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2    Kompetenzbereiche, Inhaltsfelder und Kompetenzerwartungen

Die in den allgemeinen Aufgaben und Zielen des Faches beschriebene übergreifende fachliche Kompetenz wird ausdifferenziert, indem fachspezifische Kompetenzbereiche und Inhaltsfelder identifiziert und ausgewiesen werden. Dieses analytische Vorgehen erfolgt, um die Strukturierung der fachrelevanten Prozesse einerseits sowie der Gegenstände andererseits transparent zu machen. In konkreten Lern- und Anforderungssituationen werden beide Seiten miteinander verknüpft. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der gleichzeitige Einsatz von Können und Wissen bei der Bewältigung von Anforderungssituationen eine zentrale Rolle spielt.

Kompetenzbereiche repräsentieren die Grunddimensionen des fachlichen Handelns. Sie dienen dazu, die einzelnen Teiloperationen entlang der fachlichen Kerne zu strukturieren und den Zugriff für die am Lehr-/Lernprozess Beteiligten zu verdeutlichen.

Inhaltsfeldersystematisieren mit ihren jeweiligen inhaltlichen Schwerpunkten die im Unterricht der Sekundarstufe II verbindlichen und unverzichtbaren Gegenstände und liefern Hinweise für die inhaltliche Ausrichtung des Lehrens und Lernens.

Kompetenzerwartungen beschreiben die fachlichen Anforderungen und intendierten Lernergebnisse, die erreicht werden sollen.

Kompetenzerwartungen

  • beziehen sich auf beobachtbare Handlungen und sind auf die Bewältigung von Anforderungssituationen ausgerichtet,
  • stellen im Sinne von Regelstandards die erwarteten Kenntnisse, Fähigkeiten und Fertigkeiten auf einem mittleren Abstraktionsgrad dar,
  • ermöglichen die Darstellung einer Progression vom Anfang bis zum Ende der Sekundarstufe II und zielen auf kumulatives, systematisch vernetztes Lernen,
  • können in Aufgabenstellungen umgesetzt und überprüft werden.

Konkrete Lern- und Anforderungssituationen verknüpfen prozessbezogene und inhaltsbezogene Kompetenzerwartungen. Sie werden von den Lehrerinnen und Lehrern im Unterricht und im Rahmen der Absprachen der Fachkonferenz gestaltet. Prozesse und Gegenstände werden dort zusammengeführt und die intendierten Lernergebnisse und fachlichen Anforderungen konkretisiert.

Insgesamt ist der Unterricht in der Sekundarstufe II nicht allein auf das Erreichen der aufgeführten Kompetenzerwartungen beschränkt, sondern soll es Schülerinnen und Schülern ermöglichen, diese weiter auszubauen und darüber hinausgehende Kompetenzen zu erwerben.

2.1 Kompetenzbereiche und Inhaltsfelder des Faches

Der Beitrag des Faches Mathematik zur erweiterten Allgemeinbildung beschränkt sich nicht auf die Bearbeitung verbindlicher Inhalte, sondern zielt auf den Erwerb prozess- und inhaltsbezogener mathematischer Kompetenzen.

Kompetenzbereiche

Die Kompetenzbereiche Modellieren, Problemlösen und Argumentieren spiegeln die für das Fach charakteristischen Prozesse wider. Sie werden ergänzt durch die Kompetenzbereiche Kommunizieren und Werkzeuge nutzen, ohne die mathematisches Arbeiten nicht denkbar ist.

Kompetenzbereich Modellieren

Mathematik entwickelt sich im Wechselspiel von Theorie und praktischer Anwendung, sie trägt zum Verständnis und zur Gestaltung der uns umgebenden Welt bei. Das Modellieren ist der Prozess der Strukturierung von Sachsituationen, der Beschreibung außermathematischer Realität durch mathematische Begriffe und Zusammenhänge (Mathematisierung) sowie der Nutzung mathematischer Zusammenhänge zur Lösung realer Probleme, der anschließenden Interpretation des Ergebnisses und der Validierung des Modells.

Kompetenzbereich Problemlösen

Die mathematische Bearbeitung außer- oder innermathematischer Kontexte führt immer wieder zu Problemstellungen, die (zunächst) nicht schematisch oder in direkter Anlehnung an bekannte Muster und Verfahren bearbeitet werden können. Das Problemlösen ist der Prozess der Bearbeitung solcher Problemstellungen durch Erkunden, Lösen durch Anwendung heuristischer Strategien und Reflektieren von Lösungsansätzen.

Kompetenzbereich Argumentieren

Bei der Auseinandersetzung mit mathematischen Be­griffen und Gesetzmäßigkeiten werden immer wieder weitere Zusammenhänge vermutet oder entdeckt. Das Argumentieren umfasst das Begründen und Beweisen vermuteter mathematischer Zusammenhänge durch Rückgriff auf Bekanntes und die Regeln des mathematischen Schlussfolgerns sowie das Beurteilen von Argumentationsketten.

