Zusammenleben - ImTeaM4EU · Zuordnung zum Exzerpt 3 Timeline 4 Lehrerinformation 5 Didaktischer Kommentar 5 Problemstellung entdecken 5 Lernaufgabe 6 Standortangabe mithilfe geographischer

Z u s a m m e n l e b e n

Satellitennavigation beim Geocaching – „Galileo“ als europäische Antwort auf GPS

Vielfalt in Europa (er) leben

Lehrerinformation

erarbeitet von Dr. Oliver Gräf

Unterr ichtseinheiten Niveau I/ I I

C I mTe a m 4 E U 2

V i e l f a l t i n E u r o p a ( e r ) l e b e n

Z u s a m m e n l e b e n i n E u r o p a

Satel l i tennavigation beim Geocaching –„Gali leo“ als europäische Ant wor t auf GPSerarbeitet von Dr. Oliver Gräf

I N H A LT S V E R Z E I C H N I S

Zuordnung zum Exzerpt 3

Timeline 4

Lehrerinformation 5

Didaktischer Kommentar 5

Problemstellung entdecken 5

Lernaufgabe 6

Standortangabe mithilfe geographischer Koordinaten 6

Prinzip der GPS-Ortung mit anderen Körpern als Bezugspunkt 6

Prinzip der GPS-Ortung 6

Vertiefungsmöglichkeiten 6

Wozu Galileo? 6

Präsentation der Ergebnisse 6

Quellen 7

C I mTe a m 4 E U 3



Z u o r d n u n g z u m E x z e r p t

G e g e n s t a n d :

Zusammenleben in Europa

T h e m e n f e l d : Vielfalt in Europa (er)leben

S c h w e r p u n k t d e r S t u n d e ( n ) :

Schülerinnen und Schüler erläutern relativistische Effekte bei der Positionsbestimmung im Zusammenhang mit dem Geocaching am Beispiel der Zeitdilatation und des Einflusses des Gravitationsfeldes im Zusammen- hang mit der zu erwartenden Präzision beim europäischen Projekt „Galileo“.

L e r n p r o d u k t e :

E-Portfolio (digitales Portfolio auf Moodle oder ähnlichen Plattformen)

Te i l z i e l e ( n a c h N i v e a u s ) :

Die Schülerinnen und Schüler …

I . . . beschreiben das Prinzip der Ortsbestimmung mithilfe geographischer Koordinaten im Zusammenhang mit einem Geocaching und erklären das Prinzip der Ortsbestimmung mittels Zeitmessung bei der Satellitenortung.

II … erläutern die relativistischen Effekte der Zeitdilatation und den Einfluss des Gravitationsfeldes auf die Zeitmessung und damit auf die Genauigkeit der Ortsbestimmung mithilfe von Satelliten.

M e t h o d e n :

Gelenkte Internetrecherche Placemat Think-pair-square Plus-Minus-Interesting (Variante) Three-Steps-Interview (E)-Portfolio

C I mTe a m 4 E U 4



Ti m e l i n e

I . E i n f ü h r u n g

L e r n a u f g a b e :Viele Tausend Menschen betreiben in ihrer Freizeit weltweit das „Geocaching“. Dies ist eine Art Schatzsuche mit digitalen Hilfsmitteln. Die geographischen Koordinaten der Verstecke werden im Internet veröffentlicht und können mithilfe eines GPS-Empfängers aufgespürt werden.

Nachdem ihr selbst ein Geocaching durchgeführt habt, geht es darum zu verstehen, wie die Standortbestimmung auf der Erde funktioniert. Was hier ein Freizeitspaß ist, ist bei der Navi-gation auf See überlebensnotwendig und bei unseren Autofahrten hilfreich. Eure Erkenntnis-se werden in einem digitalen Portfolio auf Moodle gesammelt. Die besten Ergebnisse eurer Arbeitsgruppe werden daraus zusammengestellt und den anderen präsentiert.

I I . E r a r b e i t u n g

Auf der Grundlage der ersten Standortbestimmungen auf der Erdoberfläche und der Angabe des Standortes mithilfe von Breiten- und Längengraden wird die prinzipielle Funktionsweise der GPS-Ortung erarbeitet. Die notwendige Präzision bei der Zeitmessung (relativistischeEffekte) führt die Schülerinnen und Schüler schließlich zum europäischen Großprojekt Galileo.

