WLAN-Fachchinesisch

WLAN in Schulen ist eine besondere Herausforderung. Wer trotzdem in seiner Schule ein WLAN aufbauen möchte, findet hier einige Hinweise und Erläuterungen zu technischen Funktionen, die man berücksichtigen sollte.

Access Point (AP) und Switch

Mittels Access Points wird das WLAN aufgespannt. Für große WLANs sind in der Regel mehrere APs notwendig. Die Verteilung der APs im Haus muss im Vorfeld gut geplant werden, damit eine optimale Netzabdeckung gewährleistet ist. Mit einer sogenannten Ausleuchtung kann eine optimale Standortbestimmung simuliert werden.

APs sollten mindestens  802.11n (300 Mbits/s) Standard haben, die nächste Generation 802.11ac (1300 Mbits/s) wäre zukunftsorientiert und damit wünschenswert. Für 802.11n reicht ein Fast Ethernet Backbone. APs mit dem 802.11ac Standard benötigen ein Gigabit Backbone. 10 Gigabit Backbones sind schon verfügbar,  aber technisch noch unausgereift und teuer.

Die Stromversorgung erfolgt über PoE (Power over Ethernet). Dafür benötigt man entsprechende Switche und Kabel vom Typ CAT-5e. Übernimmt ein Gigabit Switch (PoE) die Stromversorgung, so erhalten 802-11n APs über PoE IEEE 802.3af mit 15 Watt Ausgangsleistung 13 Watt. Das ist für 802.11ac APs nicht ausreichend. Sie benötigen PoE+ IEEE 802.3at. Das sind 30 Watt am Switch, wobei 25 Watt am AP ankommen. Gigabit Leitungen genügen noch für die allermeisten APs.

In Backbones mit einer CAT-5e-Installation können APs eine Reichweite von 50 – 60 Metern erreichen. Die Leistung hängt von der Güte der Verkabelung ab. Für die Internetanbindung sollte mindestens pro Client 1Mbit/s zur Verfügung stehen. Das reicht für E-Mail und Web-Dienste aus.

Die AP-Auswahl ist eine Systementscheidung, weil nur bei Geräten von einem Hersteller über einen Controller alle möglichen firmenspezifischen Funktionen zur Verfügung stehen und eine störungsfreie Arbeit gewährleistet ist. Große WLANs benötigen in der Regel Controller für die Konfiguration der APs und für ihre Überwachung. Hier gibt es separate Appliance (Blechkiste) oder virtuelle Maschinen. Hierzu sind APs von der Firma AeroHive eine interessante Alternative. Sie kommen ohne Controller aus.

Anmelden mit RADIUS/IEEE 802.1x

Remote Authentication Dial-In User Service (RADIUS) ist ein Authentifizierungsdienst für sich einwählende Clients. Dabei handelt es sich um ein Client-Server-Protokoll, das zur Authentifizierung, Autorisierung und zum Accounting von Benutzern bei Einwahlverbindungen in ein Computernetzwerk dient.

Die WPA2 Verschlüsselung wird durch WPA2-Enterprise ersetzt. Der Zugang für jeden Benutzer zum WLAN über individuelle Zugangsdaten (Credentials) gelöst. Ein gemeinsamer WLAN-Key muss damit nicht veröffentlicht werden, was eine ungewollte Weitergabe unmöglich macht.

Band-Steering

Band-Steering verbessert die Lastenverteilung im WLAN, indem es 5GHz-fähige Clients zwingt das 5GHz Band zu nutzen. Dabei überprüft ein Dual Radio AP, ob der entsprechende Client im 5GHz Bereich gesehen wurde. Ist das der Fall, verhindert der AP die Einwahl im 2,4 GHz Bereich und bewirkt damit die Einwahl im 5GHz-Bereich. Hier stehen dem Client mehr überlappungsfreie Kanäle zur Verfügung, die eine Verdopplung der Durchsatzrate ermöglichen. Gleichzeitig wird der 2,4GHz Bereich entlastet, was zu einer Kapazitätsverbesserung für die 2,4 GHz-fähigen Geräte führt.

