Zelllabor
Das Zelllabor ist eine interaktive Simulationsumgebung für zweidimensionale Zellautomaten. Auf einem toroidal verbundenen Raster werden alle Zellzustände synchron berechnet. Lernende können Zellen setzen, das Raster verschieben und zoomen, die Simulation starten, pausieren oder schrittweise ausführen sowie Startzustand, Zufallsdichte, Rastergröße und Geschwindigkeit verändern. Im visuellen 3×3-Regel-Editor legen Sie Zielzelle, räumliche Bedingungen, erlaubte Anzahlen lebender Moore-Nachbarn und den Folgezustand fest. Mehrere Regeln sind aktivierbar, sortierbar, editierbar und lokal als Regelset speicherbar; spätere passende Regeln haben Vorrang. Conways Game of Life steht als eingebautes Standard-Regelset bereit. Vollbildmodus, Tastaturkürzel und eine kurze Erläuterung des Torusmodells unterstützen das eigenständige Erkunden.
- Inhaltsart
- Simulation
- Lernniveau
- Sekundarstufe II
- Bearbeitungszeit
- ca. 25 Minuten
Lernziele
- Die Lernenden beschreiben den Aufbau eines zweidimensionalen Zellautomaten aus Raster, Zellzuständen und lokalen Regeln.
- Die Lernenden erklären, wie synchrone lokale Zustandsübergänge globale Muster erzeugen.
- Die Lernenden bestimmen die Moore-Nachbarschaft einer Zielzelle auf einem toroidal verbundenen Raster.
- Die Lernenden erstellen eigene Regeln mit Zielzustand, räumlichen Bedingungen, Nachbaranzahl und Folgezustand.
- Die Lernenden untersuchen und vergleichen die Auswirkungen von Startzustand, Regelreihenfolge und Regelbedingungen.
Interaktiver Inhalt
Bedienhinweise
Setze einzelne Zellen durch Klicken oder Tippen. Verschiebe das Raster durch Ziehen und ändere die Ansicht mit Mausrad, Pinch-Geste oder den Zoomtasten; über das Vollbildsymbol lässt sich das Raster vergrößert anzeigen. Starte oder pausiere die Simulation und beobachte Veränderungen wahlweise mit „Schritt“ Tick für Tick. In den Raster-Einstellungen kannst du Spalten, Zeilen, Zufallsdichte und Startzustand verändern oder das Raster leeren. Öffne im Bereich „Regeln“ vorhandene Regeln oder erstelle eigene. Prüfe insbesondere Zielzustand, 3×3-Muster, Nachbarzahlen und Ergebniszustand. Im Tab „Regelsets“ kannst du Conways Game of Life laden sowie eigene Regelsets speichern und erneut verwenden.
Didaktische Hinweise
Voraussetzungen
- Grundvorstellung zu Rastern und Koordinaten.
- Einfache Wenn-dann-Regeln lesen und formulieren können.
Typische Fehler
- Aktueller Zustand und Folgezustand der Zielzelle werden im Regel-Editor verwechselt.
- Zustandsänderungen werden als nacheinander statt als synchron innerhalb eines Ticks interpretiert.
- Die gegenüberliegenden Rasterränder werden nicht als verbunden berücksichtigt.
- Bei mehreren passenden Regeln wird übersehen, dass der spätere Treffer Vorrang hat.
- Die acht Moore-Nachbarn werden mit den frei platzierbaren Bedingungen des 3×3-Musterfensters gleichgesetzt.
Für den Unterricht
Als Einstieg eignet sich die Beobachtung des vorbereiteten Startmusters mit einzelnen Schritten: Die Lernenden benennen stabile, periodische und wandernde Veränderungen, ohne die Regeln zunächst zu öffnen. Anschließend untersuchen sie das Standard-Regelset und ordnen Geburt, Überleben und Sterben den beobachteten Zustandsübergängen zu. Ein möglicher Arbeitsauftrag ist, genau eine Regel gezielt zu verändern und die Auswirkungen auf dasselbe Startmuster zu prognostizieren und zu überprüfen. Zur Sicherung können die Lernenden ihre Regel als Wenn-dann-Satz formulieren und erklären, warum alle Zellen gleichzeitig berechnet werden müssen. Partnerarbeit unterstützt den Vergleich verschiedener Regelsets; zur Differenzierung können zunächst nur Nachbarzahlen verändert oder zusätzlich räumliche 3×3-Bedingungen eingesetzt werden. Als Transfer eignet sich die Entwicklung eines eigenen Regelsets, das ein begründetes gewünschtes Verhalten erzeugen soll.