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Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung von Modellierungsaufgaben mit und ohne Hilfe digitaler Werkzeuge

Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Prof Dr Gilbert Greefrath Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Bearbeitung von

Modellierungsaufgaben mit und ohne Hilfe digitaler Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Eine Modellierungsaufgabe

Was kostet das Verputzen dieses Hauses

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Modellbildungskreislauf (nur Vorderseite des Hauses)

Mathematisches

ResultatMathematisches

Modell

Reale

Situation

Reales

Modell

[Blum]

(13 33 30 33)

(11 14 08 14)

1419 266

1153

Klassische

Sachaufgabe

Realitaumlt

Mathematik

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Was ist ein Modell

bull Ein Modell ist ein vereinfachendes Bild eines Teils der Welt [Ebenhoumlh]

bull Ein mathematisches Modell ist eine Darstellung eines Sachverhaltes auf die mathematische Methoden angewandt werden koumlnnenhellip [Zais amp Grund]

bull Ein mathematisches Modell ist jede vollstaumlndige und konsistente Menge von mathematischen Strukturen die darauf ausgelegt ist einem anderen Gebilde hellip zu entsprechen [Aris]

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Modelle des Modellierens

Reale

SituationModell

Realmodell

Mathem Modell

Situationsmodell

KonsequenzenInformationen

SituationsanalyseDaten-

beschaffung

Annahmen

Vernachlaumlssigungen

Interpretation

Uumlberpruumlfung

Modell-

verbesserung

Loumlsung

Mathematische

LoumlsungReale Loumlsung

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Verstehen

Planung

Ausfuumlhrung

Kontrolle

Lesen

Orientierung

Analysieren Exploration

Organisation Ziele setzen

Vorgehensweise sichten

Ist-Soll-Vergleich

Ausfuumlhren

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Untersuchung zum ModellierenVerwendete Aufgaben

Elefant Glas Bruumlcke

Haus Zimmer Stau

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Eine Modellierungsaufgabe

Was kostet das Verputzen dieses Hauses

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Modellbildungskreislauf (nur Vorderseite des Hauses)

Mathematisches

ResultatMathematisches

Modell

Reale

Situation

Reales

Modell

[Blum]

(13 33 30 33)

(11 14 08 14)

1419 266

1153

Klassische

Sachaufgabe

Realitaumlt

Mathematik

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Was ist ein Modell

bull Ein Modell ist ein vereinfachendes Bild eines Teils der Welt [Ebenhoumlh]

bull Ein mathematisches Modell ist eine Darstellung eines Sachverhaltes auf die mathematische Methoden angewandt werden koumlnnenhellip [Zais amp Grund]

bull Ein mathematisches Modell ist jede vollstaumlndige und konsistente Menge von mathematischen Strukturen die darauf ausgelegt ist einem anderen Gebilde hellip zu entsprechen [Aris]

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Modelle des Modellierens

Reale

SituationModell

Realmodell

Mathem Modell

Situationsmodell

KonsequenzenInformationen

SituationsanalyseDaten-

beschaffung

Annahmen

Vernachlaumlssigungen

Interpretation

Uumlberpruumlfung

Modell-

verbesserung

Loumlsung

Mathematische

LoumlsungReale Loumlsung

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Verstehen

Planung

Ausfuumlhrung

Kontrolle

Lesen

Orientierung

Analysieren Exploration

Organisation Ziele setzen

Vorgehensweise sichten

Ist-Soll-Vergleich

Ausfuumlhren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Untersuchung zum ModellierenVerwendete Aufgaben

Elefant Glas Bruumlcke

Haus Zimmer Stau

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Page 3: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Eine Modellierungsaufgabe

Was kostet das Verputzen dieses Hauses

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Modellbildungskreislauf (nur Vorderseite des Hauses)

Mathematisches

ResultatMathematisches

Modell

Reale

Situation

Reales

Modell

[Blum]

(13 33 30 33)

(11 14 08 14)

