simulationen können den SchülerInnen helfen, komplexe Systeme - zB den Klimawandel, die Bevölkerungsentwicklung oder die Ausbreitung von Infektionen - besser zu verstehen: wie diese funktionieren, von welchen Variablen bzw. Einflussfaktoren sie bestimmt werden und wie diese Faktoren die Entwicklung des Systems beeinflussen.

AN MODELLEN FORSCHEN | Gruppenarbeit, Plenum

Wird im Unterricht ein Thema behandelt, das sich mittels Simulationen darstellen lässt, kann zuerst einmal geprüft werden, ob es dazu schon Simulationen gibt. Dafür können die Webseiten NetLogo (Modelle sind in der "Library" zu finden) oder Insight Maker (Modelle über "Explore InSights" zu finden) genutzt werden.

Hat man eine Simulation gefunden, mit der man arbeiten möchte, ist es sinnvoll vorab die SchülerInnen bestimmte Forschungsfragen stellen und überlegen zu lassen, was sie herausfinden möchten. Es können verschiedene Annahmen getroffen, also Hypothesen aufgestellt, und diese schriftlich festgehalten werden. Erst anschließend lässt man die Simulation ablaufen und beobachtet, ob man mit der Annahme richtig gelegen ist oder nicht.

Schließlich soll versucht werden, sich mögliche Ursachen für die jeweilige Entwicklung zu überlegen und Erklärungen zu formulieren. Welche Variablen bzw. Faktoren beeinflussen das System und in welcher Weise tun sie das? Die SchülerInnen sollen versuchen, die Simulation zu interpretieren und zu beschreiben.

Abschließend kann überlegt werden, welche weiteren Faktoren einen Einfluss auf das System haben könnten.

Die Experimentierphase kann als selbständige Gruppenarbeit durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden anschließend im Plenum präsentiert und besprochen. Dafür können das jeweilige Modell auch über das Interactive Whiteboard gezeigt und die Simulation gemeinsam mittels der Parameter verändert und beobachtet werden. Durch das selbständige Arbeiten und die sofort verfügbaren Ergebnisse ist die Arbeit mit Simulationen für die SchülerInnen sehr motivierend.

Bei dieser Aufgabe geht es darum zu forschen, verschiedene Hypothesen zu testen und Muster zu erkennen. Ziel ist nicht, mit den Hypothesen möglichst richtig zu liegen, sondern Fragen zu stellen und neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Auf der Plattform Innovative Technology in Science Inquiry finden Sie ein Unterrichtsbeispiel (auf Englisch) zur Auseinandersetzung mit einem Modell zur Populationsdynamik von Konsumenten (Hasen) und Produzenten (Kräuter und Gräser).


Weiterführende Ideen

Es kann auch versucht werden eigene Modelle und Simulationen zu erstellen. Dafür ist vernetztes Denken gefragt! Zusammenhänge müssen hergestellt und überlegt werden, durch welche Faktoren ein komplexes System beeinflusst wird und wie sich diese Faktoren zueinander verhalten. Im Modell muss die Komplexität der realen Welt auf jene Elemente reduziert werden, die tatsächlich erheblichen Einfluss auf den Prozess haben. Allein die Modellbildung ist also schon eine lohnende Aufgabe. Wenn auch hier die Gruppen eigene Modelle entwickeln, ist es im Anschluss besonders spannend, die Unterschiede der Modelle zu besprechen und herauszufinden, wie die Ergebnisse zustande gekommen sind.

Für das Erstellen eigener Modelle eignet sich Insight Maker. Lesen Sie in unserem App-Test: Insight Maker wie das funktioniert!


Sachinformationen

Simulationen können uns helfen, komplexe Systeme besser zu verstehen und das Zusammenwirken verschiedener Einflussfaktoren nachzuvollziehen. Damit fördern sie zum einen das informatische Denken (computational thinking), bringen aber auch in vielen Fächern abseits der Informatik vielfältige Lernchancen mit sich. Gerade für WissenschaftlerInnen ist das ein hilfreiches Werkzeug, da sie verschiedenste Experimente virtuell mit dem Computer durchführen und so nachvollziehen können, wie sich komplexe - zB soziale oder natürliche - Systeme unter verschiedenen Voraussetzungen über die Zeit entwickeln. Dafür muss sich der Entwickler bzw. die Entwicklerin vorab überlegen, welche Variablen die Entwicklung beeinflussen könnten bzw. den Einfluss welcher Variablen er bzw. sie sich genauer ansehen möchte.

Beispiele von Simulationen, die im Biologie-Unterricht genutzt werden können:

  • Fire
    Diese Simulation eignet sich für SchülerInnen, die noch nie mit Simulationen gearbeitet haben, da es hier nur eine Variable gibt, die das System - nämlich die Ausbreitung von Feuer in einem Wald -  beeinflusst. Die SchülerInnen können die Variable verändern und die Auswirkungen beobachten und beschreiben. Außerdem kann überlegt werden, welche weiteren Faktoren die Ausbreitung eines Feuers im Wald beeinflussen könnten.
  • Wolf Sheep Predation
    Hier werden die Zusammehänge zwischen Pflanzen, Pflanzenfressern und Prädatoren sichtbar. Lassen Sie die SchülerInnen beschreiben, wie dieses System funktioniert und wovon die Populationsgrößen von Wölfen und Schafen abhängen bzw. wie sich diese gegenseitig beeinflussen!
  • Climate Change
    Diese Simulation zeigt stark vereinfacht, wodurch die Klimaerwärmung angeheizt wird. Die Variablen Sonneneinstrahlung, Albedo, Wolken und CO2 können verändert und deren Einfluss auf die Erhöhung der globalen Temperatur beobachtet werden.

Auf NetLogo finden Sie in der Library außerdem Simulationen zu den Fachbereichen Physik, Chemie, Mathematik, Kunst, Sozialkunde uvm. Alle diese Modelle können im Browser genutzt werden.

Auch auf der Plattform Insight Maker finden Sie Modelle in Form von Flow Charts zu verschiedensten Themenbereichen.

Die Plattform Phet - Interactive Simulations stellt außerdem sehr anschauliche Simulationen für den Physikunterricht bereit. Diese laufen entweder direkt im Browser oder können heruntergeladen werden.