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Schülervorstellungen und Physikunterricht
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Horst Schecker Thomas Wilhelm Martin Hopf Reinders Duit Hrsg.
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Schüler vorstellungen und Physikunterricht
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Ein Lehrbuch für Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis
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Autoren: Horst Schecker, Thomas Wilhelm, Martin Hopf, Reinders Duit, Helmut Fischler, Claudia Haagen-Schützenhöfer, Dietmar Höttecke, Rainer Müller und Rita Wodzinski
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Hrsg. Prof. Dr. Horst Schecker FB 1 Physik/Elektrotechnik, Institut für Didaktik der Physik Universität Bremen Bremen Deutschland
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Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik Goethe-Universität Frankfurt am Main Frankfurt Deutschland
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Univ.-Prof. Dr. Martin Hopf Österreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik Universität Wien Wien Österreich
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Prof. Dr. Dr. h.c. Reinders Duit IPN – Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik Universität Kiel Deutschland
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ISBN 978-3-662-57269-6 ISBN 978-3-662-57270-2 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-57270-2
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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
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Verantwortlich im Verlag: Lisa Edelhäuser
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V
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Vorwort
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Von zentraler Bedeutung für das Unterrichten und das Lernen von Physik ist, was die Schülerinnen und Schüler an Vorwissen, Vorstellungen und Denkmustern bereits mitbringen. Diese Faktoren formen das Vorverständnis der Lernenden über den zu erarbeitenden Sachverhalt. Neue Informationen im Unterricht – vermittelt durch Lehrererklärungen, Experimente, Schulbuchtexte, Arbeitsblätter oder Aufgabenstellungen – werden auf Grundlage des Vorverständnisses verarbeitet. Die Vorstellung, dass ‚Strom‘ sich von der Batterie zum Verbraucher bewege, führt Schülerinnen und Schüler z. B. zu der Erwartung, ein Widerstandsdraht beginne dort zu glühen, „wo der Strom zuerst ankommt“, und manche meinen sogar, einen solchen Effekt im Experiment beobachten zu können. Schülervorstellungen, die auf alltagssprachliche Muster zurückgehen, z. B. die Vorstellung, ein Spiegel vertausche links und rechts, liegen oftmals quer zum physikalischen Verständnis. Schülervorstellungen können aber ebenso Anknüpfungspunkte für die Entwicklung eines tieferen physikalischen Begriffsverständnisses sein. Das gilt z. B. für die Vorstellung, dass bei Energieumwandlungen immer ein ‚Energieverlust‘ auftrete. Dies kann produktiv gewendet werden, um den Aspekt der Energieentwertung einzuführen.
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Das Forschungsgebiet Schülervorstellungen hat international eine lange Tradition, die bis in die 1970er Jahre zurückreicht. Aus dieser Zeit stammen viele der heute immer noch wichtigen Arbeiten. Im ersten Teil des Buches (7 Kap. 1, 7 Kap. 2 7 Kap. 3) stellen wir die theoretischen Grundlagen dar: Was sind Schülervorstellungen, worin liegt ihre Bedeutung für das Physiklernen, wie entwickelt sich das Verständnis physikalischer Begriffe und welche grundlegenden Strategien gibt es für den Umgang mit Schülervorstellungen bei der Unterrichtsgestaltung? In den zehn folgenden Kapiteln werden zu wichtigen Themengebieten der Schulphysik von der Mechanik bis zur Quantenphysik typische Schülervorstellungen erläutert, die im Unterricht wirksam sein können. Physikexperten erscheinen solche Vorstellungen zunächst überraschend und fehlerhaft. Ein detailliertes Wissen über Schülervorstellungen fördert jedoch das Verständnis dafür, dass hinter Schüleraussagen, die oberflächlich betrachtet als schlicht falsch erscheinen, durchaus sinnvolle Gedankengänge stehen können. Nicht alle physikalisch fehlerhaften oder falschen Schüleraussagen beruhen jedoch auf tiefschürfenden Überlegungen. Ebenso wenig beruhen physikalisch korrekte Schüleraussagen stets auf physikalisch korrekten Ideen. Walter Jung1 hat betont, dass man zwischen Schüleräußerungen und den ihnen zugrunde liegenden Vorstellungen genau unterscheiden muss.
