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Lehrer*innenfortbildung

MINT-Tagung am 15. März 2023

Zahlen, Quanten, Moleküle
Fortbildung für Lehrer*innen der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fächer

Alljährlich im Frühjahr laden der Studierendenservice der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf in Zusammenarbeit mit der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät, der Bezirksregierung Düsseldorf und der IHK zu Düsseldorf Lehrer*innen der MINT-Fächer zu einer eintägigen Fortbildung auf den Campus der HHU ein.

In zahlreichen Vorträgen geben Professor*innen  der Heinriche-Heine-Universität Einblicke in aktuelle Forschungsthemen und berichten über neueste Entwicklungen der Fachrichtungen Biologie, Chemie, Informatik, Mathematik und Physik. Darüber hinaus können sich die Teilnehmer*innen nach den Vorträgen austauschen, sich untereinander vernetzen und Kontakte zu den Düsseldorfer Hochschullehrer*innen aufbauen. Weiterhin gibt es Informationen zu Schüler-Wettbewerben und Lehrer*innenforen im MINT-Bereich sowie zu Orientierungsangeboten für Schüler*innen an der Heinrich-Heine-Universität.

Die Teilnahme an der Fortbildung ist kostenlos.

Anmeldung ist in Kürze möglich!


Programm und Ablauf

08:30 Uhr: Registrierung

09:00 Uhr: Begrüßung

10:00 - 11:00 Uhr: Zeitslot 1

Herr Univ.-Prof. Dr. Lammert ist Leiter des Instituts für Stoffwechselphysiologie und Direktor am Deutschen Diabetes-Zentrum. Er arbeitet seit etwa zwei Jahrzehnten an Blutgefäßen und der altersbedingten Stoffwechselerkrankung Typ-2 Diabetes mellitus. In seinem Vortrag wird er auf das Altern und altersbedingte Erkrankungen eingehen, um schließlich die elementar wichtige Rolle der Blutgefäße für die menschliche Gesundheit zu behandeln. Wie krankhafte Veränderungen von Blutgefäßen vermieden und gesundes Altern ermöglicht werden können, ist die letzte und entscheidende Frage, mit der sich Herr Lammert in seinem Vortrag befassen wird. Viele Erkenntnisse zum Altern wurden in der biologischen Forschung gewonnen, da Tiere und Menschen sich auf sehr ähnliche Weise gesund halten können. 

Zusammenfassung: "Magische Quadrate" - in der landläufigen Bedeutung - bezeichnen quadratische Anordnungen natürlicher Zahlen, bei denen alle Zeilen- und Spaltensummen sowie die beiden Diagonalsummen scheinbar zauberhaft stets dieselbe Zahl ergeben; die verwendeten Zahlen sollen dabei oft zusätzlichen Einschränkungen unterliegen, beispielsweise verschieden sein oder sogar eine lückenlose Reihe bilden.  Unter Kindern sind beispielsweise 3-mal-3-Quadrate der Zahlen 1 bis 9 mit magischer Summe 15 bekannt und beliebt; in der chinesischen Schriftkultur taucht dieses Beispiel vermutlich bereits um 200 v.Chr. auf.  Ein berühmtes magisches 4-mal-4-Quadrat findet sich auf Albrecht Dürers Kupferstich “Melencolia I” (1514).  Die Konstruktion und Beschreibung magischer Quadrate, mit all ihren verschiedenen Facetten, beschäftigt die Menschheit also seit geraumer Zeit.  In meinem Vortrag werde ich einige mathematische Ideen und resultierende Schönheiten zu dem Thema herausstellen.  Dabei sollen auch Verbindungen zwischen scheinbar unterschiedlichen Teilgebieten der Mathematik herausgearbeitet werden, etwa anhand des Satzes von Birkhoff (1946) und von Neumann über die Zerlegung doppelt-stochastischer Matrizen und des Satzes von Hall (1935) über perfekte Matchings in bipartiten Graphen.  Sofern die Zeit es erlaubt, besprechen wir am Ende Überlegungen von Stanley (1973), wie sich in der abzählenden Kombinatorik mit Methoden der kommutativen Algebra quantitative Aussagen über semi-magische Quadrate herleiten lassen.  Hier zeigt sich eine interessante Schnittstelle zur Lösungstheorie homogener linearer diophantischer Gleichungssysteme, diophantisch in dem Sinne, dass Lösungen in den nicht-negativen ganzen Zahlen gesucht werden. 