I I I . P r ä s e n t a t i o n

Die Arbeitsergebnisse werden in einem E-Portfolio gesammelt und die besten Ergebnisse präsentiert.

C I mTe a m 4 E U 5



nen und Schüler eine Gruppenlösung der Lernaufgabe gestalten. Empfehlenswert ist die Portfolioarbeit in den Unterricht zu integ-rieren, d.h. dafür in Abhängigkeit von der Vorerfahrung mit dieser Methode Unterrichtszeit einzuräumen.

Eine Variante, die den Umgang mit digitalen Medien schult, ist das E-Portfolio (https://archiv.educa.ch/sites/default/fi les/eportfoli-o_d_0.pdf). Dadurch, dass die Sammelmappe der Ergebnisse auf einem Server liegt, können verschiedene Medientypen erzeugt und nach dem Hochladen von anderen in einfacher Weise eingese-hen werden. Die Lernplattform „Moodle“ ist im Schulbereich weit verbreitet und soll in dieser Unterrichtseinheit für das E-Portfolio genutzt werden. Diese Unterrichtseinheit verwendet Moodle als Werkzeug, sie ist keine Einführung in die Benutzung von Moodle. Auch auf Zusatzmodule, wie Mahara (http://www.mahara.de/) wird hier verzichtet. Ebenfalls nicht erläutert, sondern vorausge-setzt, wird der Umgang mit einem Textverarbeitungsprogramm, das Einbinden von Grafi ken in ein solches Dokument, die Erzeu-gung von Audio- und Videodateien.

Stehen technische Probleme der Durchführung im Wege, so schei-tert dadurch nicht das gesamte Unterrichtsvorhaben, sondern muss lediglich hin zu einem klassischen Portfolio abgeändert werden.

Möglich wird die Durchführung in der SI dadurch, dass man die Aufgaben zur relativistischen Physik weglässt.

Eine Bestenauswahl aus den so gesammelten Portfolios der Arbeitsgruppen (Viererteams), die die Schüler jeder Gruppe vornehmen, kann der Lehrkraft am Ende dazu dienen, eine ab-schließende Präsentation unter Beteiligung mehrerer Teams durchführen zu lassen.

Le h re r i n fo r m at i o n

D i d a k t i s c h e r K o m m e n t a r

War früher die Positionsbestimmung, beispielsweise bei der Seefahrt, nur etwas für Profi s, dort aber überlebensnotwendig, so hat heute je-des Smartphone einen GPS-Empfänger, um dieses Problem zu lösen. Die Schülerinnen und Schüler nutzen dies, um sich in einer fremden Stadt den Weg zur nächsten Pizzeria anzeigen zu lassen, beim Geo-caching oder auch bei der Nutzung anderer Apps.

Im Schwerpunkt soll es hier um die prinzipielle Funktionsweise der Positionsbestimmung mittels Satellitennavigation gehen. Dabei wird das Problem zunächst auf die Positionsbestimmung in der Ebe-ne reduziert.

Die Bestimmung von Abständen diverser Satelliten zu einem Körper auf der Erdoberfl äche mittels Zeitmessung bei bekannter Geschwin-digkeit elektromagnetischer Wellen führt im Hauptteil zum Schwer-punkt: die Berücksichtigung relativistischer Eff ekte bei der Zeitmes-sung. Die Gesetzmäßigkeiten zur Berechnung der Zeitdilatation und zum Einfl uss des Gravitationsfeldes werden als bekannt vorausge-setzt, also nicht hergeleitet, sondern nur verwendet.

Das amerikanische GPS ist heute allen Verwendern von Smartpho-nes ein Begriff . Diese Unterrichtseinheit soll den Schülerinnen und Schülern daher auch das europäische Großprojekt „Galileo“ näher bringen.

Im Rahmen einer gelenkten Internetrecherche suchen die Schüle-rinnen und Schüler Antworten auf gestellte Fragen und Probleme. Sie erstellen aus ihren Antworten und Problemlösungen ein Portfo-lio als Lernprodukt, in dem der Lernprozess dokumentiert werden soll. Dabei gibt es Pfl icht- und Kürbereiche. Im Pfl ichtbereich geht es um den Einfluss relativistischer Effekte auf die Genauigkeit der Standortbestimmung. Im Kürbereich könnten die relativis-tischen Effekte hergeleitet oder die prinzipielle Funktionsweise von Atomuhren beschrieben werden. Daraus sollen die Schülerin-