Kompetenzbereich Kommunizieren

Die individuelle mathematische Bearbeitung von Fragestellungen benötigt Möglichkeiten der verbalen und nichtverbalen Darstellung von mathematischen Begriffen und Zusammenhängen. Im sozialen Austausch müssen diese Darstellungen intersubjektiv nachvollziehbar sein und bestehende Konventionen berücksichtigen. Das Kommunizieren umfasst die Rezeption und die Produktion von Dokumentationen fachlicher Bearbeitungen sowie die Diskussion darüber. Für die Mathematik sind neben der verbalen Darstellung insbesondere die ikonische und die symbolische Darstellung von zentraler Bedeutung.

Kompetenzbereich Werkzeuge nutzen

Bei der mathematischen Bearbeitung komplexer Fragestellungen treten immer wieder Routinen auf, die an geeignete digitale und nichtdigitale Werkzeuge delegiert werden können. Dadurch kann die Bearbeitung auf den eigentlichen mathematischen Kern konzentriert werden. Dynamische und interaktive Werkzeuge unterstützen das Experimentieren, Simulieren, Erkunden von Situationen, Entdecken mathematischer Zusammenhänge, Gewinnen von Vermutungen, Kontrollierenvon Ergebnissen, Visualisieren von Sachverhalten und Präsentieren von Ergebnissen und dienen damit der Förderung des Verständnisses für mathematische Zusammenhänge. Sie erlauben es, größere Datenmengen zu verarbeiten und erweitern die Möglichkeiten, komplexe Probleme numerisch, graphisch und algebraisch zu bearbeiten.

Inhaltsfelder

Die folgenden Inhaltsfelder des Faches Mathematik strukturieren die fachlichen Gegenstände, die für einen allgemeinbildenden Mathematikunterricht in der gymnasialen Oberstufe relevant sind. Sie werden sämtlich anknüpfend an die in der Sekundarstufe I erworbenen Kompetenzen in der Einführungsphase grundgelegt und in der Qualifikationsphase spiralig fortgeführt.

Inhaltsfeld Funktionen und Analysis (A)

In vielfältigen Anwendungssituationen spielt die simultane Betrachtung zweier Größen eine besondere Rolle, wobei eine als von der anderen abhängig betrachtet wird. Funktionen sind mathematische Modelle für solche Zusammenhänge. Im Rahmen der Analysis wird die Beschreibung und Untersuchung funktionaler Zusammenhänge vertieft, indem die jeweils zueinander inversen Fragestellungen der Bestimmung von Änderungsraten (Ableitung) und der Rekonstruktion des Bestandes aus Änderungsraten (Integral) bzw. der Bestimmung von Tangenten an Kurven (Ableitung) und die Berechnung von Flächeninhalten unter Kurven (Integral) systematisch bearbeitet werden.

Inhaltsfeld analytische Geometrie und lineare Algebra (G)

Die Geometrie umfasst den quantitativen und den qualitativen Umgang mit ebenen und räumlichen Strukturen. Die Idee der Koordinatisierung ermöglicht deren vertiefte Untersuchung mit algebraischen Mitteln im Rahmen der analytischen Geometrie. Die Beschreibung mittels Vektoren erlaubt dabei den Rückgriff auf das universelle Handwerkszeug der linearen Algebra. Aus der Idee der Parametrisierung ergeben sich Beschreibungen für geometrische Objekte sowie für geradlinige Bewegungen im Raum. Nach der Metrisierung des Raumes mit dem Skalarprodukt lassen sich nicht nur Winkel-, Längen- und Abstandsmessungen durchführen, sondern auch die strategischen und rechnerischen Bearbeitungsmöglichkeiten für geometrische Fragestellungen erweitern.

Inhaltsfeld Stochastik (S)

Die Stochastik umfasst die Mathematik der Datenund des Zufalls, die durch das Auswerten von Stichproben und das Simulieren stochastischer Vorgänge verbunden sind. Stochastische Methoden ermöglichen es, viele Fragestellungen des Alltags rational quantitativ zu bearbeiten und Entscheidungen und Prognosen unter Unsicherheit zu treffen. Zufallsbedingte Phänomene können durch Wahrscheinlichkeitsverteilungen modelliert werden. Das Testen von Hypothesen ermöglicht es, diese Modelle hinsichtlich der gewählten Parameter zu beurteilen.

Vernetzung der Inhaltsfelder

Die Inhaltsfelder Analysis, analytische Geometrie und lineare Algebrasowie Stochastik sind nicht isoliert nebeneinander zu betrachten, vielmehr werden sie konzeptionell vernetzt (z. B. durch übergreifende Konzepte wie funktionaler Zusammenhang, Mittelwert, Kumulation, Iteration, Grenzwert). Wo möglich sollten fächerverbindende Aspekte, insbesondere im Zusammenhang mit Naturwissenschaften und Technik, aber auch den Sozialwissenschaften Berücksichtigung finden. Im Mathematikunterricht stehen realitätsbezogene Anwendungen gleichgewichtig und gleichwertig neben innermathematischen Fragestellungen. Schülerinnen und Schüler sollen zum Ende der Qualifikationsphase Fachkompetenzen erworben haben, die es ihnen ermöglichen, sowohl die Gemeinsamkeiten als auch die Besonderheiten der Inhaltsfelder zu identifizieren und die ihnen zu Grunde gelegten Konzepte flexibel zu nutzen.

