Books published by Springer Spektrum

Dieses essential stellt praxisnah dar, wie den vielfältigen, zum Teil gegensätzlichen Herausforderungen des gymnasialen Lehramtsstudiums im Fach Mathematik begegnet werden kann. Es zeigt Wege auf, wie die Lehramtsausbildung den unterschiedlichen Fachkulturen in Schule und Hochschule bewusst Rechnung tragen und Brückenschläge in beide Richtungen vornehmen kann.

Dieses Buch ist eine leicht verständliche Einführung in die Algebra, die den historischen und konkreten Aspekt in den Vordergrund rückt. Der rote Faden ist eines der klassischen und fundamentalen Probleme der Algebra: Bereits vor 4000 Jahren wurden quadratische Gleichungen gelöst. Im 16. Jahrhundert fand man allgemeine Lösungsformeln für Gleichungen dritten und vierten Grades, aber entsprechende Bemühungen für Gleichungen fünften Grades schlugen fehl. Nach fast dreihundertjähriger Suche führte dies schließlich zur Begründung der so genannten Galois-Theorie: Mit ihrer Hilfe kann festgestellt werden, ob eine Gleichung mittels geschachtelter Wurzelausdrücke lösbar ist. Das Buch liefert eine gute Motivation für die moderne Galois-Theorie, die den Studierenden oft so abstrakt und schwer erscheint.Gemäß der Intention des Buchs, auch die Geschichte der Algebra zu berücksichtigen, wurden in dieser Neuauflage diverse Faksimiles ergänzt. Begleitend zu den Faksimiles wurde insbesondere das erste Kapitel erheblich erweitert, so dass die maßgeblichen kulturhistorischen Kontexte der Epochen bis Cardano deutlicher werden. Schließlich wurden zum Kapitel über Artins Beweis des Hauptsatzes der Galois-Theorie einige Anmerkungen zum historischen und mathematischen Hintergrund hinzugefügt.

In unseren Alltagsvorstellungen nutzen wir die Naturgesetze mit ihren gewaltigen Möglichkeiten des technischen Fortschritts zum Wohle der Menschheit.Die drei Katastrophen von Tschernobyl (26.April 1986), Fukushima Daichii (11.März 2011) und im Golf von Mexiko, Explosion der Bohrplattform Deepwater Horizon (20.April 2010), haben dieses Weltbild erschüttert.Wer hat bei dieser Entwicklung Regie geführt? Handelt es sich um menschliches oder um technisches Versagen?Für die Antwort werden Ansätze aus dem natur- und geisteswissenschaftlichen Bereich vorgestellt.

Frank Feudel führt umfangreiche Forschungen zum Ableitungsbegriff in der Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler durch, dessen Verständnis für Studierende der Ökonomie unerlässlich ist. Er untersucht, wie ein adäquates Verständnis der Ableitung aussehen kann, wie es vermittelt wird und in welchem Umfang die Studierenden ein solches erwerben. Dies führt zu zahlreichen Verbesserungsvorschlägen für die Lehre.

Friedrich Frischknecht gibt einen Einblick in die Malaria und die biologische Komplexität der sie auslösenden Parasiten. Der Autor nimmt den Leser mit auf eine Reise von der historischen Entdeckung der Erreger zu den modernen Methoden der Impfstoffentwicklung. Dabei erläutert er, wie genetische Manipulationen helfen, den Parasiten zu verstehen und neuartige Impfansätze zu entwickeln. Er erläutert die Schwierigkeiten, die zur Ausrottung von Malaria zu überwinden sind.Der Autor: Prof. Dr. Friedrich Frischknecht hat nach dem Studium der Biochemie an der Freien Universität Berlin am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium (EMBL) in Heidelberg über Pockenviren promoviert. Nach einem Forschungsaufenthalt am Institut Pasteur in Paris leitet er seit 2005 eine Forschungsgruppe am Universitätsklinikum in Heidelberg und beschäftigt sich mit den molekularen Grundlagen der Bewegung von Malariaparasiten.