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Dieses Lehrbuch soll Lehramtsstudierende, Referendare und Lehrkräfte der Physik in die Lage versetzen, genauer hinzuhören und besser zu verstehen, was sich
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1 Jung, W. (1978). Jung war ein Begründer der Schülervorstellungsforschung in Deutschland.
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VI
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Vorwort
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hinter Schüleraussagen versteckt, die von den erwarteten oder erhofften Antworten abweichen. Dieses Wissen über Schülervorstellungen erlaubt es Lehrkräften, Lernangebote zu machen, die von den Lernenden besser aufgegriffen und verarbeitet werden können. Dafür muss man Lernhemmnisse voraussehen und in der Unterrichtsvorbereitung berücksichtigen. Die Sachstruktur der Physik bietet Gestaltungsmöglichkeiten, um durch eine geeignete Auswahl und Darstellungsweise die Schülervorstellungen als wesentlichen Faktor für das Physiklernen zu berücksichtigen. Die Unterrichtsplanung muss stets beides – Sachstruktur und Lernvoraussetzungen – verbinden. Die Kapitel dieses Buches geben hierfür konkrete Hinweise.
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Die Autorinnen und Autoren gehen auf Schülervorstellungen ein, die nach dem Stand der fachdidaktischen Forschung empirisch belegt sind. Aber natürlich hat nicht jede Schülerin oder jeder Schüler alle im Buch erläuterten Vorstellungen. Aussagen wie „Lernende stellen sich das folgendermaßen vor …“ sind daher zu lesen als „Man muss damit rechnen, dass manche Lernende sich den Sachverhalt folgendermaßen vorstellen“. Schülervorstellungen sind in den Kapiteln durch doppelte Anführungszeichen gekennzeichnet (z. B. „Nur aktive Körper können Kräfte ausüben“). Fachbegriffe, die in Schülervorstellungen anders belegt sind als in der Physik, werden im fortlaufenden Text durch einfache Anführungszeichen hervorgehoben, z. B. wenn Lernende von ‚Kraft’ in einem bewegten Körper sprechen.
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In einer konkreten Lerngruppe wird das Auftreten von Schülervorstellungen von vielfältigen Faktoren beeinflusst: •• vom Umfang und der Qualität des vorhergehenden Physikunterrichts, •• von Alltagserfahrungen und deren alltagssprachlichen Deutungen, •• von der Rezeption populärwissenschaftlicher Darstellungen in Medien.
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Damit Schülervorstellungen im Unterricht sichtbar werden können, müssen die Lernenden Gelegenheiten haben und sich trauen, eigenständige Überlegungen zu äußern – auch wenn diese möglicherweise nicht korrekt sind. Schülerinnen und Schüler müssen darauf vertrauen können, dass die Lehrkraft zwischen Lernphasen und Leistungsüberprüfungen klar unterscheidet.
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Wenn sich Studierende und angehende Lehrkräfte mit Schülervorstellungen befassen, stellen sie immer wieder fest, dass manche Vorstellung dem eigenen intuitiven Denken gar nicht so fern steht. Schülervorstellungen sind ein guter Anlass, die grundlegenden Begrifflichkeiten der Physik für sich selbst noch einmal fachlich zu durchdenken. Auch hierzu soll das vorliegende Lehrbuch anregen. Einige Themenkapitel enthalten daher umfangreiche fachliche Erläuterungen.
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Die Leser und Leserinnen des Buches sollen am Ende •• typische Schülervorstellungen in wichtigen Gebieten der Physik kennen, •• auf Basis dieses Wissens Lernschwierigkeiten bei Schülern und Schüle-
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rinnen diagnostizieren können, •• wissen, wie man Lernenden helfen kann, ihre Vorstellungen
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weiterzuentwickeln,
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VII Vorwort
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•• wissen, wo man Unterrichtskonzeptionen findet, die Schülervorstellungen berücksichtigen,
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•• Möglichkeiten kennen, wie man Schülervorstellungen bei der Unterrichtsplanung und -durchführung einbeziehen kann, und nicht zuletzt
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•• die eigenen Vorstellungen zu zentralen physikalischen Konzepten fachlich durchdacht haben.