P r o b l e m s t e l l u n g e n t d e c k e n :Indem die Schülerinnen und Schüler sich mit dem Prinzip des Geocachings beschäftigen und dies selber durchführen, soll die Bedeutung der Positionsbestimmung deutlich werden. In Vierergruppen wird die Aufgabe gelöst, indem im ersten Schritt arbeitsteilig ein Wikipediaartikel nach Antworten auf Leitfragen durchsucht wird. Die Lösung der Teilaufgaben wird wechselsei-tig vorgestellt, diskutiert und optimiert. Anschließend sollen die Schüler selbst mit Hilfe von Smartphones mit GPS-Empfängern einen vorgegebenen Geocache fi nden. (Arbeitsblatt 1)

L e r n a u f g a b e :Wie funktioniert „Geocaching“?Viele Tausend Menschen betrei-ben in ihrer Freizeit weltweit das „Geocaching“. Dies ist eine Art Schatzsuche mit digitalen Hilfs-mitteln. Die geographischen Ko-ordinaten der Verstecke werden im Internet veröff entlicht und können mithilfe eines GPS-Emp-fängers aufgespürt werden.

C I mTe a m 4 E U 6



L e r n m a t e r i a l b e a r b e i t e n :Die Lernaufgabe ist mithilfe von fünf Arbeitsblättern und acht Teilaufgaben strukturiert.

Standortangabe mithilfe geographischer KoordinatenNachdem die Schülerinnen und Schüler geographische Koor-dinaten bereits verwendet haben, sollen sie nun erläutern, was diese bedeuten. Als Informationsquelle dienen zwei Videos und ein Wikipediaartikel.

Arbeitsteilig sollen die Schüler die Festlegungen zu Längen- und Breitengraden und dem Nullmeridian erklären sowie das Problem der Längengradbestimmung beschreiben. Dabei soll die Präzision bei der Zeitmessung zur Bestimmung des Län-gengrades deutlich werden.

Ziel ist hier, einen Vor-trag auszuarbeiten, der als Audiodatei den Teammitgliedern zur Be-urteilung vorgelegt werden soll. (Arbeitsblatt 2, Material 1)

Prinzip der GPS-Ortung mit anderen Körpernals BezugspunktHier geht es darum, dass Prinzip der Positionsbestimmung mit-hilfe des Abstandes zu anderen Objekten zu erkennen. Auf dem Schulhof nehmen die Viererteams deshalb Positionsbestim-mungen durch Abstandsmessungen zueinander vor.

Drei Schülerinnen und Schüler kennen ihren Abstand zueinan-der, nehmen diese Position ein und markieren ihren Standort. Es soll die Position zu einer vierten Schülerin bzw. einem Schüler festgelegt werden, indem die Abstände zu jedem der anderen ausgenutzt werden.

Die Schülerinnen und Schüler sollen dabei erkennen, wie viele andere Körper und deren Distanzen notwendig sind, um die ei-gene Position zweifelsfrei festlegen zu können.

Das Ergebnis soll fotografiert, das Ergebnis in einer Textdatei for-muliert und auf Moodle hochgeladen werden.

Unterstützungsangebote sollen auch Gruppen mit Problemlö-sungsschwierigkeiten zum Ergebnis führen.(Arbeitsblatt 3, Material 1, Unterstützungsangebot)

Prinzip der GPS-OrtungGeht es in Teilaufgabe 3 um Abstandsmessung auf dem Schul-hof mittels Maßband, so führt die Teilaufgabe 4 zur Bestimmung von Abständen über die Messung der Zeit, die elektromagne-tische Wellen von Satelliten zu Körpern auf der Erdoberfläche benötigen.

Es soll dabei mit älteren Schülern auf höherem Anspruchsniveau deutlich werden, dass die dabei erforderliche Präzision die Berücksichti-gung relativistischer Effekte notwendig macht. Die Schülerinnen und Schüler berechnen die Einflüsse der Zeitdilatation und des Gravitationsfeldes der Erde auf die Zeitmessung.(Arbeitsblatt 4, Material 1 - 2)

Ve r t i e f u n g s m ö g l i c h k e i t e n :Dieser Pflichtbereich wird durch ein Wahlangebot ergänzt, durch das die Schülerinnen und Schüler in Abhängigkeit ihrer Interessen ihre Kenntnisse vertiefen sollen. So können sie sich mit der prinzi-piellen Funktionsweise von Atomuhren und Messfehlern beschäf-tigen, oder aber ausgehend von Lichtuhren zur Herleitung der Zeitdilatationsformel kommen.

