Schule oder Hochschule?

[size=85][size=150]Wachstum, Modellbildung und dynamische Systeme: [br]Wichtiges Thema, auch in der Schule! [br]Wachstumsfunktionen: Beschreiben den [b]Bestand[/b]. [br]Typische Herangehensweise der Analysis: Aufstellen und Lösen von Differenzialgleichungen, [br]um die Bestandsfunktion als Lösung zu erhalten. [br]Damit erhält man z. B. die Funktion für das logistische Wachstum:[/size][/size]
[size=100][size=150]Ein mathematisch anspruchsvoller Ansatz, der in der Schule aber de facto nicht zum Tragen kommt. [br][br]In der Schule werden - wenn überhaupt - dann nur die besonders einfachen Gleichungen des linearen und des exponentiellen Wachstums behandelt.[/size][/size]

Typisches Wachstum

[size=150]Zweierlei Zugänge:[br][list][*]explizit (Lösen von DGL): Funktionsgleichung.[br][/*][*][b]kumulativ [/b](schrittweise Berechnung): Graph. [/*][/list][br]Vier typische Arten des Wachstums:[br][list][*]linear[/*][*]exponentiell[/*][*]beschränkt[/*][*]logistisch[/*][/list][/size]

Integral (a)

Aufgabe A6a
[size=150]Der Kumulator realisiert die Kernidee der Integralrechnung "Von der Änderung zum Bestand".[br]Neue Änderungen werden im wahrsten Sinne des Wortes 'integriert'.[br]Wenn eine Funktion f(t) als Änderungsvorschrift benutzt wird, erhalten wir als Bestand [math]\sum[/math]f(t)[math]\cdot\Delta[/math]t, also (näherungsweise) die Integralfunktion von f. [br]Für kleineres [math]\Delta[/math]t natürlich besser angenähert. [br][br]Wunschweise können die Funktion f und eine vermutete Zielfunktion eingeblendet werden. [/size]
[size=150]Wird das [math]\Delta[/math]t kleiner, werden auch die Änderungen f(t)[math]\cdot\Delta[/math]t kleiner.[br]Die Kurve von v[sub]A[/sub] ist also nicht die Ableitungskurve des Bestands, sondern um den Faktor [math]\Delta[/math]t gestaucht![/size]

Ausbreitung einer Epidemie (ml 175)

[size=150]Zustände [br][color=#0000ff]A: Gesunde, Start-A = 990[br]B: Kranke, Start-B = 10[br]C: Tote, Start-C = 0.[/color][br][br]Änderungen:[br][color=#38761d]v[sub]A[/sub] = 0.1 B - 00002 AB[br]v[sub]B[/sub] = -0.1 B + 0.0002 AB - 0.03 B[br]v[sub]C[/sub] = 0.03 B [/color][/size]
Epidemie (mathematik lehren 175)
[size=150]Quelle: Ableitinger (2012): Vorsicht, ansteckend! In: mathematik lehren 175.[br][br]In dem Artikel in ml 175 wurden die Gleichungen für den [b]Bestand[/b] A, B, C angegeben.  [br]Der Kumulator arbeitet mit [b]Änderungen[/b]. [br]Die obigen Änderungsvorschriften wurden aus den Bestandsgleichungen hergeleitet.[/size]
[br]
[size=85]Die Lernumgebung Kumulator realisiert das Prinzip “Von der Änderung zum Bestand”.Aus einem Startzustand und Änderungen werden punktweise Graphen von Funktionen aufgebaut, ohne dass man deren Terme dafür kennen muss.[br]Der neue Bestand entsteht einfach aus dem aktuellen Bestand + Änderung auf einem Intervall der Länge Δt. [br]Zu Beginn ist Δt = 1 gesetzt. Dies passt auch zu diskreten Prozessen.[br]Bei kontinuierlichen Prozessen kann man Δt verkleinern. So können u.a. die typischen Wachstumsfunktionen untersucht werden.[br][br]In der 'Eingabe' können grundlegende Eigenschaften definiert werden und Werte für den Zustand A und ein Term für die Änderung v[sub]A[/sub] (bezogen auf eine Zeiteinheit) eingegeben werden. Man kann auch selbst erzeugte Schieberegler als Variable und Funktionen einsetzen.[br]Der aktuellen Werte des Zustands (= Bestand) werden in einem 'Container' angezeigt, die jeweilige Änderung in einem Kreis (als Symbol für ein Ventil).[br]Ist nicht mehr Δt = 1 (eine Zeiteinheit), sondern wird die Zeiteinheit halbiert, geviertelt, wird auch der Wert v[sub]A[/sub] entsprechend verkleinert.[br][br]Falls 'Einzelschritte' gewählt wurden, werden über den Schieberegler Iteration die gewählten Graphen punktweise aufgebaut.[br]Zu Beginn ist dann nur der Startzustand sichtbar (= Iterationsschritt 0). Andernfalls werden gleich alle Graphenpunkte angezeigt.[br]Die Graphenpunkte können als optischer Effekt durch einen Streckenzug verbunden werden.[br]Bei einer hohen Zahl von Iterationsschritten und kleinem Δt sollte man dies nicht aktivieren, da ist es optisch auch nicht erforderlich.[br][br]Dies ist der Kumulator I für [u]einen[/u] Zustand A, der sich für den Einstieg besonders eignet. [br]Für mehrere Zustände und erweiterte Funktionen gibt es den Kumulator II.[br]Zusätzlich gibt es noch eine Version des Kumulators, die mit Tabellen kalkuliert.[br][br]Wir danken Z. Konecny, Dr. A. Meier und G. Röhner für freundliche Unterstützung.[/size]

