1 Einleitung - Uni Regensburg/Physik
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Einleitung 1 1 Einleitung „Das Thema ‚Magnetismus‘ hat einen festen Platz im Physikunterricht – von der Grundschule bis zur Sekundarstufe II“ (Duit, Kraus, Rincke, 2012, S. 4). Dies lässt sich laut den Autoren unter anderem darauf zurückführen, dass die grundlegenden Experimente bereits in der Grundschule mit einfachen Mitteln leicht durchführbar und für Schüler eindrucksvoll und gut zu beobachten sind (vgl. Duit, Kraus, Rincke, 2012). In der Sekundarstufe I bietet das Thema eine gute Möglichkeit für die Einführung einer Modellvorstellung, worauf in Kapitel 2.2.3 genauer eingegangen wird. Der Umgang mit Modellvorstellungen ist nach Lehrsystem Physik B eine Methode, mit Hilfe derer Schüler an die physikalische Denkweise herangeführt werden können, was nach den gesetzlichen Vorlagen für naturwissenschaftliche Bildung Voraussetzung für den mittleren Bildungsabschluss ist (vgl. Sekretariat der ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland, 2005). Da die Ursachen magnetischer Erscheinungen teilweise quantenmechanischer Natur sind, bietet der Magnetismus in höheren Jahrgangsstufen eine gute Möglichkeit, den Schülern Einblicke in quantenmechanische Konzepte zu geben. Vor allem aber rechtfertigen viele traditionelle und aktuelle technische Anwendungen1, die auf den Gesetzmäßigkeiten des Magnetismus beruhen, vertiefte physikalische Kenntnisse auf diesem Gebiet als Voraussetzung für den mittleren Bildungsabschluss (vgl. Sekretariat der ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland, 2005). Der Attraktivität des Themas Magnetismus stehen jedoch komplizierte fachliche Zusammenhänge gegenüber, welche die didaktische Aufbereitung des Stoffs für den einführenden Unterricht zu einer Herausforderung für Lehrer und Didaktiker machen. Dies gilt vor allem für den Anfangsunterricht in der Sekundarstufe, bei dem neben den individuellen Lernvoraussetzungen der Schüler auch auf ein entscheidendes Maß an Wissenschaftlichkeit im Unterricht geachtet werden sollte (vgl. Sekretariat der ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland, 2005). 1 Die Methode der Datenspeicherung oder die Funktionsweise der Magnetresonanztomographie (Erklärung in 2.1.2) sind Beispiele für technische Anwendungen, die auf den Gesetzmäßigkeiten des Magnetismus beruhen. Einleitung 2 Die fachlichen Grundlagen des Magnetismus werden in Kapitel 2.1aufgezeigt. Ein großes und grundlegendes Forschungsgebiet der Didaktik widmet sich den Lernvoraussetzungen von Schülern im einführenden Unterricht. Ergebnisse aus den Forschungsberichten werden in Kapitel 2.2.1 vorgestellt. Hierin werden detaillierte Vorstellungen der Schüler zu den Erscheinungen des Magnetismus aufgezeigt. Diese Schülervorstellungen werden jedoch im Unterricht bislang in einer Form berücksichtigt, die die Wissenschaftlichkeit des Unterrichts in Frage stellt. Dies zeigen stark vereinfachte Formulierungen in Schulbüchern, bei denen „[…] unzulässig verallgemeinert und bedeutende Aspekte ignoriert werden, sodass das Gesamtbild, das Schülerinnen und Schülern geboten wird, nicht mehr als fachlich anschlussfähig angesehen werden kann“ (Rincke, in Vorbereitung, S. 1). Dabei geht es vor allem um die Darstellungsweise der magnetischen Eigenschaften im Sachunterricht. In Kapitel 2.2.2 wird aufgezeigt, dass die Phänomene des Magnetismus der Einfachheit halber mit Vorstellungsmustern und Regeln aus der Elektrizitätslehre erklärt werden, statt geeignete Elementarisierungen2 vorzunehmen. Elektrische und magnetische Erscheinungen stehen zwar im engen Zusammenhang, sollten jedoch anfänglich getrennt voneinander behandelt werden, um falsche Vorstellungen und unwissenschaftliche Erklärungen zu vermeiden. Dies wird in Kapitel 2.1.3 genauer erläutert. Falsche Vorstellungen entstehen vor allem auch dadurch, dass die magnetische Eigenschaft in Schulbüchern der Sekundarstufe I als Privileg von nur wenigen Stoffen, wie Eisen, Nickel und Cobalt dargestellt wird. Damit wird den Schülern die physikalisch korrekte Sichtweise vorenthalten, dass alle Stoffe magnetische Eigenschaften haben und unter bestimmten Bedingungen mit magnetischen Feldern wechselwirken können. Darauf wird in Kapitel 2.1.2 genauer eingegangen. Die Vorstellung, dass Magnetismus ein seltenes Phänomen ist, das nur bei eisenähnlichen Stoffen auftritt, wird spätestens in der gymnasialen Oberstufe zu Missverständnissen und Lernschwierigkeiten bei der Diskussion technisch wichtiger Fragestellungen führen3. Es müssen also Möglichkeiten gefunden werden, den einführenden Unterricht fachlich anschlussfähiger zu gestalten, wobei die kognitiven Voraussetzungen der Schüler nicht 2 Der Begriff Elementarisierung wird in Kapitel 2.2.2 erklärt. Das Verfahren der Magnetresonanztomographie beispielsweise beruht auf der diamagnetischen Eigenschaft von Wasser. 3 Einleitung 3 außer Acht gelassen werden dürfen. Als Lehrer wird man vor allem deshalb vor eine Herausforderung gestellt, da Schülern in unteren Klassen der Sekundarstufe die für Erklärungen nötigen physikalischen Grundlagen fehlen. Einerseits entsteht dadurch die Frage, welche Möglichkeiten man im Unterricht der Sekundarstufe I hat, die magnetische Eigenschaft allgemein zu erklären, ohne sich dabei auf die Grundlagen des Ferromagnetismus zu beschränken. Andererseits muss nach passenden Elementarisierungen gesucht werden, die nicht auf falschen Analogien mit der Elektrizitätslehre beruhen. Aufgrund dieser Überlegungen werden in Kapitel 3 der vorliegenden Arbeit zwei mögliche Unterrichtskonzepte, welche die oben thematisierten fachlichen Aspekte enthalten, aufbereitet und unterrichtstechnisch erprobt. Die beiden Konzepte werden im Anschluss, in Kapitel 4, nach fehlerhaften Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten analysiert. Dazu wird in Kapitel 5 geklärt, welche Faktoren bei einer schülergerechten Aufbereitung eines fachlich anschlussfähigen Unterrichts besonderer Berücksichtigung bedürfen. Aus diesen Erkenntnissen sollen Ideen (didaktische Hinweise) für einen fachlich verbesserten und schülergerechten Unterricht gewonnen werden. Dazu wird in Kapitel 6 ein kurzer Ausblick gegeben. 