In jedem Falle soll ein Kurz-vortrag vor den anderen Teammitgliedern vorberei-tet und gehalten werden. Diese melden zurück, was ihnen gelungen bzw. verbesserungs-würdig erscheint.

Wo z u G a l i l e o ?Die Schülerinnen und Schüler sollen zum europäischen Großpro-jekt „Galileo“ recherchieren und dabei die Vor- und Nachteile ge-genüber dem amerikanischen GPS formulieren.

Dazu werden individuell verschiedene Textquellen auf genann-ten Websites bearbeitet. Die Schülerinnen und Schüler werden dazu in den Viererteams in-terviewt, formulieren eine gemeinsame Antwort auf die Frage nach den Vorteilen von Galileo bzw. dem Unterschied zwischen GPS und Galileo und laden eine Textdatei auf Moodle hoch. (Arbeitsblatt 5)

P r ä s e n t a t i o n d e r E r g e b n i s s e :Schließlich hat die Lehrkraft die Möglichkeit alle auf Moodle ge-sammelten Dokumente zu kommentieren und zu bewerten und kann schließlich exemplarisch einige Lösungen auswählen, die die entsprechenden Gruppen dann im Plenum präsentieren.

Arbeitsblätter 1 - 5 Material 1 + 2

C I mTe a m 4 E U 7



Q u e l l e n :

G e o c a c h i n g :

https://de.wikipedia.org/wiki/Geocaching#Weltweite_Verbreitung (abgerufen am 28.01.2017; 16:05)

https://support.google.com/maps/answer/18539?co=GENIE.Platform%3DDesktop&hl =de (abgerufen am 28.01.2017, 16:10)

G e o g r a p h i s c h e K o o r d i n a t e n :

https://www.youtube.com/watch?v=-1lfiQib2pM (abgerufen am 28.01.2017, 16:20)

https://de.wikipedia.org/wiki/Geographische_Koordinaten (abgerufen am 28.01.2017, 16:25)

https://www.youtube.com/watch?v=gUz_u1-L_gA (abgerufen am 28.01.2017, 16:40)

P r i n z i p d e r G P S - O r t u n g :

https://www.youtube.com/watch?v=ARJOH2W3n40 (abgerufen am 28.01.2017, 17:04)

Z e i t d i l a t a t i o n :

http://www.leifiphysik.de/relativitaetstheorie/spezielle-relativitaetstheorie/zeitdilatation (abgerufen am 28.01.2017, 17:08)

http://www.einstein-online.info/vertiefung/LichtuhrZeitdilatation (abgerufen am 28.01.2017, 17:10)

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/SRT/Zeitdilatation.html (abgerufen am 28.01.2017, 17:15)

https://www.planet-schule.de/sf/php/mmewin.php?id=180 (abgerufen am 28.01.2017, 17:20)

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/SRT/Zeitdilatation.html (abgerufen am 28.01.2017, 17:22)

S a t e l l i t e n n a v i g a t i o n :

https://de.wikipedia.org/wiki/Globales_Navigationssatellitensystem (abgerufen am 28.01.2017, 17:25)

G a l i l e o :

http://www.esa.int/ger/ESA_in_your_country/Germany/Galileo_Europas_Unabhaengigkeit_und_Kooperation(abgerufen am 28.01.2017, 17:30)

https://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_(Satellitennavigation) (abgerufen am 28.01.2017, 17:35)

http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/navigationssystem-galileo-was-wurde-aus-dem-eu-navi-a-1051459.html(abgerufen am 28.01.2017, 17:40)

http://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6804/11164_read-25462/ (abgerufen am 28.01.2017, 17:48)

E - Po r t f o l i o :

https://www.e-teaching.org/lehrszenarien/pruefung/pruefungsform/eportfolio/ (abgerufen am 28.01.2017, 17:55)

https://archiv.educa.ch/sites/default/files/eportfolio_d_0.pdf (abgerufen am 28.01.2017, 17:59)

Documents

Zusammenleben - ImTeaM4EU · Zuordnung zum Exzerpt 3 Timeline 4 Lehrerinformation 5 Didaktischer Kommentar 5 Problemstellung entdecken 5 Lernaufgabe 6 Standortangabe mithilfe geographischer