DFS (Dynamic Frequency Selection)

Der DFS Mechanismus wird der von der europäischen Regulierungsbehörde ETSI für den Betrieb von WLAN-Geräten im 5-GHz-Frequenzbereich gefordert, wenn man im 5GHz Band alle in Deutschland vorgeschriebenen Kanäle nutzen will. In Deutschland sind das die Kanäle 52-64 (5,25 – 5,35 GHz) und 100-140 (5,47 – 5,725 GHz). Bei APs, die nicht über DFS verfügen, ist die Kanalbelegung auf die Kanäle 36-48 begrenzt. Damit erhöht DFS die Kanalverfügbarkeit und vermeidet gleichzeitig störende Überlappungen. DFS sorgt für einen automatischen Kanalwechsel, wenn ein AP auf dem aktuellen Kanal ein Funksignal fremder Systeme (z.B.: Wetterradar) erkennt.

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

Technologie, die mehrerer Sende- und Empfangsantennen zur drahtlosen Kommunikation nutzt. Damit lassen sich Qualität und Datenrate einer drahtlosen Verbindung deutlich verbessern.  Die MIMO-Technologie kann mehr bit/s pro genutzter Hz Bandbreite übertragen.

MIMO ist die Voraussetzung für die gleichzeitige Nutzung des 2,4 GHz und des 5 GHz-Bandes.

QoS (Quality of Service)

Der IEEE 802.11e Standard verbessert den Datenverkehr im WLAN, wenn es darum geht Multimedia-Inhalte abzuspielen oder andere Anwendung (VoIP) in Echtzeit zu nutzen. Unterschiedliche Arten von Datenpaketen werden vom AP bevorzugt bearbeitet, das heißt Video-Daten, Sprachinformation oder Musikdaten werden vom AP ohne spürbare Zeitverzögerung durchgereicht, was bei einem hohen Multimediaaufkommen dafür sorgt, dass die Anwendungen kontinuierlich laufen.

Roaming

Größere WLANs setzen sich in der Regel aus mehreren APs zusammen, deren Funkbereiche sich überlappen. Damit ist es möglich, dass sich Clients ohne Verbindungsunterbrechung zwischen den APs bewegen können. Diese Funktion bezeichnet man als Roaming (IEEE 802.11f). Für das Roaming gibt es mehrere Verfahren:

ESSID – Extended Service Set Identifier

ESSID (Extended Service Set Identifier) ermöglicht es. APs in einem bestimmten Subnetz mit der gleichen SSID auszustatten. Dabei ist es unabdingbar, dass die APs unterschiedliche Kanäle zugewiesen haben, so dass sich die Funkverbindungen nicht gegenseitig überlagern. Es würde keine Verbindung hergestellt werden.

WLAN-Roaming über IEEE 802.11f (IAAP)

Das Inter Access Point Protocol (IAAP) wäre eine andere Möglichkeit. Dabei teilen sich die APs gegenseitig Daten über die Clients mit.  Dies erfolgt über IAPP (Inter Access Point Protocol). Dadurch übernehmen die APs die Verbindung ohne Unterbrechung.

Das WLAN-Roaming unterliegt gewissen Einschränkungen. Bei zentraler Authentifizierungstechnik, wie 802.11x/Radius, stößt das Roaming an seine Grenzen, da sich ein Client beim Funkzellenwechsel neu einloggen muss. Dieses Problem lässt sich beheben, indem die Clientverwaltung auf einer höheren Schicht (OSI-Modell) durchgeführt wird. Damit können sich die APs untereinander absprechen, welche Benutzer angemeldet sind.

Ein weiteres Problem ist die Adressvergabe per DHCP auf. Innerhalb des Netzwerks darf nur ein DHCP-Server installiert sein. Die Access Points dürfen nur als DHCP-Relay-Agents agieren.

SSID – Multi SSID (Service Set Identifier)

Mit der SSID erhält das WLAN einen Namen. Nichtprofessionelle WLAN-Router verfügen in der Regel über eine SSID. Werden mehrere Netze benötigt, braucht man APs, die mehrere SSIDs (mehrere Namen) zur Verfügung stellen.  Nur so kann man mehrere Netze (Schüler, Lehrer, Gäste) getrennt voneinander aufbauen. Dabei reicht es, wenn APs mit 8 SSID-Modulen ausgestattet sind. Pro Modul sollte ein AP 64 Clients versorgen können.