Verknüpfung von Kompetenzbereichen und Inhaltsfeldern

Im Sinne erwarteter mathematischer Kompetenz ist prinzipiell jede Verknüpfung von fachlichen Prozessen und fachlichen Gegenständen denkbar und relevant. Dennoch muss der Unterricht nicht jede einzelne Verknüpfung explizit in den Blick nehmen, da weder einzelne Gegenstände an bestimmte Prozesse noch einzelne Prozesse an bestimmte Gegenstände gebunden sind. Es liegt in der Verantwortung der Fachkonferenzen und der Lehrerinnen und Lehrer fachliche Prozesse, fachliche Gegenstände und geeignete Kontexte in den schulinternen Lehrplänen und in konkreten Lern- und Anforderungssituationen so zu verknüpfen, dass den Schülerinnen und Schülern vielfältige Erfahrungen ermöglicht werden, Prozesse (Kapitel 2.2) mit den fachlichen Gegenständen in den unterschiedlichen Inhaltsfeldern (Kapitel 2.3 und 2.4) auszuüben, so dass ein kohärentes Bild fachlichen Handelns entsteht.

Mathematische Kompetenz auf der Grundlage dieses Kernlehrplans meint die Fähigkeit, mathematische Prozesse mit fachlichen Gegenständen der drei Inhaltsfelder ausüben zu können.

2.2 Kompetenzerwartungen in den prozessbezogenen Kompetenzbereichen

Die prozessbezogenen Kompetenzbereiche repräsentieren den Beitrag des Faches Mathematik in der gymnasialen Oberstufe zur erweiterten Allgemeinbildung und begründen damit neben ihrem Nutzen für den Alltag das Fundament für die allgemeine Studierfähigkeit der Schülerinnen und Schüler ebenso wie für andere berufliche Werdegänge. Die entsprechenden Kompetenzen entwickeln sich während der Auseinandersetzung mit den verbindlichen mathematischen Inhalten.

In der gymnasialen Oberstufe werden die prozessbezogenen Kompetenzen, die in der Sekundarstufe I grundgelegt wurden, aufgegriffen, gefestigt und bewusst gemacht. Durch die Verbindung mit neuen Inhaltsfeldern in zunehmend komplexen und kognitiv anspruchsvollen Lernsituationen werden diese Kompetenzen weiter vertieft, ausdifferenziert und miteinander vernetzt. Die dabei im Mathematikunterricht der gymnasialen Oberstufe in lerngruppenspezifischen Kontexten und Themen erworbenen übergreifenden Kompetenzen können Schülerinnen und Schüler auch in anderen Zusammenhängen und Situationen nutzen.

Im Folgenden werden die prozessbezogenen Kompetenzerwartungen für die gymnasiale Oberstufe insgesamt dargestellt.

MODELLIEREN

STRUKTURIEREN

Die Schülerinnen und Schüler

  • erfassen und strukturieren zunehmend komplexe Sachsituationen mit Blick auf eine konkrete Fragestellung,
  • treffen Annahmen und nehmen begründet Vereinfachungen einer realen Situation vor.

MATHEMATISIEREN

Die Schülerinnen und Schüler

  • übersetzen zunehmend komplexe Sachsituationen in mathematische Modelle,
  • erarbeiten mithilfe mathematischer Kenntnisse und Fertigkeiten eine Lösung innerhalb des mathematischen Modells,
  • ordnen einem mathematischen Modell verschiedene passende Sachsituationen zu.

VALIDIEREN

Die Schülerinnen und Schüler

  • beziehen die erarbeitete Lösung wieder auf die Sachsituation,
  • beurteilen die Angemessenheit aufgestellter (ggf. konkurrierender) Modelle für die Fragestellung,
  • verbessern aufgestellte Modelle mit Blick auf die Fragestellung,
  • reflektieren die Abhängigkeit einer Lösung von den getroffenen Annahmen.

PROBLEMLÖSEN

ERKUNDEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • recherchieren Informationen,
  • erkennen und formulieren einfache und komplexemathematische Probleme,
  • finden und stellen Fragen zu einer gegebenen Problemsituation,
  • analysieren und strukturieren die Problemsituation,
  • wählen heuristische Hilfsmittel (z.B. Skizze, informative Figur, Tabelle, experimentelle Verfahren) aus, um die Situation zu erfassen,
  • erkennen Muster und Beziehungen.

LÖSEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • entwickeln Ideen für mögliche Lösungswege,
  • nutzen heuristische Strategien und Prinzipien (z. B. Analogiebetrachtungen, Schätzen und Überschlagen, systematisches Probieren oder Ausschließen, Darstellungswechsel, Zerlegen und Ergänzen, Symmetrien verwenden, Invarianten finden, Zurückführen auf Bekanntes, Zerlegen in Teilprobleme, Fallunterscheidungen, Vorwärts- und Rückwärtsarbeiten, Verallgemeinern),
  • setzen ausgewählte Routineverfahren auch hilfsmittelfrei zur Lösung ein,
  • wählen Werkzeuge aus, die den Lösungsweg unterstützen,
  • wählen geeignete Begriffe, Zusammenhänge und Verfahren zur Problemlösung aus,
  • berücksichtigen einschränkende Bedingungen,
  • führen einen Lösungsplan zielgerichtet aus.

REFLEKTIEREN

Die Schülerinnen und Schüler

  • überprüfen die Plausibilität von Ergebnissen,
  • interpretieren Ergebnisse auf dem Hintergrund der Fragestellung,
  • vergleichen verschiedene Lösungswege bezüglich Unterschieden und Gemeinsamkeiten,
  • beurteilen und optimieren Lösungswege mit Blick auf Richtigkeit und Effizienz,
  • analysieren und reflektieren Ursachen von Fehlern,
  • variieren Fragestellungen auf dem Hintergrund einer Lösung.

ARGUMENTIEREN

VERMUTEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • stellen Vermutungen auf,
  • unterstützen Vermutungen beispielgebunden,
  • präzisieren Vermutungen mithilfe von Fachbegriffen und unter Berücksichtigung der logischen Struktur.

BEGRÜNDEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • stellen Zusammenhänge zwischen Begriffen her (Ober-/Unterbegriff),
  • nutzen mathematische Regeln bzw. Sätze und sachlogische Argumente für Begründungen,
  • verknüpfen Argumente zu Argumentationsketten,
  • nutzen verschiedene Argumentationsstrategien (direktes Schlussfolgern, Gegenbeispiele, indirekter Beweis),
  • berücksichtigen vermehrt logische Strukturen (notwendige/hinreichende Bedingung, Folgerungen/Äquivalenz, Und-/Oder- Verknüpfungen, Negation, All- und Existenzaussagen),
  • erklären vorgegebene Argumentationen und mathematische Beweise.

BEURTEILEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • erkennenlückenhafte Argumentationsketten und vervollständigen sie,
  • erkennenfehlerhafte Argumentationsketten und korrigieren sie,
  • überprüfen, inwiefern Ergebnisse, Begriffe und Regeln verallgemeinert werden können,
  • beurteilen Argumentationsketten hinsichtlich ihrer Reichweite und Übertragbarkeit.

KOMMUNIZIEREN

REZIPIEREN

Die Schülerinnen und Schüler

  • erfassen, strukturieren und formalisieren Informationen aus zunehmend komplexen mathematikhaltigen Texten und Darstellungen, aus authentischen Texten, mathematischen Fachtextensowie aus Unterrichtsbeiträgen,
  • beschreiben Beobachtungen, bekannte Lösungswege und Verfahren,
  • erläutern mathematische Begriffe in theoretischen und in Sachzusammenhängen.

PRODUZIEREN

Die Schülerinnen und Schüler

  • formulieren eigene Überlegungen und beschreiben eigene Lösungswege,
  • verwenden die Fachsprache und fachspezifische Notation in angemessenem Umfang,
  • wählen begründet eine geeignete Darstellungsform aus,
  • wechseln flexibel zwischen mathematischen Darstellungsformen,
  • dokumentieren Arbeitsschritte nachvollziehbar,
  • erstellen Ausarbeitungen und präsentieren sie.

DISKUTIEREN

Die Schülerinnen und Schüler

  • greifen Beiträge auf und entwickeln sie weiter,
  • nehmen zu mathematikhaltigen, auch fehlerbehafteten Aussagen und Darstellungen begründet und konstruktiv Stellung,
  • vergleichen und beurteilen ausgearbeitete Lösungen hinsichtlich ihrer Verständlichkeit und fachsprachlichen Qualität,
  • führen Entscheidungen auf der Grundlage fachbezogener Diskussionen herbei.

WERKZEUGE NUTZEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • nutzen Formelsammlungen, Geodreiecke, Zirkel, geometrische Modelle, grafikfähige Taschenrechner, Tabellenkalkulationen, Funktionenplotter, Dynamische Geometrie-Software und gegebenenfalls Computer-Algebra-Systeme,
  • verwendenverschiedene digitale Werkzeuge zum…
    …Lösen von Gleichungen und Gleichungssystemen,
    …zielgerichteten Variieren der Parameter von Funktionen,
    …Darstellen von Funktionen grafisch und als Wertetabelle,
    …grafischen Messen von Steigungen,
    …Berechnen der Ableitung einer Funktion an einer Stelle,
    …Messen von Flächeninhalten zwischen Funktionsgraph und Abszisse,
    …Ermitteln des Wertes eines bestimmten Integrales,
    …Durchführen von Operationen mit Vektoren und Matrizen,
    …grafischen Darstellen von Ortsvektoren, Vektorsummen und Geraden,
    …Darstellen von Objekten im Raum,
    …Generieren von Zufallszahlen,
    …Ermitteln der Kennzahlen statistischer Daten (Mittelwert, Standardabweichung),
    …Variieren der Parameter von Wahrscheinlichkeitsverteilungen,
    …Erstellen der Histogramme von Wahrscheinlichkeitsverteilungen,
    …Berechnen der Kennzahlen von Wahrscheinlichkeitsverteilungen (Erwartungswert, Standardabweichung),
    …Berechnen von Wahrscheinlichkeiten bei binomialverteilten und (auf erhöhtem Anforderungsniveau) normalverteilten Zufallsgrößen,
  • nutzen mathematische Hilfsmittel und digitale Werkzeuge zum Erkunden und Recherchieren, Berechnen und Darstellen,
  • entscheiden situationsangemessen über den Einsatz mathematischer Hilfsmittel und digitaler Werkzeuge und wählen diese gezielt aus,
  • reflektieren und begründen die Möglichkeiten und Grenzen mathematischer Hilfsmittel und digitaler Werkzeuge.

2.3 Kompetenzerwartungen und inhaltliche Schwerpunkte bis zum Ende der Einführungsphase

Der Unterricht soll es den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, dass sie – aufbauend auf einer heterogenen Kompetenzentwicklung in der Sekundarstufe I – am Ende der Einführungsphase über die in Abschnitt 2.2 dargestellten prozessbezogenen Kompetenzen und die im Folgenden genannten inhaltsbezogenen Kompetenzen in den inhaltlichen Schwerpunkten, die jeweils zunächst knapp umrissen werden, verfügen.

Inhaltsfeld Funktionen und Analysis (A)

Inhaltliche Schwerpunkte:
  • Grundlegende Eigenschaften von Potenz-, Exponential- und Sinusfunktionen
  • Grundverständnis des Ableitungsbegriffs
  • Differentialrechnung ganzrationaler Funktionen

KOMPETENZERWARTUNGEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • beschreiben die Eigenschaften von Potenzfunktionen mit ganzzahligen Exponenten sowie von quadratischen und kubischen Wurzelfunktionen,
  • beschreiben Wachstumsprozesse mithilfe linearer Funktionen und Exponentialfunktionen,
  • wenden einfache Transformationen (Streckung, Verschiebung) auf Funktionen (Sinusfunktion, quadratische Funktionen, Potenzfunktionen, Exponentialfunktionen) an und deuten die zugehörigen Parameter,
  • berechnen durchschnittliche und lokale Änderungsraten und interpretieren sie im Kontext,
  • erläutern qualitativ auf der Grundlage eines propädeutischen Grenzwertbegriffs an Beispielen den Übergang von der durchschnittlichen zur lokalen Änderungsrate,
  • deuten die Tangente als Grenzlage einer Folge von Sekanten,
  • deuten die Ableitung an einer Stelle als lokale Änderungsrate/Tangentensteigung,
  • beschreiben und interpretieren Änderungsraten funktional (Ableitungsfunktion),
  • leiten Funktionen graphisch ab,
  • begründen Eigenschaften von Funktionsgraphen (Monotonie, Extrempunkte) mit Hilfe der Graphen der Ableitungsfunktionen,
  • nutzen die Ableitungsregel für Potenzfunktionen mit natürlichem Exponenten,
  • nennen die Kosinusfunktion als Ableitung der Sinusfunktion,
  • wenden die Summen- und Faktorregel auf ganzrationale Funktionen an,
  • lösen Polynomgleichungen, die sich durch einfaches Ausklammern oder Substituieren auf lineare und quadratische Gleichungen zurückführen lassen, ohne digitale Hilfsmittel,
  • verwenden das notwendige Kriterium und das Vorzeichenwechselkriterium zur Bestimmung von Extrempunkten,
  • unterscheiden lokale und globale Extrema im Definitionsbereich,
  • verwenden am Graphen oder Term einer Funktion ablesbare Eigenschaften als Argumente beim Lösen von inner- und außermathematischen Problemen.

Inhaltsfeld Analytische Geometrie und Lineare Algebra (G)

Inhaltliche Schwerpunkte:
  • Koordinatisierungen des Raumes
  • Vektoren und Vektoroperationen

KOMPETENZERWARTUNGEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • wählen geeignete kartesische Koordinatisierungen für die Bearbeitung eines geometrischen Sachverhalts in der Ebene und im Raum,
  • stellen geometrische Objekte in einem räumlichen kartesischen Koordinatensystem dar,
  • deuten Vektoren (in Koordinatendarstellung) als Verschiebungen und kennzeichnen Punkte im Raum durch Ortsvektoren,
  • stellen gerichtete Größen (z.B. Geschwindigkeit, Kraft) durch Vektoren dar,
  • berechnen Längen von Vektoren und Abstände zwischen Punkten mithilfe des Satzes des Pythagoras,
  • addieren Vektoren, multiplizieren Vektoren mit einem Skalar und untersuchen Vektoren auf Kollinearität,
  • weisen Eigenschaften von besonderen Dreiecken und Vierecken mithilfe von Vektoren nach.