Lineares Wachstum

Aufgabe TK 1a
[size=200][color=#000000]Die Änderungsrate ist konstant = c.[/color][br][color=#0000ff]A = 10, c, [/color][color=#38761d]v[sub]A[/sub] = c[/color][color=#0000ff]. [/color][/size]
[size=85]Die Lernumgebung Kumulator realisiert das Prinzip “Von der Änderung zum Bestand”.Aus einem Startzustand und Änderungen werden punktweise Graphen von Funktionen aufgebaut, ohne dass man deren Terme dafür kennen muss.[br]Der neue Bestand entsteht einfach aus dem aktuellen Bestand + Änderung auf einem Intervall der Länge Δt. [br]Zu Beginn ist Δt = 1 gesetzt. Dies passt auch zu diskreten Prozessen.[br]Bei kontinuierlichen Prozessen kann man Δt verkleinern. So können u.a. die typischen Wachstumsfunktionen untersucht werden.[br][br]In der 'Eingabe' können grundlegende Eigenschaften definiert werden und Werte für den Zustand A und ein Term für die Änderung v[sub]A[/sub] (bezogen auf eine Zeiteinheit) eingegeben werden. Man kann auch selbst erzeugte Schieberegler als Variable und Funktionen einsetzen.[br]Der aktuellen Werte des Zustands (= Bestand) werden in einem 'Container' angezeigt, die jeweilige Änderung in einem Kreis (als Symbol für ein Ventil).[br]Ist nicht mehr Δt = 1 (eine Zeiteinheit), sondern wird die Zeiteinheit halbiert, geviertelt, wird auch der Wert v[sub]A[/sub] entsprechend verkleinert.[br][br]Falls 'Einzelschritte' gewählt wurden, werden über den Schieberegler Iteration die gewählten Graphen punktweise aufgebaut.[br]Zu Beginn ist dann nur der Startzustand sichtbar (= Iterationsschritt 0). Andernfalls werden gleich alle Graphenpunkte angezeigt.[br]Die Graphenpunkte können als optischer Effekt durch einen Streckenzug verbunden werden.[br]Bei einer hohen Zahl von Iterationsschritten und kleinem Δt sollte man dies nicht aktivieren, da ist es optisch auch nicht erforderlich.[br][br]Dies ist der Kumulator I für [u]einen[/u] Zustand A, der sich für den Einstieg besonders eignet. [br]Für mehrere Zustände und erweiterte Funktionen gibt es den Kumulator II.[br]Zusätzlich gibt es noch eine Version des Kumulators, die mit Tabellen kalkuliert.[br][br]Wir danken Z. Konecny, Dr. A. Meier und G. Röhner für freundliche Unterstützung.[/size]