VLAN – Netzsegmentierung

Über VLAN erfolgt die Netzsegmentierung. Damit lässt sich das WLAN in voneinander getrennte Netze (Schüler, Lehrer, Gäste) unterteilen.

Die Lichtreaktion der Photosynthese

NEU AUF BIOCLIPS.de sind Lernangebote zum Thema “Photosynsthese”. Die Seiten richten sich vor allem an Interessierte, die sich vertiefend mit dem Thema auseinandersetzen müssen. Das betrifft vor allem Schüler von Biologie Leistungskursen oder Studierende.

Die nachfolgend aufgeführten Themen werden besprochen und können von hier direkt angeklickt werden:

  1. Die Photosynthese findet in den Chloroplasten statt
  2. Die Lichtreaktion und die beteiligten Membranstrukturen
  3. Wie das Photosystem II mittels Licht Elektronen auf Plastochinon überträgt
  4. Wie der Cytochrom b6f – Komplex Elektronen auf das Photosystem I weiterleitet
  5. Wie Photosystem I mittels Licht Elektronen auf Ferredoxin überträgt und NADH reduziert wird
  6. Photophosphorylierung – wie ATP erzeugt wird

Über Verbesserungsvorschläge, Kritik oder andere Hinweise zur Verbesserung der Seiten würde ich mich freuen. Dazu bitte das Formular für Kommentare nutzen.

 

Schiefertafel oder Schreibheft

Ich hatte den ersten Kontakt mit ihr im Philanthropin in Schnepfenthal, der Wirkungsstätte von Basedow und Gutsmuths, die durch ihre Arbeit Schule und Körpererziehung im deutschsprachigen Raum mit prägten. Hier lag sie in einem Schauschrank: die Schiefertafel. Seit dieser Zeit erster reformpädagogischer Anstrengungen – und das sind über 200 Jahre – haben Generationen von Schülern auf ihr das Schreiben und Rechnen gelernt. Damit war die Schiefertafel ein Erfolgsmodell: sie war billig, einfach zu handhaben und vor allem leicht.

In den 60iger Jahren sollte sie durch das Schreibheft ersetzt werden. Und selbstverständlich gab es genügend Lehrkräfte, die sich warnend gegen eine Einführung erhoben. Aber es hat sich durchgesetzt, das Schreibheft, trotz aller Widerstände.  Es füllt heute mit Heftern, Arbeitsblättern und Büchern die Schultaschen der Schüler, die sich wie Sherpas am Mount Everest in Richtung Schule bewegen. Moderne Schultaschen haben heute die Dimension von Trekking-Rucksächen. Selbst mit modernen Kunststoffen ist es nicht möglich, das Ranzengwicht unserer Großeltern zu erreichen. Meine Großeltern konnten noch über längere Strecken in die Schule rennen, um nicht zu spät zu kommen. Das schaffen heute nur gut durchtrainierten Schüler, wenn sie an ihre physischen Grenzen gehen. Sie sind dann zwar pünktlich, am Unterricht teilnehmen können sie nicht mehr.

Mit dem Gewicht einer Schiefertafel kann heute ein Tablet das gesamte Gewicht von Heftern und Büchern in sich aufnehmen und sie können zudem noch mehr als eine Schiefertafel, die einem Tablet-PC erstaunlich ähnlich ist. Es verwundert deshalb nicht, das der Technikzwilling in Schulen langsam Einzug hält. Damit droht Schreibheften und Büchern das gleiche Schicksal wie der Schiefertafel. Sie haben ausgedient. Die gleichen Argumente, mit der man die Einführung der Schreibehefte verhindern wollte, sollen heute die Einführung der Tablet-PCs verhindern. Wenn sich die Geschichte wiederholen sollte, gäbe es bald keine Schülerhefte mehr und die Schüler hätten vielleicht wieder eine Chance nicht zu spät zukommen.