Inhaltsfeld Stochastik (S)

Inhaltliche Schwerpunkte:
  • Mehrstufige Zufallsexperimente
  • Bedingte Wahrscheinlichkeiten

KOMPETENZERWARTUNGEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • deuten Alltagssituationen als Zufallsexperimente,
  • simulieren Zufallsexperimente,
  • verwenden Urnenmodelle zur Beschreibung von Zufallsprozessen,
  • stellen Wahrscheinlichkeitsverteilungen auf und führen Erwartungswertbetrachtungen durch,
  • beschreiben mehrstufige Zufallsexperimente und ermitteln Wahrscheinlichkeiten mithilfe der Pfadregeln,
  • modellieren Sachverhalte mithilfe von Baumdiagrammen und Vier- oder Mehrfeldertafeln,
  • bestimmen bedingte Wahrscheinlichkeiten,
  • prüfen Teilvorgänge mehrstufiger Zufallsexperimente auf stochastische Unabhängigkeit,
  • bearbeiten Problemstellungen im Kontext bedingter Wahrscheinlichkeiten.

2.4 Kompetenzerwartungen und inhaltliche Schwerpunkte bis zum Ende der Qualifikationsphase

Der Unterricht soll es den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, dass sie – aufbauend auf der Kompetenzentwicklung in der Einführungsphase – am Ende der Sekundarstufe II über die in Abschnitt 2.2 dargestellten prozessbezogenen Kompetenzen und die im Folgenden genannten inhaltsbezogenen Kompetenzen in den inhaltlichen Schwerpunkten, die jeweils zunächst knapp umrissen werden, verfügen.

2.4.1 Grundkurs

Inhaltsfeld Funktionen und Analysis (A)

Inhaltliche Schwerpunkte:
  • Funktionen als mathematische Modelle
  • Fortführung der Differentialrechnung
  • Grundverständnis des Integralbegriffs
  • Integralrechnung

KOMPETENZERWARTUNGEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • führen Extremalprobleme durch Kombination mit Nebenbedingungen auf Funktionen einer Variablen zurück und lösen diese,
  • verwenden notwendige Kriterien und Vorzeichenwechselkriterien sowie weitere hinreichende Kriterien zur Bestimmung von Extrem- und Wendepunkten,
  • beschreiben das Krümmungsverhalten des Graphen einer Funktion mit Hilfe der 2. Ableitung,
  • interpretieren Parameter von Funktionen im Anwendungszusammenhang,
  • bestimmen Parameter einer Funktion mithilfe von Bedingungen, die sich aus dem Kontext ergeben („Steckbriefaufgaben“),
  • bilden die Ableitungen weiterer Funktionen:
    - Potenzfunktionen mit ganzzahligen Exponenten,
    - natürliche Exponentialfunktion,
  • bilden in einfachen Fällen zusammengesetzte Funktionen (Summe, Produkt, Verkettung),
  • wenden die Kettenregel auf Verknüpfungen der natürlichen Exponentialfunktion mit linearen Funktionen an,
  • wenden die Produktregel auf Verknüpfungen von ganzrationalen Funktionen und Exponentialfunktionen an,
  • beschreiben die Eigenschaften von Exponentialfunktionen und die besondere Eigenschaft der natürlichen Exponentialfunktion,
  • untersuchen Wachstums- und Zerfallsvorgänge mit Hilfe funktionaler Ansätze,
  • interpretieren Produktsummen im Kontext als Rekonstruktiondes Gesamtbestandes oder Gesamteffektes einer Größe,
  • deuten die Inhalte von orientierten Flächen im Kontext,
  • skizzieren zu einer gegebenen Randfunktion die zugehörige Flächeninhaltsfunktion,
  • erläutern und vollziehen an geeigneten Beispielen den Übergang von der Produktsumme zum Integral auf der Grundlage eines propädeutischen Grenzwertbegriffs,
  • erläutern geometrisch-anschaulich den Zusammenhang zwischen Änderungsrate und Integralfunktion (Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung),
  • bestimmen Stammfunktionen ganzrationaler Funktionen,
  • nutzen die Intervalladditivität und Linearität von Integralen,
  • bestimmen Integrale mithilfe von gegebenen Stammfunktionen und numerisch, auch unter Verwendung digitaler Werkzeuge,
  • ermitteln den Gesamtbestand oder Gesamteffekt einer Größe aus der Änderungsrate,
  • ermitteln Flächeninhalte mithilfe von bestimmten Integralen.

