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Kürzeste Wege tauchen fast überall im Alltag auf. Daher eignet sich dieses Optimierungsproblem gut für den Unterricht. Modellierung und heuristische Vorgehensweisen werden geübt, um schließlich die klassischen kürzesten Wege-Algorithmen selbst zu erfinden. In diesem Artikel werden die Inhalte vorgestellt und konkrete Hinweise zum Unterricht in der Schule gegeben.
Wie findet man den optimalen Weg im U-Bahnnetz? Das Problem wird als Graph modelliert und dann eine Breitensuche durchgeführt. Will man Weglängen oder Fahrzeiten mitberücksichtigen, so braucht man den Algorithmus von Dijkstra für gewichtige Graphen. Beim Nachdenken über diese Algorithmen werden auch Fragestellungen der Graphentheorie berührt. In einem zweiten Abschnitt werden methodische Hinweise für den Unterricht in der Sekundarstufe I und II gegeben, insbesondere, wie man Lernende dazu bringen kann, ihre Ideen für Algorithmen präzise zu analysieren und zu Papier zu bringen.
Kombinatorische Optimierung –Inhalte und Methoden für einen authentischen Mathematikunterricht
(2006)
wird nachgereicht
Das heutige Leben ist durchdrungen von komplexen Technologien. Ohne Kommunikationsnetze, Internet, Mobilfunk, Logistik, Verkehrstechnik, medizinische Apparate, etc. könnte die moderne Gesellschaft nicht funktionieren. Fast alle dieser Technologien haben einen hohen Mathematikanteil. Der "normale Bürger"' weiss davon nichts, der Schulunterricht könnte dem ein wenig abhelfen. Einige mathematische Aspekte dieser Technologien sind einfach und sogar spielerisch intuitiv zugänglich. Solche Anwendungen, die zusätzlich noch der Lebensumwelt der Schüler zugehören, können dazu genutzt werden, die mathematische Modellierung, also die mathematische Herangehensweise an die Lösung praktischer Fragen, anschaulich zu erläutern. Gerade in der diskreten Mathematik können hier, quasi "nebenbei" mathematische Theorien erarbeitet und Teilaspekte (Definitionen, Fragestellungen, einfache Sachverhalte) durch eigenständiges Entdecken der Schüler entwickelt werden. Wir beginnen mit einigen Beispielen.
Bessel'scher Irrgarten
(2007)
Dieser Artikel berichtet über eine erfolgreiche Schüleraktivität, die seit Jahren am Zuse-Institut Berlin (ZIB) bei Besuchen von Schülergruppen erprobt und verfeinert worden ist. Das hier zusammengestellte Material ist gedacht als Basis für eine Unterrichtseinheit in Leistungskursen Mathematik an Gymnasien. Inhaltlich wird von einem zwar für Schüler (wie auch Lehrer) neuen, aber leicht fasslichen Gegenstand ausgegangen: der Drei-Term-Rekursion für Besselfunktionen. Die Struktur wird erklärt und in ein kleines Programm umgesetzt. Dazu teilen sich die Schüler selbstorganisierend in Gruppen ein, die mit unterschiedlichen Taschenrechnern "um die Wette" rechnen. Die Schüler und Schülerinnen erfahren unmittelbar die katastrophale Wirkung von an sich kleinen'' Rundungsfehlern, sie landen -- ebenso wie der Supercomputer des ZIB -- im Bessel'schen Irrgarten''. Die auftretenden Phänomene werden mathematisch elementar erklärt, wobei lediglich auf das Konzept der linearen Unabhängigkeit zurückgegriffen wird. Das dabei gewonnene vertiefte Verständnis fließt ein in die Konstruktion eines klassischen Algorithmus sowie eines wesentlich verbesserten Horner-artigen Algorithmus.