Literatur

[list][size=150][*]Elschenbroich, H.-J. (2020): Intuitiv modellierung mit dem Kumulator. In: MNU jorrrrrnal 4/2020. [br][url=https://www.geogebra.org/m/eryjycp4]https://www.geogebra.org/m/eryjycp4[/url][br][/*][*]Elschenbroich, H.-J. (2017): Intuitive Modellierung mit dem KUMULATOR. In: Beiträge zum Mathematikunterricht 2017. [br][url=https://eldorado.tu-dortmund.de/bitstream/2003/36434/1/BzMU-2017-ELSCHENBROICH.pdf]https://eldorado.tu-dortmund.de/bitstream/2003/36434/1/BzMU-2017-ELSCHENBROICH.pdf[/url] [br][/*][*]Elschenbroich, H.-J. & Seebach, G. (2016): Modellieren mit dem KUMULATOR. In: mathematik lehren 199, S. 50 – 51. [/*][*]Fokus Mathematik (2015). Qualifikationsphase. Nordrhein-Westfalen. Cornelsen, Berlin.[/*][*]Goldkuhle, P. (1993): Modellbildung und Simulation. Lehrerfortbildung in Nordrhein-Westfalen. Soest, Landesinstitut für Schule und Weiterbildung.[/*][*]Hupfeld, W. (o. Jg.): Dynasys. Handbuch Version 1.2. www.hupfeld-software.de/files/Dynasys-Handbuch.pdf [br][/*][*]Koller, D. (1995): Simulation dynamischer Vorgänge. Klett [/*][*]Recknitzcampus (o. Jg.): Modellbildung und Simulation. www.recknitzcampus.de/unterricht/fachbereiche/informatik/modellbildung/modellbildung.html [/*][*]Reimer, R. & Dopfer, G. (1995): Tabellenkalkulation im Mathematikunterricht. Klett[br][/*][*]Schmid, A. (o. Jg.): Anwendungsorientierter Mathematikunterricht in der Sekundarstufe II. Skript P 700877. Klett Verlag, Stuttgart.[/*][*]Seebach, G. (2015): Von der Integration zu Bestandsfunktionen – unterstützt durch GeoGebra. [br]In: Kaenders, R.: Perspektivwechsel bei der Begriffsentwicklung in der Analysis. Der Mathematikunterricht 4/ 2015. S. 28 – 38. [br][/*][*]Stieglitz, R. (1994): Systemorientierte Modellbildung im fächerübergreifenden Unterricht. Landesinstitut für Schule und Weiterbildung, Soest.[/*][*]Winter, H. (1995): Mathematikunterricht und Allgemeinbildung. In: Mitteilungen der Gesellschaft für Didaktik der Mathematik, Nr. 61. https://ojs.didaktik-der-mathematik.de/index.php/mgdm/article/view/69/80 [br][/*][/size][/list]

