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Vorlesung
Spezielle Fachdidaktik
„Physik am Gymnasium“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Didaktik der Physik, Universität Augsburg
Gliederung
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Was ist Physikdidaktik?
Allgemeines zu Schülervorstellungen
Optik
Kinematik
Kraft
Didaktische Konzepte zur Mechanik
Weitere Mechanikforderungen
Karlsruher Physikkurs
Energie
Teilchenmodell
Wärmelehre
Druck
Atome und Quantenphysik
Elektrizitätslehre
Methoden zur Veränderung von Schülervorstellungen
Schülervorstellungen zum Lernen
Schülervorstellungen zur Physik
Methoden der Physik
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
Verweise auf Lehrbücher

Literatur zu Schülervorstellungen:
Müller, Wodzinski, Hopf:
Kircher, Girwidz,
Hopf, Schecker,
Schülervorstellungen in Häußler: Physikdidaktik.
Wiesner:
der Physik
Theorie und Praxis
Physikdidaktik kompakt
Kapitel 4 bis 7,
S. 29 - 62
Mikelskis (Hrsg.):
Physik-Didaktik,
2006
Kapitel 2.1,
S. 52-73
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Ganzes Buch
S. 581 - 606
Wilhelm,
LogosVerlag
Kapitel 2,
S. 5 – 29
Bleichroth, Dahncke, Jung,
Willer:
Kircher, Schneider:
Kuhn, Merzyn, Weltner:
Didaktik des Physikdidaktik in der
Fachdidaktik Physik
Physikunterrichts
Praxis
Kapitel 3.2.6,
S. 197 - 208
Kapitel 11,
S. 290 - 334
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
Kapitel 1,
S. 1 - 26
SS 2010
1. Was ist Physikdidaktik?

Was ist Physik?
Experimentalphysiker und theoretische Physiker entwickeln die
methodische Struktur der Physik, entwerfen die begriffliche Struktur der
Physik und schaffen die Grundlage für technische Anwendungen.

Was ist Didaktik?
Die Didaktik der Physik ist die Wissenschaft, die das Lehren und Lernen
von Physik zum Gegenstand hat. Sie beschäftigt sich mit der Frage, was
im Physikunterricht vermittelt werden soll, und allen Facetten der Frage,
wie diese Ziele erreicht werden können. Physikdidaktik ist eine
interdisziplinäre Wissenschaft; von besonderer Bedeutung sind Physik,
Technik, Pädagogik, Philosophie, Soziologie, Psychologie und
Geschichte. Man kann sagen, die Physikdidaktik gehört zur Pädagogik
bzw. zu den Erziehungswissenschaften und bezieht sich dabei auf die
Physik.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
1. Was ist Physikdidaktik?


Was ist Physik?
Was ist Didaktik?

Merke:
Didaktik im engeren Sinne = Ziele und Inhalte, WAS?
Methodik = Wege, Methoden, Medien, WIE?

Merke:
Didaktik im weiteren Sinne = Didaktik im engeren Sinne
+ Methodik
+ empirische Unterrichtsforschung
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
1. Was ist Physikdidaktik?


Es gibt drei Gruppen von Physikdidaktikern:
1. Fachwissenschaftlich orientierte Physikdidaktiker (nicht-empirisch)
2. Unterrichtlich orientierte Physikdidaktiker (empirisch)
3. Lernforschungsorientierte Physikdidaktiker (empirisch)
Aspekte physikdidaktischer Forschung:
1. Physikdidaktik betreibt Rekonstruktion von Fachsystematik.
2. Physikdidaktik bearbeitet das Verhältnis des Menschen zur Natur.
3. Physikdidaktik setzt sich mit technischen Entwicklungen
auseinander.
4. Physikdidaktik reflektiert gesellschaftliche Entwicklungen.
5. Physikdidaktik stellt Lebenswelt- und Alltagsbezug her.
6. Physikdidaktik und Bildungsziele.
7. Physikdidaktik entwickelt ein spezifisches Methodeninventar.
8. Physikdidaktik entwickelt, analysiert und kritisiert Medien.
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SS 2010
Weitere Gliederung



2. Allgemeines zu Schülervorstellungen
Konkrete Schülervorstellungen (und Unterrichtskonzepte):
 3. Strahlenoptik
 4. Kinematik
 5.-8. Dynamik/Kraft
 9. Energie
 10. Teilchenmodell
 11. Wärmelehre
 12. Druck
 13. Atome und Quantenphysik
 14. Elektrizitätslehre
 16. Lernen
 17.-18. Die Physik / Methoden der Physik
15. Methoden zur Veränderung von Schülervorstellungen
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Hinführung

Was sehen Sie hier?

Eigentlich sehen Sie nur weiße und graue Pixel.
Sie interpretieren dies und suchen eine einfache Erklärung.
Sinneseindrücken haben keine Bedeutung. Erst unser
Denken stellt diese her.
Genauso tun es Schüler. Ihre Erklärungen sind dabei
anders als die der Physik, einfacher und einleuchtender.
Schüler kommen nicht als „tabula rasa“ (leere Blätter) in den
Physikunterricht!



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Hinführung

Zunächst typische
Aufgaben aus
Schülertests

Bitte allein beantworten
(nur für Sie selbst!)
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2. Allgemeines zu Schülervorstellungen

2.1 Unterschiedliche Begriffe

Es gibt unterschiedliche Begriffe mit verschiedenen Wertungen bzw.
aus verschiedenen Sichtweisen:




„Fehlvorstellungen“, „Fehlkonzepte“, „Spontanes Denken“, „intuitive
Physik“ sind z.T. abwertend (Vorkenntnisse sind aber positiv).
„Schülervorstellungen“, „Schülervorverständnis“ weisen auf Schule hin.
Aber gleiche Vorstellungen bei Vorschulkindern und Erwachsenen.
„Vorverständnis“, „Denkrahmen“, „Präkonzepte“ sind neutrale Begriffe.
„Alltagsvorstellungen“, „Alltagstheorien“ liefern eine Erklärung und geben
positiven Wert.
Am häufigsten: „Schülervorstellungen“, „Alltagsvorstellungen“.
 Inhalt: Vorstellungen über physikalische Begriffe und ihre Beziehungen
und allgemeine Denkrahmen (Vorstellungen über Gegenstände, Ziele,
Methoden der Physik) und Interessen und Einstellungen.
 Wir machen uns Vorstellungen über die Vorstellungen der Schüler.

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2. Allgemeines zu Schülervorstellungen

2.2 Ursachen von Schülervorstellungen

Die Phänomene der Physik entstammen unserer Alltagswelt und
unser Denken stellt Zusammenhänge her.

Alltagstheorien reichen zur Erklärung alltäglicher Phänomene aus
(kontextabhängige Wahrheiten) und sind eine beachtliche Leistung
(z.B.: Fahrrad v ~ F, schwere Körper fallen schneller als leichte).

Die Alltagssprache bewahrt überholte Vorstellungen (z.B. Kraftwerk).

Auch der Physikunterricht weckt Vorstellungen, die den
physikalischen Vorstellungen zuwiderlaufen
( hermeneutische Zirkel)

Häufig: Schüler denken vorunterrichtlich, verwenden aber das
kennen gelernte physikalische Vokabular, d.h. der Unterricht macht
aus Präkonzepten häufig Misskonzepte.
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2. Allgemeines zu Schülervorstellungen

2.3 Eigenschaften von Schülervorstellungen

Begriffe sind in den Schülervorstellungen (wie in der
Umgangssprache) Sammelbegriffe, deren Bedeutung sich erst im
Kontext formt.

Schüler besitzen gleichzeitig vielfältig und widersprüchliche
Vorstellungen (Erklärungsvielfalt) bzw. sie werden spontan erzeugt.

Schülervorstellungen sind z.T. sinnstiftend miteinander vernetzt
(Netz von Vorstellungen?).

Schülervorstellungen sind stabil und dauerhaft
(Probleme: Man sieht, was man glaubt. Wenn man Differenz
versteht, glaubt man es noch nicht).

Menschen möchten von ihren Ansichten möglichst wenig abweichen.
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2. Allgemeines zu Schülervorstellungen

2.4 Kompartmentalisierung von Schülervorstellungen

Wissenskompartmentalisierung = Wissen besteht aus
verschiedenen, separat gehaltenen, nicht-verknüpften Teilen.

Drei Arten:

Kompartmentalisierung von korrekten und inkorrekten Konzepten:
Korrekte und inkorrekte Konzepten bestehen nebeneinander, Schüler
springen zwischen beiden Erklärungskonzepten hin- und her
(Erklärungsvielfalt).

Kompartmentalisierung unterschiedlich korrekter Konzepte:
Unterschiedliche Konzepten, die miteinander verknüpft sind, wurden als
separate Wissenseinheiten erworben und gespeichert.

Kompartmentalisierung von Symbolsystemen und Dingen der
wirklichen Welt: Physik (Laborwelt, Formelmanipulation) hat nichts mit
der Alltagswelt zu tun.
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2. Allgemeines zu Schülervorstellungen

2.5 Bewertung nach Niveaustufen
Beim Lernen verändern sich die Schülervorstellungen. Ein Schüler
durchläuft evtl. mehrere Zwischenzustände, einen Lernpfad.
 Schülervorstellungen sind wie eine Theorie, die die Beobachtung
leiten. Hier gibt es verschiedene Kompetenzniveaus:





1. Alltagstheorien, wie sie zu Beginn des Unterrichts vorliegen (Ihre
Kenntnis haben für die tägliche Kommunikation soziale Bedeutung!).
2. Vorwissenschaftliche Theorie, durch den Unterricht veränderte
Alltagstheorie, aber nicht die wissenschaftliche Theorie.
3. Wissenschaftliche Theorie, wie sie günstigstenfalls im Unterricht
erwartet werden kann (Das ist nicht die volle Beherrschung der
physikalischen Theorie!).
0. Kritisch regredierte Theorie, der „physikalisch sprachlose Schüler“:
Der Schüler kennt die Unzulänglichkeit der Alltagstheorie, kann aber das
Fachkonzept nicht anwenden. So verliert er den Mut, darüber zu reden
(die Eingeschüchterten).
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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2. Allgemeines zu Schülervorstellungen

2.6 Allgemeine Schülervorstellungen

Intention bzw. Absicht




Aktivität und Ursache





Im sozialen bzw. rechtlichen Bereich wichtig.
Beispiele Schülervorstellungen: Motorkraft soll Auto beschleunigen,
Hammerwerferin will Hammer fortschleudern
Umgekehrt: Reibung oder Trägheit wollen Bewegung hemmen.
Im Alltag sucht man nach Ursachen für Ereignisse
In Physik sucht man nach Bedingungen für Veränderungen
Schülervorstellungen: Identifizieren eines Verursachers des Geschehens
Beispiel: Nur aktive Körper können Kräfte ausüben
Überwindungs- bzw. Gewinnvorstellung


Beispiel für Überwindungsvorstellung: Trägheit wird als Gegenkraft
gesehen, die überwunden werden muss.
Beispiel für Denkmuster Gewinnvorstellung: Kugel rollt in die Richtung
der stärksten Kraft, sie gewinnt.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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3. Optik


Gliederung:

1. Schülervorstellungen zur Optik

2. Traditioneller Optikunterricht

3. Das Frankfurter Optik-Konzept

4. Modellfreie Optik

5. Andere Optikkonzepte

6. Themen im bayerischen G8

(7. Ergänzung: Sichtbarmachen von Lichtstrahlen)
Zuerst typische Aufgaben aus Schülertests
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3.1 Schülervorstellungen zur Optik

Der Sehvorgang:

Fast alle Schüler der Grundschule (und z.T. noch später):





Licht macht hell und ermöglicht Sehen
(Hellsein = Umgebungslicht = Lichtbad)
Und man muss die Augen aufmachen
Offen bleibt: Verbindung Gegenstände - Augen
Bei Lichtbadvorstellung ist die Schattenbildung
nicht verstehbar!
Bei 13- bis 14-Jährigen:



Lampen sind Lichtquellen, Licht tritt
geradlinig aus und beleuchtet Gegenstände
Schattenbildung wird verstanden.
Die physikalische Vorstellung, dass Licht vom
Gegenstand ins Auge fällt, wird nicht akzeptiert.
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3.1 Schülervorstellungen zur Optik

Der Sehvorgang:

Selten auftretend:





Entgegen anderen Behauptungen kommt die
„Sehstrahlvorstellung“ selten vor.
Demnach sehe ich, weil ich hinschaue.
Im Alltag: „Einen Blick auf etwas werfen“
Supermans Röntgenblick
Die physikalische Sicht:



Licht wird von Gegenständen teils absorbiert,
teils gestreut (= „diffus reflektiert“).
Bezüglich Sehen ist kein Unterschied zwischen
selbstleuchtenden und beleuchten Gegenständen.
Schüler kommen nicht von selbst zu dieser
Einsicht und lehnen sie häufig ab.
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3.1 Schülervorstellungen zur Optik

Vorstellungen zum Spiegel:

Er wirft Licht zurück, es blendet.

Das Spiegelbild liegt auf der Spiegeloberfläche!

Reflexion und Spiegelbild
sind verschiedene
unverbundene Themen.

Häufige Fehlvorstellung:
Spiegel vertauscht links
und rechts.

Richtig: Spiegel vertauscht
vorne und hinten, aber nicht
links und rechts.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
„Ein Spiegel
vertauscht
rechts und links!“
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3.1 Schülervorstellungen zur Optik

Vorstellungen zu Farben:








Gegenstände haben eine Eigenfarbe, die unabhängig vom
beleuchteten Licht ist, die durch Beleuchten sichtbar gemacht wird.
Trifft auf einen farbigen Gegenstand farbiges Licht, mischen sich die
beiden Farben.
Trifft auf einen farbigen Gegenstand farbiges Licht, dann deckt die
"kräftigere" Farbe die "schwächere" Farbe zu.
"Helle" Farben (gelb, orange) sind im Dunkeln sichtbar, "dunkle"
Farben (blau, violett) nicht.
Licht hat keine Farbe.
Licht kann verschiedene Farben haben, die sich beim Auftreffen auf
eine weiße Oberfläche zeigen.
Beim Durchgang durch eine farbige Folie wird das Licht durch die
Folienfarbe gefärbt.
Beim Auftreffen von Licht auf farbigen Oberflächen wird ein der
Oberflächenfarbe farbiges Licht erzeugt.
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3.1 Schülervorstellungen zur Optik

Vorstellungen zur Sammellinse als Brennglas:
Linse verstärkt das Licht; hinter der Linse ist mehr Licht.
 Hinter der Linse ist genauso viel Licht, aber konzentrierter (z.B. Kegel)


Vorstellungen zur Bildentstehung durch Linsen:
Spiegelung/Reflexion des Bildes durch die Linse.
 Objekt wird als Ganzes auf das Bild geworfen.
 Bei virtuellen Bildern: Bild liegt auf der Linsenoberfläche.
 Auch nach dem Unterricht häufig nicht vorhanden:



Gegenstandpunkt sendet Lichtkegel aus, der durch Linse auf einen Punkt
zusammen geführt wird (Punkt-zu-Punkt-Abbildung).
Folgerungen/Forderungen:
Sender-Empfänger-Vorstellung aufbauen, Lichtweg deutlich machen.
 Bei Linsen Lichtkegeln betrachten.

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3.2 Traditioneller Optikunterricht

Sekundarstufe I:
Strahlenoptik = geometrische Optik
 Grundlage: Modell Lichtstrahl


Oberstufe I:
Wellenoptik
 Grundlage: Modell Welle


Oberstufe II:
Licht als Teilchen (Photonen)
 Grundlage: Modell Teilchen

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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3.2 Traditioneller Optikunterricht

Früher in Mittelstufe:

Schwerpunkt auf strahlengeometrische Konstruktion
 Auch wichtig: Berechnungen bei optischen Abbildungen

Problem:
Schüler hören mit ihren Fehlvorstellungen (Licht als Lichtbad oder
Zustand)
 Verständnis für den Vorgang fehlt
 Von wo, wie, nach wo Licht geht, wird nicht deutlich gemacht, bleibt
unklar
 Konstruktionsstrahlen müssen keine abbildenden Strahlen sein.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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Problem

Unterschied:
Konstruktionsstrahlen:
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
abbildende Strahlen:
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3.3 Das Frankfurter Optik-Konzept






Ausgehend von bekannten Schülervorstellungen und
Lernschwierigkeiten (abgestimmt auf Klasse 7)
Sehr ausführliche Materialien (z.B. Hefte im Aulis-Verlag)
(Baukastensystem)
In einer breit angelegten Unterrichtserprobung empirisch
untersucht (Dissertation Herdt bei Prof. Dr. Dr. Wiesner)
Deutlich höhere Lernerfolge als im konventionellen
Unterricht!
Zentrum: Subjektiv wahrgenommene optische
Erscheinungen
Ziel: In das objektive System der Physik einordnen und
erklären  geometrische Strahlenoptik
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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3.3 Das Frankfurter Optik-Konzept

Vorgehen:

Erster Schritt: Untersuchung der Erscheinungen

Zweiter Schritt: Ermittlung des Weges des Lichtes vom Gegenstand
durch das optische System zum Auge (Richtung wichtig!)

Dritter Schritt: Strahlengeometrische Konstruktion von ausgesuchten
Bildpunkten, Verdeutlichen des Zusammenhangs
zwischensubjektiver Wahrnehmung und Konstruktion

Grundlegend: Leuchtfleck-zu-Bildfleck-Schema

Betont: Sender-Strahlungs-Empfänger-Vorstellung

Am Anfang sehr wichtig: Schülern Sehvorgang deutlich
machen, in diesem Zusammenhang Streuung sehr wichtig.
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3.3 Das Frankfurter Optik-Konzept

Merksatz:


Die Sonne, die Lampe, die Kerze, ... strahlt Licht nach allen Seiten
ab. Ein Teil des Lichtes fällt auf den Körper. Dadurch strahlt auch die
Oberfläche des Körpers wieder Licht ab, d.h. der Körper wird zu
einem Zwischensender von Licht. Fällt von dem Licht, das der
beleuchtete Körper abstrahlt, ein Teil in das Auge ein, entsteht dort
auf der Netzhaut ein Bild des Gegenstandes und der
Wahrnehmungsreiz wird ausgelöst.
Betonung des Gemeinsamen von primären und sekundären
Lichtquellen (Begriff: Zwischensender)
(Traditionell: Betonung der Unterschiede)

Verwendung von „Streuung“ statt „diffuser Reflexion“
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3.3 Das Frankfurter Optik-Konzept



Getestet in vergleichbaren Gruppen (9 Kontrollklassen, 6
Versuchsklassen) im Schuljahr 1988/89
Abschlusstest mit 20 Aufgaben und 40 Punkten
Durchschnitt:
Kontrollgruppe 9,9 Punkte,
Versuchsgruppe 23,8 Punkte
(signifikant)!

Schlechteste Versuchsklasse
besser als beste Kontrollklasse.

Versuchsgruppe nicht nur bei Streuung und Sehvorgang
überlegen, sondern auch bei Konstruktionsaufgaben.
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3.3 Das Frankfurter Optik-Konzept

Das Frankfurter Unterrichtskonzept ging in den bayerischen
G8-Lehrplan ein:
Optik in Jahrgangsstufe 7
 „Sehen“ als vorgeschriebenes Thema
 „Diffuse Reflexion“ nicht mehr im Lehrplan
 Keine Berechnungen mehr


Nachlesbar ist das Frankfurter Unterrichtskonzept u.a. in
den Hefte des Aulis-Verlags „Unterricht Physik“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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3.4 Modellfreie Optik


Ein anderes Optikkonzept (nicht konform zu bayerischen
Lehrplan)
Auch als phänomenologische Optik bezeichnet.
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3.4.1 Ausgangspunkt

Klassische Strahlenoptik des regulären Optikunterrichts:
Erklärung und Beschreibung optischer Sachverhalte mit Hilfe von
Lichtstrahlen.
 Das Objekt sendet Lichtstrahlen aus, das Auge empfängt (keine
Sehstrahlen!)
 Lichtstrahlen sind ein Modell und nicht sehbar!!
 Lösung im Experiment:



Streifender Lichteinfall eines Lichtfächers. D.h. es wird die Schnittlinie
zwischen einer Lichtebene und einem senkrecht dazu stehenden Schirm
sichtbar. Diese Schnittlinie wird dann als Lichtstrahl interpretiert.
Streuung



In Luft: Kreidestaub, Zigarettenrauch, vernebeltes Wasser von einem
Ultraschallwasserverdampfer oder Nebel aus einer Disco-Nebelmaschine
In Wasser: ein Tropfen Milch
Oder in Gelatineblock
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3.4.2 Im Anfangsunterricht




Verzicht auf das Modell „Lichtstrahl“
Beobachtung sehr wichtig, Wahrnehmung der Phänomene
Über den Blickweg eingeführter Lichtweg
”Prinzip Ameise”: Schüler sollen sich an den Ort der
Bildentstehung begeben. Von dort aus versuchen sie dann,
die Erscheinung aus der subjektiven Perspektive zu
beschreiben.
subjektive Experimente
 Handlungsschema ”Hell ist es, von wo aus ich Helles sehen kann”
 Erkenntnisgewinn aus eigenem Beobachten,
 unmittelbares Erleben von Phänomenen.

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3.4.3 Beispiel Prinzip Ameise
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3.4.4 Spiegel




Statt Reflexionsgesetz:
Spiegelwelt
1. Spiegelgesetz: Dinge in der
Spiegelwelt befinden sich
soweit hinter dem Spiegel, wie
die wirklichen Dinge vor dem
Spiegel sind.
2. Spiegelgesetz: Der Spiegel
vertauscht vorne und hinten.
Erneut keine Lichtstrahlen!
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3.4.5 Beispiel Doppelschatten
Experiment:


Erklärung mit Spiegelwelt:
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Erklärung der Strahlenoptik:
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3.4.6 Optische Hebung statt Brechung





Brechung ist ein Begriff der Strahlenoptik (Lichtstrahlen
werden gebrochen).
Stattdessen wird das Phänomen der optischen Hebung
beschrieben.
Unterscheidung zwischen einem Tast- und einem Sehraum
Statt Brechzahl nun Hebungszahl.
Unterscheidung zwischen einäugigem Sehen (Objekt nur
angehoben) und zweiäugigem Sehen (Objekt angehoben
und näher am Beobachter).
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3.4.6 Optische Hebung
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3.4.6 Optische Hebung
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3.4.7 Unterrichtskonzept


Optikcurriculum wurde im Laufe der achtziger und neunziger
Jahre an der Gesamthochschule Kassel und an der
Humboldt-Universität zu Berlin entwickelt.
Dreiteiliges Unterrichtskonzept: Anfangsunterricht (siehe
oben), Mittelstufe (siehe unten), Oberstufe (siehe unten)
Anfangsoptik: über den Blickweg eingeführter Lichtweg
 Mittelstufe: Betrachten von Lichtwegen von Sender zum Empfänger
durch optische Anordnungen (weder Strahlen- noch Wellenoptik)
(Nutzung des Fermat-Prinzips)
 Oberstufe: Zeigeroptik (mögliche Lichtwege zwischen Lichtquelle
und einem Beobachtungspunkt durch rotierende Zeiger vermessen,
um Lichtintensitäten zu ermitteln)

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3.4.7 Unterrichtskonzept
Drei verschiedene Zugänge:
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3.4.8 Bewertung

Modellfreie Optik (= phänomenologische Optik):

Konzept in anderen Bundesländern verwendet, z.B. Berlin

Konzept empirisch nicht überprüft!

Konzept hat Vorteile bei sehr speziellen Situationen

Kein Einführen in physikalisches Denken!

Modelle sind das Typische der Physik!

Anthroposophische Einflüsse (Anthroposophie = spirituelle,
esoterische Weltanschauung) ( Waldorfschulen)
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3.5.1 Die Fermatoptik

Reflexion:
Der Lichtweg zwischen zwei Punkten ist derjenige mit der kürzesten
geometrischen Weglänge
 Der Lichtweg zwischen zwei Punkten ist derjenige mit extremaler
geometrischer Weglänge.


Hebung:


Der Lichtweg zwischen zwei Punkten ist derjenige mit extremaler
optischer Weglänge.
Optische Abbildung:

Bei einer optische Abbildung gibt es zwischen dem
Gegenstandspunkt und dem Bildpunkt unendlich viele Lichtwege mit
der gleichen optischen Weglänge.
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3.5.2 Die Zeigeroptik in der Oberstufe

Ursprung:
Ursprung in einer populärwissenschaftlichen Darstellung der
Quantenelektrodynamik von Richard Feynman. Dort führt er Zeiger
ein, um optische Phänomene zu begründen, ohne die Frage nach
der genauen „Natur des Lichts” beantworten zu müssen.
 Von verschiedenen Didaktikern genutzt (siehe Schulbuch DornBader) (siehe PAKMA-CD des Schroedel-Verlags)


Im Gegensatz zur Fermat-Optik wird postuliert, dass alle
Lichtwege zur
Intensität an einem
bestimmten Punkt
beitragen.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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3.5.2 Die Zeigeroptik in der Oberstufe

Regeln:
a) Jedem Lichtweg wird ein Zeiger zugeordnet, der sich während der
Lichtausbreitung dreht. Wenn der Zeiger eine vollständige Drehung
durchgeführt hat, hat das Licht einen Weg zurückgelegt, der gleich
seiner Basislänge (Wellenlänge) ist.
b) Die Länge des Zeigers wird so gewählt, dass das Quadrat die
Wahrscheinlichkeit angibt, am Empfänger ein Photon zu registrieren.
c) Um die Intensität zu erhalten, müssen alle Zeiger wie Vektoren
addiert werden. Anschließend wird die Resultierende quadriert.
d) Bei mehreren Lichtwegen von einer Lichtquelle zum Empfänger
müssen alle Wege berücksichtigt werden, um das richtige Ergebnis
für die Intensität zu erhalten.
e) Jeder Lichtweg trägt vom Betrag gleich viel zum Ergebnis bei.
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3.5.2 Die Zeigeroptik in der Oberstufe

Bewertung der Zeigeroptik (mit Modell Lichtstrahl!):

In Baden-Württemberg verbreitet

Bewährt, in Schulbüchern wie Dorn-Bader

Kann bei der Quantenphysik wieder verwendet werden

In Bayern nicht im Lehrplan
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3.6.1 Themen in Bayern in Jgst.7

geradlinige Ausbreitung des Lichts
Lichtquellen, Lichtstrahl als Modellvorstellung, Lichtausbreitung und
„Sehen”
 Schattenbildung, Mondphasen, Sonnen- und Mondfinsternis


Bilder bei Spiegeln und Linsen
Reflexion, Spiegelbild
 Brechung, Abbildung durch Linsen, Konstruktion von reellen und
virtuellen Bildern
 Auge und Fehlsichtigkeit, Bildentstehung bei einem optischen
Instrument


Farben
spektrale Zerlegung von weißem Licht, Regenbogen
 Farbigkeit als Stoffeigenschaft, Farbwahrnehmung

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
3.6.2 Themen im bayerischen G8 in Jgst.11

Elektromagnetische Wellen





grundlegende Phänomene (Reflexion, Brechung, Interferenz,
Beugung, Polarisation); Huygens’sches Prinzip
stehende Wellen als Interferenzphänomen
Interferenz von Licht am Doppelspalt
Licht als elektromagnetische Welle
Beugungsgitter und Wellenlängenbestimmung von Licht,
elektromagnetisches Spektrum
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3.7 Sichtbarmachen von Lichtstrahlen

Übliches Modell in der Strahlenoptik: Licht breitet sich in
Form von Lichtstrahlen in einem homogenen Medium
geradlinig aus.
Lichtweg wird deutlich gemacht.