1419 266

1153

Klassische

Sachaufgabe

Realitaumlt

Mathematik

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Was ist ein Modell

bull Ein Modell ist ein vereinfachendes Bild eines Teils der Welt [Ebenhoumlh]

bull Ein mathematisches Modell ist eine Darstellung eines Sachverhaltes auf die mathematische Methoden angewandt werden koumlnnenhellip [Zais amp Grund]

bull Ein mathematisches Modell ist jede vollstaumlndige und konsistente Menge von mathematischen Strukturen die darauf ausgelegt ist einem anderen Gebilde hellip zu entsprechen [Aris]

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Modelle des Modellierens

Reale

SituationModell

Realmodell

Mathem Modell

Situationsmodell

KonsequenzenInformationen

SituationsanalyseDaten-

beschaffung

Annahmen

Vernachlaumlssigungen

Interpretation

Uumlberpruumlfung

Modell-

verbesserung

Loumlsung

Mathematische

LoumlsungReale Loumlsung

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Verstehen

Planung

Ausfuumlhrung

Kontrolle

Lesen

Orientierung

Analysieren Exploration

Organisation Ziele setzen

Vorgehensweise sichten

Ist-Soll-Vergleich

Ausfuumlhren

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Untersuchung zum ModellierenVerwendete Aufgaben

Elefant Glas Bruumlcke

Haus Zimmer Stau

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Page 4: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Modellbildungskreislauf (nur Vorderseite des Hauses)

Mathematisches

ResultatMathematisches

Modell

Reale

Situation

Reales

Modell

[Blum]

(13 33 30 33)

(11 14 08 14)

1419 266

1153

Klassische

Sachaufgabe

Realitaumlt

Mathematik

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Was ist ein Modell

bull Ein Modell ist ein vereinfachendes Bild eines Teils der Welt [Ebenhoumlh]

bull Ein mathematisches Modell ist eine Darstellung eines Sachverhaltes auf die mathematische Methoden angewandt werden koumlnnenhellip [Zais amp Grund]

bull Ein mathematisches Modell ist jede vollstaumlndige und konsistente Menge von mathematischen Strukturen die darauf ausgelegt ist einem anderen Gebilde hellip zu entsprechen [Aris]

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Modelle des Modellierens

Reale

SituationModell

Realmodell

Mathem Modell

Situationsmodell

KonsequenzenInformationen

SituationsanalyseDaten-

beschaffung

Annahmen

Vernachlaumlssigungen

Interpretation

Uumlberpruumlfung

Modell-

verbesserung

Loumlsung

Mathematische

LoumlsungReale Loumlsung

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Verstehen

Planung

Ausfuumlhrung

Kontrolle

Lesen

Orientierung

Analysieren Exploration

Organisation Ziele setzen

Vorgehensweise sichten

Ist-Soll-Vergleich

Ausfuumlhren

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Untersuchung zum ModellierenVerwendete Aufgaben

Elefant Glas Bruumlcke

Haus Zimmer Stau

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren ist individuell

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Page 5: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Was ist ein Modell

bull Ein Modell ist ein vereinfachendes Bild eines Teils der Welt [Ebenhoumlh]

bull Ein mathematisches Modell ist eine Darstellung eines Sachverhaltes auf die mathematische Methoden angewandt werden koumlnnenhellip [Zais amp Grund]

bull Ein mathematisches Modell ist jede vollstaumlndige und konsistente Menge von mathematischen Strukturen die darauf ausgelegt ist einem anderen Gebilde hellip zu entsprechen [Aris]

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Modelle des Modellierens

Reale

SituationModell

Realmodell

Mathem Modell

Situationsmodell

KonsequenzenInformationen

SituationsanalyseDaten-

beschaffung

Annahmen

Vernachlaumlssigungen

Interpretation

Uumlberpruumlfung

Modell-

verbesserung

Loumlsung

Mathematische

LoumlsungReale Loumlsung

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Verstehen

Planung

Ausfuumlhrung

Kontrolle

Lesen

Orientierung

Analysieren Exploration

Organisation Ziele setzen

Vorgehensweise sichten

Ist-Soll-Vergleich

Ausfuumlhren

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Untersuchung zum ModellierenVerwendete Aufgaben

