Podcast "Modellansatz"

Mathematik und ihre Anwendungen

Bei genauem Hinsehen finden wir die Naturwissenschaft und besonders Mathematik überall in unserem Leben, vom Wasserhahn über die automatischen Temporegelungen an Autobahnen, in der Medizintechnik bis hin zum Mobiltelefon. Woran die Forscher, Absolventen und Lehrenden in Karlsruhe gerade tüfteln, erfahren wir hier aus erster Hand.

Von

Sebastian Ritterbusch

Gudrun Thäter

Teaser

Episoden: Neueste Episoden

Micro Grids

Modellansatz 186

Gudrun talks with the Scotish engineer Claire Harvey. After already having finished a Master's degree in Product design engineering at the University of Glasgow for the last two years Claire has been a student of the Energy Technologies (ENTECH) Master program. This is an international and interdisciplinary program under the label of the European Institute of Innovation and Technology (EIT) inbetween a number of European technical universities. She spent her first year in Lisbon at Instituto Superior Técnico (IST) and the second master year at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Gudrun had the role of her supervisor at KIT while she worked on her Master's thesis at the EUREF Campus in Berlin for the Startup inno2grid. Her study courses prepared her for very diverse work in the sector of renewable energy. Her decision to work with inno2grid in Berlin was based on the fact, that it would help to pave the way towards better solutions for planning micro grids and sustainable districts. Also, she wanted to see an actual micro grid at work. The office building of Schneider Electric, where the Startup inno2grid has its rooms is an experiment delivering data of energy production and consumption while being a usual office building. We will hear more about that in the episode with Carlos Mauricio Rojas La Rotta soon. Micro grids are small scale electrical grid systems where self-sufficient supply is achieved. Therefore, the integration of micro grid design within district planning processes should be developed efficiently. In the planning process of districts with decentralised energy systems, unique and customised design of micro grids is usually required to meet local technical, economical and environmental needs. From a technical standpoint, a detailed understanding of factors such as load use, generation potential and site constraints are needed to correctly and most efficiently design and implement the network. The presence of many different actors and stakeholders contribute to the complexity of the planning process, where varying levels of technical experience and disparate methods of working across teams is commonplace. Large quantities of digital information are required across the whole life-cycle of a planning project, not just to do with energetic planning but also for asset management and monitoring after a micro grid has been implemented. In the design of micro grids, large amounts of data must be gathered, there are initial optimization objectives to be met, and simulating control strategies of a district which are adapted to customer requirements is a critical step. Linking these processes - being able to assemble data as well as communicate the results and interactions of different "layers" of a project to stakeholders are challenges that arise as more cross-sector projects are carried out, with the growing interest in smart grid implementation. (...)

Erschienen: 09.11.2018
Dauer: 31:56

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Tsunami-Modelle

Modellansatz 185

Man kann zu sozialen Medien unterschiedliche Auffassungen haben. Aber die Wissenschaftspodcaster nutzen das Medium twitter recht aktiv und auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bespielt seinen Kanal @KITKarlsruhe so, dass man als Abonnent tatsächlich mancherlei erfährt. Am 7. Oktober wurde z.B. dort weitererzählt, dass Ergebnisse einer Simulation aus dem KIT in einem Artikel der New York Times (vom 2.10. 2018) vorgestellt wurden, der die Auswirkungen des Sulawesi-Erdbebens und des von ihm ausgelöstenTsunamis in Indonesien (vom 29.9.2018) anhand von Luftbildern begreifbar macht. Genauer handelte es sich um Tsunami-Modelle von Andreas Schäfer vom Geophysikalischen Institut und Gudruns Neugier war geweckt. Sie wollte gern genaueres über diese Modelle erfahren. Am 23. Oktober traf sie sich mit dem Bauingenieur und Physiker zum Gespräch. Ebenfalls auf dem twitter-Kanal des KIT hatte Gudrun in der Zwischenzeit erfahren, dass Andreas der Zeitschrift des Deutschen Hochschulverbandes Forschung und Lehre zu seinem Engagement auf Twitter und Facebook Rede und Antwort gestanden hat und auch ein erfahrener Science-Slammer ist. Somit gab es noch viel mehr Gesprächsstoff. Die Aktivität auf twitter sieht z.B. so aus, dass Andreas die Daten eines gemeldeten Erbebens in seine Simulation einspeist und die Auswirkungen berechnet und visualisiert. Das Bild dazu wird anschließend über twitter (und Facebook) an die Leute verteilt, die sich dafür interessieren (die Follower). Hier als Beispiel die Analyse zu dem Erdbeben in Indonesien. Ein kürzlich aufgezeichneter Mitschnitt eines Science-Slam-Beitrags zu Andreas Forschung über Tsunamis ist der Beitrag Talking Tsunami. Im Moment ist Andreas mit mehreren Mitstreitern dabei, ein Startup zu gründen, das Risikoanalysen machen kann Risklayer.