Leroy Großmann entwickelt auf der Grundlage videografierter Blackbox-Untersuchungen eine Typologie von Modellierungsstrategien. Insbesondere in der biologiedidaktischen Forschung wurde eine Vielzahl quantitativer Untersuchungen zum Modellverstehen durchgeführt und damit das Kompetenzmodell der Modellkompetenz empirisch überprüft. Für das Modellieren als praktische Tätigkeit gibt es jedoch bislang kein ausdifferenziertes Kompetenzmodell ¿ diese Forschungslücke wird mit der vorliegenden qualitativen Studie geschlossen. Die Relevanz der Befunde für den schulischen Biologieunterricht wird abschließend dargestellt.

Jörg Kortemeyer untersucht die mathematischen Fähigkeiten, die in der Elektrotechnik von Studierenden im ersten Studienjahr erwartet werden. Die Studierenden werden mit Herausforderungen wie Asynchronizitäten zwischen den Mathematikvorlesungen für Ingenieure und unterschiedlichen mathematischen Praktiken in den Ingenieurwissenschaften konfrontiert. Um herauszuarbeiten, wie Studierende ihr Wissen aus der Elektrotechnik mit ihren mathematischen Fähigkeiten kombinieren, analysiert der Autor die Bearbeitungsprozesse von vier Klausuraufgaben einer Zweitsemesterveranstaltung und führt Experteninterviews durch. Die Kombination der Studien liefert tiefere Erkenntnisse zu Problemlöseprozessen in mathematikhaltigen Ingenieurfächern und hilft Charakteristika solcher Prozesse zu finden.

In diesem dritten Teil von Stochastik kompakt erläutert Heinz Klaus Strick, welche weiteren Aspekte man untersuchen kann, um Zufallsversuche im Hinblick auf die Zufälligkeit des Versuchsablaufs und des Versuchsergebnisses zu überprüfen. Über die Betrachtung von Häufigkeiten hinaus geht es auch um mögliche Abfolgen und Anordnungen, um Wiederholungen und um die Vollständigkeit des Auftretens aller möglichen Ergebnisse. Die zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten werden erläutert und Faustregeln zur Beurteilung angegeben. Zur Kontrolle, ob die unterschiedlichen ¿Gesetzmäßigkeiten des Zufalls¿ erfüllt sind, wird ein Binomialtest oder ein Chiquadrat-Anpassungstest angewandt.Der Autor:Heinz Klaus Strick war 37 Jahre lang als Lehrer für Mathematik und Physik an einem Gymnasium in Leverkusen tätig. Durch seine fachdidaktischen Aufsätze, Schulbücher, Vorträge und Lehraufträge an verschiedenen Universitäten wurde er bekannt. Für seine Aktivitäten und insbesondere für seine Anregungen zum Stochastikunterricht wurde ihm 2002 der Archimedes-Preis der MNU verliehen.

Die Transformation der Kernphysik aus dem akademischen Labor über die Großforschung hin zum gescheiterten großtechnologischen Projekt war eng verknüpft mit der Implementierung transnationaler Wissensströme. Christian Forstner zeigt am Beispiel Österreichs, wie Industrie, Wissenschaft, Politik und Zivilgesellschaft interagieren müssen, um erfolgreiche Innovation möglich zu machen. Zunächst analysiert er die frühe Radioaktivitätsforschung bis zur Kernspaltung und dem NS-Forschungsverbund Uranverein. Anschließend folgt der Weg von den österreichischen Forschungsreaktoren im Rahmen des US-amerikanischen Atoms for Peace-Programms bis hin zum Bau des Kernkraftwerks Zwentendorf, das nach dem "Nein zu Zwentendorf" als Ergebnis einer Volksabstimmung im November 1978 nie in Betrieb ging.Der Autor:PD Dr. Christian Forstner ist Physiker und Wissenschaftshistoriker und derzeit Privatdozent für Geschichte der Naturwissenschaften an der Goethe-Universität Frankfurt am Main. Er leitet den Fachverband "Geschichte der Physik" der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG).

Thomas Oeser bietet in diesem essential eine leicht verständliche Einführung in die Kristallstrukturanalyse durch Röntgenbeugung. Kurz und präzise, strukturiert und gut zu lesen vermittelt er die Grundlagen dieses Analyseverfahrens. Von den Methoden der Röntgenanalytik und den typischen Anwendungsbeispielen der Kristallstrukturanalyse führt der Autor zu einem detaillierten Verständnis der Einkristall-Röntgenstrukturanalyse. Er gibt dafür einen Überblick über Grundlagen zur charakteristischen Röntgenstrahlung, Netzebenen sowie dem reziproken Gitter und erläutert damit Strukturlösung und -verfeinerung. Ein Kapitel zu den Symmetrieeigenschaften und der Nomenklatur von Kristallsystemen sowie weiterführende Literatur runden das Buch ab.

Dieses Lehrbuch unterstützt Sie beim individuellen Studium der Algebra. Es ist die perfekte Ergänzung zu Ihrer Vorlesung sowie zum klassischen Lehrbuch. Die Inhalte, die Sie aus diesen Formaten kennen, werden zu Beginn jedes Kapitels zusammengefasst. Der Schwerpunkt dieses Werkes liegt auf zahlreichen Beispielaufgaben. Durch eine detaillierte Aufgabenstellung sowie konkrete Lösungshinweise wird das individuelle Erlernen der Algebra unterstützt. Ausführliche Lösungsbeispiele helfen Ihnen beim Erarbeiten eigener Lösungswege oder ermöglichen Ihnen Ihre eigenen Überlegungen zu überprüfen. Das Aufgabenbuch folgt der klassischen Dreiteilung Gruppen - Ringe - Körper, die Sie in den meisten einführenden Algebrakursen vorfinden und ist daher vielfach einsetzbar. Aufgrund des übersichtlichen Aufbaus mit vielen Aufgaben und einer übersichtlichen Zusammenfassung der Theorie eignet es sich für ein tiefgreifendes Verständnis ebenso wie für die kurzfristige Klausurvorbereitung.

Das Buch bietet einen neuen und sehr zugänglichen Einstieg in eine neue Geometrie, die vor gar nicht so langer Zeit entdeckt wurde. Diese Geometrie, die hyperbolisch genannt wird, spielte eine Schlüsselrolle in der Entwicklung der Mathematik. Vor ihrer Entdeckung waren sich die Mathematiker sicher, den uns umgebenden Raum zu studieren, wenn sie sich mit Geometrie beschäftigten. Danach war klar, dass es mehr als nur eine Geometrie gibt und die Mathematik nur Modelle studiert, mit denen die Realität mehr oder weniger gut beschrieben werden kann. Es ist nun die Rolle der Physik zu entscheiden, welches Modell am besten zur Beschreibung geeignet ist.Das Neue an dem hier präsentierten Zugang ist der Einsatz eines CGS (Computer Geometrie System), mit dem viele Eigenschaften dieser Geometrie selbst entdeckt werden können. Das Buch bietet viele Aufgaben zur Eigenaktivität. Ausführliche Lösungen erlauben eine gute Kontrolle des Lernprozesses. Es ist in einfacher Sprache geschrieben mit dem Ziel, dass es selbst an einem Gymnasium zum Einsatz kommen kann, was der Autor bereits mehrfach erfolgreich praktiziert hat.Das Buch richtet sich an Studierende, Lehrer(innen) und Schüler(innen) an Gymnasien und an alle, die sich für die Mathematik interessieren.

Stephanie Weskamp untersucht, wie geeignete Lernumgebungen konzipiert werden können, die individuellen Lernbedürfnissen und -potenzialen von Schülerinnen und Schülern im Mathematikunterricht der Grundschule gerecht werden. Entsprechende Lernsituationen zu verschiedenen mathematischen Themen werden qualitativ und unter verschiedenen Perspektiven analysiert. Im Sinne eines Design-Research-Ansatzes zielt die Studie auf die theoriebasierte Entwicklung und Erprobung substanzieller Lernumgebungen für den Mathematikunterricht und trägt zur Entwicklung lokaler Theorien hinsichtlich mathematischer Bearbeitungsprozesse bei. Bei der Entwicklung von Lernumgebungen sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, z. B. die eingesetzten Aufgaben, der Einsatz von Materialien, Interventionen der Lehrperson, wobei sich teilweise komplexe Wirkungsweisen zeigen.

