Im Schuljahr 2020/2021 Bericht der Seminarleitung & der AG-Leiterinnen und AG-Leiter - Regierungspräsidium Freiburg
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im Schuljahr 2020/2021 Bericht der Seminarleitung & der AG-Leiterinnen und AG-Leiter Regierungspräsidium Freiburg Abteilung Schule und Bildung
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Impressum 2 Impressum Redaktion: Ingo Kilian & Dr. Markus Eppinger (Seminarleitung) unter Mitarbeit von den Leitern*innen der Arbeitsgemeinschaften sowie von Seminarschülerinnen und Seminarschülern Herausgeber: Regierungspräsidium Freiburg Abteilung 7 - Schule und Bildung Freiburg-Seminar Oltmannsstraße 22, 79100 Freiburg, Tel.: +49 761 595249-700, info@freiburg-seminar.de Druck: Regierungspräsidium Freiburg
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Partner Förderer teilnehmende Schulen 3 Partner Förderer teilnehmende Schulen Gisela und Erwin Sick Stiftung Albert-Schweitzer-Gymnasium Gundelfingen Förderverein des Freiburg-Seminars Berthold-Gymnasium Freiburg Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Deutsch-Französisches Gymnasium Freiburg Stadt Freiburg im Breisgau Droste-Hülshoff-Gymnasium Freiburg Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald Erasmus-Gymnasium Denzlingen SFZ Region Freiburg – Standort Freiburg Faust-Gymnasium Staufen SFZ Region Freiburg –Standort Waldkirch Friedrich-Gymnasium Freiburg Center for Integrative Biological Signalling Studies Geschwister-Scholl-Gymnasium Waldkirch Fakultät für Mathematik und Physik Universität Freiburg Goethe-Gymnasium Freiburg Institut f. Biochemie & Molekularbiologie Universität Freiburg Gymnasium Kenzingen PH Freiburg – Institut für Mathematische Bildung Kant-Gymnasium Weil am Rhein Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, EMI Kepler-Gymnasium Freiburg Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik, IPM Kolleg St. Sebastian Stegen Industrie- & Handelskammer Südlicher Oberrhein Kreisgymnasium Bad Krozingen Technologiestiftung BioMed Freiburg Marie-Curie-Gymnasium Kirchzarten Verband der Chemischen Industrie, VCI Markgräfler Gymnasium Müllheim Verband der Metall- und Elektroindustrie Baden-Württemberg Martin-Schongauer-Gymnasium Breisach Endress+Hauser SE+Co KG Merian-Schule Freiburg Sparkasse Freiburg-Nördlicher Breisgau Montessori Zentrum Angell Freiburg Wirtschaftsjunioren Paula-Fürst-Schule Freiburg NaT-Working Projekt Molekularbiologie Richard-Fehrenbach-Gewerbeschule Rotteck-Gymnasium Freiburg Scheffel-Gymnasium Lahr Schule Birklehof Internat und Gymnasium Titisee-Neustadt St. Ursula-Gymnasium Freiburg Staudinger-Gesamtschule Freiburg Theodor-Heuss-Gymnasium Freiburg Walter-Eucken-Gymnasium & Kaufmännischen Schule I Freiburg Wentzinger-Gymnasium Freiburg
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Inhaltsverzeichnis 4 Inhaltsverzeichnis Impressum .................................................................................................................. 2 Partner Förderer teilnehmende Schulen .................................................................. 3 Inhaltsverzeichnis ....................................................................................................... 4 Vorwort....................................................................................................................... 6 Freiburg-Seminar .........................................................................................................7 Kuratorium ................................................................................................................. 8 Seminarist*innen - Seminarjahr 2020/2021 ................................................................. 9 Schüler*innen-Verteilung Stadtkreis/Landkreis(e) ........................................... 9 Schülerzahlen im Vergleich allgemeinbildende Gymnasien & Berufliche Schulen ......................................................................................................................... 9 Arbeitsgemeinschaften ..............................................................................................10 des Freiburg-Seminars im Schuljahr 2020 / 2021..............................................10 Berichte der Arbeitsgemeinschaften ..........................................................................12 Biologie AG – „Moderne Methoden der Biologie“ ............................................12 Chemie AG – „Chemie macht mobil“ ...............................................................14 Chemie AG – „Molekularen Maschinen auf der Spur“ ......................................16 Elektronik AG – „Mikrocontroller & Automatisierung“ .....................................18 Informatik AG – „Ein Programmierkurs für Einsteiger*innen“ .........................21 Informatik AG – „Künstliche Intelligenz“......................................................... 22 Mathematik AG – „Die schöne Welt der Geometrie“....................................... 24 Mathematik AG – „Alles logisch - oder was!?“................................................. 26 Mathematik AG – „Ecken und Kanten - eine Reise durch die Graphentheorie“ 28 Astrophysik AG – „Die Rätsel des Universums“ ................................................ 31 Physik AG – „Teilchenphysik“ ..........................................................................32 Physik AG – „Licht hörbar machen“ .................................................................34 Technik AG – „Angewandte Robotik“ .............................................................. 37 Junior Club – „Mathe“ ......................................................................................38 Vorträge ................................................................................................................... 40 „New Space: Die Revolution in der Raumfahrt“ .............................................. 40 “DNA-Analyse in der Krimalistik” ................................................................... 42 “Faszination Nanotechnologie” ...................................................................... 44
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Inhaltsverzeichnis 5 Veranstaltungen & Wettbewerbe .............................................................................. 46 Eröffnungsveranstaltung des Seminarjahres .................................................. 46 Kuratoriumssitzung des Freiburg-Seminars .................................................... 46 Studienfahrt ans KIT & zur Experimenta ......................................................... 46 Abschlussveranstaltung ................................................................................. 46 Ausstellerstand auf den Science-Days ............................................................ 46 World Robot Olympiad.................................................................................... 47 Junior-Science Olympiade ...............................................................................47 JugendForscht.................................................................................................47 Bundeswettbewerb Informatik ........................................................................47 Exkursionen .............................................................................................................. 48 zum virtuellen Life Sciences Schülerkongress – 16. bis 17.10.2021 .................. 48 zum Universitättag – NaT-Working Projekt Molekularbiologie –September ... 50 zum Schullabor und Campus Novartis Basel – Oktober.................................... 51 zum BioValley College Day in Basel - November .............................................. 51 zum Trinationalen Schülerkongress der NwT - Januar ..................................... 51 zum Centre for Biological Signalling Studies – März/April ................................ 51 zum Mathematikum in Bad Krozingen - März .................................................. 51 zu den Science Days in Rust - Oktober ............................................................. 51 zum Friedrich Miescher Institut for Biomedical Research – Basel - Mai ............ 51 zum Institut für Rechtsmedizin der Universität Freiburg – Mai ......................... 51 zum Teilchenforschungszentrum CERN in Genf - Juli ...................................... 51 Schüleruniversität ..................................................................................................... 52 Schüler-Ingenieur-Akademie .................................................................................... 54
