Naturwissenschaftlicher Unterricht

Lernende, die sich für MINT-Fächer interessieren, haben in den letzten beiden Gymnasialjahren durch die Wahl eines naturwissenschaftlichen Schwerpunktfaches und eines Ergänzungsfaches die Möglichkeit, einen grossen Teil der Wochenlektionen mit MINT-Fächern zu füllen.

Das Schwerpunktfach wird in den letzten beiden Gymnasialjahren 5 bzw. 9 Wochenlektionen besucht. An der KST können die Lernenden das Schwerpunktfach Biologie und Chemie oder das Schwerpunktfach Physik und Anwendungen der Mathematik wählen. Jedes Schwerpunktfach wird als Kombination aus zwei naturwissenschaftlichen Fächern angeboten, wobei es ein erklärtes Ziel ist, die Berührungspunkte der beiden Wissenschaften aufzuzeigen. Im Schwerpunktfach Biologie und Chemie findet deshalb ein Drittel des Unterrichts fächerübergreifend im Teamteaching statt.

Das Ergänzungsfach umfasst 5 Wochenlektionen im letzten Unterrichtsjahr. Bei den Ergänzungsfächern stehen Biologie, Chemie, Geografie, Physik und zusätzlich Informatik und Angewandte Mathematik jeweils als Einzelfach zur Auswahl. Doppelbelegungen eines Faches sowohl im Schwerpunkt als auch im Ergänzungsfach sind ausgeschlossen.

Schwerpunktfach Biologie und Chemie

Die Naturwissenschaften Biologie und Chemie sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis der belebten und unbelebten Welt. Die Biologie und Chemie stellen Untersuchungsmöglichkeiten und Modelle zur Verfügung, um unsere natürliche und hochtechnisierte Umwelt zu verstehen und nachhaltig zu verändern. Und sie zeigen auf, welche Folgen dieses menschliche Tun mit sich bringen kann.
Das Schwerpunktfach Biologie und Chemie will das Verständnis dieser Zusammenhänge fördern und Neugierde wecken für das Warum und Wie in unserer Umwelt. Es schafft die Möglichkeit, die beiden Wissenschaften an interdisziplinären Beispielen vertieft kennen zu lernen. Auch historische, politische und ethische Aspekte werden einbezogen.

Neben der separaten Vertiefung der beiden Fachgebiete werden interdisziplinäre Untersuchungen in einzelnen Bereichen wie Ökologie und Biochemie vorgenommen. Grundlagen werden erarbeitet, um das menschliche Eingreifen in globale Stoffkreisläufe und daraus folgende Umweltprobleme zu verstehen. Die erworbenen Kenntnisse ermöglichen einen Blick hinter die Kulissen aktueller Forschungsgebiete wie Ebola oder Stammzellforschung und eine Diskussion über deren Chancen und Risiken.
Weitere Themenbereiche sind Quantenchemie, organische Chemie, Säure-Base-Reaktionen, Komplexchemie, Atmosphärenchemie, Toxikologie, Zusammenhang zwischen Bau und Funktion ausgewählter Organe und Organismen, Verhaltenslehre, Artenvielfalt, Stammbäume oder Embryonalentwicklung.

Ein Teil des Schwerpunktfaches wird mittels konventioneller Unterrichtsformen durchgeführt. Dazu kommen Werkstätten, Lernzirkel und die Planung, Durchführung und Auswertung praktischer Arbeiten in Labor und Freiland. Dabei werden auch Informatikmittel eingesetzt (unter anderem digitale Messwerterfassung und Auswertung). Exkursionen und beigezogene Experten sollen ausserschulische Erfahrungen ermöglichen. Selbständige Projekte verlangen neben dem experimentellen Teil das Studium von Fachliteratur und die Präsentation der Untersuchungsergebnisse. Die Teilnahme an schweizweiten Wettbewerben wie „Science on the Move“ ist eine weitere Bereicherung.

Untersuchung von Blattfarbstoffen

Mit Hilfe von Mörser und Pistill und dem Extraktionsmittel Ethanol wird ein Blattfarbstoffextrakt hergestellt und einerseits mit der Dünnschichtchromatografie analysiert und andererseits mit einer Zweiphasenextraktion weiter bearbeitet. Die Extrakte werden über eine fotometrische Messung identifiziert und zugeordnet.
Die Laborergebnisse sind die Basis für weitergehende interdisziplinäre Diskussionen zu den Eigenschaften und Funktionen der Blattfarbstoffe und zur Laubverfärbung im Herbst.

Analyse von Shampoos auf ihren Natriumchloridgehalt

Wieviel Kochsalz ist im Shampoo? - In einem analytischen Praktikum wird der Kochsalzgehalt mittels einer konduktometrischen Titration (Leitfähigkeitstitration) bestimmt.