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Die Herausgeber Horst Schecker, Thomas Wilhelm, Martin Hopf und Reinders Duit
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Literatur
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Jung, W. (1978). Zum Problem der„Schülervorstellungen“. physica didactica, 5, 125–146.
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IX
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Autoren
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Duit, Reinders, Prof. Dr. Dr. h. c. IPN – Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik an der Universität Kiel Olshausenstraße 62 24118 Kiel email: rduit@t-online.de
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Müller, Rainer, Prof. Dr. Institut für Fachdidaktik der Naturwissenschaften, Universität Braunschweig Pockelsstr. 11 38106 Braunschweig email: rainer.mueller@tu-bs.de
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Fischler, Helmut, Prof. Dr. FB Physik, Physikdidaktik, Freie Universität Berlin Arnimallee 14 14195 Berlin email: helmut.fischler@physik.fu-berlin.de
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Haagen-Schützenhöfer, Claudia, Univ.-Prof. Mag. Dr. Institut für Physik, Universität Graz, Fachbereich Physikdidaktik Universitätsplatz 5 A-8010 Graz email: claudia.haagen@uni-graz.at
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Schecker, Horst, Prof. Dr. FB 1 Physik/Elektrotechnik, Institut für Didaktik der Physik, Universität Bremen Postfach 330440 28334 Bremen email: schecker@uni-bremen.de
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Wilhelm, Thomas, Prof. Dr. Institut für Didaktik der Physik, GoetheUniversität Frankfurt am Main Max-von-Laue-Str. 1 60438 Frankfurt am Main email: wilhelm@physik.uni-frankfurt.de
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Höttecke, Dietmar, Prof. Dr. Fachbereich Erziehungswissenschaften, Didaktik der Physik, Universität Hamburg Von-Melle-Park 8 20146 Hamburg email: dietmar.hoettecke@uni-hamburg.de
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Wodzinski, Rita, Prof. Dr. Institut für Physik, Universität Kassel Heinrich-Plett-Str. 40 34109 Kassel email: wodzinski@physik.uni-kassel.de
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Hopf, Martin, Univ.-Prof. Dr. Österreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik, Universität Wien Porzellangasse 4 A-1090 Wien email: martin.hopf@univie.ac.at
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XI
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Inhaltsverzeichnis
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1
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Schülervorstellungen und Physiklernen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
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1.1 Warum Schülervorstellungen für den Unterricht so wichtig sind. . . . . . . . . . . 2
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1.2 Schülervorstellungen und Unterrichtsgestaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
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1.3 Zum Begriff„Schülervorstellung“. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
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1.4 Woher die Schülervorstellungen stammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
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1.5 Forschung zu Schülervorstellungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
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1.5.1 Entwicklung der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
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1.5.2 Untersuchungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
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1.6 Ausblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
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1.7 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
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1.8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
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2 Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
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2.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 Konstruktivismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3 Konzepte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4 Conceptual Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.1 Konzeptwechsel als Umstrukturierung des Wissens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.2 Synthetische Modelle der Konzeptentwicklung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.3 Knowledge in Pieces – fragmentiertes Wissen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5 Metakognition und Conceptual Change. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.6 Conceptual Change und Physiklernen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.7 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
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3 Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen. . . . . . . . . . . . 39 3.1 Grundsätzliches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2 Konfliktstrategien für diskontinuierliche Lernwege. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.1 Kognitive Konflikte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.2 Mögliche Probleme des Vorgehens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3 Aufbaustrategien für einen kontinuierlichen Lernweg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.1 Die Idee des Aufbaus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.2 Beispiele für Aufbaustrategien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4 Thematisieren von Schülervorstellungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
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4 Schülervorstellungen in der Mechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Vorstellungen zur Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Vorstellungen zur Dynamik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
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XII Inhaltsverzeichnis
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4.4 Unterrichtskonzeptionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.5 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.6 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.7 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