Erschienen: 01.11.2018
Dauer: 1:05:21

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Rechenschieber

Modellansatz 184

Wie es kam, dass es kam, dass es so ist, wie es ist, mit dem Rechenschieber. Zu einer gemeinsamen Folge vom damalsTM-Podcast zur Technikgeschichte und dem Modellansatz zur Mathematik trafen sich Prof. Dr. Ralph Pollandt, Stephan Ajuvo und Sebastian Ritterbusch in der Hochschule für angewandte Wissenschaften in Karlsruhe zu diesem mathematisch-technischen Thema aus vergangenen Zeiten. Stephan Ajuvo hatte den Rechenschieber schon länger auf seiner Liste seiner Wunschthemen. Er konnte nach der hackover-Konferenz nach Karlsruhe kommen, wo am 4. Mai 2018 die 9. Lange Nacht der Mathematik stattgefunden hatte, die von Sebastian Ritterbusch moderiert wurde, und wo Ralph Pollandt den Rechenschieber in einem Publikumsvortrag vorgestellt hatte. Die lange Nacht der Mathematik wurde an der damaligen Fachhochschule Karlsruhe im Jahr 2000, dem Weltjahr der Mathematik, gestartet, und fand seither alle zwei Jahre mit sehr großem Besucherandrang statt. Vor Einzug der Taschenrechner, wie beispielsweise dem SchulRechner 1 oder SR1, waren Rechenschieber im Schulbetrieb allgegenwärtig. Es gab unter anderem Typen von Aristo oder von VEB Mantissa Dresden. Die Basis der grundsätzlichen Methode hinter dem Rechenschieber wurde mit dem Beginn der Nutzung von Logarithmentafeln (um 1600) gelegt. In der DDR wurden diese für Schulen vom Verlag Volk und Wissen gedruckt. Sie umfassten neben den Logarithmen auch eine Formelsammlung für Mathematik, Physik und Chemie. Auch die Bordwährung der c-base orientierte sich an der logarithmischen Skala. Ein Weg den Logarithmus einzuführen geht über die Exponentialfunktion, die viele Wachstumsprozesse in der Natur bis zur Sättigung beschreibt. Exponentialfunktion $\exp(x)=e^x$ Da diese Entwicklungen oft sehr schnell ansteigen, bietet es sich an, die Werte mit der Umkehrfunktion zu beschreiben, und das ist genau der Logarithmus: Exponentiell ansteigende Werte wie die 2-er Potenzen 1, 2, 4, 8, 16, 32, ..., a(n)=2^n werden nach Anwendung des Logarithmus Dualis zur Basis 2 linear zu 0, 1, 2, 3, 4, 5, ..., \log_2 a(n)=n und damit deutlich einfacher zu begreifen. Auch in der Musik werden aus Frequenzen von Tönen nach Anwendung des Logarithmus Dualis ganzzahlig zu Oktaven und im nicht-ganzzahligen Rest zu den Tönen. Für die Nutzung mit Logarithmentafeln und dem Rechenschieber sind die Logarithmenregeln äusserst wichtig: Clog(ab)=log(a)+log(b), log(a/b)=log(a)-log(b) In Logarithmentafeln ist sehr häufig der dekadische Logarithmus zur Basis 10 abgedruckt, da dies bei der Nutzung mit Zahlen im Dezimalsystem sehr hilfreich ist. Dabei wird typisch nur eine Dekade in der Tafel abgedeckt, da höhere Dekaden einfach ganzzahlige Differenzen im Wert darstellen. Da diese Betrachtung außerhalb der Tafeln stattfindet, müssen diese Größenordnungen während der Rechnung mitgeführt und am Ende dem Ergebnis abgerechnet werden. Da Rechenschieber wie gegenüber liegende Lineale sehr einfach addieren können, (...)