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Vorwort 6 Vorwort Wie gelingt es, unserer heterogenen Die Vorträge, Firmenbesuche, Studien- Schülerschaft passende Bildungsange- fahren und die Arbeitsgemeinschaften bote so zu unterbreiten, dass jede ein- im Rahmen des Freiburg-Seminars bie- zelne Schülerin, jeder einzelne Schüler ten den teilnehmenden Schülerinnen seinen Fähigkeiten, Begabungen und und Schülern eine Plattform, in der sie Neigungen entsprechend gefördert ihre Kreativität, Erfindergeist, Neugierde wird, um das vorhandene Potential ent- ausprobieren dürfen und wirken lassen falten zu können? können. Sie erfahren, dass neben Moti- vation und Beharrlichkeit naturwissen- Diese zentrale Frage begleitet mich als schaftliche Herausforderungen und Schulpräsident der Abteilung Schule und Forschung nur im Team gelöst werden Bildung im Regierungspräsidium Frei- können. Dies ist eine zentrale Fähigkeit, burg tagtäglich. Rund 222.000 Schüle- die auch in der modernen Arbeits- und rinnen und Schüler in etwa 900 Berufswelt gefordert ist. Thomas Hecht – öffentlichen Schulen werden im Regie- Schulpräsident rungsbezirk Freiburg unterrichtet. Unter Das Konzept des Freiburg-Seminars Regierungspräsidum Freiburg ihnen haben wir besonders an Naturwis- beweist, wie wichtig es für den Bil- senschaft, Technik und Informatik inte- dungsbereich ist, über die schulischen ressierte, wissbegierige Schülerinnen Grenzen hinaus, verstärkt in Partner- und Schüler, die über das jeweilige An- schaften und Kooperationen mit natur- gebot ihrer Schulen hinaus forschen wissenschaftlichen Ausrichtungen zu wollen. Hier knüpft das Freiburg Semi- investieren. nar mit seinen hervorragenden Angebo- Über alledem steht der einzelne Mensch, ten an. Die besonders befähigten das Individuum, die Jugendlichen mit Jugendlichen können an Arbeitsgemein- Ihrem Streben nach Innovation und schaften mit hohem Anspruchsniveau Fortschritt. teilnehmen und dort erste Erfahrungen mit wissenschaftlichen Fragestellungen Das Freiburg-Seminar bietet diese le- und Arbeitsweisen zu MINT-Themen bendige Plattform, die wir auch in Zu- sammeln. kunft seitens der Schulverwaltung tatkräftig unterstützen. Das Freiburg-Seminar mit seinem enga- gierten Leitungsteam und den Fachkräf- ten aus Schule, Hochschule und Thomas Hecht Wirtschaft leistet damit einen wichtigen Beitrag. Es bietet, abseits der notwendi- Schulpräsident gerweise reglementierten Schulwelt, Regierungspräsidium Freiburg Einblicke in die zukünftige Arbeits- und – Abteilung Schule und Bildung Forschungswelt. Die Talente unserer Schülerinnen und Schüler können hier entdeckt werden, sich vertieft weiter- entwickeln. Die Jugendlichen können die Möglich- keit nutzen, ihren persönlichen Horizont zu erweitern und sich auf das Morgen in der Berufswelt vorbereiten.
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Freiburg-Seminar 7 Freiburg-Seminar für Mathematik und Naturwissenschaften DAS FREIBURG- SEMINAR des Landkreises Breisgau- sind, begleitet die Arbeit des Se- wurde 1990 vom Oberschulamt Hochschwarzwald ausgedehnt. minars beratend (vgl. S. 8). Freiburg eingerichtet. Es ist ein Jährlich bewerben sich ca. 300 DER FÖRDERVEREIN DES Bestandteil des Programms „För- SuS auf einen Platz im Freiburg- FREIBURG-SEMINARS derung besonders befähigter Seminar, von denen im Schuljahr 2018/19 insgesamt 249 SuS auf- wurde im Jahr 2009 gegründet. Schülerinnen und Schüler“, das an Zweck des Vereins ist die ideelle den weiterführenden Schulen in genommen werden konnten. und finanzielle Förderung des Baden-Württemberg seit Beginn TRÄGER DES FREIBURG- Freiburg-Seminars. Der Verein des Schuljahrs 1984/85 durchge- SEMINARS verfolgt ausschließlich und un- führt wird. sind das Ministerium für Kultus, mittelbar gemeinnützige Zwecke. AUFGABE DES SEMINARS Jugend und Sport Baden- Unterstützen Sie die Arbeit des Württemberg, die Stadt Freiburg Freiburg-Seminars, werden Sie ist die Förderung besonders be- und der Landkreis Breisgau- Mitglied im Förderverein. Jeder fähigter Schülerinnen und Schüler Hochschwarzwald. Unterstützt Beitrag ist willkommen. in Mathematik und Naturwissen- wird das Seminar von Institutio- SPENDEN schaften. Jeder Teilnehmer ent- nen aus Industrie, Handel und scheidet sich für eine der an den Förderverein des Freiburg- Wirtschaft, dem sowie von den angebotenen Arbeitsgemein- Seminars sind steuerlich abzugs- Hochschulen und Forschungsein- schaften mit besonderem An- fähig. richtungen der Stadt bzw. von spruchsniveau. Gemeinsames Sparkasse Freiburg – Nördl. Verbänden. Band für alle Seminarschüler ist Breisgau eine Veranstaltungsreihe mit Vor- EIN KURATORIUM, IBAN 6805 0101 0012 8490 39 trägen und Betriebsbesuchen. in dem das Kultusministerium, die Dieses Angebot wird durch Studi- LEITUNG Schulverwaltung, die Stadt Frei- enfahrten und Wochenendsemi- burg, der Landkreis Breisgau- Ingo Kilian nare ergänzt und abgerundet. Hochschwarzwald, verschiedene Dr. Markus Eppinger DIE TEILNEHMER DES SEMINARS Fakultäten der Universität Frei- ANSCHRIFT burg, das Fraunhofer Institut für kommen von allen Freiburger Oltmannsstraße 22 Kurzzeitdynamik, die Sparkasse allgemeinbildenden und berufli- 79100 Freiburg Freiburg - Nördlicher Breisgau, chen Gymnasien. Vom Schuljahr Phone +49 761 595249-700 die Industrie- und Handelskam- 1994/95 an wurde das Seminar- info@freiburg-seminar.de mer Südlicher Oberrhein und die angebot auch auf die Gymnasien Wirtschaftsjunioren vertreten http://www.freiburg-seminar.de
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Kuratorium 8 Kuratorium Vorsitzender Prof. Dr. F. Schäfer Stellvertretender Vorsitzender StD Dr. Th. Schonhardt Schriftführer Ltd. RSD S. Binninger Regierungspräsidium Freiburg Schulpräsident Th. Hecht RSD A. Bengel Ltd. RSD M. Müller Ministerium für Kultus, Jugend und Sport StD Jan Wohlgemuth Stadt Freiburg im Breisgau Bürgermeisterin G. Stuchlik Frau I. Geiss Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald Herr W. Seger Fakultät für Mathematik und Physik Prof. Dr. E. Kuwert der Universität Freiburg BIOSS und Institut Biologie II der Universität Freiburg Prof. Dr. W. Weber Techologiestiftung BioMed Freiburg Dr. M. Richter Verband der Metall- und Elektroindustrie Herr St. Wilcken Baden-Württemberg - Südwestmetall Sparkasse Freiburg-Nördlicher Breisgau Herr M. Birmele IHK Südlicher Oberrhein Herr D. Salomon Wirtschaftsjunioren Herr L. Schleithoff Herr A. Rutz Landkreis Emmendingen vakant Schülerforschungszentrum Region Freiburg Herr B. Bohn Geschäftsführende Schulleiter OStD M. Rupp der Gymnasien OStD E. Fritz OStD A. Gorgas Schülerstudium Universität Freiburg Herr Dr. R. Erens Leitung des Freiburg-Seminars StD Dr. M. Eppinger OStR I. Kilian
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Seminarist*innen - Seminarjahr 2020/2021 9 Seminarist*innen - Seminarjahr 2020/2021 241 aufgenommene Schüler*Innen – mit stattfindender AG 176, davon 124 Schüler (70%) und 52 Schülerinnen (30%) – Stand 16.01.2021 Schüler*innen-Verteilung Stadtkreis/Landkreis(e) Schülerzahlen im Vergleich allgemeinbildende Gymnasien & Berufliche Schulen Zusätzlich besuchten 13 Schülerstudierende Vorlesungen und Seminare an der Universität Freiburg und 7 Schülerinnen und Schüler nahmen an der Schüler-Ingenieur-Akademie teil.