Inhaltsfeld Analytische Geometrie und lineare Algebra (G)

Inhaltliche Schwerpunkte:
  • Lineare Gleichungssysteme
  • Darstellung und Untersuchung geometrischer Objekte
  • Lagebeziehungen
  • Skalarprodukt

KOMPETENZERWARTUNGEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • stellen lineare Gleichungssysteme in Matrix-Vektor-Schreibweise dar,
  • beschreiben den Gauß-Algorithmus als Lösungsverfahren für lineare Gleichungssysteme,
  • wenden den Gauß-Algorithmus ohne digitale Werkzeuge auf Gleichungssysteme mit maximal drei Unbekannten an, die mit geringem Rechenaufwand lösbar sind,
  • interpretieren die Lösungsmenge von linearen Gleichungssystemen,
  • stellen Geraden und Strecken in Parameterform dar,
  • interpretieren den Parameter von Geradengleichungen im Sachkontext,
  • stellen Ebenen in Parameterform dar,
  • untersuchen Lagebeziehungen zwischen zwei Geraden und zwischen Geraden und Ebenen,
  • berechnen Schnittpunkte von Geraden sowie Durchstoßpunkte von Geraden mit Ebenenund deuten sie im Sachkontext,
  • deuten das Skalarprodukt geometrisch und berechnen es,
  • untersuchen mit Hilfe des Skalarprodukts geometrische Objekte und Situationen im Raum (Orthogonalität, Winkel- und Längenberechnung).

Inhaltsfeld Stochastik (S)

Inhaltliche Schwerpunkte:
  • Kenngrößen von Wahrscheinlichkeitsverteilungen
  • Binomialverteilung
  • Stochastische Prozesse

KOMPETENZERWARTUNGEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • untersuchen Lage- und Streumaße von Stichproben,
  • erläutern den Begriff der Zufallsgröße an geeigneten Beispielen,
  • bestimmen den Erwartungswert µ und die Standardabweichung σ von Zufallsgrößen und treffen damit prognostische Aussagen,
  • verwenden Bernoulliketten zur Beschreibung entsprechender Zufalls­experimente,
  • erklären die Binomialverteilung und berechnen damit Wahrscheinlichkeiten,
  • beschreiben den Einfluss der Parameter n und p auf Binomialverteilungen und ihre graphische Darstellung,
  • nutzen Binomialverteilungen und ihre Kenngrößen zur Lösung von Problemstellungen,
  • schließen anhand einer vorgegebenen Entscheidungsregel aus einem Stichprobenergebnis auf die Grundgesamtheit,
  • beschreiben stochastische Prozesse mithilfe von Zustandsvektoren und stochastischen Übergangsmatrizen,
  • verwenden die Matrizenmultiplikation zur Untersuchung stochastischer Prozesse (Vorhersage nachfolgender Zustände, numerisches Bestimmen sich stabilisierender Zustände).

 

2.4.2 Leistungskurs

Inhaltsfeld Funktionen und Analysis (A)

Inhaltliche Schwerpunkte:
  • Funktionen als mathematische Modelle
  • Fortführung der Differentialrechnung
  • Grundverständnis des Integralbegriffs
  • Integralrechnung

KOMPETENZERWARTUNGEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • führen Extremalprobleme durch Kombination mit Nebenbedingungen auf Funktionen einer Variablen zurück und lösen diese,
  • verwenden notwendige Kriterien und Vorzeichenwechselkriterien sowie weitere hinreichende Kriterien zur Bestimmung von Extrem- und Wendepunkten,
  • beschreiben das Krümmungsverhalten des Graphen einer Funktion mithilfe der 2. Ableitung,
  • interpretieren Parameter von Funktionen im Kontext und untersuchen ihren Einfluss auf Eigenschaften von Funktionenscharen,
  • bestimmen Parameter einer Funktion mithilfe von Bedingungen, die sich aus dem Kontext ergeben („Steckbriefaufgaben“),
  • bilden die Ableitungen weiterer Funktionen:
    - Potenzfunktionen mit rationalen Exponenten,
    - natürliche Exponentialfunktion,
    - Exponentialfunktionen mit beliebiger Basis,
    - natürliche Logarithmusfunktion,
  • deuten die Ableitung mithilfe der Approximation durch lineare Funktionen,
  • führen Eigenschaften von zusammengesetzten Funktionen (Summe, Produkt, Verkettung) argumentativ auf deren Bestandteile zurück ,
  • wenden die Produkt- und Kettenregel zum Ableiten von Funktionen an,
  • beschreiben die Eigenschaften von Exponentialfunktionen und begründen die besondere Eigenschaft der natürlichen Exponentialfunktion,
  • nutzen die natürliche Logarithmusfunktion als Umkehrfunktion der natürlichen Exponentialfunktion,
  • verwenden Exponentialfunktionen zur Beschreibung von Wachstums- und Zerfallsvorgängen und vergleichen die Qualität der Modellierung exemplarisch mit einem begrenzten Wachstum,
  • interpretieren Produktsummen im Kontext als Rekonstruktion des Gesamtbestandes oder Gesamteffektes einer Größe,
  • deuten die Inhalte von orientierten Flächen im Kontext,
  • skizzieren zu einer gegebenen Randfunktion die zugehörige Flächeninhaltsfunktion,
  • erläutern und vollziehen an geeigneten Beispielen den Übergang von der Produktsumme zum Integral auf der Grundlage eines propädeutischen Grenzwertbegriffs,
  • erläutern den Zusammenhang zwischen Änderungsrate und Integralfunktion,
  • bestimmen Stammfunktionen ganzrationaler Funktionen,
  • nutzen die natürliche Logarithmusfunktion als Stammfunktion der Funktion: x -> 1/x,
  • nutzen die Intervalladditivität und Linearität von Integralen,
  • begründen den Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung unter Verwendung eines anschaulichen Stetigkeitsbegriffs,
  • bestimmen Integrale numerisch und mithilfe von gegebenen oder Nachschlagewerken entnommenen Stammfunktionen,
  • ermitteln den Gesamtbestand oder Gesamteffekt einer Größe aus der Änderungsrate oder der Randfunktion,
  • bestimmen Flächeninhalte und Volumina von Körpern, die durch die Rotation um die Abszisse entstehen, mithilfe von bestimmten und uneigentlichen Integralen.

