DIGITALISIERUNG AUTOMATISIERUNG ZUKUNFTSTECHNOLOGIEN - UNTERRICHTSMATERIAL
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UNTERRICHTSMATERIAL
für Lehrkräfte
geeignet für Mittel- und Oberstufe
geeignet für fächerübergreifenden Unterricht
DIGITALISIERUNG
AUTOMATISIERUNG
ZUKUNFTSTECHNOLOGIEN
ENTWÜRFE, PLANUNGSHILFEN UND IDEEN
FÜR DEN DIGITAL-UNTERRICHT
INHALT
EINFÜHRUNG
Über das Unterrichtsmaterial 3
So setzen Sie das Unterrichtsmaterial ein 4
UNTERRICHTSMATERIAL
A Künstliche Intelligenz – Beispiel Precision 6
Farming
B Gedankensteuerung – Computer und Gehirn 12
C Smart Textiles – Fashion meets Hightech 18
HALLO
D PBS – Plastik aus Holz 24
E Roboter – Menschliche Maschinen? 30
KU N FT!
Z U
F Industrie 4.0 – Intelligente Produktion 36
G Virtual Reality – Lernen im virtuellen Raum 42
H Hyperloop – Mobilität der Zukunft 48
Lösungen, Hinweise, Quellen, Impressum 54
WWW.TOUCHTOMORROW-TEACHING.DE
EINFÜHRUNG 3
ÜBER DAS UNTERRICHTSMATERIAL
HERAUSFORDERUNG DER ZUKUNFT:
DIGITALISIERUNG UND AUTOMATISIERUNG
Digitalisierung und Automatisierung sind überall. Und zugleich sehr schwer zu fassen,
denn fast jeder Bereich des Lebens ist vom Wandel analoger Medien und Technik zu
digitalen Formaten betroffen. Für die Schule gibt es zahlreiche Ansätze: fast alle
Bundesländer haben eigene Agenden für die Digitalisierung der Schule verfasst.
Diese Pläne bilden eine Art Ziel, das die Gesellschaft allgemein und die Schu-
len im Speziellen erreichen sollen. Dabei gilt wie so oft: Papier ist geduldig und
auch wenn umfangreiche Investitionen geplant sind, braucht alles seine Zeit.
DIGITALISIERUNG UND AUTOMATISIERUNG:
EINE WEITERE AUFGABE FÜR LEHRKRÄFTE
Es darf nicht vergessen werden, dass abseits von Strategiepapieren vor allem die Lehrer*innen um-
fangreiche Herausforderungen meistern müssen – und das unter nicht immer optimalen Bedingun-
gen! Aus diesem Grund ist gutes Unterrichtsmaterial wichtig – zumal viele Schulbücher und Arbeitshefte
das Thema (noch) nicht adäquat aufgreifen. Genau deswegen wurde diese Materialsammlung entwickelt.
In ihr werden Themen aus Digitalisierung, Automatisierung und Zukunftstechnologien verständlich und für
einen spannenden Unterricht aufbereitet.
DIGITAL UNTERRICHTEN ODER
DIGITALISIERUNG UNTERRICHTEN?
Das sind zwei völlig unterschiedliche Dinge: einerseits ist es die Aufgabe von Lehrkräften, ihren Unterricht zunehmend
zu digitalisieren. Andererseits sollen Lehrkräfte Themen der Digitalisierung spannend, innovativ und informiert unter-
richten können. Zu diesem Vorhaben möchte diese Materialsammlung einen Beitrag leisten.
DIE HERAUSGEBERIN:
DR. HANS RIEGEL-STIFTUNG
Dieses Unterrichtsmaterial mit Planungshilfen und Arbeitsblättern wurden durch die gemeinnützige Dr. Hans Riegel-
Stiftung mit Sitz in Bonn entwickelt. Die Stiftung führt das Engagement des ehemaligen HARIBO-Mitinhabers Dr.
Hans Riegel (1923-2013) fort mit dem Ziel, junge Menschen mit Themen der Zukunft in Kontakt zu bringen und in
ihrer Berufswahl zu fördern. Das Projekt „TouchTomorrow“ vereint eine Vielzahl von Engagements, um das Wissen
über Digitalisierung, Automatisierung und Zukunftstechnologien in Schulen zu fördern. HARIBO und seine Produkte
treten übrigens nicht in Erscheinung. Die inhaltliche, konzeptionelle sowie grafische Expertise dieser Materialien
bringt die auf Jugendkommunikation spezialisierte jungvornweg GmbH aus Dresden ein.
4 EINFÜHRUNG
SO SETZEN SIE DAS
UNTERRICHTSMATIERIAL EIN
Diese Materialien machen Ihren Unterricht nicht digital. Aber sie
helfen, Digitalisierung und Automatisierung zu verstehen und zu
DIE METHODE: MODULE ZU GE-
unterrichten. Wir haben versucht, Stundenentwürfe zu gestalten, LEITET-OFFENER DEBATTE
die einen einfachen Zugang ermöglichen und zugleich hochrele-
vant sind. Das Material wurde auch für den Einsatz an Schulen Die Aufgabenstellungen des Materials basieren auf Dialog und
ohne perfektes WLAN, tolle digitale Maschinen oder gar Informa- Debatte. Sie stützen den Diskurs sowie die selbstständige, kriti-
tik-Leistungskurse entwickelt. Denn: Digitalisierung muss auch sche Auseinandersetzung zu einem Thema. Die Stundenentwürfe
dort Thema sein, wo die Infrastruktur noch nicht perfekt ist. basieren auf den Methoden Video, Voting, Quiz, Mindmap,
Einzel- oder Teamarbeit.
DIE THEMEN:
ACHTMAL ZUKUNFTSWISSEN DIE ERWEITERUNGEN: INTERAK-
TIV-DIGITALER UNTERRICHT
Für dieses Material wurden acht völlig unterschiedliche Themen
ausgewählt, die ganz unterschiedliche Schulfächer betreffen. Sie Dieses Material ist mehrmedial angelegt. Zusätzlich gibt es digi-
alle haben mit Digitalisierung, Automatisierung sowie Zu- tale Erweiterungen, die Sie in den Unterricht einbinden können.
kunftstechnologie zu tun und bieten Information und Ablauf für Neben den Videoimpulsen sind dies:
erfolgreiches Unterrichten:
interaktives Whiteboard
A Künstliche Intelligenz – Beispiel Precision Farming Beamerpräsentation
B Gedankensteuerung – Computer und Gehirn Wissenstest
C Smart Textiles – Fashion meets Hightech Meinungsumfrage
D PBS – Plastik aus Holz Wissensposter
E Roboter – Menschliche Maschinen?
F Industrie 4.0 – Intelligente Produktion
G Virtual Reality – Lernen im virtuellen Raum
H Hyperloop – Mobilität der Zukunft
DIE ZIELGRUPPE: MIT RÜCKSICHT
AUF INDIVIDUELLE WISSENS-
STÄNDE
Die acht Themen sind parallel sowohl für die Mittelstufe als auch
für die Oberstufe aufbereitet. Sie können punktuell oder als
90-min-Einheit genutzt werden. Das Material nimmt Rücksicht
auf unterschiedliche Wissensstände, dient dem aktiven Aus-
tausch unter den Schüler*innen und vermeidet Geschlechterste-
reotype.
ONLINE-ERWEITERUNGEN AUF WWW.TOUCHTOMORROW-TEACHING.DE
EINFÜHRUNG 5 DIE VIDEOIMPULSE: ANIMIERTES WISSEN Zu drei Themen bereichern Videoimpulse den Unterricht audio- visuell. Kurze animierte Clips von einer bis anderthalb Minuten liefern grundlegende Fakten zum Thema. Zusätzliche Impulsfra- gen schließen daran an. Die drei Videoimpulse und ihre Themen: BELEUCHTUNG DER ZUKUNFT Wofür brauchen wir OLEDs? – von Smart Window bis OLED-Tapete; außerdem: Funktionsaufbau der OLED SAFETY FIRST Wer hat unsere Daten? – wo Jugendliche persönliche Informationen preisgeben MOBILITÄT DER ZUKUNFT Wie bewegen wir uns fort? – von Solarautobahn bis Hyperloop
6 A KÜNSTLICHE INTELLIGENZ UNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER INFORMATIK/
BIOLOGIE/PHYSIK/GEOGRAFIE/GESCHICHTE
KÜNSTLICHE INTELLIGENZ
BEISPIEL PRECISION FARMING
FÜR DIE UNTERRICHTSFÄCHER INFORMATIK, BIOLOGIE, PHYSIK, GEOGRAFIE, GESCHICHTE
THEMEN KÜNSTLICHE INTELLIGENZ (KI), LANDWIRTSCHAFT, UMWELT, SENSOREN, PRECISION
FARMING, SMART FARMING
MATERIAL MITTELSTUFE: ARBEITSBLATT 1 OBERSTUFE: ARBEITSBLÄTTER 1 + 2
ZZGL. EIN BLATT PAPIER MIT ZWEI LEEREN SEITEN PRO KLASSENMITGLIED
EINFÜHRUNG Dieser Unterrichtsentwurf bereitet das Thema Künstliche Intelligenz (KI)
am Anwendungsbeispiel von Precision Farming auf. Dabei wird gezeigt, wie durch den
Einsatz von KI die Landwirtschaft optimiert werden kann. Schülerinnen und Schüler
lernen die Grundbegriffe von KI kennen. Sie lernen zu differenzieren, was KI ist und
was nicht, und erhalten anhand eines konkreten Anwendungsfalles im Ackerbau
einen ersten Einblick in KI.