Erschienen: 25.10.2018
Dauer: 1:54:38

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Electric Vehicles on the Grid

Modellansatz 183

Gudrun talks to Zaheer Ahamed about the influence of an increasing number of Electric vehicles (EV) to the electrical grid. Zaheer just finished the ENTECH Master's program. He started it with his first year at the Karlsruhe Institute for Technology (KIT) and continued in Uppsala University for the second year. Gudrun was part of the grading process of Zaheer's master thesis "Estimating Balancing Capacities of Electric Vehicles on the German and Swedish grids in 2030". The rising awareness of pollution from transport is leading to innovations within the transport sector. At the moment EVs are the leading technology. With many countries Germany and Sweden joined the so-called EV30@30 campaign, aiming for 30% of new vehicles sales to be electric by 2030. These ambitions alongside an ever increasing capacity of variable renewable energy sources (RES) in our power systems, pose a concerning challenge for Transmission systems operators (TSO) to maintain proper power system operation. Imbalances between supply and demand are undesirable in any electrical power system and with the rising popularity of EVs and RES such events are only expected to continue or increase. Fortunately, with the recent development of Vehicle to grid (V2G) concepts as well as extensive studies into the load-shifting potential of EVs, EVs presents an interesting solution for power system balancing distributed energy storage system. Zaheer's study showed that EV are capable of balancing the grid for approximately 60% of the time providing 55-60% of the total balancing energy required. However, the operation also took heavy toll on the EV’s battery performance as it could potentially reduce its life to a 1/7th of its original lifetime.

Erschienen: 19.10.2018
Dauer: 49:03

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SimScale

Modellansatz 182

Gudrun talks to Jousef Murad about the computing platform SimScale. Jousef is currently studying mechanical engineering at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and focuses on turbulence modelling and computational mechanics in his Master's studies. He first learned about the existence of SimScale early in the year 2015 and started as a FEA (finite element analysis) simulation assistant in November 2016. Meanwhile he switched to Community Management and now is Community and Academic Program Manager at the company being responsible for user requests and Formula student teams all over the world. Formula student is a name for design competitions for teams of students constructing racing cars. SimScale is a cloud-based platform that gives instant access to computational fluid dynamics (CFD) and finite element analysis (FEA) simulation technology, helping engineers and designers to easily test performance, optimize durability or improve efficiency of their design. SimScale is accessible from a standard web browser and from any computer, eliminating the hurdles that accompany traditional simulation tools: high installation costs, licensing fees, deployment of high-performance computing hardware, and required updates and maintenance. Via the platform, several state-of-the-art open solvers are made available like,e.g., OpenFOAM and Meshing with SnappyHexMesh. More information about the packages being used can be found at https://www.simscale.com/open-source/ . On top of having easier access to open source software, the connected user forum is very active and helps everybody to enter the field even as a person without experience. Founded in 2012 in Munich (Germany), nowadays SimScale is an integral part of the design validation process for many companies worldwide and individual users. It is mainly used by product designers and engineers working in Architecture, Engineering and Construction or Heating, Ventilation and Air-Conditioning. Also in the Electronics, Consumer Goods and Packaging and Containers industries SimScale is useful for testing and optimizing designs in the early development stages. SimScale offers pricing plans that can be customized, from independent professionals to SMEs and multinational companies. The Community plan makes it possible to use SimScale for free, with 3000 core hours/year using up to 16 cloud computing cores.