96 Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 5 Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung Im Folgenden werden die Ergebnisse aus Kapitel 4 zusammenfassend gedeutet, wobei mögliche Ursachen falscher Vorstellungen geklärt werden sollen. Im Anschluss wird eine Einschätzung über die Bedeutung der analysierten Vorstellungen für einen fachlich anschlussfähigen Unterricht gemacht. Zunächst werden die Ergebnisse aus Kapitel 4 wie folgt untergliedert: • Vorstellungen und Schwierigkeiten, die allgemein und unabhängig von anderen Faktoren auftreten können und/oder aus Forschungsberichten bekannt sind • Vorstellungen, die durch individuelle Lernvoraussetzungen der Schüler, wie zum Beispiel durch vorherigen Unterricht oder die kognitive Entwicklung der Schüler, gegeben sind oder entstehen • Vorstellungen, die durch die Aufgabenstellung oder die Art der Versuchsdurchführung, wie zum Beispiel falsche Beobachtungen, provoziert werden • Vorstellungen, die durch das Konzept verursacht werden Bei dieser Untergliederung der Vorstellungen wird jeweils auf die Kategorienbildung in Kapitel 4 hingewiesen. Dies erfolgt mit rot gedruckten Abkürzungen zu Beginn eines Abschnitts (2Ele_a bedeutet beispielsweise die Analyse von Station 2, Elementarmagnetgruppe, Kategorie a). Allgemeine Vorstellungen Zunächst werden allgemeine Vorstellungen, von denen die meisten aus physikdidaktischen Forschungsberichten bekannt sind und in der Untersuchung bestätigt werden konnten, thematisiert. Die Vorstellungen, die für die wichtigsten Aspekte fachlicher Anschlussfähigkeit von besonderer Bedeutung sind, werden am Ende des Kapitels zusammenfassend eingeschätzt. 2Ele_a: Es wurde festgestellt, dass manche Schüler die magnetische mit der anziehenden Wirkung gleichsetzen. Das ist vermutlich eine Alltagsvorstellung, die Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 97 deswegen entsteht, da Schüler in alltäglichen Situationen oft nur die anziehende Wirkung eines Magneten beobachten können. 2Ele_d, 5Dip_b, 5Dip_e: Eine weitere typische Schwierigkeit, die jedoch unabhängig vom Thema Magnetismus auftritt, ist eine falsche Vorstellung vom Kraftbegriff. Dabei stellen sich die Schüler unter dem Begriff Kraft etwas vor, was ein Gegenstand besitzt oder auch weitergeben kann und nicht etwas, das zwischen Gegenständen wirkt. Bei der Analyse der Schüleraussagen in Kapitel 4 wurde festgestellt, dass diese Vorstellung nicht selten auftritt. Wie und an welcher Stelle im Lehrplan die Einführung des Kraftbegriffs am sinnvollsten ist, wird im Zusammenhang dieser Arbeit nicht thematisiert, da sie unabhängig von der Erklärung der fachlichen Aspekte des Magnetismus auftritt. 2Dip_d, 2Dip_h, 3Ele_a-Deutung 3: Die Definition des Begriffs Metall stellt eine ähnliche Problematik, wie die der Vorstellung des Kraftbegriffs, dar. Aus Forschungsberichten ist bekannt, dass in der Alltagssprache oft nicht zwischen Metall und Eisen unterschieden wird. Die Untersuchung hat gezeigt, dass dies dazu führen kann, dass manche Schüler, unabhängig vom Unterrichtskonzept, allen Metallen intuitiv ferromagnetische Eigenschaften zuordnen. Hierbei müssen die Schüler diese Eigenschaften nicht einmal beobachten25. 2Dip_f, 5Ele_c, 5Dip_a, 5Dip_c-Deutung 2: Die Vorstellung, dass alle Metalle die gleichen magnetischen Eigenschaften besitzen, kann auch dadurch verursacht werden, dass die Schüler Magnetismus oft mit Elektrizität vergleichen26. Dieser Vergleich wurde mehrmals durch die physikdidaktische Forschung bestätigt, wobei die Neigung der Schüler eine große Rolle spielt, unbekannte Phänomene (hier: Magnetismus) mit bekannten Theorien (hier: Elektrizitätslehre) zu erklären. In der Untersuchung wurde festgestellt, dass dies sogar dazu führen kann, dass manche Schüler die magnetische Wirkung von Eisen damit erklären, dass es elektrisch leitend ist. 25 Hier behaupten Schüler, dass Aluminium (paramagnetisch) die gleichen magnetischen Eigenschaften wie Eisen etc. (ferromagnetisch) hat. 26 Da alle Metalle elektrisch leitend sind, folgern manche Schüler, dass auch alle Metalle die gleichen magnetischen Eigenschaften haben. Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 98 5Dip_d: Neben dem Vergleich mit Elektrizität wird laut Forschungsberichten Magnetismus oft mit Energie verglichen, wie auch in dieser Untersuchung gezeigt werden konnte. Dabei handelt es sich um ein Problem, welches im Zusammenhang dieser Arbeit nicht thematisiert wird, da es sich um eine falsche Vorstellung vom Energiebegriff handelt. 2Dip_g, 6Ele_e: In der Untersuchung wurden die Ergebnisse von Studien bestätigt, dass Schüler generell dazu neigen, die Eigenschaft eines Materials durch die Eigenschaft seiner Bestandteile zu erklären. Da die Schüler nur eisenähnlichen Stoffen magnetische Eigenschaften zuschreiben, können ihrer Meinung nach nur eisenhaltige Gegenstände magnetisch wirken. Daher haben die Schüler bei der Bearbeitung von Station 6 Schwierigkeiten, die magnetische Eigenschaft von Weintrauben zu begreifen. Sie begründen ihre Vorstellungsschwierigkeiten damit, dass die Tomaten/Weintrauben doch aus keinem magnetischen Stoff bestehen. Bei dem Versuch, den Schülern am Beispiel der diamagnetischen Eigenschaft von Wasser, eine andere Form des Magnetismus vorzuführen konnte bei der Analyse von Aufgabe 2 am Ende von Kapitel 4 folgende Schwierigkeit festgestellt werden: Aufgrund der Neigung der Schüler die magnetische Eigenschaft eines Materials stets darauf zurückzuführen, dass es aus magnetischen Stoffen besteht, führt dazu, dass die magnetische Eigenschaft eines Materials auf seinen Wasser- oder Eisengehalt zurückgeführt wird. 3Ele_a-Deutung 2: Durch Studien wurde nachgewiesen, dass Schüler die Wirkung des Magnetismus oft mit einer Art Klebstoffs vergleichen. Diese Vorstellung konnte ansatzweise auch in dieser Untersuchung bestätigt werden. Für die Einschätzung der Ergebnisse dieser Arbeit spielt der Hinweis jedoch keine bedeutende Rolle. 2Ele_e, 3Ele_a-Deutung 1: Aus der Kategorienbildung in Kapitel 4 geht hervor, dass Schüler oft die Vorstellung entwickeln, dass die magnetische Wirkung nur durch Berührung übertragen wird. Diese Vorstellung kann mit der in der Literatur erwähnten Problematik, dass Schüler oft das Feld nicht als Vermittler der magnetischen Wirkung erkennen, in Zusammenhang gebracht werden. Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 99 5Ele_a-Deutung 1: Zudem konnte bei der Analyse in Kapitel 4 das Ergebnis von Studien bestätigt werden, dass manche Schüler eine Fernwirkungsvorstellung des Magneten besitzen. Hierbei hat die Wirkung eines Magneten eine bestimmte Reichweite, wobei sie unmittelbar, ohne Feld, übertragen wird. 5Ele_a-Deutung 2: Aus der Untersuchung geht mitunter hervor, dass einige Schüler die Vorstellung besitzen, dass die magnetische Wirkung abrupt endet. Dabei stellen sich Schüler vor, dass der magnetische Wirkungsbereich scharf begrenzt ist und nicht wie aus physikalisch korrekter Sicht kontinuierlich abnimmt. Die Problematik mit der Ausbreitung der magnetischen Wirkung durch das Feld wird im Folgenden noch weiter thematisiert. 3Ele _e-Deutung 1, 7Ele_c: Aus der Literatur ist bekannt, dass viele Schüler Probleme mit dem magnetischen Feldbegriff haben. Dabei haben viele Schüler keine oder eine falsche Vorstellung darüber, was ein Feld ist. In der Untersuchung wurde das Problem deutlich, da manche Schüler das Magnetfeld als etwas Materielles, das zerstört werden kann, betrachten. Diese Vorstellung vom Magnetfeld als etwas Materielles kann auch aus der Aussage der Schüler interpretiert werden, dass das Feld bei Anziehung im Eisen festgehalten wird. 5Ele_b-Deutung 2, 7Ele_b: Eine weitere fehlerhafte Vorstellung zum magnetischen Feldbegriff, die aus der Untersuchung hervorgeht, ist die Deutung des Magnetfelds als Erzeuger/Ursache der magnetischen Wirkung, was auch durch die Literatur bestätigt werden kann. 5Ele_b-Deutung 1: Weitere Ergebnisse der Untersuchung bestätigen die Hinweise in der Literatur, dass manche Schüler die Vorstellung besitzen, dass die Feldlinien das Feld selbst sind. 100 Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung Vorstellungen, die durch individuelle Lernvoraussetzungen der Schüler gegeben sind Im Folgenden werden Schwierigkeiten thematisiert, die durch individuelle Lernvoraussetzungen der Schüler gegeben sind und generell immer zu berücksichtigen sind, um Fehlvorstellungen zu vermeiden. Lernvoraussetzungen: Die Polregel ist in beiden Klassen bekannt. Vermutlich entspricht die Aufgabenstellung auch nicht dem Niveau der Schüler. 1Ele_a, 1Dip_b, 2Ele_b, 2Dip_c: Die Schüler verwenden bei der Erklärung der magnetischen Wechselwirkung die Polregel, wobei sie jeweils nur die Wirkung von einem Pol betrachten. Dabei erkennen die Schüler keinen Sinn darin, beide Pole eines Magneten gleichzeitig bei der Deutung von Abstoßung und Anziehung in Betracht zu ziehen. Dies kann ein Hinweis auf eine Monopolvorstellung sein, da in der physikdidaktischen Forschung bekannt ist, dass sich Schüler vorstellen können, es könnten magnetische Einzelpole existieren. Die Argumentationsweise der Schüler ist hier jedoch vor allem durch folgende Probleme bedingt: • 1Ele_a, 1Dip_c, 1Dip_d: Die Schüler verstehen die Problemstellung der Aufgabe nicht. Dies kann zum Beispiel daran liegen, dass die Schüler es nicht gewohnt sind, zu einer Situation offen Stellung zu nehmen und dabei problemlösend zu denken. Zudem fällt es Schüler schwer mit der magnetischen Feldstruktur zu argumentieren, da die Polregel die Bedeutung der Feldstruktur ignoriert. • 1Dip_b, 2Dip_c: Die Schüler haben die herkömmliche Polregel verinnerlicht, die bereits in vorherigen Unterrichtsstunden von der Lehrkraft eingeführt wurde. Diese Probleme hätten verringert werden können, wenn man die Lernvoraussetzungen der Schüler genauer gekannt hätte. Vor allem bei der Einführung des Dipols als Grundeinheit sollte die Definition des Magneten durch zwei Pole und die Beschreibung der magnetischen Wechselwirkung mit der Polregel vermieden werden. 8Ele_b, 8Dip_b: In der Untersuchung wurde festgestellt, dass die meisten Schüler die alleinige Ausrichtung einer Kompassnadel im Magnetfeld der Erde nicht sinnvoll erklären können. Sie sich dabei schwer die magnetische Wechselwirkung mit Hilfe 101 Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung unterschiedlicher Feldstruktur zu erklären. Dies kann auf die Anwendung der herkömmlichen Polregel zurückgeführt werden, welche die Feldstruktur ignoriert und daher Schüler nur eine Anziehung oder Abstoßung erklären können. 8Dip_a: In der Untersuchung konnte gezeigt werden, dass manche Schüler die falsche Vorstellung entwickeln, wonach eine Kompassnadel aufgrund ihrer Entfernung nicht zum geographischen Nordpol gezogen wird, wenn die Bewegung im Magnetfeld in Abhängigkeit von der Feldstruktur nicht richtig beschrieben werden kann. Lernvoraussetzungen: Die Schüler wissen, dass ein Magnet aus zwei Polen besteht. 2Dip_e, 4Dip_a: Die Untersuchung hat gezeigt, dass viele Schüler Schwierigkeiten damit haben, den Magnet als Dipol zu betrachten. Dies wird durch die Analyse von Aufgabe 1 am Ende des Kapitels 4 deutlich. Das Problem entsteht vermutlich vor allem dadurch, dass der Magnet in der Unterrichtsstunde davor von der Lehrkraft durch zwei Pole definiert wurde und die Schüler deswegen den Sinn der Dipoldarstellung des Magneten nicht verstehen. Andere Ursachen für das Verständnis der Schüler und die Äußerungen der Schüler sind an dieser Stelle unbekannt. Lernvoraussetzungen: Die Schüler haben falsche Vorstellungen zum Elementarmagnet-Modell. 2Ele_i: Bei der Erklärung der magnetischen Eigenschaft mit dem ElementarmagnetModell äußern manche Schüler die Vorstellung, dass ein Elementarmagnet erst magnetisch wird, wenn er ausgerichtet ist. Dabei handelt es sich um eine falsche Vorstelllung zum Elementarmagnet-Modell, welche als Hinweis dafür gedeutet werden kann, dass diesen Schülern der Umgang mit diesem Modell nicht nahe gebracht werden konnte. 2Ele_g, 3Ele_d: Aus manchen Schüleräußerungen geht die Vorstellung hervor, dass die Elementarmagnete im magnetisierten Gegenstand tatsächlich vorhanden sind. Damit konnte auf die in Kapitel 2.2.3.1 hingewiesene Schwierigkeit der Schüler bei der Unterscheidung zwischen Modellebene und Realität bestätigt werden. 102 Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 3Ele_e-Deutung 2: Ein weiterer Hinweis auf eine falsche Vorstellung zum Elementarmagnet-Modell ist die fehlerhafte Äußerung der Schüler, dass die Elementarmagnete unter Einfluss von Hitze zerstört werden. Im Modell wird Entmagnetisierungsprozess jedoch durch die zunehmende Unordnung bei steigender Temperatur beschrieben. 3Ele_f: Einige Schüler sind der Meinung, dass ein magnetisierter Gegenstand selbst zum Elementarmagnet wird. Dies spiegelt eine komplett falsche Vorstellung über die Erklärung mit dem Elementarmagnet-Modell wider. 