INHALT
UNTERRICHTSMATERIAL MITTELSTUFE UND OBERSTUFE Seite 7
Meilensteine der KI
Intelligenz und Künstliche Intelligenz
KI in der Landwirtschaft
KI oder keine KI?
Precision Farming
Gesammelte Daten
ARBEITSBLÄTTER Seite 8/9
Zeittafel: Meilensteine der künstlichen Intelligenz
Intelligente Landwirtschaft: Precision Farming
ERWEITERUNGEN, LÖSUNGEN Seite 10
HINTERGRUNDWISSEN FÜR LEHRKRÄFTE: KÜNSTLICHE INTELLIGENZ: BEISPIEL PRECISION FARMING
Künstliche Intelligenz (KI) ist Zukunftsthema. Ein Anwendungsfall der Optimierung durch KI ist die Landwirt-
schaft. Da die Weltbevölkerung wächst, wird sich der Nahrungsbedarf bis 2050 etwa verdoppeln. Daher ist es
entscheidend, auf den verfügbaren Ackerflächen mit umweltschonenden Verfahren hohe Erträge zu erzielen.
Ausschlaggebend für die Nutzung von KI in der Landwirtschaft ist die Verfügbarkeit von sicherer Technik und
einer leistungsfähigen digitalen Infrastruktur, denn beim Einsatz von Sensoren und Satelliten werden Unmengen
an Daten gesammelt – Big Data. Mittels KI wird diese Datensammlung ausgewertet. Dabei ahmt der Computer
die Informationsverarbeitung des menschlichen Gehirns durch künstliche neuronale Netze nach. Solche Systeme
setzen sich aus Algorithmen zusammen. Das sind Folgen von Anweisungen, mit denen ein bestimmtes Problem
gelöst werden kann. Im Anwendungsbeispiel Landwirtschaft können damit Ackerflächen, auf denen unterschied-
liche Wachstumsbedingungen herrschen, ganz gezielt bewirtschaftet werden. Dies ist Precision Farming – Präzi-
sionslandwirtschaft. Ressourcen wie Wasser und Diesel werden dabei eingespart und Pflanzenschutzmittel oder
Dünger effizienter eingesetzt. So kann die Landwirtschaft der Zukunft ressourcenschonender gestaltet werden.
ERGÄNZENDE MATERIALIEN AUF WWW.TOUCHTOMORROW-TEACHING.DE
UNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER INFORMATIK/ A KÜNSTLICHE INTELLIGENZ 7
BIOLOGIE/PHYSIK/GEOGRAFIE/GESCHICHTE
UNTERRICHTSMODULE MITTELSTUFE UNTERRICHTSMODULE OBERSTUFE
MEILENSTEINE DER KI KI ODER KEINE KI?
20 MIN MINDMAP, EINZELARBEIT, PLENUM 25 MIN VOTING, PLENUM
Skizzieren Sie zu Beginn des Unterrichts auf Tafel, Flipchart Stellen Sie zunächst folgende Leitfrage: Was ist Künstliche
oder Whiteboard eine Zeittafel. Teilen Sie Arbeitsblatt 1 in der Intelligenz? Danach lassen Sie jedes Klassenmitglied eine Karte
Klasse aus. Die Schülerinnen und Schüler können in Einzel- oder ein Blatt Papier nehmen und auf eine Seite „KI“ und auf
arbeit Meilensteine der Künstlichen Intelligenz einordnen. die andere Seite „keine KI“ notieren. Nun lesen Sie verschiedene
Besprechen Sie im Anschluss die Ergebnisse mit der Klasse an Anwendungsbereiche einzeln vor. Die Schülerinnen und Schüler
der skizzierten Zeittafel. führen ein Voting durch. Sie entscheiden, ob bei dieser Anwen-
dung eine KI im Spiel ist, indem sie die Karte oder das Blatt mit
der entsprechenden Seite hochhalten. Lassen Sie die Schüle-
INTELLIGENZ UND KÜNSTLICHE INTELLIGENZ rinnen und Schüler ihre Einschätzung begründen. Die An-
wendungsbereiche zur Frage „KI oder keine KI?“ können sein:
25 MIN PLENUM Sprachassistenz Chatbot Smart Home Musik
streaming Instagram Feed Bilderkennung Sprach-
Eröffnen Sie eine geleitete Plenumsrunde, in welcher sich die übersetzung Assistiertes Fahren Navigationssysteme
Schülerinnen und Schüler mit Künstlicher Intelligenz und deren
Einsatzbereichen auseinandersetzen. Leitfragen können sein:
Was bedeutet Intelligenz? PRECISION FARMING
Was ist Künstliche Intelligenz?
Nutzt Du in Deinem Alltag Künstliche Intelligenz? 45 MIN TEAMARBEIT, RECHERCHE, VORTRAG
In welchen Industriezweigen wird Künstliche Intelligenz
bereits eingesetzt? Geben Sie eine kurze Einführung, was Precision Farming bedeu-
Welche Voraussetzungen müssen für den Einsatz von tet. Anregungen dazu finden Sie in dem Hintergrundwissen für
Künstlicher Intelligenz erfüllt sein? Lehrkräfte sowie bei den Lösungen und Hinweisen. Teilen Sie die
Anregungen finden Sie im Hintergrundwissen für Lehrkräfte Klasse in Teams mit jeweils 4 bis 5 Personen ein. Arbeitsblatt 2
sowie bei den Lösungen und Hinweisen. geben Sie an jedes Team aus. Die Schülerinnen und Schüler erhal-
ten die Aufgabe, innerhalb des Teams den Lückentext gemeinsam
auszufüllen. Anschließend bereiten die Teams eigenständig Kurz-
KI IN DER LANDWIRTSCHAFT vorträge zu jeweils einem Thema vor. Themen können dabei sein:
RGB-Sensoren
LiDAR-Sensoren
45 MIN TEAMARBEIT, ROLLENSPIEL,
GPS
DISKUSSION
Greenness-Index
Big Data
Ein Anwendungsfall von KI ist Precision Farming, womit
Bringen Sie anschließend alle Themen mit der Klasse in den
Äcker ganz gezielt bewirtschaftet werden. Teilen Sie die Klasse
Zusammenhang von Precision Farming und klären Sie, inwie-
für ein Rollenspiel in 2 Gruppen ein. Gruppe A übernimmt die
fern die Nutzung von KI in diesem Anwendungsbeispiel die
Rolle eines digitalen Pioniers, der längst digitale Technologien
Landwirtschaft optimiert.
im eigenen Landwirtschaftsbetrieb nutzt. Er ist so überzeugt
davon, dass er weitere Vorhaben mit KI einplant. Die Rolle
von Gruppe B besteht dagegen darin, digitalen Technologien
skeptisch gegenüberzustehen. Sie ist sehr traditionell. Um sich GESAMMELTE DATEN
auf die beiden Rollen vorzubereiten, können die Schülerinnen
und Schüler diese Standpunkte zu Hilfe nehmen: 20 MIN PLENUM
Digitale Technologien helfen ...
... bei der Einsparung von Ressourcen wie Dünger, Pflan- Tragen Sie mit den Schülerinnen und Schülern zusammen,
zenschutzmittel, Wasser und Diesel. welche Daten als Input für eine KI gesammelt werden müssen.
... landwirtschaftliche Produkte qualitativ zu verbessern. Als Beispiel dient Precision Farming. Lassen Sie die Schülerin-
... Kosten langfristig zu senken. nen und Schüler über folgende Fragen nachdenken und leiten
Darüber hinaus erhalten beide Gruppen die Aufgabe, eigene Sie einen offenen Gedankenaustausch an:
Standpunkte zu KI zu formulieren. Anschließend treffen beide Sind für die Nutzung von KI einzelne Daten oder Big Data nötig?
Gruppen aufeinander und diskutieren ihre Standpunkte. Welche Voraussetzungen gibt es für die sichere Sammlung
Bei einer großen Klassenstärke können Gruppe A und B auch und Verarbeitung der Daten?
doppelt besetzt werden, sodass die Klasse in vier Gruppen Wer hat Interesse an den Daten?
aufgeteilt wird. Wem gehören die Daten?
8 A KÜNSTLICHE INTELLIGENZ ARBEITSBLATT 1
NAME KLASSE DATUM
ZEITTAFEL
MEILENSTEINE DER
KÜNSTLICHEN INTELLIGENZ
Ein von Hans Berliner
Der Begriff „Artificial Intelligence“
entwickeltes Backgammon-
Z (Künstliche Intelligenz) wird erstmals
DIE ERSTE KI-KONFEREN
Programm schlägt den
RTHY Weltmeister Luigi Villa. von John McCarthy verwendet.
WIRD VON JOHN MCCA
GE
AM DARTMOUTH COLLE
T. Forscher innen und Forscher
ORGA NIS IER Der Computer „Deep
entw ickeln das Bayesian
Die virtuelle Assistentin „Siri“ Blue“ von IBM schlägt
Prog ram Lear ning (BPL), womit
wird von Apple vorgestellt. den Schachweltmeister
die KI bereits anhand weniger
G arr y Kas p arov.
Beispiele Muster ableiten kann.
Joseph Weizenb
aum
entw ickelt den Alan Turing entwickelt den
er
Chatbot „ELIZA sten
“. nach ihm benannten Test
„Mensch oder Maschine?“.
B ei Christie’s wird das
von einer KI hergestellte
Gemälde „Portrait of Edmond Testweise startet ogle
vo n
eine
Go
Toch terfi rm a
mit
einen Taxidienst
Belamy“ für 432.500 Dollar
versteigert. fa hren den Au tos in
selbst a.
Phoenix, Ar iz on
AUFGABE
Betrachte die genannten Meilensteine der Künstlichen Intelligenz. Nutze die Zeittafel, um die Abfolge der zeitlichen Ereignisse
einzusortieren.
ZEITTAFEL KÜNSTLICHE INTELLIGENZ
1950 1997
Der Begriff „Artificial Intelligence“
(Künstliche Intelligenz) wird erstmals
1955 2011
von John McCarthy verwendet.
1956 2015
1966 2017
1979 2018
ARBEITSBLATT 2 A KÜNSTLICHE INTELLIGENZ 9
NAME KLASSE DATUM
INTELLIGENTE LANDWIRTSCHAFT
PRECISION FARMING
AUFGABE
Füllt zusammen im Team die Lücken 1 bis 12 im Text aus. Besprecht dabei verschiedene Optionen und entscheidet
euch zusammen für eine Antwort. Sortiert folgende Lösungen ein:
Laserstrahlen GPS-Ortung
Greenness autonomen Fahren
Rot-Grün-Blau digitale Karten
Zufuhr von Nährstoffen blaues und rotes Licht
reflektiert Spuren
Navigation Kameras
Im Precision Farming werden verschiedene Kameras und Sensoren eingesetzt. Darunter sind auch RGB-Sensoren.
RGB steht für 1. . Diese Sensoren erfassen, wie Licht von Pflanzen reflektiert wird,
woraus Rückschlüsse auf die Gesundheit der Pflanzen gezogen werden. Denn eine gesunde Pflanze absorbiert
2. und reflektiert grünes Licht. Erkennt der Sensor, dass wenig grünes Licht reflektiert wird,
kann das System die Landwirtinnen und Landwirte über notwendige Maßnahmen wie die 3.
informieren. Visualisiert wird dies durch einen sogenannten 4. -Index. Wenn ein Feld mit einer
Drohne mit RGB-Sensoren überflogen wird, werden die ermittelten Daten auf einen Computer übertragen und dann in
5. verrechnet. In der Landwirtschaft werden auch LiDAR(„light detection and ranging“)-Sensoren
eingesetzt. Dabei sendet ein Scanner 6. aus, die auf Objekte treffen und 7.
werden. Die Ergebnisse werden in Echtzeit in einer Karte der Umwelt zusammengefasst. Beim 8.
kann ein Fahrzeug mit diesen präzisen Informationen die richtigen Fahrentscheidungen ableiten. In der Landwirt-
schaft können Traktoren, unterstützt durch 9. und LiDAR-Sensoren Felder autonom bearbeiten.
Traktoren mit 10. können mit Unterstützung von Satelliten ziemlich genau über die Felder
steuern und 11. ziehen. Auch wenn hinter dem Lenkrad noch eine Landwirtin oder ein Landwirt
sitzt, übernimmt ein automatisches Lenksystem die 12. ab.
10 A KÜNSTLICHE INTELLIGENZ UNTERRICHTSMATERIAL FÄCHER INFORMATIK/
BIOLOGIE/PHYSIK/GEOGRAFIE/GESCHICHTE
LÖSUNGEN UND HINWEISE ERWEITERUNGEN INTERAKTIV-
DIGITALER UNTERRICHT
ZEITTAFEL KI:
1950: Alan Turing entwickelt den nach ihm benannten Test Dieses Unterrichtsmaterial ist mehrmedial angelegt. Zusätzlich
„Mensch oder Maschine?“. gibt es digitale Erweiterungen, die Sie in den Unterricht einbin-
1955: Der Begriff „Artificial Intelligence“ (Künstliche Intelligenz) den können.
wird erstmals von John McCarthy verwendet.
1956: Die erste KI-Konferenz wird von John McCarthy am Interaktives Whiteboard – Das Thema Künstliche
Dartmouth College organisiert. Intelligenz: Beispiel Precision Farming ist als dyna-
1966: Joseph Weizenbaum entwickelt den ersten Chatbot misches, klickbares, interaktives Tafelbild aufbereitet,
„ELIZA“. inklusive aller digitalen Inhalte zur Onlinenutzung.
1979: Ein von Hans Berliner entwickeltes Backgammon-Pro- Beamerpräsentation – Diese Alternative zum White-
gramm schlägt den Weltmeister Luigi Villa. board-Tafelbild unterstützt Sie offline im Unterricht.
1997: Der Computer „Deep Blue“ von IBM schlägt den Schach- Wissensposter – Auf einen Blick und optisch anspre-
weltmeister Garry Kasparov. chend liefert es zusammenfassende Informationen zu
2011: Die virtuelle Assistentin „Siri“ wird von Apple vorgestellt. allen Themen.
2015: Forscherinnen und Forscher entwickeln das Bayesian
Program Learning (BPL), womit die KI bereits anhand ONLINE-ERWEITERUNGEN AUF
weniger Beispiele Muster ableiten kann. WWW.TOUCHTOMORROW-TEACHING.DE
2017: Testweise startet eine Tochterfirma von Google einen
Taxidienst mit selbst fahrenden Autos in Phoenix, Arizona.
2018: Bei Christie’s wird das von einer KI hergestellte Gemälde
„Portrait of Edmond Belamy“ für 432.500 Dollar
versteigert.
VOR- UND NACHTEILE DER DIGITALISIERUNG IN DER
LANDWIRTSCHAFT:
Zugestimmten Aussagen in Prozent einer Befragung unter land-
wirtschaftlichen Betrieben (n = 500, Quelle: Bitkom Research
2020):
Vorteile: höhere Produktionseffizienz (81 %), körperliche Ent-
lastung (79 %), umweltschonendere Produktion (79 %), höhere
Attraktivität des Berufs des Landwirts (67 %), Steigerung des
Tierwohls (64 %)
Nachteile: Hohe Investitionskosten (92 %), Mehr staatliche
Kontrollmöglichkeiten (89 %), Gefahren für IT-Sicherheit (84 %),
Hohe Komplexität/Anwendungsprobleme (75 %)
WAS IST PRECISION FARMING:
Precision Farming (Präzisionslandwirtschaft) = Mithilfe
digitaler Technologien werden Äcker ganz gezielt bewirtschaftet.
