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.
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unter: aghuber.physik.uni-saarland.de/eep2/skripte/EEP2_06_24.pdf (Stand: 07.08.2012)
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