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Arbeitsgemeinschaften 10 Arbeitsgemeinschaften des Freiburg-Seminars im Schuljahr 2020 / 2021 – nur ausgeschrieben * | stattgefunden ** Mathematik Thema: Ecken und Kanten - eine Reise durch die Graphentheorie ** Leiter: Dr. G. Metzger, Marie-Curie-Gymnasium Kirchzarten Physik 1 Thema: Teilchenphysik ** Leiter: Dr. C. Zorn, Rotteck-Gymnasium Freiburg (a.D.) Physik 2 Thema: Licht hörbar machen – Entwicklung eines photoakustischen CO2-Sensors ** Leiter: Simon Bendig, Dr. Josef Fürst, Richard-Fehrenbach-Gewerbeschule Freiburg Astrophysik: Thema: Die Rätsel des Universums ** Leiterin: Jürgen Kaltenbacher, Kreisgymnasium Neuenburg (a.D.) Chemie Thema: Chemie - Molekularen Maschinen auf der Spur ** Leiter: Dr. B. Bonengel, Merianschule Freiburg Biologie Thema: Biologie - Moderne Methoden der Biologie ** Leiter: I. Kilian, Kreisgymnasium Bad Krozingen SI-Akademie: Thema: Schüler-Ingenieur-Akademie Leiterteam: M. Bürger, Theodor-Heuss-Gymnasium Freiburg H. Glückher, D. Bartmann, Kreisgymnasium Bad Krozingen A. Risch, Kreisgymnasium Neuenburg Arbeitsgemeinschaften stufenübergreifend differenziert nach Vorkenntnissen Informatik I Thema: Ein Programmierkurs für Einsteiger*innen ** Leiter: P. Spitznagel, Albert-Schweitzer-Gymnasium Gundelfingen Informatik II Thema: Virtuelle Welten im Computer erstellen * Leiter: F. Jasch, Kepler-Gymnasium Freiburg Informatik III Thema: Künstliche Intelligenz ** Leiter: M. Brenner, Richard-Fehrenbach-Gewerbeschule Freiburg Mathematik Thema: Alles logisch - oder was!? ** Leiter: A. Schlosser, Schiller-Gymnasium Offenburg Elektronik Thema: Mikrocontroller und Automatisierung Leiter: W. Wolff, Marie-Curie-Gymnasium Kirchzarten
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Arbeitsgemeinschaften 11 Arbeitsgemeinschaften für Schüler und Schülerinnen der Mittelstufe Mathematik Thema: Die schöne Welt der Geometrie** Leiter: Dr. D. Brandt, Berthold-Gymnasium Freiburg (a.D.) Physik Thema: Physikalischen Phänomenen auf der Spur * Leiter: J. Pohl, Rotteck-Gymnasium Freiburg Chemie Thema: Chemie macht mobil ** Leiter: M. Bürger, Theodor-Heuss-Gymnasium Freiburg Biologie Thema: Biologie in Experimenten * Leiter: A. Köster, Rotteck-Gymnasium Freiburg Arbeitsgemeinschaften für Schüler und Schülerinnen der Unterstufe Technik I/II Thema: Angewandte Robotik 1 & 2 Leiter: J. Deipenwisch, St. Ursula Gymnasium Freiburg * Dr. M. Eppinger, Kreisgymnasium Neuenburg ** Mathe Thema: Mathematik macht Spaß ** Junior-Club Leiterin: A. Löwe, Berthold-Gymnasium Freiburg Science Themen: Biologie | Chemie | Elektronik * Junior-Club Leiterteam: U. Döser, K. Fesenbeck, H. Härtner Kreisgymnasium Bad Krozingen
12 Inhalte waren u.a. die Grundlagen der ten, harmlosen Virus in die menschli- Genetik und der Enyzmatik. chen Zellen einschleust erfolgt dies bei den Impfstoffen von Biontech und Mo- Im Anschluss erfolgte die Besprechung derna über die sogenannte mRNA, einer verschiedener Experimente, wie z.B. der Abschrift spezifischer Gene des viralen Berichte der Extraktion von DNA aus der Mund- schleimhaut menschlicher Zellen oder Erbguts. Im Rahmen der AG wurden die Vor- bzw. Nachteile beider Impfstrategi- Arbeitsgemein- enymatisch katalysierter Leuchter- endiskutiert bzw. mit aktuellen Studien- scheinungen von Kleinkrebsen. ergebnissen abgeglichen. schaften GENTECHNIK Auch in der Einheit Gentechnik wurden Biologie AG – „Moderne zunächst allgemeine Grundlagen gelegt, Methoden der Biologie“ um alle Schülerinnen und Schüler auf ein möglichst einheitliches Wissensniveau Biologisches Forschen zu bringen. ALLGEMEINES 1. CRISPR/Cas9 Aufgrund der Pandemiebedingungen Einen großen Zeitraum nahm die 2020 war das praktische Arbeiten auch in Abbildung 1: DNA-Extraktion - rechts sieht mit dem Chemie-Nobelpreis ausge- dieser AG kaum möglich. Dennoch er- man die DNA als weißes Knäuel zeichnete Entdeckung der Genschere hielten die teilnehmenden Schülerinnen CRISPR/Cas9 ein. Die Französin Emma- und Schüler einen umfgangreichen IMMUNBIOLOGIE nuelle Charpentier und die US- Überblick in verschiedene Methoden Amerikanerin Jennifer Doudna entwi- Auch in Hinblick auf die Pandemie, und Forschungsbereiche der modernen ckelten 2012 die Methode der universel- nahm im Folgenden die Immunbiologie Biologie. Dies vor allem theoretisch in len Genschere Crispr/Cas9 und einen großen Zeitraum ein. Nach der Form von Videokonferenzen, aber letzt- revolutionierten damit die Bearbeitung Einführung in die relevanten theoreti- lich insbesondere gegen Ende des Semi- von Genen. Besprochen wurde diese schen Details der spezifischen humora- narjahres konnten auch noch zwei Methode im Zusammenhang mit zu- len und zellulären Immunantwort, größere Experimente durchgeführt künftigen Möglichkeiten der Bekämp- wurden zunächst der Antigen- werden. fung von Malaria. Jedes Jahr erkranken Schnelltest vertieft behandelt. Hier dient über 200 Mio. Menschen in Malaria- Von den 16 angemeldeten Schü- der sogenannte ELISA (Enzyme-linked Gebieten. Über 400.000 Menschen ster- ler*innen hielten 13 bis zum Ende durch. Immunosorbent Assay) als methodische ben an dieser von einem eurkaryoti- Diese waren: Grundlagen. Daneben wurden auch der schen Einzeller ausgelösten Krankheit. Antikörpertest bzw. der RT-PCR-Test • D. Kanzaria (Faust-Gymnasium Dabei ist die Kindersterblickeit beson- besprochen. Bei letzterem wird zunächst Staufen), A. Steffens und O. Vetter ders hoch. Im Rahmen des Lebenszyklu- die virale RNA mit dem Enzym Reverse (beide Kreisgymnasium Bad Krozin- ses des Erregers ist der Mensch lediglich Transkriptase in DNA umgegeschrieben, gen), L. Schenk (Markgräfler Gym- ein Zwischenwirt, bei dem jedoch die worauf sich eine PCR (Polymerase Ket- nasium Müllheim), K. vom Erreger gebildeten Toxine tödlich tenreaktion) anschließt. Bei dieser wer- Bockholdt (Merian-SchuleFreiburg), wirken können. Endwirt ist die Anophe- den spezifische virale Gene mit Hilfe von I. Danne und K. Weber (beide les Mücke. Versuche wirksame Medika- Sonden nachgewiesen. Im weiteren Rotteck-Gymnasium Freiburg), L. mente gegen diesen Krankheitserreger Verlauf der AG konnten die Schülerinnen Louisa, M. Liebl und