 

Inhaltsfeld Analytische Geometrie und lineare Algebra (G)

Inhaltliche Schwerpunkte:
  • Lineare Gleichungssysteme
  • Darstellung und Untersuchung geometrischer Objekte
  • Lagebeziehungen und Abstände
  • Skalarprodukt

KOMPETENZERWARTUNGEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • stellen lineare Gleichungssysteme in Matrix-Vektor-Schreibweise dar,
  • beschreibenden Gauß-Algorithmus als Lösungsverfahren für lineare Gleichungssysteme
  • wenden den Gauß-Algorithmus ohne digitale Werkzeuge auf Gleichungssysteme mit maximal drei Unbekannten an, die mit geringem Rechenaufwand lösbar sind,
  • interpretieren die Lösungsmenge von linearen Gleichungssystemen,
  • stellen Geraden in Parameterform dar,
  • interpretieren den Parameter von Geradengleichungen im Sachkontext,
  • stellen Ebenen in Koordinaten- und in Parameterform dar,
  • stellen geradlinig begrenzte Punktmengenin Parameterform dar,
  • untersuchen Lagebeziehungen zwischen Geraden und zwischen Geraden und Ebenen,
  • berechnen Schnittpunkte von Geraden sowie Durchstoßpunkte von Geraden mit Ebenen und deuten sie im Sachkontext,
  • deuten das Skalarprodukt geometrisch und berechnen es,
  • untersuchen mithilfe des Skalarprodukts geometrische Objekte und Situationen im Raum (Orthogonalität, Winkel- und Längenberechnung),
  • stellen Ebenen in Normalenform dar und nutzen diese zur Orientierung im Raum,
  • bestimmen Abstände zwischen Punkten, Geraden und Ebenen.

 

Inhaltsfeld Stochastik (S)

Inhaltliche Schwerpunkte:
  • Kenngrößen von Wahrscheinlichkeitsverteilungen
  • Binomialverteilung und Normalverteilung
  • Testen von Hypothesen
  • Stochastische Prozesse

KOMPETENZERWARTUNGEN

Die Schülerinnen und Schüler

  • untersuchen Lage- und Streumaße von Stichproben,
  • erläutern den Begriff der Zufallsgröße an geeigneten Beispielen,
  • bestimmen den Erwartungswert µ und die Standardabweichung σ von Zufallsgrößen und treffen damit prognostische Aussagen,
  • verwenden Bernoulliketten zur Beschreibung entsprechender Zufallsexperimente,
  • erklären die Binomialverteilung einschließlich der kombinatorischen Bedeutung der Binomialkoeffizienten und berechnen damit Wahrscheinlichkeiten,
  • beschreiben den Einfluss der Parameter n und p auf Binomialverteilungen und ihre graphische Darstellung,
  • nutzen die σ-Regeln für prognostische Aussagen,
  • nutzen Binomialverteilungen und ihre Kenngrößen zur Lösung von Problemstellungen,
  • interpretieren Hypothesentests bezogen auf den Sachkontext und das Erkenntnisinteresse,
  • beschreiben und beurteilen Fehler 1. und 2. Art,
  • unterscheiden diskrete und stetige Zufallsgrößen und deuten die Verteilungsfunktion als Integralfunktion,
  • untersuchen stochastische Situationen, die zu annähernd normalverteilten Zufallsgrößen führen,
  • beschreiben den Einfluss der Parameter µ und σ auf die Normalverteilung und die graphische Darstellung ihrer Dichtefunktion (Gauß’sche Glockenkurve),
  • beschreiben stochastische Prozesse mithilfe von Zustandsvektoren und stochastischen Übergangsmatrizen,
  • verwenden die Matrizenmultiplikation zur Untersuchung stochastischer Prozesse (Vorhersage nachfolgender Zustände, numerisches Bestimmen sich stabilisierender Zustände).
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