Elefant Glas Bruumlcke

Haus Zimmer Stau

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Page 6: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Modelle des Modellierens

Reale

SituationModell

Realmodell

Mathem Modell

Situationsmodell

KonsequenzenInformationen

SituationsanalyseDaten-

beschaffung

Annahmen

Vernachlaumlssigungen

Interpretation

Uumlberpruumlfung

Modell-

verbesserung

Loumlsung

Mathematische

LoumlsungReale Loumlsung

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Verstehen

Planung

Ausfuumlhrung

Kontrolle

Lesen

Orientierung

Analysieren Exploration

Organisation Ziele setzen

Vorgehensweise sichten

Ist-Soll-Vergleich

Ausfuumlhren

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Untersuchung zum ModellierenVerwendete Aufgaben

Elefant Glas Bruumlcke

Haus Zimmer Stau

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Page 7: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Verstehen

Planung

Ausfuumlhrung

Kontrolle

Lesen

Orientierung

Analysieren Exploration

Organisation Ziele setzen

Vorgehensweise sichten

Ist-Soll-Vergleich

Ausfuumlhren

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Untersuchung zum ModellierenVerwendete Aufgaben

Elefant Glas Bruumlcke

Haus Zimmer Stau

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

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[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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(im neuesten

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behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Untersuchung zum ModellierenVerwendete Aufgaben

Elefant Glas Bruumlcke

Haus Zimmer Stau

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Untersuchung zum ModellierenVerwendete Aufgaben

Elefant Glas Bruumlcke

Haus Zimmer Stau

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren ist individuell

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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wwwgreefrathde

Page 10: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Untersuchung

zum Modellieren

bull Qualitativ

bull Zwei Schuumllerinnen

bull Unterschiedliche Schulformen

bull Unbekannte Aufgaben

bull Ohne weitere Hilfe

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Page 11: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Beispiel Kategorie Planung

bull Orientierung im Bild

bull Arbeitsschritt vorschlagen festlegen

bull Notwendigkeit fuumlr Berechnungen erkennen

bull Strategie festlegen

bull Schwierigkeit durch das Schraumlgbild erkennen

bull Mathematische Formen identifizieren

bull hellip

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Page 12: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Beobachtung BBeobachtung A

Planungsphasen

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

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[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Mathematisches

Resultat

Interpretieren

Konsequenzen ziehen

Folgerungen im Modell anstellen

Daten

verarbeiten

Deduzieren

Mathematisieren

Modell entwerfen

Vereinfachen

Evtl Daten

beschaffen

Verstehen

Wahrnehmen

Analysieren

Validieren Folgerungen fuumlr die

Situation anstellen Informationen

ermitteln Transfers versuchen

Bewerten

Orientierung

Planung

Datenver-

arbeitung

Kontrolle

Datenbe-

schaffung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren ist individuell

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Page 14: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Plausibilitaumltsbetrachtung)

bull 1635 S1 Ich glaub nicht dass das

so wenig ist

bull 1637 S2 Gut dann

bull 1638 S1 Ehrlich gesagt

bull 1639 S2 ( ) obwohl wenn wir das

mal gucken das das koumlnnte doch

hinkommen

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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wwwgreefrathde

Page 15: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Datenbeschaffung)

bull 1157 S1 auch zaumlhl noch mal eins

bull 1202 S2 Das halbe lassen wir erst

mal das sind zwei drei vier fuumlnf

sechs sieben acht neun zehn elf

zwoumllf dreizehn vierzehn fuffzehn

fuffzehn ein Halb ne

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Page 16: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Beobachtungsausschnitt

Kontrolle

(Kontrolle der Planung)

bull 1651 S2 Die koumlnnen wir so lassen die Seite oder muumlssen wir noch etwas abziehen

bull 1655 S1 Die Tuumlr haben wir schon

bull 1656 S2 Die haben wir schon zwei Fenster haben wirS2 rechnet im Kopf und sagt die Zahlen teilweise auf

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren ist individuell

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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IV