F. Markus (alle zu entwickeln scheitern im Augenblick und Schüler dann auch selbst eine PCR Schule Birklehof Internat und Gym- daran, dass er immer wieder Resisten- durchführen (siehe weiter unten). nasium Hinterzarten), T. Kuhn und zen entwickelt. Eine weitere Möglichkeit F. Lupberger (beide St. Ursula- Neben den Tests spielen in der augen- wäre die Dezimierung des Endwirts Gymnasium Freiburg) und Y. Ivenz blicklichen Pandemie auch die verschie- Mücke. Um Mückenweibchen unfrucht- (Wentzinger Gymnasium Freiburg). denen Impfstoffe eine bedeutende bar zu machen, werden zwei Verfahren Rolle. So wurden die unterschiedlichen kombiniert. Einerseits die oben ange- GENETIK UND ENZYMATIK Verfahren vertieft behandelt. Neben den sprochene CRISPR/Cas 9 Methode und Im ersten Teil der AG wurden zunächst bereits lange bekannten Totimpfstoffen der sogenannte Gene-Drive. Mit der theoretische Grundlagen erarbeitet, um und Vektorviren-Impfstoffen wurden der CRISPR Methode ist es möglich die DNA alle Teilnehmer*innen aus den verschie- Fokus auf die neueren RNA-Impfstoffe ganz gezielt an einer vorher ausgewähl- denen Klassenstufen auf ein mehr oder gelegt. Während der Vektorimpfstoffe ten Stelle im Chromosom aufzuschnei- weniger einheitliches Niveau zu heben. von AstraZeneca Teile des Coronavirus- den. Mit Hilfe von Gene-Drive erhält Erbguts mit Hilfe von einem modifizier- man die Möglichkeit, dass nicht nur
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Berichte der Arbeitsgemeinschaften 13 eines der beiden Schwester- rung der Produktion von RNA ist diese ten die Schülerinnen und Schüler die Chromosomen zu verändern, sondern Methode inzwischen so günstig gewor- hiermit sorgt man dafür, dass beide den, dass eine kommerzielle Nutzung in Chromosomen die Genveränderung naher Zukunft möglich erscheint und aufweisen und somit auch alle zukünfti- Total-Herbizide wie Glyphosat mit ihrer gen Mückengenerationen un-fruchtbar verherenden Wirkung auf Nutzinsekten werden. Die dadurch ausgelösste Dezi- nicht mehr notwendig sind. mierung der Mückenpopulation schützt 3. Forensik die Bevölkerung in Malaria-Gebieten. Abbildung 4: Ergebnis PCR - PV92 - Foto Sie wirft jedoch ethische Fragen auf, die Im Anschluss wurden verschiedene mo- Kilian im Kurs diskutiert wurden. lekularbiologische Methoden bespro- chen, wie die Zerschneidung von DNA Möglichkeit ein vergleichbares Verfah- Im Anschluss sollte eigentlich der „Out mit Hilfe von Restriktionsenzymen oder ren selbst durchzuführen. Hierfür extra- of the Blue CRISPR and Genotyping die Gelelektrophorese. Im Juni war es hierten sie zunächst DNA aus ihren Extension Kit“ durchgeführt werden. dann möglich diese Experimente auch Mundschleimhautzellen. Danach verviel- Pandemie-bedingt konnte dieses Expe- praktisch durchzuführen. fältigten sie die sogenannte PV92 Regi- riment leider nicht durchgeführt werden. on auf Chromosom 16. Dieses liegt in • DNA-Fingerprint - RFLP 2. RNA-interferenz (RNAi) zwei Allelen vor: Einmal mit einem Alu- Insert von 300 Basenpaaren (Bp) Länge, dieses ist insgesamt 921 Bp lang. Das andere Allel hat kein Insert und ist ent- sprechend lediglich 621 Bp lang. Nach der Vervielfältigung wurden die Frag- mente gelektrophoretisch aufgetrennt (vgl. Vortrag Hr. Weisser). Abbildung 3: Gelelektrische Auftrennung Im oberen Gel erkennt man von links von DNA-Fragmenten – Foto Kilian nach rechts zunächst Markerbanden mit In der oberen Abbildung sieht man Fragment-Banden von 1000, 700, 500, Plasmide (extrachromosomale DNA- 200 und 100 Bp. In den nächsten drei Ringe), die mit dem Restriktionsenzym Spalten sieht man die Kontrollproben NciIgeschnitten wurden. Im Banden- mit zweimal dem 921 Allel, zweimal dem muster sind drei DNA-Proben der Ver- 621 Allel und einmal der Kombination dächtigen A, B, und C jeweils zweimal aus 921 und 621 Bp (heterozygot). In der aufgetragen. Die letzten beiden Ban- 5 Spalte ist die Spur eines fiktiven Täters denmuster gehören zur Tatortprobe. abgebildet der heterozygot ist und dann Abbildung 2: RNA-Interferenz - Natura Man erkennt, dass der zweite Verdäch- folgen drei Schüler*innen Proben. Man Biologie für Gymnasien Kursstufe, Klett erkennt, dass Schüler*in Nr. zwei die tige B der Täter gewesen sein muss, da 2010 „Täter*in“ war. sein Bandenmuster mit jenem des Tat- orts übereinstimmt. Autor: Ingo Kilian Eine weitere Möglichkeit Schadinsekten Herr zu werden, ohne großflächig Herbi- Die oben beschriebene Methode ähnelt zide wie das vieldiskutierte Glyphosat in der älteren Methode des DNA- die Natur zu bringen, ist die Methode Fingerprints, dem sogenannten Restrik- der sogenannten RNA-Interferenz. Hier- tionsfragment-Längen-Polymorphismus bei wird ein zur Ziel-mRNA komplemen- (RFLP), bei dem das gesamte Erbgut täre RNA in großen Mengen produziert zerschnitten und die resultierenden und statt Herbiziden auf die Felder aus- Bandenmuster miteinerander verglichen gebracht. Diese RNA bindet dann kom- wurden. plementär an die Ziel-mRNA, die • DNA-Fingerprint – Untersuchung dadurch intrazellulär abgebaut wird. der STR´s mit Hilfe einer PCR Dadurch wird das durch die Ziel-mRNA kodierte Genprodukt nicht gebildet. Mit Ebenfalls besprochen wurde die aktuelle dieser Methode können gezielt Gene Methode, bei der sogenannte short- von spezifischen Schadinsekten ausge- tandem-repeats untersucht werden. schaltet und diese damit bekämpft wer- Diese STR´s werden mit der oben er- den. Der Vorteil ist, dass Nutzinsekten wähnten Polymerase Ketten Reaktion Abbildung 5: Schüler*innen bei der Auswer- nicht betroffen sind. Durch die Optimie- kurz PCR vervielfälgit. Im Juli 2021 hat- tung – Foto Kilian Juni 2021
