CPG

Naturwissenschaftliches Profil I am CPG

"Auf in die Zukunft- Innovative Technologien in Hamburg" 
 
Profilgebende Fächer: Physik (4) und Chemie (4)
Begleitfächer: Philosophie (2) und Informatik (4) auf grundlegendem Niveau

Bemerkung:

Wir haben uns diesem Thema so intensiv verschrieben, dass über den Wahlpflichtbereich hinaus im Rahmen der 34 Pflichtwochenstunden hinaus kein weiterer Kurs belegt werden muss. Wer allerdings auf ein weiteres Fach nicht verzichten möchte, muss das auch nicht und würde dann zwei Wochenstunden mehr haben.

Grundidee des Profils:

Schon immer hat der Mensch gestaunt, geforscht, gefragt, sich weiterentwickelt und so auch auf dem Gebiet der technologischen Entwicklung unfassbar große Fortschritte gemacht. Diese Fortschritte prägen und erleichtern unser Leben, bergen aber gleichzeitig auch Gefahren und zwingen uns zu der Überlegung, welche Art von Wissenschaft und Forschung wir wollen, um Wirtschaftswachstum und ökologische Nachhaltigkeit miteinander zu vereinen. Gerade dabei können neue Technologien den Erfordernissen einer zu schützenden Umwelt und der Bereitstellung von zukunftssicheren Arbeits- und Ausbildungsplätzen helfen:
Auf kreative und fantasievolle Forschung folgende technologische Entwicklungen (kurz: Innovative Technologien) stärken und sichern die internationale Wettbe-werbs¬fähigkeit Hamburgs. Damit sind sie Voraussetzung für wirtschaftliches Wachstum und die Bereitstellung zukunftssicherer Ausbildungs- und Arbeitsplätze.
Das Profil nutzt die großen Möglichkeiten, den Schülerinnen und Schülern in der Welt-, Hafen-, Luftfahrt-, Universitäts-, Medizintechnik-, IT-Stadt Hamburg zu zeigen, welche innovativen Technologien zu welchen Zwecken neu- oder weiterentwickelt werden. Durch Zusammenarbeit mit außerschulischen Kooperationspartnern aus Forschung, Wissenschaft und Wirtschaft kann das Interesse wachsen, an einem der vielfältigen Lernorte, Ausbildungs- oder Studienplätze in Hamburg einen Arbeitsplatz im naturwissenschaftlich-technischen Bereich anzustreben.
Über den allgemeinbildenden Anteil der Arbeit im Profil werden auch bei denjeni-gen, die etwas ganz anderes als beispielsweise ein Ingenieurstudium anstreben, Interesse und Verständnis dafür wachsen, dass innovative Technologien zu krea¬ti-ven, teils überraschenden Lösungen diverser Probleme zum Wohle der Menschen angewendet werden. Daher haben innovative Technologien und damit die Arbeit in unserem Profil sehr viel mit dem Leben zu tun.
Diese Ziele verlangen in beiden profilgebenden Fächern Chemie und Physik die Aneignung eines soliden Grundlagenwissens sowie fachlicher und überfachlicher Kompetenzen, die an die Semesterthemen zu innovativen Technologien gebundenen sind.
Innovative Forschung ist ohne Informatik nicht möglich. Der Einsatz von Computern in den Naturwissenschaften ermöglicht radikal neue Denkansätze und die Verwendung gänzlich neuer Methoden. In diesem Profil wird die Informatik auf grundlegendem Niveau unterrichtet. Damit haben sowohl Anfänger als auch Fortgeschrittene die Möglichkeit dieses Profil zu belegen. Der vierstündige Kurs auf grundlegendem Niveau bietet den Spielraum, in praxisnahen und fächerübergreifenden Projekten zu arbeiten. Zudem werden Seminarinhalte wie z.B. Präsentationstechniken im Kontext der Fachthemen erarbeitet.
In diesem Profil kommt der Philosophie in besonderem Maße ihre Eigenschaft als Reflexionswissenschaft und als Mittlerin zwischen Natur- und Geisteswissenschaften zugute: Wie verfahren die Naturwissenschaften, um zu sicheren Erkenntnissen zu gelangen und wie verändern sie die (Um)-Welt, in der wir leben? - Der Mensch, als ein seine Welt durch Forschung und Technik gestaltendes Wesen, verändert die Realität. Dies wirft neben erkenntnistheoretischen und anthropologischen Fragen aber auch ethische Probleme auf. Darf der Mensch alles tun, was er kann?
 
Kooperationspartner:
Initiative Naturwissenschaft und Technik (NaT), Universität Hamburg, Helmut-Schmidt-Universität (HSU), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Standort Hamburg, TU Harburg, EON (Reitbrook), Universitätskrankenhaus Eppendorf, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Zentrum für Materialforschung und Küstenforschung, Schülerlabor Quantensprung, Nestlé, angefragt: Strahlentherapiezentrum Hamburg, ...
 