Erschienen: 11.10.2018
Dauer: 36:44

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Forschendes Lernen

Modellansatz 181

Gudrun war zu Gast an der FU Berlin für ein lange geplantes Gespräch mit Brigitte Lutz-Westphal zum Thema Forschendes Lernen im Mathematikunterricht. Frau Lutz-Westphal ist dort Professorin für Didaktik der Mathematik und in dieser Rolle in die Lehramtsausbildung eingebunden. Ihre Forschung beschäftigt sich mit der Grundlegung einer Theorie zum forschenden Lernen, mit dialogischem Lernen und authentischem sowie inklusivem Mathematikunterricht. Sie ist seit 2010 wissenschaftliche Begleitung des Programms "Mathe.Forscher" der Stiftung Rechnen. Die enge Zusammenarbeit mit der Schulpraxis in diesem Programm hat wichtige Impulse für ihre wissenschaftliche Tätigkeit gegeben. Was zeichnet nun forschendes Lernen aus? Es geht darum, für Schülerinnen und Schüler die Mathematik als von Fragen getriebene Wissenschaft erlebbar zu machen (im Gegensatz zum Einpauken von fest stehenden Lehrsätzen und Regeln). Das erfolgt z.B. über Beobachtungen in handgreiflichen Experimenten, die für die Erlangung von mathematischen Resultaten aktiv erkundet werden müssen. Das ist gleichzeitig ein authentisches Erleben von Mathematik, wie sie in der Forschung betrieben wird, also eine Begegnung mit der Wissenschaft Mathematik, ihren Methoden und Arbeitsweisen. Eine Beschreibung der eigenen forschenden Tätigkeit fällt Mathematiker/innen üblicherweise nicht leicht, diese Metaebene ist für das Forschen ja auch nicht relevant. Aber sie wissen, dass sie Fragen und Vermutungen formulieren aus Erfahrung, Gedankenexperimenten oder einem Bauchgefühl heraus und in Gesprächen im Kollegium, im Auswerten von anderen Arbeiten und im Verwerfen von Hypothesen Stück für Stück neues Wissen finden. Eine derzeit laufende Interviewstudie, die von Prof. Lutz-Westphal betreut wird, soll herausarbeiten, wie man Forschen in der Mathematik präziser charakterisieren kann, um daraus weitere Schlüsse für die authentische didaktische Umsetzung in der Schule zu ziehen Der Ansatz des forschenden Lernens trägt bereits jetzt die wesentlichen Schritte in die Schule: Anregung zum selbstständigen Fragen, Raum für Erkundungen, offen für fächerübergreifende und vorausgreifende Inhalte, Sichtbarmachen der gefundenen mathematischen Erkenntnisse & kritische Auseinandersetzung mit unterschiedlichen Herangehensweisen und Resultaten. Inzwischen gibt es schon viele erprobte Beispiele für forschendes Lernen, die von Lehrpersonen für den eigenen Unterricht übernommen oder adaptiert werden können (siehe www.matheforscher.de) . In unserem Gespräch gehen wir auf die Frage: Wo bitte ist die Mitte? ein. Für komplexe Gebilde, wie z.B. die Geometrie von Deutschland oder anderen Ländern kann man auf unterschiedliche "Mitten" kommen. Und man findet auch Beispiele, wo die Mitte gar nicht im Innern des Gebietes liegt. Solche Unterrichtsideen helfen Schüler/innen, Mathematik nicht nur als festgefügten Wissenskanon, sondern als kreatives Betätigungsfeld zu erleben, in dem flexibles Denken erforderlich ist. (...)