4Ele_c: Bei der Erklärung der Dipoleigenschaft äußern Schüler ebenfalls falsche Vorstellungen zum Elementarmagnet-Modell. Die Behauptung der Schüler, dass sich die Elementarmagnete nach dem Auseinanderbrechen des Magneten wieder neu ausrichten, beinhaltet eine Vorstellung, wonach die Dipoleigenschaft kurzzeitig zerstört wird und anschließend wieder neu entsteht. Diese Vorstellung ist einerseits physikalisch nicht korrekt und spiegelt andererseits das Wesentliche des Modells27 nicht wider. 4Ele_a: Manche Schüler erklären die Polbildung nach dem Influenzgesetz, wobei die Pole mit elektrischen Ladungen verglichen werden. Diese Vorstellung kann auf den bereits thematisierten Vergleich zwischen Magnetismus und Elektrizität zurückgeführt werden. Zusammengefasst kann man vermuten, dass die soeben beschriebenen Schwierigkeiten und Fehlvorstellungen der Schüler im Umgang mit dem Elementarmagnet-Modell auf eine unzureichende Einführung in die Denkweise mit einer bildlichen Modellvorstellung zurückzuführen sind. Woher die Probleme mit der Modellvorstellung tatsächlich kommen, kann hier nicht ausführlicher diskutiert werden, da unbekannt ist, in welchem Umfang und mit welcher Sorgfalt das Modell von der Lehrkraft eingeführt wurde. 27 Das Wesentliche bei der Deutung der Dipoleigenschaft eines Magneten ist, dass die Elementarmagnete unteilbar sind. Nur so kann erklärt werden, dass an den Bruchstellen beim Auseinanderbrechen des Magneten immer ungleiche Pole entstehen. Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 103 Lernvoraussetzungen: Die Schüler der Dipolgruppe haben weniger Erfahrungen mit dem Phänomen Magnetismus als die Schüler der Polgruppe. Die Schüler der Dipolgruppe kennen jedoch die Polregel. 2Dip_f: Durch die Analyse konnte festgestellt werden, dass der zu Beginn des Kapitels angesprochene Vergleich von Magnetismus mit Elektrizität bei bestimmten Themen öfter in der Dipolgruppe als in der Elementarmagnetgruppe auftritt. Dabei spielen vermutlich zwei Faktoren eine Rolle: • Die Schüler dieser Klasse sind im Gegensatz zur Elementarmagnetgruppe erst seit einer Unterrichtsstunde mit dem Phänomen Magnetismus vertraut und kennen bis auf die Polregel noch keine Erklärungen. Sie versuchen verstärkt die Ursachen magnetischer Erscheinungen mit etwas Bekanntem zu ergründen. • 3Dip_b, 3Dip_c: Da die Polregel ohnehin die Vorstellung von magnetischen Ladungen provoziert, liegt es für Schüler nahe, den Magnetisierungsprozess als elektrischen Ladeprozess zu beschreiben. Dahinter verbirgt sich ebenfalls eine Vorstellung vom Magnetisierungsprozess als mechanischen Prozess, wobei die Ladungen getrennt werden und sich auf einer Seite ansammeln. Lernvoraussetzungen: Die Schüler der Elementarmagnetgruppe wurden im Unterricht davon überzeugt, dass es nur ferromagnetische Stoffe gibt, die angezogen werden. 6Ele_b, 6Ele_f, 6Dip_a: Aufgrund der Schüleräußerungen bei Station 6 kann vermutet werden, dass in der Elementarmagnetgruppe die Überraschung über die magnetische Eigenschaft von Tomaten/Weintrauben und vor allem auch über deren Abstoßung größer ist als in der Dipolgruppe. Eine Ursache hierfür könnte sein, dass diese Klasse im Unterricht bereits erfahren hat, dass es nur ferromagnetische Stoffe gibt. Daher wird es immer leichter sein, Schülern die magnetische Eigenschaft anderer Stoffe begreifbar zu machen, wenn sie noch keinen Unterricht hatten, indem der Ferromagnetismus als einzige Form des Magnetismus dargestellt wird. Dies bestätigt die in Kapitel 2.2.2 angesprochenen Lernschwierigkeiten, die bzgl. der magnetischen Eigenschaft durch derzeitige Unterrichtsdarstellungen entstehen können. Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 104 Vorstellungen, die durch die Aufgabenstellung oder Art der Versuchsdurchführung provoziert werden. Im Folgenden werden die Schwierigkeiten aufgegriffen, die während der Untersuchung bei der Durchführung der Versuche oder bei der Bearbeitung der Aufgaben entstanden sind. Dazu werden Vorschläge gemacht, wie diese Probleme vermieden werden können. Die Probleme werden bei der Einschätzung in Bezug auf die fachliche Anschlussfähigkeit des Unterrichts nicht mehr aufgegriffen, da sie nicht allgemein sind, sondern von der speziellen Aufgabenstellung und der Experimentierfähigkeit der Schüler abhängen. Vorstellung, die durch eine bestimmte Aufgabenstellung provoziert wird 1Dip_e: Da Schüler von sich aus dazu neigen, einem größeren Magnet auch die größere Wirkung zuzuschreiben, bietet es sich an, einen schwächeren Dipol kleiner darzustellen als einen stärkeren. Aus der Analyse geht hervor, dass dadurch die Gefahr entsteht, dass Schüler diese Vorstellung festigen. Um Fehlvorstellungen zu vermeiden, sollte den Schülern erklärt werden, dass dies nicht die Regel ist, sondern hier eine Ausnahme ist. Vorstellungen, die durch die Durchführung des Versuchs an Station 3 entstehen 2Ele_h, 3Ele_b: Schüler äußern die Vorstellung, dass die magnetische Wirkung durch mechanische Prozesse übertragen wird. Bei der Erklärung der magnetischen Wirkung an Station 2 tritt diese Vorstellung vor allem in der Elementarmagnetgruppe auf. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass diese Schüler den Versuch, bei dem ein Gegenstand durch Überstreichen mit einem Magnet magnetisiert wird, in vorherigen Unterrichtsstunden bereits kennen gelernt haben. Dadurch wird vermutlich die Vorstellung provoziert, dass die magnetische Wirkung durch einen mechanischen Prozess übertragen wird. Bei der Besprechung des Versuchs sollte daher betont werden, dass die mechanische Bewegung hier nicht die Ursache der Magnetisierung ist. Vorstellungen, die durch falsche Beobachtungen an Station 3 hervorgerufen werden 3Dip_d: Beim Entmagnetisierungsversuch einer Stricknadel machten viele Schüler falsche Beobachtungen, wie zum Beispiel eine stärkere Magnetisierung der Nadel durch Erhitzen oder Schütteln. Dadurch kann die Vorstellung hervorgerufen werden, dass Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 105 Magnetisierung durch mechanische Prozesse übertragen wird, wobei Energie (Hitze, schnelle Bewegungen) aufgewendet werden muss. Die falsche Beobachtung der Schüler kann beispielsweise darauf zurückgeführt werden, dass die Nadel nicht genügend