Aber: Licht ist unsichtbar!

Nur Licht, das ins Auge fällt, wird gesehen!
 Licht, das am Auge vorbeigeht, ist unsichtbar!


Zwei mögliche Lösungen:
1. Streuung durch Streuteilchen
 2. streifenden Lichteinfall eines Lichtfächers

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3.7.1 Streuung durch Streuteilchen



In Luft:

Kreidestaub

Zigarettenrauch

vernebeltes Wasser von einem Ultraschallwasserverdampfer

am besten Nebel aus einer Disco-Nebelmaschine!
Nebelmaschine:

für ca. 40 € im Elektronikhandel

am Effektivsten
Beispiele:

Spiegelanordnungen

Tripelspiegel

Michelson Interferometer
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3.7.1 Streuung durch Streuteilchen

In Wasser: ein Tropfen Milch in viel Wasser

Im Gelatineblock:
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3.7.2 Streifender Lichteinfall

Lichteinfall eines Lichtfächers

Schnittlinie zwischen einer Lichtebene und einem senkrecht
dazu stehenden Schirm sichtbar.

Schnittlinie wird als Lichtstrahl interpretiert.

Klassisch: Schlitzblende vor einer Glühbirne
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3.7.2 Streifender Lichteinfall

Beispiel mit Reuterlampe:

Viel Justierarbeit
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3.7.2 Streifender Lichteinfall

Auch mit monochromatischem Laserlicht möglich?

Laserstrahl muss in eine Richtung aufgeweitet werden!
Lösung: Glasrührstab ist eine Zylinderlinse mit sehr kleiner
Brennweite

(Brennpunkt = halber Radius hinter dem Stab).

Problem: Noch mehr Justierarbeit!
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3.7.2 Streifender Lichteinfall

Für Magnettafel erhältlich mit:
weißem Licht (Lichtfächer mit Schlitzblende)
 Laserlicht („Laser Ray Box“)


Bemerkungen:
Wenig Justierarbeit
 Hoher Preis


Preiswerter: die Laserwasserwaage
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3.7.3 Die Laserwasserwaage

Im Baumarkt: Laserwasserwaagen, um gerade Linien an die
Wand zu projizieren
Zylinderlinse vor einem roten Diodenlaser
 Öffnungswinkel des Lichtfächers recht groß

Linie

Schirm
er
s
La
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3.7.3 Die Laserwasserwaage

Der Standardversuch:
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3.7.3 Die Laserwasserwaage

Schutzbestimmungen:

In der Schule erlaubt:
Nur Laser der Klassen 1, 1M, 2 und 2M

Laser der Klasse 2 und 2M sind ungefährlich, wenn der Laserstrahl für maximal 0,25
Sekunden ins Auge leuchtet (durch den Lidschlussreflex sichergestellt)

M bedeutet, dass durch zusätzliche Optik die Intensität erhöht werden kann  Klasse
höher

Vorsicht bei ausländischen Billigstgeräten, die evtl. nicht richtig klassifiziert sind.

Punktförmige Laserpointer:
Leistung nicht über 1 mW!

Ein Testgerät einer Laserwasserwaage ohne punktförmigen Laser:




Leistung von kleiner als 3,5 mW und trotzdem erlaubt (Klasse 2M).
Durch die starke Aufweitung entspricht bei Abständen über 1 m sogar nur noch einem Laser
der Klasse 1, die als völlig sicher gilt.
Die Grenze von 1 mW muss aber eingehalten werden, falls die Zylinderlinse entfernbar ist.
Sogar für Schülerübungen geeignet. Hier besser nur Laserwasserwaagen verwenden,
die keinen punktförmigen Strahl erlauben.
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3.7.3 Die Laserwasserwaage

Brechung beim
Übergang Wasser –
Luft:
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3.7.3 Die Laserwasserwaage

Modell einer Glasfaser:
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3.7.3 Die Laserwasserwaage

180°-Umkehrprisma aus Fernglas:
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3.7.3 Die Laserwasserwaage

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Lichtstrahlen sichtbar zu
machen.

In Zeiten knapper Kassen ist die Verwendung einer
Laserwasserwaage eine attraktive Variante für
Brechungsversuche.

Einfacher Aufbau und gute Versuchsergebnisse

Verwendung von handelsüblichen Baumarktgeräten hilft, die
Kluft zwischen Physikunterricht und Alltagswelt zu
verringern.
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4. Kinematik


Die Mechanik beschäftigt sich mit Vorgängen, die den
Erfahrungen der Schüler besonders nahe stehen. Deshalb
hier besonders viele und stabile Schülervorstellungen.
Gliederung:









4.1 Schülervorstellungen zu Ort/Weg
4.2 Schülervorstellungen zur Geschwindigkeit
4.3 Geschwindigkeit in Schulbüchern
4.4 Schülervorstellungen zur Beschleunigung
4.5 Lehrervorstellungen über Schülervorstellungen
4.6 Beschleunigung in Schulbüchern
4.7 Messmöglichkeiten eindimensional
4.8 Messmöglichkeiten zweidimensional
Weiteres im Kapitel 5.
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4.1 Schülervorstellungen zu Ort / Weg

Keine klare Unterscheidung zwischen Ort (= Punkt im
Bezugssystem) und Weglänge (= Länge der Bahnkurve).

Folge der Überbetonung eindimensionaler Bewegungen
(Ort und Weg sind identische Größen bei eindimensionalen
Bewegungen, die beim Nullpunkt starten)

Erst bei zweidimensionalen Bewegungen sinnfällig
unterscheidbar.
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4.2 Schülervorstellungen zur Geschwindigkeit

Bedeutung von „Schnell“ / „langsam“ bereits elfjährigen intuitiv klar.

Alltag: Vektorielle Geschwindigkeit (=velocity) wird reduziert auf:
positive skalare Größe (Betragsgröße) (= Schnelligkeit, Tempo, speed)

Problem: Richtung äußert sich bei eindimensionalen Bewegungen
nur im Vorzeichen

Folge: Gleichförmige Kreisbewegung ist konstante Geschwindigkeit, also
keine Beschleunigung.

Es treten auch Probleme mit „gleicher Richtung“ auf.

Allgemeine Definition
ist nach dem Unterricht nicht bewusst,
sondern nur v  s / t (Folge des Unterrichts).

Keine Differenzierung zwischen Punktgrößen Ort/Zeitpunkt und
Intervallgrößen Weglänge/ Ortsdifferenz/ Zeitdifferenz


v  x / t
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.3 Geschwindigkeit in Schulbüchern

Wie elementarisiert man die formal-mathematische
Darstellung der Definition eines physikalischen Begriffes?

Aus Hochschullehrbuch: „Geschwindigkeit: v : lim x  dx .“
t 0 t
dt
 Bewertung:








Sehr abstrakt und komplex, höchste Allgemeinheit
Mathematisch anspruchsvoll: infinitesimale Darstellung
Physikalisch anspruchsvoll: Idealisierung der Momentangeschwindigkeit
Übliche Vereinfachung in der Schule (nur historisch bedingt, ungünstig!!)
ist die Reduktion auf eine Dimension:
x dx

v : lim
t 0 t
dt
Didaktische Forschungsarbeiten zeigen, eine bessere Vereinfachung ist:

kein Grenzwert und Reduktion auf zwei Dimensionen:  x
v :
t
x
:

v
Eine weitere Reduzierung (ungünstig!!) ergibt in beiden Fällen:
t
s
Wenn zusätzlich Start bei Null (ungünstige Vereinfachung!): v :
t
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.3 Geschwindigkeit in Schulbüchern

Wie wird die Geschwindigkeit traditionell unterrichtet?
Blick in ein Schulbuch 8. Jahrgangsstufe (1992)
 Blick in ein Schulbuch 11. Jahrgangsstufe (1996)


Wie könnte man es besser machen?


Blick in ein aktuelles Schulbuch 8. Jahrgangsstufe (Reusch)
Fazit:
In der Regel wird Geschwindigkeit als Tempo eingeführt.
 Kaum Bemühungen um Begriffsbildung
 Überbetonung von Rechnerischem und Gleichungen

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4.4 Schülervorstellungen zur Beschleunigung

Zuerst eine „einfache“ Schüleraufgabe: Siehe Arbeitsblatt!!

Alltag: Beschleunigung = Schnellerwerden
Aber kein Quotientenbegriff (Zeit wird zusätzlich angegeben)
Bilanzgröße (Vergleich Anfangs-/Endzustand). Folgen:






Große Beschleunigung wird mit großen Endgeschwindigkeiten assoziiert
Einen Zeitpunkt ist keine Beschleunigung zuordenbar, nur einem Zeitintervall
(z.B. höchster Punkt beim senkrechten Münzwurf)
Physik: Beschleunigung ist zweite Ableitung des Ortes nach der
Zeit.
Das ist der Erfahrung nicht so zugänglich.
Deshalb: Beschleunigung wird von den Schülern in seiner
Komplexität reduziert.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
4.4 Schülervorstellungen zur Beschleunigung






Drastischste Reduktion: a ~ v
 Kein prinzipieller Unterschied zwischen Beschleunigung und
Geschwindigkeit, nur verschiedene Formeln
Beispiel: Beschleunigte Bearbeitung eines Aktenstückes
Keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Bewegungsformen

a  v

a   v / t
Mehr Verständnis:
 Beschleunigung ist Änderung des Geschwindigkeitsbetrages
 Beschleunigung ist Änderung des Geschwindigkeitsbetrages pro Zeit



ist eine Zahl
(positive) Beschleunigung = schnellerwerden
negative Beschleunigung = langsamerwerden
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
v1
v1 v
a
v2
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4.4 Schülervorstellungen zur Beschleunigung


Die (falsche) Reduktion auf eine skalare Größe führt in der
Schule meistens kaum zu Problemen, da sich Körper meist
in positive Richtung bewegen.
Problem:
Bewegungen in negative Richtung: Schnellerwerden ist negative
Beschleunigung
 Zweidimensionales: Zentripetalbeschleunigung nicht verstehbar.
 Hier sogar Fehler in Lehrbüchern (z.B. Fadenpendel)





Physikalische Vorstellung: a  v / t
v1
v1
v
 Beschleunigung ist eine vektorielle Größe.
a
Sie hat eine Richtung.
Es ist nötig, von Anfang an zweidimensionale Bewegungen
zu betrachten!!
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.5 Lehrervorstellung über Schülervorstellung

Beschleunigungsgraphen bei eindimensionalen
Bewegungen:


46 % wählen richtig aus, dass nach Unterricht nur die Hälfte der
Schüler den richtigen Graph angeben kann.
Zweidimensionalen Bewegungen:
Weniger als 15 % der Schüler geben bei Kurvenfahrten mit
konstantem Tempo die Beschleunigung radial nach innen an.
 Nur von 4 % der Lehrer denken dies.
 49 % meinen, dass 50 bis 85 % der Schüler richtig sind.


Lehrer kennen Schwierigkeiten im Umgang mit Graphen,
wissen aber nicht von den Problemen bei
zweidimensionalen Bewegungen.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.6 Beschleunigung in Schulbüchern

Wie wird die Beschleunigung traditionell unterrichtet?


Blick in ein Schulbuch 11. Jahrgangsstufe (1996)
Wie könnte man es besser machen?

Blick in ein aktuelles Schulbuch 8. Jahrgangsstufe (Reusch)

Frage: Beschleunigung überhaupt in der Schule?

Tipps zum Umgang mit Graphen

Klassische und moderne Experimente
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.7 Messmöglichkeiten eindimensional
1. Messungen ohne Computer
1.1 Die Kröncke-Schwefelbahn
1.2 Der Zeitmarkengeber von Phywe
1.3 Der Zeitmarkengeber 1 von Leybold
1.4 Der Zeitmarkengeber 2 von Leybold
1.5 Messung mit Lichtschranken
1.6 Messung mit dem Tachogenerator
1.7 Messung mit dem Metronom
2. Messwerterfassung mit dem PC
2.1 Verschiedene Software
z.B. Cassy (Leybold),
PAKMA (Uni Würzburg),
DataStudio (Pasco),
Cobra/measure (Phywe),
Coach (CMA),
Lab Pro (Vernier),
CBL (Texas Instruments),
CorEx (Cornelsen
2.2 Verschiedene Sensoren
z.B. Ultraschallsensor, Messlaufrad,
Lasersensor, die PC-Maus
3. Videoanalyseprogramme
z.B. AVA (Uni Würzburg), Galileo (klett-Verlag),
measure Dynamics (Phywe), Viana (Uni
Essen), VideoAnalyzer (Schroedel), DiVA
(Uni Augsburg), Coach (CMA), Easyvid
(Heinrichs), ViMPS (Uni Mainz), David (Uni
München)
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4.8.1 Maus und Graphiktableau

Software nimmt Daten vom Windows-Maustreiber oder
direkt von serieller Maus.
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4.8.1 Maus und Graphiktableau
Vorteile:

Schülerübungen möglich.

Pfeile sind gleichzeitig mit eigener Bewegung zu sehen.
Nachteile:

Maus darf nicht verdreht werden
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4.8.2 Videoanalyse

Videos sind zweidimensional

Einfach: Folie auf Bildschirm

Software zur
Videoanalyse
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.8.2 Videoanalyse
Vorteile der Videoanalyse mit measure Dynamics:

Interessante Alltagsbewegungen
sind messbar.

Automatische Analyse.

Einfache Bedienbarkeit.

Darstellungen zu- und
wegschaltbar.

www.thomas-wilhelm.net/mD.htm
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.8.2 Videoanalyse
Einsatzmöglichkeiten mit
measure Dynamics:

Manuelle oder automatische
Analyse

Darstellung fertig analysierter
Videos

Export von Videos
als avi-Datei
mit allen Darstellungen
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.8.2 Videoanalyse
Vorteile:

Interessante Alltagsbewegungen messbar.
Nachteile:

Videoanalyseprogramme zeichnen keine Pfeile (außer
measure Dynamics).

Darstellung in PAKMA ist aufwändig.
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4.8.3 GPS-Empfänger

kostengünstige GPS-Geräte

Freeware-Software zum Download

Bahnkurve in Excel

Vektoren in PAKMA
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.8.3 GPS-Empfänger
Vorteile:

Weiterer Messbereich.
Nachteile:

Kosten: ca. 140 €.

Darstellung erst nach der Bewegung.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.8.4 Spurenplatte

Schwefelstaub auf Metallplatte, 50 Hz Wechselspannung
 Streifen im Abstand 0,01 s
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
4.8.4 Spurenplatte
Vorteile:

Für Schülerübungen ohne Computer geeignet.
Nachteile:

Pfeile sind selbst zu zeichnen

Darstellung erst nach der Bewegung.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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4.8.5 Vergleich
Maus und
Graphiktableau
Videoanalyse
GPSEmpfänger
Spurenplatte
Dezimeter
Meter
Hundert Meter
Dezimeter
Pfeile in
Echtzeit?
Ja (in PAKMA)
Nein, aber fast
(measure
dynamics)
Nein
Nein
Schülerübungen?
Ja (in PAKMA)
Ja (measure
dynamics)
Nein
Ja
Messbereich
Einfache und schnelle Handhabung nur in measure dynamics!
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
4.8.6 Spiel „Autorennen“
Verschiebungspfeil dürfen jeweils in jeder Richtung nur um
ein Kästchen größer oder kleiner werden.
Schüler erleben die
Folgen der begrenzten
Beschleunigung.
v x  1 und v y  1
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5. Kraft

Gliederung:









1. Schülervorstellungen zur „Kraft“
2. Lehrervorstellungen
3. Historische Informationen
4. Statik
5. Lehrpläne in Bayern
6. Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften
7. Problem Bezugssystem
8. Das dritte Newtonsche Axiom
9. Formulierung des Zweiten Axioms
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.1 Schülervorstellungen zur „Kraft“

Zuerst einige einfache Schüleraufgaben: Siehe zwei Kopien!

1. Der Clusterbegriff „Kraft“:






„Kraft“ ist in Umgangssprache ein Sammelbegriff, nicht scharf
definiert
Verschiedene Namen für gleichen Clusterbegriff:
Energie, Kraft, Schwung, Wucht, Stärke, Gewalt usw.
F = m  a ist eine Formel dafür, es kann auch weitere geben
Ein Körper kann „Kraft haben“, „Kraft ausüben“, „Kraft erfahren“,
Kraft speichern“, „Kraft verbrauchen“
Schüler sieht keinen Unterschied zwischen verschiedenen Begriffen,
er lernt nur, das richtige Wort/die richtige Formel zu verwenden.
Kraft hat mit Voraussetzung zur Wechselwirkung zu tun, nicht mit der
Wechselwirkung selbst: Kraft = Wirkungsfähigkeit.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.1 Schülervorstellungen zur Kraft

2. „Sich bewegende Körper haben Kraft“:






Sich in Bewegung befindende Körper besitzen Kraft (Wucht, Schwung).
Man spürt diese Kraft, wenn man getroffen wird.
Kraft beim In-Bewegung-Setzen erhalten und wieder abgebbar.
Kraft kann beim Stoß auf einen anderen übertragen werden.
Kraft ist annähernd „Energie“
oder „Impuls“.
3. „Für konstante Geschwindigkeit ist konstante Antriebskraft nötig“:




Für konstante Geschwindigkeit ist eine von außen wirkende Kraft nötig.
Geschwindigkeit ungefähr proportional zur antreibenden Kraft.
Ohne dies Kraft wird der Körper langsamer und kommt zur Ruhe.
Die Vorstellung entspricht unseren Erfahrungen in einer Welt mir Reibung.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.1 Schülervorstellungen zur Kraft

4. „Aktive Körper üben Kräfte aus, passive leisten Widerstand“:


Aktive Körper: belebte Körper, Körper in Bewegung / in Spannung,
magnetische Körper, evtl. schwere Körper
Passive Körper: ruhende Körper in entspannter, stabiler Lage

Aktive Kräfte haben Ziel und Richtung.
Passive Kräfte sind nur Hemmnisse (keine Kräfte) ohne Ziel und Richtung,
z.B. Reibung.

Beispiele:




Auto, Sprinter: aktiv, beschleunigen sich
Straße, Startblock: passiv, keine Kraft
Physik: Straße beschleunigt Auto
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.1 Schülervorstellungen zur Kraft

3. Newtonsches Gesetz wird auch im Unterricht nicht verstanden.

Ungeschickte Formulierungen wie „actio gleich reactio“, „Kraft gleich
Gegenkraft“ verleiten zu Einteilung in aktive Ursache und passive
Wirkung.

Schüler: beide Kräfte greifen am gleichen Körper an.

„Gegenkraft“ ist Widerstand des Körpers gegen von außen wirkende
Kraft.

Überwindungsvorstellungen: Für Beschleunigung muss von außen
wirkende Kraft größer sein als Gegenkraft/Trägheit des Körpers
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
Einschub: Der FCI-Test

International bekannter Test

Denkaufgaben zur newtonschen Mechanik

In Deutschland im Gegensatz zu USA wenig eingesetzt

In Würzburg zu Beginn des ersten und des zweiten
Semesters eingesetzt.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.2 Lehrervorstellungen über
Schülervorstellungen

In der Ausbildung etwas gehört:




Nach der Ausbildung:




Nichts: 18 %
Wenig: 55 %
Viel: 23 % (70 % unter 10 Dienstjahre)
Etwas gelesen: 51 %
Von Kollegen: 44 %
In Fortbildungen: 23 %
„Auf nach oben geworfenen Ball (Luftreibungskräfte außer Acht) wirkt
nach Verlassen der Hand nur Gewichtskraft“:
Unwahrscheinlich
weder/noch
wahrscheinlich
36 %
15 %
48 %
In Multiple-Choice-Test nach Unterricht 11. Klasse geben nur 5 % der
Gymnasiasten diese Antwort (FCI-Test von Wilhelm); sie ist also sehr
unwahrscheinlich, dass Schüler so antworten.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.2 Lehrervorstellungen über
Schülervorstellungen

Kräfte auf Buch, das auf Tisch liegt:
1. „Schüler sehen häufig keine Kräfte […].“
 2. „Schüler sehen nur die Gewichtskraft […].“
 Ergebnisse zu Beginn der Sek II: 1. 10 %, 2. 43 % (FCI, Wilhelm)
 Lehrer halten beides für wahrscheinlich: 73 % bzw. 83 % der Lehrer.


„Beginn SII: LKW größere Kraft auf PKW als umgekehrt “:
90 % halten es korrekterweise für wahrscheinlich. 

„LKW keine Kraft auf PKW: Zerdrückt, weil im Wege“:
Unwahrscheinlich
weder/noch
wahrscheinlich
54 %
23 %
22 %
Diese Vorstellung ist aber extrem unwahrscheinlich! 
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.2 Lehrervorstellungen über
Schülervorstellungen

Kraft-Graphen nach dem Unterricht:
Nur 30 % der Lehrer wählen richtigen Wert (nur ein Drittel der
Schüler richtig)
 70 % nehmen viel höheren Anteile an.


Golfballaufgabe (FCI-Tests):
Schüler: 80 % geben am Schuljahresbeginn und ca. 70 % am Ende
eine Abschlagskraft für den Flug an.
 Nur 5 % der Lehrer vermuten dies.
 29 % sehr optimistisch für das Schuljahresende, nicht für Anfang.
 62 % bei Schuljahresanfang und Ende optimistischere Ergebnisse.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.2 Lehrervorstellungen über
Schülervorstellungen

Lastwagen frontal auf PKW (FCI-Test)
Schüler: ca. 10 % am Beginn und von ca. 20 % am Ende richtig.
 Nur 9 % der Lehrer vermuten dies.
 36 % sehr optimistisch für das Schuljahresende, nicht für Anfang.
 53 % bei Schuljahresanfang und Ende viel optimistischere
Ergebnisse.




Lehrer halten das Auftreten von Schülervorstellungen für
seltener als es in Tests der Fall ist.
Vor allem bzgl. nach dem Unterricht sind sie optimistischer.
Mögliche Teil-Erklärungen: Erklärungsvielfalt, falsche
Aufgabenkultur
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.2 Lehrereinschätzung des
Mechanikunterrichts

Lehrplan 11. Jagst im G9 (= Kinematik und Dynamik)
wurden häufig als nicht realisierbar eingeschätzt (auch
unabhängig von der Zeitproblematik).

Unzufriedenheit mit den vielen Rechenaufgaben

Wenig Experimente

Vor allem fragend-entwickelnder Unterricht

Häufiger Einsatz von Rechenaufgaben („Einsetzaufgaben“).
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.2 Von Lehrern eingesetzte Elemente
113 bayerische Gymnasiallehrer zum Kinematik/Dynamikunterricht:
30 % sind der Meinung, dass zu viele Rechenaufgaben gemacht werden.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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5.3 Historische Anmerkungen

Zu den Inhalten von Newtons Schrift „Philosophiae naturalis
principia mathematica“ aus dem Jahre 1687: siehe Vortrag

Newtons Verständnis der ersten beiden Axiome:


2. Axiom: F  p (Für Impulsänderung ist eine Kraft hinreichend)

 F (Für Impulsänderung ist eine Kraft notwendig)
 1. Axiom: p
 Bei Newton: Kraft und Impulsänderung sind nicht das Gleiche.
 Erst Leibniz: Kraft und Impulsänderung sind dem Wesen nach gleich.


Heutiges Verständnis der ersten beiden Axiome:
2. Axiom ist die Definition der Kraft
 1. Axiom hat nur die Aufgabe, ein Inertialsystem zu finden, in dem
dann das 2. Axiom gilt.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.3 Historische Anmerkungen

Frage: Handelt es beim Zweiten um Axiom/Definition oder
um ein experimentell zeigbares Gesetz/Zusammenhang?

Zu Newtons Zeiten noch keine klare Unterscheidung

Heutige Auffassung der Physiker: Definition

Wissenschaftstheoretische Sicht: In allen wichtigeren Theorien sind
die Rollen von Definitionen und Hypothesen über Zusammenhänge
weitgehend vertauschbar. Frage ist nicht beantwortbar. Eine
Deutung eines Gesetzes als Definition ist möglich, wenn andere, als
Defintion geltende Sätze eine empirische Deutung bekommen.

Und im Unterricht?
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.4 Statik: Inhalte, Problem

Mechanik baut auf die Newtonschen Axiome (= Dynamik)
auf.

Die Statik ist nur ein Sonderfall der Dynamik: resultierende
Kraft gleich Null (= Kräftegleichgewicht).

