Analysieren und Bewerten

Kerbal Space Program

Adrian — Sat, 07 Aug 2021 20:14:43 +0000

Kerbal Space Program Adrian Sa., 07.08.2021 - 22:14

Grundlegende Idee der Unterrichtseinheit

Mit Kerbal Space Program erhalten die Schüler*innen die Chance, sich einem realistischen Raketenflug unter Zuhilfenahme von bisherigem Wissen aus dem Physikunterricht theoretisch anzunähern. Dabei werden mehrere Teilgebiete des Physikunterrichts wie z.B. Dynamik, Kinematik, Mechanik und Energie miteinander verknüpft.

Nach einer Einführung in die Raketenphysik und Kerbal Space Program durch die Lehrkraft, sowie einem gemeinsamen Brainstorming folgt eine umfangreiche Gruppenprojektphase, welche den Kern der Unterrichtseinheit bildet.

Im Gruppenprojekt lernen die Schüler*innen anhand von Fragestellungen die theoretischen Grundlagen eines Raketenflugs kennen. Beim erkundenden Lernen fügen Sie schrittweise die einzelnen Teilprobleme zusammen, wobei die Komplexität mit den Fragestellungen mit jedem Schritt steigt. Die Fragestellungen werden von den Schüler*innen analysiert und mögliche Lösungen mit Hilfe von Kerbal Space Program praktisch überprüft. Im Anschluss an die Planung des Raketenflugs wird dieser mit der Simulationsfunktion von KSP durchgeführt. Das geplante Vorgehen wird mit dem Ergebnis verglichen, wobei Veränderungen eingearbeitet werden und die Simulation beliebig oft wiederholt werden kann.

Die Unterrichtseinheit fördert das Problemlösen und das eigenständige Erarbeiten von Erkenntnissen durch Wissenstransfers sowie Kooperation und Komunikation.

In einer abschließenden Ergebnissicherungsphase präsentieren die Schüler*innen ihre Lösungen zu den Fragestellungen.

Gymnasium

Anspruch für Lehrkraft in Hinblick auf Technik und Spielerfahrung

Sek 2 (Klasse 11-13)

6 Unterrichtstunde(n)

geeignet für

Gruppenarbeit

Übung

Vertiefung

Unterrichtsabschnitt

15 min

Zielsetzung der Unterrichtseinheit

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Die Lehrkraft stellt den Schüler*innen das Thema der Unterrichtseinheit vor.

Dabei soll ein Raketenflug im Spiel Kerbal Space Program durchgeführt und anschließend analysiert und theoretisch durchdrungen werden.

Die Unterrichtseinheit findet als Gruppenarbeit statt, bei welcher die Schüler*innen durch Kooperation und Kommunikation sowie dem Rückgriff auf frühere Themengebiete und der Kombination von vorherigen Wissensständen eigenständig zum Ziel gelangen sollen. Das Problemlösen und das eigenständige Erarbeiten von Erkenntnissen durch Wissenstransfers stehen im Vordergrund.

Die Lehrkraft gibt bei Bedarf Tipps und Hilfestellung, um die Schüler*innen in ihrer Reflexion zu unterstützen.

Im Laufe der Unterrichtseinheit sollen sich die Schüler*innen einem theoretischen Modell eines Raketenflugs möglichst genau annähern.

Zu Beginn der Stunde bietet sich ein Brainstorming mit der Klasse an, um den Schüler*innen alle möglichen Einflussfaktoren bei einem Raketenflug ins Gedächtnis zu rufen.

Unterrichtsform

Plenum

Material und Technik des Unterrichtsabschnittes

Tafel für das Brainstorming

20 min

Die Benutzeroberfläche von Kerbal Space Program

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Aufgrund der Komplexität des Spiels stellt die Lehrkraft den Schüler*innen Kerbal Space Program zuerst vor und führt Sie durch die ersten Schritte.