erhitzt worden ist, da bei nicht ausreichendem Erhitzen unter der Curie-Temperatur die Magnetisierung ferromagnetische Gegenstände sogar verstärkt wird. 3Dip_c: Aus der Beobachtung mancher Schüler, dass an dem Ende der Stricknadel, in dessen Richtung gestrichen worden ist, mehr Späne hängen bleiben als am anderen entsteht die Gefahr, dass der Magnetisierungsvorgang mit der Vorstellung von elektrischer Ladungstrennung erklärt wird. 3Ele_g: Schüler der Elementarmagnetgruppe folgern aus der Beobachtung, dass eine Stricknadel nach Erhitzen mehr Eisenspäne anzieht, eine zunehmende Komprimierung der Teilchen im Inneren der Nadel. Nach Vorstellung dieser Schüler wird durch eine höhere Teilchendichte auch eine größere magnetische Wirkung hervorgerufen. Dieser Zusammenhang gilt zwischen Dichte und Masse, jedoch nicht zwischen der Teilchendichte und der Stärke der magnetischen Wirkung. Um Fehlvorstellungen, die durch falsche Beobachtungen beim Versuch 3 entstehen, zu vermeiden, sollte der Versuch in erster Linie mit Hilfe der Lehrkraft durchgeführt werden oder zumindest im Anschluss an die Selbsttätigkeit der Schüler mögliche Schwierigkeiten diskutiert werden. Vorstellungen, die durch die bei der Durchführung des Versuchs an Station 5 entstehen 5Dip_c-Deutung 1, 5Dip_e, 5Dip_f-Deutung 2: Die Vorstellung, dass die magnetische Wirkung durch Berührung übertragen wird, kann durch den Versuch an Station 5 hervorgerufen werden, da die Bildung einer Nagelkette aufgrund von Haftreibung und Schwerkraft ohne Berührung nicht funktioniert. 5Ele_a-Deutung 1: Da viele Schüler bei der Versuchsdurchführung an Station 5 fälschlicherweise beobachten, dass die Nagelkette unmittelbar nach Wegnehmen des Magneten zusammenfällt, kann sich die Vorstellung entwickeln, dass die Ursache der Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 106 Kettenbildung die Fernwirkung des Magneten ist, wobei die Magnetisierung der Nägel durch die Nahwirkung des Felds außer Acht gelassen wird. 5Dip_f-Deutung 1: Der Versuch an Station unterstützt vermutlich die Vorstellung mancher Schüler, dass die Reichweite der magnetischen Wirkung abrupt endet, da aufgrund von Reibung und Schwerkraft nur eine bestimmte Anzahl von Nägeln magnetisiert werden kann. 5Ele_d: Wenn die Schüler bei der Bearbeitung von Station 5 nicht die richtige Vorstellung vom Feldbegriff haben, kann es zu folgender Deutung der Funktionsweise der Kettenbildung führen: Die Schüler vergleichen das magnetische Feld mit einer Art Faden, der eine gewisse Anzahl von Nägeln zusammen halten kann. Dabei denken die Schüler vermutlich an eine Kette, deren Glieder durch einen Faden verbunden sind. 5Ele_c, 5Dip_a, 5Dip_c-Deutung 2: Durch den Versuch an Station 5 kann die Vorstellung provoziert werden, dass die magnetische Wirkung durch eisenhaltige Gegenstände fließt, wie elektrischer Strom. Da Schüler grundsätzlich dazu neigen, den Magnetismus mit der elektrischen Leitfähigkeit von eisenhaltigen Stoffen zu deuten, wird die Funktionsweise der Kettenbildung gern damit erklärt, dass die Nägel Leiter sind und deswegen das Magnetfeld, die Energie oder gar den Strom weiterleiten, wobei sie sich magnetisch aufladen. Um Fehlvorstellungen bei der Deutung des Versuchs an Station 5 zu vermeiden, sollten die Schüler ein ausreichendes Verständnis bzgl. des magnetischen Feldbegriffs und der Ausbreitung der magnetischen Wirkung besitzen. Zudem sollte die Abgrenzung zwischen Elektrizität und Magnetismus vorausgesetzt sein. Vorstellungen, die bei der Durchführung des Versuchs an Station 7 entstehen Bei der Durchführung des Versuchs zur Abschirmung der magnetischen Wirkung äußern manche Schüler die Vorstellung, dass das Feld von Eisen/vom Blech angezogen wird und darin verbleibt, sodass keine Nägel mehr angezogen werden können. Nach Vorstellung dieser Schüler gibt das Holz die magnetische Wirkung weiter und Eisen nicht. Unter diesen Gegebenheiten wird man auf Widerspruch stoßen, wenn der Versuch in Zusammenhang mit dem Versuch an Station 5 (Bildung einer Nagelkette) Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 107 betrachtet wird. Einerseits wird die magnetische Wirkung durch gehemmt, andererseits wird sie, wie bei der Erklärung der Funktionsweise einer Kettenbildung, weitergegeben. Um Missverständnissen und damit verbundenen Lernschwierigkeiten vorzubeugen, sollte der Versuch zur abschirmenden Eigenschaft ferromagnetischer Stoffe im Zusammenhang mit der Funktionsweise der Kettenbildung diskutiert werden. Als Anregung dafür sollen die Formulierungen am Schluss von Kapitel 2.2.2 dienen. Vorstellungen, die durch das Konzept verursacht werden Im Folgenden werden fehlerhafte Vorstellungen thematisiert, die abhängig vom gewählten Konzept entstehen. Dabei soll eine Einschätzung darüber gemacht werden, ob sich das Elementarmagnet-Modell oder die Vorstellung vom magnetischen Dipol besser für die Deutung der grundlegenden Eigenschaften des Magnetismus eignet. Ursache: Elementarmagnet-Modell 3Ele_g: Die Vorstellung, dass durch Hitze Teilchen näher zusammengedrückt werden und die daraus resultierende Verstärkung der magnetischen Wirkung, können durch die Anwendung des Elementarmagnet-Modells provoziert werden. Der Grund hierfür besteht darin, dass bei der Vorstellung vom Elementarmagnet die magnetische Eigenschaft auf atomarer Ebene erklärt wird, wodurch Schüler dazu angeregt werden, alle Phänomene, die sie beobachten, mit der Bewegung mikroskopischer Teilchen zu erklären. Das führt jedoch in vielen Fällen zu falschen Vorstellungen, da den meisten Schülern in dieser Jahrgangsstufe die Fähigkeit für Deutungen auf atomarer Ebene fehlt. Ursache: Polkonzept 4Ele_a: Die falschen Vorstellungen, die bei der Erklärung der Dipoleigenschaft an Station 4 entstehen, werden vermutlich durch das Polkonzept begünstigt. Die Analogie zu den elektrischen Polen ruft bei Schülern Vorstellungsmuster hervor, die sie aus der Elektrizitätslehre kennen, was dazu führt, dass die Polbildung von manchen Schülern nach dem Influenzgesetz erklärt wird. 4Dip_a: Bei der Deutung des Versuchs an Station 4 (Auseinanderbrechen eines Stabmagneten) machen manche Schüler Aussagen, die auf eine Monopolvorstellung 108 Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung hinweisen. Das kann in dieser Untersuchung auf folgende zwei Faktoren zurückgeführt werden: • 4Dip_a: Vielen