Einfache Maschinen und Kraftwandler gehörten bis in die
1950er Jahre zu den Alltagserfahrungen und spielten eine
wichtige Rolle. Heute ist das nicht mehr so!
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.4 Statik: Inhalte, Problem

Viele Schülerfehlvorstellungen von der Statik geprägt:







Gleichgewicht ist Ruhe.
Gestörtes Gleichgewicht: Bewegung in Richtung der überwiegenden
Kraft, Bewegung sofort in Richtung der Kraft.
„Trägheit = am gleichen Körper angreifende Gegenkraft“ wird von
Statik unterstützt.
Zeitdauer der Einwirkung spielt keine Rolle.
Wechselwirkungsprinzip wird nicht bedacht.
Viele Fehlvorstellungen zur Dynamik lassen sich also auf
eine Dominanz des statischen Kraftbegriffes zurückführen.
Eine Einführung der Kraft über die Statik verstärkt die
Fehlvorstellungen.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
5.5 Lehrpläne Gymnasium Bayern

Früher galt:
Mechanik (vor allem Dynamik) sehr schwer, deshalb möglichst spät.
 Entwicklungspsychologie bestätigte: Bestimmtes Denken erst in
höherem Alter möglich


Bis in die 1990er Jahre:

10. Jgst: Statik





Zusammensetzung von Kräften, Gleichgewichtsbedingung
Schiefe Ebene
Hebel, Drehmoment
Gleichgewichtsarten, Standfestigkeit
11. Jgst.: Dynamik


Kinematik, Dynamik
Energie und Impuls
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5.5 Lehrpläne Gymnasium Bayern

Lehrplan 90er Jahre::
8. Jgst.: dynamische Krafteinführung, dann aber ganze Statik
 11. Jgst.: Kinematik, Dynamik, Energie, Impuls


G8-Lehrplan:
7. Jgst: Dynamik qualitativ, keine Statik mehr
 9. Jgst: quantitative Behandlung bei eindimensionale Bewegungen




Gleichungen
Diagramme
10. Jgst.: Vertiefung



Weltbilder
Numerische Verfahren (mathematische Modellbildung)
Zweidimensionale Bewegungen
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5.6 Zusammensetzung und Zerlegung
von Kräften

Komponenten einer Kraft werden als gleichwertig mit der
Kraft selbst aufgefasst:


Beispiel: Auf Körper auf der schiefen Ebene wirkt Gewichtskraft,
Normalkraft und Hangabtriebskraft.
Die „Resultierende“ (oder die „Ersatzkraft“) werden als
gleichwertige Kräfte aufgefasst.

Beispiel: Auf Körper wirkt Gewichtskraft, Zugkraft, Reibungskraft und
resultierende Kraft.

Vorschlag: Statt „Resultierende“ oder „Ersatzkraft“ besser:
„Gesamtkraft“ oder „Summe der Kräfte“

Auch problematisch: „die beschleunigende Kraft“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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5.6 Zusammensetzung und Zerlegung
von Kräften

Addition zweier Kräfte:

Herkömmlich:
Summanden werden
bei Addition
durchgestrichen

Würzburger Vorschlag:
Physikalisch wirkende
Kräfte einfach,
Summen als Doppelpfeile
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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5.6 Zusammensetzung und Zerlegung
von Kräften

Zerlegung einer Kraft:

Herkömmlich:
Zerlegte Kraft wird
durchgestrichen

Würzburger Vorschlag:
Physikalisch wirkende
Kräfte einfach,
Komponenten gestrichelt

Alternativer Vorschlag: Zerlegung einer Kraft wird nicht unterrichtet!
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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5.6 Zusammensetzung und Zerlegung
von Kräften

Angewandt auf die schiefe Ebene:

Physikalisch wirksam:




Komponenten:



Gewichtskraft
Auflagekraft
Reibungskraft
Normalkraft
Hangabtriebskraft
Summe:

Gesamtkraft
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5.7 Problem Bezugssystem

Objektive Sichtweise: Sichtweise des ruhenden Beobachters




Skizze:


Es gilt das zweite Newtonsche Axiom! m  a   Fi
i
Die grundlegende Gleichung ist die Bewegungsgleichung der DYNAMIK.
Subjektive Sichtweise: Sichtweise des mitbewegten Beobachters

Skizze:

Es gilt das Prinzip von d'Alembert!


 FTräg   Fi
i
mit


FTräg :  m  a
oder


FTräg   Fi  0
i
Die grundlegende Gleichung ist ein formales Gleichgewicht der STATIK.
 Die Trägheitskraft ist eine Scheinkraft, die nur der mitbewegte Beobachter spürt, aber
objektiv nicht existiert!

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5.7 Problem Bezugssystem
Auto in der
Kurve
Kind im
Karussell
Subjektive Sicht des mitbewegten
Beobachters
(= Alltagssichtweise)
Objektive Sicht des außenstehenden
Beobachters
(= Physikalische Sicht)
Natürlich ist, dass das Auto auf der
Straße eine Kurve fährt.
Hierbei wirkt keine Kraft auf das Auto.
Natürlich ist, dass das Auto geradeaus aus
der Kurve hinausfährt.
Hierbei wirkt keine Kraft auf das Auto.
(Erstes Newtonsches Gesetz)
Unnatürlich ist, dass das Auto geradeaus
aus der Kurve hinausfährt.
Hierbei ist eine Kraft auf das Auto nötig.
(Fliehkraft = Zentrifugalkraft)
Unnatürlich ist, dass das Auto auf der Straße
eine Kurve fährt.
Hierbei ist eine Kraft auf das Auto nötig.
(Zentripetalkraft)
Natürlich ist, dass das Kind im Karussell Natürlich ist, dass das Kind aus dem
im Kreis fährt.
Karussell hinausgeschleudert wird.
Hierbei wirkt keine Kraft auf das Kind.
Hierbei wirkt keine Kraft auf das Kind.
(Erstes Newtonsches Gesetz)
Unnatürlich ist, dass das Kind aus dem
Karussell hinausgeschleudert wird.
Hierbei ist eine Kraft auf das Kind nötig.
(Fliehkraft = Zentrifugalkraft)
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Unnatürlich ist, dass das Kind im Karussell
im Kreis fährt.
Hierbei ist eine Kraft auf das Kind nötig.
(Zentripetalkraft)
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5.7 Problem Bezugssystem

Für eine Kreisbewegung mit konstantem Tempo gilt also:
Bezugssystem
Geschwindigkeit
Kräfte
Subjektive Sicht des
mitbewegten Beobachters
Objektive Sicht des außenstehenden
Beobachters
Bewegter Köper
Ruhender Punkt

v = 0, der Körper ruht im
Bezugssystem



v  konst., v veränderlich, a  0
Kräftegleichgewicht (da Ruhe):
Zentripetal = Zentrifugalkraft
Eine Kraft senkrecht zur Bewegung
(da Beschleunigung): Zentripetalkraft
Beurteilung Die Argumentation verstellt das
Verständnis für die newtonsche
Beschreibung der Bewegung
und ist zu vermeiden!!

Das Ziel des Physikunterrichts ist,
dass Schüler so argumentieren
können.
Die häufige Buchdarstellung, in der es eine Geschwindigkeit und eine
Fliehkraft gibt, ist Unsinn, da beide in verschiedenen Bezugssystemen gelten.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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5.7 Problem Bezugssystem
Subjektive Sicht des
mitbewegten Beobachters
Objektive Sicht des
außenstehenden Beobachters
Wunderbaum in
Auto
Fseil
Fseil
Fzentrifugal
Fzentripetal
FG
FG
FG + FSeil + FZentrifugal = 0
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
FG + FSeil = FZentripetal
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5.7 Problem Bezugssystem
Subjektive Sicht des mitbewegten Objektive Sicht des
Beobachters
außenstehenden Beobachters
Motorrad
in Kurve
innen
außen innen
Fboden
Schwerpunkt
FG
Fzf
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Fzp


Schwerpunkt
FG

FG + FBoden + FZentrifugal = 0
außen
Fboden

FG + FBoden = FZentripetal
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5.8 Das dritte newtonsche Axiom

Zuerst ein Arbeitsblatt mit vier Aufgaben aus dem FCI-Test:
Bitte vier Kreuze machen!

Weitere Kopie zu Problemen ist zum Mitnehmen!
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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5.8 Das dritte newtonsche Axiom

Beispiele:

Fallender Apfel:
FEA
FAE

Anfahrendes Auto
FMü nch., Hand

v
Münchhausen
FHa nd , Mün ch .
FAuto, Str.
FStr., Auto
(oder die Lokomotive Emma
von Lukas, dem Lokomotivführer)

Spezialfall des 3. Axioms: das Rückstoßprinzip
(Fliegen von Flugzeugen, Hubschrauber, Rudern)
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5.8 Das dritte newtonsche Axiom

Die Kraft ist ein Zwillingspaar. Es gibt:





3. Newtonsches Gesetz:



Anziehende Wechselwirkung
Abstoßende Wechselwirkung
Gegenseitige Reibung
Gegenseitige Verformung
Kräfte greifen an verschiedenen Körpern an
Am besten man nennt immer beide Körper, die an der Wechselwirkung
beteiligt sind.
Zu unterscheiden: Kräftegleichgewicht in der Statik:


Kräfte greifen am gleichen Körper an!
Es sollte nie von „Kraft und Gegenkraft“ geredet werden, sondern nur
von „Kraft und Kompensationskraft“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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5.8 Das dritte newtonsche Axiom

Folgende zwei Situationen sind streng zu unterscheiden:

Klebstoffwerbung:

Schulversuch:
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5.8 Das dritte newtonsche Axiom

Beispiele: Nenne alle Kräfte mit Wechselwirkungspartner!

Schlepper mit zwei Anhänger
a =2
mA = 1

mA = 1
mS = 6
FCI-Aufgabe: Auto schiebt LKW
aA = aL = 2
mL = 6
mA = 1
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5.9 Formulierung des Zweiten Axioms

Physikalische Gesetze können unterschiedlich formuliert
werden:
Grundgesetz der Mechanik
Differentielle
Form
Integrale
Form
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Induktionsgesetz
 
F  p


 Fdt  p
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
U ind  
U
ind
dt   
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5.9 Formulierung des Zweiten Axioms

In der Schule: m = konstant, keine Differential- und
Integralrechnung bekannt
In Uni
In Schule möglich
Differentielle
Form
 
F  p


v
F  m
t
Integrale
Form


 Fdt  p


F  t  m  v
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6. Didaktische Konzepte zur Mechanik


Gliederung:

6.1 Das Jungsche Stoßratenkonzept

6.2 Das Wiesnersche Kraftstoßkonzept

6.3 Wilhelms Oberstufenkonzept

6.4 Beispiel: Würzburger Zulassungsarbeit

6.5 Aktuelles Forschungsprojekt München-Würzburg-Wien
Wie immer zuerst ein Arbeitsblatt mit Schülertestaufgaben!
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.1 Das Jungsche Stoßratenkonzept

Ende der 60er Jahre Prof. Jung und Mitarbeiter:






Entgegen der Auffassung von Piaget hier die Hypothese: bereits
Grundschulkindern können die grundlegenden Ideen der Mechanik
vermittelt werden (Ansatz: konstruktivistische Auffassung vom
Lernen).
Werden in der Lernsituation ungeeignete Wissenselemente aktiviert, treten Lernschwierigkeiten auf.
Aufgabe: geeignete Situationen herzustellen, in
denen anknüpfungsfähiges Vorwissen aktiviert
wird.
Unterrichtskonzept inklusive Experimenten,
Medien und Leistungstest entwickelt.
Effekte in den Klassenstufen 3, 4, 5 und 6
empirisch untersucht.
Weiterentwicklung für Sek. I (bis etwa 1985)
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.1.1 Ausgangspunkt: Probleme




In der Alltagsvorstellung: Gleichsetzten der Begriffe
Geschwindigkeit = Tempo
Unterricht: Geschwindigkeit als skalare Größe
Einführung der Beschleunigung als
Beschleunigung = Geschwindigkeitsänderung
Besitzt die Geschwindigkeit nur einen Betrag und keine
Richtung, so kann eine Bewegung mit konstantem
Geschwindigkeitsbetrag aber veränderlicher Richtung nicht
als beschleunigt verstanden werden.
 „Ohne vektoriellen Geschwindigkeitsbegriff gibt es keine
einheitliche dynamische Beschreibung.“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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6.1.1 Ausgangspunkt: Probleme

Alltag: „Kraft wird meist auf Anstrengungsempfinden
gegründet.“

Unterricht: Der Kraftbegriff wird primär über Gleichgewichtsbzw. Ausgleichsprozesse gelehrt (Betrachtung des
statischen Endzustandes)

Aus Unterrichtsführung erwachsene Fehlvorstellung:
„Kräftegleichgewicht = statischer Zustand (Ruhe)“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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6.1.2 Grundideen

Zentrale fachdidaktische Entscheidungen waren:
a)
konsequentes Verwenden des vektoriellen Geschwindigkeitsbegriffs
(Betrachtung zweidimensionaler Bewegungen)
b)
Stoß als Paradigma für Wechselwirkung  Zusatzgeschwindigkeit;
senkrechter Stoß als Schlüsselphänomen
c)
Deutung der Zusatzgeschwindigkeit als Bewegung eines
Förderbandes.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.1.3 Umsetzung in Grundschule

Die Themenfolge (in den Klassen 3 bis 6) war:












Schnelligkeitsvergleich
Geschwindigkeit
Pfeilbilder
Geschwindigkeitsänderung
Bezugssystem und Geschwindigkeit
Geschwindigkeitsänderung und Zusatzgeschwindigkeit (Stoß)
Reflexion (als Sonderfall des schrägen Stoßes)
Zusatzgeschwindigkeit in Kurven
Momentangeschwindigkeit
Beschleunigte Bewegung
Kurvenfahrt durch eine Folge seitlicher Stöße
Anfahren und Bremsen als Sonderfälle der beschleunigten
Bewegung.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.1.3 Für Sekundarstufe I

Bezugssysteme
Bewegung im Bezugssystem eingeführt (Erde, Weltraum)
 Durchführung von geeigneten Versuchen (z.B. Bewegung von
Wagen auf Fahrtisch) sowie Gedankenexperimenten
 Bezugssysteme sind physikalisch gleichwertig, ihre Wahl (z.B. Erde)
hat psychologische Gründe.


Tempo





Tempo als Geschwindigkeitsbetrag
Beispiele: Tacho
Bei Bewegungen mit konstantem Tempo: Tempo ist v=∆s/∆t
Bewegungen mit variablem Tempo: Durchschnittstempo ist v=∆s/∆t
Besprechung von Einheiten (km/h, cm/s,…)
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.1.3 Für Sekundarstufe I

Geschwindigkeit





Geschwindigkeit = Tempo + Richtung
Bewegungsrichtung beim Durchrollen einer Kurve (Wie geht
Bewegung weiter, wenn Kurve „aufhört“?)
Einführung von Geschwindigkeitspfeilen, Interpretieren der
Pfeilrichtung
„Zwei Geschwindigkeitspfeile mit gleicher Richtung und gleicher
Länge stellen die gleiche Geschwindigkeit dar.“
Geschwindigkeitsänderung, beschleunigte Bewegung



Geschwindigkeitsänderung in Kurve
„Eine Bewegung, bei der sich die Geschwindigkeit dauernd ändert,
heißt beschleunigte Bewegung.“
Beschleunigung als Richtungs- und/oder Tempoänderung (auch
Verkleinerung)
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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6.1.3 Für Sekundarstufe I

Zusatzgeschwindigkeit:
Einführung mittels der Überlagerung von Bewegungen, kann als
Wechsels des Bezugssystems gesehen werden.
 Beispiel: Bewegter Wagen auf einem Fahrtisch:

v
v ‘
v
Fahrtisch in Ruhe, Wagen bewegt sich mit Geschwindigkeit v.
Δv
Fahrtisch bewegt sich mit Geschw. Δv , Wagen bewegt sich mit v.
Aus dem Bezugssystem „Klassenzimmer“ erscheint der Wagen im zweiten
Fall eine Bewegung v ‘ = v + ∆ v auszuführen.
Man erkennt, dass aus der Addition einer Zusatzgeschwindigkeit ∆v eine
Änderung der ursprünglichen Geschwindigkeit v  v ‘ eintritt (=beschleunigte
Bewegung).
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.1.3 Für Sekundarstufe I

Stoß

Stoß erzeugt Zusatzgeschwindigkeit in Stoßrichtung

„Endgeschwindigkeit“ durch Addition von Pfeilen
(keine Vektorrechnung)

vnachher = vvorher + ∆v

Stoß ~ ∆v

Stoß ~ m

 Stoß = m  ∆v
Als didaktisch konstruiertes „reines“ Phänomen wird der senkrechte
Stoß verwendet und dies hat sich in allen bisherigen Erprobungen
als besonders wirksam erwiesen.
„Der Unterricht soll von vorstrukturierter Erfahrung ausgehen, die
unter dem Gesichtspunkt rationeller Begriffsentwicklung ausgewählt
oder gar konstruiert wurde“.


Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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6.1.3 Für Sekundarstufe I

Durchfahren von Kurven – Reibung






ständige Geschwindigkeitsänderung bei Kurvenfahrt
ständiges Stoßen nötig (Heranführung mit immer mehr Ecken, Stoß
in jeder Ecke)
Stoßpartner bei Auto ist Straße
Reibung: ohne Reibung keine Kurvenfahrt
(Bsp. Glatteis)
Reibung: Problem bei Schieben von Klotz
Stoßrate




  Stö ße
Kraft als Stoßrate eingeführt F : t
Geschwindigkeit durch einen Stoß erwerbbar
Größere Stoßrate erzeugt Zusatzgeschwindigkeit schneller.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.1.3 Für Sekundarstufe I



Also: Behandlung von Geschwindigkeit als gerichtete Größe
in zwei Dimensionen
weitgehende Vermeidung des mit Alltagsvorstellungen
besetzten Kraftbegriffs  Ersetzten durch die Begriffe Stoß
und Stoßrate.
Rechtfertigung dafür findet Jung in der Übersetzung von
Newtons lex secunda, dieses
„… heißt ja nicht:
Kraft gleich Masse mal Beschleunigung, sondern
[…] frei übersetzt:
Stoß gleich Änderung des Impulses.“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.1.3 Für Sekundarstufe I

Kurvenfahrt durch Folge seitlicher Stöße




Einzeichnung der Zusatzgeschwindigkeit in Kurve
bei höherem Tempo muss stärker gestoßen werden
„dickere“ Körper müssen stärker gestoßen werden
Klar ist auch: An einem Stoß sind immer (mind.) zwei
Körper beteiligt.
 Stoß als Wechselwirkungsprozess:
Den Stoß, den Körper A erfährt, erfährt der Körper B
in umgekehrter Richtung.
 Daraus ergibt sich die Gesetzmäßigkeit:
mA • ∆vA= - mB • ∆vB
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.1.3 Für Sekundarstufe I


Anfahren und Bremsen als Sonderfälle der
beschleunigten Bewegung

Betonung der Kurvenfahrt als beschleunigte Bewegung (ständige
Änderung der Geschwindigkeit, aber nicht der Schnelligkeit)

Sonderfälle: Temposteigerung oder Abbremsen durch
Zusatzgeschwindigkeit/ Stoß

in Kurvenfahrt Zusatzgeschwindigkeit/ Stoß quer zur Bewegungsrichtung

Bei ständiger Änderung der Geschwindigkeit sehr viele kleine Stöße nötig
Hebel

Einführung Hebelgesetz durch Stoß

„Bei Gleichgewichtsspielen ist Hebelarm mal Stoß rechts gleich Hebelarm
mal Stoß links.“ (Hebelgesetz)
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.1.4 Ergebnisse in Grundschule



Beteiligt 473 Schüler aus je 3 Klassen der Klassenstufen 3
und 4 und je 6 Klassen der Klassenstufen 5 und 6
Unterricht dauerte etwa 20 Stunden.
Der Endtest bestand aus 21 Items, die in 7
Aufgabengruppen eingeordnet waren
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.1.4 Ergebnisse in Grundschule

Die beiden hervorstechenden Ergebnisse sind:
die Lernerfolge sind verblüffend hoch
 die Dritt- und Viertklässler sind signifikant besser als die Fünft- und
Sechstklässler.



In Interviewserien wurden eine Vielzahl von
Lernschwierigkeiten aufgedeckt, die in den nachfolgenden
Entwicklungen und Studien berücksichtigt wurden.
Jung zog den Schluss, dass schon Grundschulkindern die
grundlegenden Ideen der Mechanik vermittelt werden
können und, dass es sich lernerschwerend auswirkt, mit
dem Mechanikunterricht bis zur 7. oder noch höheren
Klassenstufen zu warten.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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6.1.4 Ergebnisse in Grundschule

Idee: Einführung der physikalischen Begriffe und
Gesetzmäßigkeiten bevor sich „falsche“ Alltagsvorstellungen
ausbilden und manifestieren können.
 Geringere Lernschwierigkeiten, da weniger Lernbarrieren
überwunden werden müssen.

Durchführung: Anwendung des obigen Konzept bis einschließlich
Einführung des Stoßes.
Schwerpunkt auf dem Verständnis von Bewegungsabläufen
Keine Einführung von Größen wie Impuls, Stoßrate, Kraft …

In Sek. I oder Sek II auch Impuls und Kraft möglich.
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6.1.5 Vorteile des Stoßratenkonzepts






Geschwindigkeit wird als vektorielle/ gerichtete Größe
eingeführt.
Der komplexe und schwer verständliche Begriff der
Beschleunigung wird weitgehend vermieden.
Probleme beim Verständnis des Kraftbegriffes (Divergenz
mit Alltagsvorstellungen) werden vermieden, indem die
intuitiv leichter zugängliche Größe des Stoßes zugrunde
gelegt wird.
Verständnis für Wechselwirkungen bei Stößen überträgt sich
automatisch auf das Kräfte-Wechselwirkungsprinzip.
Durch Betonung des vektoriellen Charakters der Kraft wird
Unterscheidungsproblemen: Kraft ≠ Energie vorgebeugt.
Schwerpunkt: Konzeptverständnis, nicht in Berechnungen
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.1.6 Kritik



Probleme: Prinzip der Relativität von Geschwindigkeiten /
Bezugssysteme für zu junge Kinder schwer erfassbar.
Newtonsche Mechanik nicht in Grundschule gewollt
Die Stoß-Größe ist nur eine Hilfsgröße, der in der Physik
kein eigener Platz zugemessen wird.


Viel Lehraufwand um Verständnis für eine Größe zu schaffen,
welche nur als Mittel dient abstraktere Begriffe – wie die Kraft –
einzuführen.
Ratengrößen sind für Schüler eher schwer verständlich und
ebenso schwer zu handhaben.

Versuche bei Anwendung in der 11. Jgst. haben diesbezüglich große
Probleme gezeigt.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.2 Das Wiesnersche Kraftstoßkonzept



Vom Jungschen Stoßratenkonzept übernommen:

Betrachtung von zweidimensionalen Bewegungen

Geschwindigkeit = Tempo + Richtung

Zentral: Senkrechter Stoß

Betrachtung der Zusatzgeschwindigkeit

Verzicht auf die Beschleunigung
Weggelassen:

Bezugssysteme, Bezugssystemwechsel und Förderbandanalogie

Begriffe und Größen „Stoß“ und „Stoßrate“
Zentrale Gleichung nun statt der Stoßrate:


F  t  m  v
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.2.1 Ausgangspunkt: Lernschwierigkeiten


Bekannte Lernschwierigkeiten:

Verwechslung von Geschwindigkeit und Tempo

Beschleunigung als abstrakter Begriff

 
Probleme mit der resultierenden Kraft in m  a  F

Vorstellung, dass Kraftrichtung gleich der Bewegungsrichtung ist

Fliehkraft wird als Gegenkraft zur Zentripetalkraft angesehen
Ursachen:

Einführung der Mechanik über die Statik

Vernachlässigung des vektoriellen Charakters der Geschwindigkeit

Dominanz von Beschleunigungsversuchen aus der Ruhe heraus
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6.2.2 Grundlegende Ideen




Durch eine Einwirkung (z.B. durch einen Stoß) wird der

Anfangsgeschwindigkeit eine Zusatzgeschwindigkeit v in
Stoßrichtung hinzugefügt.
Die Größe der Zusatzgeschwindigkeit hängt von der Stärke
und Dauer der einwirkenden Kraft ab.

Bei gleicher Einwirkung hängt v von der trägen Masse des
Körpers ab.
Es soll möglichst zügig die Newtonsche


Bewegungsgleichung der Form F  t  m  v eingeführt
werden.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.2.3 Einheit 1: Beschreibung von Bewegungen

Ziele:
Vermittlung des physikalischen, vektoriellen
Geschwindigkeitsbegriffs
 Präzisierung des Begriffs des Tempos
 Berechnung von Durchschnittsgeschwindigkeiten


Darstellung des Unterrichtsverlaufs:
Vorführen einfacher Bewegungsabläufe
 In einem Unterrichtsgespräch:
Beschreibung dieser mit Hilfe der
Begriffe Tempo und Richtung
 In einem Unterrichtsgespräch:
Zusammenfassung von Tempo und
Richtung zu einem Geschwindigkeitspfeil

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.2.3 Einheit 1: Beschreibung von Bewegungen

Darstellung des Unterrichtsverlaufs:

Begriff der Geschwindigkeit:

Zwei Körper bewegen sich mit gleicher Geschwindigkeit, wenn sie sich
mit gleichem Tempo und in gleiche Richtung bewegen.
Einführung über Geschwindigkeitspfeil
 Erst nach langer qualitativer
Betrachtung der Geschwindigkeit
kurze Einführung in die
Berechnung des Tempos


Betrachtung von
Stroposkopbildern
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.2.4 Einheit 2: Geschwindigkeitsänderung

Ziele:
Herstellung eines qualitativen Zusammenhangs zwischen
Geschwindigkeitsänderung und Kraft
 Geschwindigkeitsänderung soll als Folge einer Kraft gesehen
werden.
 Sprechweise: „Ein Köper wirkt auf einen anderen ein.“

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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6.2.4 Einheit 2: Geschwindigkeitsänderung

Darstellung des Unterrichtsverlaufs:

Vorführung von Versuchen mit Geschwindigkeitsänderungen:


Billardstoß
Ablenkung von fahrendem Spielzeug-LKW durch Magnet
Ergebnis eines Unterrichtsgesprächs: Immer, wenn sich die
Geschwindigkeit ändert, muss ein Körper zu finden sein, der die
Änderung verursacht.
 Präzisierung des Begriffs „Einwirkung“ durch Beispiele
(Einwirkungen können unterschiedlich stark, unterschiedlich lang und
in unterschiedliche Richtungen erfolgen.)
 Kraft gibt Stärke und Richtung der Einwirkung an.
 „Ein Körper übt auf den anderen eine Kraft aus“ ist die physikalische
Formulierung von „Ein Körper wirkt auf den anderen“.

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6.2.5 Einheit 3: Zusatzbewegung

Ziele:
Geschwindigkeitsänderung als Zusatzbewegung
 Zeichnerische Bestimmung der Zusatzbewegung aus Anfangs- und
Endgeschwindigkeit; Rekonstruktion der Einwirkungsrichtung


Darstellung des Unterrichtsverlaufs:

Vorführung eines Versuchs mit Zusatzbewegung
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6.2.5 Einheit 3: Zusatzbewegung

Versuche:
1.) Stahlkugel wird nach Verlassen der schiefen
Ebene kurz senkrecht zur Bewegungsrichtung mit
einem Brett gestoßen (falsche Vermutung: Kugel
bewegt sich in Stoßrichtung)
 2.) Zwei Stahlkugel verlassen die schiefe Ebene
und eine wird senkrecht zur Bewegungsrichtung
gestoßen. Beide Kugeln treffen sich dann.

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6.2.5 Einheit 3: Zusatzbewegung

Ergebnis :


Die rollende Kugel bewegt sich nach dem Stoß so, als ob sie ihre
Anfangsgeschwindigkeit behält und zusätzlich noch eine
Zusatzbewegung in Stoßrichtung ausführt.
Regel für Bestimmung der Endgeschwindigkeit:
Verschiebe den Zusatzgeschwindigkeitspfeil so, dass Pfeilanfang an
der Pfeilspitze des Anfangsgeschwindigkeitspfeils
 Verbinde vom Pfeilanfang des Anfangsgeschwindigkeitspfeils zur
Pfeilspitze des Zusatzgeschwindigkeitspfeils


Regel für Bestimmung der Zusatzgeschwindigkeit:
Lege Pfeilanfänge von Anfangs- und Endgeschwindigkeitspfeil
zusammen
 Verbinde vom Pfeilanfang der Anfangsgeschwindigkeitspfeils zur
Pfeilspitze des Endgeschwindigkeitspfeils

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6.2.6 Einheit 4: Newtonsche Bewegungsgleichung

Ziele:
Präzisierung des Zusammenhangs zwischen Einwirkung und
Geschwindigkeitsänderung in der Newtonsche Bewegungsgleichung
 Mit der Newtonsche Bewegungsgleichung sollen
Bewegungsänderungen durch eine Kraft vorhergesagt und Kräfte
berechnet werden.
 Die Newtonsche Bewegungsgleichung wird als Je-desto-Gleichung
aufgefasst.


Darstellung des Unterrichtsverlaufs:

Mit Ergebnissen der letzten Stunden und mit Hilfe von Versuchen
(Puck auf Luftkissentisch; Kraft durch Fön): Proportionalitäten der
Newtonschen Bewegungsgleichung


F  t  m  v

Kein experimentelle Herleitung! Experimente passen zur mitgeteilten
Gleichung!
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6.2.6 Einheit 4: Newtonsche Bewegungsgleichung

Beispielaufgabe:

Billardkugel: Wie groß ist der Betrag der Kraft, welche die Bande
eines Billiardtisches auf die Kugel (m = 130 g) bei einer Stoßzeit von
2 ms ausübt?
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6.2.6 Evaluationen


Mehrfach in 10. Klassen in Frankfurt unterrichtet mit sehr
guten Testergebnissen
Erprobung in 10. Klassen in Ankara im Jahr 2006 mit 149
Schülern:
n
Vortest
FCI
Nachtest
FCI
Relativer
Zugewinn
anderer
Mechanik-Test
Versuchsgruppe
80
28 %
68 %
55 %
61 %
Kontrollgruppe
69
24 %
39 %
18 %
40%
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.3 Würzburger Oberstufenkonzept

Gliederung:








6.3.1 Leitidee: Nutzung anderer Codierungen
6.3.2 Wichtige Vorarbeiten
6.3.3 Beispiel: Geschwindigkeit
6.3.4 Beispiel: Beschleunigung
6.3.5 Beispiel: Kraft
6.3.6 Weitere Aspekte
6.3.7 Einsatz graphischer Modellbildung
6.3.8 Evaluation




Erfahrungen der Lehrer
Testergebnisse Kinematik
Testergebnisse Dynamik
6.3.9 Zusammenfassung
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SS 2010
6.3 Würzburger Oberstufenkonzept
Unbefriedigende Unterrichtsergebnisse in der Mechanik:

Newtonscher Kraftbegriff und Beschleunigungsbegriff
werden nicht verstanden.

Deshalb: Neue Unterrichtskonzepte für den Kinematik-/
Dynamikunterricht für die Oberstufe (11. Klasse G9 Bayern)
Ursachen sind u.a.:

Schülervorstellungen

Ungeeignete Elementarisierungen/Sachstrukturen

Alltagsvorstellungen sind von Oberflächenmerkmalen
bestimmt, aber die Physik betrachtet Tiefenstrukturen
 Man braucht andere Darstellungsformen
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6.3.1 Leitidee: Nutzung anderer Codierungen

Animationen erleichtern das Erinnern.

Piktogrammartige Darstellungen der Größen, z.B. mit
Säulen oder Vektoren, sind leicht erfassbar.

Dynamische Darstellung am Computer

Wir nennen sie:
dynamisch ikonische Repräsentationen
(bewegte bildliche Darstellungen).

Graphenlesen ist dagegen schwierig!
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6.3.2 Wichtige Vorarbeiten

Jung, Wiesner, Wodzinski u.a.:
zweidimensionale Bewegungen, Betonung von v, dynamische
Krafteinführung
 Nun aufbereitet mit dynamischen Vektorpfeilen in Echtzeit.


Schecker u.a.:
Graphische Modellbildung
 Nun aufbereitet mit Animationen und dynamischen Vektorpfeilen.

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6.3.3 Beispiel: Geschwindigkeit
Problem: Wird nur als Betragsgröße gesehen (=Schnelligkeit)
Lösung:
 Bei der Einführung von allgemeinen zweidimensionalen
Bewegungen ausgehen
 Aufnahme der Bewegung der Computermaus mit PAKMA
 Zeichnen von Bahnkurve, Zeitmarken, Ortsvektoren
 Ortsänderungsvektor ergibt Geschwindigkeit
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6.3.4 Beispiel: Beschleunigung
Lösung:
 Bei der Einführung von allgemeinen zweidimensionalen
Bewegungen ausgehen
 Geschwindigkeitsänderungsvektor
ergibt Beschleunigung.
 11. Klasse: Mausmessung
Umgesetzt mit der Software „PAKMA“
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6.3.5 Beispiel: Kraft
Kontinuierliche Messung mit dem Computer:
 a = F / m gilt in jedem Augenblick –
auch bei veränderlicher Kraft.
 Mehrere Kräfte wirken.
Es gilt: a ~ F
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6.3.6 Weitere Aspekte

Vorhersagen
über relevante Größen / Pfeile
 fördern Eigenaktivität
 werden nicht bewertet


Verwendung qualitativer Aufgaben
Einsetzaufgaben helfen nicht zum Verständnis
 Qualitative Aufgaben mit ikonischen Darstellungen möglich

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6.3.7 Einsatz graphischer Modellbildung

Wirkungszusammenhänge visualisieren

Graphische Modellbildungssysteme berechnen daraus den
Ablauf
Software VisEdit (oder Coach 5)
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6.3.7 Einsatz graphischer Modellbildung
Vorteile:
 Lernprozesse beim Erstellen
helfen, Vorstellungen zu klären
 Hilfreich: Überprüfen an
Animationen!
 Reale und komplexe Situationen
 Keine Überbetonung von
Rechen- und Einsetzaufgaben
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6.3.8 Evaluation

Zielsetzung der summativen Evaluation:
Einschätzung des Konzepts von Lehrern
 Veränderungen in Schülervorstellungen feststellen


Ablauf:
Während der Evaluation von 13 Lehrern in 17 Klassen durchgeführt
(mittlerweile mehr)
 Dazu vorbereitende und begleitende Lehrerfortbildung


Unterrichtsmaterialien:
Viele Materialien auf CD und in einem Ordner
 Ausführliche Beschreibungen als Vorschlag
 Nach Lehrerwünschen erstellt

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Erfahrungen der Lehrer

Erfahrungen der Lehrer im Kinematik-Unterricht
In 14 Unterrichtsstunden durchführbar.
 Einige entwickelten neue Ideen zum Konzept.
 Ein Konzept mit rotem Faden.
 Mehr Verständnis bei den Schülern.


Erfahrungen der Lehrer im Dynamik-Unterricht:
Dynamik wurde etwas unterschiedlich unterrichtet.


 Konzept ist schlüssiger (z.B.: a   F / m ).
 Schüler verstehen Zusammenhang von Kraft und Beschleunigung
besser.
 Darstellungen von Größen und ihrer Änderungen:

tragen zum Verständnis bei
 leuchten sofort ein
Gute Erfahrungen mit: Vorhersagen machen lassen


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Erfahrungen der Lehrer

Erfahrungen der Lehrer mit Modellbildung
mit Animationen:
Lehrer, die es einsetzten, waren begeistert.
 Schüler finden selbst Fehler in ihren Modellen
durch die Animationen.
 Interessante komplexe Alltagsprobleme
können behandelt werden.

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Testergebnisse Kinematik
Beschleunigungspfeile:
2 Items
geradeaus
( = 0,82)
3 Items Kurve
( = 0,81)
90 %
9%
(8 Monte nach U. ), N = 35, 2 Klassen
97 %
77 %*
Effektstärke
0,26
2,95
Kontrollgruppe am Jahresende
(kurz nach U.), N = 217, 12 Klassen
Treatmentgruppe am Jahresende
*: Mann-Whitney-U-Test, p = 0,001
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Testergebnisse Kinematik
Testaufgaben zur eindimensionalen Kinematik mit
Grapheninterpretation:
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Testergebnisse Kinematik
Testaufgaben zur eindimensionalen Kinematik mit
Grapheninterpretation:
6 Items zu
BeschleunigungsGraphen ( = 0,84)


Vor Unterricht
373 Schüler
Nach U.
Kontrollgruppe
188 Schüler
Nach U.
Treatmentgruppe
richtig:12 %
richtig: 47 %
richtig: 47 %
nach v: 71 %
nach v: 37 %
nach v: 41 %
211 Schüler
Nicht schlechter, obwohl dies weniger geübt!
Treatmentgruppe nicht besser, obwohl mehr Verständnis
erwartet wurde.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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Testergebnisse Kinematik
Beschleunigung beim Münzwurf:
Nach dem Unterricht
Kontrollgruppe
Treatmentgruppe
in % (N=188)
in % (N=151)
Aufgabe 1: Vorzeichen
Richtig
---
7
39 *
Fast-Richtig
-0-
10
10
Schneller/langsamer
-0+
v statt a
+0-
36
41
14 *
25 *
*²
²-Test,
p=0,01
Aufgabe 2: Pfeile

Richtig

9
42 *
Fast-Richtig
0
19
18
Nach + / -
0
4
7
v statt a
0
62
27 *
In Treatmentgruppe mehr Richtungsverständnis
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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SS 2010
Testergebnisse Dynamik

FCI-Ergebnisse bei 258 herkömmlich unterrichtete Schüler:

Beginn der 11. Jahrgangsstufe: 28 % richtig

Nach Mechanikunterricht: 41 % richtig

Relativer Zugewinn: 18 %
(Relativer Zugewinn = absoluter Zugewinn dividiert durch möglichen Zugewinn)


Besonders geringe relative Zugewinne bei
„2. newtonsches Axiom“ und „Superposition“
FCI-Ergebnisse der 138 Schüler der Treatmentgruppe:

Nachtest: 53 %* richtig (*: p=0,001) (Effektstärke 0,77)

Relativer Zugewinn: 31 %*
Anteil Schüler mit über 60 % richtig: 42 % im Nachtest (Vergleich: 16 %),

Größte relative Zugewinne bei „3. newtonsches Axiom“, größte Effektstärke
bei „Kraftverständnis“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
Testergebnisse Dynamik
Kraftverständnis eindimensionale Bewegung nach dem
Unterricht:
*
: Mann-Whitney-U-Test, p = 0,05
Aufgabengruppe
7 Items zu Kräfte
(Text) ( = 0,9)
7 Items zu Kräfte
(Graphen) ( = 0,9)
Kontrolle,
188 Schüler
32 %
richtig:
F wie v: 51 %
richtig:
21 %
F wie v: 65 %
Treatment,
211 Schüler
richtig:
39 %*
Effektstärke
0,20
F wie v: 29 %
richtig:
34 %*
0,34
F wie v: 51 %
Kombination von Grapheninterpretation und Kraftaufgaben ist
schwerer als jedes allein.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
Testergebnisse Dynamik
Modalmap nach traditionellem Unterricht (3 Klassen):
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
Testergebnisse Dynamik
Modalmap nach dem Konzept mit Modellbildung
(3 Klassen, 63 Schüler):
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
Testergebnisse Dynamik
Häufigkeit ausgewählter Verbindungen in den Concept Maps:
Fa
ma
av
vx
Fa
vx
Favx +
ma
Direkt nach
traditionellem Unterricht ohne
Modellbildung
(3 Klassen, 55 Schüler)
9%
22%
71%
36%
4%
0%
Lange Zeit nach
dem Konzept
mit Modellbildung
(3 Klassen, 63 Schüler)
65%
60%
79%
71%
46 %
38 %
In Treatmentgruppe mehr strukturelles Verständnis?
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.3.9 Zusammenfassung

Dynamisch ikonische Repräsentationen ermöglichen:
neue Elementarisierungen
 neue Unterrichtsstrategien



Lehrer beurteilen das Konzept sehr positiv.
Bei den Schülern wird das Verständnis gefördert.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.4 Beispiel: Würzburger Zulassungsarbeit

Zulassungsarbeit von Florian Schüller bei Thomas Wilhelm
zur Mechanik in Jahrgangsstufe 7 im Bayerischen G8

Gliederung:
6.4.1 Der Begriff Geschwindigkeit
 6.4.2 Der Begriff Beschleunigung
 6.4.3 Der Begriff Kraft
 6.4.4 Kurzevaluation


Quelle: www.thomas-wilhelm.net/arbeiten/Hausarbeit_Schueller.pdf
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.4.1 Der Begriff Geschwindigkeit




Bei der Einführung von allgemeinen
zweidimensionalen Bewegungen
ausgehen
Geschwindigkeit = Tempo + Richtung
Richtung, in der sich Körper bewegen
würde, wenn kein Einfluss
Einsatz von Spielen, Spielzeug und
Videos
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.4.2 Der Begriff Beschleunigung

Zusatzgeschwindigkeit vneu=valt+vZusatz

Diese ergibt Beschleunigung.

Viele Medien: u.a. Tafel und
Computersimulationen

Veranschaulichung mit Videos einer
Eisenbahn mit Pfeilen für Größen

Videos mittlerweile leicht zu erstellen
mit neu entwickelter Videoanalysesoftware „measure Dynamics“
Umgesetzt mit der Software „PAKMA“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.4.3 Der Begriff Kraft



Ausgehend von Erfahrungen mit Stößen
Viele Schülerübungen
Simulationen
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.4.4 Kurzevaluation




positive Unterrichtserfahrungen
Interesse von Lehrern
Positive Testergebnisse, z.T. besser als Gymnasiasten in
der 11. Jahrgangsstufe
Ergebnisse waren mit ein Anlass, dazu eine größere Studie
durchzuführen
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5 Forschungsprojekt Mü-Wü-Wien



Uni-übergreifende Studie „Einfluss der Sachstruktur
im Mechanikunterricht“ in der Jahrgangsstufe 7 des G8
Bayern
Kooperation von Verena Tobias, Dr. Christine Waltner, Prof.
Dr. Dr. Hartmut Wiesner (je LMU München), Prof. Dr. Martin
Hopf (Universität Wien), Dr. Thomas Wilhelm (Universität
Würzburg)
Gliederung:






6.5.1 Das Mechanikkonzept für die 7. Jgst.
6.5.2 Materialentwicklung
6.5.3 Design der Studie
6.5.4 Ergebnisse im Verständnistest
6.5.5 Sonstige Ergebnisse
6.5.6 Lehrerakzeptanz
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.1 Mechanikkonzept für die 7. Jgst.

Newtonsche Mechanik eines der schwierigsten
Inhaltsgebiete. Gründe:
Schülervorstellungen
 Sachstruktur
 Ungeeignete Darstellungen


G8 in Bayern neu:
dynamische Einführung in die Mechanik in Jahrgangsstufe 7
 bekannte Sachstruktur weiterentwickelt (Design-Based Research)
 alle Vorarbeiten:





von Anfang an zweidimensionale Bewegungen

vektorielle Zusatzgeschwindigkeit v betont
Kraft dynamisch eingeführt
Üblich:
Geschwindigkeit und Beschleunigung an 1-dim. Bewegungen
 dann schnell die Newtonschen Gesetze

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.1 Mechanikkonzept für die 7. Jgst.







Beginn mit zweidimensionalen Bewegungen
Geschwindigkeit vektoriell (Tempo + Richtung)
Geschwindigkeit wird mit Pfeil dargestellt
Hilfreich: Videoanalyse, die Geschwindigkeitspfeile ins
Video zeichnen kann


v
Zusatzgeschwindigkeit
als eigenständige Größe


Newtonsche Bewegungsgleichung F  t  m  v :
Diese integrale Produktform ermöglicht den Lernenden,
plausible Je-desto-Beziehungen zu formulieren, die den
Schülern kaum Schwierigkeiten bereiten.
Statik nur als Spezialfall der Dynamik erwähnen (Kräfte
kompensieren sich).
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.2 Materialentwicklung





Schülertext wie
normales Schulbuch
Downloadbar unter:
www.thomas-wilhelm.
net/2dd.htm
Experimente
Videoaufnahmen
(auch in Superzeitlupe)
Videoanalysen mit
„measure Dynamics“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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6.5.2 Materialentwicklung

Simulation zum senkrechten Stoß als unabhängiges
Programm
www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/materialien/inhalt_materialien/simulation_stoss/simu_stoss.zip
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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6.5.2 Materialentwicklung

Der zentrale Versuch mit Videoanalyse:
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.3 Design der Studie





Hauptstudie: Lehrkraft unterrichtet in Kontroll- und
Treatmentgruppe (Raum München)
Erprobungsgruppe: 14 Lehrkräfte in 19 Klassen (Würzburg)
Eingesetzt: Intelligenztest (Subskala des KFT)
Erhoben: Verständnis, fachspezifisches Selbstkonzept,
Interesse am PU, Selbstwirksamkeitserwartung
(jeweils im Prä – Post – FollowUp – Design)
Einschätzung des Unterricht , Unterrichtstagebücher
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.3 Design der Studie

Hauptstudie:
 10
Lehrkräfte
 Unterricht
im Sommer 2008 in 14 Klassen nach dem
traditionellen Konzept (Kontrollgruppe)
 Unterricht
im Sommer 2009 in 13 Klassen nach dem
zweidimensional-dynamischen Konzept
(Treatmentgruppe)
 Insgesamt
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
N = 521 Schülerinnen und Schülern.
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.4 Ergebnisse im Verständnistest


Drei Messzeitpunkte: Vortest, Nachtest, zeitverzögerter
Nachtest (drei Monate später)
Insgesamt 17 qualitative Verständnisaufgaben
von allen Lehrern als sinnvoll akzeptiert
 bewährte Items aus anderen Studien, z.B. FCI
 bayerische Vergleichswerte liegen vor (von Wilhelm)


Aufteilung:
13 Items, die zu jedem Unterrichtskonzept passen
 2 Items zur neuen Sachstruktur nach zweidimensionaldynamischem Konzept
 2 Items zur Beschleunigung (nur im Unterricht nach traditionellem
Konzept)


Im Vortest kein signifikanten Unterschiede zwischen
Kontroll- und Treatmentgruppe feststellbar
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.5.4 Ergebnisse im Verständnistest

2 Items zum zweidimensional-dynamischen Konzept:
Höchst signifikanter
Unterschied
mit großer
Effektstärke
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.5.4 Ergebnisse im Verständnistest

2 Items zum traditionellen Konzept:
Kein signifikanter
Unterschied
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.5.4 Ergebnisse im Verständnistest

Items zum Grundverständnis:
Höchst signifikanter
Unterschied
mit mittlerer
Effektstärke
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.5.4 Ergebnisse im Verständnistest

Interaktionseffekt zwischen Gruppe und Geschlecht:
In Kontroll- und Treatmentgruppe Jungen den Mädchen in
Vorwissen hoch bzw. höchst signifikant überlegen
 Unterschiede bleiben in der Kontrollgruppe bestehen oder wachsen
 In Treatmentgruppe nach Unterricht keine signifikanten
Unterschiede! Die Mädchen holen also auf!

Kontrollgruppe
Treatmentgruppe
Jungen Mädchen Signifik. Jungen Mädchen Signifik.
Vortest
3.18
2.68
**
3.13
2.53
***
Nachtest
4.62
3.94
**
5.57
5.18
n. s.
Zeitverzögerter
Nachtest
4.58
3.64
***
5.25
4.76
n. s.
Mittelwerte nach Geschlechtern (** hoch signifikant, *** höchstsignifikant)
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.4 Ergebnisse im Verständnistest

Betrachtung der Anzahl von Lernschwierigkeiten in
Mechanik, die die einzelnen Lehrkräfte kennen:

In Kontrollgruppe: die Anzahl bekannter Lernschwierigkeiten
korreliert positiv mit dem Lernerfolg (wie erwartet)

In Treatmentgruppe: kein Zusammenhang vorliegend
(überraschend).
Kontrollgruppe
Treatmentgruppe
Aufgaben zum
Grundverständnis
signifikant
nicht signifikant
Aufgaben zum
2D-dynamischen Konzept
nicht signifikant
nicht signifikant
Aufgaben zu traditionellem
Konzept
signifikant
nicht signifikant
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.4 Ergebnisse im Verständnistest

Betrachtung der Anzahl von gehaltenen Unterrichtsstunden:

In Kontrollgruppe: kein Zusammenhang mit Lernerfolg
(überraschend)

In Treatmentgruppe: Anzahl gehaltener Unterrichtsstunden korreliert
positiv mit dem Lernerfolg!
Kontrollgruppe
Treatmentgruppe
nicht signifikant
höchst signifikant
Aufgaben zum
2D-dynamischen Konzept
nicht signifikant
hoch signifikant
Aufgaben zu traditionellem
Konzept
nicht signifikant
nicht signifikant
Aufgaben zum
Grundverständnis
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.5 Qualitative Ergebnisse

Unterrichtstagebücher:



In Kontroll- und Treatmentgruppe: Unterricht an den jeweiligen
Lehrmitteln orientiert (gängige Bücher bzw. ausgehändigter Lehrtext).
Materialbereitstellung ist ein effektives Mittel bei der Implementation.
Schülerinterviews:



Die Beschreibung von Bewegungen durch den vektoriellen
Geschwindigkeitsbegriff mit den Aspekten Tempo und Richtung bereitet
den Lernenden keine Schwierigkeit.
Qualitativ von fast allen Lernenden verstanden:
 Zusammenhänge von Kraft, Masse, Einwirkdauer und
Zusatzgeschwindigkeit
 Beitrag von Anfangs- und Zusatzgeschwindigkeit zur
Endgeschwindigkeit
Quantitative Konstruktionen von Zusatz- und Endgeschwindigkeit etwa
durch die Hälfte der Lernenden anwendbar.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.5 Nicht-kognitive Ergebnisse

Selbstwirksamkeitserwartung: Deutlich signifikanter
Unterschied zwischen Kontroll- und Treatmentgruppe,
abhängig von der Art der Aufgabe!

Itemspezifische Analyse zur Selbstwirksamkeitserwartung:

Die Schülerinnen und Schüler der Treatmentgruppe fühlen sich
selbst kompetenter beim Einzeichnen einer Kraft, beim Vorhersagen
einer Bewegung, beim Erklären einer Bewegung (höchst signifikant).

Die Schülerinnen und Schüler der Kontrollgruppe fühlen sich
dagegen selbst signifikant kompetenter beim Rechnen und beim
Diagramme lesen (beides keine Lehrplaninhalte!)
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
6.5.6 Lehrerakzeptanz


In Treatmentgruppe:

Alle 10 Lehrkräfte wollen auch zukünftig so unterrichten.

Einige Lehrkräfte fungieren bereits als Multiplikatoren an ihren
Schulen.
Beispielzitat:

„Mit der Newtonschen Bewegungsgleichung sind sie eigentlich ganz
gut umgegangen … da konnten sie Phänomene erklären … Also da
war ich echt erstaunt … sehr, sehr gut im Vergleich zu den Klassen
vorher … sogar so gut, dass ich das dann auch in der 10. Klasse mal
zerteilt habe - die Beschleunigung - … das hat auch denen geholfen
… Prima!“ (Lehrperson 5)
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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6.5.6 Lehrerakzeptanz

In der Würzburger Erprobungsgruppe:
Vektorielle Geschwindigkeit
Sinnvoll?
Verständlich?
Ja (12)
Ja (12)
Nein (0)
Nein (0)
integrale Bewegungsgleichung
Sinnvoll?
Verständlich?
Ja (10)
Ja (9)
Nein (2)
Nein (3)
Ich finde, es ist kein Problem die
Beschleunigung einzuführen, dann damit können
die Schülerinnen und Schüler etwas anfangen.
Kraft ist Masse mal Beschleunigung,
das ist logisch, das merken die sich.
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6.5.6 Lehrerakzeptanz

In der Würzburger Erprobungsgruppe:
positive Gesamtbewertung (10)
negative Gesamtbewertung (2)
nachhaltige Akzeptanz des Konzeptes
gesamt
(6)
partiell
(4)
nicht
(2)
Diese beiden Lehrkräfte kennen kaum konzeptuelle
Lernschwierigkeiten von Schülern!
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6.5.6 Lehrerakzeptanz

Akzeptanz des Konzeptes in der Würzburger
Erprobungsgruppe in Abhängigkeit von den im Interview
genannten konzeptuellen Lernschwierigkeiten:
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6.5.6 Lehrerakzeptanz

Interaktionseffekt zwischen Akzeptanz und Messzeitpunkt
der vergleichbaren Aufgaben in den Nachtests der
Treatmentgruppe der Hauptstudie:
Akzeptanz:
teilweise
vollständig
Signifikanter
Unterschied
Kleine
Effektstärke
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7. Weitere Mechanikforderungen

Ausrichtung des Unterrichts auf die tägliche Erfahrungswelt

Alltagserkenntnisse physikalisch erklären

Behandeln von authentischen Problemen

Verwendung von komplexen Aufgaben

Keine Überbetonung von Rechen- und Einsetzaufgaben

Einbeziehung von Reibung,
insbesondere geschwindigkeitsabhängige Reibung

Einsatz von Modellbildungssystemen

Tabellenkalkulationsprogramme (Beispiel: Excel).