V

Global

Uumlbersicht

III

Multiple

Kontrolle

IExplizit

IIReal

Planung Implizit

Lokal

Vielfache

Daten-

beschaffung

Schwerpunkt

Schaumltzen

Schwerpunkt

Messen

Schwerpunkt

Alltagswissen

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

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Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

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valide 2

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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wwwgreefrathde

Page 18: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Mathematisches

Resultat

MathematikRealitaumlt

Reale

Situation

Situations-

modell

Reales

Modell

Mathematisches

Modell

Reales

Resultat

Verstehen

Ausfuumlhrung

Planung

Kontrolle

Planung

Kontrolle

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

In der Zeichnung ist die

Vorderseite eines Hauses

zu sehen Die weiszligen

Rechtecke stellen die

Fenster dar Sie haben

eine Houmlhe von 130 m

Die grau schraffierten

Flaumlchen sollen verputzt

werden Berechne moumlg-

lichst genau diese Flaumlche

Die Vorderseite dieses

Hauses soll auszligen

verputzt werden

Berechne moumlglichst ge-

nau die zu verputzende

Flaumlche

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Ergaumlnzende Untersuchung

388 Schuumllerinnen und Schuumller Klasse 7

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Erste Ergebnissebull Leistungsunterschiede zwischen den Schulformen

(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

[Petermoumlller]

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren ist individuell

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

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bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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(deutlicher Unterschied zwischen HS und RS)

bull Leistungsunterschiede bei der Art der Anforderungen (Modellieren weniger stark Rechnen staumlrker)

bull Schulformunterschiede bei der Art des Modellierens (Maszligstab GY Relation HS-E)

bull Variante 1 am interessantesten und Variante 3 am leichtesten

bull Variante 1 kommt fast gar nicht im Unterricht vor(Aufgabe 1 zu 7)

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Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

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Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

wwwgreefrathde

Page 21: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Schlussfolgerungen

fuumlr die Forschung

bull Modellieren als Problemloumlseprozess betrachten

bull Bei Modellierungskreislauf Planungsprozesse in den Vordergrund stellen

bull Nicht alle wichtigen Bausteine im Bearbeitungsprozess koumlnnen durch den Modellbildungskreislauf beschrieben werden

bull Besonderes Forschungs-Interesse gilt den impliziten Planern

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren ist individuell

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Schlussfolgerungen

fuumlr den Unterricht

bull Derartige Modellierungsaufgaben koumlnnen auf

unterschiedlichem Niveau geloumlst werden und sind fuumlr

alle Schulformen geeignet

bull Es gibt unterschiedliche Typen von Lernenden auf

die im Unterricht reagiert werden muss

z B durch thematisieren von Orientierungsphasen

Diskussion von Vereinfachungen

bull Moumlglicher Weg

Aufgaben zu Teilkompetenzen verwenden

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Modellieren ist individuell

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Prof Dr Gilbert Greefrath

wwwgreefrathde

Page 23: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren ist individuell

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

wwwgreefrathde

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Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Kompetenz Modellieren

Teilkompetenz Validieren

Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die

im mathematischen Modell gewonnenen

Loumlsungen an der Realsituation

Sind 12 msup2 Auszligenputz fuumlr die Vorderseite

realistisch Das waumlren 3 m mal 4 m

Konzept fuumlr den Unterricht

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Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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wwwgreefrathde

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Teilkompetenzen Indikatoren

Vereinfachen Die Schuumllerinnen und Schuumller trennen wichtige und

unwichtige Informationen einer Realsituation

Mathematisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlbersetzen Realsituationen

in Mathematische Modelle (z B Term Gleichung Figur

Diagramm Funktion)

