Thorsten Steinbrinker - SINUS

Thorsten Steinbrinker
Grundschule Pye
Thema der Unterrichtseinheit:
Hebel
Thema der Unterrichtsstunde:
Nussknacker, Kapselheber und Schubkarre: Einfache Hebel erleichtern die Arbeit (einarmiger Hebel).
Stundenziel:
Die Schüler1 sollen durch die Durchführung verschiedener Versuche, die Funktionsweise und die
damit einhergehende Arbeitserleichterung von (einseitigen) Hebeln erkennen und begrifflich korrekt
erklären können.
Teilziele:
Die Schüler sollen:
1. eigene Hypothesen über die Funktion eines (einarmigen) Hebels anstellen und verbalisieren
können,
2. Versuchsanordnungen selbstständig aufbauen, durchführen und dokumentieren,
3. die Ergebnisse verbalisieren und mit ihren Hypothesen vergleichen,
4. eine Legende übertragen und ihre Zeichnungen mit entsprechenden Symbolen beschriften.
Gliederung der Unterrichtseinheit:
1. Stunde:
Nussknacker, Kapselheber und Schubkarre: Einfache Hebel erleichtern
die Arbeit (einarmige Hebel)
2. + 3. Stunde:
Wie wiegt man ein Mammut? (Zweiarmige Hebel)
4. + 5. Stunde:
Angelrute, Pinzette und Hammer. (Hebel der dritten Klasse)
6. + 7. Stunde:
Was Bagger und Nagelzange verbindet (Mehrfache Hebel)
8. Stunde:
Wiederholung: Stationsarbeit zum Thema Hebel
1
Benennt sowohl weibliche als auch männliche Schüler.
Literatur:
Einsiedler, W.: Arbeitsformen im modernen Sachunterricht der Grundschule. Donauwörth 1978.
Elschenbroich, D.: Weltwunder – Kinder als Naturforscher. München 2005.
Gesellschaft für Didaktik des Sachunterrichts (Hrsg.): Perspektivrahmen Sachunterricht. Bad
Heilbrunn 2002.
Macaulay, D./Ardley, N.: Mammut-Buch der Technik. Nürnberg 1989.
Mayer, W. G.: Der Sachunterricht. Teil II. Heinsberg 1993.
Möller, K.: Technische Bildung im Sachunterricht der Grundschule. In: Duncker, L./Popp, W. (Hrsg.):
Kind und Sache. Zur pädagogischen Grundlegung des Sachunterrichts. Weinheim
1994, S. 225-242.
Müller, H. J./Wittkowske, S.: Kind und Technik. In: Grundschulunterricht 4/2005, München 2005, S.
2/3.
Nieders. Kultusministerium (Hrsg.): Rahmenrichtlinien für die Grundschule. Sachunterricht.
Schroedel, Hannover 1982.
Ragaller, Sabine: Sachunterricht. Donauwörth 2001.
Spreckelsen, K.: Wie Grundschulkinder physikalische Phänomene verstehen. In: Grundschule
10/1997, Braunschweig 1997, S. 18/19.
Steinbrinker, Thorsten: Formen des Experimentierens im Sachunterricht – erprobt im Rahmen der
Unterrichtseinheit „Luft“ in einem 3. Schuljahr. Osnabrück 2005, S. 14/15.
Thiel, H. P.: Erklär mir die Technik. Lexikon. München 1975.
Ullrich, H./Klante, D.: Technik im Unterricht der Grundschule. Villingen 1994, S. 55-65.
Internetadressen:
<http://iva.uni-ulm.de/physik/vorlesung/mechanik/node8.html> am 17.09.2005
<http://www.wikipedia.org/wiki/Hebelgesetz>
am 17.09.2005
2
2 Sachanalyse
Der Hebel gehört, zusammen mit der Rolle, der schiefen Ebene, der Schraube u. a. in die Gruppe der
einfachen Maschinen, im Sinne der Mechanik. Diese Zuordnung geht bereits auf Archimedes (ca. 250
v. Chr.) zurück und hat bis heute Bestand.2
Der Begriff „Hebel“ lässt sich auf den Wortstamm „heben“ zurückführen. Bedingt durch die
Notwendigkeit schwere, die menschliche Muskelkraft übersteigende Lasten zu heben und zu bewegen,
kam es schon früh zur Erfindung des Hebels durch den vorgeschichtlichen Mensch, indem er einen
schweren Stein mit Hilfe eines leichteren Steins und eines Astes zu bewegen in der Lage war z.B. zum
Verschließen seiner Höhle.
