Gummibärchen - Bildung stärkt Menschen

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Herbert Fallscheer
Gummibärchen –
eine anschauliche Darstellung von Energie in elektrischen
Systemen innerhalb des NWA-Unterrichts
Zielgruppe: Klassenstufe 5 bis 8.
Lernziele:
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Vorstellungen zu den
Begriffen: Spannung und Stromstärke.
Am Ende der Unterrichtseinheit sind diese Begriffe in der Denkstruktur
der Schüler verankert und die Schüler können diese argumentativ
verwenden.
Die Schülerinnen und Schüler lernen das Denken in Modellen an einem
Beispiel.
Die folgenden Lernziele sind für die Klassenstufen 7 und 8 gedacht.
Die Schülerinnen und Schüler können Spannung und Stromstärke
messen und können die entsprechende Schaltungsart begründen.
Die Schülerinnen und Schüler können die Gesetzmäßigkeiten für
Reihen- und Parallelschaltung herleiten und begründen.
Unterrichtsinhalte:

Einfacher Stromkreis (am Beispiel der Taschenlampe).

Denken in Modellen

Reihen- und Parallelschaltung

Einführung des Begriffes elektrische Spannung.

Einführung des Begriffes Elektronenstrom (Stromstärke).
Vorbemerkungen
Bei Gummibärchen hat fast jede Schülerin und fast jeder Schüler positive
Assoziationen. Dadurch führt dieses ungewöhnliche Unterrichtsmedium umgehend
zu einer durchweg positiven emotionalen Lernatmosphäre. Mit geringem Aufwand
werden auf diese Weise positive Rahmenbedingungen geschaffen, die im Sinne der
Lernpsychologie unabdingbare Voraussetzungen für nachhaltiges Lernen sind.
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Das Gummibärchenmodell ist der Versuch die Festlegung
„Spannung = Arbeit/Ladung“
auf der enaktiven Ebene umzusetzen.
Die Umsetzung auf der enaktiven Ebene greift die Begriffe aus der entsprechenden
bildlichen Darstellung auf (Energie und Elektron). Die Spannung wird der Abbildung
entsprechend festgelegt: Spannung = Energie pro Elektron.
Der einfache Stromkreis und das Gummibärchenmodell
Dem Einsatz des Gummibärchenmodells geht die konkrete Erfahrung mit dem
einfachen Stromkreis voraus. Diese ist in den Klassenstufen 5 bis 8 realisierbar
(abhängig von den entsprechenden Bildungsplänen). Die Schülerinnen und Schüler
bauen einen einfachen Stromkreis auf, bestehend aus Energiequelle und einer
Lampe.
auf. Die Frage „Wie stellt ihr euch die Vorgänge in den Kabeln vor?“ regt erste
Vorstellungen an. Nachdem die Erkenntnis/Information, dass Energie (der
Energiebegriff wird propädeutisch verwendet) von der Quelle zur Lampe transportiert
wird, deutlich wurde, stellt sich eine weitere Frage: Wie können wir uns den
Energietransport vorstellen? Die Gummibärchen helfen an dieser Stelle als sichtbare
Energie.
Praktischer Hinweis: Aus hygienischen Gründen verwende ich die von Haribo angebotenen
Kleinstpackungen.
Als Energiequelle kommt die Schülerin Eva dazu und als Lampe Schüler Uwe. Eva
und Uwe werden ziemlich weit voneinander entfernt aufgestellt und ihre Rolle wird
kenntlich gemacht, entweder durch großflächige selbstklebende Etiketten, die mit
„Energiequelle“ bzw. „Lampe“ beschriftet werden und die sich die Schüler (mit viel
Hallo) auf die Stirn kleben, oder durch entsprechend beschriftete Kartons, die sie
sich umhängen können. Durch diese Rollenzuteilungen verschiebt sich das
Ausgangsproblem auf eine für die Schülerinnen und Schüler zugängliche Ebene.
Demzufolge verändert sich die Fragestellung. Sie lautet jetzt:
Wie kommen die Gummibärchen von Eva zu Uwe?
In der folgenden Diskussion lernen die Schülerinnen und Schüler ganz nebenbei was