Rechnen Die Schuumllerinnen und Schuumller arbeiten mit dem

mathematischen Modell

Validieren I Die Schuumllerinnen und Schuumller uumlberpruumlfen die im Modell

gewonnenen Informationen an der Realsituation

Validieren II Sie vergleichen und bewerten verschiedene mathe-

matische Modelle fuumlr eine Realsituation

Beurteilen Die Schuumllerinnen und Schuumller beurteilen kritisch das

verwendete mathematische Modell

Realisieren Die Schuumllerinnen und Schuumller ordnen einem

mathematischen Modell eine passende Realsituation zu

bzw finden zu einem mathematischen Modell eine

passende Realsituation

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Modellierungs-

aufgabe

Wasserturm

Diskutiere die Angaben auf der

Tafel vor dem Wasserturm auf

Norderney

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

wwwgreefrathde

Page 28: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

3

3

88 88 855 dm

660000 dm

Quader

V = asup2 h

Anna und Paul haben den

Wasserbehaumllter im Wasser-

turm unterschiedlich model-

liert Anna bdquoMein Modell ist

besser denn meine Zahlen

passen besser als Paulsldquo

Uumlberpruumlfe und nimm Stel-

lung

Annas ModellPauls Modell

Zylinder

V = rsup2 h

2 3

3

44 855 dm

520000 dm

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren

Rechnen

Validieren ja

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

ja

Offen ja

Authentisch ja

valide ja

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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behoben)

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nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Modellierungsaufgabe

Loumlschwasserbehaumllter

Bestimme geeignete Maszlige eines

Loumlschwasserbehaumllters fuumlr den

Hubschraubertransport

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Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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wwwgreefrathde

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Validieren

1 Bestimme die ungefaumlhren

Abmessungen dieses

Loumlschwasserbehaumllters

2 Gib mindestens zwei Wege

an wie du uumlberpruumlfen kannst ob

dein Ergebnis korrekt ist

Teilkompetenzen

Vereinfachen

Mathematisieren 1

Rechnen 1

Validieren 2

Realisieren

Kriterien

Eigenproduktion

foumlrdernd

1 2

Offen 1 2

Authentisch 1 2

valide 2

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Die Sommerferien

beginnen haumlufig mit

vielen Kilometern

Stau in Deutschland

Im letzten Jahr waren

es an einem

Wochenende

insgesamt 180 km

Wie viele Menschen

befanden sich dann

vermutlich im Stau

Modellierungsaufgabe Stau

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Diagnoseaufgabe zum

Vereinfachen

Katja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie haben sich

uumlberlegt welche Informationen wichtig sein

koumlnnten Sie haben eine Liste von benoumltigten

Informationen erstellt Fuumlr welche dieser

Informationen wuumlrdest du dich entscheiden

Begruumlnde

- Fahrzeuglaumlnge

- Wetter

- Art des Fahrzeugs

- Benzinverbrauch

- Bundesland

- Abstand zum naumlchsten Pkw

- Anzahl der Fahrspuren

- Wochentag

- Jahreszeit

- Alter des Fahrers

- Anzahl der Mitfahrer

- Tageszeit

- Baustellen

- Ferienzeit

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Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

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Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

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Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

wwwgreefrathde

Page 33: Bearbeitung von Modellierungsaufgaben · Prof. Dr. Gilbert Greefrath Universität zu Köln Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Seminar für Mathematik und ihr Didaktik Bearbeitung

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Diagnoseaufgabe zum

ValidierenKatja und Toni wollen berechnen wie viele

Menschen sich vermutlich in einem Stau der

Laumlnge 180 km befinden Sie gehen davon aus

dass ein Fahrzeug 10 m Platz auf der Straszlige

benoumltigt und haben sich folgende Rechnungen

uumlberlegt

3 18000 4 =

3 18000 2 =

Vergleiche die beiden

Rechnungen und bewerte

sie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Uumlbersicht

1 Der Begriff Modellieren

2 Untersuchungen zum Modellieren

3 Konzept fuumlr den Unterricht

4 Modellierungsaufgaben

und digitale Werkzeuge

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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wwwgreefrathde

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren mit

Computereinsatzbull Beispielproblem

Zwei Autos fahren auf zwei

sich kreuzenden Straszligen

mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

aufeinander zu Ein Auto

faumlhrt 60 kmh das andere

50 kmh Wird ein Unfall

geschehen

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Modellieren

mit Dynamischer Geometrie

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Modellieren

mit Computeralgebrasystem

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Derive 6

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Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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wwwgreefrathde