Quantencomputer versprechen, bestimmte Aufgaben viel schneller zu erledigen, als klassische Computer es jemals könnten. Doch was genau ist eigentlich ein Quantencomputer, und was unterscheidet ihn von einem normalen Computer? Welche Probleme kann er lösen, und welche davon sind sinnvoll? Wie gut ist Googles Quantencomputer wirklich? Und wird irgendwann jedes Smartphone einen Quantenprozessor haben?
Dieser Vortrag soll in die Grundlagen des Quantum-Computings einführen, ohne dabei spezielle Vorkenntnisse vorauszusetzen. Es soll ein Eindruck vermittelt werden, wozu wir künftige Quantencomputer einsetzen können und was die größten Herausforderungen auf dem Weg dorthin sind. Schließlich werfen wir einen Blick darauf, wohin die technologische Reise in den nächsten Jahr(zehnt)en gehen könnte.


11:00 - 11:30 Uhr: Pause


11:30 - 12:30 Uhr: Zeitslot 2

Die Menschheit steht vor großen Herausforderungen: Wie kann man den fortschreitenden Klimawandel verlangsamen und sich diesem anpassen? Wie kann man die wachsende Anzahl an Menschen auch in Zukunft mit ausreichend Nahrung versorgen?  Wie kann man die vielfältigen Ökosysteme auch in Zukunft in ihrem natürlichen Zustand erhalten? Wie kann man nachhaltig Rohstoffe gewinnen und einsetzen?

Eine mögliche Antwort auf diese Fragen ist die nachhaltige Nutzung von Pflanzen. Diese sind in der Lage das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen und durch den Prozess der Photosynthese den Kohlenstoff in eine chemisch stabile Form zu speichern. Der so gebundene Kohlenstoff dient uns heute schon als Nahrungsquelle (z.B. Stärke) als Energielieferant (z.B. Holz) und Grundstoff für die Industrie (z.B. Baumwolle). 

Im Rahmen der Bioökonomie, also der Nutzung des nachwachsenden Rohstoffes Pflanze, sind auch Methoden und industrielle Prozesse entwickelt worden, die es erlauben Pflanzenmaterial in weitere Grundstoffe für die chemische Industrie umzuwandeln, und somit fossile, treibhausgasproduzierende Energieträger wie Öl oder Kohle zu ersetzen. Aber sind diese Prozesse nachhaltig?

Viele Probleme aus dem Bereich der KI sind Schätzprobleme, bei denen aus einer sehr großen Zahl von Beobachtungen verschiedene zugrundeliegende Parameter geschätzt werden sollen. Für jede einzelne Beobachtung wird dabei z.B. eine sogenannte loss-function aufgestellt und die Minimalstelle der Summe aller loss-functions wird als Schätzwert gewählt. Für diese Minimierungsprobleme -- und ähnliche Minimierungsprobleme, die auf neuronale Netze zurückgehen -- wurden in den letzten Jahren neue einfache Minimierungsverfahren entwickelt und analysiert. Wichtige Konzepte dieser Entwicklung sollen im Vortrag vorgestellt werden.

In der Diskussion um die Zukunft der chemischen Industrie spielen die Begriffe sustainable, green, ecological, circular eine zentrale Rolle. Was aber ist eigentlich grüne Chemie? Was unterscheidet eine lineare Ökonomie von einer zyklischen? Und wie kann die Transformation zu nachhaltigem Wirtschaften auch in der Chemie verankert werden. Der Vortrag wird die Themen anreißen, und versuchen auf jede der aufgeworfenen Fragen Antworten zu geben.

Arrays und Listen mithilfe von Schleifen und Verzweigungen zu verarbeiten funktioniert zwar, wird in modernem Java-Code aber so gut wie gar nicht mehr benötigt. Wir schauen uns die mit Java 8 eingeführte Stream-API praktisch an. Mit dieser können wir Daten viel eleganter transformieren. Wir tauchen ab in die Welt der Funktionen höherer Ordnung und Lambda-Ausdrücke.

Wir arbeiten mit Ihnen in einem Rechnerraum. Falls Sie lieber an Ihrem eigenen Laptop arbeiten möchten, sollte auf diesem ein JDK mind. in Version 17 installiert sein.