Wenn Lernende in der mündlichen Interaktion mathematische Phänomene beobachten und davon ausgehend Zusammenhänge entdecken, werden sie aus sprachlicher Sicht gefordert, Beschreibungen und Erklärungen zu äußern. Mona-Lisa Maisano hat sich in ihrer Studie diesen beiden Sprechhandlungen zunächst unabhängig voneinander gewidmet und vor dem Hintergrund der Mehrsprachigkeit im Schulunterricht ihre Zusammenhänge herausgearbeitet. Als Theoriegerüst liegt eine Verbindung zwischen linguistischen und philosophisch-logischen Ansätzen zugrunde. In der qualitativen Untersuchung liegt der Schwerpunkt auf der Betrachtung von mehrsprachigen Lernenden der Grundschule, die in Kleingruppen an mathematischen Aufgaben mündlich arbeiten und dabei flexibel auf ihre mehrsprachigen Ressourcen zurückgreifen.

Petra Schling gibt in diesem essential einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zum Thema Geschmack. Dabei betrachtet sie Geschmack als Sinneswahrnehmung, die uns erlaubt, essenzielle Nahrungsbestandteile von Giften zu unterscheiden. Was wir essen hängt nicht unwesentlich davon ab, wie es uns schmeckt. Aber wie schmecken wir eigentlich ¿ und was überhaupt? Als Omnivoren (Allesfresser) besitzen wir Menschen eine relativ breite Palette an Geschmacks-Rezeptoren nicht nur im Mund, die uns wichtige Informationen über unsere Nahrung vermitteln. Außerhalb des Mundes dienen Geschmackssinneszellen unserer angeborenen Immunabwehr dazu, Bakterien, Würmer und andere Eindringlinge zu ¿schmecken¿. Darauf können und sollten wir uns verlassen. Unser Geschmackssinn warnt uns vor Giften und unerwünschten Mitbewohnern und lässt sich nur sehr bedingt durch Süßstoffe, Bitterblocker oder ähnliche Tricks täuschen.

Sarah Schönbrodt gibt Einblick in die mathematischen Hintergründe der Support Vector Machine und einer auf der Singulärwertzerlegung basierenden Klassifizierungsmethode. Die Autorin stellt fest, dass sich hinter beiden Methoden elementar-mathematische und anschauliche Konzepte verbergen, die großteils mit Schulmathematik zugänglich sind. Schülerinnen und Schülern wird aufgrund der großen Anwendungsbreite für verschiedene lebensnahe Fragestellungen ein verständlicher Zugang zu Problemlösestrategien des aktuell höchst relevanten maschinellen Lernens gegeben. Perspektiven für die methodisch-didaktische Gestaltung eines Workshops zur mathematischen Modellierung werden aufgezeigt.

Das Arbeitsbuch bietet in Ergänzung zum Lehrbuch "Physikalische Chemie - Eine Einführung nach neuem Konzept mit zahlreichen Experimenten" die ausgezeichnete Möglichkeit, den erarbeiteten Stoff durch Auseinandersetzung mit konkreten Problemstellungen einzuüben und zu vertiefen. Im Anschluss an den Aufgabenteil mit knapp 200 Übungsaufgaben werden im Lösungsteil die Rechenwege zu allen Aufgaben ausführlich Schritt für Schritt dargelegt, so dass auch ein selbstständiges Arbeiten der Studierenden möglich ist.

Alexandra Stillert bietet eine kompakte Einführung in die Gedankengänge der Allgemeinen Relativitätstheorie. Dabei legt sie die wichtigsten Erkenntnisse aus rund 100 Jahren Relativitätstheorie dar und widmet sich mit ihrer Hilfe den Phänomenen eines der faszinierendsten Forschungsgebiete, den Schwarzen Löchern. Die Autorin erforscht deren Entstehung und Besonderheiten sowie in ein Schwarzes Loch fallende Astronauten. Diese Arbeit umfasst explizite mathematische Rechnungen und Gedankenexperimente, die einen geeigneten Zugang für Lehramtsstudierende der Physik ermöglichen.