1. Semester: Hafen und Schifffahrt

Physik:
Vom Einbaum zum Containerriesen
Zu Beginn des Semesters liegt der Schwerpunkt zunächst auf dem Schaffen einheitlicher Grundlagenkenntnisse für alle SchülerInnen.
Anschließend setzen wir uns mit den Grundlagen der Schiffsbautechnik auseinander, eingeschlossen ist auch ein Praktikumstag an der TU Harburg und ein Besuch im maritimen Museum. Das umfasst natürlich auch die prüfungsrelevanten Themen:
• Harmonische Schwingungen
• Mechanische Wellen

Chemie:
Vom aktiven Rostschutz bis zur Windkraft
Wir starten mit großem praktischem Anteil beim aktiven Rostschutz von Schiffen, setzten uns sehr intensiv mit Batterien und Akkus auseinander und diskutieren Lösungsansätze für die problematische Energiespeicherung bei Wind-, Wasser- und Solarkraft.
• Redoxchemie
• Rostvermeidung bei Schiffen und Leitungen
• Energieversorgung in der Hafenregion, Energieversorgung auf hoher See: mobile Energiequellen (Batterien und Akkus)
• Brennstoffzelle (EON), auch in der Raumfahrt!

Informatik:
Alles im Griff: Objekte im Fokus
Wir beschäftigen uns mit der Modellbildung, d.h. der vereinfachten Beschreibung eines realen oder geplanten Systems und werden dieses mit der Programmiersprache Java umsetzen.
• Modellierung
• Objektorientierte Programmierung

Philosophie:
Wie kommt die Welt in den Kopf?
Die Annahme einer objektiven Erkennbarkeit der Welt scheint grundlegend für naturwissenschaftliches Arbeiten und die Kon-struktion von neuen Technologien zu sein. Wir werden in diesem Semester über das Verhältnis von Wahrnehmen, Denken und dem Verstehen der Welt nachdenken. Dabei spielt die Sprache eine wichtige Rolle: denn wie würden wir uns sonst verständigen?
• Wahrheit und Wirklichkeit
• Konstruktivismus
• Sprache / Sprachphilosophie
• Wissenschaftstheorie
 
2. Semester: Der Mensch im Raum

Physik:
„Und sie bewegt sich doch" (Galileo Galilei, 1633 beim Verlassen des Inquisitionsgerichts)
In diesem Semester spielt die Raumfahrttechnik eine große Rolle. Welche physikalischen Gesetze müssen bei der Entwicklung von Raumflugkörpern beachtet werden, nach welchen Gesichtspunkten werden Astronauten ausgewählt, welche Bedingungen finden wir im Weltall und wie wirken sie auf den menschlichen Organismus? Diese Fragestellungen untersuchen wir in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt Standort Hamburg.
• Gravitation
• Grundlagen der Raumfahrt (Keplersche Gesetze)
• Elektrische Felder im Vergleich zu Gravitationsfeldern
 
Chemie:
Ernährung als Herausforderung
Werden wir immer dicker? Was essen wir überhaupt? Was brauchen wir und wie war das früher? Wie werden Lebensmittel haltbar, wie verpackt man sie am besten? Funktioniert das auch im Weltraum? Was machen wir mit dem Müll?
Mit allen diesen Fragen werden wir uns in diesem Semester be-schäftigen und Lebensmittelhersteller (Nestlé) sowie Lebensmittelchemiker der Uni-Hamburg besuchen.
• Bestandteile der Nahrung
• Lebensmittel in der Raumfahrt
   o Ernährung: Was isst man im Weltraum?
   o Aufbewahrung: Haltbarkeit von Lebensmitteln
   o Verpackung: Kunststoffe, Herstellung und Recycling
• Energiebedarf und -zufuhr auf der Erde und im Weltraum
• Maßgeschneiderte Kunststoffe – Werkstoffe der Zukunft?

Informatik:
Yes, we spy: Kommunikation nur für Dich – oder doch für alle?
Die digitale Kommunikation und Informationsbereitstellung spielt in unserer Welt eine immer größere Rolle. Wir werden uns mit den damit verbundenen Möglichkeiten und Gefahren auseinandersetzen.
• Aufbau und Funktion des Internets
• Verschlüsselungsverfahren
• Angriffsstrategien und Verteidigung
• Datenschutz

Philosophie:
Der Mensch: Ein Wesen zwischen Freiheit und Fremdbestimmung?
Meistens gehen wir davon aus, dass der Mensch frei und verantwortlich denken und handeln kann, dass er lacht, fragt, Gefühle hat, Bilder malt – alles Dinge, die ihn in der Natur zu einer besonderen Spezies machen. Wir wollen zusammen erkunden, welche Facetten des Menschseins seine Existenz bestimmen und ob die Naturwissenschaft es uns eigentlich erlaubt, den Gedanken (die Idee?) von Freiheit und Selbstbestimmung des Menschen zu belegen.
• Mensch / Maschine
• Personenbegriff
• Anthropologische Konstanten
• Willensfreiheit vs. Determinismus
• Kausalität und Freiheit

3. Semester: Wissenschaft hilft heilen

Physik:
Medizintechnik – diagnostische Verfahren und Therapie
Welchen Herausforderungen muss sich ein Physiker bei der Weiterentwicklung moderner medizinischer Diagnostikverfahren stellen? Wir erhalten Einblick, wie Institutionen diese Verfahren anwenden.
• Magnetische Felder
Elektromagnetische Wellen
• Medizintechnik
   o Bildgebende Diagnostik: CT, MRT (UKE)
   o Strahlentherapie (Strahlentherapiezentrum Hamburg)

Chemie:
Vom Aspirin bis zur Prothese
Kunststoffe bilden für uns die „Brücke" vom Weltraum zur Medizintechnik, Prothesen und Transplantate sind weitgehend aus Kunststoffen gefertigt. Zum Thema „innovative Werkstoffe" kooperieren wir mit der HSU. Wir synthetisieren Aspirin und beschäftigen uns mit der Biotechnologie, zum Beispiel mit der Insulinherstellung.
• Kunststoffe, Werkstoffe mit einstellbaren Eigenschaften
• Schmerzmittel - wie funktioniert das?
• Fermentationen – Bakterien arbeiten für uns (Insulin, ...)
• Analytik/Diagnostik - wie findet man die Übeltäter?
 
Informatik:
Gehört die Zukunft den Maschinen?
Medizinische Experimente werden immer teurer, Ärzte haben immer weniger Zeit für ihre Patienten. Wir untersuchen, wie moderne Technologien hier helfen können.
• Simulation
• Roboter
• „Intelligente" Pflege und Diagnostik
• ...oder werden wir doch zu Cyborgs?

Philosophie:
„Die Aufklärung des Verstandes macht zwar klüger, aber nicht besser!" (Hegel)
Der Mensch hat sich und seine Welt immer weiter entwickelt und besser verstanden. Aber die annehmlichen Seiten der Forschung, die Entwicklung der Medizin, der rasante technische Fortschritt bringen Schattenseiten mit sich: Umweltzerstörung, Ungleichverteilung von Reichtum und Armut, „entmenschlichende" Intensivmedizin etc. drängen zu Fragen nach Verantwortung und Werten des globalen Zusammenlebens. Diesen Fragen gehen wir im dritten Semester gemeinsam nach:
• „Dürfen wir alles, was wir können?"
• Biotechnologien und Ethik
• Konkrete Probleme des „Menschen-Design" – „Wunschkinder"; Sterbehilfe / Intensivmedizin
• Umgang mit Demenz (Gehirn, Freiheit etc.)

4. Semester: Bausteine der Zukunft
Physik:
„Daß ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält" (Faust I)
Wir beschäftigen uns mit dem Aufbau der Materie und blicken hinter die Kulissen von Einsteins Relativitätstheorie.
Eingeschlossen ist ein Praktikumstag an der Physiksektion der Universität Hamburg.
• Atommodelle
• Struktur der Materie
• Quantelung
• Stochastisches Verhalten

Chemie:
Was macht das Silber in der Socke?
Nanotechnologie ist ein Zukunftsgebiet der Forschung. Ist klein aber immer gut? Silber wirkt antibakteriell, aber was machen Silbernanoteilchen in der Lunge? Werden die Gefahren in der Forschung vernachlässigt?
• Funktionale Kleidung, Wundauflagen
• Schönheit aus der Tube – alles Blendung?
• Fullerene (der alte Fußball aus dem Weltraum)
• C-nanotubes
• Molekulare Computer (Lichtleiter)

Informatik:
Können Maschinen denken?
Entscheidungen des menschlichen Lebens werden zunehmend durch Computersysteme getroffen. Wir untersuchen, wie so etwas grundlegend funktioniert und was man unter einem intelligenten System versteht. Zudem lernen wir eine Sprache der logischen Programmierung kennen.
• Was ist Logik?
• Logische Programmierung
• Künstliche Intelligenz / selbstlernende Systeme

Philosophie:
Wenn Maschinen denken – was unterscheidet sie dann noch vom Menschen?
Mittlerweile ist einiges, was vor wenigen Jahren vor allem noch im Genre der science fiction thematisiert wurde, Wirklichkeit geworden: Roboter erledigen Aufgaben bei Demenzkranken, Autos können selbstständig fahren, Computer besiegen Schachweltmeister... In diesem Semester wollen wir die Konsequenzen der KI-Forschung (Künstliche Intelligenz) erkunden. Dazu gehören folgende Themenschwerpunkte:
• Turing-Maschine
• Mathematische Unvollständigkeitsbeweise
• Logik
• Selbstlernende Systeme
• Zukunft und Gegenwart: Wie realistisch ist science fiction?
• Ethische Konsequenzen aus der KI-Forschung
 
Voraussetzungen:
Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen und technischen Lösungen, in Informatik sind Einsteiger wie Fortgeschrittene willkommen.
 
Der oben dargestellte Unterrichtsverlauf zeigt eine mögliche Variante auf, kann aber auch abhängig von der Schwerpunktsetzung der Behörde für das schriftliche Abitur gegebenenfalls abgeändert werden.