12:30 - 13:00 Uhr: Mittagspause


13 Uhr: Besichtigung der Forschungsgewächshäuser Biologie Neubau

Achtung: zusätzliche Anmeldung per Mail bis zum 01. März erforderlich an : (Stichwort: Führung Gewächshaus)

Da es sich hier um die Begehung einer Forschungsanlage handelt, erfolgt vor Begehung eine Belehrung zu Sicherheitsstufe S1. (Dauer der Führung ca.75 Minuten)


13:30 - 14:30 Uhr: Zeitslot 3

Energiewende, Energiesparen, grüne Energie – das alles beschäftigt uns seit Jahren und Jahrzehnten, und in den letzten Monaten nochmal massiv verstärkt. Die Thematik ist politisch und ideologisch extrem aufgeladen, und leider sind viele Mythen und Halbwahrheiten im Umlauf. Umso wichtiger ist es, dass wir Naturwissenschaftler die zugehörigen Fakten klar darlegen.

In diesem Vortrag werden einige wichtige Fragen auf physkalischer Grundlage analysiert: Die Bereitstellung von Wärme – wie gelingt man das effizient? Klimaneutrale Energiebereitstellung – welche Perspektiven gibt es? Effiziente Energiespeicherung – neue Entwicklungen.

Es geht vor allem um die physikalischen Hitergründe der verschiedenen Techniken mit besonderem Augenmerk liegt auf der Quantifizierbarkeit aller Aussagen, wie sie von uns Physikern erwartet wird, mit dem Ziel, für die nicht wissenschaftlich gebildete Öffentlichkeit auskunftsfähig zu sein. 

Immer häufiger begegnen wir dieser Tage Zeitungsartikeln über KI-Systeme wie GPT-3, Copilot und Stable Diffusion, die uns auf eine Texteingabe hin einen computergenerierten Text, Bilder, Computerprogramme oder gar Videos zur Verfügung stellen. Dabei stellen sich sofort die (alten) Fragen nach Urheberschaft, Schöpfungshöhe, Plagiat und Echtheit. Diese Fragen müssen wir heute neu stellen und neu beantworten, so wie wir es früher bei der Erfindung der Photographie z.B. getan haben. Im Informatikunterricht kann man die ansprechenden Darstellungen und teilweise amüsanten Texte der großen KI-Modelle verwenden, um Interesse zu wecken und dann mit etwas Theorie nachvollziehen, welche Art von Technologie dahintersteckt und was die Grenzen und Möglichkeiten sind. Werden wir in Zukunft noch Hausarbeiten selbst schreiben? Werden wir noch selbst programmieren? Wird diese Welle der KI dominiert von großen Konzernen? Ich möchte zeigen, was möglich ist und in Zukunft möglich sein könnte, und was wir daraus und damit für den Informatikunterricht (oder auch Deutsch- und Kunstunterricht) ganz praktisch mitnehmen können.

Die Spektroskopie ist eine der wichtigsten Methoden in der modernen Analytik und liefert je nach eingesetztem Wellenlängenbereich unterschiedliche Informationen über die zu untersuchenden Moleküle. Um die exakte dreidimensionale Struktur eines Moleküls zu bestimmen, kann die rotationsaufgelöste Spektroskopie eingesetzt werden.  

Anstatt im experimentellen Spektrum jede einzelne Bande, von denen es einige Tausend bis Hunderttausende gibt, für sich zu analysieren, können genetische Algorithmen für die Auswertung des gesamten Spektrums eingesetzt werden. Durch Startparameter wird ein Anfangsspektrum simuliert, welches mit Hilfe einer mathematischen Funktion hinsichtlich seiner Qualität evaluiert wird. Der Algorithmus ändert die Parameter in einem zuvor festgelegten Bereich und bedient sich der in der Natur vorkommenden genetischen Rekombination und der Mutation, um eine bestmögliche Übereinstimmung zwischen experimentellem und simuliertem Spektrum zu erreichen. Was also Rotationskonstanten und Bindungswinkel mit dem natürlichen Erbgut zu tun haben und worin die Vorteile der genetischen Algorithmen liegen, erfahren Sie in dem Vortrag.


14:30 - 15:00 Uhr: Pause


15:00 - 16: 00 Uhr: Zeitslot 4


Kooperationsveranstaltung

Die Lehrer*innenfortbildung ist eine gemeinsame Veranstaltung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf der Bezirksregierung Düsseldorf und der Industrie- und Handelskammer zu Düsseldorf. Ziel der der vom Studierendenservice der HHU organisierten Veranstaltung ist es, Schulen, Hochschulen und Wirtschaft zusammen zu bringen und den Teilnehmer*innen die Möglichkeit zu geben, sich qualifiziert fachlich weiter zu bilden, sich zu vernetzen und neue Impulse mit in den Schulunterricht zu nehmen.

Verantwortlichkeit: