TU Berlin

Mathematisch naturwissenschaftliches Labor -- Mathesis

Worum geht es?

Wundert ihr euch  über den Namen dieser Veranstaltung? Wir würden uns wundern, wenn es anders wäre.

Eine Erläuterung zur Idee dieses Labors, die an dieser Stelle zu weit führen würde,  findet ihr auf dieser Seite

 

 

Es soll, in Kürze, um einen experimentellen, "praktischen" Zugang zur Mathematik und mathematischen Modellen in den Naturwissenschaften und der Technik gehen. Programmierung spielt in diesem Labor eine Rolle, aber nicht als Selbstzweck, sondern es vertritt häufig die Stelle von Experimenten.

Dictyostelium-Kolonie bei der Aggregation

Ein Beispiel aus der Biologie

Die Schleimpilze der Gattung dictyostelium bewegen sich normalerweise in großen Kolonien einzelner Zellen, die einen dünnen Film bilden, fort. Auf ein gewisses Signal hin rotten sich die Zellen aber zusammen. Das Bild zeigt eine Momentaufnahme, hier findet ihr einen kurzen Film.

Wie verständigen sich diese Zellen? Sie sehen nicht, hören nicht und senden wohl auch keine elektrischen Signale.  Tatsächlich verständigen sie sich chemisch, sie produzieren eine Substanz (cAMP) und reagieren auch auf diese.  Unten in der Themen Liste finden sich zwei mögliche Projektthemen, die sich auf dieses Phänomen beziehen.

Was heißt das konkret?

In diesem mathematisch-naturwissenschaftlichen Labor habt ihr Gelegenheit, euch in kleinen Gruppen an der Lösung selbst gewählter Probleme aus der Mathematik, den Naturwissenschaften und der Technik zu versuchen.   

Eine kleine Auswahl möglicher Probleme:

  • Chemotaxis-Modelle für das Verhalten der Schleimpilze (und anderer Mikroorganismen) untersuchen (u.a. durch Simulation).
  • Verfolgung der Spur einzelner Objekte (z.B. Schleimpilz-Amöben) in einer Filmsequenz ('tracking').
  • Wie beschreibt man Fisch- und Vogelschwärme. Modelle durch Simulation mit der Natur vergleichen.
  • Was ist Schall? Wie kann man ihn messen? Was kann man mit den Messdaten anfangen? Kann man an den Daten Vokale erkennen, Stimmen erkennen, Resonanzen erkennen...? Wie kann man Schall erzeugen (einen Synthesizer bauen)?
  • Ein Echolot bauen!
  • Nach welchen physikalischen Gesetzen bewegt sich ein Pendel, ein Doppelpendel, ein komplexeres System? Wie kann man ein solches System simulieren oder steuern?
  • Wie (und wie genau?) kann man die Bewegung eines Systems von Sternen und Planeten voraussagen?
  • Wie kann man aus Kamerabildern die Position eines Roboters ermitteln?
  • Ein Programm schreiben, das auf einer Photographie Gegenstände oder Gesichter erkennt.
  • Welche Gestalt haben Seifenhäute?  Wie beschreibt man die Krümmung von Flächen im Raum? Ausdrucken von Gips- oder Kunststoffmodellen interessanter Flächen auf dem 3D-Drucker des Instituts.
  • Wie lange werden Warteschlangen, wenn zufällig weitere Personen ankommen?  Wie beschreibt man einen Stau im Verkehr?
  • Wie kann man die Verteilung von Vermögen in einer Gesellschaft beschreiben und vergleichen?
  • Wie kann man ein Elektroenzephalogramm analysieren oder visualisieren?
  • Im Internet finden sich große öffentlich verfügbare Datenmengen aus der Physik, der Biologie, der Biochemie (DNA, Proteine),  Klimaforschung. Wie kann man daraus Erkenntnisse gewinnen ("machine learning")? 
  • Auch die ganzen Texte im Internet sind Daten. Wie kann man diese Texte klassifizieren,  Fälschungen entdecken, Übereinstimmungen finden?


Die Liste enthält bloß Beispiele. Ihr könnt euch eigene Probleme und Fragen überlegen, und anschließend an deren Lösung arbeiten. Laborleiter (Stefan Born), und Tutorin(Lysanne Passek) werden euch dabei mit Materialien, kleinen Einführungen etc. helfen. Dabei hilft uns, dass uns die Projekte, die ihr euch sucht, meistens selber interessieren.

Noch mehr Beispiele aus früheren Semestern findet ihr hier in der Form, in der die Studierenden sie dokumentiert haben, mal gut, mal weniger gut.

Bestandteile des 'mathematisch-naturwissenschaftlichen' Labors:

  • mit mathematischen Gegenständen experimentieren,
  • "wirkliche" Experimente in Zusammenarbeit mit anderen Laboren/Praktika durchführen, z.B. Grundpraktikum Physik, MINTgrün-Robotiklabor
  • mathematische Modelle verstehen (für die man sich die jeweils benötigte Theorie im Rahmen des Labors aneignet),
  • Simulationen, Steuerungen etc. programmieren, die auf diesen mathematischen Modellen beruhen (die dafür nötigen Grundkenntnisse im Programmieren in python werden ebenfalls im Labor vermittelt),
  • eure Arbeit dokumentieren in Protokollen, schriftlichen Ausarbeitungen und/oder Blogs, Wikis,
  • eure Arbeit den anderen Teilnehmerinnen und Teilnehmern in kleinen Vorträgen vorstellen,
  • auch über Sinn und Unsinn eurer Ergebnisse reden (- wer Objekte auf Bildern erkennt, kann damit Blutkörperchen unter dem Mikroskop zählen oder auch für Geheimdienste arbeiten! -)
  • euch gemeinsam mit mathematischen Rätseln befassen,
  • alles mögliche ausprobieren!