Dafür erstellt die Lehrkraft einen neuen Sandbox-Spielstand und zeigt den Schüler*innen die "Fahrzeugfabrik" und die "Startrampe" (die anderen Gebäude können im Sandbox Modus ignoriert werden und sind für den Versuchsaufbaue irrelevant).

Zur Demonstration wird die erste Rakete gebaut und an der Startrampe gezündet. Die Lehrkraft erläutert währenddessen die Benutzeroberflächen der zwei Modi und die Schüler*innen erhalten die Möglichkeit, Fragen zu stellen.

Unterrichtsform

Plenum

Material und Technik des Unterrichtsabschnittes

PC mit Kerbal Space Program

25 min

Erkundungsphase: Die erste eigene Rakete

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Nach der Demonstration durch die Lehrkraft werden die Schüler*innen selbst tätig und machen sich mit Kerbal Space Program vertraut.

Die Erkundungsphase soll den Schüler*innen die Möglichkeit geben, sich im Spiel zu orientieren, um sich im späteren Verlauf auf die Fragestellungen fokussieren zu können.

Unterrichtsform

Gruppenarbeit (2er-Gruppen)

Material und Technik des Unterrichtsabschnittes

PC mit Kerbal Space Program

180 min

Gruppenprojekt

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Die Schüler*innen bilden nun Gruppen für den weiteren Verlauf der Unterrichtseinheit (idealerweise 4-er Gruppen).

Das Ziel des Gruppenprojekts ist die schrittweise Erkundung anhand ausgewählter Fragestellungen.

Die Schüler*innen sollen durch die Fragen zu einer Modellierung eines Raketenflugs gelangen, die im Rahmen ihrer Möglichkeiten und Fähigkeiten verschiedene Einflussfaktoren berücksichtigt.

Methodisch wird dabei wie folgt vorgegangen:

1. Die Schüler*innen analysieren die Fragestellung. Erste Überlegungen zur Lösung und wichtigen Bestandteilen werden formuliert und notiert.

2. Eine mögliche Lösung wird berechnet. Einschränkungen der Lösung, eventuelle Ungenauigkeiten usw. werden notiert.

3. Die theoretische Lösung wird mit Hilfe von Kerbal Space Program simuliert und überprüft.

4. Eventuell werden Anpassungen an der Lösung von Schritt 3 vorgenommen und der Raketenflug erneut simuliert. Dies wird wiederholt, bis die Schüler*innen mit dem Ergebnis zufrieden sind.

5. Die Fragestellung wird auf Basis der Modellierung und der vorherigen Überlegungen beantwortet.

Beispielhafte Durchführung:

Fragestellung: Wie muss eine Rakete konstruiert sein, um von der "Startrampe" abheben zu können?

1. Es geht um die Schubkraft der Rakete und die Gravitationskraft.

2. Die Schubkraft der Rakete muss größer als die Gravitationskraft auf die entsprechende Masse der Rakete sein, damit diese abheben kann. Die Masse der Rakete kann dabei als konstant angenommen werden, auch wenn sie durch das Verbrennen des Treibstoffs kontinuierlich abnimmt.

3. Eine entsprechende Rakete wird konstruiert, bei der die Schubkraft etwas größer ist als die Gravitationskraft.

4. Danach wird die Rakete so modifiziert, dass sie etwas zu schwer ist, um starten zu können. Die beiden Versionen werden auf der "Startrampe" getestet, um die Überlegung zu überprüfen.

5. Die Fragestellung wird mit Bezugnahme auf die konstruierten Raketen beantwortet. Mehrere Lösungen sind möglich, abhängig vom vorliegenden Antrieb der Rakete. Die Masse wird als konstant angenommen, Luftwiderstand wird vernachlässigt.

Unterrichtsform

Gruppenarbeit (4-er Gruppen)

Material und Technik des Unterrichtsabschnittes

PC mit Kerbal Space Program

Heft und Stifte zur Dokumentation

30 min

Ergebnissicherung und Ausblick

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Zum Abschluss der Projektphase stellen die Gruppen ihre Lösungen zu den Fragestellungen vor. Dies ermöglicht die Ergebnissicherung und den Abgleich von unterschiedlich geeigneten Lösungen.