„Ein Hebel ist ein […] Kraftübertragungssystem, bei dem Ursache und Wirkung (Kraft und Last) in
einer Ebene, aber nicht auf einer Linie, liegen. Es ist in der Regel ein um eine Achse drehbarer, meist
starrer, stabförmiger Körper, an dem ein Gleichgewicht herrscht, wenn die Summe der (Dreh-)
Momente aller an ihm angreifender Kräfte null ist. Das (Dreh-) Moment ist immer dann ungleich null,
wenn Kräfte so auf einen Körper wirken, dass eine Drehbewegung beschleunigt wird.“3
„Der Physiker sagt: Arbeit ist Kraft mal Weg“4, d. h. ein Hebel ist ein Kraftwandler. Der Mensch hat
durch den Hebel ausschließlich einen mechanischen Vorteil, durch dem ihm Arbeit erleichtert wird,
jedoch nicht erspart wird. Die eingesparte Kraft geht also zu Lasten des Weges und die zu verrichtende
Arbeit bleibt die gleiche, wird aber körpergerechter verteilt.
Man unterscheidet folgende verschiedene Arten von Hebeln:
Den EINARMIGEN HEBEL (vgl. Methodische Überlegungen): „Der Drehpunkt befindet sich an
einem Ende der Stange, und die Kraft wirkt auf das andere Ende ein. Die Last liegt dazwischen. Bei
diesen einarmigen Hebeln, ist die Kraft weiter vom Drehpunkt entfernt als die Last. Aus diesem Grund
ist der Lastweg kleiner als der Kraftweg. Dafür kann aber die eingesetzte Kraft kleiner sein. Je näher
sich die Last am Drehpunkt befindet, umso mehr vergrößert sich die Kraft und umso leichter fällt es
diese Last zu heben. Ein einarmiger Hebel dieser Art vergrößert stets den Kraftweg und verringert den
Lastweg.“5 In der Prüfungsstunde werden die Schubkarre und der Kapselheber als Beispiele für das
Anwendungsprinzip eines einarmigen Hebels untersucht, ebenso der Nussknacker, bei dem es sich um
einen einarmigen Hebel, bestehend aus einem Hebelpaar, dessen gemeinsamer Druckpunkt im
Scharnier liegt, handelt.
Den ZWEIARMIGEN HEBEL: Sein Drehpunkt befindet sich stets zwischen Kraft und Last. Beispiele
sind eine Wippe, eine Schere, ein Spaten.
Weitere EINARMIGE HEBEL: Ihr Drehpunkt liegt auch am Ende eines Hebels, jedoch ist ihre
Stellung zwischen Last und Kraft vertauscht, wie z. B. bei der Pinzette oder der Angelrute.
2
Vgl. http://iva.uni-ulm.de/physik/vorlesung/mechanik/node8.html.
http://www.wikipedia.org/wiki/Hebelgesetz.
4
Macaulay/Ardley 1989, S. 9.
5
ebda., S. 20.
3
3
In den folgenden Unterrichtsstunden werden die beiden letztgenannten Hebelarten behandelt werden.