es heißt, „Denken in Modellen“ bzw. hier „Denken im Modell“ zu praktizieren. Die
Schülerantworten auf der „Gummibärchenebene“ werden mit den Erfahrungen beim
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elektrischen Stromkreis verglichen. Beispielhaft seien im folgendem stichwortartig
zwei Schülerantworten und mögliche Entgegnungen genannt:
„Werfen“
„Wären dann Kabel erforderlich?“
„Gibt es Beispiele für „geworfene“ Elektrizität?“
„Funken“...
„Bringen“
„Wer bringt?“
„Gummibärchen brauchen jemand, der sie
bringt bzw. transportiert.“
An dieser Stelle ergibt sich die Notwendigkeit einer weiteren Rollenzuteilung. Wir
brauchen Schülerinnen und Schüler, welche die Gummibärchen von Eva zu Uwe
transportieren. Der Lehrer gibt die Information, dass diese Schülerinnen und Schüler
Elektronen genannt werden. Je nach Situation der Klasse werden bis zu 20 Schüler
dafür ausgewählt und entsprechend kenntlich gemacht.
Bei der konkreten Durchführung stellt sich sehr rasch die Frage: „Was machen die
Schüler, die ihre Gummibärchen der Lampe abgegeben haben?“ Das führt zu der
Einsicht, dass ein zweites Kabel im Stromkreis notwendig ist. Im zweiten Kabel
laufen die Schülerinnen und Schüler (Elektronen) ohne Gummibärchen (Energie) zur
Energiequelle zurück, um sich neue Energie zu holen. Im ersten Kabel haben die
Elektronen Energie, die sie antreibt und die sie zur Lampe bringt.
Schüler erhalten mit diesem Vorgehen erste energetische Vorstellungen vom
elektrischen Stromkreis.
Bemerkenswert sind in diesem Zusammenhang noch zwei Hinweise:
1. Durch das „Rollenspiel“ wird den Schülern körperliche Bewegung ermöglicht. Ein
Aspekt, der in der Regel sehr positiv die Lernatmosphäre beeinflusst.
2. Durch die im „Rollenspiel“ übernommen Rollen identifizieren sich die Schüler sehr
stark mit dem Inhalt. Diese Tatsache wirkt sich sehr positiv auf den Lernprozess aus.
Erste Erfahrungen mit Reihen- und Parallelschaltung
Mit diesen Vorstellungen lassen sich bereits erste Erfahrungen mit Parallel- und
Reihenschaltung mit jeweils zwei gleichen Lampen anstreben. Bei jeweils gleicher
Energiequelle lässt sich die Beobachtung, dass die parallelgeschalteten Lampen
heller leuchten als die in Reihe geschalteten, folgendermaßen erklären. Größere
Helligkeit bedeutet mehr Energie. An dieser Stelle stellt sich die Frage: Wie lässt sich
dieser Energieunterschied erklären?
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Beim Nachstellen der Reihenschaltung wird deutlich, dass die erste Lampe nicht die
ganze Gummibärchen-Energie eines Schüler-Elektrons bekommen kann, weil sonst
die zweite Lampe ohne Energie und somit dunkel bleiben würde. Es ergibt sich die
Folgerung:
Gummibärchen-Energie kann aufgeteilt werden.
Dabei gilt die Regel: (Gleiche) Schüler-Lampen bekommen gleichviel
Gummibärchen-Energie. Dass es unterschiedliche Lampen gibt, ist den
Schülern in der ersten Begegnung und Diskussion meist nicht bewusst und wird von
mir an dieser Stelle nicht problematisiert.
Die schwächere Helligkeit der in Reihe geschalteten Lampen lässt sich nun damit
erklären, dass jeweils ein Schüler-Elektron seine Gummibärchen-Energie an zwei
Schüler-Lampen gleichmäßig aufteilen muss.
Durch das Nachstellen der Parallelschaltung stellt sich die Frage: Was machen die
Elektronen an der Verzweigungsstelle? Eine Diskussion der möglichen Antworten in
Kurzform:

Alle Elektronen nehmen den kürzesten Weg. => Folge für die zweite Lampe? Sie
erhält keine Energie und bleibt dunkel. => Widerspruch zum Versuch, also trifft die
Antwort nicht zu.

Elektronen teilen sich  Lehrerinformation: Elektronen können sich nicht teilen.
=> Beim Rollenspiel gilt für die Elektronen bei dieser
Schaltung das „Reißverschlusssystem“.
Demzufolge bekommt bei der Parallelschaltung jede Schüler-Lampe die ganze
Gummibärchen-Energie von jeweils einem Schüler-Elektron. Außerdem laufen durch
jede Lampe so viele Elektronen, wie wenn es nur eine Lampe im Stromkreis gäbe.
Den zusätzlichen Gesamtstromstärkeunterschied spreche ich auf dieser Stufe noch
nicht an. Offensichtlich wird für die Schüler, dass die Gummibärchen-Energie der
Energiequelle bei der Parallelschaltung rascher zu Neige geht als bei der
Reihenschaltung.
Die Diskussion um die Vorstellung des Energietransportes bei Reihen- und
Parallelschaltung führt zu folgenden Erkenntnissen bzw. Vereinbarungen:

Jedes Schüler-Elektron bekommt von ein und derselben Energiequelle
gleichviel Gummibärchen.

Schüler können sich nicht teilen (= Elektronen sind unteilbar).

Schüler-Elektronen können im Stromkreis nicht verschwinden oder
irgendwoher auftauchen.

Beliefern Schüler-Elektronen nur eine Schüler-Lampe, so geben sie alle
Gummibärchen-Energie ab.
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
Gummibärchen-Energie kann aufgeteilt werden.
Dabei gilt die Regel: (Gleiche) Schüler-Lampen bekommen bei der
Reihenschaltung gleichviel Gummibärchen-Energie.