Erschienen: 04.10.2018
Dauer: 1:03:39

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Hybride Strömungsmodelle

Modellansatz 180

Gudrun ist für die aktuelle Episode zu Gast in der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) am Standort in Karlsruhe. Die BAW ist etwa so alt wie die Bundesrepublik und grob gesagt zuständig für technisch-wissenschaftliche Aufgaben in allen Bereichen des Verkehrswasserbaus an den Bundeswasserstraßen und für Spezialschiffbau. Dabei berät sie die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Heute ist der Hauptsitz der BAW in Karlsruhe. Daneben gibt es noch einen Standort in Hamburg. Der Anlass des Besuches ist diesmal der Abschluss der Masterarbeit von Axel Rothert zu einer Fragestellung aus der BAW in Karlsruhe. Der Titel der Arbeit ist "Hybride 2D-3D-Simulation von Strömungsprozessen im Nah- und Fernfeld von Wasserbauwerken in OpenFOAM". Sie entstand in enger Zusammenarbeit mit den Kollegen Dr.-Ing. Carsten Thorenz und Franz Simons im Referat Wasserbauwerke der BAW. Nach dem Abschlussvortrag hat sich Gudrun mit Franz Simons und Axel Rothert über die Ergebnisse der Arbeit unterhalten. Neben traditionellen mathematischen Modellen, die durch physikalische Experimente kalibriert und erprobt werden, haben sich durch den technischen Fortschritt der letzen Jahrzehnte numerische Simulationen inzwischen fest etabliert. Einerseits, um numerische Näherungslösungen für die partiellen Differentialgleichungen des mathematischen Modells zu liefern, andererseits aber auch zur Durchführung virtueller Experimente. Die Simulation von hydrodynamischen Vorgängen ist hier ein gutes Beispiel. Das Fließen von Wasser muss mit Gleichungen beschrieben werden, die wiederum numerische Lösungen brauchen, wobei durch deren Komplexität auch gleich noch Ansprüche an entweder Hochleistungsrechentechnik (und damit Parallelisierung) oder andererseits gut begründete Vereinfachungen erhoben werden müssen. Das ganze muss verlässliche Aussagen liefern, damit die BAW z.B. die Hochwasserneutralität eines Wasserbauwerks garantieren kann bevor es endgültig geplant und gebaut wird. Dabei werden in der dortigen Praxis beide Wege beschritten: man investiert in modernste Rechentechnik und benutzt erprobte Vereinfachungen im Modell. Im Kontext der Umströmung von Wasserbauwerken haben unterschiedliche Regionen verschiedene dominierende Strömungsprozesse: in der Nähe des Bauwerkes gibt es eine starke Interaktion des Fließgewässers mit dem Hindernis, aber in einiger Entfernung kann man diese Interaktion vernachlässigen und den Modellansatz vereinfachen. Deshalb sollten im Nah- und Fernbereich unterschiedliche Modelle benutzt werden. Konkret sind es in der Arbeit die tiefengemittelten Flachwassergleichungen im Fernfeld und die Reynolds-gemittelten Navier- Stokes-Gleichungen (RANS) im Nahfeld der Wasserbauwerke. Wichtig ist dann natürlich, wie diese Modelle gekoppelt werden. Da eine Informationsübertragung sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts möglich ist, ist eine Kopplung in beide Richtungen nötig. (...)

Erschienen: 27.09.2018
Dauer: 34:52

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Simulierte Welten

Modellansatz 179

Gudrun traf sich mit Maren Hattebuhr und Kirsten Wohak, die wieder ein interessantes Projekt für Schülerinnen und Schüler vorstellen: Simulierte Welten. Unser Alltag wird immer mehr durch Simulationen mitbestimmt. Bei der Wettervorhersage ist das wahrscheinlich vielen Menschen bewußt, aber auch Autos und andere Maschinen werden mittels Rechnungen am Computer entwickelt oder die Wirksamkeit neuer Medikamente getestet. Auch Risikoanalysen oder Wahlvorhersagen basieren immer stärker auf der Interpretation von Simulationsergebnissen. Schülerinnen und Schüler sollen deshalb die Möglichkeit bekommen, schon früh die Bedeutung von Simulationen besser einzuschätzen und ihre Chancen und Risiken aufgrund fundierten Grundwissens besser bewerten zu können. Das Vorhaben wird vom Steinbuch Centre for Computing (SCC) und dem Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS) getragen und arbeitet mit verschiedenen Schulen in Baden-Württemberg zusammen. Gefördert wird das Projekt vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg. Es gibt für Schulen und Personen folgende Möglichkeiten von dem Projekt zu profitieren: Doppelstunden, Projekttage oder Projektwochen für die Schule buchen; (Abend-) Vorträge zu sich einladen; Exkursionen durchführen; Fortbildung für Lehrerinnen und Lehrer am SCC bzw. dem HLRS; Förderstipendien für Schülerinnen und Schüler für Simulationsthemen. Im Rahmen der Förderstipendien arbeiten die Schülerinnen und Schüler weitgehend selbstständig in Zweierteams an einem echten wissenschaftlichen Projekt an einem der Rechenzentren mit und werden dabei von einer/einem Wissenschaftlerin/Wissenschaftler betreut. Sie erhalten für ihre Arbeiten einen Unkostenbeitrag in Höhe von bis zu 1.000€, welcher für die Anschaffung eines Laptops und anfallende Fahrtkosten gedacht ist. Nach dem erfolgreichen Abschluss des Stipendiums erhalten die Schülerinnen und Schüler zudem ein Zertifikat über ihre Teilnahme. In der aktuellen Förderperiode ist der Anmeldeschluss der 1. Oktober 2018 und folgende Themen können bearbeitet werden: Aerosole - Winzige Partikel mit großer Wirkung; Simulation und einfach Analyse von Kollisionsdaten der Hochenergiephysik; Einblicke in unseren Körper durch Computertomographie; Chemie-Klimasimulationen mit EMAC; Simulation von biologischen Zellen. Schülerinnen und Schüler sollten folgende Unterlagen bei der Kontaktadresse schriftlich oder elektronisch per E-Mail an CAMMP@SCC.kit.edu einreichen: ausgefüllter Bewerbungsbogen; Ein Empfehlungsschreiben einer Lehrkraft von der Schule, die den Schüler/die Schülerin unterstützt und CAMMP als Ansprechpartner zur Verfügung steht. Dieses dient dazu den Schüler/die Schülerin besser kennenzulernen.; Zeugniskopie; Lebenslauf