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Modellieren

mit Tabellenkalkulation

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

loumlsung

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Realitaumlt

Kreuzungs-

problem

Autos stoszligen

nicht zusammen

Mathematik

Punkte auf 2 sich

schneidenden

Geraden

Abstand der

Punkte ist positiv

Dynamische

Geometrie

Punkt verschiebt

Schnittpunkt

Kreis-Gerade

Punkte beruumlhren

sich beim

Verschieben nicht

Computereinsatz und Realitaumltsbezug

Computer-

algebrasystem

Entfernung der

Punkte auf den

Geraden

Minimum der

Entfernung positiv

Reales

Problem

Aufgaben-

Loumlsung

Mathematisches

Problem

Mathematische

Loumlsung

Digitale

Medien

Rechner-

problem

Rechner-

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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entsprechend

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Finde eine Funktion fuumlr die gilt

bdquoGuteldquo CAS-Aufgaben

Das Problem

Welche Kompetenzen

uumlberpruumlft diese Aufgabe

3

1

( ) 0f x dx

mit CAS Werkzeugkompetenzen

ohne CAS inhaltliche Kompetenzen

Begruumlnde

Idee

Symmetrie

()

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

bull Einzug in die Richtlinien

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Einsatz im Unterricht

Der Einsatz von digitalen Werkzeugen im Unterricht ist wuumlnschenswert und notwendig

bull Veranschaulichen von mathematischen Sachverhalten

bull Unterstuumltzen von Entdeckungs- und Lernprozessen

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Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

eingeschraumlnkt Explorierenhellip

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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ClassPad

(im neuesten

Softwareupdate

behoben)

Derive 6

Voyage 200

nach laumlngerer

Rechenzeit

entsprechend

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Einsatz in Pruumlfungen

Mathematische Kompetenzen die mit

digitalen Werkzeugen erworben wurden

kann man auch ohne Werkzeuge messen

bull bdquoGute CAS-Aufgabenldquo fuumlr die Pruumlfung gibt es nicht

bull Rolle digitaler Werkzeuge ist in der Pruumlfung

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Unterrichtsentwicklung

Der Einsatz digitaler Werkzeuge im

Unterricht als Voraussetzung fuumlr die

Pruumlfung soll sinnvoll bis unabdingbar sein

bull Pruumlfungen haben eine starke normative Wirkung auf den

Unterricht

bull Zusammenspiel Kompetenzerwerb

Kompetenzuumlberpruumlfung sollte fuumlr die Lehrenden

offensichtlich sein

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

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mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

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bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

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Verschiedene CAS-Systeme

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bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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( ) ( )

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der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

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entsprechend

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bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

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bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

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Unterricht

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offensichtlich sein

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

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Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

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a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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x

189

8123

( ) ( )

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bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

Universitaumlt zu KoumllnMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultaumlt

Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Anwendungssituationen

Pruumlfungsaufgaben sollen einen authenti-schen Mathematikgebrauch darstellen (oder keine Anwendungssituationen)

bull Pruumlfungsaufgaben kleinschrittiger

bull authentische Anwendungen schwieriger

bull nur Teilschritte des Modellierens

bull bloszlige Einkleidungen vermeiden

bull Trennung von Kalkuumll und Modellierung

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Beispiel fuumlr (anwendungsfreie)

Aufgabenbausteine

Symmetrie

Schreibe einen Text (15-20 Zeilen) uumlber

Symmetrie von Funktionen Welche

Symmetrien gibt es Wie findet man sie

heraus Welchen Nutzen hat die Kenntnis von

Symmetrie fuumlr die Arbeit mit Funktionen

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

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a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Prof Dr Gilbert Greefrath

Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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g

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der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

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bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

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Aufgabenbausteine

Symmetrie

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Symmetrien gibt es Wie findet man sie

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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Verschiedene CAS-Systeme

in zentralen Abiturpruumlfungen

bull Handhabung

bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

[Muumlhlenfeld Aufgabensammlung Fachdezernenten Mathematik NRW]

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x

189

8123

( ) ( )