ATPase – die kleinste Turbine der Welt

ATP-SynthaseDie Kraft des Wassers wird vom Menschen schon seit Urzeiten genutzt. Der Wasserstrom treibt Wasserräder und Turbinen, die durch Rotationsbewegung Arbeit verrichten. In modernen Wasserkraftwerken wird angestautes Wasser genutzt, um riesige Turbinen in Rotation zu versetzen. Die Drehbewegung erzeugt Strom. Auf molekularer Ebene hat die Natur dieses Prinzip schon lange vor dem Menschen erfunden. Die ATP-Synthase ist eine solche molekularbiologische Erfindung, ein Wunderwerk der Natur, dessen Funktionsweise dem Wirkprinzip einer Wasserturbine gleicht.

Das Enzym kommt bei der Photosynthese und der Zellatmung zum Einsatz. Hier wird in der Zelle ATP hergestellt, der Energiewährung des Zellstoffwechsels. Angestaute Wasserstoff-Ionen versetzen einen Proteinring in Rotation. Die Drehbewegung wird dann genutzt, um enzymatisch aktive Proteine zu verformen. Das Verformen der Enzymkomplexe bewirkt, dass sich ADP und Phosphat zu ATP verbinden.

Es entsteht hier eine energiereiche chemische Verbindung, die für alle Lebewesen der universelle Energieüberträger in der Zelle ist.

Wer sich genaueres über die Funktionsweise der ATP-Synthase wissen möchte, erhält auf www.Bioclips.de mehr Informationen. Kommentiere die Seite, ein Feedback kann helfen, den Inhalt zu verbessern.

Mikroskopie und digitale Fotografie

Foto aus dem Jahr 2003Angeregt durch einen Beitrag in “Praxis der Naturwissenschaften” (Vgl. HAASE-MÜLLNER,LÜHTEN) habe ich bereits 2003 mit Schülern deren mikroskopische Arbeit mittels digitaler Fotografie dokumentiert. Begeistert war ich auch, weil damals der Kauf einer teuren Mikroskopkamera nun nicht mehr nötig war. Eine einfache Digicam, wie sie schon viele Schüler besaßen, reichte aus, um die dargestellten Präparate abzubilden. Große technische Kenntnisse waren nicht nötig, die Apparate arbeiteten weitestgehend automatisiert. Ein Einsatz im Unterricht war somit ohne große technische Vorbereitung möglich. Die Kamera konnte einfach auf das Okular eines Schülermikroskops aufgesetzt werden, dann wurde mittels Zoom das Bild eingestellt. Das mikroskokpische Bild musste vorher scharf gestellt sein. Fertig, das Foto geschossen, daraufhin ausgedruckt oder auf CD-ROM gebrannt. Vorher wurden die Bilder bei Bedarf mittels einer Bildbearbeitungssoftware beschriftet oder zur besseren Visualisierung digital bearbeitet, um sie als Anschauungsmittel konkreter Strukturen zu nutzen: Schüler und Lehrer können gleichzeitig das Bild betrachten.

Bei den Schülern hatte schon durch die Ankündigung “digitale Fotografie im Biologieunterricht” Neugier produziert. Dieses Interesse blieb während der Unterrichtsstunden erhalten und hat die Resignation gedämpft, die durch mangelndes zeichnerisches Können entsteht. Der technische Aufwand war  insgesamt betrachtet gering. Heute geht´s noch einfach. Fast jeder Schüler besitzt ein Smartphone und ist steht damit ohne jeglichen Aufwand zur Verfügung. Die integrierte Kamera macht erstaunlich gute Bilder. Wie ich finde, eine schöne Bereicherung für das Thema Zellbiologie.

Damit bleibt für mich, dass sich der Einsatz der digitalen Fotografie als Ergänzung zum mikroskopischen Zeichnen lohnt, aber auch das aus bekannten Gründen das Zeichnen auf keinen Fall seine Berechtigung verliert.

Weiterführende Literatur: Haase-Müllner, K.; Lüthen, H.: Digitale Mikrofotos – kinderleicht von Schülerhand.- In: Praxis der Nauturwissenschaften-BioS.- Heft 8/53 Jg.2003.

Mikroskopische Fotografie 2014

Auch in diesem Schuljahr sind wieder gute Fotos von mikroskopischen Präparaten gelungen. Es ist schon erstaunlich, was man mit IPhone & Co alles ablichten kann.