Der Entwicklung des relationalen Zahlverständnisses kommt im Übergang von der Kita in die Grundschule, d.h. im Alter von vier bis sechs Jahren, besondere Bedeutung zu. Dorothea Tubach stellt zwei komplementäre Spiel- und Lernumgebungen vor, die beide eine authentische mathematische Lernsituation für den jeweiligen Lernort in Kita und Anfangsunterricht bieten. Sie sind gleichsam aufeinander bezogen und nutzen mathematisches Spiel als Designelement. Die rekonstruierten Deutungen zum relationalen Zahlverständnis der Kinder zeigen, dass komplementäre Spiel- und Lernumgebungen einen Beitrag zur Übergangsgestaltung leisten können. Die Charakterisierung der jeweiligen Spiel- und Lernsituationen erlaubt die Ausschärfung des Begriffs des mathematischen Spiels.

Sprache ist zugleich Lernmedium und Lerngegenstand, insbesondere beim Aufbau eines konzeptuellen Verständnisses zu mathematischen Konzepten. Carina Zindel identifiziert vor diesem Hintergrund konzeptuelle und sprachliche Anforderungen, die Lernende beim Umgang mit funktionalen Zusammenhängen bewältigen müssen. Ihre tiefgehenden Analysen von Lernprozessen bei einem von ihr entwickelten fach- und sprachintegrierten Lehr-Lern-Arrangement geben Einblicke, wie beim Aufbau von Funktionsverständnis die konzeptuell-kognitiven und sprachlichen Prozesse miteinander verwoben sind.

Die Vermittlung mathematischer Modellierungskompetenz stellt ein zentrales Ziel kompetenzorientierten Mathematikunterrichts dar. Da bislang nur vereinzelt spezifische Vermittlungsaspekte zur Förderung dieser Kompetenz untersucht wurden, geht Natalie Tropper dieser Thematik im Rahmen einer qualitativ angelegten Untersuchung nach. Sie betrachtet die Einflüsse strategiebetonter heuristischer Lösungsbeispiele auf die Modellierungsprozesse und das modellierungsbezogene Strategiewissen von Schülerinnen und Schülern. Die Ergebnisse ihrer empirischen Studie zeigen das Potential des gewählten Instruktionsmaterials zur Unterstützung modellierungsbezogener Lernprozesse auf und legen zugleich Implikationen für dessen unterrichtliche Einbettung nahe.

Frederik Dilling untersucht Einsatzmöglichkeiten der 3D-Druck-Technologie für den Mathematikunterricht in der Sekundarstufe II. Dazu wird diese in die fachdidaktische Forschung sowie in die aktuellen curricularen Vorgaben für das Fach Mathematik eingeordnet. Der Autor diskutiert am Beispiel der Analysis die nachfolgenden vier konkreten, an der Universität Siegen entwickelten Einsatzmöglichkeiten vor einem stoffdidaktischen Hintergrund: Funktionen einer sowie zweier Veränderlicher, Tangenten an Funktionsgraphen und der Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung.

Die phylogenetischen Beziehungen innerhalb des Stamms der Arthropoda sind noch immer nicht eindeutig geklärt. Da Arthropoden eine geringe Anzahl homologer, serotonerger Neurone enthalten, können sie für phylogenetische Vergleiche herangezogen werden. Die europäische Wanderheuschrecke Locusta migratoria dient als Modellorganismus für die Klasse der Insekten. Martha Maria Kempf untersucht das Muster serotonerger Neurone in der ventralen Ganglienkette während der Embryonalentwicklung von L. migratoria. Mithilfe immuncytochemischer Markierungen von Serotonin ermittelt sie, ab welchem Entwicklungsstadium im Embryo die posterioren Cluster serotonerger Neurone auftreten. Dies soll erste Hinweise liefern, wann diese Zellen in der Embryonalentwicklung entstehen und woher sie abstammen können. Die beschriebenen Ergebnisse und Erkenntnisse sind auch für Evolutionsbiologen, Entwicklungsbiologen und Physiologen interessant, da der Neurotransmitter Serotonin im ganzen Tierreich in den verschiedensten Organsystemen weit verbreitet ist, einschließlich der emotionalen Steuerung bei Säugetieren und Menschen.