Erschienen: 13.09.2018
Dauer: 23:45

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Lerntheken

Modellansatz 178

Gemeinsam geht vieles besser. Auch deshalb reden wir im Podcast über Mathematik oder darüber wie wir Mathematik lernen bzw. unterrichten möchten. Im Internet setzen sich solche Gespräche manchmal fort. In der Netzgemeinschaft rund um den Podcast hat Gudrun Jan-Martin Klinge gefunden - oder genauer sein Blog Halbtagsblog. Dort finden sich seine Beobachtungen aus dem Alltag als Lehrer für Mathematik, Physik und Arbeitslehre in einer Gesamtschule in Raum Siegen. Dabei mischt sich ganz natürlich privates mit unterschiedlichen beruflichen Aspekten, denn es ist seine persönliche Reflektion über das was gelingt, erzählenswert ist oder bedenkenswert. Schon bald hatte Gudrun den Wunsch, einen Aspekt daraus für den Podcast aufzugreifen, nämlich Jan-Martins ganz praktische Erfahrungen mit Lerntheken. Diese setzt er in der Sekundarstufe 1 vor allem im Mathematikunterricht ein. Wie von Gudrun im Stillen erhofft, war die generelle Bereitschaft zum Gespräch schnell und enthusiastisch erklärt und es musste "nur noch" ein passender Termin gefunden werden, was ein paar Monate dauerte. Aber am 24. August 2018 war es so weit: Gudrun kam am Siegener Hauptbahnhof an und in einem netten Café schräg gegenüber entstand die vorliegende Aufzeichnung. Wie bei allen Konzepten und Methoden gibt es Theorie und Praxis. Die Lerntheke an und für sich ist für Lehrende eine wohlbekanntes und vor allem im Unterricht für junge Schülerinnen und Schüler auch eine gut etablierte offene Unterrichtsform. Für sehr heterogenen Lerngruppen ist ihre größte Stärke, dass qua Konzept alle im eigenen Tempo unterwegs sein können. Und dass nicht nur eine Lehrperson vorn an der Tafel die Rolle hat, alles für alle erklären zu müssen, sondern auch Mitschüler diesen Platz einnehmen können und dabei ihre Hilfe an die Bedürfnisse des Gegenübers recht genau anpassen können. Außerhalb der Primarstufe ist das Konzept in der Praxis an deutschen Schulen jedoch eher in einer Nische zu Hause. Dafür gibt es viele und gut nachvollziehbare Gründe. Andererseits zeigen aber auch solche Beispiele, wie der Alltag in Jan-Martins Unterricht, dass es gut funktioniert. Durch das Beispiel lassen sich andere anstecken, es ähnlich oder genauso auch selbst zu probieren (aktuell hat der Blogbeitrag zu "Was sind Lerntheken" z.B. etwa 150 Antworten). Im Mathematik-Unterricht von Jan-Martin Klinge startet jedes Thema mit zwei bis drei "normalen" Mathematikstunden (also Frontalunterricht) in denen das Thema eingeführt wird. Anschließend arbeiten die Schülerinnen und Schüler einzeln oder in Gruppen mit Karten, auf denen konkrete Rechenaufgaben geübt, Probleme erforscht oder mathematische Spiele gespielt werden. Die Karten haben einen Farbcode, an dem man ablesen kann, ob es sich eher um einfache, mittelschwere oder komplexere Aufgaben handelt. Am Ende jedes Themas sollen die Kinder die mittelschweren Aufgaben bearbeiten können. Aber auch die, bei denen es richtig "Click" gemacht hat, haben genug Material (...)