Die Lehrkraft wählt dafür pro Fragestellung eine Gruppe mit einer passenden Lösung aus. Die Gruppen bereiten ihre Lösungen vor und präsentieren diese in der nächsten Stunde vor der Klasse. Die anderen Gruppen notieren sich die entsprechenden Lösungen und vergleichen diese mit ihren Überlegungen.

Anschließend kann die Lehrkraft einen weiterführenden Ausblick in die Raketenphysik geben. (Siehe dazu "Raketenphysik, Raketengleichung von ZIOLKOWSKI" im Anhang).

Unterrichtsform

Plenum

Material und Technik des Unterrichtsabschnittes

Tafel oder Beamer für die Präsentationen

Inhaltsbezogene Kompetenzen

PHY - Denk- und Arbeitsweisen der Physik

PHY - Mechanik: Kinematik

Dynamik

Kinematik

Prozessbezogene Kompetenzen

Erkenntnisgewinnung

Kommunikation und Kooperation

Problemlösen

kollaboratives Arbeiten

Analysieren und Bewerten

PDF anzeigen

Leitperspektiven

Medienbildung (MB)

Vorbereitungszeit: 4 h

In der Schule muss eine Softwareinstallation vorgenommen werden.

Die Lehrer*innen müssen zur Vorbereitung das Spiel gespielt haben.

Links

Offizielle Website mit Tutorials

Wiki zu Kerbal Space Program

Raketenphysik, Raketengleichung von ZIOLKOWSKI

Wikipedia: Raketengrundgleichung

Raketengrundgleichung

Räumliche Ansprüche

Computerraum

Zum Spielen benötigte Geräte

PC, Computer

In der Regel wird folgende personelle Unterstützung benötigt:

Die Sprache muss eventuell indirekt über Steam auf Deutsch umgestellt werden.
Aufgrund der Komplexität der Benutzeroberfläche und der Thematik von 'Kerbal Space Program' ist es für die Lehrkraft sinnvoll, sich im Voraus selbst umfassend in das Spiel einzuarbeiten. Dabei können allerdings alle weiteren Gebäude neben der "Fahrzeugfabrik" und der "Startrampe" ignoriert werden.

Opus Magnum

Adrian — Sat, 07 Aug 2021 20:13:33 +0000

Opus Magnum Adrian Sa., 07.08.2021 - 22:13

Informatik (INF)

Grundlegende Idee der Unterrichtseinheit

Die Unterrichtseinheit von Opus Magnum bietet einen spielerischen und optisch ansprechenden Einstieg in die Funktionsweise von Algorithmen.

Die Schüler*innen lernen die zentralen algorithmischen Bausteine zuerst anhand von alttäglichen Aussagen kennen. Dafür werden diese durch Strukturdiagramme dargestellt, wodurch die algorithmische Darstellung von sprachlichen Elementen verdeutlicht wird.

Daraufhin wird das Tutorial von Opus Magnum gespielt und im Anschluss dazu genutzt, die algorithmischen Bausteine mit den entsprechenden Bausteinen im Spiel zu verknüpfen. Aufbauend auf das Grundverständnis können im weiteren Verlauf der Unterrichtseinheit mit Hilfe von Opus Magnum komplexere Algorithmen behandelt werden.

Die Schüler*innen entwerfen eigene kreative Lösungen und bewerten diese. Das Spiel bietet zudem 3 eingebaute Bewertungsmaßstäbe für die erzeugten Lösungen welche sich zur Optimierung von Algorithmen eignen.

Im Anschluss an den Hauptteil der Unterrichtseinheit können mit den 2 Vertiefungen gezielt Kompetenzen gefördert werden:

Die "Vertiefung: Optimierung von Algorithmen" behandelt das iterative Vorgehen bei der Erzeugung von Algorithmen und fördert die Analyse- und Bewertungskompetenz.