Schülern ist der Begriff Dipoleigenschaft, der die Einheit zweier Pole hervor heben soll, unklar. Dies geht aus der Argumentation dieser Schüler hervor, wonach auch ein einzelner Pol Dipoleigenschaft haben kann. • Der zweite Faktor, der zu einer Monopolvorstellung führt, ist die Verwendung eines rot/grün markierten Hufeisenmagneten als Versuchsgegenstand, der als einziger Magnet zur Durchführung des Versuchs geeignet war. Aufgrund der Markierung der Teilstücke, kann bei den Schülern die Vorstellung provoziert werden, dass einzelne Pole entstehen können. Hierbei behauptet eine Schülergruppe, dass die Dipoleigenschaft verloren geht, wenn man den Magnet in der Mitte des Südpols auseinander bricht. In der Elementarmagnetgruppe tritt diese Vorstellung nicht auf, da diese Schüler im Gegensatz zur Dipolgruppe durch vorherigen Unterricht erfahren haben, dass die Teilstücke eines Magneten jeweils wieder zwei Pole haben müssen. Zudem haben sie das Elementarmagnet-Modell als Erklärungsmöglichkeit. Der Versuch zeigt also deutlich, dass die Markierung der Pole eine Monopolvorstellung provozieren kann. 4Dip_b: Trotz der Probleme mit dem Dipol als Grundeinheit erklären drei Schülergruppen mit dem Dipolkonzept, dass die Dipoleigenschaft beim Auseinanderbrechen nicht verloren gehen kann, ohne dabei eine falsche Vorstellung zu äußern. Dies gilt hier als Hinweis darauf, dass das Dipolkonzept bei ausreichender Einführung eine gute Möglichkeit bietet, die magnetische Dipoleigenschaft auf einfache Weise und ohne zeitaufwendige Einführung in den Umgang mit einer mikroskopischen Modellvorstellung zu erklären. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass in der Untersuchung ähnliche Schwierigkeiten mit der Elementarmagnet-Vorstellung und der Darstellung des Magneten durch zwei Pole, wie in Kapitel 2.2 thematisiert werden, aufgetreten sind. Hierbei konnten vor allem analoge Erklärungsmuster zur Elektrizitätslehre und allgemeine Schwierigkeiten mit der Deutung auf mikroskopischer Ebene festgestellt werden. Diese Probleme entstanden auch bei der Deutung der magnetischen Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 109 Dipoleigenschaft, wohingegen bei der Erklärung mit dem Dipolmodell keinerlei fehlerhafte Vorstellung festgestellt werden konnten. Bei der Beschreibung von Bewegungen im Magnetfeld hätte man erwartet, dass man mit dem Dipolkonzept mehr Erfolg hätte. Welches Konzept hierfür nun besser geeignet wäre, geht aus der Untersuchung jedoch nicht hervor, da Schüler allgemein Probleme haben, die magnetische Wirkung mit Hilfe der Feldstruktur zu erklären. Einschätzung der Ergebnisse in Bezug auf die wesentlichen Aspekte fachlicher Anschlussfähigkeit An dieser Stelle werden die Schwierigkeiten hervorgehoben, die in Bezug auf die Schwerpunkte eines fachlich anschlussfähigen Unterrichts eine wesentliche Bedeutung haben. Hierbei werden die Probleme thematisiert, die in der Untersuchung bei der Beschreibung einer Bewegung mit Hilfe der magnetischen Feldstruktur, bei der Darstellung des Magnetismus als universelle Erscheinung und bei der Deutung der magnetischen Dipoleigenschaft festgestellt worden sind. Bei der Beschreibung der magnetischen Wechselwirkung in Abhängigkeit von der Feldstruktur konnten erhebliche Schwierigkeiten der Schüler festgestellt werden. Dies kann schlussfolgernd mit Hilfe der Ergebnisse bekannter Studien und den Ergebnissen dieser Untersuchung auf folgende Aspekte zurückgeführt werden: • Die Schüler haben Probleme mit dem magnetischen Feldbegriff. Hierbei handelt es sich vor allem um allgemeine Vorstellungsschwierigkeiten mit einem Konzept, welches nicht beobachtet werden kann, wodurch das Problem mit der Erklärung der Ausbreitung der magnetischen Wirkung durch ein Feld entsteht. Aufgrund dieser allgemeinen Schwierigkeiten mit dem Feldbegriff ist es für Schüler schwer möglich, zwischen homogenen und inhomogenen Feld zu unterscheiden und eine Translation oder Ausrichtung einer Probe im Feld zu beschreiben. • Schülern fällt es schwer, den Sinn der Argumentation mit der Feldstruktur und der daraus resultierenden Unterscheidung zwischen Translation und Ausrichtung im Feld zu erkennen. Dies kann darauf zurück geführt werden, dass aufgrund der Inhomogenität der meisten beobachtbaren Felder meist nur eine Anziehung beobachtet werden kann. 110 Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung In Kapitel 6 (Ausblick) werden Ansätze zur Verringerung der hier beschriebenen Schwierigkeiten vorgestellt. In Bezug auf die Darstellung des Magnetismus als universelle Eigenschaft hat die Untersuchung gezeigt, dass es nicht leicht ist, Schülern im Anfangsunterricht ohne falsche Vorstellungen begreifbar zu machen, dass alle Stoffe magnetische Eigenschaften haben. Aufgrund der Ergebnisse der Untersuchung können folgende Aspekte vermutet werden: • Schüler neigen dazu, die magnetische Wirkung eines Stoffs mit den magnetischen Eigenschaften seiner Bestandteile zu erklären, wobei aus der Untersuchung hervorgeht, dass Schüler nur Stoffen magnetische Eigenschaften zuschreiben, die sie auch eindeutig beobachten können. Das führte dazu, dass Schüler vorrangig Materialien als magnetisch bezeichnet, bei denen sie vermuten, dass sie eisenähnliche Stoffe enthalten. • Der Versuch, den Schülern am Beispiel der diamagnetischen Eigenschaft von Wasser begreifbar zu machen, dass alle Stoffe magnetische Eigenschaften haben können, führte in der Untersuchung dazu, dass viele Schüler die Vorstellung entwickelten, dass alle Stoffe aufgrund ihres Wassergehalts magnetisch sind. Die Untersuchung zeigt, dass es also generell schwierig ist, Schülern dieser Jahrgangsstufe eine fachlich korrekte Vorstellung von magnetischen Erscheinungen zu vermitteln, was vor allem auf die fehlenden oder nicht eindeutigen Beobachtungsmöglichkeiten zurückzuführen ist. Wie man unter Berücksichtigung der genannten Schwierigkeiten an den ersten Einführungsversuch anknüpfen könnte, soll in Kapitel 6 (Ausblick) thematisiert werden. Der dritte wichtige Aspekt ist die Deutung der Dipoleigenschaft eines Magneten. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Erklärungen der Schüler, wie vermutet, mit dem Polkonzept und dem Elementarmagnet-Modell leichter zu falschen Vorstellungen führen. Dabei handelt es sich einerseits um die falschen Äußerungen, die durch die Erklärungen mit dem Elementarmagnet-Modell entstehen und andererseits um die Gefahr der Monopolvorstellung, die durch das Polkonzept entstehen kann. Zudem wird in der Untersuchung deutlich, dass neben der allgemeinen Neigung der Schüler, magnetische mit elektrischen Phänomenen zu vergleichen, vor allem das Polkonzept die Gleichsetzung von Magnetismus und Elektrizität begünstigt. Hingegen konnte Bewertung der Ergebnisse und Einschätzung 111 festgestellt werden, dass Erklärungen mit dem Dipol-Modell von keinerlei Problemen begleitet wurden. Aus dieser Einschätzung sollen im nächsten Kapitel in Form eines kurzen Ausblicks Ideen für eine Verbesserung der schülergerechten Aufbereitung eines fachlich anschlussfähigen Unterrichts abgeleitet werden. 112 Zusammenfassung und Ausblick 6 Zusammenfassung und Ausblick In diesem Kapitel werden zunächst die wichtigsten Schritte der gesamten Arbeit zusammengefasst. Im Weiteren wird ein kurzer Ausblick für aufbauende Untersuchungen gegeben. Zusammenfassung Diese Arbeit befasst sich mit der Einführung der grundlegenden Eigenschaften des Magnetismus im Anfangsunterricht der Sekundarstufe. Bei der Einführung eines Themas mit komplexen fachlichen Zusammenhängen, wie Magnetismus, wird besondere Sorgfalt bei der didaktischen Aufbereitung verlangt. Dabei ist es wichtig, dass fachliche Zusammenhänge in gleichem Maße berücksichtigt werden wie die kognitiven Voraussetzungen der Schüler (vgl. Sekretariat der ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland, 2005). In dieser Arbeit werden deswegen zunächst die wichtigsten physikalischen Aspekte der grundlegenden Eigenschaften des Magnetismus erläutert. Im Anschluss werden darauf aufbauend fachdidaktische Hinweise zur Aufbereitung des Themas im elementaren Unterricht gegeben, wobei Forschungsberichte zu Schülervorstellungen und theoretische Überlegungen zur fachlich anschlussfähigeren Gestaltung des Unterrichts miteinbezogen werden. Aus den Forschungsberichten geht hervor, dass vorunterrichtliche und durch den Unterricht verursachte Vorstellungen von Schülern existieren, die zu Lernschwierigkeiten führen, wenn sie im Unterricht nicht richtig berücksichtigt werden. Dazu wurden vor allem Unterrichtsstudien in den Klassen 4 – 6 durchgeführt, wobei Schüler zu bestimmten Erscheinungen des Magnetismus befragt wurden. Im Zusammenhang der Diskussionen über eine schülergerechte Aufbereitung des Themas Magnetismus werden seit einiger Zeit die im Unterricht gemachten Elementarisierungen aus fachlicher Sicht diskutiert. Dadurch wird deutlich, dass manche Schulbuchdarstellungen wissenschaftlich nicht korrekt sind und zu Fehlvorstellungen führen können. Die Diskussion bezieht sich vorrangig auf folgende Aspekte: • Durch die Art und Weise der Beschränkung des Schulunterrichts auf den Ferromagnetismus wird die magnetische Eigenschaft als Privileg von ferromagnetischen Stoffen dargestellt und den Schülern eine fachlich korrekte 113 Zusammenfassung und Ausblick Sichtweise verweigert, dass alle Stoffe in gewisser Weise mit magnetischen Feldern wechselwirken können. • Mit Hilfe der sogenannten Polregel werden der Einfachheit halber bei der Erklärung der magnetischen Wechselwirkung Regeln und mentale Bilder aus der Elektrizitätslehre übernommen. Dadurch gerät die Bedeutung der magnetischen Feldstruktur bei der Beschreibung von Wechselwirkungen in den Hintergrund, sodass Schüler immer nur eine Anziehung deuten können, nicht aber eine Ausrichtung. • In Die Dipoleigenschaft eines Magneten wird nicht ausreichend herausgestellt. dieser Arbeit wurden Möglichkeiten diskutiert, wie diese Aspekte im Anfangsunterricht der Sekundarstufe berücksichtigt und anschaulich erklärt werden können. In diesem Zusammenhang ist das in Schulbüchern verbreitete Elementarmagnet-Modell in fachdidaktische Diskussion geraten. Diese Diskussionen beziehen sich auf Schwierigkeiten, die aus didaktischer Sicht bei der Anwendung bildlicher Modellvorstellungen entstehen können. Zudem wird aus fachlicher Sicht die Beschränkung des Modells auf einige Eigenschaften des Ferromagnetismus diskutiert. Aufgrund der Probleme mit dem Elementarmagnet-Modell und der Poldarstellung wird ein anderes Modell vorgeschlagen, welches den magnetischen Dipol als Grundeinheit verwendet. Das sogenannte Dipol-Modell scheint weniger fachliche und didaktische Schwierigkeiten mit sich zu bringen. Auf den Grundlagen dieser theoretischen Überlegungen wurden im weiteren Verlauf der Arbeit zwei Unterrichtskonzepte entwickelt und im Sachunterricht der 7. Jahrgangsstufe erprobt. Bei einem Konzept wurde mit der Dipol-Vorstellung und beim anderen mit dem Elementarmagnet-Modell gearbeitet. In beiden Konzepten wurden die oben thematisierten Aspekte fachlicher Anschlussfähigkeit erstmalig im einführenden Unterricht integriert. Das Ziel dieser Untersuchung ist die Analyse von Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten, die bei Einbeziehung der fachlichen Aspekte im Unterricht entstehen können und berücksichtigt werden sollten. Um möglichst viel über die Vorstellungen der Schüler zu erfahren, beinhalteten die Unterrichtskonzepte neben kurzen theoretischen Einführungen hauptsächlich praktische Teile. Hierbei sollten Schüler selbständig an acht verschiedenen Lernstationen Experimente durchführen und an jeder Station ein Aufgabenblatt bearbeiteten. Zusammenfassung und Ausblick 114 Die Bearbeitung der Aufgaben wurde anschließend einer qualitativen Inhaltsanalyse nach Mayiring (2010) unterzogen, wobei die einzelnen Schülerantworten nach bestimmten Vorstellungsmustern analysiert wurden. Durch die Analyse konnten vielerlei fehlerhafte Vorstellungen und Lernschwierigkeiten festgestellt werden, die von verschiedenen Faktoren abhängen. Im Anschluss an die Analyse konnten die Ergebnisse wie folgt gedeutet und eingeordnet werden: • Vorstellungen und Schwierigkeiten, die allgemein und unabhängig von anderen Faktoren auftreten können und aus Forschungsberichten bekannt sind • Vorstellungen, die durch individuelle Lernvoraussetzungen der Schüler, wie zum Beispiel durch vorherigen Unterricht oder die kognitive Entwicklung der Schüler, gegeben sind oder entstehen • Vorstellungen, die durch die Aufgabenstellung oder die Art der Versuchsdurchführung, wie zum Beispiel falsche Beobachtungen, provoziert werden • Vorstellungen, die durch das Konzept verursacht