Für die Parallelschaltung gilt: Die Energiequelle versorgt jede Lampe
so, als wenn sie alleine angeschlossen wäre.
An dieser Stelle bietet es sich an die ersten Fachvokabeln einzuführen.
-
Gummibärchen pro Schüler
= Energie pro Elektron (Ladung)
= Elektrische Spannung.
-
Hinweis für die Schüler: Man nennt häufig sowohl die Energiemenge, die
eine Spannungsquelle jedem Elektron mitgibt, als auch die Energiemenge,
die ein Elektron jeweils an einer Lampe (Verbraucher) abgibt, elektrische
Spannung.
Die Spannungsmessung bei der Reihenschaltung; die Einheit Volt
Als nächstes bauen die Schüler eine Reihenschaltung mit unterschiedlichen Lampen
auf (beispielsweise: 3,5V/0,2A und 3,8V/0,07A). Bei einer Energiequelle mit 4,5V
(Flachbatterie) leuchtet nur die 3,8V Lampe, die andere leuchtet nicht oder, bei neuer
Batterie, nur schwach. Ist für die Schülerexperimente eine zentrale
Energieversorgung möglich, so sollte man ca. 4V einstellen, weil dann die 3,5VLampe nicht leuchtet. Diese Beobachtung im Sinne eines kognitiven Widerspruches
für die Schüler führt zu fruchtbaren Diskussionen. In dieser Phase der
Unterrichtseinheit kann sich der Lehrer bei der Diskussion der beschriebenen
Beobachtung zeitweise bereits auf eine Moderatorrolle beschränken. Mögliche
Schüleräußerungen sind: Die zweite Lampe ist kaputt. – Kann nicht sein, weil sonst
die erste auch nicht leuchten würde. – Vermutung: die nicht oder schwach
leuchtende Lampe bekommt zu wenig Gummibärchen-Energie.
An dieser Stelle führt die Lehrperson das Spannungsmessgerät im Sinne einer
Blackbox ein. Das Spannungsmessgerät kann die Energie messen, die jeweils ein
Elektron an einer Lampe abgibt. Welche Informationen können dem
Spannungsmessgerät dabei helfen? Sehr häufig bringen die Schüler selbst die
Antwort: Das Messgerät muss wissen, wie viel Energie das Elektron vor der Lampe
hat und wie viel Energie es nach der Lampe noch besitzt. Damit ist der Grundstein
für das Verständnis der Parallelschaltung für das Spannungsmessgerät gelegt. Ein
Kabel muss vor der Lampe und ein Kabel muss nach der Lampe eingesteckt werden.
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Das Messgerät rechnet dann selbstständig den entsprechenden Wert aus und gibt
diesen in Volt an. Daraus ergibt sich eine weitere konkrete Vorstellung, welche
Bedeutung ein Spannungsmessgerät hat: Ein Spannungsmessgerät misst die
Energieabgabe von jeweils einem Elektron an einer Lampe oder an einem anderen
elektrischen Verbraucher. Ein Spannungsmessgerät kann auch die Energiemenge
messen, die eine Energiequelle jedem Elektron mit auf den Weg gibt.
Als neue Fachvokabel wird der Begriff Volt eingeführt. Die schülergemäße Erklärung
für Volt lautet: Volt ist ein Maß für die Energieabgabe (bzw. Energieaufnahme bei
einer Energiequelle) pro Elektron.
Mit diesen Erläuterungen und den notwendigen Ergänzungen bezüglich des konkret
vorliegenden Messgerätes, führen die Schüler die Spannungsmessungen an der
Reihenschaltung durch, um damit ihre Vermutung zu überprüfen. Als Ergebnis wird
die Vermutung bestätigt.
Es ist jetzt nur noch ein kleiner Schritt die Gesetzmäßigkeit für Spannungen in
Reihenschaltungen zu formulieren. Wird das Formelzeichen U für Spannung
eingeführt, so formulieren Schüler selbstständig den Zusammenhang
UQuelle = ULampe1 + ULampe2 (+ usw.). Entscheidend ist jedoch nicht die Formel, sondern
die Interpretationsfähigkeit dieser Formel durch die Schüler. Beispielsweise können
Schüler formulieren: In einer Reihenschaltung addieren sich die Energieabgaben
eines Elektrons an jeder Lampe zu der Energiemenge, die ein Elektron von der
Energiequelle bekommt.
Die Stromstärkemessung in der Parallelschaltung; die Einheit Ampère
Im nächsten Schritt bauen die Schüler eine Parallelschaltung mit unterschiedlichen