Gleichungsorientierte Programme (Beispiele: Newton-II, Modellus 4).

Graphische Modellbildungsprogramme (Beispiele: STELLA, Dynasys,
Powersim, Coach, Vensim ple, VisEdit/PAKMA, JPAKMA).
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SS 2010
7. Weitere Mechanikforderungen

Einbeziehen von Elementen der Metakognition
Lernvorgang thematisieren
 Training von Denk- und Lerntechniken
 Die Technik der concept maps als Beispiel

bereitet
en
om
m
be
k
tb
ei
rfel
wü
t
h
ge
Schule
ert
ein

ä rg
Dialog und Unterrichtsklima
 Guter Umgang mit Fehlern


ur
tz
Lehrer
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Noten
n zur
n
eh
Der Umgang mit den Schülern
gehe
e
lieb
rg
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
Schüler
rt
ge
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Freude
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Direktor
Der Irrtum spielt in der Entstehung physikalischer Theorien eine
wichtige Rolle.
Bei Lehrern aber häufig: Entsetzen
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8. Karlsruher Physikkurs

Gliederung:

1. Was ist der KPK?

2. Ziele des KPK

3. Grundlegende Ideen

4. Sprache der Strömungsmechanik

5. Konsequenzen

6. Empirische Untersuchung

7. Kritik

8. Mechanik im KPK

9. Kritik an Mechanik im KPK
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8. Karlsruher Physikkurs

Zuerst Testaufgaben, die zum KPK passen.

8.1 Was ist der KPK?

Ein an der Universität Karlsruhe ausgearbeiteter Vorschlag zur
Neustrukturierung des Physikunterrichts in Schule und Hochschule.

Autoren: insbesondere Prof. Friedrich Herrmann und Prof. Gottfried
Falk

Erst Entwicklung einer Univorlesung, dann Entwicklung für die
Schule

1988-1992: Erprobung an etwa 20 Schulen in Baden-Württemberg

Seit 1994: Kurs darf an Gymnasien in BW eingesetzt werden

1996 bis 2001: Einzige bisherige Evaluation im Rahmen einer
Promotionsarbeit
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8. Karlsruher Physikkurs
1998: Übernahme von Druck und Vertrieb durch den AULIS-Verlag
 KPK-Lehrbücher für die Sekundarstufe I






KPK-Lehrbücher für die Sekundarstufe II









Schülerband 1: Energie, Strömungen, Mechanik, Wärmelehre
Schülerband 2: Daten, Elektrizitätslehre, Optik
Schülerband 3: Chemie, Wellen, Atome, Festkörper
Unterrichtshilfen für Lehrer: Gesamtband
Band 1: Elektrodynamik
Unterrichtshilfen zur Elektrodynamik
Band 2: Thermodynamik
Unterrichtshilfen zur Thermodynamik
Band 3: Schwingungen und Wellen
Unterrichtshilfen zu Schwingungen und Wellen; Daten
Band 4: Mechanik
Band 5: Atom-, Kern- und Teilchenphysik
2004: Zulassung in BW als Lehrbuch für die Sekundarstufe I
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8.2 Ziele



Bewältigung des sich vermehrenden Stoffs (in oft kürzerer Zeit) wird
zunehmend schwerer, Neuordnung und Straffung der Inhalte nötig
Modernisierung nötig: Stärkere Berücksichtigung der Physik des 20.
Jahrhunderts
Straffung des Physikunterrichts durch Ausnutzung von Analogien
zwischen physikalischen Teilgebieten:




Entsorgung „historischer Altlasten“ im Standard-Physikunterricht



einheitliche Strukturen und Formulierungen schaffen bzw. nutzen
redundante Formulierungen
Physikunterricht wird „kompakter“
naturwissenschaftliche Lehrkanon ist das Ergebnis eines
Evolutionsprozesses. Der historische Weg geht Umwege, macht Fehler,
erdenkt unpassende Konzepte.
Lernende sollen nicht diesem Weg folgen.
Fächerübergreifenden Unterricht, Förderung interdisziplinärer
Verbindungen zu Nachbardisziplinen wie Biologie, Chemie, Informatik
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8. Karlsruher Physikkurs

8.3 Grundlegende Ideen:
Mengenartige Größen
2. Energieträger
3. SAW – Konzept (Strom-Antrieb-Widerstand)
1.

8.3.1 Mengenartige Größen

Unterscheidung intensive – extensive Größen


intensive Größe: Zustandsgröße, die sich bei unterschiedlicher Größe
des betrachteten Systems nicht ändert (z.B. Temperatur, Druck)
extensive Größe: Zustandsgröße, die sich mit der Größe des
betrachteten Systems ändert (z.B. Masse, Stoffmenge, Volumen,
innere Energie, Enthalpie, Entropie, Ladung, Impuls, Drehimpuls,
Energie)
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8.3.1 Mengenartige Größen

Eigenschaften einer mengenartigen Größe X:
1. X bezieht sich auf ein Raumgebiet.
2. X kann „gespeichert“ werden.
3. Werden zwei Systeme A, B mit „X-Inhalten“ XA, XB
zu einem zusammen gefügt,
gilt Xges=XA+XB (Additivität).
4. X kann strömen bzw. es gibt eine Größe IX, die die
Änderung von X im betreffenden Gebiet beschreibt
(Zuordnung von Stromstärken).

Größen können wie ein Stoff (Wasser, Luft) behandelt werden

Schaffung eines für Schüler greifbaren Modells einer Größe als Stoff

produzieren korrekte Vorstellungen
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8.3.1 Mengenartige Größen:


Wichtigstes Kennzeichen einer mengenartigen Größe ist, dass sie die
Kontinuitätsgleichung erfüllt:
Hierbei ist:





dX
 Ix   x
dt
X die mengenartige Größe,
dX/dt deren zeitliche Änderung innerhalb
eines Raumgebiets,
IX die Stromstärke von X durch die Oberfläche
des selbigen,
ΣX ein Maß für die Erzeugung/Vernichtung
von X im Raumgebiet.
Die zeitliche Änderung einer mengenartigen Größe kann also zwei
Ursachen haben:


Zu- oder Abfluss = Strom
Erzeugung oder Vernichtung
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8.3.1 Mengenartige Größen



Mengenartige Größen können ein Skalar sein (z.B. Masse,
Energie) oder ein Vektor (z.B. Impuls, Drehimpuls)
Gilt dX/dt=IX , also ΣX=0, so ist X eine Erhaltungsgröße, sie
kann nicht erzeugt / vernichtet werden
(z.B. Ladung: dQ/dt=I oder Energie: dE/dt=P)
Aus der Kontinuitätsgleichung ergeben sich vier
Forderungen:
1.
2.
3.
4.
Die Größen beziehen sich immer auf ein Raumgebiet.
Zu jeder Größe X gehört eine „Stromstärke“ IX .
Mengenartige Größen sind additiv.
Die Stromstärken sind additiv.
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8.3.2 Energieformen und Energieträger




Kritik an klassischem Energiebegriff: Jedes Teilgebiet der
Physik hat seinen eigenen Energiebegriff
Grundlage: Gibbssche Fundamentalform
dE  TdS  dQ  vdp  dn
Bei jeder Energieänderung ändert auch noch mindestens
eine der mengenartigen Größe S, Q, p, n ihren Wert.
Wie stark sie sich ändert, hängt von der zugehörigen
intensiven Größe T, φ ,v , μ ab.
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8.3.2 Energieformen und Energieträger




Energieänderung durch einen „Strom“ ergibt:
dE/dt = T dS/dt + φ dQ/dt + v dp/dt + μ dn/dt
oder:
P = T IS + φ I + v F + μ In
Dabei heißt P im KPK nicht Leistung, sondern
„Energiestrom“. Analog heißt F „Impulsstrom“.
Folgerung: „Strömt“ Energie, „strömt“ mindestens eine
andere mengenartige Größe S, Q, p, n (genannt
Energieträger); die intensive Größe T, φ ,v, μ ist ein Maß
für die „Beladung“ des Trägers mit Energie.
Ein Energiestrom P ist immer mit einem Materiestrom
verbunden ist! Anders formuliert:
Energie fließt nie alleine!
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8.3.3 Das SAW – Konzept



Dieses Modell stammt aus der E-Lehre und wird in alle
Teilbereiche der Physik übertragen!
Es ist Ix  0 eine Stromstärke, die von der Potentialdifferenz
abhängt. Dass bei der gegebenen Anordnung bei größerem
∆φ die Stromstärke zunimmt, interpretiert der KPK
folgendermaßen:
I(S)
Die Potentialdifferenz ist der
Antrieb des Stroms. Ein Gebilde,
in dem bei gegebenem Stromfluss

Entropie erzeugt, wird heißt
(A)
Widerstand.
R(W)
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8.4 Sprache der Strömungsmechanik



Grundlage für Ausdrucksweise im KPK bildet die
Strömungsmechanik (StM).
StM liefert bildliche „Schablone“ für nachfolgende Themen.
Erläuterung beginnt mit Druck, qualitative Einführung über
Alltagserfahrungen mit Wasser-/Luftdruck.

Überdruck/Unterdruck
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8.4 Sprache der Strömungsmechanik

Dann Druckunterschiede:
„Druckunterschiede sind Antrieb für
Flüssigkeits-/Gasströme“.
 Bzw. allg. im KPK-Schema: „Eine
Differenz (Gradient) der intensiven
Größe (Druck) verursacht einen Strom
der extensiven Größe (Stoffmenge).“



„Flüssigkeiten/Gase strömen von selbst von Stellen höheren
Drucks zu Stellen niedrigeren Drucks.“
Für die Umkehrung benötigt man eine Pumpe. Allerdings
wird auch der Begriff „Pumpe“ im KPK universal verwendet,
z.B. „Entropiepumpe“, „Impulspumpe“.
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8.4 Sprache der Strömungsmechanik




Danach Strom: „Wasserstrom =
Wassermenge/Zeitdauer“
Gleich Abgrenzung zwischen
„Strom“ und
„Strömungsgeschwindigkeit“
Zusätzlich wird die „Knotenregel“
eingeführt.
Proportionalität von
Druckunterschied und
Strom
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8.4 Sprache der Strömungsmechanik

Auch Widerstand am Beispiel Strömung:
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8.5 Konsequenzen

Thermodynamik:



Mechanik:





Entropie viel früher als üblich eingeführt
Entropie als Präzisierung von vielen Vorstellungen, die man in der
Umgangssprache als Wärme bezeichnet.
Impuls an den Anfang gestellt
Kraft als Impulsstromstärke eingeführt
Druck bekommt die Bezeichnung Impulsstromdichte
Kritisiert wird daran, dass die Impulsstromdichte eine tensorielle Größe ist,
was im Unterricht bis weit in die Hochschulen hinein mehr oder weniger
trickreich übergangen werden muss, was allerdings auch eine konsistente
Beschreibung von Zug-, Schub- und Scherkräften ermöglicht.
Atomphysik:


Statt überholte Atommodellen wie dem Bohrschen Atommodell ein an
modernen Erkenntnissen orientiertes Modell.
Die Aufenhaltswahrscheinlichkeitsdichte der Elektronen wird vereinfachend
"Elektronium" genannt und seine Eigenschaften qualitativ vorgestellt.
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8.6 Empirische Untersuchung

1998 Studie von Erich Starauschek:

ca. 2.000 Schüler der Klassen 8 bis 11

Vergleichskriterium: Veränderung der Alltagsvorstellungen der
Schüler

Zusätzlich Einschätzung von Lehrern, ob die gestellten Aufgaben
von ihren Schülern bewältigt werden könnten
(E-/W-Lehre: KPK und SPU gleich, Mechanik: KPK optimistischer).
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8.6 Empirische Untersuchung

Ergebnisse:

Sprache der KPK-Schüler konsistenter

Verwendung der Begriffe „Impuls“ und „Entropie“ schließen
Vermengung mit Alltagsbegriffen aus.

KPK-Buch wird als „verständlich“ eingeschätzt (besonders hoher
Anteil bei Mädchen).

„gelingendes Sprachspiel“, d.h.
1. Fachsprache wird als solche erkannt,
2. Ordungsstruktur der Fachsprache wird erkannt,
3. Fachsprache kann im PU modellbildend genutzt werden.
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8.6 Empirische Untersuchung

Fazit von Starauschek:

Mechanik: keine signifikante Verbesserungen (nur bei vereinzelten
Fragestellungen)

Wärmelehre: weitestgehend gleicher Leistungsstand, Vorteile des
KPK nur bei Fragen zu Temperaturausgleich und Wärmeempfindung
(Fragenauswahl war z.T. auf KPK zugeschnitten)

E-Lehre: keine großen Unterschiede

Erwartungen über Effektivität des KPK wurden enttäuscht.

Allerdings etwas positivere/motiviertere Einstellung der
Schüler (insbesondere Mädchen) zum Physikunterricht.

Eine flächendeckende Verwendung ist aus den Ergebnissen
nicht zu rechtfertigen.
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8.7 Kritik






KPK gibt Anreiz, über Begriffe und Zusammenhänge
nachzudenken.
Immer wieder wurde und wird der KPK als fachlich
fragwürdig bezeichnet und es werden fachliche
Inkonsistenzen aufgezeigt.
Immer wieder wurde und wird der KPK als didaktisch
fragwürdig bezeichnet (Nutzen die Analogien wirklich?)
Keine besseren Unterrichtsergebnisse als traditioneller
Unterricht!!
Vermutung, bei den Schüler nur „formales, papageienartiges
Lernen ohne Verständnis“
Der KPK erreicht seine eigenen Ziele nicht.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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8.7 Kritik

Zwei Beispiele für angebliche Inkonsistenzen:

1. Beschreibung falsch, wenn Druck- und
Potentialunterschiede vorhanden:



KPK: „Flüssigkeiten und Gase strömen von selbst von
Stellen höheren Drucks zu Stellen niedrigeren Drucks.“
Das gilt nur, wenn kein anderer Antrieb vorhanden ist.
2. Entropie nicht erhalten:


A
B
Wir mischen 200 g Wasser (T1=10°C) mit 200 g Wasser
(T2=90°C). Rechnung ergibt, dass die abgegebene
Entropie des warmen Körpers 97,8 J/K beträgt. Die
aufgenommene Entropie des kalte Körpers erhöht sich
jedoch um 110,8 J/K. Entropie nimmt zu!!
Es entsteht Entropie. Im Modell des KPK entsteht
Entropie immer an Widerständen. Wie dieser
Wiederstand aber aussieht, darüber macht der KPK
keine Aussage!
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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8.7 Kritik


Eine Straffung der Schulphysik ist möglich.
Vernachlässigung historischer Entwicklungen:


Kein zuverlässiges Bild von physikalischer Denk- und Arbeitsweise,
fraglicher Bildungswert.
Einführung neuer Begriffe und Einheiten
Späteres Umlernen bei Schulwechsel oder an Universität ist nötig.
 Bedenken bei Schul-, Lehrer- oder Klassenwechsel werden nicht
bestätigt.
 Trotz KPK wird das Zentralabitur bestanden.
 Problem haben nicht die Schüler sondern die Lehrer.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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8.7 Kritik

Meine Bewertung:

Viele Lehrer sind zu Recht mit dem traditionellen Sachstrukturen
unzufrieden, sehen deren Schwächen und wollen etwas Besseres.

Da sie viele gute, hier vorgestellte Konzepte nicht kennen, spricht sie
die Alternative KPK an.

So sind zwar einige Lehrer vom KPK begeistert, aber er bringt kein
besseres Verständnis, keine besseren Schülerleistungen.

Eine flächenhafte Umstellung des Schulunterrichts auf KPK ist
deshalb nicht zu rechtfertigen.

Dies spricht gegen die traditionellen Sachstrukturen und dafür,
ausgehend von Schülervorstellungen bessere zu entwickeln.

Die Diskussion für und gegen den KPK ist oft sehr emotional und
radikal statt objektiv.
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8.8 Mechanik im KPK

Charakterisierung des Bewegungszustandes eines Körpers
durch:
Geschwindigkeit v
 Impuls p (Einheit: Huygens Hy), der für die umgangssprachlichen
Begriffe „Schwung“ oder „Wucht“ steht.


Impuls:
Impuls kann auf andere Körper übergehen. Impulsstrom fließt von
selbst vom Körper mit hoher Geschwindigkeit zum Körper mit
niedriger Geschwindigkeit.
 Impuls kann negative und positive Werte annehmen (positiv bei
Bewegung nach rechts), also zunächst nur eindimensionale
Betrachtung.
 Bei Reibung („schlechter Lagerung“) fließt Impuls in die Erde ab, bei
guter Lagerung bleibt Impuls im Körper.
 Impuls abhängig von Geschwindigkeit und Masse.

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8.8 Mechanik im KPK

Impulspumpen: Woher kommt Impuls, wenn ein Körper
beschleunigt wird?
Person = Impulspumpe
Impuls fließt von der Erde in den Wagen
•Impuls fließt von der
rechten Person in den Wagen
• Die Person pumpt Impuls
vom rechten in den linken Wagen
• Der Motor pumpt Impuls
aus der Erde in das Auto
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8.8 Mechanik im KPK

Impulsleiter:

Welche Verbindungen zwischen Körpern lassen zu, dass ein
Impulsstrom fließt?




Feste Stoffe
Seile (nur in Zugrichtung)
Magnetfelder
Luft ist kein Impulsleiter (mit Einschränkungen)
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8.8 Mechanik im KPK

Der Impuls kann in einem geschlossenen Stromkreis
fließen! Strom ohne Antrieb (kein Widerstand)
Statik: Auf- und abfließende Impulsströme sind gleich groß.
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8.8 Mechanik im KPK

Analogie zwischen Impulsströmen und Wasserströmen:





„In einen frei fallenden Körper fließt ein zeitlich konstanter
Impulsstrom hinein. Sein Impuls nimmt daher proportional zur Zeit
zu. Dem entspricht einem Behälter, in den ein zeitlich konstanter
Wasserstrom hineinfließt. Als Folge wächst die Höhe des
Wasserspiegels proportional zur Zeit. Auf dem Mond ist der
Impulsstrom kleiner. Im Modell entspricht dem ein kleinerer
Wasserstrom.“
Reibung entspricht einem Leck im Behälter, in dem Impuls abfließt.
Durch „Übersetzen“ erhält man aus p = mv die Gleichung V = Ah .
Aber: h und V sind skalare Größen, v und p sind vektorielle Größen!
Zunächst konsequent nur eindimensionale Betrachtungen, obwohl
man es auch zweidimensional behandeln könnte (Dann aber passt
die Analogie nicht mehr).
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8.8 Mechanik im KPK




Impulsstromstärke = Impulsänderung pro Zeitdauer
F = p / t, Einheit: N = Hy / s
Anderes Wort für Impulsstromstärke: Kraft
Verschiedene Beschreibungen:
Impulsstrommodell / KPK: Impuls fließt aus der Erde über
Person/Seil in Wagen.
 Kraftmodell /Traditionell: Kraft wirkt auf Wagen, Impuls nimmt zu.



Gemessen wird die Impulsstromstärke am sog. Kraftmesser:
Stahlfeder, die sich umso mehr verlängert, je stärker der
Impulsstrom ist, der durch sie hindurchfließt.
Newtonsche Axiome sind verschiedene Formulierungen der
Impulserhaltung. Da Impulserhaltung vorausgesetzt wird,
keine Behandlung der Newtonschen Axiome nötig!
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8.8 Mechanik im KPK

Energieeinführung:


„Du verbrauchst viel Energie“ bedeutet „Es fließt viel Energie durch
dich hindurch; du nimmst viel Energie auf und gibst viel Energie ab!“
Impuls als Energieträger:
Im Seil fließt Energiestrom und Impulsstrom.
 Energieträger ist der Impuls.
 Zurückfließender Impuls trägt keine Energie.

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8.8 Mechanik im KPK

Die Stärke des Energiestromes P durch ein Seil hängt ab

von der Stärke F des Impulsstromes im Seil: P ~ F
Im Knotenpunkt teilen sich
beide Ströme auf: P ~ F

von der Geschwindigkeit v des Seils: P ~ v
Energiestrom: PA = PB
Geschwindigkeit: vB = 2vA
Impulsströme: FA = 2FB


Also: P = F  v
Mit P = E / t und v = s / t folgt:
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E=sF
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8.8 Mechanik im KPK

Energiespeicher:

Elastisch verformte Körper


Bewegte Körper


Ziehen eines Autos
Das Schwerefeld


Spannen einer Feder
Heben eines Korbes
Bewegte Körper:
„Wir laden einen gut gelagerten Wagen mit Impuls“:
Im Seil fließt Energie und Impuls. Diese können den Wagen nicht
verlassen. Der Wagen speichert Energie und Impuls.
 Ausrollender Wagen:
Impuls fließt in die Erde ab. Energie erzeugt Wärme (Reibung) und
geht in die Umgebung (Erde, Luft, Wagen).

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8.9 Kritik an Mechanik im KPK

Impulsstrom fachlich und didaktisch sehr umstritten:
Bezeichnung von F als Impulsstromstärke unzulässig?
dp/dt = dm/dt  v + m  dv/dt
 Der Impuls ist kein materialistischer Stoff, der fließt, sondern eine
abstrakte Vorstellung.


Orientierung an mathematischer Struktur, die Analogien
erlaubt, bedeutet: andere wichtige Aspekte bleiben außen
vor:
Methodisch zu festgelegt
 Historische Entwicklung nicht thematisiert; Arbeitsweise der
Wissenschaft falsch dargestellt; Physik ist nicht Mathematik, keine
abgeschlossene Theorie.


Zweites Newton´sches Axiom als Trivialität:
Impuls ändert sich, weil Impuls fließt (Tautologie).
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8.9 Kritik an Mechanik im KPK


Statik wird unanschaulich.
Späte Einführung von Vektorgrößen:


Richtungscharakter von Impuls und Impulsstromstärke wird nicht
verinnerlicht.
Einführung einer neuen Grundgröße:
Späteres Umlernen bei Schulwechsel oder an Universität nötig
 Umlernen gelingt, Probleme mit neuen Begriffen haben nicht die
Schüler, sondern die Lehrer.


Keine besseren Lernergebnisse. Deshalb Aufwand nicht
gerechtfertigt.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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8.9 Kritik an Mechanik im KPK

Problematische Ergebnisse bei Bewegungen nach links:

Beispiel: Auto wird aus Ruhe durch Schieben nach links beschleunigt:




Wir schauen das Beispiel von der anderen Straßenseite an (=
gespiegelt).



Impuls ist negativ (= nach links gerichtet) und wird negativer (d.h. er
nimmt ab).
Also fließt Impuls über die Person auf die Erde ab (d.h. positiver = nach
rechts gerichteter Impuls fließt ab).
Warum fließt nicht negativer (= nach links gerichteter) Impuls auf?
Impuls ist positiv (= nach rechts gerichtet) und wird größer, d.h. nimmt zu.
Also fließt Impuls über die Person von der Erde auf (d.h. positiver = nach
rechts gerichteter Impuls fließt auf).
Einmal fließt also der Impuls ab, einmal auf - nur weil wir die
Straßenseite gewechselt haben! (Weil nur nach rechts gerichteter
Impuls fließt.)
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9. Die Energie

Gliederung:
1. Der Begriff „Energie“
2. Das traditionelle „Kraft-Arbeit-Energie-Konzept“ (KAE-Konzept)
(= alter Gymnasiallehrplan in Bayern bis 2005)
3. Das Münchner Unterrichtskonzept „Energie vor Arbeit“
(= aktueller Gymnasiallehrplan in Bayern seit 2005)
4. Neuer Vorschlag „Energie vor Kraft“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
9.1 Der Begriff „Energie“


Der Begriff „Energie“ ist vielschichtig.
Vier Grundideen beschreiben den Energiebegriff
(nach R. Duit):
Energieumwandlung
 Energietransport
 Energieerhaltung
 Energieentwertung

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9.2 Traditionelles KAE-Konzept

Arbeit in Anlehnung an den physiologischen Arbeitsbegriff
aus der Schülererfahrung

Energie als gespeicherte Arbeit oder Fähigkeit, Arbeit zu
verrichten

Ziel von KAE (Kraft-Arbeit-Energie):
Verbindung von Arbeit mit dem umgangssprachlichen
Arbeitsbegriff
als Erleichterung des Einstiegs in den Energiebegriff
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9.2 Traditionelles KAE-Konzept

Ausgehend von der Goldenen Regel der Mechanik
(Kraftwandler) wird Fs als neue Größe Arbeit definiert.

Zu jeder Kraftart (Schwerkraft, Zugkraft, Federkraft) findet
man eine Arbeitsform (Hubarbeit, Beschleunigungsarbeit,
Spannarbeit) und eine Energieart (Höhenenergie, kinetische
Energie, Spannenergie).
Über W=Fs werden quantitative Ausdrücke für die
Arbeitsformen und damit für die Energiearten gefunden.
Dann werden Energieumwandlungen betrachtet.
Messungen zeigen die Energieerhaltung, die das Endziel
des Unterrichts ist.