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5 Schülervorstellungen zur geometrischen Optik. . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.2 Schülervorstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.2.1 Vorstellungen zu Licht und dessen Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.2.2 Vorstellungen zum Sehvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.2.3 Vorstellungen zur Wechselwirkung von Licht und Materie. . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.2.4 Vorstellungen zu Abbildungsvorgängen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.2.5 Vorstellungen zu Farben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.3 Unterrichtskonzeptionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.4 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.5 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.6 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.7 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
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6 Schülervorstellungen zum elektrischen Stromkreis. . . . . . . . . . . . . . 115 6.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.2 Schülervorstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.2.1 Vorstellungen im Anfangsunterricht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.2.2 Vorstellungen im Kontext der Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.3 Vorstellungen zum Strom als Brennstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.2.4 Grundlegende Denkmuster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.2.5 Weitere Lernschwierigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6.3 Unterrichtskonzeptionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.4 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 6.5 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.6 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.7 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
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7 Schülervorstellungen zu Teilchen und Wärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 7.2 Vorstellungen zu Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 7.3 Vorstellungen zu Temperatur und Wärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7.4 Herausforderungen beim Unterricht zum Teilchenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . 152 7.5 Unterrichtskonzeptionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7.6 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 7.7 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.8 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 7.9 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
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XIII Inhaltsverzeichnis
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8 Schülervorstellungen zu Energie und Wärmekraftmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
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8.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.2 Vorstellungen zur Energie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.2.1 Energie als mengenartige Größe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.2.2 Energieverbrauch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 8.2.3 Energieformen und Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 8.3 Vorstellungen zu Wärmekraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 8.4 Unterrichtskonzeptionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 8.5 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 8.6 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 8.7 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 8.8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
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9 Schülervorstellungen zu Feldern und Wellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 9.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 9.2 Vorstellungen zu Feldern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 9.2.1 Grundvorstellungen zu Feldern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 9.2.2 Elektrisches Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 9.2.3 Magnetisches Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 9.3 Vorstellungen zu Wellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 9.3.1 Grundvorstellungen zu Wellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 9.3.2 Beugung und Interferenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 9.4 Unterrichtskonzeptionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 9.5 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 9.6 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 9.7 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 9.8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
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10 Schülervorstellungen zur Quanten- und Atomphysik. . . . . . . . . . . . 209 10.1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 10.2 Vorstellungen zum Aufbau von Atomen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 10.2.1 Planetenmodell des Atoms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 10.2.2 Ladungswolken, Schalen, Orbitale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 10.2.3 Bahnen und Ortseigenschaft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 10.3 Vorstellungen zur Quantenmechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 10.3.1 Determinismus und Wahrscheinlichkeitsdeutung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 10.3.2 Wellen und Teilchen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 10.3.3 Potenzialtopf und Quantisierung der Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 10.3.4 Heisenberg’sche Unbestimmtheitsrelation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 10.4 Unterrichtskonzeptionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 10.5 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 10.6 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 10.7 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 10.8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
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XIV Inhaltsverzeichnis
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11
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11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10
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Schülervorstellungen zu fortgeschrittenen Themen der Schulphysik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Spezielle Themen der Atomphysik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Zufall und Wahrscheinlichkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Radioaktivität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Elektromagnetische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Astrophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Relativitätstheorie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Unterrichtsvorschläge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
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12 Schülervorstellungen im Anfangsunterricht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 12.1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 12.2 Physikalisch sehen und denken lernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 12.3 Schülervorstellungen zu physikalischen Themen