1. Rot-Grün-Blau, 2. blaues und rotes Licht, 3. Zufuhr von
Nährstoffen, 4. Greenness, 5. digitale Karten, 6. Laserstrahlen,
7. reflektiert, 8. autonomen Fahren, 9. Kameras, 10. GPS-Ortung,
11. Spuren, 12. NavigationUNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER INFORMATIK/ A KÜNSTLICHE INTELLIGENZ 11 BIOLOGIE/PHYSIK/GEOGRAFIE/GESCHICHTE NOTIZEN
12 B GEDANKENSTEUERUNG UNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER BIOLOGIE/INFORMATIK/PHYSIK
GEDANKENSTEUERUNG
COMPUTER UND GEHIRN
FÜR DIE UNTERRICHTSFÄCHER BIOLOGIE, INFORMATIK, NATURWISS. VERTRETUNGSSTUNDE
THEMEN ZELLAUFBAU, BIOINFORMATIK, PRINZIPIELLE ARBEITSWEISE EINES COMPUTERS,
GRENZEN DER AUTOMATISIERBARKEIT, DIGITALISIERUNG, AUFBAU VON NEURONEN,
NEURONALE INFORMATIONSVERARBEITUNG, BRAIN-COMPUTER-INTERFACE, EEG-FUNKTION
MATERIAL MITTELSTUFE: ARBEITSBLÄTTER 1 + 2, ZZGL. PAPIER, BUNTSTIFTE, KLEBER,
SCHEREN, KLASSENSATZ KARTEN (POSTKARTENGROSS) JE IN GRÜN, ROT UND GELB
OBERSTUFE: ARBEITSBLÄTTER 1 + 2
EINFÜHRUNG Dieser Unterrichtsentwurf eignet sich für den Einsatz an der Schnittstel-
le von Biologie und Informatik. Im Fach Biologie können Aufbau und Funktion einer
Zelle mit Innovationen aus der Bioinformatik verknüpft werden. Das Material kann
den Informatikunterricht bzgl. des Aufbaus eines Computers und der Schnittmengen
des Faches zu anderen Naturwissenschaften bereichern. Der Stundenentwurf eig-
net sich auch für Vertretungsstunden im naturwissenschaftlichen Feld!
INHALT
UNTERRICHTSIMPULSE MITTELSTUFE UND OBERSTUFE Seite 13
Wissenstest
Nervenzelle und BCI
Chancen und Risiken
Wissenstest und Partnerarbeit
Synapse und BCI
Vor- und Nachteile
ARBEITSBLÄTTER Seite 14/15
Wissenstest: Gedankensteuerung im Einsatz
Hirn-Computer-Schnittstelle: Wie geht Gedankensteuerung?
ERWEITERUNGEN UND LÖSUNGEN Seite 16
HINTERGRUNDWISSEN FÜR LEHRKRÄFTE: GEDANKENSTEUERUNG
Mittels Gedankenkraft bewegt sich ein Objekt auf dem Bildschirm. Durch starke Konzentration lässt sich ein
künstlicher Arm bewegen. Man muss nur an eine Melodie denken und ein Computer komponiert das Stück.
Diese Beispiele der Gedankensteuerung sind bereits Realität. Vorrangig in der Medizin werden Gehirnsignale,
etwa durch Gedanken ausgelöst, zur Kommunikation mit Computern oder intelligenten Prothesen genutzt. Grundlage
der Technologie sind Gehirn-Computer-Schnittstellen, die elektrische Impulse der Nervenzellen im Gehirn messen
und diese an einen Computer transferieren, der sie in Steuerungsbefehle umsetzt. Diese Schnittstelle, im Englischen
Brain-Computer-Interface (BCI) genannt, ist die direkteste Kommunikationsform zwischen Mensch und Maschine
und nicht auf Muskelkraft angewiesen. Bei der Schnittstelle BTBI (Brain-to-Brain-Interface) kann die Kommunikation
zwischen zwei Menschen, die über einen Computer verbunden sind, per Gedanken gesteuert werden.
Die Hirnaktivitäten werden dabei entweder nicht-invasiv mit einem speziellen Stirnband oder mittels EEG-Haube
(Elektroenzephalografie) gemessen, indem die Elektroden auf die Kopfhaut gebracht werden. Oder die Messung
erfolgt invasiv mittels hirnimplantiertem Elektroden-Chip. Die Technologie kann künftig auch in anderen als
medizinischen oder biotechnologischen Berufen wichtig sein: etwa in der PC-Spieleentwicklung oder Autoindustrie.
ERGÄNZENDE MATERIALIEN AUF WWW.TOUCHTOMORROW-TEACHING.DEUNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER BIOLOGIE/INFORMATIK/PHYSIK B GEDANKENSTEUERUNG 13
UNTERRICHTSMODULE MITTELSTUFE UNTERRICHTSMODULE OBERSTUFE
WISSENSTEST WISSENSTEST UND PARTNERARBEIT
30 MIN QUIZ, LEHRER-SCHÜLER-DIALOG 30 MIN QUIZ, PARTNERARBEIT, PLENUM
Lassen Sie die Klasse den Wissenstest über Brain-Computer- Teilen Sie das Arbeitsblatt 1 mit dem Wissenstest über Brain-
sowie Brain-to-Brain-Interfaces auf dem Arbeitsblatt 1 Computer- sowie Brain-to-Brain-Interfaces in der Klasse aus.
machen. Sie erreichen diesen auch digital über den QR-Code Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler den Wissenstest
auf dieser Seite oder über das Interaktive Whiteboard. Gehen durchführen. Sie erreichen diesen auch digital über den QR-
Sie mit der Klasse anschließend die einzelnen Fragen Code auf dieser Seite oder über das Interaktive Whiteboard.
des Wissenstests durch und klären Sie Offengeblie- Leiten Sie die Schülerinnen und Schüler dazu an, jeweils
benes. Sammeln Sie dabei mit den Schülerinnen und mit ihren Banknachbarn die im Wissenstest vorkom-
Schülern die Einsatzbereiche der Technologie an der menden Einsatzbereiche zu sammeln und sich weitere
Tafel oder am Interaktiven Whiteboard. Überlegen Einsatzfelder zu überlegen. Sammeln Sie die Ergebnisse
Sie gemeinsam, welche weiteren Einsatzbereiche es der Partnerarbeit im Plenum.
zukünftig geben könnte. Hier geht’s zum digitalen Wissenstest:
Hier geht’s zum digitalen Wissenstest: www.touchtomorrow-teaching.de/unterrichtsmaterial
www.touchtomorrow-teaching.de/unterrichtsmaterial
SYNAPSE UND BCI
NERVENZELLE UND BCI
50 MIN EINZELARBEIT, AUSTAUSCH
45 MIN TEAMARBEIT, POSTERGALERIE
Brain-Computer-Interfaces (BCI) sind technische Komponen-
Die messbare Erregung aktivierter Nervenzellen im Gehirn ten am Gehirn, die elektrische Signale der Nervenzellen an ei-
ist eine Voraussetzung dafür, dass Brain-Computer-Interfaces nen Computer übertragen. Für die Funktion der Nervenzellen
(BCI) funktionieren. Teilen Sie die Schülerinnen und Schüler spielen Synapsen eine entscheidene Rolle. Teilen Sie die Klasse
in Teams mit 4 bis 6 Personen ein. Lassen Sie die Teams mit- in zwei Gruppen. Die eine Hälfte soll sich jeweils mit dem Ar-
hilfe des Arbeitsblattes 2 ein Informationsposter entwerfen. beitsblatt 2 den Aufbau und die Informationsübertragung von
Inhalte der Poster sollen dabei der Aufbau von Nervenzellen Synapsen an den Nervenzellen erarbeiten, während die andere
und die Funktion von BCIs sein. Lassen Sie die Schülerinnen Hälfte sich mit der Funktion von BCI beschäftigt. Lassen Sie
und Schüler ihre gestalteten Poster anschließend in einer die Schülerinnen und Schüler sich anschließend mit jeweils
Galerie präsentieren. einer Person aus der anderen Gruppe über die Ergebnisse der
Einzelarbeit austauschen.
CHANCEN UND RISIKEN
VOR- UND NACHTEILE
15 MIN VOTING, LEHRER-SCHÜLER-DIALOG
10 MIN BLITZLICHT
Gehen Sie verschiedene Chancen und Konsequenzen durch,
die mit Brain-Computer- sowie Brain-to-Brain-Interfaces Nennen Sie der Klasse Einsatzbereiche für Brain-Computer-In-
verbunden sind. Anregungen dazu finden Sie in den Lösungs- terfaces beziehungsweise Brain-to-Brain-Interfaces, die Sie
hinweisen ab Seite 16. Lassen Sie die Schüler mit roten in den Lösungshinweisen ab Seite 16 finden. Lassen Sie die
oder grünen Karten signalisieren, ob sie diese Chancen und Schülerinnen und Schüler reihum in einem Blitzlicht kurz und
Konsequenzen als risikoreich (rot) oder vorteilhaft (grün) prägnant einen Vor- oder Nachteil nennen, der im jeweiligen
einschätzen. Gelb steht für unentschlossen. Lassen Sie die Bereich mit dieser Technologie verbunden ist.