 

Bioanalytik für Einsteiger

“Das Buch ist unglaublich … keine langweilige Sammlung von Kochrezepten wie bei Analytikbüchern üblich, sondern ein Abenteuerroman… Eine Reise durch die Welt der Bioanalytik. An jeder Ecke eine Überraschung!”

Prof. i.R. Georges M. Halpern, University of California at Davis

bioanalytikBeim Lesen von Bioanalytik für Einsteiger war mir auf Seite 94 sofort klar, das musst du unbedingt auch machen. Professor Renneberg bespricht hier die Funktionsweise von Schwangerschaftsteststreifen und gibt gleichzeitig eine methodische Anleitung, wie man dieses Thema im Unterricht behandeln kann.

Freitag Nachmittag in der 8. Stunde verbarrikadiert sich die Klasse 10b hinter ihren Bänken. Das Unterrichtsthema beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Funktion von Antikörpern. Gemächlich nähern wir uns dem Stundenhöhepunkt. Das Uringlas mit der Pappschachtel auf dem Lehrertisch ist noch bedeutungslos.

Nach der Wechselwirkung zwischen Antigen und Antikörper, komme ich auf die hohe Spezifik von Antikörpern und deren Anwendung zu sprechen. Mit Antikörpern lässt sich das Schwangerschaftshormon einfangen. Das Uringlas in der linken Hand, die Pappschachtel mit dem Schwangerschaftstest in der Rechten, erkläre ich dessen Funktionsweise. Das wollen wir ausprobieren und dafür brauchen wir Urin. Die Wochenendstimmung ist weg, die Aufmerksamkeit der Schüler richtet sich auf das Uringlas. Der Gedanke Urinabgabe purzelt ins Bewußtsein, was eine gewisse Heiterkeit auslöst, die durch meine Frage nach einer Probantin für die Urinabgabe noch gesteigert wird. Das kann doch nicht sein, sehe ich die Schüler denken. Ich zeige keine Anzeichen für eine Rückzieher. Fordernd blickend, innerlich schmunzelnd, lasse ich die Zeit an der Spannung arbeiten. Niemand schaut mich an, niemand reagiert (Gott seid Dank!). Das Uringlas und ich verlassen den Raum…

Ich komme zurück, das Glas voll gelblicher Flüssigkeit. Teststäbchen rein, einige Minuten warten. Teststäbchen raus, die beiden Testlinien zeigen eine dunkelrote Einfärbung. Der Schwangerschaftsnachweis ist positiv. Der Mann ist schwanger, die Klasse tobt. Drei Minuten später haben sich die Schüler beruhigt. Kann man das noch steigern? Man kann. Zur Nachkontrolle kommt jetzt der Biosensor zum Einsatz, den jeder Medikus im Mittelalter immer bei sich hatte: die Zunge. Beim Ansetzen des Uringlases ist Grabesstille im Biologiefachraum, die Mundwinkel der Schülerschaft bewegen sich gleichzeitig nach unten. Schülerblicke betteln, bitte aufhören. Mir schmeckt der Apfelsaft, obwohl es Überwindung kostet, aus einem Uringlas zu trinken. Das scheint auch der Grund zu sein, warum nach der Auflösung, kein Schüler zu einer Geschmacksprobe zu bewegen war. Das kann man nicht besser machen, für Schüler unvergesslich. Übrigens, Herr Professor, da der Apfelsaft auch in Deutschland “schwanger” macht, kann es hoffentlich nicht an den Pestiziden liegen.

Wie auch Biotechnologie für Einsteiger ein tolles Buch, das ebenso viel Interessantes sowie Anregungen für den Unterricht bereit hält, jedem Lehrenden und Lernenden als Empfehlung.

Biotechnologie für Einsteiger

“Das Buch lässt mich wünschen, ich wäre wieder Student.”