3 Didaktische Überlegungen
In den RRL ist die Behandlung des Themas „Hebel“ nicht explizit vorgesehen. Eine Annäherung an
diesen Inhalt ist unter dem Lernfeld: „Mensch und Natur/Mensch und Technik“ 6 zu sehen. Die
Themen „Wir bauen“7 und „Wir untersuchen Gebrauchsgegenstände und Werkstoffe“8 greifen jedoch
zu kurz: Sie verlangen keine gedankliche Durchdringung von Funktionszusammenhängen und sind
entsprechend für die Jahrgangsstufe 1 und 2 vorgesehen. Jedoch ist in den RRL zu lesen, dass die
„Aufteilung [des Themenkanon und der Zusatzangebote] nicht als starre Abgrenzung verstanden
werden“ darf.9
Ich halte die Behandlung diese Themas aus folgenden Gründen für sinnvoll:
In ihrer Lebenswelt nutzen die Schüler täglich technische Gegenstände und Produkte, „deren
Herstellung und Wirkweisen Ihnen oft unbekannt sind. Die Nutzung geht häufig einher mit [einem]
Mangel an primären Erfahrungen mit Werkzeugen“10 und anderen mechanischen Gerätschaften. Und
dies, obgleich Kinder bereits sehr früh ein großes Interesse an allem Gebauten, Geformten,
Konstruierten und deren Wirkungen haben.11 Dieses Interesse der Schüler ernst zu nehmen und zu
fördern, im Zusammenkommen von technischen Schlussfolgerungen und der symbolischen Sprache
(vgl. Teilziel 4), muss pädagogischer Auftrag sein. Ähnlich argumentiert der Perspektivrahmen in
seiner
„Technischen
Perspektive“,
dass
„grundlegende
technische
Funktions-
und
Handlungszusammenhänge“ von den Schülern verstanden werden müssen um „eine humane und
zukunftsfähige Technik mitdenken, mitverantworten und mitgestalten zu können“ 12 Hierin ist auch die
von den RRL geforderte Gegenwarts- und Zukunftsbedeutung sowie die Zugänglichkeit zum Thema
zu sehen.
Exemplarisch für den technischen Bereich des Sachunterrichts wird in dieser Stunde ein technisches
Prinzip behandelt, dass bewusst auf den einseitigen Hebel reduziert ist. Aufbauend auf den
notwendigen festzuhaltenden Wissensbesitz (vgl. Stundenziel), ist in den folgenden Stunden der
Unterrichtseinheit die Beschäftigung mit weiteren Hebelarten sinnvoll möglich.
3.1 Medienanalyse
Die verwendeten Medien sind den Schülern aus ihrer unmittelbaren Lebenswelt vertraut. Walnuss und
Nussknacker kennen sie aus dem heimischen Haushalt, Kapselheber und Getränkeflaschen nutzen sie
6
RRL, 1982, S. 20.
Ebda.
8
Ebda.
9
Ebda., S. 17.
10
Müller/Wittkowske 2005, S. 2.
11
Vgl. ebda.
12
Perspektivrahmen Sachunterricht 2002, S. 8.
7
4
täglich in der Schule, um ihr Pausengetränk zu öffnen (und wenden hierbei das Funktionsprinzip des
einseitigen Hebels an). Die abgesägten Kapselheber erzeugen vermutlich zunächst eine kognitive
Dissonanz, aus der heraus die eigenständige gedankliche Konstruktion, dass ein Hebel mit
zunehmendem Weg (zunehmender Länge) die Arbeit entsprechend erleichtert, gebildet werden kann.
Die Plastikwanne (Leihgabe Medienzentrum Osnabrück) mit Rollen entspricht dem Modell einer
Schubkarre. Ich ziehe sie einer tatsächlichen Schubkarre vor, da die Länge der Hebel (des Kraftarms),
durch leichtes Auswechseln, variierbar ist.
4. Methodische Überlegungen
Nach der Begrüßung der Klasse bitte ich die Schüler in den Sitzkreis. Als stummen Impuls lege ich
einige Walnüsse in die Mitte. Hiervon ausgehend werden die Schüler vermutlich schnell auf den
arbeitserleichternden Nussknacker zu sprechen kommen. In einem gelenkten Unterrichtsgespräch
haben die Schüler die Möglichkeit ihre Vorerfahrungen einzubringen und erste Hypothesen zur
Funktionsweise des Nussknackers einzubringen. Evtl. bringt bereits an dieser Stelle ein Schüler den
Begriff „Hebel“ ein.