Schülerinnen und Schüler ihre Bewertung begründen.14 GEDANKENSTEUERUNG ARBEITSBLATT 1
WISSENSTEST
GEDANKENSTEUERUNG IM EINSATZ
NAME KLASSE DATUM
AUFGABE
Beantworte folgende Fragen des Wissenstests. Sofern nicht anders angegeben, ist nur eine Antwort die richtige.
1 Wie funktioniert Gedankensteuerung? 6 Welche (Zukunfts-)Szenarien der Gedankensteuerung
gibt es? (Mehrfachauswahl möglich)
durch Analyse von Mimik und Körperaktivität
durch telepathische Wahrnehmung Drohnen-Wettrennen per Gedankensteuerung
durch Schnittstellen zwischen menschlichem Gehirn Avatar im Online-Rollenspiel wird per
und Computer Gedankenkraft bewegt
Roboter wird per Gedankensteuerung gelenkt
statt Swipen und Tippen werden Tablets per
2 In welchem Bereich wird Gedankensteuerung bereits
Gedankensteuerung bedient
erfolgreich genutzt? (Mehrfachauswahl möglich)
Medizin
7 Wie nennt man eine chemische Substanz,
Robotik die aufgrund eines elektrischen Reizes in der
Nervenzelle freigesetzt wird?
Politik
Mobilität
Vesikel
Transmitter
3 Was lässt sich mittels Elektroenzephalografie Memantine
(EEG) abbilden?
detaillierte Schnittbilder zur Darstellung von Organen 8 Woraus bestehen Nervenzellen?
die elektrische Gehirnaktivität durch
Spannungsschwankungen an der Kopfhaut
menschliche Gedanken durch Übersetzung
der Gehirnwellen
4 Welchen Zweck verfolgt die Autoindustrie mit
dem Einsatz von Gedankensteuerung?
Zellkörper, Zellkern, Dendriten, Axon, Synapsen
Einfluss auf den Fahrer, damit er ausgeglichen fährt Zellkörper, Zellkern, Rezeptor, Transmitter, Vesikel,
Analyse, ob der Fahrer aufmerksam ist Synapsin
Navigation aufgrund des Gedankens, wohin Zellmembran, Mesosomen, Ribosomen, Geißel, RNA
der Fahrer möchte
9 Was bedeutet eine invasive Messung bei der
5 Was kann Technik der Gedankensteuerung NICHT? Gedankensteuerung?
elektrische Impulse in das Belohnungszentrum schicken Nano-Elektroden werden in die Blutbahn gespritzt,
über die sie ins Gehirn gelangen
Zahlen, an die man denkt, auslesen
Napfelektroden werden auf der Kopfhaut platziert
Kommandos an eine Handprothese senden
ein Elektroden-Chip wird in der Hirnrinde implantiertARBEITSBLATT 2 GEDANKENSTEUERUNG 15
ORGANISCHE LED
WIE GEHT GEDANKENSTEUERUNG?
NAME KLASSE DATUM
AUFGABE FÜR MITTELSTUFE AUFGABE FÜR OBERSTUFE
Entwerft in eurem Team mithilfe dieses Arbeitsblattes ein Infor- Je nachdem, welcher Gruppe du angehörst, beschäftigst du dich
mationsposter. Inhalte des Posters sollen der Aufbau von entweder mit dem Aufbau und der Informationsübertragung
Nervenzellen und die Funktion von Brain-Computer-Interfaces von Synapsen an der Nervenzelle oder damit, wie Brain-Com-
(BCI) sein. Präsentiert euer Poster dann in einer Galerie. puter-Interfaces (BCI) funktionieren. Anschließend tauschst du
dich mit einer Mitschülerin oder einem Mitschüler der anderen
Gruppe über die Ergebnisse aus.
BRAIN-COMPUTER-INTERFACE
DIE NERVENZELLE
ZELLKERN
ELEKTRODE (INVASIV)
Elektrode zeichnet elek-
trische Aktivität auf, die
von einer PC-Software
analysiert wird
AUSTRETENDE ELEKTRISCHE SIGNALE
DENDRITEN AXON
FUNKTION DER SYNAPSEN
Synapse leitet elektrischen ZELLKÖRPER
Impuls von einer Nerven- MYELINSCHEIDEN
AXON zelle zur nächsten
SYNAPSEN
ENDKNOPF
NERVENIMPULS
elektrische wird in IONENPUMPE
chemische Information
umgewandelt
SYNAPTISCHE VESIKEL
Vesikel setzen Transmitter in
SYNAPTISCHER SPALT
den synaptischen Spalt frei
REZEPTOREN
NEUROTRANSMITTER
Transmitter verbinden sich über Rezeptoren
DENDRITEN
mit benachbarter Nervenzelle16 B GEDANKENSTEUERUNG UNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER BIOLOGIE/INFORMATIK/PHYSIK
ERWEITERUNGEN INTERAKTIV-DIGITALER UNTERRICHT
Dieses Unterrichtsmaterial ist mehrmedial angelegt. Zusätzlich gibt es digitale Erweiterungen, die Sie in den Unterricht einbinden
können. Neben dem Videoimpuls sind dies folgende Inhalte:
Interaktives Whiteboard – Das Thema Gedankensteuerung ist als dynamisches, klickbares, interaktives
Tafelbild aufbereitet, inklusiver aller digitalen Inhalte zur Onlinenutzung.
Beamerpräsentation – Diese Alternative zum Whiteboard-Tafelbild unterstützt Sie offline im Unterricht.
Wissenstest – 20 Wissensfragen zum Thema Gedankensteuerung beteiligen die Klasse interaktiv.
Wissensposter – Auf einen Blick und optisch ansprechend liefert es zusammenfassende Informationen
zum Thema Gedankensteuerung.
ONLINE-ERWEITERUNGEN AUF WWW.TOUCHTOMORROW-TEACHING.DE
LÖSUNGEN UND HINWEISE
LÖSUNGEN WISSENSTEST: 1. C durch Schnittstellen zwischen menschlichem Gehirn und Computer/2. A, B, D Medizin, Robotik,
Mobilität/3. B die elektrische Gehirnaktivität durch Spannungsschwankungen an der Kopfhaut/4. B Analyse, ob der Fahrer
aufmerksam ist/5. B Zahlen, an die man denkt, auslesen/6. alle Antworten sind richtig/7. B Transmitter/8. A Zellkörper, Zellkern,
Dendriten, Axon, Synapsen/9. C ein Elektroden-Chip wird in der Hirnrinde implantiert
EINSATZBEREICHE BCI: Medizin: im Bereich Prothesen oder z. B. Wachkoma- Locked-In-Patienten; Sportwettbewerbe von Menschen
mit Behinderung; PC-Spiele; Autoindustrie zur Fahreranalyse; Alltagsbzw. Haushaltserleichterung, indem Dinge per Gedanken
angesteuert werden; Robotik: Mensch steuert Roboter per Gedanken; Militär oder Stadtplanung: Drohneneinsatz per Gedanken
steuern; Konzentrationsund Entspannungsübungen; Bildung: Lernsoftware passt sich an Gehirnaufnahmefähigkeit an; Marktfor-
schung: mittels BCI beobachten, was beim Onlineshoppen im Kopf passiert
CHANCEN UND RISIKEN: Vorteile: Hilfe in Alltagssituationen für Menschen mit Behinderung; kommt ohne Muskelkraft aus,
Kommunikation + Interaktion trotz Unbeweglichkeit; neue Erfahrungswelt, mit Gedanken seine Umwelt beeinflussen zu können;
Nachteile: komplexe Steuerungen sind noch unmöglich, EEG liefert nur schwache, ungenaue Signale; sowohl Gehirn als auch Schnitt-
stelle müssen, teils zeitaufwendig, trainiert werden; Implantat ist invasiv, risikoreicher Eingriff; aufwendige Verfahren; sollte Gedan-
kensteuerung einmal alltagstauglich werden: Gefahr, dass Menschen sich weniger bewegen, wenn sie gedanklich alles steuern könnten;
Gefahr der externen GedankenmanipulationUNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER BIOLOGIE/INFORMATIK/PHYSIK B GEDANKENSTEUERUNG 17 NOTIZEN
18 C SMART TEXTILES UNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER MATHEMATIK/INFORMATIK/PHYSIK
SMART TEXTILES
FASHION MEETS HIGHTECH
FÜR DIE UNTERRICHTSFÄCHER INFORMATIK, TECHNIK, KUNST
THEMEN KLEIDUNG UND COMPUTER, DESIGN DER ZUKUNFT, INTELLIGENTE KLEIDUNG,
PROGRAMMIERUNG, INDIVIDUALISIERUNG, DIGITALISIERUNG IM ALLTAG
MATERIAL MITTELSTUFE: ARBEITSBLÄTTER 1 + 2, ZZGL. BASTELBÖGEN, STIFTE
OBERSTUFE: ARBEITSBLÄTTER 1 + 2, ZZGL. INTERNETZUGANG
EINFÜHRUNG Ob Kleidung blinken und Körperfunktionen messen muss, ist eine indivi-
duelle Perspektive. Fakt ist, dass ´intelligente` Kleidung ein Thema der Zukunft ist: das,
was wir tragen, soll bzgl. seiner Farben, Formen oder auf Textfeldern individuell sein.