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9.2 Traditionelles KAE-Konzept

Probleme:
Grundsätzlich gilt: „Die Hoffnung, durch Anknüpfen und Benutzen der
Umgangssprache dem Schüler/der Schülerin das Lernen des
physikalischen Arbeitsbegriffs zu erleichtern, darf mit Recht als sehr
skeptisch beurteilt werden…“ (Jung, Weber & Wiesner, 1977)
 Konflikt zwischen Energieerhaltung und 2. Hauptsatz der
Wärmelehre durch die Formulierung „Energie ist die Fähigkeit, Arbeit
zu verrichten“ (Der 2. Hauptsatz schränkt die Aussage des 1. über die Gleichwertigkeit von

Wärme und Arbeit ein und ist damit eines der Fundamente der Thermodynamik).
Konzept entspricht nicht der Physik: Energieerhaltung ist nicht zu
beweisen.
 Im Gegensatz zur Physik wird die Arbeit sehr dominant.
 Der in der Physik sehr wichtige Energieerhaltungssatz kommt nur
noch am Schluss.

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9.2 Traditionelles KAE-Konzept

Untersuchung
von R. Duit
(1984):
Unterricht
vermittelt
Energieerhaltung
unzureichend.
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9.2 Traditionelles KAE-Konzept

Untersuchung
von R. Duit
(1984):
Unterricht
vermittelt
Energieerhaltung
unzureichend.
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9.3 „Energie vor Arbeit“

Dieses Münchner Unterrichtskonzept entstand im Rahmen
der Dissertation von Martin Bader (2001) bei Prof. Wiesner
an der LMU München.

Ziel: Anordnung der vom Lehrplan vorgegebenen Inhalte
nach didaktischen Gesichtspunkten

Vertrauen in die Existenz einer Erhaltungsgröße als
Ausgangspunkt für die Einführung der mechanischen
Energieformen anhand von entsprechenden Experimenten

Arbeit erst später als Energiedifferenz deklariert:

Änderung der Gesamtenergie eines nicht abgeschlossenen Systems

oder als Energieübertrag zwischen Teilsystemen
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9.3 „Energie vor Arbeit“

Reihenfolge beim Thema „Mechanische Energie und
Arbeit“:
1. Energieerhaltungssatz
2. Energiearten und Energieumwandlung
3. Arbeit
Umgekehrt wie
KAE-Konzept
4. Kraftwandler
5. Wirkungsgrad und Leistung
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9.3 „Energie vor Arbeit“

Einheit 1: Energieerhaltungssatz

Annahme: Im abgeschlossenen mechanischen System
Erde-Gummiball gibt es eine Größe, die während der
Bewegung konstant bleibt: „Gesamtenergie“.
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9.3 „Energie vor Arbeit“

Weitere Versuche zur Einheit 1: Energieerhaltung
Abgeschlossenes System
„Fadenpendel mit Erde“
Kugel auf einer Rennbahn
Abgeschlossenes System
„Schraubenfeder“
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9.3 „Energie vor Arbeit“

Einheit 2: Energiearten und Energieumwandlung

Genauere Betrachtung der Experimente
mechanische Energiearten ergeben sich: Epot (Espan, Eh), Ekin
qualitative Besprechung von Energieumwandlungen
Herleitung der entsprechenden Gleichungen für
verschiedene Energiearten (erst jetzt!):



Epot = mgh wird festgelegt / definiert.
 Die Gleichungen für andere Energiearten ergeben sich aus
Experimenten aus der Energieerhaltung


vertiefte Betrachtung der Energieerhaltung anhand von
Beispielen
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9.3 „Energie vor Arbeit“

Einheit 2: Energieumwandlungen
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9.3 „Energie vor Arbeit“

Einheit 3: Arbeit
Betrachtung nicht abgeschlossener mechanischer Systeme
 Beschreibung der Änderung der Gesamtenergie des Systems:
„Arbeit“.
 Beispiele, in denen Arbeit verrichtet wird
 Arten der Arbeit


Einheit 4: Kraftwandler
Aus Vorjahr bekannte Kraftwandler nochmal näher betrachten
 Bereits bekannte Formeln (Hebelgesetz, Flaschenzug, schiefe
Ebene) mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes herleiten
 Formeln deduktiv gewinnen und anschließend experimentell
bestätigen

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9.3 „Energie vor Arbeit“

Vergleich der Sachstruktur:
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9.3 „Energie vor Arbeit“



Erster Entwurf 1996/97
Überarbeitete Fassung 1997/98 nach Lernschwierigkeiten
und Interviews
Felduntersuchung mit 4 Tests:
Intelligenztest
 Vortest
 Lernerfolgstest I (nach Kapitel „mechanische Energie“)
 Lernerfolgstest II (nach Kapitel „Wärmelehre“)


Elf 9. Klassen aus sechs bayerischen Gymnasien mit 202
Schülern (Durchschnittsalter: 14,5) unterteilt in:
Versuchsgruppe (VG) nach Münchner Unterrichtskonzept
 Kontrollgruppe (KG) nach traditionellem KAE-Konzept

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9.3 „Energie vor Arbeit“

Intelligenztest: kein signifikanter Unterschied zwischen den
Gruppen

Vortest: keine signifikanten Unterschiede zwischen den
Gruppen, nahezu keine Vorkenntnisse

Also: Gleiche Lehr- und Lernvoraussetzungen

Unterschiedliche Lernerfolg begründet in verschiedenen
didaktischen Ansätzen.
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9.3 „Energie vor Arbeit“

Ergebnis der Lernerfolgstests: Globale Werte
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9.3 „Energie vor Arbeit“

Globaler Lernerfolg (GL) beider Gruppen:
GL der VG ist 2,06 mal so hoch
wie GL der KG.
 GP-Mechanik der VG ist 1,84 mal
so hoch wie der Wert der KG.
 GP-Wärmelehre der VG ist 2,45
mal so hoch wie der Wert der KG.

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9.3 „Energie vor Arbeit“

Resümee:
Arbeitsbegriff



Versuchsgruppe
Kontrollgruppe
Defintion von
Arbeit über
Energieänderung
Arbeit ist Kraft
längs eines
Weges
Anwendung von ¾ der Aufgaben
richtig
W = F·s
Etwas mehr als
die Hälfte richtig
Anwendung von Doppelt so häufig
W = ∆E
richtig wie
Kontrollgruppe
Halb so häufig
richtig wie
Versuchsgruppe
Lernerfolg abhängig vom Unterrichtskonzept,
Versuchsgruppe signifikant besser als Kontrollgruppe,
MUK führt zu besserem Lernerfolg als KAE-Konzept.
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9.4 Vorschlag „Energie zuerst“



Bildungsstandards: Energiekonzept hat fundamentale
Stellung  Basiskonzept Energie.
Energie heute ökonomisch und ökologisch sehr wichtig.
Hochschulphysik seit Ende des 19. Jhdts.:
Zurückweisung der Priorität des Kraftbegriffs
 Dominanz der Erhaltungsgrößen Energie und Impuls
 Methoden der theoretische Physik basieren auf Energiebegriff
(Langrange, Hamilton).

 Kraft ist nur die räumliche Änderungsrate F  grad E .



Lebensferner Energiebegriff unverfänglicher als Kraftbegriff
Der Energieerhaltungssatz ist eine abstrakte Idee, die
vorausgesetzt wird.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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9.4 Vorschlag „Energie zuerst“

1. Unterrichtseinheit: Merkmale des Energiekonzeptes






Energie ist der „Aufwand“ hinter beobachtbaren Veränderungen.
Energie kann gespeichert werden: mechanisch, chemisch, thermisch.
Energie kann transportiert werden.
Die Menge ist unveränderlich (Energieerhaltung).
Energieentwertung: thermische Energie kann nicht vollständig
zurückgewandelt werden.
2. Unterrichtseinheit: Metrisierung der Energie
Normkörper um bestimmte Strecke gehoben ergibt 1 Energetel = 1 e
 Masse m um h gehoben ergibt E = cmh (c = e/kg/m)
 Für 1 e = 9,81 J ist c = g = 9,81 J/kg/m.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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9.4 Vorschlag „Energie zuerst“

3. Unterrichtseinheit: Die mechanische Leistung


Anstrengung verändert sich mit dem Tempo. Maß: P = E / t.
4. Unterrichtseinheit: Kraft und ihre Messung





Bei sehr schweren Körpern: größere Strecke nutzen;
Energieaufwand bleibt gleich, Weg wird größer
F = E / s passt zu „gebrauchter Kraft“.
Quasistatisches Hochziehen einer Masse ergibt:
FG = E / h = mg
Kraft als Maß für den Energiebetrag, der je Meter umgesetzt wird.
Reibungsvorgänge, bei denen die mechanische Energie ganz in
thermische umgewandelt wird, führt zur Messung anderer
Energieformen.
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9.4 Vorschlag „Energie zuerst“

Einseitiger Kraftbegriff, Dynamik wird auf spätere Jahre
verwiesen (oder soll entfallen).

Bisher keine ausgearbeiteten Unterrichtsmaterialien.

Bisher keine empirische Überprüfung.

Vermutung: Konzept steht dem späteren Verständnis des
newtonschen Kraftbegriffes im Wege!!

Wollen wir wirklich auf den physikalischen Kraftbegriff
verzichten?

Aufwertung des Energiebegriffes auch bei anderer
Reihenfolge möglich!
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10. Das Teilchenmodell


Zunächst ein Aufgabenblatt!
Zitat von Richard Feynman (1974):


„Wenn in einer Sintflut alle wissenschaftlichen Kenntnisse zerstört
würden und nur ein Satz an die nächste Generation von Lebewesen
weitergereicht werden könnte, welche Aussage würde die größte
Information in den wenigsten Worten enthalten? Ich bin davon
überzeugt, dass dies die Atomhypothese (…) wäre, die besagt, dass
alle Dinge aus Atomen aufgebaut sind – aus kleinsten Teilchen, die
in permanenter Bewegung sind, einander anziehen, wenn sie ein
klein wenig voneinander entfernt sind, sich aber gegenseitig
abstoßen, wenn sie aneinander gepresst werden.“
Gliederung:
1. Schülervorstellungen zum Teilchenmodell
 2. Vorschlag: Lernen über Modelle

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10.1 Schülervorstellungen Teilchenmodell

Modelle zur Teilchenstruktur der Materie sind von zentraler
Bedeutung im naturwissenschaftlichen Unterricht.

Viele Phänomene lassen sich mit dem Modell kleiner
Massekugeln beschreiben (Wärmeströmung,
Phasenübergänge, Ausdehnung bei Erwärmung etc.).

Teilchen- und Kontinuumsvorstellungen werden vermischt.

Auch in der Mikrowelt dominieren makroskopische
Denkweisen.

Eigenschaften makroskopischer Körper werden auf die
submikroskopischen Modellobjekte übertragen.
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10.1 Schülervorstellungen Teilchenmodell

Charakteristische Merkmale:
Die kleinsten Teilchen haben Eigenschaften makroskopischer Körper
wie Temperatur, Farbe, Geruch, Form und Konsistenz.
 Zwischen den Teilchen eines Stoffes befindet sich Luft (wie auch
zwischen Kern und Elektron und im interstellaren Raum) (Luft ist nichts
und dort ist nichts, also Luft).
 Die Eigenbewegung der Teilchen hört wegen der Reibung von alleine
auf (oder wird erst gar nicht gesehen).
 Zwischen den Teilchen befindet sich der selbe Stoff in kontinuierlicher
Form (z.B. Wasser zwischen den Wasserteilchen).


Verständnis wird erschwert durch:
Schüler nutzen für den Mikrokosmos Analogien, die Fehlvorstellungen
fördern.
 Die Schulbuchdarstellungen sind problematisch (Teilchen so real wie
Autos).

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10.2 Vorschlag: Lernen über Modelle

Modelle nehmen wichtige Rolle bei der
Erkenntnisgewinnung ein, egal ob in Forschung oder beim
Lernen von Naturwissenschaften

Deshalb: Schüler sollen etwas über Modelle lernen, das
Modellieren reflektieren.

Dadurch soll erreicht werden:

bewusste und dauerhafte Unterscheidung von Erfahrungs- und
Modellwelt

Betonung des hypothetischen Charakters der Modelle sowie deren
Konstruktion

Auswahl und Nutzung von Modellen zum Problemlösen

kritische Bewertung von (alternativen) Modellen
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10.2 Vorschlag: Lernen über Modelle

Dazu nötig: Aktive Auseinandersetzung mit zwei Welten:


1. Die Erfahrungswelt – die wahrnehmbare Welt

Wahrnehmungen wie Sehen, Hören, Schmecken, Fühlen, Riechen

Die Welt der Phänomene

Tätigkeiten: Beobachten, Beschreiben, Messen
2. Die Modellwelt – die geschaffene Welt

Dinge, die wir nicht direkt wahrnehmen können

Die Welt der physikalischen Deutungen

Tätigkeiten: Vereinfachen und Auswählen, Untersuchen und Bauen,
Vermuten und Annehmen, Erklären und Verstehen
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10.2 Vorschlag: Lernen über Modelle

Möglichkeit der Einführung:


Erarbeitung des Begriffs „Modell“ ausgehend von gegenständlichen
Alltagsmodellen

Z.B. Modellflugzeuge, Spielzeugautos, Puppenhaus usw.

Vergleich von Original und Modell

Erarbeitung von Modelleigenschaften
Black-Box-Experimente

Z.B. Aufbau einer Schachtel überlegen, in die man nicht sehen kann,
aber eine rollende Kugel hört: Wo sind Wände eingeklebt?

Modelle sind von hypothetischer Natur.

Modelle sind etwas Konstruiertes.
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10.2 Vorschlag: Lernen über Modelle

Übergang zur Mikrowelt
Über die Beschreibung verschiedener Gegenstände (z.B.
geschwärztes Reagenzglas mit unbekannter Füllung) sollen die
Schüler die Grenzen ihrer Wahrnehmung erfahren.
 Wahrnehmbare Körper können durch ihre spezifischen
Eigenschaften (z.B. Farbe, Form, Geruch) identifiziert werden.
 Versuch, dessen Ergebnis sich nicht mit den üblichen Erfahrungen
erklären lässt (Mischung von Wasser und Alkohol oder Brownsche
Bewegung).
 Modell als Hilfsmittel  gemeinsame Erarbeitung des
Teilchenmodells


Ergebnis:
Beobachtungen aller Phänomene sind Teil der Erfahrungswelt.
 Aber: Erklärungen mithilfe von Modellen gehören in die Modellwelt.

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11. Schülervorstellungen zur Wärmelehre


In der Alltagssprache:

1.) Wärme = Zustand des Warmseins (= hohe Temperatur)

2.) Wärme = eine Art Substanz, quasistofflich (wie Rauch, Dampf,
Luft)

Wärme und Kälte sind Gegensätze auf der Temperaturskala

Kälte z.T. auch ein quasistoffliches Etwas.
In Physik und Physikunterricht:

Temperatur = „Wärme-Grad“, Wärme = „Energiemenge“

Gebrauch von „Wärme“ oft leider nicht eindeutig: keine
Unterscheidung zwischen „innere Energie“ und „Wärmemenge“.
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11. Schülervorstellungen zur Wärmelehre

In der Thermodynamik:

Ein warmer und ein kalter Körper in Kontakt:
T1>T2
T2<T1
innere
Energie Wärmemenge Q
U1





innere
Energie
U2
Die Energie, die im Körper steckt, heißt „innere Energie“ U und ist eine
Zustandsgröße.
Die Energie, die aufgrund der Temperaturdifferenz fließt, heißt
Wärmemenge Q und ist eine Prozessgröße.
Innere Energie U ist speicherbar, kann aber nicht fließen.
Die Wärmemenge Q ist nicht speicherbar, ein Körper hat keine Wärme
und keinen Wärmeinhalt!!
Falsch: U und Q werden mit „Wärme“ bezeichnet.
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11. Schülervorstellungen zur Wärmelehre


Entwicklung von Vorstellungen:

Alter ca. 4 Jahre: Wärme hat mit heißen Dingen zu tun: Dinge sind
warm und machen warm (z.B. Pullover)

Alter ca. 6 Jahre zusätzlich: Wärme hat mit Wirkungen zu tun.

Alter ca. 8 Jahre: Vorstellung, Wärme geht vom heißen Ding aus
(Beispiel: heiße Metallkugel in Gefäß)

Alter ca. 8 Jahre: Erste Vorstellung von Wärmegrad = Temperatur

Unterschied Temperatur und Wärme bleibt immer vage, Temperatur
und Wärme fast synonym.
Historische Entwicklung:

18. Jhdt.: Wärmestoffvorstellung

19. Jhdt: Wurde durch Teilchenvorstellung abgelöst.
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11. Schülervorstellungen zur Wärmelehre


Deutungen:

Von sich aus Nutzen Schüler selten ein explizite Stoffvorstellung.

Bietet man eine Stoffvorstellung zur Auswahl, wird sie oft gewählt.

Die Schüler nutzen von sich aus kaum das Teilchenmodell

Wird das Teilchenmodell als Erklärung angeboten, wird es von
vielen akzeptiert, es ist einleuchtend.
Verschiedene auftretende Vorstellungen:

Grundschule: Temperatur hat mit Volumen zu tun

Mischtemperaturen:



Ab ca. 5 Jahre richtige qualitative Vorstellung
Bis ca. 13 Jahre: Problem bei Angabe von Temperaturen (z.B. addiert)
Auch bei Studenten Probleme beim Schmelzen und Sieden:
Jede Wärmezufuhr führt zur Temperaturerhöhung.
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11. Schülervorstellungen zur Wärmelehre

Vorstellungen zu Temperaturempfinden:
Temperaturempfinden wird nicht mit Wärmeleitung verbunden.
 Richtig: Metalle leiten Wärme vom Körper besser weg.
 Alternative Schülervorstellungen:




Metalle leiten Kälte besser.
Metalle ziehen Kälte/Wärme mehr an.
„heiß“ und „kalt“ sind Eigenschaften des Materials.




Wolle ist warm, Wolle macht warm.
Metall ist kalt, Metall macht kalt.
Körper in Kontakt oder in Luft nehmen nicht unbedingt die gleiche
Temperatur an.
Vorstellungen zu Wärmeleitung:
Durch Metallstange wandern heiße Moleküle.
 Wärme wandert durch Lufträume.
 Wärme fließt auf der Oberfläche.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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12. Schülervorstellungen zum Druck
12.1 Schülervorstellungen:

Alltag: gerichtete Einwirkung auf einen Körper ( Kraft)

Physik: Zustand des Gepresstseins eines Gases oder einer
Flüssigkeit (keine Richtung!!)

Hauptschwierigkeit im Unterricht: Differenzierung zwischen
Druck und Kraft

Schüler beschreiben Druckphänomene nicht über
Druckzustände, sondern über Bewegungen.

Ziel: Blick weg von den Bewegungen, hin zu den
Druckzuständen lenken.
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12. Schülervorstellungen zum Druck
12.2 Unterrichtskonzepte:

Ganz früher, heute zum Glück aus Schulbüchern verbannt:
Einführung über Auflagedruck

Problem heute:


Im Unterricht zu früh die Definitionsgleichung p = F / A.

Damit: zu wenig qualitative Begriffsbildung

Damit Verbindung
 von Kraft und Druck (= auf Fläche bezogene Kraft)
(= Spannung S  F / A,   FN / A )
Nötig: Druck als Gepresstsein eines Gases oder Flüssigkeit
einführen, lange qualitativ argumentieren, sehr spät erst die
Definitionsgleichung einführen
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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12. Schülervorstellungen zum Druck
12.3 Ungünstige Einstiegsversuche:

Kraft-Druck-Gerät
Lehrer: Herleitung der Definitionsgleichung für
den Druck
 Schüler beachtet Bewegung, nicht Zustand in
Flüssigkeit.
 Der Versuch ist nur bei Kraftwandlern sinnvoll.


Spritzkugel:
Lehrer: steigender Druck in Flüssigkeit, Wasser
übt in alle Richtungen Kräfte aus.
 Schüler: Bewegung des Stempels führt zur
Bewegung des Wassers.

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12. Schülervorstellungen zum Druck
12.4 Ungünstige Sprechweisen:

„Druckausbreitung“
Druck ist an Bewegung geknüpft?
 Richtig: „Druck herrscht“


„Druck wird ausgeübt.“
Nur eine Kraft kann von einem Körper auf einen anderen ausgeübt
werden.
 Druck beschreibt einen Zustand, keine Wechselwirkung.
 Genauso wäre: eine Temperatur wird ausgeübt.

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12. Schülervorstellungen zum Druck
12.5 Vorschlag:

Lange qualitativ argumentieren.

Definitionsgleichung spät thematisieren.

Wenn Luft gepresst ist, sagt man, im Gas herrscht Druck.

Betrachtung von Druckdifferenzen.

Es gibt kein saugendes Vakuum.
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13. Vorstellungen zu Atomen und Quantenphysik

1. Atome:
Dominanz des Planetenmodells (Bohrsches Atommodell),
(obwohl von fachlicher und didaktischer Seite gegen dessen
Nutzung argumentiert wird).






Elektron ist Teilchen mit Masse, Geschwindigkeit und Bahnkurve
(Punktmechanik, mechanistisches Denken)
Festhalten der Schüler am Bahnbegriff
Stabilität der Atome durch Fliehkräfte (Kräftegleichgewicht)
Aber auch Stabilität durch Ladungsabstoßung
(selten: Elektronen sitzen in einer festen Hülle)
Wahrscheinlichkeiten werden als Kalkül akzeptiert, bedürfen aber
einer kausalen Erklärung
Das Bohrsche Atommodell wurde deshalb auch aus Lehrplänen
entfernt.
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13. Vorstellungen zu Atomen und Quantenphysik

2. Quantenobjekte:

Quantenobjekte haben zu jeder Zeit einen Ort (gute Hälfte der Schüler)
(„irgendwo muss es ja sein“, schwierig zu messen)

Quantenobjekte haben keine permanente Ortseigenschaft;
Begründung aber falsch.
Kein Bewusstsein für die Unbestimmtheitsrelation
 Auf Nachfrage z.T. falsche Vorstellungen zur Unbestimmtheitsrelation
 Schwierigkeiten mit der Bedeutung von x und p


Heute: Ausgehend von einer Teilchengesamtheit wird die Unschärfe des
Ortes x und des Impulses p durch deren statistische Streuung σx und σp

  
gemessen. Dann gilt:
(entspricht nicht dem ursprünglich von
2
Heisenberg Publiziertem).
x
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p
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13. Vorstellungen zu Atomen und Quantenphysik

3. Licht:

Bereits vor dem Quantenphysik-Unterricht haben sehr viele Schüler
eine Teilchenvorstellung vom Licht und viele eine DualismusVorstellung.

Nach dem Unterricht: Vor allem dualistische Vorstellungen, Licht ist
sowohl Welle als auch Teilchen (Physik: Es ist weder noch!); kein
Bewusstsein für Modellcharakter.

Auch bei freien Elektronen dualistische Vorstellungen (wie bei Licht):
Klassische Teilchen, die sich wellenförmig bewegen.
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13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

1990er Jahre: Entwicklung des Münchner Unterrichtskonzeptes zur Quantenmechanik durch Wiesner,
Engelhardt, Müller u.a. (Evaluation durch Müller in Sek II).

milq: Münchener Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in
Quantenmechanik

Im aktuellen bayerischen G8-Lehrplan (von 2005):


Einführung in die Quantenphysik bereits in Jahrgangsstufe 10, denn
jeder Schüler soll etwas von aktueller Physik gehört haben.

Die verblüffenden Erscheinungen bei der Quantenphysik, die
andersartige Physik kann für Schüler sehr reizvoll sein.
Empirische Untersuchung des Münchner Unterrichtskonzeptes in Jahrgangsstufe 10 durch Bernadette Schorn.
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13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Ziele des Konzeptes:
das Andere im Gegensatz zur klassischen Physik Herausstellen,
 Bereitstellen klarer Begriffe,
 Hervorheben der Born‘schen Wahrscheinlichkeitsinterpretation.
 Quantenobjekte besitzen nicht Eigenschaften wie „Ort“ oder „Bahn“.
Unterschied zwischen „Eigenschaft haben“ und „Eigenschaft messen“


Grundlegende Fragen:
Warum kann man Elektronen im Atom keinen festen Ort zuschreiben?
Warum besitzen Quantenobjekte ganz allgemein klassisch
wohldefinierte Eigenschaften (wie Ort, Impuls, Energie) oft nicht?
 Wie kann mit der Bornschen Wahrscheinlichkeitsinterpretation der
Welle-Teilchen-Dualismus aufgelöst werden?
 Was bedeutet die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation?

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13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Wesentliche Wesenszüge der Quantenphysik:
1. Statistische Vorhersagbarkeit

In der Quantenmechanik können Einzelereignisse im Allgemeinen nicht
vorhergesagt werden.
2. Fähigkeit zur Interferenz

Auch einzelne Quantenobjekte können zu einem Interferenzmuster
beitragen. Voraussetzung ist, dass es für das Eintreten des gleichen
Versuchsergebnisses mehr als eine klassisch denkbare Möglichkeit gibt
(Elektron hat dabei keine Bahn und keine Ortseigenschaft).
3. Eindeutige Messergebnisse

Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn sich das
Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand befindet, der
unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.
4. Komplementarität

Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren
Möglichkeiten schließen sich aus.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Simulation zeigt:


Bei einer Ortsmessung am
Doppelspalt wird das
Elektron an einem
bestimmten Ort gefunden.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Simulation zeigt:

Führt man eine Ortsmessung
durch, ergibt sich kein
Interferenzmuster, sonst
schon.
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Unterrichtskonzept für die Jahrgangsstufe 10:

Die Merkwürdigkeiten der Quantenphysik müssen deutlich werden:



Unterrichtseinheit 1: Interferenz bei Wellen


„Wer von der Quantenphysik nicht schockiert ist, der hat sie nicht
verstanden.“ (Niels Bohr)
„… ich denke, ich kann davon ausgehen, dass niemand die Quantenmechanik versteht.“ (Richard Feynman)
Mechanische Wellen mit Beugung und Interferenz
Unterrichtseinheit 2: Die Bahnkurve
Horizontaler Wurf ergibt Bahnkurve
 Körper haben die Eigenschaften „Ort“ und „Geschwindigkeit“.
 Ist das bei Elektronen auch so? Kathodenstrahlröhre:

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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Unterrichtseinheit 3: Doppelspalt mit Elektronen
Arbeit mit einem Simulationsprogramm
 Vergleich:
von klassischen Teilchen am Doppelspalt (links)
mit Elektronen am Doppelspalt (rechts)

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13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Unterrichtseinheit 4: Veranschaulichung mit Cartoons
Ergebnisse des Doppelspaltexperiments werden mit Cartoons zu
Skifahrern verdeutlicht:
 Erster Elektronenskilauf:


Skifahrer können
rechts oder links am
Baum vorbeifahren.
Die Verteilung
entspricht einem
Interferenzmuster
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13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Zweiter Elektronenskilauf:

Rechts und links am Baum sind Livecams angebracht, die das Verhalten
in der Baumebene zeigen. Die Verteilung entspricht dem klassischer
Teilchen.