In diesem Open Access Buch werden erstmals übergreifend die Entwicklungen bis 2030 in den Sektoren in Deutschland, welche die größte Fläche beanspruchen - Land- und Forstwirtschaft sowie Siedlung und Verkehr - aufgezeigt und die Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel analysiert. Aufbauend auf einem akteursgestützten Diskurs von Handlungsoptionen zur Minderung von Treibhausgasemissionen sowie zur Anpassung an den Klimawandel werden unterschiedliche Landnutzungsstrategien entwickelt. Dabei wird auf die verschiedenen Schwerpunkte wie Klimaschutz, Bioenergie, Natur- und Umweltschutz sowie Klimaanpassung eingegangen. Die möglichen Auswirkungen der verschiedenen Strategien auf Nahrungs- und Rohstoffproduktion, Bioenergie, Umwelt und Natur sowie sozio-ökonomische Konsequenzen werden modellgestützt analysiert. Anhand der Ergebnisse zeigen die Autorinnen und Autoren sowohl auf, wie die Landnutzung in Deutschland zum Klimaschutz beitragen kann, als auch die Konflikte, die mit anderen gesellschaftlichen Zielen bestehen. Das Buch liefert eine Grundlage für die Debatte um eine klimawandeloptimierte Landnutzung in Deutschland.

Nina Kallweit entwickelt theoretisch und empirisch begründete didaktische Impulse für gelingendes politisches Lernen in der Grundschule am Beispiel der Phänomene Krieg und Frieden.Ihre Ergebnisse begründen ein Plädoyer für eine grundlegende und diskursive Entwicklung eines Politikverständnisses im Sachunterricht. In forschungsmethodischer Hinsicht zeigt die Untersuchung Potenziale der Phänomenografie als qualitativ ausgerichtetem sachunterrichtsdidaktischen Forschungsansatz auf.

Johanna Rellensmann untersucht, wie Schülerinnen und Schüler selbst erstellte Skizzen beim Lösen mathematischer Modellierungsaufgaben zum Satz des Pythagoras nutzen. In der explorativ-deskriptiven Untersuchung analysiert sie Aufgabenbearbeitungen von Schülerpaaren mithilfe einer typenbildenden qualitativen Inhaltsanalyse. Die Ergebnisse weisen eine große Bandbreite unterschiedlicher Skizzen und deren Nutzung aus. Durch den Vergleich von erfolgreichen und nicht erfolgreichen Modellierungsprozessen mit Skizzen leitet die Autorin Hypothesen über die Merkmale wirksamer Skizzen(-nutzung) ab.

Hans-Jürgen Stoppel beschäftigt sich im Rahmen von Projektkursen der gymnasialen Oberstufe in Nordrhein-Westfalen mit der Entwicklung von epistemologischen Beliefs und selbstreguliertem Lernen von Schülerinnen und Schülern. Mithilfe von Mixed Methods untersucht er als Forscher und Lehrer über ein Schuljahr hinweg in Projektkursen zu Codierung und Kryptographie detailliert epistemologische Beliefs und ihre Veränderungen in Verbindung mit selbstreguliertem Lernen. Er beschreibt die Auffassung von Mathematik der Schülerinnen und Schüler als Komponente epistemologischer Beliefs im Hinblick auf die Definition von Mathematik, den Erwerb mathematischen Wissens und des mathematischen Verständnisses sowie die entsprechenden Veränderungen. Die Vertiefung des Kursthemas erlaubt es, die Ergebnisse auch zu Schlüssen auf den Übergang von der Schule zur Hochschule heranzuziehen.

Die Fähigkeit, mathematische Bearbeitungen von Kindern adäquat zu deuten, gehört zu den zentralen Kompetenzen von Lehrkräften im Fachbereich Mathematik. Diagnostische Deutungen mathematischer Aufgaben durch Lehramtsstudierende und deren Entwicklung stehen daher im Mittelpunkt dieses Buches. Annika Pott untersucht, wie diagnostische Kompetenzen angebahnt und theoretisch fundiert vermittelt werden können. Sie interpretiert die Ergebnisse ihrer empirischen Studie hinsichtlich der Umsetzung universitärer Ausbildung von Lehrkräften für sonderpädagogische Förderung sowie Grundschullehrkräften für den Lernbereich Mathematik.