Die "Vertiefung: Fehlersuche" fördert hingegen verstärkt die Strukturierungs- und Vernetzungskompetenz.

Sek 1 (Klasse 5-10)

2 Unterrichtstunde(n)

geeignet für

Themeneinstieg

Zusätzliche Angaben zum Zeitaufwand:

Die optionalen Vertiefungen fördern bestimmte Kompetenzen und können gezielt eingesetzt werden. Damit erhöht sich der Zeitaufwand auf 4 Unterrichtsstunden.

Unterrichtsabschnitt

20 min

Einführung in das Thema "Algorithmen"

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Die Lehrkraft führt die Schüler*innen in das Thema "Algorithmen" ein. Die algorithmischen Grundbausteine (Anweisung, Sequenz, Schleife/Wiederholung, Verzweigung und Bedingung) werden anhand eines Beispiels erläutert.

Zum Einstieg bietet sich die algorithmische Darstellung einer alltäglichen Situation mittels eines Strukturdiagramms an.

Mögliche Aussagen sind z.B.

- Jeden Montag bekommen alle Schüler*innen der 7ten und 8ten Klasse Lasagne von der Kantine.

- Her Müller schaut nach jeder Klassenarbeit mit seinen SchülerInnen einen Filmklassiker, wenn der Notenschnitt unter 2,0 liegt.

Einfache Anweisungen werden erstmals mittels algorithmischer Sprache modelliert und implementiert. Die Schüler*innen erhalten einen ersten Einblick in die Strukturierung von Daten und Prozessen.

Unterrichtsform

Plenum

25 min

Das Tutorial

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Im Tutorial machen sich die Schüler*innen durch das eigene Aktivwerden erstmals mit der Funktionsweise von Opus Magnum vertraut. Das Tutorial behandelt dabei alle wesentlichen Bausteine der Transmutationsmaschine (Reagenzien, Mechanismen, Glyphen, Erzeugnisse).

In der Anweisungskonsole werden von den Schüler*innen Anweisungen für die Mechanismen aneinandergereiht. Dabei bewegen die Mechanismen Reagenzien, welche durch alchemistische Transmutationen unter Zuhilfenahme von Glyphen neue Erzeugnisse erschaffen.

Damit bietet Opus Magnum eine optisch ansprechende und gut zugängliche Möglichkeit zum Verständnis von Algorithmen.

Die Anweisungen in Opus Magnum funktionieren genau wie Anweisungen eines Algorithmus, Sequenzen werden in der Anweisungskonsole durch die Aneinanderreihung von Anweisungen dargestellt und Schleifen sind durch einen eigenen Befehl sowie die konstante Taktung der alchemistischen Maschine doppelt gegeben.

Verzweigungen und Bedingungen können durch Glyphen und Mechanismen dargestellt werden:

z.B. wenn eine "Glyphe der Kalzifizierung" nur die Hauptelemente in Salz verwandelt, somit also prüft ob die Reagenzie zu den Hauptelementen gehört.

Unterrichtsform

Einzelarbeit

Material und Technik des Unterrichtsabschnittes

15 min

Verknüpfung der algorithmischen Grundbausteine

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Nach dem Tutorial kommen die Schüler*innen im Plenum zusammen. Die neu eingeführten Elemente in Opus Magnum werden mit den zuvor behandelten Begriffen verknüpft (Anweisung, Sequenz, Schleife/Wiederholung, Verzweigung und Bedingung).

Mögliche Fragen an die Schüler*innen können sein:

- Welche Anweisungen gibt es in Opus Magnum?

- Wo findet man im Spiel die algorithmischen Bausteine Anweisung, Sequenz und Schleife?

- Wie werden Sequenzen gebildet?

- Wo findet man Schleifen in Opus Magnum? ( 1. die Anweisung Schleife, 2. die Maschine wiederholt die Sequenzen automatisch)

- Wo findet man die Bausteine Verzweigung und Bedingung im Spiel?