Zu den Smart Textiles gehören auch digitale Sicherungs- und Kontrollkleidung, die den
Herzschlag messen, Fallbewegungen erkennen oder bei Gefahr warnen können. Diese
Unterrichtseinheit regt Diskurs über Ästhetik, angewandte Informatik und die Chan-
cen und Grenzen einer digitalisierten Welt an. Gerade im Kunstunterricht kann diese
Einheit spannende Diskurse über Individualität und Ästhetik bereichern.
INHALT
UNTERRICHTSMATERIAL MITTELSTUFE UND OBERSTUFE Seite 19
Chancen und Risiken
Innovative Kleidung skizzieren
Statistik: Häufigkeiten errechnen
Recherche Smart Textiles / Wearables
Recherche Stromversorgung
Statistik: Mittelwert und Datenanalyse
ARBEITSBLÄTTER Seite 20/21
Wearables und Smart Textiles: Technik anziehen
Meinungsumfrage: Smart Textiles im Alltag
ERWEITERUNGEN UND LÖSUNGEN Seite 22
HINTERGRUNDWISSEN FÜR LEHRKRÄFTE: SMART TEXTILES
zu Deutsch „intelligente Textilien“, sind Textilien, die durch integrierte Funktionalitäten in der Lage sind, auf Umwelt-
einflüsse zu reagieren. Das können elektronische Komponenten sein oder aber die Funktion basiert auf eine Eigen-
schaft des Stoffes selbst. Smart Textiles finden sowohl in der Industrie, etwa in der Textilausstattung innerhalb der
Fahrzeugproduktion, als auch in der Medizin Anwendung. Treffen smarte Textilien auf Mode, spricht man von Smart
Clothing oder Smart Clothes, der intelligenten Kleidung. Beispiele für Smart Clothes sind Kleidungsstücke aus spezi-
ellen Nanofasern, die bei Dehnung Strom erzeugen und somit etwa Handys aufladen können, oder smarte Socken, die
über Tritt- und Beschleunigungssensoren Schritte zählen, Tempo messen oder die Tritttechnik analysieren. Eine weitere
smarte Technologie, die Smart Textiles ergänzen kann, ist die Wearable-Technologie: Wearables sind Computersysteme,
die während der Nutzung getragen werden. Die Geräte oder elektronischen Komponenten sind auf der Kleidung oder
am Körper angebracht. Bekannte Beispiele für Wearables sind etwa die Smartwatch, die Benachrichtigungen des
Smartphones synchronisiert, oder der Fitness Tracker, der Gesundheitsdaten aufzeichnet. Folgende Eigenschaften
können Smart Textiles haben: leicht, schmutzabweisend, elektrisch leitfähig, UV-Schutz, feuerfest, elastisch, belastbar,
atmungsaktiv, antibakteriell.
ERGÄNZENDE MATERIALIEN AUF WWW.TOUCHTOMORROW-TEACHING.DEUNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER MATHEMATIK/INFORMATIK/PHYSIK C SMART TEXTILES 19
UNTERRICHTSMODULE MITTELSTUFE UNTERRICHTSMODULE OBERSTUFE
CHANCEN UND RISIKEN RECHERCHE SMART TEXTILES + WEARABLES
15 MIN BRAINSTORMING 20 MIN RECHERCHE, PLENUM
Besprechen Sie mit den Schülerinnen und Schülern deren Er- Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler im Internet zu den
fahrungen mit Smart Textiles und Wearables. Diskutieren Sie Themen Wearables und Smart Textiles recherchieren. Tragen
dabei auch mögliche Chancen und Risiken, die der Einsatz mit Sie die Ergebnisse mündlich zusammen. Recherchefragen
sich bringt. Tragen Sie die Ergebnisse in einem Brainstorming können sein: u Was sind Wearables? u Was sind Smart
mündlich zusammen. Leitfragen können sein: Textiles? u Was ist der Unterschied? u In welchen Bereichen
u Wer hat schon mal Wearables oder Smart Textiles be- können diese Technologien eingesetzt werden?
nutzt? u Welche Erfahrungen habt ihr damit gemacht? u In u Welche Aufgaben und Funktionen erfüllen sie?
welchen Bereichen können diese Technologien eingesetzt
werden? u Wie findet ihr es, dass etwa eure Gesundheits-
daten oder Standorte erfasst werden? u Wie können diese RECHERCHE STROMVERSORGUNG
Daten nutzen beziehungsweise schaden?
45 MIN TEAMARBEIT, RECHERCHE, PLENUM
INNOVATIVE KLEIDUNG SKIZZIEREN Teilen Sie das Arbeitsblatt 1 aus. Die Schülerinnen und Schüler
sollen sich damit zunächst die verschiedenen Technologien We-
45 MIN TEAMARBEIT, PLENUM arables und Smart Textiles erarbeiten. Gemeinsam überlegt die
Klasse, welche Möglichkeiten der Stromversorgung es für die
Teilen Sie die Klasse in Teams von 4 bis 6 Personen ein. Die Geräte und Kleidungsstücke gibt. Anschließend teilen Sie die
Schülerinnen und Schüler sollen als Modedesigner pro Team Klasse in 4 Teams auf. Jedes Team recherchiert zu einer dieser
ein Kleidungsstück mit innovativen Technologien skizzieren. Stromversorgungen: Batterie, Akku, Solarzelle, Solarfaser. Las-
Als Hintergrundwissen dient dabei die Übersicht über unter- sen Sie die Schülerinnen und Schüler im Internet den Aufbau
schiedliche Technologien auf dem Arbeitsblatt 1. Lassen Sie und die Funktion der jeweiligen Stromquelle recherchieren und
die Teams grobe Skizzen anfertigen, die sie anschließend vor Skizzen dazu anfertigen. Die Ergebnisse werden anschließend
der Klasse präsentieren. Dabei sollen sie begründen, warum vor der Klasse präsentiert.
sie welche Technologien ausgewählt haben und welche Funkti-
on(en) das Kleidungsstück erfüllen soll.
Für mehr Ideenreichtum vermitteln Sie den Teams, dass STATISTIK: MITTELWERT UND DATENANALYSE
neben Jacke, Hose oder Pullover auch Handschuhe, Gürtel,
Rucksäcke oder Westen innovativ entworfen werden können. 30 MIN UMFRAGE, LEHRER-SCHÜLER-DIALOG
Die Klasse kann auch an echten Kleidungsstücken mit Nadeln
selbstgebastelte Sensoren, Lichter oder ähnliches aus Papier Teilen Sie für eine Meinungsumfrage zu IT-Technologie an Tex-
und Pappe anbringen. tilien das Arbeitsblatt 2 an die Klasse aus. Lassen Sie einzelne
Schüler einerseits die Ergebnisse per Handzeichen als absolute
und/oder relative Häufigkeiten an der Tafel oder am Interakti-
STATISTIK: HÄUFIGKEITEN ERRECHNEN ven Whiteboard sammeln und visualisieren (Balkendiagramm,
Kreisdiagramm). Andererseits soll der Mittelwert (Modus,
30 MIN UMFRAGE, LEHRER-SCHÜLER-DIALOG als Ausprägung mit höchster Häufigkeit) einiger Merkmale
ausgerechnet werden. Diskutieren Sie anschließend mit der
Teilen Sie für eine Meinungsumfrage zu IT-Technologie bei Klasse, welche Aussagen auf Basis der Daten nicht möglich sind.
Textilien das Arbeitsblatt 2 an die Klasse aus. Sammeln Sie die Anregungen hierfür finden Sie ab Seite 22.
Ergebnisse per Handzeichen als absolute Häufigkeiten an der
Tafel oder am Interaktiven Whiteboard. Lassen Sie einzelne
Schüler die relative Häufigkeit eines einzelnen Merkmals
ausrechnen, bezogen auf die Anzahl aller Schülerinnen und
Schüler. Etwa wie dieses Beispiel zur Frage 3: Wie viel Prozent
der Klasse würde LED-Kleidung tragen? Die Umfrage und
deren Auswertung bildet ein Stimmungsbild der gesamten
Klasse zum Thema ab.20 SMART TEXTILES ARBEITSBLATT 1
WEARABLES UND SMART TEXTILES
TECHNIK ANZIEHEN
NAME KLASSE DATUM
AUFGABE
Entwerft als Modedesigner im Team ein Kleidungsstück mit innovativer Technik. Nutzt dabei als Anregung die oben stehenden
Technologien. Skizziert grob einen eigenen Entwurf eines Kleidungsstückes. Die hier gezeigten Technologien können für euer Ex-
emplar auch einen anderen Zweck erfüllen oder in einem anderen Kleidungsstück eingebaut sein. Die Skizze präsentiert ihr dann
vor der Klasse. Begründet dabei, warum ihr für welchen Zweck welche Technologien ausgewählt habt.