MyBooks: Liste meiner öffentlichen GeoGebra Books

[size=100][br][color=#980000][b]On the Top[/b][br][br]Differenzialrechnung: [url=https://www.geogebra.org/m/QxeVkgpf]Die Funktionenlupe[br][code][/code][br][/url]Integralrechnung: [url=https://www.geogebra.org/m/gfFc49CN]Der Integrator[br][/url][br]Corona-Pandemie, Modellierung: [url=https://www.geogebra.org/m/cfammtpe]Mathematik & Modellbildung[/url] und [url=https://www.geogebra.org/m/yf9szkan]Zuverlässigkeit von Corona Tests[/url] [br][br][/color][br][br][b]Videos[br][/b][br][url=https://www.geogebra.org/material/edit/id/hqrw9kew]Dynamische Arbeitsblätter. Mit Prof. B. Rott[/url] [br][br][url=https://www.geogebra.org/m/s4ufndbm]Satz des Thales und des Pythagoras. Mit Prof. B. Rott[/url][br][br][url=https://www.youtube.com/watch?v=fdrv_teMfts&t=96s]Anschauliche Differenzialrechnung, Funktionenlupe Teil 1[/url][br][br][url=https://www.youtube.com/watch?v=v1Lf1eei5qU&t=175s]Anschauliche Differenzialrechnung, Funktionenlupe Teil 2[/url][br][br][br][b][br]Dynamisch Mathematik erkunden[/b][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/a2bxt8xd]Innenwinkel & Außenwinkel[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/dvuxcvfe]Satz des Thales[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/xrvx5p99]Satz des Pythagoras[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/kbkn537r]Inkreis und Umkreis[/url][br][url=https://www.geogebra.org/m/eywjhg63][br]Sinus und Tangens[/url] [br][br][url=https://www.geogebra.org/m/mr8utcxb]Quadratische Funktionen[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/fdxxxpug]Wurzeln und Wurzelfunktion[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/ad64mcn4]Anschauliche Differenzialrechnung[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/e2tk3bru]Anschauliche Integralrechnung[/url] [br][br][br][br][b]Geometrie 2D[/b][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/grvqn6ed]Rund ums Pentagramm[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/rpehagzw]Visualisierung zum Goldenen Schnitt[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/hZXNwgBP]Variationen zum 'Rätsel der Woche' aus Spiegel online[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/yUpWswU7]Umkreist von Kreisen[/url][br][br]MU 6/2017: [url=https://www.geogebra.org/m/S9BD7bFt]Perspektivwechsel und Entdeckungen mit dynamischer Software[/url][br][br][br][b][br]Geometrie 3D[br][/b][br][url=https://www.geogebra.org/m/mmpd8yeq]Kegelschnitte dynamisch erkunden[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/bm8ybev6]Dodekaeder-Stern von Paulliac[/url][br][br]MNU 2/2019: [url=https://www.geogebra.org/m/ekEJVwvd]Modellierung von Kristallen[br][br][/url]Projektionsverfahren: [url=https://www.geogebra.org/m/CxyTKS3v]Perspektive? Ansichtssache[/url]![br][br][br][b]Arithmetik[br][/b][br][url=https://www.geogebra.org/m/vmgvpkup]Brüche erkennen 1[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/ct9xbskf]Brüche erkennen 2, Kreisteile[br][/url][br][br][br][b]Funktionen[/b][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/sjhdhwan]Scheitelpunktform und Nullstellen[/url][br][br][size=150]ml 187: [url=https://www.geogebra.org/m/D9MwHus2#chapter/13547]Quadratische Funktionen dynamisch untersuchen[/url][br][br][/size][size=150]MatheWelt 187. Elschenbroich & Seebach: [url=https://www.geogebra.org/m/y87athww]Funktionen unter der Lupe[/url][/size][br][br][br][br][b]Modellbildung[br][/b][br]Corona-Pandemie: Mathematik & Modellbildung und [url=https://www.geogebra.org/m/yf9szkan]Zuverlässigkeit von Corona Tests[/url] [/size][br][br]Von der Änderung zu Bestand: [url=https://www.geogebra.org/m/kGp8dnfp]Modellieren mit dem Kumulator[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/htAvaYg2]Intuitiv modellieren mit dem Kumulator[/url][br][br][br][b]Analysis[br][/b][br][url=https://www.geogebra.org/m/mntk36dv]Das Funktionenmikroskop[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/QxeVkgpf]Die Funktionenlupe[br][/url][br][url=https://www.geogebra.org/m/fvapyfwa]Die Unendlichkeitslupe[/url][br][url=https://www.geogebra.org/m/hymsqdyg][br]Leibniz Calculus[/url][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/gfFc49CN]Der Integrator[br][/url][br]ICME 13, TSG 16: [url=https://www.geogebra.org/m/pGKnMH7d]A visual approach to calculus[/url][br][br]GeoGebra Gathering G2: [url=https://www.geogebra.org/m/FkiJoLEY]Function Loupe[/url][br][br]MatheWelt 187. Elschenbroich & Seebach: [url=https://www.geogebra.org/m/y87athww]Funktionen unter der Lupe[/url] [br][br][br][b][br]Allgemein[/b][br][br][url=https://www.geogebra.org/m/tde33heb]Beiträge zur Digitalisierungsdiskussion[/url][br][br]MU 6/2017: [url=https://www.geogebra.org/m/S9BD7bFt]Perspektivwechsel und Entdeckungen mit dynamischer Software[/url] [br][br][br][b][br][b]Alle öffentlichen Aktivitäten finden Sie unter [url=https://www.geogebra.org/u/elschenbroich]www.geogebra.org/u/elschenbroich[/url] .[/b][br][br][br][/b]Zusätzlich gibt es etliche nicht-öffentliche Books, die nur per Link für Teilnehmer von Workshops und Fortbildungen zugänglich sind.[br][br][br]Es gibt auch einen Link zur Erstveröffentlichung der Funktionenlupe (Elschenbroich, Seebach & Schmidt) in ml 187 und MatheWelt 187, die vom Friedrich Verlag, Anne Hilgers, hochgeladen worden ist. [br][br]Desweiteren gibt es ein Book zum [i]mathematik lehren Themenheft [/i][b]Elschenbroich & Seebach: Funktionen erkunden[/b]. Der Zugangslink befindet sich im [url=https://www.friedrich-verlag.de/shop/funktionen-erkunden-1840004-17802][i]mathematik lehren Themenheft[/i][/url]. [br][br]Als Teil einer Autorengruppe von MNU:[br]Heintz et alt. (2017): [url=https://www.geogebra.org/m/ffkqscre][b]Werkzeugkompetenzen - Kompetent mit digitalen Werkzeugen Mathematik betreiben[/b][/url]. MNU, Medienstatt.[br]

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