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des Anfangsunterrichts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 12.3.1 Vorstellungen zum Schwimmen und Sinken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 12.3.2 Vorstellungen zur Luft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 12.3.3 Vorstellungen zur Schattenbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 12.3.4 Vorstellungen zum Schall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 12.3.5 Vorstellungen zur Temperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 12.3.6 Vorstellungen zum Wetter und Wasserkreislauf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 12.3.7 Vorstellungen zum Magnetismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 12.3.8 Vorstellungen zu astronomischen Themen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 12.3.9 Vorstellungen zur Natur der Naturwissenschaften im Sachunterricht. . . . . . . . 259 12.4 Unterrichtsvorschläge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 12.5 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 12.6 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 12.7 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 12.8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
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13
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13.1 13.2
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13.3 13.4
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13.5 13.6 13.7 13.8 13.9 13.10 13.11
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Schülervorstellungen zur Natur der Naturwissenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Quellen von Schülervorstellungen über die Natur der Naturwissenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Vorstellungen zur Person des Naturwissenschaftlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Vorstellungen zum epistemologischen Status naturwissenschaftlichen Wissens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Vorstellungen vom naturwissenschaftlichen Experimentieren. . . . . . . . . . . . 279 Vorstellungen zur naturwissenschaftlichen Wissensproduktion . . . . . . . . . . 280 Unterrichtsvorschläge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
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XV Inhaltsverzeichnis
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14 Lösungen der Übungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 14.1 Mechanik (7 Kap. 4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 14.2 Geometrische Optik (7 Kap. 5). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 14.3 Elektrische Stromkreise (7 Kap. 6). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 14.4 Teilchen und Wärme (7 Kap. 7). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 14.5 Energie und Wärmekraftmaschinen (7 Kap. 8). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 14.6 Felder und Wellen (7 Kap. 9). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 14.7 Quantenphysik (7 Kap. 10) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 14.8 Anfangsunterricht (7 Kap. 12). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 14.9 Natur der Naturwissenschaften (7 Kap. 13). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
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Serviceteil Sachverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Autorenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
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Schülervorstellungen und Physiklernen
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Horst Schecker und Reinders Duit
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1.1 Warum Schülervorstellungen für den Unterricht so wichtig sind – 2
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1.2 Schülervorstellungen und Unterrichtsgestaltung – 4
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1.3 Zum Begriff „Schülervorstellung“ – 9
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1.4 Woher die Schülervorstellungen stammen – 12
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1.5 Forschung zu Schülervorstellungen – 14 1.5.1 Entwicklung der Forschung – 14 1.5.2 Untersuchungsmethoden – 15
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1.6 Ausblick – 18
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1.7 Literatur zur Vertiefung – 18
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1.8 Literatur – 19
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© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.), Schülervorstellungen und Physikunterricht, https://doi.org/10.1007/978-3-662-57270-2_1
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H. Schecker und R. Duit
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Das vorliegende Buch beschreibt in 13 Kapiteln, wie Schülerinnen und Schülern über Phänomene und Begriffe der Physik denken. Warum soll man sich im Lehramtsstudium, im
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Vorbereitungsdienst und in der Schule so ausführlich mit Schülervorstellungen beschäf-
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tigen? Ist es nicht sinnvoller, diese Zeit in die Vertiefung des eigenen fachlichen Verständ-
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nisses der im Unterricht behandelten Sachverhalte zu investieren? In diesem Grundlagen-
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kapitel werden wir darlegen, wie wichtig Schülervorstellungen für das Lehren und Lernen
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von Physik sind, worum es sich bei Schülervorstellungen handelt, wie sie entstehen und
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wie sie das Lernen beeinflussen. In den Themenkapiteln 4 bis 13, in denen verbreitete Schü-
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lervorstellungen beschrieben werden, wird deutlich werden, dass die Beschäftigung mit
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Schülervorstellungen auch zum eigenen fachlichen Verständnis beiträgt.
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1.1 Warum Schülervorstellungen für den Unterricht so wichtig sind
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z Woran man bei der Unterrichtsplanung denkt …
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Bei der Planung einer neuen Unterrichtssequenz – nehmen wir als Beispiel die optische Abbildung mit Spiegeln in einer siebten Klasse – denkt man als Lehrkraft meist zunächst an die Fachinhalte bzw. die inhaltsbezogenen Kompetenzen. Man zieht den geltenden Lehrplan1 heran, schaut in das verwendete Schulbuch, nimmt eine Sachanalyse vor und recherchiert in Zeitschriften nach Unterrichtskonzeptionen und Materialien, z. B. nach Lernaufgaben und Experimenten. Implizit wird dabei angenommen, dass die Schülerinnen und Schüler – vorausgesetzt sie sind aufmerksam und arbeiten gut mit – die Inhalte verstehen werden, wenn die Lehrkraft sie fachlich korrekt und anschaulich darstellt.