FINGERRING DATENBRILLE
übersetzt mittels optischer Sensoren überlagert das Sichtfeld mit Navigations-
Tippen und Streichen des Daumens in hinweisen, Ortsinformationen oder Nach-
Bluetooth-Befehle für mobile Endgeräte richten, Anrufen und Webinformationen
Finger und Handfläche bilden Bereiche kommuniziert über Bluetooth und WLAN,
ab wie Anruf, E-Mail oder Musik auch mittels Sprachsteuerung
trackt per GPS und Sensoren
FITNESS TRACKER
zeichnet über Beschleunigungs
sensoren Aktivitäten auf
SMARTWATCH
zählt Schritte
vibriert oder tönt bei Anrufen und Nachrichten
kann über Sensoren Puls und
kommuniziert über WLAN, Bluetooth oder
Atmung aufzeichnen
Mobilfunknetz, auch mittels Sprachsteuerung
kann über Sensoren auch als Fitness
Tracker dienen
NANOFASERN
EXOSUIT
sind als Garn in Textilien verwebt
imitiert als Textil unter der Kleidung die
können bei Dehnung Strom erzeugen
Muskelfunktion
können Solarenergie in Strom umwandeln
erleichtert Bewegungen
oder – hauchdünn versilbert – Körperwärme
funktioniert über Bewegungssensoren oder
auf die Haut zurückstrahlen
über elektrisch stimuliertes Zellulosegarn
GÜRTEL MIT LEDS UND SONNENKOLLEKTOREN
LEDs können über Bewegungssensoren Farbe,
Richtung oder Tempo des Lichts ändern
Sonnenkollektoren erleuchten LEDs und
AUXETIKMATERIAL
laden mobile Geräte am Körper auf
imitiert die Poren menschlicher Haut und
reagiert auf Temperatur oder UV-Strahlung,
indem es sich zusammenzieht oder ausdehnt
WOHER KOMMT DER STROM? SMARTE SCHUHE
SMARTE SOCKEN
navigieren über eingebautes GPS
Die meisten Wearables werden über eingebaute überwachen und verbessern über
und blinkende LEDs die Richtung
Batterien oder Akkus betrieben beziehungs- Drucksensoren die Tritttechnik
und Entfernung zu einem Ziel
weise laden diese über selbst erzeugte Solar-, zählen über Beschleunigungssensoren
Reibungs- oder Bewegungsenergie wieder auf. die Schritte und messen das TempoARBEITSBLATT 2 SMART TEXTILES 21
MEINUNGSUMFRAGE
SMART TEXTILES IM ALLTAG
NAME KLASSE DATUM
AUFGABE
Beantworte wahrheitsgetreu und so genau wie möglich die folgenden Fragen.
1 Wie alt bist du? 2 Bist du weiblich oder männlich?
_______ weiblich männlich
3 Würdest du im Alltag Kleidung oder Accessoires mit LED-Beleuchtung tragen?
Ja, auf jeden Fall. Nein, niemals. Ich weiß es nicht.
4 Würdest du Kleidung oder Accessoires tragen, die folgende Daten von dir erfassen?
Ja, auf jeden Fall. Nein, niemals. Ich weiß es nicht.
Puls und Atmung
Schrittanzahl
Aktivitätsdauer
Bezahlvorgänge
emotionale Stimmung
wen du triffst
5 Wie viel Geld würdest du maximal für ein Kleidungsstück mit Solarfasern oder Solarzellen ausgeben,
mit dem du deinen Handyakku laden kannst?
20 Euro 50 Euro 100 Euro 200 Euro
6 In welchen Bereichen siehst du die meisten Möglichkeiten für IT-Technologie an Kleidungsstücken?
(Bitte nur ein Feld ankreuzen!)
Sportbekleidung Modische Alltagskleidung Abendgarderobe
Arbeits-/Berufsbekleidung Outdoorkleidung
7 Inwiefern treffen folgende Aussagen darüber, was Wearables und Smart Textiles können sollten, für dich zu?
Wearables und Smart Textiles sollten … Trifft zu. Trifft nicht zu. Ich weiß es nicht.
meinen Gesundheitszustand kontrollieren.
meine Kommunikation erleichtern.
mich gut aussehen lassen.
meine sportlichen Defizite verbessern.22 C SMART TEXTILES UNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER MATHEMATIK/INFORMATIK/PHYSIK
ERWEITERUNGEN INTERAKTIV-DIGITALER UNTERRICHT
Dieses Unterrichtsmaterial ist mehrmedial angelegt. Zusätzlich gibt es digitale Erweiterungen, die Sie in den Unterricht einbinden
können. Neben dem Videoimpuls sind dies folgende Inhalte:
Interaktives Whiteboard – Das Thema Smarttextiles ist als dynamisches, klickbares, interaktives
Tafelbild aufbereitet, inklusiver aller digitalen Inhalte zur Onlinenutzung.
Beamerpräsentation – Diese Alternative zum Whiteboard-Tafelbild unterstützt Sie offline im Unterricht.
Meinungsumfrage – Schülerinnen und Schüler können zum Thema Smarttextiles abstimmen.
Wissensposter – Auf einen Blick und optisch ansprechend liefert es zusammenfassende Informationen
zum Thema Smarttextiles.
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LÖSUNGEN UND HINWEISE
EINSATZBEREICHE: hauptsächlich Fitness, Sport, Gesundheit, auch: Medizin, Arbeitswelt, Modebranche, Militär, Bildung, Forschung u. v. m.
UNTERSCHIED SMART TEXTILES/WEARABLES: Smart Textiles sind Textilien, die durch integrierte Funktionalität, etwa elektro-
nische Komponenten, in der Lage sind, auf Umwelteinflüsse zu reagieren. Wearables sind Computersysteme, die während der Nutzung
getragen werden. Die tragbaren Geräte oder elektronischen Komponenten sind auf der Kleidung oder am Körper angebracht, Englisch:
„attached“. Dahingegen sind die elektronischen Komponenten bei den Smart Textiles im Stoff versteckt oder mit ihm verwebt oder die
Funktion basiert auf eine Eigenschaft des Stoffes selbst. Bei Smart Textiles im Bereich des Modedesigns spricht man von Smart Clothes.
STROMQUELLEN: Batterien, Akkus, Solarzellen, Solarfasern; Onlinerecherche: „Die Welt der Batterien“ der Stiftung Gemeinsames
Rücknahmesystem Batterien (www.grs-batterien.de), „Aufbau und Funktion einer Solarzelle“ des Vereins für nachhaltige Energiewirt-
schaft (www.strom. org); „Wie funktioniert eine Solarzelle?“ (www.helmholtz-berlin.de); „Solarfaser für Textil-Kraftwerke“
(www.pro-physik.de)
AUFGABE UMFRAGE FÜR OBERSTUFE: 1. Mit den erhobenen Daten kann man keine Aussagen darüber machen, welche Erfahrun-
gen die Schülerinnen und Schüler mit Smart Textiles haben, da zwar ihre Meinungen, nicht aber ihre bereits gemachten Erfahrungen
damit abgefragt werden. 2. Mit den erhobenen Daten kann man keine Aussagen darüber machen, ob etwa die Befragten tatsächlich ein
Solar-Kleidungsstück kaufen würden, da wir nur wissen, wie viel sie ausgeben würden. 3. Außerdem spiegelt die Umfrage bis auf die
Antworten zu den beiden ersten Fragen keine objektiven Fakten wieder, da lediglich Meinungen abgefragt werden. Aussagen wie „Ein
Kleidungsstück zum Handyaufladen sollte keine 200 Euro kosten“ (Frage 5) oder „Im Bereich ... gibt es die meisten Möglichkeiten für
IT-Technologien“ (Frage 6) oder „Wearables sollten hauptsächlich sportliche Defizite verbessern können“ (Frage 7) sind nicht möglich.