(0) 3

(812) 189

bx bxg x a e e

g

g

Das Kabel laumlsst sich annaumlhernd auch durch den Graphen

der Funktion g mit

( ) ( ) 0b x b xg x a e e a b

beschreiben Bestimmen Sie a und b

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entsprechend

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Beispiel fuumlr Aufgabenbausteine

mit Anwendungscharakter

a) Beschreibe ein Anwendungsbeispiel in

dem die Integralrechnung verwendet

werden kann (in 10-15 Zeilen)

bull Reflexion von Mathematik im Alltag

bull Keine spezieller Anwendungsbezug vorgegeben

bull Flexibel auf den Unterricht bezogen (trotz

Zentralabitur)

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

[Greefrath Leuders Pallack 2008]

[Idee J Weitendorf]

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

bull Pruumlfung des ganzen Modellierungskreislauf kann zu Problemen bei der Korrektur fuumlhren

bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

bull ehrliche Trennung von echten Anwendungsproblemen und innermathematischen Uumlberpruumlfungen

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bull Rechentechnische Moumlglichkeiten

bull Rechengeschwindigkeit

bull Unterschiedliche Loumlsungsmoumlglichkeiten

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Rechentechnische Moumlglichkeiten Beispiel Die Bruumlcke uumlber den Groszligen Belt

Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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anderen Kompetenzen zusammen (z B

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Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

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b)

i) Diskutiere welches der folgenden mathematischen Modelle fuumlr die Beschreibung des Erdoumllverbrauchs in BelgienLuxemburg und Frankreich am sinnvollsten ist Lineares Wachstum quadratisches Wachstum beschraumlnktes Wachstum exponentielles Wachstum

ii) Das Erdoumllvorkommen ist beschraumlnkt Handelt es sich daher auch um beschraumlnktes Wachstum des Verbrauchs aus mathematischer Sicht Begruumlnde deine Antwort

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bull Spricht Teilprozesse des Modellierens (z B Vereinfachen Mathematisieren Validieren Interpretieren) an

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bull Modellieren koumlnnte den Einsatz von speziellen digitalen Werkzeugen erforderlich machen

bull Es muumlssen keine Kontext-Inhalte vorgegeben werden (Informationen in der Aufgabenstellung)

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Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

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Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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Mitte 1998 wurde in Daumlnemark eine Verbindung uumlber den Groszligen Belt eingeweiht Hauptbestandteil ist die Ostbruumlcke ndash eine 6790 Meter lange Haumlngebruumlcke ndashmit einer Spannweite zwischen zwei Pfeilern von 1624 m Die Durchfahrtshoumlhe fuumlr den Schiffverkehr betraumlgt 65m die Spitzen der Pfeiler bilden mit 254 m Houmlhe uumlber dem Meeresspiegel die groumlszligte Erhebung Daumlnemarks Der tiefste Punkt des Kabels zwischen den beiden Pfeilerspitzen liegt ca 3m uumlber der Fahrbahn

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bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

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bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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Seminar fuumlr Mathematik und ihr Didaktik

Prof Dr Gilbert Greefrath

Ruumlckblick und Ausblick

bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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Mathematik ist spannend und nuumltzlich

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Folgerungenbull Viele Eigenschaften von CAS-Aufgaben haumlngen nicht

vom CAS-Einsatz ab (AF Begruumlnden Kontext Mathematisieren)

bull CAS koumlnnen die Veraumlnderung der Aufgaben beschleunigen

bull Aufgaben ohne CAS-Einsatz muumlssen gleichzeitig veraumlndert werden

bull Die einseitige Veraumlnderung von CAS-Aufgaben verringert die Akzeptanz von CAS in Pruumlfungen und damit auch im Unterricht

bull Zur Vermeidung technischer Probleme muumlssen CAS-Lehrplaumlne bzw Vorgaben entstehen

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bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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bull Modellierungskompetenzen haumlngen mit

anderen Kompetenzen zusammen (z B

Problemloumlsen Werkzeugeinsatz)

bull Aufgaben zu Teilkompetenzen koumlnnen

Modellieren unterstuumltzen

bull Bedeutung des Computers beim Modellieren

nicht unterschaumltzen

bull Pruumlfungsaufgaben koumlnnen Modellierungs-

anteile im Unterricht etablieren

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