Unterrichtsform

Plenum

30 min

Probleme lösen mit Algorithmen

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Anschließend an die Verknüpfung spielen die Schüler*innen die Szenarien nach dem Tutorial.

Dabei bieten die Szenarien in Kapitel 1 mehr Freiheiten als das Tutorial und die Schüler*innen werden nach einer anfänglichen Hinführung erstmals zur Erstellung einer eigenständigen Lösung animiert. Die Szenarien bauen lose aufeinander auf und steigern sich über die Kapitel hinweg zunehmend in ihrer Schwierigkeit, jedoch gibt es mehrere Szenarien unter denen die Schüler*innen wählen können, falls Sie bei einem bestimmten Szenario steckenbleiben.

Die Lösungen der Szenarien werden dabei dauerhaft gespeichert. Falls die Schüler*innen also bei einem Szenario absolut nicht weiterkommen, können Sie somit ein anderes Szenario beginnen, bis die Lehrkraft oder ein*e andere*r Schüler*in Zeit findet, sich ihre Lösung anzusehen.

Zum Lösen der Szenarien können wie anfänglich Strukturdiagramme von den Schüler*innen erstellt werden, welche dann in Anweisungen von Opus Magnum übersetzt werden.

Unterrichtsform

Einzelarbeit

90 min

Vertiefung: Optimierung von Algorithmen

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

In dieser Vertiefung geht es nach einer anfänglichen Lösung um die schrittweise Optimierung.

Dafür kann ein bestimmtes Szenario gewählt werden oder die Lehrkraft entwirft eine eigene Aufgabe für die Schüler*innen. Neben der Kampagne bietet Opus Magnum zahlreiche Aufgaben, die von anderen Spieler*innen erdacht wurden.

Genau wie in der Informatik ist das Problemlösen im Spiel selbst auch ein iterativer Prozess. Die Bewertungskategorien Kosten, Zyklen und Bereich werden für jede Lösung angezeigt und liefern 3 Maßstäbe, anhand dessen funktionierende Algorithmen miteinander verglichen werden können.

Nach einer anfänglichen Lösung, soll diese von den Schüler*innen kopiert und daraufhin auf jeweils einen Maßstab hin optimiert werden (Kosten, Zyklen, Bereich).

Abschließend können die optimierten Lösungen in einem finalen Algorithmus zusammengeführt werden, welcher in einem Trade-off z.B. in den Werten aller 3 Maßstäbe unter einem Schwellenwert liegen soll.

Die Vertiefung fördert gezielt die Kompetenz "Analysieren und Bewerten".

Unterrichtsform

Einzelarbeit

90 min

Vertiefung: Fehlersuche

Inhalt des Unterrichtsabschnittes

Diese Vertiefung geht auf die Fehlersuche in Algorithmen ein. Dafür erstellt die Lehrkraft ein Szenario mit einer nicht-funktionierenden Lösung und veröffentlicht diese im Steam Workshop. Anschließend können die Schüler*innen das Szenario herunterladen.

Bei der Fehlersuche müssen die Schüler*innen die vorhandene Lösung strukturieren. Die Problemstellung wird in einzelne Teilprobleme aufgeteilt um gezielt den Fehler zu finden. Anschließend müssen die Teilprobleme bzw. die Lösungen wieder aufeinander abgestimmt werden z.B. wenn die Lösung des ursprünglichen Problems neue Schwierigkeiten mit der Abstimmung der Teil-Lösungen nach sich zieht.

Die Vertiefung fördert gezielt die Kompetenz "Strukturieren und Vernetzen".

Unterrichtsform

Einzelarbeit

Inhaltsbezogene Kompetenzen

INF - Algorithmen

Prozessbezogene Kompetenzen

Modellieren und Implementieren

Strukturieren und Vernetzen

Analysieren und Bewerten

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Leitperspektiven

Medienbildung (MB)