In der vorgestellten Lernumgebung für die gymnasiale Oberstufe werden authentische Infektionszahlen eines Zeitabschnitts des Jahres 2021 aus dem Zusammenhang der SARS-CoV-2-Epidemie mithilfe von exponentiellen Modellen beschrieben, darauf basierend wird eine Prognose für den folgenden Zeitabschnitt hergeleitet und diese mit dem tatsächlich eingetretenen Verlauf verglichen. Bei der Beschreibung geht es darum, die Parameter des exponentiellen Modells aus den gegebenen Daten zu bestimmen. Dazu lösen die Lernenden zunächst Exponentialgleichungen. Dabei tritt das Problem auf, dass mehr Datenpunkte als Parameter gegeben sind, es sich also um ein überbestimmtes System handelt. Je nach Auswahl der genutzten Datenpunkte resultieren sehr unterschiedliche Modellfunktionen. Diese Schwierigkeiten werden überwunden, indem alle Datenpunkte gleichzeitig in die Bestimmung der Parameter einbezogen werden. Dies geschieht rechnergestützt mit einem Tabellenkalkulationsprogramm (TK), zunächst hands-on durch optische Anpassung. Anschließend wird die Güte der Anpassung durch die Einführung von Fehlerfunktionalen wie der Summe der Fehlerquadrate quantifiziert. Auf Basis der so bestimmten Parameter wird eine Prognose für den Verlauf der Epidemie erstellt und diese mit den tatsächlichen Zahlen verglichen. Die Ursachen für die großen Abweichungen werden vor dem Hintergrund eines zeitgenössischen Artikels aus der Wochenzeitung DIE ZEIT diskutiert. Um das Unterrichtsvorhaben zielgerichtet durchführen zu können, sollten die Schülerinnen und Schüler bereits Kenntnisse im Umgang mit Exponentialfunktionen haben sowie Exponentialgleichungen händisch lösen können. Auch grundlegende Potenz- und Logarithmengesetze sollten dabei bekannt sein. Das Unterrichtsvorhaben soll zwei Einheiten zu je 45 min umfassen – idealerweise im Rahmen einer Doppelstunde. Die geförderten Kompetenzen bedienen die Vorgaben, die von der Kultusministerkonferenz (KMK) in den Bildungsstandards für die Allgemeine Hochschulreife im Fach Mathematik festgelegt wurden. Es werden sowohl die Leitideen „Funktionaler Zusammenhang“ und „Messen“ aufgegriffen als auch Kompetenzen im Bereich des mathematischen Modellierens in allen drei Anforderungsbereichen gefördert. Neben den Online-Materialien für den direkten Einsatz im Unterricht, aufgelistet in der detaillierten Beschreibung der Unterrichtsphasen, dienen weiterführende Online-Materialien der Lehrkraft zur Vertiefung. Letztere sind am Ende des Beitrags aufgeführt.

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Daten, Modelle und Prognosen – das verborgene Vordringen einer Virusvariante

  • Sebastian Bauer,
  • Johanna Doktor,
  • Lukas Donner

摘要

In der vorgestellten Lernumgebung für die gymnasiale Oberstufe werden authentische Infektionszahlen eines Zeitabschnitts des Jahres 2021 aus dem Zusammenhang der SARS-CoV-2-Epidemie mithilfe von exponentiellen Modellen beschrieben, darauf basierend wird eine Prognose für den folgenden Zeitabschnitt hergeleitet und diese mit dem tatsächlich eingetretenen Verlauf verglichen. Bei der Beschreibung geht es darum, die Parameter des exponentiellen Modells aus den gegebenen Daten zu bestimmen. Dazu lösen die Lernenden zunächst Exponentialgleichungen. Dabei tritt das Problem auf, dass mehr Datenpunkte als Parameter gegeben sind, es sich also um ein überbestimmtes System handelt. Je nach Auswahl der genutzten Datenpunkte resultieren sehr unterschiedliche Modellfunktionen. Diese Schwierigkeiten werden überwunden, indem alle Datenpunkte gleichzeitig in die Bestimmung der Parameter einbezogen werden. Dies geschieht rechnergestützt mit einem Tabellenkalkulationsprogramm (TK), zunächst hands-on durch optische Anpassung. Anschließend wird die Güte der Anpassung durch die Einführung von Fehlerfunktionalen wie der Summe der Fehlerquadrate quantifiziert. Auf Basis der so bestimmten Parameter wird eine Prognose für den Verlauf der Epidemie erstellt und diese mit den tatsächlichen Zahlen verglichen. Die Ursachen für die großen Abweichungen werden vor dem Hintergrund eines zeitgenössischen Artikels aus der Wochenzeitung DIE ZEIT diskutiert. Um das Unterrichtsvorhaben zielgerichtet durchführen zu können, sollten die Schülerinnen und Schüler bereits Kenntnisse im Umgang mit Exponentialfunktionen haben sowie Exponentialgleichungen händisch lösen können. Auch grundlegende Potenz- und Logarithmengesetze sollten dabei bekannt sein. Das Unterrichtsvorhaben soll zwei Einheiten zu je 45 min umfassen – idealerweise im Rahmen einer Doppelstunde. Die geförderten Kompetenzen bedienen die Vorgaben, die von der Kultusministerkonferenz (KMK) in den Bildungsstandards für die Allgemeine Hochschulreife im Fach Mathematik festgelegt wurden. Es werden sowohl die Leitideen „Funktionaler Zusammenhang“ und „Messen“ aufgegriffen als auch Kompetenzen im Bereich des mathematischen Modellierens in allen drei Anforderungsbereichen gefördert. Neben den Online-Materialien für den direkten Einsatz im Unterricht, aufgelistet in der detaillierten Beschreibung der Unterrichtsphasen, dienen weiterführende Online-Materialien der Lehrkraft zur Vertiefung. Letztere sind am Ende des Beitrags aufgeführt.