Lampen auf (beispielsweise: 3,5V/0,2A und 3,8V/0,07A). Die Spannung der
Energiequelle sollte etwa 3,5 V betragen. Die zu beobachtende unterschiedliche
Helligkeit erklären sich die Schüler mit der unterschiedlichen Elektronenanzahl.
(Inwieweit man bereits hier auf die konkrete Gummibärchenebene verzichten kann,
ist sehr schülerabhängig.) Da die Elektronen von derselben Energiequelle kommen,
haben sie dieselbe Energieportion, die sie vollständig an den Lampen abgeben.
Vermutung: Es müssen unterschiedlich viele Elektronen durch die Lampen fließen.
An dieser Stelle kann das Stromstärkemessgerät als Elektronen-Zählgerät eingeführt
werden.
Im Anfangsunterricht zur Elektrizitätslehre spreche ich nur vom Elektronenstrom und nicht von der
Stromstärke. Der Begriff Stromstärke ist in der deutschen Sprache irreführend. Beispiele:
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Verknüpfungen wie Autostärke oder Menschenstärke werden von den meisten Menschen qualitativ im
Hinblick auf die Wirkung verstanden. Der Begriff Stromstärke hat aber einen rein quantitativen Aspekt
(wie viel Elektronen pro Zeiteinheit). Der Begriff Elektronenstrom entspricht diesem Aspekt und
erleichtert demzufolge das Verstehen. In der Regel lasse ich hinter dem Begriff Elektronenstrom in
Klammer den Begriff Stromstärke notieren. Auf diese Weise soll sich die korrekte Vorstellung mit dem
etwas unglücklichen Begriff Stromstärke verknüpfen.
Der Vergleich eines Elektronenzähl-Meßgerätes mit einer „Personenzähl-Drehtür“
soll die Vorstellung für den Einbauort erleichtern. So wie bei der Drehtür alle zu
zählenden Personen durch die Türe müssen, so müssen auch alle Elektronen durch
das Messgerät (ohne Ausweichmöglichkeit!). Elektronen durch das Gerät fließen
lassen bedeutet, in Reihe schalten. Durch die Betonung des Zählaspektes wird
deutlich, dass es unerheblich ist, ob das Messgerät vor oder nach der Lampe die
Elektronen zählt.
Die Einführung von Ampere geschieht mit folgender Begründung: Das Messgerät
liefert uns die Elektronenanzahl pro Sekunde. Da es allerdings sehr viele Elektronen
sind, müsste man immer sehr große Zahlen notieren. Deshalb wurde folgende
Vereinbarung getroffen: 6 Trillionen Elektronen pro Sekunde fassen wir zu einem
Elektronenpaket zusammen. Solch ein Paket bezeichnet man als 1 Ampère.
Die sich jetzt anschließenden Schülermessübungen zur Messung des
Elektronenstromes können für die Schüler in der komplexen Parallelschaltung (die
das Problem geliefert hat) zu erheblichen Problemen führen. Der Schwierigkeitsgrad
ist abhängig vom zur Verfügung stehenden Schülerexperimentiermaterial. Es kann
angeraten sein, zuerst am einfachen Stromkreis mit nur einer Lampe die Messübung
ein- und durchzuführen. Im Anschluss daran kann man dann die Vermutung bzgl. der
Parallelschaltung und des unterschiedlichen Elektronenstromes aufgreifen und
überprüfen.
Mit der Einführung des Formelzeichens I für Elektronenstrom sind Schüler in der
Lage, das entsprechende Gesetz für die Parallelschaltung zu formulieren:
IQuelle = ILampe1 + ILampe2
Erfahrungen
Der Einsatz des Gummibärchen-Modells führt in der Regel zunächst zu einer
kreativen Unruhe. Die Klasse braucht in dieser Phase eindeutige Verhaltensregeln
und die Lehrperson muss die Lernziele klar vor Augen haben.
Die wiederholt zu stellende Frage: Warum machen wir dieses Rollenspiel? macht
den Schülerinnen und Schüler den Zweck des Ganzen immer wieder bewusst.
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Der Einsatz des Gummibärchen-Modells führt nicht nur zu einer Erweiterung und
Vertiefung von Fachwissen, sondern fordert und fördert auch in erheblichem Maße
die Sozialkompetenz.
Grenzen des Modells
Die wohl offensichtlichsten Grenzen sind:
-
Die Vorstellung vom Energieverbrauch wird implizit bestärkt.
-
Das unbewusste Gleichsetzen der Gummibärchen-Pakete mit EnergiePaketen.