Über den Kochsalzgehalt im Shampoo wird die Bildung von Stäbchen – und Scheibchenmizellen und so die Konsistenz des Shampoos beeinflusst. Die Lernenden untersuchen ihre mitgebrachten Proben und erhalten so einen weiteren interessanten Eindruck in die Chemie unseres Alltags.

Schwerpunktfach Physik und Anwendungen der Mathematik

Die Lernenden erfahren, wie das Zusammenspiel zwischen Physik und Mathematik die Mannigfaltigkeit physikalischer Erscheinungen und Vorgänge beschreiben und verstehen hilft. Sie lernen Physik und Mathematik nicht als fertige, sondern gewordene, sich ständig weiter entwickelnde und sich gegenseitig beeinflussende Wissenschaften kennen. Die Modellbildung und das analytisch-logische und kreative Denken sollen gefördert werden. Die durch die Entwicklung und Anwendung der Physik und Mathematik erfolgten Errungenschaften mit ihren gesellschaftlichen Auswirkungen und ihren historischen und philosophischen Aspekten werden diskutiert und beurteilt.

Die im Grundlagenfach erarbeiteten Lerninhalte der Mechanik, Thermodynamik und Elektrodynamik werden vertieft und ausgebaut; neue mathematische Hilfsmittel werden erarbeitet.
Auf verschiedene Hauptgebiete der Mathematik und Physik wird eingegangen. Markante Ideen der Mathematik und Physik der Neuzeit sollen kennengelernt werden: einerseits komplexe Zahlen, lineare Algebra, Differentialgleichungen, Kurven, formale Logik, Chaos und Fraktale; andererseits spezielle und allgemeine Relativitätstheorie, Quantenphysik, Kern- und Elementarteilchenphysik, Astrophysik bis hin zur Behandlung moderner Forschungsthemen wie Nanotechnologie, Robotik und künstliche Intelligenz.
Daneben bleibt Zeit für weitere Themen, bei deren Auswahl die Erfahrungen und Interessen der Schülerinnen und Schüler berücksichtigt werden.

Die Riesenseifenhaut im Bild hat eine minimale Oberfläche. Sie kann berechnet werden, indem eine hängende Kette rotiert wird.

 

 

Ergänzungsfach Angewandte Mathematik

Im Ergänzungsfach Angewandte Mathematik werden einzelne Gebiete der Mathematik ausgebaut und neu vorgestellt. Es sollen exemplarisch Erfahrungen zum Einsatz mathematischer Methoden ausserhalb der Mathematik vermittelt werden. Die Schülerinnen und Schüler werden angehalten, strukturiert zu denken und mathematische Methoden fächerübergreifend anzuwenden. Die behandelten Themen sind so gewählt, dass sich die Lernenden eine solide Grundlage für alle Studiengänge, die Mathematikkenntnisse erfordern, erarbeiten. Hier haben die Lehrpersonen auch die Freiheit, auf Wünsche und Bedürfnisse der Lernenden einzugehen.
Einige Beispiele von behandelten Themen sind hier aufgeführt.

Komplexe Zahlen

Im Bereich der reellen Zahlen sind Gleichungen wie x2 + 1 = 0 nicht lösbar, was eine Erweiterung des Zahlenbereichs notwendig macht.
Diese Erweiterung – gegen Ende des 18. Jahrhunderts entstanden – führte zum Bereich der komplexen Zahlen.
Komplexe Zahlen sind unter anderem bei der Lösung von Differenzen- und Differentialgleichungen von grosser Bedeutung. Als Anwendungsgebiete dieser seien Schwingungsvorgänge, die Elektrodynamik und die Gerichtsmedizin erwähnt. Ausserdem wurden die Chaostheorie und die fraktale Geometrie mathematisch erfasst. Die nebenstehende Abbildung aus dem Bereich der Chaostheorie ist ein Zoom im Feigenbaumdiagramm, das die Dynamik eines Populationsmodells zeigt.

Differentialgleichungen

Eine Differentialgleichung beschreibt, wie eine unbekannte Funktion y(t) und ihre Änderung, also ihre erste Ableitung (und eventuell auch höhere Ableitungen) zusammenhängen. Häufig lässt sich das Verhalten eines dynamischen Modells in einer Differentialgleichung zusammenfassen. Dynamische Modelle berücksichtigen die Zeitabhängigkeit von bestimmten Grössen. Beispiele hierfür sind der Entwicklungsprozess einer Kolonie von Lebewesen in der Biologie, die Entwicklung der Grösse von Reagenten in der Chemie, Abkühlungsprozesse oder die Feststellung des Zeitpunktes des Todes von Lebewesen, Marktpreis-Dynamik oder logistische Wachstumsprozesse in der Wirtschaft, um nur einige zu nennen. Das nebenstehende Foto zeigt eine Maturaaufgabe, bei der mit Hilfe einer Differentialgleichung der zukünftige Ölverbrauch abgeschätzt werden soll.