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Berichte der Arbeitsgemeinschaften 14 Chemie AG – „Chemie macht scheint unaufhaltsam fortzuschreiten. Um die Bedeutung der Kartoffel bei mobil“ Untrennbar mit diesem Fortschritt ver- unserem Wettbewerb, wer zu Hause vor bunden sind chemische Innovationen. dem Bildschirm die beste Kartoffelbat- Die Chemie-AG des Schuljahres Die Faszination unserer mobilen Endge- terie bauen kann, zu klären, mussten 2020/2021 war ähnlich wie unser Alltag räte ist ebenso untrennbar mit den Ent- zunächst einige chemische Grundlagen stark geprägt von den besonderen wicklungen chemischer Stromspeicher gelegt werden. Umständen in die uns die Pandemie verbunden wie die Mobilitätswende, die gezwungen hat. Wie immer sollte auch den Abschied vom Verbrennungsmotor ION – WER WANDERT DA? in diesem Schuljahr die Erfahrung des einläuten soll. All dies kann nur veran- Vermischt man elementares Iod mit praktisch durchgeführten Experiments schreiten, wenn die Optimierung der Zinkpulver und tropft Wasser zu dem im Mittelpunkt unseres Erkenntnis- Batterietechnik schritthalten kann. Gemenge, entsteht unter Zischen und gewinns stehen. Allerdings konnte die Freisetzen violetter Dämpfe eine Lösung AG nicht wie gewohnt im des Salzes Zinkiodid. Präsenzunterricht durchgeführt werden, weil sich die Gruppe aus Bildung von Zinkiodid: Teilnehmer:innen verschiedener Schulen Zn + I2 → ZnI2 zusammensetzt. Zinkiodid in wässriger Lösung: Da sich dieses Jahr nur 6 Schülerinnen und Schüler durch die Chemie ZnI2 + H2O → Zn2+(aq) + 2 I-(aq) + H2O mobilisieren lassen wollten, bestand die Die Heftigkeit dieser Reaktion zeigt, Möglichkeit, jeder Teilnehmer:in eine dass sie unter Energieabgabe – individuelle Experimentierbox zur exotherm – abläuft. Durch einen Elekt- Verfügung zu stellen. Dadurch war es ronenübergang besitzen die entstande- möglich, die per Videokonferenz nen Teilchen also nicht nur eine Ladung, Abbildung 7: Inhalt der Chemikalienbox für angeeigneten Erkenntnisse mit Hilfe von die Teilnehmer*innen sondern auch weniger innere Energie. Experimenten aufzulockern und Die Differenz der inneren Energie ent- anschaulicher zu gestalten: Um das Verständnis in diese Zusam- spricht dann der Energie, die bei der menhänge zu erleichtern, haben wir uns Bildung von Zinkiodid frei wurde. dieser Thematik über einfache elektro- chemische Phänomene angenähert. Diesem eingeschlagenen Weg sind wir offen und neugierig gefolgt. Die physikalischen Grundlagen zu Stromkreisen waren schnell in einem online-Klassenzimmer von ‚Tinkercad‘ gelegt. Hier konnten auch Vorversuche zu einer einfachen Kartoffel-Batterie durchgeführt werden: Abbildung 9: Abnahme der inneren Energie bei der Reaktion von Zink mit Iod. Diese Energie ist bei unserem Vorver- such unkontrolliert und ungenutzt frei- gesetzt worden. Unser Ziel war aber, diese Energie als elektrische Energie nutzbar zu machen. Hierzu haben wir die Zinkiodidlösung in einem U-Rohr elekt- rolysiert. Dabei bildet sich an der Anode durch Oxidation elementares Iod: Abbildung 6: Inhalt der Materialbox für die Abbildung 8: Effekt einer Kartoffel als Teilnehmer*innen 2 I- → I2 + 2 e- Elektrolyt und Widerstand – konstruiert und simuliert mit dem online-Klassenzimmer An der Kathode werden die Zinkionen zu CHEMIE MACHT MOBIL ‚Tinkercad‘ metallischem Zink reduziert: Digitalisiert, vernetzt, stets erreichbar Aus dem Physikunterricht ist bekannt, Zn2+ + 2e- → Zn bei gleichzeitiger Mobilität: Das 21. dass Elektronen in metallischen Leitern Jahrhundert hat den Alltag der Men- für den Stromfluss verantwortlich sind. schen radikal verändert und der Wandel
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Berichte der Arbeitsgemeinschaften 15 Lässt man anschließend den Elektronen- fluss vom so wieder dargestellten Zink hin zum Iod gezielt über einen geschlos- senen Stromkreis ablaufen, kann man nicht nur die Spannung messen, sonde- ren auch einen Elektromotor betreiben. Hierbei bildet sich erneut die Zinkiodid- lösung, die anschließend wieder elektro- lysiert werden kann. Durch diese umkehrbare Reaktion haben wir unsere erste wiederaufladbare Batterie (Akku- mulator) hergestellt. Die gemessene Abbildung 11: Aluminium-Luft-Batterie Spannung lag bei den einzelnen AG- (Materialien: Holzkohle, Alufolie, Küchen- Teilnehmer*innen zwischen 1,1 und 1,3 rolle, Kochsalzlösung, Zinkdraht) Abbildung 13: Aluminium-Luft-Batterie mit V. einer Getränkedose Mit diesem einfachen Aufbau ließ sich der Elektromotor stundenlang betrei- Wir haben uns bis zu den Osterferien ben. intensiv mt Elektrochemie befasst, als sich dann zeigte, dass wir auch im weite- ren Verlauf des Seminarjahres auf Dist- anzunterricht angewiesen sein werden, wurden die Teilnehmer*innen mit neuen Experimentierboxen auf ein anderes Thema vorbereitet, das wieder gut mit Versuchen im eigenen Zuhause experi- mentell angereichert werden konnte: Die Untersuchung von Lebensmitteln. Abbildung 12: QR-Code (Video zu unserer Aluminium-Luft-Batterie) Bei der Aluminium-Luft-Batterie wird Abbildung 10: Zink-Iod-Batterie treibt einen das Aluminium bei der Entladung an der Motor an Anode oxidiert: Al + 3 OH- → Al(OH)3 + 3 e- Abbildung 14: Inhalt der zweiten Material- SPANNUNGSGELADENE CHEMIE box zur Untersuchung von Lebensmitteln. An der Holzkohle findet die Reduktion Durch Untersuchungen des Reaktions- statt: Erst für die letzten Wochen des Schul- verhaltens der Metalle Magnesium, - O2 + 2H2O + 4 e → 4 OH - jahres konnten wir uns – Dank der ge- Eisen, Silber, Zink und Kupfer mit ver- sunkenen Inzidenzwerte – doch noch in schiedenen Metallsalz-Lösungen haben Die anfängliche Begeisterung, die auch präsenz begegnen. wir eine verkürzte Spannungsreihe auf- durch die angesprochenen Sensations- gestellt, die uns beim Bau weiterer ein- meldungen geschürt wurde, ist schließ- facher Batterien nach dem Prinzip der lich doch einer gewissen Ernüchterung Volta-Batterie Hilfestellung leisten gewichen: Die Batterie ist nicht wieder- konnte. aufladbar und der Elektrolyt muss wegen Ein elektrochemischer Stromspeicher, der hohen Selbstentladung erst kurz vor der immer wieder mit Sensationsmel- Betrieb (vgl. Video zu unserem Versuch) dungen auf diversen Internetseiten für hinzugegeben werden. So fand ein ungewöhnliches Seminarjahr Furore sorgt, ist die Aluminium-Luft- Für die Aluminium-Luft-Batterie lassen schließlich einen versöhnlichen Ab- Batterie. Tatsächlich benötigt man nur sich verschiedene Haushaltsartikel be- schluss. wenige einfache und leicht verfügbare nutzen. Zum Beispiel eine Getränkedose Materialien, um verblüffende Effekte zu aus Aluminium, in die man die Kochsalz- Autor: Marcus Bürger erzielen: lösung, die als Elektrolyt dient, direkt einfüllen kann.