Darüber hinaus sollen die Schüler auch Hypothesen zu möglichen Ergebnissen äußern, um sie in der
Auswertungsphase aufzugreifen und mit den tatsächlichen Ergebnissen zu vergleichen. Die
Ankündigung der folgenden Gruppenarbeit zur selbstständigen Versuchsdurchführung liefert die
weitere Transparenz der Stunde. Die Versuchsdurchführung, deren genaue Beobachtung,
zeichnerische und schriftliche Fixierung ist entsprechend der Lernebenen nach Bruner von der
„enaktiven“- über die „ikonische“- bis zur „symbolischen Ebene“ aufgebaut.13
Nun erhalten die Schüler den Auftrag sich in den bekannten Arbeitsgruppen (s. Situation der
Lerngruppe), unter Berücksichtigung evtl. fehlender Schüler, zusammenzufinden. Die Gruppen holen
sich selbstständig die zur Versuchsdurchführung notwendigen Materialien von der Fensterbank.
Zunächst führen alle Gruppen den Versuch 1 durch: Alle Mitglieder der Gruppe versuchen eine
Walnuss nur mit Hilfe Ihrer Hände zu knacken. Anschl. wiederholen sie den Versuch unter
Zuhilfenahme eines Nussknackers. Die Schüler müssen genau beobachten wie und warum sich die
Nuss mit Hilfe des Nussknackers, im Gegensatz zum Öffnungsversuch per Hand, öffnen lässt und die
gewonnenen Erkenntnisse in einer Skizze, sowie einer schriftlichen Form auf ihrem Arbeitsblatt
festhalten.
Der 2. Versuch soll nur von den Gruppen durchgeführt werden, die bereits vor Ablauf der
Bearbeitungszeit mit Versuch 1 fertig geworden sind.
Mit einem Kapselheber ohne Kraftarm muss versucht werden eine Getränkeflasche zu öffnen. Das
wird den Schülern nicht gelingen. In einem zweiten Schritt sollen die Schüler die Getränkeflasche mit
13
Vgl. In: Mayer 1993, S. 138.
5
einem vollständigen Kapselheber öffnen. Auch diese Versuchsabfolge muss in Bild und Wort auf dem
Arbeitsblatt festgehalten werden.
Kurz vor Ablauf der Arbeitszeit gebe ich ein akustisches Signal, so dass die Kinder letzte Notizen
vornehmen können.
Um zu verhindern , dass die Schüler in der folgenden Auswertungsphase abgelenkt sind, räumen sie
nun zunächst ihre Arbeitsmaterialien vom Tisch.
Die Versuchsergebnisse werden nun von den Gruppen präsentiert. Die anfangs angestellten
Vermutungen, wie ein Nussknacker funktioniert, werden mit den neuen Erkenntnissen verglichen.
Begriffe die die Schüler für die einzelnen Funktionen des Nussknackers gefunden haben werden mit
den korrekten Fachbegriffen (s. Sachanalyse) abgeglichen. Tafelzeichnungen werden mit
entsprechenden Symbolen gekennzeichnet.
Die Ergebnisse des „Kapselheberversuches“ werden ebenso besprochen und im Tafelbild festgehalten.
Die Schüler übertragen die Legende auf ihr Arbeitsblatt und ordnen die entsprechenden Symbole ihrer
Zeichnung zu.
Um den Lernzuwachs dieser Stunde zu überprüfen, präsentiere ich den Schülern abschließend das
Modell einer Schubkarre. Diese wird mit mehreren Tonistern gefüllt. Die Schüler sollen einen
Transfer von den Versuchsanordnungen auf diese neue Situation, unter Nutzung der eingeführten
Begriffe, vornehmen. In dieser Anwendung und dem Transfer des Stundeninhalts, wird der
Lernzuwachs überprüfbar.
Als Hausaufgabe gilt es zu überprüfen, wo die Kinder täglich zu Hause (einarmige) Hebel nutzen.
Die Bezeichnung „einarmiger Hebel“ wird erst in der nächsten Sachunterrichtsstunde eingeführt. In
Abgrenzung zu dem dann behandelten „zweiarmigen Hebel“ ist die Begriffseinführung sinnvoll. Zum
jetzigen Zeitpunkt würde die Begriffseinführung eine kognitive Überforderung der Schüler, im Sinne
der bereits in den 70er Jahren gemachten Fehler innerhalb des Elementarcurriculum „Sciencs – A
Process Approach“14 (SAPA), darstellen.
Anlagen:
14

Stundenverlauf

Arbeitsblätter
Vgl. Ragaller 2001, S. 72.
6