-
Gleichsetzung der Energietransportgeschwindigkeit mit der Driftbewegung
der Elektronen.
Ich sehe diese Modellgrenzen im Sinne einer didaktischen Reduzierung und
Elementarisierung.
Wie gehe ich mit diesen Grenzen um?
Meine Erfahrung zeigt, dass den Schülerinnen und Schüler durch das Medium
Gummibärchen der Modellcharakter bewusst wird und bewusst bleibt. Die Gefahr,
dass mit zunehmender Benutzung des Modells das Modell zur Wirklichkeit wird,
besteht hier nicht.
Das Gummibärchen-Modell bietet den Schülerinnen und Schülern eine Möglichkeit
Begriffsvorstellungen zu entwickeln, die sich an derer Lebenswirklichkeit orientieren.
Später notwendige Modifizierungen einzelner Begriffsvorstellungen sind für
Schülerinnen und Schüler möglich, ohne dass das bis dahin aufgebaute Verständnis
und das Begriffssystem darunter leiden.
Ausblick
Bei konsequenter Handhabung des Gummibärchen-Modells ergeben sich auch
anschauliche Deutungsmöglichkeiten für den elektrischen Widerstand und für die
Ohmangaben (siehe Übersichtstabelle).
Darüber hinaus ist es mit den vermittelten Vorstellungen nur noch ein kleiner Schritt,
die Zusammenhänge für den Energiestrom und der Energie mit den Schülern zu
diskutieren und zu formalisieren. Durch die Anschaulichkeit der Begriffe ist dies
jedoch wesentlich früher möglich, als dies der alte Bildungsplan vorsah (in Kl.9).
Eine konkrete Darstellung dieser Unterrichtssequenzen sprengt jedoch den Rahmen
dieser Abhandlung.
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Mögliche Analogien
Transformator:
Die Bedeutung des Transformators lässt sich mit diesen Vorstellungen
folgendermaßen deuten: Ein Transformator verändert die Energieportionen pro
Elektron und demzufolge auch die Elektronenanzahl pro Sekunde. In der
Kurzfassung wird ein Transformator zu einem Energieumladestation.
Leistungsanpassung einer Solarzelle:
Für die Leistungsanpassung einer Solarzelle bietet sich folgende Deutung an:
Eine Solarzelle kann nur für eine bestimmte Energieverpackungsgröße pro Elektron
alle umgewandelte Energie ausliefern. Werden die Energieportionen zu groß, reicht
das „Verpackungsmaterial“ nicht, werden sie zu klein, ist „das Verpacken zu
aufwändig“.
Leistungsanpassung bei einer Solarzelle bedeutet demnach, man sucht die optimale
Energieverpackungsgröße.
Erfahrungen aus der Erwachsenenbildung
Das Gummibärchen-Modell in Verbindung mit der Energievorstellung setze ich auch
in Fortbildungsveranstaltungen ein. Diese Fortbildungen haben den Titel „Physik für
Nichtphysiker“ und sprechen als Zielgruppe Biologen und Chemiker an. Die
Resonanz ist durchweg positiv.
Die Kolleginnen und Kollegen bringen in ihren Rückmeldungen zum Ausdruck, dass
sie zum ersten Mal die Begriffe Stromstärke und Spannung begriffen haben. Das
Begreifen wird mit den angebotenen Vorstellungen begründet.
Diese Erfahrungen ermöglichen dann auch Nichtphysikerinnen und Nichtphysikern
elektrische Inhalte des NWA-Anfangsunterrichts zu unterrichten.
Übersicht
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Begriffe
Stromstärke
Ampere
Spannung
Volt
Widerstand
Ohm
Transformator
Leistungsanpassung
bei einer Solarzelle
Vorstellungen, Bilder
Elektronenstrom, Elektronenanzahl pro
Zeiteinheit
1 Ampere = 6 Trillionen Elektronen
pro Sekunde = 1 Elektronenpaket
Energiemenge pro Elektron
Maß für die Energiemenge pro
Elektron
die jeweils ein Elektron von der
Energiequelle mitbekommt
bzw. die jeweils ein Elektron an einem
Verbraucher abgibt.
Behindert die Elektronen
1 Ohm = 1 Volt Energieabgabe pro
Elektron damit 1 Elektronenpaket
fließen kann
Energieumladestation für die
Elektronen
Suche nach einer geeigneten
Energieverpackungsgröße pro
Elektron, damit die Solarzelle
möglichst viel Energie abgeben kann.
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