 

Ablauf

Das Labor findet Donnerstags von 14-18 Uhr statt.

Es beginnt mit einer drei- bis vierwöchigen Einführung in die Programmierung mit Python. Es ist aber zugleich eine Einführung ins Programmieren überhaupt. Auch Teilnehmer/innen, die noch nie programmiert haben, sollten dann in der Lage sein, mit anderen in einer kleinen Gruppe eigene Projekte zu verfolgen.

Das Labor wird begleitet von Tutorien, die Lysanne Passek betreut. Die Tutorientermine werden mit euch zusammen gefunden, so dass es möglichst vielen passt.  Besonders im Programmierkurs, aber auch später, ist es gerade für Anfänger hilfreich, dieses Angebot wahrzunehmen.

Dann findet ihr euch zu Gruppen zusammen, die selbst gewählte Projekte bearbeiten. Das ist ein ganz chaotischer Vorgang, da jedes Semester andere Studierende mit anderen Vorlieben bringt, aber es hat noch stets geklappt. Im Laufe des Einführungskurses werdet ihr Beispiele vergangener Projekte, aber auch Projektideen sehen und hoffentlich eine Ahnung davon bekommen, was alles möglich und in einem Semester realisierbar ist.

Den Rest des Semesters arbeitet ihr an euren Projekten, dazu gehören je nach Thema ganz verschiedene Tätigkeiten. Teils werdet ihr Quellen suchen oder euch Theorie aneignen, teils euch miteinander den Kopf darüber zerbrechen, was ihr eigentlich wollt, teils programmieren, teils euer Projekt organisieren.  Der Programmieranteil ist typischerweise recht hoch,  aber je nach Thema kann auch die theoretische Beschäftigung viel Zeit erfordern. Nicht alle von euch werden gleich viel Zeit in ihre Projekte stecken wollen,  aber je mehr Zeit ihr dem widmet, desto mehr lernt ihr dabei.

Wichtig ist, eure Projektarbeit durchgehend zu dokumentieren. Ihr werdet (in einer Wiki) jede Woche protokollieren, was ihr gemacht, gerne mit Beispielen, Codeschnipseln, Literaturhinweisen, Bildern.  Allmählich baut ihr aber auch eine strukturierte Dokumentation in der Wiki auf, die so gestaltet sein soll, dass nachfolgende Generationen von Studierenden verstehen, was ihr gemacht habt, und auf euren Projekten aufbauen können.

Schließlich stellt ihr im Labor eure Projektergebnisse vor. Es gibt auch die Möglichkeit, in einem großem Rahmen vor allen MINTgrün-Studierenden eure Projekte vorzustellen.

Bisher gab es in allen Semestern noch einen Block von drei Tagen in den Semesterferien, an dem es vielen Gruppen gelang, ihr Projekt abzuschließen oder noch ein bisschen weiter zu treiben.  Auch dieses Semester wird es einen Block geben, wenn es uns gelingt, einen Termin zu finden, zu dem die meisten können.

In den letzten  Jahren gab es immer wieder Gruppen, die an ihrem Thema im Sommersemester weiterarbeiten wollten.  Wer das möchte, hat automatisch einen Platz im Sommersemester (es zählt dann als ein weiteres Modul "Mathesis II".)

 

 

Zusammenfassung und wichtige Informationen

Kontakt:

Andrea Heilrath, E110, heilrath[at]physik.tu-berlin.de, 314-75820
Lysanne Passek, lysanne.passek[at]campus.tu-berlin.de

Für alle  Fragen:

  • schreibt uns eine Email oder ruft mich (A.H.) an

Termine im WiSe 2019:

Mathesis findet jeden

Donnerstag von 14-18 Uhr im E 124

statt, es wird aber zum Abschluss noch eine kleine Blockveranstaltung in der vorlesungsfreien Zeit geben.  Die Tutorientermine werdet ihr mit Lysanne zusammen festlegen.

Die zentrale Anmeldung und Bewerbung erfolgt über die MINTgrün Projektlaborwahl zum aktuellen Semester. Ihr braucht für ISIS eure tubit-Zugangsdaten, die ihr nach der Immatrikulation bekommt. 

Wer die Anmeldeprozedur über ISIS verpasst hat, möge sich einfach direkt bei mir (Andrea Heilrath) melden.

BEGINN 17.10.:

Der erste Termin ist ein Vorbereitungstreffen. Bringt dabei bitte euren Laptop mit, falls vorhanden.

Beim ersten Termin helfen wir euch, ein lauffähiges Python-System auf eurem Laptop zu bekommen, so dass es in der zweiten Woche richtig losgehen kann.  Mit der Benachrichtigung über den Laborplatz werdet ihr aber auch eine Anleitung zur Installation bekommen haben und unsere Hilfe vielleicht gar nicht mehr brauchen.  Ansonsten werden wir nur einige grundlegende Voraussetzungen fürs Programmieren klären.

Wer keinen Laptop hat, kann sich in der Laborzeit einen von uns leihen. Wir haben fünf Stück, und das hat bisher gereicht, da die meisten einen hatten.

Der ISIS-Kurs zum Labor ist HIER.

Für wen ist die Veranstaltung geeignet:

Studierende im Orientierungsstudium MINTgrün haben Vorrang. Interessent*innen aus anderen Studiengängen melden sich bitte direkt bei Andrea Heilrath.

Voraussetzungen:

  • Interesse und die Bereitschaft, intensiv zu arbeiten.
  • Jedes Vorwissen kann helfen, ist aber nicht unentbehrlich.

 

 

Zusatzinformationen / Extras

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