Erschienen: 06.09.2018
Dauer: 54:50

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FPGA Seitenkanäle

Modellansatz 177

Vom 10. - 13. Mai 2018 fand im ZKM und in der Hochschule für Gestaltung (HfG) die GPN18 statt. Dort traf sich Sebastian mit Dennis Gnad, um mit ihm über Seitenangriffe auf Field Programmable Gate Arrays (FPGA) zu sprechen. FPGAs sind veränderliche Computerchips, die hervorragend bei der Entwicklung von logischen Schaltkreisen oder spezieller Glue Logic helfen, und kommen inzwischen auch als Rechenbeschleuniger zum Einsatz. Man kann FPGAs als Vorstufe zu Application-Specific Integrated Circuits (ASIC) sehen, auf denen Strukturen noch viel feiner, für höhere Taktraten und sparsamer abgebildet werden können, das Design aber um Größenordnungen teurer ist. Und während einem ASIC die Funktion ab Werk einbelichtet ist, können FPGAs nahezu beliebig oft zur Laufzeit umprogrammiert werden. Wie im Podcast zu digitalen Währungen erwähnt, spielen Graphical Process Units (GPUs), FPGAs und ASICs eine große Rolle bei Kryptowährungen. Hier ist ein einzelner FPGA-Chip beim so genannten Mining meisst nicht schneller als eine GPU, verbrauchen jedoch im Vergleich deutlich weniger Strom. Spezialisierte ASICs hingegen übersteigen in Effizienz und Geschwindigkeit alle anderen Lösungen. FPGAs finden sich aktuell in vielen Consumer-Produkten, wie dem Apple iPhone 7, im Samsung Galaxy S5, Smart-TVs und selbst auch der Pebble Smartwatch. Ihren besonderen Vorteil spielen FPGAs bei der Verarbeitung von großen Datenmengen wie Videodaten aus, da sie in der Parallelisierung nur durch den verfügbaren Platz beschränkt sind. Die Beschreibung von FPGAs und ASICs, oder deren Programmierung, erfolgt eher strukturell in Hardwarebeschreibungssprachen wie Verilog oder VHDL. Diese Beschreibungen unterscheiden sich sehr von imperativen Programmiersprachen, wie sie oft für CPUs oder GPUs verwendet werden. Es werden in logischen oder kombinatorischen Blöcken Daten verarbeitet, die dann in Taktschritten von und in Datenregister übertragen werden. Die erreichbare Taktfrequenz hängt von der Komplexität der kombinatorischen Blöcke ab. Ein Beispiel für logische Blöcke können Soft-Cores sein, wo zukünftige oder nicht mehr erhältliche CPU-Designs in FPGAs zur Evaluation oder Rekonstruktion abgebildet werden. Eine Variante ist die Entwicklung in OpenCL, wo verschiedene Architekturen wie GPUs, CPUs und FPGA unterstützt werden. Für die effiziente Umsetzung ist dafür weiterhin großes Hardwarewissen erforderlich, und man kann nicht erwarten, dass Code für FPGAs ebenso auf GPU, oder umgekehrt CPU-Code in FPGAs darstellbar ist. Das Interesse von Dennis Gnad liegt bei den FPGAs darin, deren Daten, Logik oder Inhalte durch Seitenkanalangriffe in von den Entwicklern unvorhergesehener Art und Weise auszulesen. Ein Beispiel ist das Erkennen von Fernsehsendungen aus dem Stromverbrauch des Fernsehgeräts wie es auch schon im Podcast zu Smart Metern beschrieben wurde. Ebenso wurden schon Kryptoschlüssel aus Geräuschen einer CPU bestimmt. Mit Soundkarten kann man Funkuhren verstellen (...)

Erschienen: 16.08.2018
Dauer: 54:10

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Podcast "Modellansatz"
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