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Berichte der Arbeitsgemeinschaften 16 Chemie AG – „Molekularen zur Bestimmung der Proteinkonzent- Maschinen auf der Spur“ ration in Milchprodukten. Die Expe- rimente wurden von mir pipettiert Proteinbiochemie und mit Hilfe zweier Kameras live aus dem Labor übertragen. Anschließend ZIEL DER AG erfolgte die Auswertung mit Hilfe von Ziel dieser AG war, die Schülerinnen und Tabellenkalkulation. Schüler an grundlegende Verfahren und PROTEINE ALS ANALYTISCHE Methoden der Biochemie und Moleku- WERKZEUGE: GEKOPPELTE larbiologie heranzuführen. Dabei sollte ENZYMATISCHE ASSAYS ZUR die Laborpraxsis im S1-Labor des bio- BESTIMMUNG VON GLUKOSE technologischen Gymnasiums der Meri- anschule den Schwerpunkt darstellen. IN TRAUBENSAFT Leider waren aufgrund der Pandemie Enzyme sind hochspezifische Kataly- Tätigkeiten im Labor erst ab Ende Juni satoren, die aufgrund ihrer Raum- wieder möglich, weshalb wir uns regel- struktur den Ablauf bestimmter mäßig am Donnerstagnachmittag online chemischer Reaktionen erleichtern. trafen. Die Zusammensetzung der AG Damit sind sie auch für die Analytik war bezüglich Alter und Vorkenntnissen interessant. Wir lernten das Grund- Abbildung 15: Laborarbeit – ab Juni 2021 heterogen. Einige Schülerinnen und prinzip der Enzymanalytik an der Be- war dies wieder möglich – allerdings wurden Schüler waren aufgrund ihrer vorange- stimmung der Glucosekonzentration in weiterhin Masken getragen. henden Teilnahme an der Biologie-AG Traubensaft kennen. Auch dieses Expe- „Molekularbiologie“ von Herrn Kilian riment wurde von mir im Labor durchge- Für die wenigen verbliebenen Termine bereits bestens auf die Thematik vorbe- führt und live übertragen. Auch hier versuchten wir, im Schnelldurchlauf die reitet, andere bachten weniger Grund- erfolgte die komplette Auswertung Grundprinzipien der Herstellung eines kenntnisse mit. Daher erarbeiten wir uns durch die Teilnehmer mit Hilfe von Ta- Proteins mit Hilfe von Gentechnik und zunächst anhand von online- bellenkalkulation. Biochemie kennenzulernen. Lehrbüchern und Arbeitsblättern Kennt- GENTECHNISCHE HERSTEL- nisse zu Struktur von Aminosäuren und GRUNDLAGEN DER MOLEKU- LARBIOLOGIE: REPLIKATION LUNG UND AUFREINIGUNG VON Proteinen. UND TRANSKRIPTION MIT FO- PROTEINEN AM BEISPIEL GFP AMINOÄUREN UND PROTEIN- KUS AUF DIE FUNKTION DER AN Obwohl die meisten Proteine aus einer STRUKTUR DIESEN PROZESSEN BETEILIG- Kombination von nur 20 Aminosäuren Proteine sind äußerst komplex aufge- TEN PROTEINE aufgebaut sind, ist ihre Synthese in vitro baute hochmolekulare Naturstoffe mit nur äußerst eingeschränkt möglich. Da die Aussicht auf Präsenzunterricht in einer teils sehr empfindlichen Raum- Daher nutzt man zur Synthese von Pro- weite Ferne gerückt war, beschäftigten struktur, die sich aus der komplexen teinen in der Regel biologische Zellen. wir uns genauer mit den Grundlagen der Faltung einer Aminosäurekette ergibt. Diese werden mit Hilfe der Gentechnik Molekularbiologie. Zunächst wurde der Auf der einen Seite sind sie komplexe so umprogrammiert, dass sie ihre Pro- Bau der DNA auf chemischer Ebene Moleküle, auf der anderen Seite kann teinsynthese fast vollständig auf die mittels Strukturformeln und Reaktions- man sie auch als nanoskopische Maschi- Herstellung des gewünschten Proteins gleichungen erarbeitet. Die Replikation nen betrachten, welche komplexe Funk- umstellen. Anschließend wird das Pro- der DNA betrachteten wir anhand von tionen übernehmen können. Sie finden tein aus den Bakterien extrahiert und Lehrfilmen, welche die molekulare Ma- daher auch eine breite Anwendung in aufgereinigt. Ein Problem dabei ist die schinerie der Replikation veranschauli- Technik und Medizin. Wir beschäftigten Abtrennung des Proteins aus dem Ge- chen. Anschließend wurden die uns zunächst mit dem Bau und den misch der Zellinhaltsstoffe, vor allem der Grundlagen der Proteinbiosynthese chemischen Eigenschaften von Amino- zelleigenen Proteine. genauer besprochen. säuren und ihrer Verknüpfung zu Pepti- den und Proteinen. LABORPRAKTISCHE PHASE IM Das green fluorescent protein (GFP) aus JUNI der Tiefseealge Aquorea victoria spielt in PROTEINBESTIMMUNG MIT Forschung und Lehre aufgrund seiner BIURET Dank sinkender Inzidenzen durften wir Eigenschaft als Farbstoff eine besondere ab Mitte Juni die AG in Präsenz stattfin- Rolle. GFP findet vielfältige Anwendung In der Hoffnung, dass wir gegen Mitte den lassen. Daher trafen wir uns für die in der biologischen Forschung, um Zel- des Schuljahres wieder praktisch arbei- restliche Zeit im Biotechnologielabor der len und zelluläre Strukturen sichtbar zu ten können, wurden einige Theman Merianschule. machen. Es fluoresziert grünlich, wenn vorgezogen. Als erstes Experiment er- stellten wir ein modifiziertes Protokoll es mit UV-Licht bestrahlt wird. Für die
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Berichte der Arbeitsgemeinschaften 17 Lehre ist diese Eigenschaft natürlich len, wobei durch die Bildung von Eiskris- sehr attraktiv, weil man das Proteine tallen in der Suspension Löcher in den jederzeit direkt visuell nachweisen kann, geschwächten Zellwänden und - was für die meisten überwiegend farblo- membranen der Bakterien entstehen. sen Proteine deutlich aufwändiger ist. AUFREINIGUNG VON GREEN FLUORESCENT PROTEIN (GFP) MIT HILFE DER HYDROPHOBEN INTERAKTIONSCHROMATO- GRAPHIE (HIC) Die so hergestellten Extrakte enthalten auch hier nicht nur das gewünschte Pro- tein, sondern noch tausende andere bakterieneigene Substanzen. Das kom- plexe Gemisch konnte erfolgreich mit Hilfe der hydrophoben Interaktions- chromatographie aufgetrennt werden. Dabei werden die Oberflächenladungen des Proteins durch Einstellung einer bestimmten Konzentration von Ammo- niumsulfat so weit abgeschirmt, dass das Protein an das hydrophobe Material Abbildung 16: Herstellung von Medien für einer Chromatographiesäule bindet. Die die Anzucht der Bakterien, die gentechnisch meisten anderen Proteine laufen bei verändert werden sollen – Juni 2021. dieser Konzentration an Ammoniumsul- fat durch die Säule durch. Anschließend TRANSFORMATION VON E. COLI wurde GFP aus der Säule eluiert, was MIT EINEM GFP- unter der UV-Lampe direkt beobachtet EXPRESSIONSPLASMID werden konnte. Wir verwendeten Escherichia coli als FAZIT System zur Expression von GFP und Ein merkwürdiges Jahr. Es war mir erst transformierten diese mit dem GFP- im Juni