Komplementarität
von
Ortseigenschaft
und
Interferenzmuster
Unterschied
„Besitzen von
Eigenschaft“ –
„Messen von
Eigenschaft“

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Unterrichtseinheit 5: Heisenbergsche Unschärferelation

Die Eigenschaft „Durchmesser“ und „Seitenlänge“ wird bei einer
runden und einer quadratischen Platte gemessen.
Schon in der klassischen Physik kann es Probleme geben, zwei
Eigenschaften an einem Objekt zu präparieren.
 Simulation am Einzelspalt zeigt: Verringerung der Streuung bei den
Messwerten für die Eigenschaft „Ort“ führt zu größerer Streuung bei
den Messwerten für die Eigenschaft „Geschwindigkeit“.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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SS 2010
13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Haupterprobung mit 137 Schülern:

Die Ideen sind bei den Schülern angekommen
1: zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Ort.
1: sind gleichzeitig realisierbar.
2: nicht zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Ort
2: schließen sich gegenseitig aus.
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SS 2010
13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht

Interesse bei den Schülern:







„Ich fand‘s toll, dass wir das machen durften, da ich mich über die
erstaunten Gesichter einiger Freunde, die Physik studieren,
amüsieren konnte (sie haben das höchstes in der Kollegstufe
angesprochen bzw. dann im Studium).“
„Mehr Quantenphysik im Physikunterricht!!!“
„Das Ganze war viel interessanter als die gesamte 9. Klasse in
Physik.“
„Ich finde Quantenphysik schon interessant doch teilweise ein wenig
kompliziert.“
„Lustig war‘s und verrückt!!!“
„Hab ich das Thema jetzt verstanden, wenn ich‘s nicht verstanden
hab!“
„Wer sagt, er hat die Quantenmechanik verstanden, der lügt!“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
14. Elektrizitätslehre

14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre








0. Grundschule
1. Strom als Brennstoff / Stromverbrauch
2. Konstantstromquelle
3. Lokales Denken
4. Sequentielles Denken
5. Der Begriff „Spannung“
6. Weitere Probleme
14.2 Helfen Analogien?








0. Was sind Analogien?
1. Der geschlossene Wasserkreislauf
2. Das Fahrradkettenmodell
3. Gravitations-/Höhenanalogie
4. Energiehutmodell
5. Wärmeleitungsanalogie
6. Elektronengasdruck-Modell
7. Hinweise
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
14. Elektrizitätslehre

Zunächst wieder einige Aufgaben aus Schülertests
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre

0. Grundschule:
Ein Kabel von der Batterie zur Lampe reicht. Strom fließt zur Lampe
und wird dort verbraucht (Einstoffverbrauchsmodell).
 Im Alltag wird ja auch nur „ein“ Kabel benutzt!


Nachdem man zeigt, dass die Lampe nur mit zwei Kabeln leuchtet,
kommen eher andere Vorstellungen:

Einstoffverbrauchsmodell mit Zweiwegezuführvorstellung:


Zweistoffverbrauchsmodell:


Ein Kabel reicht nicht. Man braucht zwei Wege, damit genügend Strom zur
Lampe fließt.
Aus dem Plus- und dem Minuspol kommen zwei verschiedene Stoffe, die
beide zur Lampe fließen. Die Lampe brennt nur, wenn dort beide Stoffe
ankommen.
Man muss also zeigen, wie jeweils die Stromrichtung ist.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre

1. Strom als Brennstoff / Stromverbrauch:





Strom ist in der Batterie gespeichert, fließt zur Lampe und wird dort
(zumindest teilweise) verbraucht („Für was zahlen wir sonst unsere
Stromrechnung?“).
Bei Reihenschaltungen: Vor jeder Lampe ist die Stromstärke größer
als nach der Lampe.
Im Unterricht garantiert die Demonstration der gleichen Stromstärke
vor und nach der Lampe keine dauerhafte Veränderung.
„Strom“ meint in unserer Alltagssprache das, was in der Physik mit
„Energie“ bezeichnet wird.
Damit hängt zusammen: Die Notwendigkeit des geschlossenen
Stromkreises ist nicht bewusst (wird nur als Lehrsatz genannt, nicht
angewandt) (Alltag: ein Kabel von Steckdose zur Lampe?).
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre

2. Konstantstromquelle:

Eine Quelle liefert immer eine konstante Stromstärke, unabhängig
von der Anzahl angeschlossener Glühbirnen.
Ca. 20 % kreuzen an:
Nimmt I2 ab, geht I1 hoch,
I bleibt konstant.
Vorstellung hängt mit der Vorstellung „Strom als Brennstoff“
zusammen.
 Diese Vorstellung wird durch den Begriff „Stromquelle“ gefördert.
Deshalb besser:



Zunächst „Elektrizitätsquelle“ (oder Energiequelle, kurz E-Quelle)
Später „Spannungsquelle“
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14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre

3. Lokales Denken
Schüler richten ihre Aufmerksamkeit auf einen Punkt des
Stromkreises, der Stromkreis als System wird ignoriert.
 Beispiele:



Konstantstromquelle: Strom der Quelle unabhängig vom Rest
Strom in Verzweigungen: Strom sieht nur die lokale Verzweigung,
Zusammenhang mit Rest des Kreises wird nicht gesehen.
Ca. 60 % geben an:
I3 = 0,6 A, I1 = 0,3 A, I2 = 0,3 A.
„Der Strom weiß an dem ersten Verzweigungspunkt
noch nicht was hinten kommt.“

Ein Gebilde wie eine Parallelschaltung innerhalb einer Reihenschaltung
wird losgelöst vom Rest (lokal) betrachtet.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre

4. Sequentielles Denken
Der Stromkreis wird mit Begriffen wie „vor“ und „nach“ dem
Widerstand analysiert.
 Eine Änderung „vorne“ im Stromkreis wirkt sich auf „hinten“ aus. Eine
Änderung „hinten“ wirkt sich aber nicht auf „vorne“ aus.
 Beispiele:


Es macht in der Abbildung einen Unterschied, welches R geändert wird.
R1 wirkt sich auf die Helligkeit
der Lampe aus, R2 nicht.

Strom in Verzweigungen: Strom weiß in Verzweigung
nicht, was hinten kommt.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre

5. Der Begriff „Spannung“
„Spannung“ wird nicht von „Strom“ getrennt (mangelnde
Differenzierung).
 Die Begriffe werden nicht verwechselt, sondern es fehlt ein Konzept
für „Spannung“ (und für „Strom“).
 Spannung ist eine Eigenschaft des elektrischen Stromes.

Ca. 40 % geben an, dass
zwischen allen Eckpunkten
eine Spannung von 6 V liegt.
Während dem Unterricht entwickelt sich aus einer einfachen Verbrauchsvorstellung eine Vorstellung
mit einem übermächtigen Strombegriff mit lokalem und sequentiellem Denken ohne Ergänzung durch
einen unabhängigen Spannungsbegriff.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre

6. Weitere Probleme:

Mangelnde Unterscheidung zwischen Reihen- und Parallelschaltung


Umsetzung Schaltbild in realen Stromkreis oder umgekehrt


Entscheidend ist die Anzahl der Bauteile, nicht die Schaltung.
Leichte Verformungen oder Drehungen von Schaltskizzen werden als
anderer Stromkreis aufgefasst.
Schaltung von Messgeräten

Messgeräte sind kein Teil des Stromkreises

Sie beeinflussen unabhängig von der Schaltung nicht den Stromfluss.
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14.2 Helfen Analogien?

0. Was sind Analogien?

Analogien = Ähnlichkeiten bzw. Vergleich mit Bekanntem

In der Wissenschaftsgeschichte zur Problemlösung verwendet (z.B.
Coulombgesetz aus Gravitationsgesetz; Ohm fand Gesetze über
strömende Elektrizität aus Analogie zur Wärmeleitung)

Bei Lernschwierigkeiten als Lernhilfe herangezogen.

Analogien verwenden, heißt einen Umweg machen.

Ähnlichkeiten sind reflexiv und symmetrisch,
aber weder transitiv noch intransitiv.

Der analoge Bereich muss vertraut sein!

Analogien sind eine problematische Lernhilfe.

Es ist umstritten, ob der Umgang mit Analogien mehr geübt werden
sollte.
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14.2 Helfen Analogien?

1. Der geschlossene Wasserkreislauf:
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14.2 Helfen Analogien?
Wasserkreislauf
elektrischer Stromkreis
Wasserrohre
Kabel
Pumpe
Batterie (= Spannungsquelle)
Die Ursache des Stromes ist:
die Druckdifferenz: p
Sie wird gemessen mit einem
Manometer (= Druckmesser)
Die Ursache des Stromes ist:
die Spannung: U = 
Sie wird gemessen mit einem
Voltmeter
Wasserstromstärke
Elektrische Stromstärke
= Wasservolumen pro Zeit: I =
Sie wird gemessen mit einem
Wasserstrommessgerät
V/t
= Ladung pro Zeit: I = Q/t
Sie wird gemessen mit einem
Amperemeter
Die Wasserstromstärke wird begrenzt
durch den mechanischen Widerstand des
Die Elektrische Stromstärke wird begrenzt durch
den elektrischen Widerstand:
Wasserrades:
I = U/R
I = p/R
Die Pumpe bewirkt nicht den Wasserfluss,
sondern eine Druckdifferenz.
Die Batterie bewirkt nicht den Stromfluss,
sondern eine Spannung (Potenzialdifferenz).
Die Turbine verbraucht kein Wasser, sondern
entnimmt dem Kreislauf Energie
(die sie in elektrische Energie umwandelt).
Die Glühbirne verbraucht keinen Strom, sondern
entnimmt dem Stromkreis Energie
(die sie in Wärme und Licht umwandelt).
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
14.2 Helfen Analogien?

1. Der geschlossene Wasserkreislauf:

Bekannteste Analogie

Weittragende Analogie

Aber: Schüler haben keine Erfahrungen mit geschlossenen
Wasserkreisläufen (bzw. Fehlvorstellungen)

Aber: Schüler haben keine Erfahrungen mit Drücken bzw. falsche
Vorstellungen dazu.

Deshalb: Analogie in Studien erfolglos

Also eher ungeschickte Analogie, die wenig hilft.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
14.2 Helfen Analogien?

Die Fehlvorstellungen zum
Wasserkreis sind ähnlich wie
die zum Stromkreis:
Rechts: Stromstärke nimmt ab
 Unten: Verschiedene
Vorstellungen bei Erhöhung
des Widerstandes

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.2 Helfen Analogien?

2. Gravitationsanalogie / Höhenanalogie
Z.B. mit einem offenen Wasserkreislauf:
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14.2 Helfen Analogien?

Gravitationsmodell
elektrischer Stromkreis
Höhe des Wasserteilchens
Potential des Elektrons
Gravitationsfeldstärke
elektrische Feldstärke
Höhenunterschied der Elektronen Spannung = Potentialdifferenz
an der Pumpe
an der Batterie
Höhenunterschied der Elektronen Spannung = Potentialdifferenz
an einem „Widerstand“
an einem Widerstand

Also eine Analogie zur Veranschaulichung der Spannung
oder zur Einführung über U 
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Wel Eel

Q
Q
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14.2 Helfen Analogien?

Für Schule geeignete Darstellung: Rutschanlagenmodell
Dass eine größere Gleichspannung eine größere Elektronengeschwin

v



E
digkeit erzeugt, ist für Metalle korrekt (Drude-Modell: Drift
mit
Beweglichkeit ).
 Nachspielbar mit Gymnastikbänken in Turnhalle.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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14.2 Helfen Analogien?
Eine erprobte Variante (nur für
Spannung): Das Stäbchenmodell
(Münchner Konzept)
 Einführung über Höhenbzw. Gravitationsanalogie



Literatur: PdN-PhiS 6/57 (2008), S. 6 – 18
Download von Stundenplanung, Arbeitsblättern, Folien etc.:
www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/materialien 
Elektrizitätslehre  Einführung
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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14.2 Helfen Analogien?

Münchner Stäbchenmodell-Unterricht:

Hinführung:
Wasserstromkreis  Druckdifferenz als Antrieb
Batterie: Potentialdifferenz als elektrische Druckdifferenz

Veranschaulichung des Drucks / des Potenzials
mit Stäbchen (Höhe)

Regeln u.a.:

„Am Pluspol einer Batterie ist der Potenzialwert größer als am Minuspol.“

„Sind zwei Stellen durch eine Leitung miteinander verbunden, so hat das
Potenzial an beiden Stellen denselben Wert.“

Mit Hilfe des Modells Parallel-, Reihen- und gemischte Schaltungen
aufbauen, Potenzialwerte und Potenzialdifferenzen veranschaulichen.

Bezeichnung „Spannung“ für die Potenzialdifferenz (synonym
verwenden).
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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14.2 Helfen Analogien?

Beispiele:
Reihenschaltung
von Lämpchen
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
gemischte
Schaltung
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14.2 Helfen Analogien?

Reihenschaltung
von Batterien:
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14.2 Helfen Analogien?

3. Fahrradkettenmodell
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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14.2 Helfen Analogien?
Fahrradkette
elektrischer Stromkreis
Kettenglieder
Elektronen
Gleichgewichts-Geschwindigkeit v
konstante Stromstärke I
konstante Antriebskraft FAntrieb
konstante Spannung U
Reibungskoeffizient 
(der geschwindigkeitsabhängigen
Widerstand R
Reibungskraft FReib
=v )
Die Geschwindigkeit wird begrenzt durch die
geschwindigkeitsabhängige Gleitreibung:
v = FAntrieb / 
Leistung: P
Die elektrische Stromstärke wird begrenzt durch
den elektrischen Widerstand:
I=U/R
=Fv
Leistung: P
=UI
Die Ursache der Bewegung ist:
die Antriebskraft FAntrieb
Die Ursache des Stromes ist:
die Spannung U
Der Bremsklotz verbraucht keine Kettenglieder,
sondern entnimmt dem Kreislauf Energie
(die in Wärme umgewandelt wird).
Die Glühbirne verbraucht keinen Strom, sondern
entnimmt dem Stromkreis Energie
(die sie in Wärme und Licht umwandelt).
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.2 Helfen Analogien?

Sehr gutes Modell!!






Gut gegen die Stromverbrauchsvorstellung!
Im Gegensatz zum Modell des geschlossenen Wasserstromkreises
haben Schüler hier Vorerfahrungen!
Teilchen-Analogien sind besser als Flüssigkeitsanalogien
Reibungskraft ist aber in Wirklichkeit nicht geschwindigkeitsabhängig.
Hilft aber nicht für die Spannung.
Variante: Zuganalogie

Ringförmig geschlossenes Schienenstück mit lauter aneinander
gekoppelten Waggons (auch erster Waggon an letzten Waggon
gekoppelt) ohne Lokomotive.
Am Bahnhof stehen Arbeiter, die dort den Zug mit konstanter Kraft
anschieben. Auf der Strecke stehen Hindernisse, die eine
(geschwindigkeitsabhängige) Bremskraft erzeugen.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.2 Helfen Analogien?

Ähnlich: Keilriemen-Vergleich:

Umlaufender Keilriemen,
aber linearer Energiestrom:
Wellrad
mit Kurbel
Wellrad
mit Last

Umlaufender Ladungsstrom,
aber linearer Energiestrom:
E-Motor
mit Last
Generator
mit Kurbel
Energie
Energie
umlaufender Keilriemen
umlaufender
Ladungsstrom
Analogie nachbaubar
 Keilriemen sollte Punkte haben, damit man dem Umlauf von
Teilchen besser sieht.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
14.2 Helfen Analogien?

4. Rucksack-Modell (Energiehut-Modell)
Aus Realschulphysikbuch „Geipel, Jäger, Reusch: Physik 9, C.C.Buchner“, nach Idee von Ch. v. Rhöneck
Nachspielbar als „Gummibärchen-Modell“ (Schüler als Elektronen
bekommen von Quelle Gummibärchen statt Hüte).
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
14.2 Helfen Analogien?
 Rucksack-Modell
elektrischer Stromkreis
Laufweg
Kabel
Männchen
Ladungsträger / Elektronen
Männchenstromstärke
= Männchenanzahl pro Zeit: I = N/t
Elektrische Stromstärke
= Ladung pro Zeit: I = Q/t
Größe der Energiehüte
Spannung = Umgewandelte elektrische
Energie pro Ladung: U = E / Q
Arbeit = Männchenstromstärke mal
Größe der Energiehüte
Arbeit = Elektrische Stromstärke mal
Spannung
Das Gerät verbraucht keine Männchen,
sondern erhält von ihnen den Energiehut.
Das Gerät verbraucht keinen Strom,
sondern entnimmt dem Stromkreis Energie.
Gut: Trennung von Ladung und Energie, Spannung und Stromstärke
 Gut: Umsetzung von „Spannung = Arbeit pro Ladung“
 Problem: Nicht die Elektronen sind die Träger der Energie, sondern
das elektrische Feld! Spannung bleibt unanschaulich.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
14.2 Helfen Analogien?

Andere Darstellung des Rucksackmodells:
Bildquellenangabe:
"Landesbildungsserver
Baden-Württemberg"


Der Quotient "gelieferte Nektarmenge / Zahl der Bienenflüge" ist ein
Maß für die Ergiebigkeit der Wiese.
Der Quotient "gelieferte Energiemenge W / Ladungsmenge Q" ist also
ein Maß für die Spannung der Quelle.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.2 Helfen Analogien?

5. Wärmeleitungsanalogie
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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14.2 Helfen Analogien?

Wärmeleitungsanalogie
elektrischer Stromkreis
Temperatur T
Potential 
Temperaturdifferenz T
Potentialdifferenz = Spannung 
Wärmepumpe
Spannungsquelle
Wärmestromstärke I
Stromstärke I
=U
oder Wärmestromdichte j
thermischer Widerstand R
(durch Wärmeisolierung)
elektrischer Widerstand R
Wärmestromdichte:
Stromstärke:
Leck in der idealen Wärmeisolierung
Zweig eines Stromkreises
Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist kleiner
als Einzelwiderstand
Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist kleiner als
Einzelwiderstand
j = T / R
I =  / R
Modell für Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung.
 Erfahrungen und Vorstellungen zur Wärmeleitung fehlen aber!!
 Also ungünstig!

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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SS 2010
14.2 Helfen Analogien?

6. Elektronengasdruck-Modell
Elektronen treten am Minuspol der Batterie im Überschuss auf und
erzeugen dort wegen ihrer elektrostatischen Abstoßung einen
Überdruck, während am positiven Pol durch die geringere
Elektronendichte auch ein geringerer Druck auftritt.
 Analogien:


Elektronengasdruckmodell
elektrischer Stromkreis
Elektronendichte
Potential
Differenz der Elektronendichten
Spannung
bewegte Elektronen
Strom
Hilft nicht.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.2 Helfen Analogien?

7. Hinweise zu Analogien






Die Verwendung von Analogien als Lernhilfen ist grundsätzlich
ambivalent.
Analogien erklären nicht, sondern machen „nur“ einen Sachverhalt
verständlich.
Analogien wirken eher individuell als global, weil nicht alle Schüler
eine bestimmte Analogie akzeptieren (Akzeptanzproblem).
Schüler orientieren sich eher an Äußerlichkeiten der Analogie
(„Oberflächenstruktur“) als an physikalischen Gesetzmäßigkeiten
(„Tiefenstruktur“ der Analogie).
Möglichkeit: Im Unterricht wird die „Tiefenstruktur“ (z.B. elektrischer
Stromkreis) zuerst thematisiert, dann durch eine (gespielte) Analogie
illustriert.
Eine Reflexion der Analogienutzung (Metakognition) im Unterricht ist
unbedingt notwendig.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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14.2 Helfen Analogien?

7. Hinweise zu Analogien

Um die überall gleich große Stromstärke zu thematisieren:


Um die Spannung zu behandeln:


Fahrradkettenmodell am geeignetsten.
Höhenanalogie mit Münchner Stäbchenmodell am geeignetsten.
Um den Energiefluss deutlich zu machen:

Kurbelmodell (oder Energiehutmodell) geeignet.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
15. Methoden zur Veränderung von
Schülervorstellungen

15.1 Die Zielsetzung
Elimination von Alltagsvorstellungen bei Schülern ist weder möglich
noch sinnvoll (soziale Bedeutung).
 Zwei Ziele denkbar:



Weiterentwicklung und Veränderung bestehende Alltagsvorstellungen hin
zu physikalischen Vorstellungen (Konzeptwechsel im engeren Sinne)
Aufbau paralleler wissenschaftlicher Denkstrukturen neben den
bestehenden Alltagsstrukturen im Sinne eines bewussten Nebeneinanders
Zweite Zielrichtung ist angemessener, da eine echte Überwindung von
Alltagsvorstellungen nicht möglich ist.
 Wichtig: Bewusstes Nebeneinander! Schüler sollen zwischen den
verschiedenen Konzepten unterscheiden können.
 Zu beachten: Lernen von physikalischen Konzepten ist ein aktiver
Konstruktionsprozess des Schüler, der sein Wissens selbst
konstruieren muss.

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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
15. Methoden zur Veränderung von
Schülervorstellungen

Tabula-Rasa-Modell (häufige Lehrervorstellung):

Empirische Befunde:

Alternatives Modell:
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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15. Methoden zur Veränderung von
Schülervorstellungen

15.2 Grundsätzliche Wege

Piaget: Lernen ist Wechselspiel von Assimilation und Akkommodation

1. Konfliktstrategien


Ein kognitiver Konflikt wird erzeugt und aufgelöst.

Schüler sehen z.B. in Experimenten Diskrepanz zwischen Vorhersagen
aufgrund von Alltagsvorstellungen und dem tatsächlichen Ergebnis.

Ein diskontinuierlicher Weg („conceptual change“). Erinnert an
Revolutionen in der Wissenschaftsgeschichte (Paradigmenwechsel).
2. Aufbaustrategien

An bestehende richtige Vorstellungen wird angeknüpft und sie neu
abgegrenzt.

Physikalische Konzepte werden allmählich entwickelt.

Ein kontinuierlicher, bruchloser Weg („conceptual growth“). Erinnert an
Evolutionen in der Wissenschaftsgeschichte.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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15. Methoden zur Veränderung von
Schülervorstellungen

Ursprünglich:
Konzeptwechsel („conceptual change“) meint den radikalen Wechsel
der Sichtweise
 Konzeptwechsel („conceptual change“) meint also nur den
diskontinuierlichen Weg.


Heute:
Jeder Lernweg von Schülervorstellungen hin zu wissenschaftlichen
Vorstellungen kann als Konzeptwechsel („conceptual change“)
bezeichnet werden.
 Dabei wird zwischen diskontinuierlichen Wegen (Konfliktstrategien)
und kontinuierlichen Wegen (Aufbaustrategien) unterschieden.

Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
15. Methoden zur Veränderung von
Schülervorstellungen

15.3 Diskontinuierliche Wege

Beginn mit Aspekten, die konträr zu Schülervorstellungen stehen.

Zwei Möglichkeiten:

Schülervorstellungen und physikalische Vorstellungen werden
gegeneinander gesetzt (oder verschiedene Schülervorstellungen).

Voraussagen der Schüler zum Experiment werden tatsächlichem
Ausgang entgegengesetzt.

Ziel: Unzufriedenheit mit vorhandenem Wissen erzeugen sowie den
Wunsch nach korrektem Konzept

Bedingungen für erfolgreichen Konzeptwechsel (Posner & Strike):




Schüler müssen mit vorhandenem Konzepte unzufrieden sein.
Neues Konzept muss wenigstens minimal verstanden sein.
Neues Konzept muss augenblicklich intuitiv einleuchtend erscheinen.
Neues Konzept muss das Potential in sich tragen, auf neue Situationen
ausgeweitet werden zu können.
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SS 2010
15.3 Diskontinuierliche Wege

Probleme bei kognitiven Konflikten:

Schüler sehen den Unterschied zwischen Experimentablauf und ihrer
Vorhersage nicht bzw. sehen ihre Vorstellung ins Experiment hinein.

Schüler lösen Diskrepanz durch Ad-Hoc-Annahmen auf und sehen
keinen Widerspruch zu ihren Vorstellungen.

Häufig besteht Mangel an geeigneten Experimenten.

Schüler werden hier aufgefordert, Vorstellungen explizit zu formulieren.
In Bereichen, in denen sie kaum Vorstellungen haben, konstruieren sie
damit erst Fehlvorstellungen, die dann schwer zu widerlegen sind.

Die Verunsicherung der Schüler und die Diskussion aller
Schülervorstellungen braucht zu viel Unterrichtszeit.

Emotionale Schwierigkeit, dass sich viele Schüler nur ungern auf
kognitive Konflikte einlassen.

Schlechte Schüler entwickeln negative Selbstbilder und Angst.
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15. Methoden zur Veränderung von
Schülervorstellungen

15.4 Kontinuierliche Wege

Schüler sollen weitgehend bruchlos zu wissenschaftlichen
Vorstellungen geführt werden.

Behutsame Steuerung der Schüler.

Beispiel: Konzept des „cognitive apprenticeship“ (kognitive
Meisterlehre)


Hier spielt das Einleben in eine neue Kultur bzw. in eine neue Sprache
ein wichtige Rolle.

Der Schüler (Lehrling) versteht die Kultur zunehmend, indem er an ihren
Aktivitäten teilnimmt.
drei Variationen von kontinuierlichen Wegen
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15.4 Kontinuierliche Wege


1. Erst Aufbau ohne Bezug zu Schülervorstellungen, dann Vergleich

Am Anfang wird nicht auf Schülervorstellungen eingegangen, sondern
zügig das physikalische Konzept vorgestellt.