Frederick Sanger, Nobelpreisträger 1958 und 1980

biotechMit der Formel “nützen und ergötzen” des Horaz lässt sich das Buch von Reinhard Renneberg umschreiben. Es lädt ein zu einer spannenden und überaus amüsanten Reise durch die Biotechnologie. Der Autor erzählt ihre Geschichte und erläutert auf eine sehr anschauliche Weise den aktuellen Wissensstand. Die Beiträge sind gespickt mit eine Fülle von Beispielen und Analogien: Jeder Schüler kennt den Reißverschluss als Replikationsgabel, didaktisches Prinzip “vom Nahen zum Entfernten”. Eine Studentin als Antikörper zu benutzen, ist eins von vielen Beispielen, mit denen der Autor die Biotechnologie verständlich macht. Das Antigen Studentin greift sich mit beiden Armen die Ohrläppchen zweier Studenten. Das Ohrläppchen ist das Epitop der Studenten-Antigene, die Antigen-Antikörper-Reaktion ist perfekt. Das ist lang erprobtes didaktisches Handwerk und das Buch ist voll davon, eine Pfundgrube für Schüler und Lehrer.

Reinhard Renneberg ist seit 1995 Professor für analytische Biotechnologie an der Hong Kong University of Science and Technology. Die wissenschaftlichen Illustrationen stammen von Draja Süßbier. Die Cartoons  sind von Chow Ming und einfach mal genial von Manfred Bofinger, der als Karikaturist und Kinderbuch-Illustrator den meisten Ostdeutschen noch heute bekannt ist: ABC-Zeitung, Frösi, Trommel, Magazin (Auflistung in entwicklungsbiologischer Reihenfolge).

Das Buch wurde ausgezeichnet mit dem Literaturpreis des Fonds der Deutschen Chemischen Industrie.

Drew Berry – die animierte Welt der Zelle

replikationDie Veranschaulichung biologischer Phänomene ist ein wichtiges didaktisches Prinzip für ein erfolgreiches Lernen. Ihr Wirken ist darauf gerichtet, dass sich Schüler eine Vorstellung erarbeiten, die nachhaltig im Gedächtnis verankert bleibt. Gerade bei zellulären und molekularen Funktionsmechanismen ist dies sehr schwierig, da sie unserer Wahrnehmung nicht direkt zugänglich sind. So lässt sich beispielsweise der molekulargenetische Mechanismus der Replikation in Lehrbüchern nachlesen und wird durch entsprechende schematische Darstellungen veranschaulicht, aber durch die statische Darstellung ist deren Erarbeitung mühselig und langwierig, bis man den Mechanismus verinnerlicht hat. Mit Lehrbüchern lässt sich deren Dynamik nicht nachbilden. Computeranimationen schaffen hier Abhilfe. Die sich selbst organisierende Zelle wird für unsere Sinne zum Leben erweckt, ein faszinierendes Schauspiel, das gleichzusetzen ist mit dem Wiederwecken der Dinosaurier in Jurrasic Park.

Absolute Spitzenleistung bei 3D-Animationsfilmen für zelluläre und molekulare Vorgänge zeigt uns der australische Zellbiologie Drew Barry. Die detailgetreuen Filme basieren auf auführlicher wissenschaftlicher Recherche und entsprechen dem Wissensstand der Forschung. Mit seinen Filmen fasziniert Barry sowohl Experten als auch Laien.

Während der TED 2011 in Sydney gibt Barry Einblick in seine Arbeit. Das muss man einfach gesehen haben. Für Schüler sind sie sicherlich nicht ganz verständlich, aber garantiert beeindruckend.

TED – Technologie, Entertainment, Design – Konferenz zum Ideenaustausch zwischen Wissenschaftlern auf unterschiedlichen Gebieten. Die TED wurde bekannt durch die TED-Talks-Website, auf der bis heute die besten Vorträge veröffentlicht werden. Die TED wurde 1984 von Richard Saul Wurman in Monterey, Kalifornien ins Leben gerufen und findet heute auch außerhalb der USA statt: Drew Berry: Animations of unseeable biology | Talk Video | TED.com.

Kreidezeit – Biotechnologie

Ich bin schon seit Langem ein Fan von “Kreidezeit”. Die analoge Tafel im digitalen Umfeld ist einfach genial und zeigt, dass die Kreidetafel noch lange nicht zum alten Eisen gehört. Wissenschaftler verschiedenster Institute erläutern hier Begriffe aus der Biotechnologie, Genetik uvm. Die Videos findet man auf dem Youtube-Kanal biotechgermany oder direkt auf www.biotechnologie.de