vergönnt, die Teilnehmerinnen Expressoinsplasmid pGLO, welches die und Teilnehmer persönlich kennenzuler- Informationen zur Produktion von GFP nen, da der Kurs bis dahin nur online trägt. stattfand. Das war für einen ursprünglich BERECHNUNG DER TRANSFOR- laborpraktisch angelegten Kurs eher MATIONSRATE schwierig - bleibt die Hoffnung, dass die AG im nächsten Schuljahr wieder in In der nächsten Einheit wurden die Er- Präsenz stattfinden kann. Ich bedanke gebnisse des Transformationsexperi- mich ausdrücklich bei den verbliebenen mentes ausgewertet und dabei die AG-Teilnehmerinnen und Teilnehmern Transformationsrate der von uns herge- für ihre Geduld bei nicht immer rei- stellten kompetenten Zellen berechnet. bungslos verlaufenden Onlineunterricht EXPRESSION VON GFP IN DEN und freue mich auf das nächste Jahr mit TRANSFORMIERTEN ZELLEN, hoffentlich besseren Bedingungen. ERNTE UND LYSE Autor: Dr. Bernhard Bonengel Die Bakterien wurden herangezüchtet und anschließend die Expression von GFP durch Zugabe der Substanz Arabi- nose induziert. Um das Protein aus den Zellen herauszuholen, müssen diese lysiert werden. Dies erfolgte durch Zu- gabe des Enyzms Lysozym, welches die bakteriellen Zellwände teilweise abbaut und anschließendes Einfrieren der Zel-
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Berichte der Arbeitsgemeinschaften 18 Elektronik AG – JUGENDFORSCHT! „Mikrocontroller & Insgesamt haben wir mit vier Projekten Automatisierung“ am Regional JugendForscht Wettbe- ALLER ANFANG IST SCHWER werb teilgenommen. Drei haben es in den Landeswettbewerb und eines sogar Die Voraussetzungen für meine AG wa- noch in den Bundeswettbewerb ge- ren dieses Schuljahr sehr ungünstig. schafft. Nach einer kurzen Vorstellung Normalerweise lebt die AG davon, dass der ersten drei Projekte werde ich das die Teilnehmer*innen nach einer Einar- vierte Projekt ausführlicher vorstellen. beitungsphase selbständig an ihren Da dieses Projekt auch durch die Koope- Projekten arbeiten. ration mit Herr Prof. Dr. Frank Schäfer Da die AG von Anfang an im Fernunter- vom Frauenhofer Institut für Kurzzeit- richt stattfinden musste, habe ich für dynamik entstanden ist. meine Schüler*innen einen Elektronik- HAND STEERING CONTROLL kasten entworfen. Darin waren neben einem Arduino auch noch andere Bau- Janis Rohrer hat sein Projekt eines Da- teile wie z.B. LEDs, Schalter, Tempera- tenhandschuhes enorm weiterentwi- tur- und Ultraschallsensoren. ckelt. Jetzt ist es ein Daten Ring, mit dem man alles Mögliche steuern kann. Abbildung 19: Selbstbalancierende Rakete Damit konnten sich die AG- Teilnehmer*innen eigentlich ganz gut in DATENREICHES LICHT die Grundlagen einarbeiten. Es gab dann über Moodle wöchentlich Aufgaben, die Finn Liebner hat mit seinem Projekt im wenn es nötig war, auch einzeln bespro- Ladeswettbewerb JugendForscht den chen wurden. Leider war es so, dass ersten Platz für das beste interdisziplinä- dieses Angebot von einem Teil der neu- re Projekt gewonnen. Im Bundeswett- Abbildung 18: Der Datenring! en Schüler*innen nicht gut angenom- bewerb war es dann der Preis für eine men wurde, wofür es natürlich gute Janis hat es mit diesem Projekt bis in Arbeit auf dem Gebiet der Informations- Gründe gab. den Landeswettbewerb geschafft und technik. Wer mehr über dieses Projekt dort den 3. Preis im Fachbereich Technik erfahren möchte, findet im vorherigen Mit den Schüler*innen, die schon letztes Jahrbuch mehr dazu. Schuljahr in meiner AG waren, lief es und zwei Sonderpreise "Elektronik, besser! Sie konnten gleich ihre individu- Energie- oder Informationstechnik" und MIT ALGEN BIS ZUM MARS ellen Projekte umsetzen. Davon gab es "Campus Founders" gewonnen. Mit Finn Liebner und Jeremias Boucsein einige und auch sehr erfolgreiche! SELBSTBALANCIERENDE gab es eine Zusammenarbeit mit Herrn ARDUINO AUTO RAKETE Prof. Schäfer vom EMI (Ernst Mach Insti- Simon Schappacher hat mit einem wei- tut) in Freiburg. Zusammen haben wir Leander Schäfer hat (fast völlig selb- uns in das spannende Thema der Cube- ständig) ein Auto entwickelt, das mit teren Schüler von meiner Schule Greyson Wiesenach zusammen eine sich Satelliten eingearbeitet. Finn und Jere- Hilfe einer IR-Fernsteuerung gesteuert mias haben ein Konzept für ein mögli- werden kann. Das Auto "findet seinen selbst balancierende "Rakete" entwi- ckelt. ches Experiment mit Algen entworfen Weg" mit Hilfe eines drehbaren Ultra- und Teile davon auch umgesetzt. Sie schallsensors. Zusätzlich kann es mit Simon und Greyson haben es ebenfalls haben beim Regionalwettbewerb den einer IR-Fernbedienung gesteuert wer- in den Landeswettbewerb geschafft. Sonderpreis für Nachwachsende Roh- den. Dort haben sie zwei Sonderpreise ge- stoffe gewonnen. wonnen: Ein "P.M. Magazin Jahresabon- nement" und ein "Jahresabonnement Gut zu sehen sind die beiden Öffnungen, der Zeitschrift „Sterne und Weltraum.“. durch die das Sonnenlicht in das Innere des Satelliten dringt. Da dieses Projekt sehr umgänglich ist und aus vielen ein- zelnen Komponenten besteht, möchte ich hier nur die Entwicklung und den Aufbau des "Zweistrahl-"Spektrometers beschreiben. Abbildung 17: Arduino Auto
FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Berichte der Arbeitsgemeinschaften 19 Daher entwarfen wir einen optimierten Sensoren und vergleichbaren Aufbau selber. Dabei hat man zunächst einen optischen Spalt, der dafür sorgt, dass ein schmales paral- leles Lichtbündel auf das darunterlie- gende Transmissionsgitter fällt. Dieses sorgt für eine Aufspaltung der Wellen- längen. Wir nutzen dabei nur die erste Beugungsordnung. Darunter hat man einen Körper, der Fremdlicht abschirmt und Reflexionen im Inneren meidet. Abbildung 20: Der CubeSAT (noch ohne Solarzellen) Um einen schrägen Lichteinfall auf die Photodiodenzeile so gut es geht zu mi- Abbildung 24: Das gemessene Spektrum ENTWICKLUNG EINES SPEKT- nimieren, ordneten wir die einer roten LED ROMETERS Photodiodenzeilen (rote Linie) orthogo- Das Erstaunliche, man kann mit Hilfe Bei dem Spektrometer bestanden be- nal zu der Mitte des Strahlengangs eines 3D-Druckers wirklich ein funktio- sondere Anforderungen, dieses sollte (cyanfarbene Linie) an. Um diese Anord- nierendes Spektrometer "drucken", das eine geringe Größe aufweisen und eine nung bei dem Aufbau realisieren zu sehr gute Ergebnisse liefert. hohe Auflösung bei der Intensität er- können, verwendeten wir eine kleine möglichen, um geringe Veränderungen