Gefahr: Schüler hören alles aus Sicht ihrer Fehlvorstellung.

Gefahr des unbewussten Nebeneinanders von physikalischer Sicht und
Alltagssicht. Vergleich im Nachhinein nötig!!

Sinnvoll in Bereichen, wo wenig Vorstellungen vorhanden sind.
2. Anknüpfen an Problemloses – genetisches Lernen

Ausgangspunkt sind Erfahrungen, deren Alltagsverständnis möglichst
wenig mit der physikalischen Sicht kollidiert.

Vorstellungen der Schüler werden weiter entwickelt und geändert, ohne
dem Schüler zu schnell physikalisches Wissen überzustülpen und zu
schnell Fachtermini zu verwenden.
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15.4 Kontinuierliche Wege

3. Umdeuten

Es wird an Alltagsvorstellungen angeknüpft, diese aber umgedeutet.

Schülern wird vermittelt, dass sie etwas Richtiges denken, aber die
Physik andere Begriffe verwendet.

Beispiele:


In der Batterie ist nicht Strom gespeichert, sondern Energie.

In Glühbirne: Nicht Strom wird verbraucht, sondern Energie wird verbraucht.

Was wir im Alltag mit Geschwindigkeit bezeichnen, wird in der Physik mit
Schnelligkeit oder Tempo bezeichnet.

Mechanik: Die Kraft in Richtung der Bewegung heißt in der Physik Impuls.

Stöße bei verschiedenen Massen (drittes newtonsches Gesetz): Nicht die
Kräfte auf den anderen Körper sind unterschiedliche, sondern die
Wirkungen, nämlich die Beschleunigungen.
Vorteile liegen im emotionalen Bereich.
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15. Methoden zur Veränderung von
Schülervorstellungen

15.5 Unterrichts-Muster

Die meisten in der Literatur vorgeschlagenen Unterrichtsstrategien
folgen dem folgendem Muster:

1. Schüler machen eigene Erfahrungen mit den Phänomenen.

2. Entweder bewusste Diskussion über Schülervorstellungen
oder bewusstes Nicht-Erwähnen der Schülervorstellungen

3. Der Lehrer bringt die wissenschaftliche Sicht ein. Ihr Nutzen wird
diskutiert.

4. Anwendungen der neuen Sichtweise auf neue Beispiele zur Festigung
der neuen Sichtweise.

5. Kritischer Rückblick auf den durchlaufenen Lernprozess: Vergleich des
Denkens am Anfang (Alltagsvorstellungen) und am Ende (physikalische
Vorstellungen).
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15. Methoden zur Veränderung von
Schülervorstellungen

15.6 Thematisieren von Schülervorstellungen

Didaktiker sind sich einig, dass Schülervorstellungen im Unterricht
diskutiert werden müssen. Uneinigkeit besteht, wann dies am Besten
geschieht.

Das Denken der Schüler und ihre Ideen werden leider häufig durch
Nichtbeachten, Umformulieren und Warten auf eine richtige Antwort
unterdrückt.

Schülervorstellungen muss mit Verständnis begegnet werden.

Am Anfang?

Am Anfang des Lehrgangs werden sie angesprochen, wenn man
kognitive Konflikte nutzen will.

Am Anfang schriftlich festgehaltene Schülervorstellungen können den
Schülern später ihren Konzeptwechsel und ihren Lernfortschrift
aufzeigen (Metakognition).
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15.6 Thematisieren von Schülervorstellungen


Währenddessen?

Während der Behandlung des Lehrstoffes kommen sie von selbst
hervor, wenn man ein entsprechendes Lernklima schafft. Dann auf diese
wichtigen Vorstellungen eingehen!

Lehrer achtet auf die Äußerung typischer Schülervorstellungen.

Wenn sich Schüler so äußern: Lehrer formuliert die Fehlvorstellungen
und fragt nach, ob es so gemeint war (rückspiegeln). Ein
Vertrauensverhältnis ist nötig.
Danach?

Das physikalische Konzept kann auch nachträglich mit anderen
Vorstellungen verglichen werden, um so einem unberührten
Nebeneinander entgegenzuwirken.
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15. Methoden zur Veränderung von
Schülervorstellungen

15.7 Allgemeine Regeln

vorunterrichtliche Vorstellungen berücksichtigen



eigenständige „Konstruktion“ des Wissens anregen



Lernen ist nur auf der Basis vorhandenen Wissens möglich.
Schüler dort abholen, wo sie sind.
Es ist nicht möglich, Wissen passiv zu übernehmen und einzuspeichern.
Wissen muss vom Lernende selbst konstruiert werde, er ist dafür selbst
verantwortlich.
Dialog und Verständnis


Keine geäußerte Ansicht ist lächerlich und keine wird getadelt.
Es findet ein sokratischer Dialog: nicht dozierend, nicht dogmatisch.
Dialog mit Zeit zum Nachdenken
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15.7 Allgemeine Regeln


Aus Fehlern lernen

Für Lernen, das zum Verständnis führen soll, sind Fehler wichtig!

Fehler sind Lerngelegenheiten, nicht zu vermeidende Störungen!

Dem Irrtum ist mit Verständnis zu begegnen
Lassen Sie sich nicht entmutigen, wenn die Alltagsvorstellungen
stabil vorhanden bleiben.

Selbst in aufwändigen Studien sind die Lernerfolge nur gering.

Ziel im Unterricht ist nur, neben dem Alltagstheorien auch die
physikalische Sicht zu kennen.

Setzen Sie auf die neueren Konzepte, die Sie in dieser Veranstaltung
überzeugten, nicht auf traditionelle Konzepte.
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16. Schülervorstellungen zum Lernen





Fehlvorstellung: Lernen ist Übernahme von Wissen
(Speichern, passiv)
Folge: Es wird zu wenig vernetzt.
Richtig: Lernen ist aktiver Prozess, Schüler muss sich sein
Wissen selbst konstruieren, ein Netzwerk aufbauen.
Weitere Fehlvorstellungen:

Lernfähigkeit ist angeboren und unveränderbar.

Wissen besteht aus Einzelfakten.

Lernen gelingt schnell oder nie.

Erkenntnisse sind sicher und unveränderbar.
Häufige Lehrer-Fehlvorstellung: „wissenschaftslogisches
Kompetenzerwerbungsmodell“
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17. Vorstellungen über die Physik

17.1 Schülerfehlvorstellungen:
Physik bildet die Realität Eins-zu-Eins ab
 Physik = wahre Aussagen über die Wirklichkeit
 Theorien sind nur noch nicht bewiesene, hypothetische Aussagen.
 Intuition spielt keine Rolle.

Wissenschaftler: Einzelkämpfer, Mann, neugierig,
im Labor
 Er soll empirisch arbeiten und objektiv messen
(nicht theoriegeladen!).
 Forschen ist kein zielgerichtetes Handeln.
 Soziale Dimension wird nicht gesehen.

Mad scientist
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17.2 Mythen über Naturwissenschaft
1. Hypothesen werden zu Theorien und Theorien zu Gesetzen.
2. Die Gesetze und Prinzipien der Naturwissenschaften sind absolut und
unumstößlich.
3. Hypothesen Aufstellen gleicht einem gut begründeten Raten.
4. Es gibt eine generelle und universelle naturwissenschaftliche Methode.
5. Eine Sammlung von gewissenhaft erhobenen Daten führt zu sicherem
Wissen.
6. Naturwissenschaften und deren Methoden liefern absolute Beweise.
7. Naturwissenschaften sind eher an feststehende Verfahren gebunden als
an Kreativität.
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17.2 Mythen über Naturwissenschaft
8. Naturwissenschaften und deren Methoden können alle Fragen
beantworten.
9. Naturwissenschaftler sind besonders objektiv.
10. Naturwissenschaftliche Erkenntnisse werden prinzipiell durch
Experimente gewonnen.
11. Naturwissenschaftliche Ergebnisse werden grundsätzlich auf Richtigkeit
hin überprüft.
12. Die Anerkennung neuer naturwissenschaftlicher Erkenntnisse erfolgt
einfach und unproblematisch.
13. Modelle der Naturwissenschaften repräsentieren die Wirklichkeit.
14. Naturwissenschaften und Technik sind identisch.
15. Naturwissenschaftler arbeiten in der Regel allein.
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17.2 Mythen über Naturwissenschaft

Konsensfähige Ansichten über die Natur der Naturwissenschaften:

Wissen in den Naturwissenschaften ist, obwohl es zuverlässig ist, nicht unveränderlich.

Wissen in den Naturwissenschaften beruht stark, aber nicht vollständig, auf Beobachtungen,
experimentellen Resultaten, rationalen Begründungen und einer gewissen Skepsis.

Es gibt nicht nur einen Weg der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung (Deshalb gibt es
auch keine universelle naturwissenschaftliche Methode, die Schritt für Schritt abgearbeitet wird.)

Naturwissenschaften verstehen sich als Ansatz, Phänomene der Natur zu erklären.

Gesetze und Theorien dienen unterschiedlichen Zwecken, deshalb werden aus Theorien auch
keine Gesetze, auch wenn zusätzliche Daten vorliegen.

Menschen mit unterschiedlichen kulturellen Hintergründen tragen zu den Naturwissenschaften bei.

Neue Erkenntnisse müssen klar und offen dargestellt werden.

Naturwissenschaftliche Ergebnisse müssen nachvollziehbar dokumentiert sein, werden von
Experten begutachtet und müssen replizierbar sein.

Beobachtungen sind theoriegeleitet.

Naturwissenschaftler sind kreativ.

Die Geschichte der Naturwissenschaften kennt evolutionäre und revolutionäre Entwicklungen.

Naturwissenschaften sind Teile sozialer und kultureller Entwicklungen.

Naturwissenschaften und Technik beeinflussen sich gegenseitig.

Naturwissenschaftliche Ideen werden von sozialen und historischen Faktoren beeinflusst.
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18. Methoden der Naturwissenschaften
Verschiedene erkenntnistheoretische Positionen:
18.1 Empirismus und Positivismus
18.2 Kritik an der induktiven Methode
18.3 Neuere Erkenntnistheorien
18.3.1 Falsifikation (Popper)
18.3.2 Paradigmenwechsel (Kuhn)
18.3.3 Historische Traditionen (Feyerabend)
18.3.4 Forschungsprogramme (Lakatos)
18.4 Die fünf wichtigsten Positionen im Überblick
18.5 Auswirkungen auf die Schule
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Erkenntnistheorien

Beschreibung, wie Erkenntnis gewonnen wird,

Ansichten über die Erkenntnisgewinnung ändern sich,
Erkenntnistheorien entwickeln sich.

Für Fachwissenschaftler nicht notwendigerweise relevant, für
Lehrer schon, denn

Ansichten über Erkenntnis prägen Vorstellungen zum
Lernen, so dass

Erkenntnistheorien das Lehren der Naturwissenschaften
(bewusst oder unbewusst) wesentlich beeinflussen.
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Empirismus (ab 1620)

Alles Wissen beruht auf Erfahrung.

Gesicherte Erkenntnis nur über Sinneseindrücke, also nur
über sinnlich erfassbare Gegenstände.

Angestrebt wird reine Erkenntnis durch unmittelbaren
Kontakt mit den Gegenständen, ohne Vorannahmen.

Vorherrschen der induktiven über die deduktive Methode,
kausaler über teleologische Erklärungen.

Begründer: Francis Bacon (1561-1626)

Vertreter: Thomas Hobbes (*1588), John Locke (*1632),
George Berkeley (*1685) , David Hume (*1711)
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Methodologie des Empirismus
Induktion:= von Einzelfällen auf das Allgemeine schließen
Deduktion:= Ableiten
des Einzelnen aus
dem Allgemeinen
Beispiel: Ich habe
bisher nur weiße
Schwäne gesehen.
Also sind alle
Schwäne weiß.
Beispiel: Vögel
können fliegen,
Pinguine sind
Vögel. Also können
Pinguine fliegen.
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Positivismus (ab 1850)

Basiert auf dem Empirismus.

Bis weit in das 20. Jahrhundert vorherrschend.

Nur das unmittelbar Wahrgenommene ist sichere Grundlage
der Erkenntnis.

Wissenschaft ist die gesetzliche Verknüpfung beobachteter
Erscheinungen durch den „allgemeinen, gesunden
Menschenverstand“.

Naturwissenschaftliches Exaktheitsideal. Metaphysische
Fragen sind sinnlos. Ablehnung ideengeleiteter Theorien.

Vertreter: Auguste Comte, Ernst Mach, Moritz Schlick,
Herbert Spencer
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Empirismus und Positivismus
Grundsatz des Empirismus:
 Sinnliche Erfahrung und vor allem Beobachtung als
Grundlage der Erkenntnis
Die vier Grundsätze des Positivismus:
1. Es existiert nur eine einzige Art von Wirklichkeit.
2. Einzige Erkenntnisquelle ist die sinnliche Erfahrung.
3. Postulat von der "Einheit der Wissenschaft“
Es müssen nicht unbedingt verschiedene Methoden der
Wissenschaft existieren, kontinuierliches und kumulatives
Wachstum.
4. Ablehnung aller nicht-deskriptiver Aussagen
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Empirismus im Physikunterricht
Auch heute noch immer verbreitete Auffassung: Erkenntnisse
werden in der Naturwissenschaft induktiv gewonnen.
Die induktive Methode:

Am Anfang steht ein Phänomen.

Beobachtungen werden als Protokollaussagen festgehalten.

Aus den Protokollaussagen werden Schlussfolgerungen
gezogen.

Die Ergebnisse werden in eine Theorie eingeordnet und
bestätigen diese.
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18.2 Kritik an der induktiven Methode

Entspricht (entgegen der Behauptung) nicht der tatsächlichen
wissenschaftlichen Vorgehensweise (auch nicht bei den
historischen Vorbildern Galiliei und Newton!).


Gallilei: „Ich habe ein Experiment darüber angestellt, aber zuvor hatte die
natürliche Vernunft mich ganz fest davon überzeugt, dass die Erscheinung so
verlaufen musste, wie sie tatsächlich verlaufen ist.“
Gallilei: „Ich will mich im Experiment davon überzeugen, dass die beim natürlichen
Fallen auftretenden Beschleunigungen mit den vorher [durch die Theorie]
beschriebenen übereinstimmen.“

Täuscht eine Eindeutigkeit vor, die nicht vorhanden ist (weil in der
Regel nur zwischen Richtig und Falsch unterschieden wird).

Unterdrückt andere mögliche Sichtweisen (weil diese bei der
Betonung des Richtigen überhaupt nicht zur Debatte stehen).

Führt zu Monismus und Dogmatismus.
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18.2 Kritik an der induktiven Methode
Aus Sicht der

modernen Physik
Dem Induktionsschluss in der Physik liegen das Prinzip der
Gleichförmigkeit des Naturgeschehens und der Kausalität zugrunde,
die aber in der modernen Physik nicht gelten.

klassischen Physik
Experimentelle Untersuchungen machen das natürliche Phänomen zu
einem physikalischen Phänomen, das nur in einem Wechselspiel von
Experiment und Realität besteht. Diese Phänomene sind nicht
gegeben, sondern produziert – ein Ergebnis der Experimentierkunst
und der theoretischen Phantasie.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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18.2 Kritik an der induktiven Methode
Im Physikunterricht
 Am Anfang steht ein Phänomen.
Auswahl, Relevanz?
 Beobachtungen werden als Protokollaussagen festgehalten.
Sind die Beobachtungen aller Personen gleich?
 Aus den Protokollaussagen werden Schlussfolgerungen
gezogen.
Annahme, dass sich richtige Hypothesen ergeben, falsche
werden meist ausgeschlossen.
 Die Ergebnisse werden in eine Theorie eingeordnet und
bestätigen diese.
Die Phänomene werden meist so ausgesucht, dass sie zur
Theorie passen. Schüler werden manipuliert.
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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18.3 Neuere Erkenntnistheorien (ab 1950)
18.3.1 Falsifikationismus (Karl Popper, 1902 - 1994)
18.3.2 Paradigmenwechsel (Thomas S. Kuhn, 1922 - 1996)
18.3.3 Historische Traditionen (Paul Feyerabend, 1924-94)
18.3.4 Forschungsprogramme (Imre Lakatos, 1922 - 1974)
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Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
18.3.1 Falsifikationismus (Popper)

Selbst beliebig viele Beobachtungen lassen sich nicht zu
einer wahren Theorie zusammenfassen.

Wissenschaft entwickelt sich hypothetisch-deduktiv:
Aus einer Antizipation, einem Einfall, einer Idee oder Hypothese
werden Folgerungen abgeleitet und mit anderen Sätzen verglichen.

Eine einzige widersprechende Beobachtung reicht aus, um
eine Theorie zu falsifizieren („Experimentum Crucis“).

Jede Theorie ist wissenschaftlich, wenn man Bedingungen
nennt, unter denen man sie als widerlegt fallen lässt.

Erkenntniszuwachs ist kein kumulativer, kontinuierlicher
Prozess.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
18.3.2 Paradigmenwechsel (Kuhn)







Der „naive Falsifikationismus“ Poppers spielt in der
wissenschaftlichen Praxis keine Rolle.
Wissenschaftlicher Fortschritt verläuft diskontinuierlich durch
Paradigmenwechsel.
Es gibt sehr stabile, normale und es gibt revolutionäre Phasen
des Wissenschaftsbetriebs.
Revolutionäre Phasen werden durch wissenschaftsinterne Krisen
ausgelöst.
In revolutionären Phasen werden veraltete Paradigma durch neue
Sichtweisen abgelöst.
Experimente sind kein Entscheidungsmöglichkeit!
Paradigmenwechsel haben auch nichtrationale und soziopsychologische Beweggründe.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
18.3.3 Historische Traditionen (Feyerabend)

Alle Wissenschaften sind Geisteswissenschaften.

In historischen Traditionen werden Begriffe nicht definiert,
sondern durch Listen von Beispielen dargestellt, die den Begriff
implizit charakterisieren. Listen werden gelernt, wie Kinder
Sprache lernen. Durch Naturwissenschaften werden Theorien wie
Beispiele auf einer Liste geschaffen.

Wissenschaftliche Paradigmen können unvergleichbar sein.

Naturwissenschaftler sind keine Richter, sondern Teil des
Prozesses.

Es gibt nicht die naturwissenschaftliche Methode, vielmehr muss
ein Naturwissenschaftler streng festgelegte methodische Regeln
ablehnen.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
18.3.4 Forschungsprogramme (Lakatos)

Kuhn und Feyerabend wird in Poppers Sicht integriert:
Theorien sind eigentlich unbeweisbar und unwiderlegbar.

Poppers „naiver Falsifikationismus“ wird ersetzt durch einen
„raffinierten Falsifikationismus“:

Einzelne Experimente oder Beobachtungen reichen weder zur Verifikation
noch zur Widerlegung aus.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft beurteilt, ob ein Wissenschaftler
regelgerecht gearbeitet hat.

Konventionen der wissenschaftlichen Gemeinschaft entscheiden, ob eine
Theorie „falsifiziert“ oder „empirisch bewährt“ ist.

Eine Widerlegung einer Theorie ist unmöglich, so lange es keine bessere
gibt.

Bestätigung und Widerlegung hat einen „historischen Charakter“ in einem
Geflecht aus Theorien und Experimenten (historische Falsifikation).
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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18.3.5 Forschungsprogramme (Lakatos)

Forschungsprogramme bestehen aus Serien von Theorien,
Hypothesen, Untersuchungen und offenen Fragen.

Jedes Forschungsprogramm hat einen harten Kern, der
unter allen Umständen verteidigt wird.

Um den harten Kern existiert ein Schutzschild von
Hilfshypothesen, mit denen das Programm Widersprüchen
begegnet oder diese zu Anomalien erklärt.

Forschungsprogramme können in Konkurrenz zueinander
treten, wenn Problemverschiebungen auftreten.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
18.4 Die 5 wichtigsten Positionen
1.
Empirismus / Induktionismus
Empirische Daten sind die Grundlage der
Naturwissenschaften.
Aus vielen Einzelfällen wird induktiv auf das Allgemeine
geschlossen.
2.
Falsifikationismus (Popper)
Wissenschaftler stellen Hypothesen auf.
Mit ihnen kann man arbeiten, bis sie widerlegt werden.
Widerlegbarkeit ist das Kriterium für Wissenschaftlichkeit.
 Ist die naturwissenschaftliche Methode induktiv oder
hypothetisch-deduktiv?
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
18.4 Die 5 wichtigsten Positionen
3.
4.
Realismus
Die Welt ist erkennbar. Wahre Aussagen sind in der
Naturwissenschaft möglich. Naturwissenschaftliche
Theorien nähern sich der Wahrheit.
 Europäische Tradition zweckfreier Forschung.
Pragmatismus / Instrumentalismus
Theorien müssen nicht wahr sein, sondern funktionieren.
Die Frage nach der Wahrheit ist sinnlos. Entscheidend ist
der Nutzen der Naturwissenschaft, nicht der
Wahrheitsgehalt.
 Sind naturwissenschaftliche Aussagen wahr?
Realismus und Pragmatismus sind Gegenpole.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
18.4 Die 5 wichtigsten Positionen
5.
(Sozialer) Konstruktivismus / Relativismus
Die Möglichkeit objektiven Wissens wird bezweifelt.
Betont werden die Rolle von Denkzwängen, kulturellen
Einflüssen und sozialen Prozessen auf die „Konstruktion“
von Wissen.

Konstruktivismus ist nicht nur eine Erkenntnistheorie,
sondern eine heute wichtige Lerntheorie
(radikaler, moderater und sozialer Konstruktivismus)!
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
SS 2010
18.5 Auswirkungen auf die Schule

Bis weit in die 90er Jahre als Reaktion auf Popper:
neopositivistische Änderungen des Wissenschaftsverständnisses, Statistik und Angabe von
Wahrscheinlichkeiten, naiver Falsifikationismus.

Für Schüler macht das die Naturwissenschaften nicht
unbedingt glaubwürdiger (Experimente funktionieren nicht
immer so, wie sie sollen).

Neuere Ansichten zum naturwissenschaftlichen
Erkenntnisprozess setzen sich in der Praxis erst jetzt
langsam durch.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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18.5 Auswirkungen auf die Schule

Seit etwa 1980 stärkere Berücksichtigung der Kuhn‘schen
Erkenntnistheorie: Untersuchung der Vorkonzepte von
Lernenden, Konzeptwechseldidaktik.

Stärkere Beachtung von Lernprozessen

Vorverständnis und Ideen von Schülern werden als
„konkurrierende Paradigmen“ ernst genommen.

Kritik der „positivistischen“ Unterrichtsführung,
mehr Vielfalt, weniger Dogmatismus.

Es wird nicht mehr nur der „richtige Weg“ betont,
sondern die Notwendigkeit, bei mehreren Möglichkeiten zu
entscheiden.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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18.5 Auswirkungen auf die Schule

In Anlehnung an Lakatos wird die Möglichkeit gesehen,
dass für eine Zeit mehrere Ansichten gleichzeitig existieren
können, die in unterschiedlichen Situationen genutzt
werden.

Entwicklung und Annahme naturwissenschaftlicher
Konzepte ist unter Umständen ein längerer Prozess.

Feyerabend spielt bisher keine große Rolle in der Didaktik.

Aber von Feyerabend kommen interessante Gedanken:
Kinder lernen Naturwissenschaften wie eine Sprache,
Eintauchen in die Kommunikation und Praxis einer
Gemeinschaft.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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18.6 Zusammenfassung

Erkenntnistheorien beschreiben, wie Wissen erworben wird.

Bis in das 19. Jahrhundert waren Empirismus und
Positivismus vorherrschend.

Die induktive Methode beschreibt nicht die
wissenschaftliche Vorgehensweise!

Seitdem verschiedene neue Ansätze: U. a. von Popper,
Kuhn, Feyerabend und Lakatos.

In der Schule über die letzen Jahre: Mehr Vielfalt, weniger
Dogmatismus, Methodenvielfalt.

Naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung hat viele
Aspekte und lässt sich nicht auf eine Methode reduzieren.
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19. Zusammenfassung

Schülervorstellungen:

In den meisten Teilgebieten der Physik sind die Schülervorstellungen
gut erforscht.

Eine Lehrkraft sollte diese Vorstellungen kennen.

Ein Lehrkraft sollte diese Vorstellungen in der Unterrichtsplanung
berücksichtigen.

Die Kenntnis von Schülervorstellungen ist ein wichtiger Teil
fachdidaktischer Kompetenz.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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19. Zusammenfassung

Unterrichtskonzepte:

Der gleiche Inhalt kann auf verschiedene Weisen unterrichtet
werden.

Zum gleichen Inhalt gibt es verschiedene Unterrichtskonzepte.

Eine Lehrkraft muss bewusst auswählen, nicht einfach nur Altes
übernehmen.

Es ist wichtig, neue Unterrichtskonzepte zu entwickeln, deren
Ausgangspunkt Schülervorstellungen sind.

Neue Konzepte müssen auch evaluiert werden, um etwas über den
Erfolg aussagen zu können.

Für viele Teilbereiche gibt es bereits neuere erfolgreiche
Unterrichtskonzepte.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Spezielle Fachdidaktik „Physik am Gymnasium“
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19. Zusammenfassung

Ergänzung zu fachlichem Verständnis:

Studien zeigen: Eine Lehrkraft kann ihren Schülern nicht mehr
Verständnis vermitteln, als sie selbst hat.

Ein gutes fachliches Verständnis einer Lehrkraft ist zwar
Voraussetzung für Unterrichtserfolg, reicht aber allein nicht aus!

Hohe fachdidaktische Kompetenz setzt hohe fachliche Kompetenz
voraus, aber nicht umgekehrt: Hohe fachliche Kompetenz kommt
auch zusammen mit geringer fachdidaktischer Kompetenz vor.

Schülerleistungen korrelieren mit der fachdidaktischen Kompetenz
der Lehrkraft!
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19. Zusammenfassung

Viel Spaß und viel Verständnis im weiteren Studium!

Vergessen Sie nie, die Situationen im Studium, in denen Sie
nichts verstanden haben. So geht es vielen Schülern.

Viel Gelingen beim Umsetzen des nötigen Rollenwechsel:
vom Schüler zum Lehrer.
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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