werden Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Bedeutung der analysierten Vorstellungen für die Aufbereitung eines fachlich verbesserten Unterrichts eingeschätzt. Die wichtigsten Erkenntnisse dieser Einschätzung werden im Folgenden dargestellt. Die Erklärung magnetischer Wechselwirkungen mit Hilfe der Feldstruktur gestaltet sich für die Schüler schwierig. Hierfür konnten in der Untersuchung zwei wesentliche Ursachen analysiert werden: • Die meisten Schüler haben fehlerhafte Vorstellungen zum magnetischen Feld. Dabei erkennen viele Schüler nicht, welche Bedeutung das Feld für die Ausbreitung der magnetischen Wirkung hat. • Zudem geht aus den Aussagen der Schüler hervor, dass sie nicht zwischen Translation und Ausrichtung unterscheiden, was vermutlich daran liegt, dass Schüler aufgrund der Inhomogenität der meisten beobachtbaren Felder meist nur eine Anziehung beobachten können. Während der Untersuchung erkannten die Schüler daher keinen Grund, die bereits bekannte Regel, nach der sich ungleiches immer anzieht und gleichnamiges immer abstößt, in Frage zu stellen und die Erklärung der Bewegung von der magnetischen Feldstruktur abhängig zu machen. 115 Zusammenfassung und Ausblick Die Tatsache, dass Schüler oft nur das begreifen können, was sie sehen, spielt auch bei der Erklärung des Magnetismus als universelle Eigenschaft eine bedeutende Rolle. Die Untersuchung hat gezeigt, dass es aufgrund fehlender Beobachtungsmöglichkeiten der magnetischen Eigenschaften vieler Materialien nicht so einfach ist, den Schülern im Anfangsunterricht begreifbar zu machen, dass alle Stoffe magnetische Eigenschaften. Zudem wurde die aus Forschungsberichten bekannte Neigung der Schüler bestätigt, wonach Schüler eine zu deutende Eigenschaft eines Stoffs stets darauf zurückführen, dass seine Bestandteile die zu erklärende Eigenschaft besitzen. Diese Schwierigkeiten führten in der Untersuchung dazu, dass die Schüler bei der Demonstration der diamagnetischen Eigenschaft von Wasser denken, dass die magnetische Eigenschaft aller Stoffe auf ihren Wasser- oder Eisengehalt zurückzuführen ist. In der Untersuchung konnte zudem belegt werden, dass die Deutung der magnetischen Dipoleigenschaft mit dem Elementarmagnet-Modell häufiger zu unwissenschaftlichen und fehlerhaften Deutungen führt als das Dipol-Modell. Außerdem konnten bei der Erklärung magnetischer Erscheinungen mit dem Elementarmagnet-Modell ähnliche Probleme festgestellt werden wie in der physikdidaktischen Forschung seit Langem diskutiert werden. Hierbei handelt sich vorrangig um falsche Äußerungen, die bei Erklärungen mit einer bildlichen Modellvorstellung auf mikroskopischer Ebene entstehen können, wie beispielsweise die Annahme einer Existenz der Elementarmagnete. Zusätzlich konnte die in der Forschung erwähnte Gefahr der Entstehung einer Monopolvorstellung bei Anwendung des Polkonzepts bestätigt werden. Zudem weisen die Ergebnisse der Untersuchung, wie vermutet, darauf hin, dass durch die Darstellung des Magneten durch zwei Pole die Schüler stärker dazu neigen, magnetische mit elektrischen Phänomenen zu vergleichen. Ausblick Als Voraussetzung für die Behebung der Problematik mit dem magnetischen Feld sollte eine ausreichende Einführung des magnetischen und des Feldbegriffs allgemein geschehen, die etwas mehr Zeit und didaktische Aufbereitung erfordert, als bislang im Unterricht aufgebracht wird. Zusammenfassung und Ausblick 116 Um die Abhängigkeit einer Translation von der Magnetfeldstruktur zu betonen, empfehle ich die Unterrichtseinheit mit der Einführung des Felds als Überträger der magnetischen Wirkung zu beginnen. Dabei sollte gleich zu Beginn der Unterschied zwischen inhomogenen und homogenen Feldern und deren Bedeutung für die Vorwärtsbewegung im Feld herausgestellt werden. Die Hinführung würde sich, den Ergebnissen meiner Untersuchung zur Folge, vermutlich leichter gestalten, wenn bei der Beschreibung magnetischer Wechselwirkungen, statt der bisherigen Betonung des Unterschieds zwischen Anziehung und Abstoßung, die Unterschiede Translation und Ausrichtung hervorgehoben werden würden. Wie dies am besten schülergerecht dargestellt werden kann, könnte Thema einer anderen Arbeit sein. Als Grundlage für die Festlegung des Feldbegriffs und seiner Bedeutung kann der in Kapitel 3.2.1 gemachte Vorschlag verwendet werden. Die Materialien, auf denen aufgebaut werden könnte, befinden sich im Anhang 1und 2. Aufgrund der didaktischen Schwierigkeiten bei der Einführung des Magnetismus als universelle Eigenschaft, die auf fehlende oder nicht eindeutige Beobachtungsmöglichkeiten und unzureichende Erklärungsmöglichkeiten zurückzuführen sind, stellt sich für mich die Frage, ob das Thema Magnetismus so früh im Anfangsunterricht behandelt werden sollte. Ein Verbesserungsvorschlag meinerseits wäre, zunächst das Thema Elektrizitätslehre abzuschließen. Da bewegte Elektronen ein magnetisches Feld erzeugen, könnte an dieser Stelle die Erklärung der Grundlagen des Magnetismus angehängt werden. Unter diesen Voraussetzungen könnte die Entstehung magnetischer Dipolmomente durch die Bahnbewegung der Elektronen auf atomarer Ebene erklärt werden. Hiermit hätte man die Möglichkeit die Ursachen von Para-, Dia- und Ferromagnetismus zu deuten. Welche Maßnahmen hierbei für eine schülergerechte Aufbereitung nötig sind, kann Thema einer anderen Arbeit sein. Da in der Untersuchung festgestellt werden konnte, dass die Deutung der magnetischen Dipoleigenschaft mit dem Dipol-Modell keinerlei Schwierigkeiten macht, empfehle ich es für diesen Zweck weiter. Zudem bietet die Darstellung des Magneten als Dipol eine anschauliche Anknüpfung an die Erklärung der Entstehung der Gesamtmagnetisierung des Magneten durch die mikroskopischen magnetischen Dipolmomente. Literaturverzeichnis 7 - 117 Literaturverzeichnis Bader, F., Oberholz, H.-W. (2001) (Hrsg.). Dorn, Bader Physik, Gymnasium Sek I. Hannover: Schroedel Verlag - Bader, F., Oberholz, H.-W. (2002) (Hrsg.). Physik 6, Gymnasium. Hannover: Schroedel Verlag - Duit, R. (1989). Vorstellungen vom Magnetismus. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/ Chemie, Heft 44, S.184-185 - Duit, R., Kraus, M. E., Rincke, K. (2012). Magnetismus im Physikunterricht – Fachliche und didaktische Informationen zu einem komplexen Thema. 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