4. Auch Aussagen, die falsche Schlüsse ziehen, sind nicht möglich, etwa „Die Jugendlichen haben kein Geld für Smart Clothes“ (wenn
die Mehrzahl bei Frage 5 20 oder 50 Euro wählt).UNTERRICHTSMATERIAL FÜR DIE FÄCHER MATHEMATIK/INFORMATIK/PHYSIK C SMART TEXTILES 23 NOTIZEN
24 D PBS UNTERRICHTSMATERIAL CHEMIE/BIOLOGIE/ERDKUNDE/SOZIALWISSENSCHAFTEN
PBS
PLASTIK AUS HOLZ
FÜR DIE UNTERRICHTSFÄCHER CHEMIE, BIOLOGIE, ERDKUNDE, SOZIALWISSENSCHAFTEN
THEMEN KUNSTSTOFFE, BIOKUNSTSTOFFE, BIOBASIERT, BIOLOGISCH ABBAUBAR,
RECYCLING, KREISLAUFWIRTSCHAFT, WERKSTOFF HOLZ
MATERIAL OBERSTUFE: ARBEITSBLÄTTER 1 + 2
EINFÜHRUNG Dieses Unterrichtsmaterial geht auf biobasierte und biologisch abbaubare
Biokunststoffe ein. Neue Forschungen zeigen, dass der Kunststoff PBS (Polybutylensuccinat)
nicht nur aus fossilen Rohstoffen, sondern sogar auf der Grundlage von Holz hergestellt
werden kann. Schülerinnen und Schüler erhalten einen Einblick in dieses spannende
Thema, setzen sich kritisch mit dem Begriff Biokunststoff auseinander und lernen,
warum Holz ein zukunftsträchtiger Ausgangsstoff für Kunststoffe ist. Das Thema ist
interdisziplinär und eignet sich sowohl für naturwissenschaftliche als auch
sozialwissenschaftliche Fächer.
INHALT
UNTERRICHTSMATERIAL MITTELSTUFE UND OBERSTUFE Seite 25
Kreislaufwirtschaft und Linearwirtschaft
biobasiert + biologisch abbaubar
(Bio-)Kunststoffe im Alltag
Einteilung von Kunststoffen
Verwendung von (Bio-)Kunststoffen
Holz als Teil des Kunststoffkreislaufes
ARBEITSBLÄTTER Seite 26/27
biobasiert und/oder biologisch abbaubar: Einteilung von Kunststoffen
Holz als Teil des Kreislaufes: Kreislauf von Biokunststoffen
ERWEITERUNGEN, LÖSUNGEN Seite 28
HINTERGRUNDWISSEN FÜR LEHRKRÄFTE: PBS – PLASTIK AUS HOLZ
Biokunststoffe werden aktuell als Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen wie z. B. PET erforscht. Polybutylensuccinat
– kurz PBS – gehört zu der Gruppe dieser Biokunststoffe. PBS entsteht durch die Reaktion der Ausgangsstoffe Bernsteinsäure
und 1,4-Butandiol. Ausgangsstoff für die Bernsteinsäure sind Zucker, welche wiederum aus Holz gewonnen werden können.
Der Biokunststoff PBS kann somit aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz gewonnen werden und ist damit biobasiert.
Um die wenigsten Ressourcen zu verbrauchen und Rohstoffe zu schonen, sind zwei weitere Eigenschaften besonders wichtig:
Recyclingfähigkeit und biologische Abbaubarkeit. Die biologische Abbaubarkeit ist von Nutzen, damit Kunststoffteile oder
–teilchen nicht über Hunderte Jahre in der Umwelt verbleiben. Abbaubar sind Stoffe, die sich durch das Zutun von Mikro-
organismen in Wasser, CO2 und ggf. auch Biomasse zersetzen, und zwar unter bestimmten Umweltbedingungen, aber auch
innerhalb eines bestimmten Zeitraums. In industriellen Kompostieranlagen beträgt die Verweildauer von Biomüll ungefähr
80 Tage, Biokunststoffe aus Holz benötigen aktuell mehr Zeit, um dort abgebaut zu werden. In der Umwelt dauert es länger.
Für die Industrie ist PBS sehr vielversprechend, da es flexibel und hitzebeständig ist. Es kann ähnlich verarbeitet
werden wie herkömmliche Kunststoffe. Die Gewinnung von PBS aus Holz ist daher besonders zukunftsträchtig,
denn so werden Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe produziert, welche gleichsam unter den
passenden Rahmenbedingungen biologisch abgebaut werden können.
ERGÄNZENDE MATERIALIEN AUF WWW.TOUCHTOMORROW-TEACHING.DEUNTERRICHTSMATERIAL CHEMIE/BIOLOGIE/ERDKUNDE/SOZIALWISSENSCHAFTEN D PBS 25
UNTERRICHTSMODULE MITTELSTUFE UNTERRICHTSMODULE OBERSTUFE
KREISLAUFWIRTSCHAFT UND LINEARWIRTSCHAFT EINTEILUNG VON KUNSTSTOFFEN
25 MIN GRUPPENARBEIT, AUSTAUSCH 35 MIN BLITZLICHT, PLENUM, EINZELARBEIT
Teilen Sie die Klasse in zwei Gruppen ein. Geben Sie Gruppe Im ersten Schritt lassen Sie die Schülerinnen und Schüler in
A den Auftrag zusammenzutragen, was Linearwirtschaft einem Blitzlicht verschiedene Kunststoffe (z. B. PE, PP, PET,
bedeutet. Gruppe B dagegen sammelt Informationen zur PVC, PLA, PBS) nennen. Danach erarbeiten Sie mit der Klasse,
Kreislaufwirtschaft zusammen. Anschließend lassen Sie die was die zwei Eigenschaften 1. biobasiert und 2. biologisch
Schülerinnen und Schüler sich mit jeweils einer Person aus abbaubar bezüglich Kunststoffen bedeuten. Anschließend
der anderen Gruppe über die Ergebnisse austauschen. Geben definieren Sie beide Eigenschaften. Darauffolgend teilen Sie
Sie folgende Fragestellung mit in den Austausch: u Welche Arbeitsblatt 1 aus. Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler
Vorteile ergeben sich aus der Kreislaufwirtschaft? einzeln entscheiden, wo sich die Kunststoffe eintragen lassen.
Abschließend tragen Sie die Ergebnisse zusammen – an der
Tafel, Flipchart oder Whiteboard.
BIOBASIERT + BIOLOGISCH ABBAUBAR
15 MIN PLENUM VERWENDUNG VON (BIO-)KUNSTSTOFFEN
Was bedeutet biobasiert? Und welche Bedeutung hat bio 20 MIN PLENUM, VOTING
logische Abbaubarkeit bezüglich Kunststoffen?
Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler zusammen Ideen Teil A: Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler sich jeweils
zu den zwei Eigenschaften 1. biobasiert und 2. biologisch eine bekannte Verwendungsmöglichkeit aus herkömmlichen
abbaubar zusammentragen. Definieren Sie anschließend beide Kunststoffen aussuchen. Dies können bekannte Kunststoffe
Eigenschaften an der Tafel, Flipchart oder Whiteboard. Stellen aus dem Alltag der Jugendlichen sein, aber auch aus der Indus-
Sie danach folgende Frage: Ist der Biokunststoff PBS (Polybu- trie. Welche Eigenschaften werden dabei geschätzt?
tylensuccinat) biobasiert und/oder biologisch abbaubar, wenn Teil B: Stellen Sie folgende Frage zur Diskussion und anschlie-
Zucker, welche aus Holz gewonnen werden, als Grundlage ßend zur Abstimmung: Was ist entscheidend für den Einsatz-
dienen? bereich eines bestimmten Kunststoffs? A) der Rohstoff oder B)
die physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie die
Gebrauchseigenschaften?
(BIO-)KUNSTSTOFFE
50 MIN PLENUM
Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler sich einen Gegen- HOLZ ALS TEIL DES KUNSTSTOFFKREISLAUFES
stand aus ihrem Alltag aus Kunststoff aussuchen. Danach
folgt eine Abstimmung, wer diesen Gegenstand ebenso im 35 MIN EINZELARBEIT, AUSTAUSCH
Alltag verwendet. Regen Sie daraufhin eine Diskussion an,
warum dieser Gegenstand aus Kunststoff oft in Verwendung Teilen Sie in der Klasse Arbeitsblatt 2 aus. Lassen Sie die
ist. Welche Eigenschaften werden dabei geschätzt? Gehen Sie Schülerinnen und Schüler den Kreislauf vervollständigen.
mit der Klasse durch, welche Kunststoffprodukte eventuell Regen Sie danach einen Austausch an, an welchen Stellen es
durch Biokunststoffe ersetzt wurden. Stellen Sie abschließend Herausforderungen gab, den Kreislauf zu finalisieren.
folgende Frage: Sieht oder spürt man den Biokunststoffen an,
dass sie aus Holz oder anderen natürlich anfallenden Rohstof-
fen gewonnen wurden?
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