Platine, auf die wir die Photodiodenzei- FAZIT im Spektrum detektieren zu können. len sowie den AD-Wandler auflöteten. Das AG-Jahr war schwer! Wir konnte Eine weitere Besonderheit besteht da- Diese wird mit einer Schraube mit dem aber sehr viele und gute Projekte ver- rin, dass zwei gleiche Spektrometer 3D-gedruckten Spektrometerkörper wirklichen. Ein glücklicher Umstand war aufgebaut werden sollen, um das Ab- verschraubt und über Kabel mit der MCU sicherlich, dass einige der AG-Schüler sorptionsspektrum der Algen anhand verbunden. auch Schüler meines Gymnasiums sind! der Differenz zwischen algenhaltigem Da war es natürlich unter den gegebe- Wasser und gewöhnlichem Wasser zu nen Regeln immer möglich sich einzeln ermitteln. Das hat den Vorteil, dass zu treffen. Verfälschungen, die bei beiden Spekt- rometern gleich sind, keinen Einfluss auf Autor: Wolfgang Wolff die Ergebnisse haben. Zunächst wurde deshalb ein einfaches Spektrometer nachgebaut, welches aus einer Transmissionsgitterfolie, einem 3D-Druck und einer Photodiodenzeile besteht. Dabei gab es allerdings das Problem, dass durch Reflexionen in dem Aufbau und eine unzureichend genaue Abbildung 23: Rückseite des Spektrometers Befestigung des Gitters kein brauchba- mit Trägerplatine für die beiden optischen res Spektrum entstand. Abbildung 21: Vorderseite des Spektrome- Abbildung 22: Das erste Spektrum ters mit den beiden Einfachspalten für das Licht
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FREIBURG SEMINAR – JAHRBUCH | Schuljahr 2020/2021 | KAPITEL: Berichte der Arbeitsgemeinschaften 21 Informatik AG – „Ein Im letzten Teil des Schuljahres wurden Programmierkurs für weitere Sensoren und Medien der End- geräte in die Programme eingebaut. Einsteiger*innen“ Begeistert waren die Teilnehmer*innen HANDY PROGRAMMIERUNG MIT von einer Übersetzungsapp in der der zu DEM APP INVENTOR übersetzende Text sowohl eingetippt, als auch über die Spracherkennung ein- Die AG Handyprogrammierung wurde in gesprochen werden konnte. Die Über- diesem Jahr zum ersten Mal angeboten. setzung in eine der klassischen Da sich viele Schülerinnen und Schüler Schulsprachen erfolgte durch die Aus- angemeldet hatten, wurde die AG 14- wahl der entsprechenden Länderflagge. tägig im Wechsel für 2 Gruppen angebo- ten. Abbildung 25: Darstellung der Spieloberflä- Mit der ursprünglich von Google entwi- che im App Inventor ckelten und inzwischen vom Massachusetts Institute of Techno- Auf unterschiedlichen Schwierigkeitsni- logy (MIT) bereitgestellten Entwick- veaus wird dabei gegen einen virtuellen lungsumgebung App Inventor können Gegner um die Wette gerechnet. Richti- Programme für Android Geräte entwi- ge Ergebnisse bewegen einen Ball auf ckelt werden. Per Drag and Drop können einem Fußballfeld in Richtung des geg- in dieser Umgebung sehr leicht Apps nerischen Tores. In die andere Richtung Abbildung 26: Oberfläche der Überset- entwickelt und direkt getestet werden. wird der Ball, je nach eingestellter zungsapp Während der Programmierung wird die Schwierigkeit, unterschiedlich schnell entstehende Anwendung bereits über durch einen Timer bewegt. Im Rahmen Das letzte Programm nutze den GPS- die App Inventor App auf das Endgerät dieses Projektes konnten die wesentli- Sensor und bot über verschiedene But- übertragen und kann direkt getestet chen Elemente der Programmierumge- tons unterschiedliche Funktionen an. So werden. Ist die Anwendung fertig pro- bung sowie zentrale Bausteine der konnte man die Geokoordinaten und die grammiert, kann eine entsprechende Programmierung erklärt werden. Adresse des aktuellen Standortes aus- APK Datei (Android Package Kit) erstellt geben lassen, einen Ort speichern, um Nach diesem relativ eng geführten Ein- werden, und die App damit dauerhaft ihn später wieder anzeigen zu lassen stieg folgte eine freiere Arbeitsphase. auf dem Handy installiert werden. oder sich zu einem gespeicherten Ort Gemeinsam wurde zunächst in kleinen Die Programmierumgebung teilt sich in Programmen das notwendige Wissen für zurückführen lassen. einen Teil, in dem das Design der App die Programmierung kleiner Spiele erar- Zum Abschluss der AG wurde den Teil- erstellt wird und in einen Teil, in dem die beitet. Es sollten Spiele programmiert nehmer*innen des Kurses noch gezeigt, Programmierung der App erfolgt. Über werden, in denen Objekte bewegt und welche Anforderungen eine App erfüllen die graphische Programmierumgebung zur Kollision gebracht werden. Dabei muss, um im Google Playstore veröf- kann auf alle wesentlichen Funktionen wurden klassische Tennisspiele aus der fentlich zu werden und welche Schritte der Endgeräte zugegriffen werden. Sehr Anfangszeit der Computerspiele genau- notwendig sind, um die App tatsächlich motivierend ist, dass man schnell zu so programmiert wie Spiele, in denen auch zu veröffentlichen. Ergebnissen kommt, die direkt auf dem Objekte über die Nutzung der Beschleu- Endgerät getestet werden können. nigungssensoren bewegt wurden. Nach- Der Kurs hat damit neben einer Einfüh- dem die Schüler*innen Grundwissen in rung in die Programmierung auch einen In der AG wurden verschieden Pro- Einblick in die Entstehung einer App von gramme aus unterschiedlichsten Berei- diesem Bereich vermittelt bekommen hatten, gab es eine offene Aufgabenstel- der Ideenfindung über die grafische chen entwickelt. Die AG fand nicht in Umsetzung bis zur Fertigstellung der Präsenz, sondern per Videokonferenz lung. App gegeben. über Moodle statt. Die Vermittlung der Es sollten verschiedene Minigolfbahnen Inhalte gelang damit sehr gut, die immer gestaltet werden, auf denen man den Die Kursdurchführung über Moodle war wieder notwendige Fehlersuche kostete Ball auf unterschiedliche Weise bewegen sicher ein Kompromiss, der das Arbeiten in dieser Form leider viel Zeit. kann. Die Ballbewegung konnte über in vielen Bereichen erschwert hat, letzt- eine Fingerbewegung auf dem Display, endlich aber doch dazu geführt hat, dass Nach einer Einführung und kleineren der Kurs durchgeführt werden konnte Programmierversuchen war das erste über Tasten oder über die Nutzung der Beschleunigungssensoren erfolgen. Die und viele Teilnehmer*innen den Kurs größere Projekt eine App zum Kopf- begeistert beendet haben. rechnen. Schüler*innen freuten sich über das offene Arbeiten und kamen zu sehr un- Autor: Peter Spitznagel terschiedlichen Ergebnissen.
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