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z … und woran man ebenso denken sollte.
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Die physikalische Sache ist jedoch nur die eine Seite des Planungsprozesses. Ebenso sorgfältig in den Blick zu nehmen sind die Lernvoraussetzungen der Schülerinnen und Schüler. Lernende durchdenken und verarbeiten angebotene Informationen auf Grundlage dessen, was sie bereits zum Thema in den Unterricht mitbringen. Eine große Rolle spielen dabei die intuitiven, aus dem Alltag mitgebrachten oder im vorhergehenden Unterricht entwickelten Vorstellungen, wie z. B. „Licht macht hell“ (7 Abschn. 5.2.2), „Wolle macht warm“ (7 Abschn. 7.3), „Strom wird verbraucht“ (7 Abschn. 6.2.3), „Elektronen kreisen um den Atomkern“ (7 Abschn. 10.2).
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Für die eingangs genannte Unterrichtssequenz zur geometrischen Optik ist die Schülervorstellung, ein Spiegelbild liege ‚auf dem‘ oder ‚im Spiegel‘, besonders wichtig. Die Spiegeloberfläche wird als eine Art Fotoplatte verstanden, auf der ein Bild entsteht, das man sich wie ein Foto anschauen kann (7 Abschn. 5.2.4). Bei dem Freihandexperiment in . Abb. 1.1 führen diese Vorstellungen zu der Annahme, man müsse den Taschenspiegel weiter weghalten, um mehr von seinem Gesicht sehen zu können: Wie bei einem Fotoapparat „sieht und zeigt der Spiegel bei größerem Abstand mehr vom Objekt“.
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1 „Lehrplan“ steht hier als allgemeiner Begriff für die länderspezifischen Begriffe wie „Kerncurriculum“; „Bildungsplan“ oder„Rahmenplan“.
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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. Abb. 1.1 Aufgabe zu Schülervorstellungen zum Spiegelbild: Im gezeigten Abstand erkennt man im Spiegelbild nur einen Ausschnitt des Gesichts. Kann man mehr vom Gesicht sehen, wenn man den Spiegel näher heranführt oder weiter weghält?2
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z Lernen erfordert die aktive Verarbeitung von Informationen Wie kann man Schülerinnen und Schülern nun die physikalisch korrekten Vorstellungen nahebringen – z. B. dass das Spiegelbild nicht auf dem Spiegel liegt, sondern hinter dem Spiegel? Eine naheliegende Annahme lautet: Man wähle ein anschauliches Experiment und überlege sich eine gute fachliche Erklärung; wenn die Schülerinnen und Schüler dann gut aufpassen und aufmerksam zuhören, werden sie den Sachverhalt verstehen. Überprüft man das angestrebte Verständnis, so wird die Lehrkraft jedoch häufig feststellen, dass ihre Anstrengungen von begrenztem Erfolg sind. Das Warenmodell der Wissensübergabe – der Anbieter (Lehrkraft) übergibt die Ware (das Lehrbuchwissen) gut verpackt (Experimente, Erklärungen) an die Abnehmer (Schülerinnen und Schüler) – ist für die Beschreibung von Lehr- und Lernprozessen nicht geeignet. Oder anders formuliert: Der „Nürnberger Trichter“ funktioniert (leider) nicht. Lernen ist ein aktiver Prozess. Die im Unterricht angebotenen Informationen müssen von den Schülerinnen und Schülern verarbeitet werden, um daraus für sich selbst neues inhaltliches Verständnis zu entwickeln bzw. neues Wissen zu konstruieren3 („konstruktivistische Perspektive“, 7 Abschn. 2.2). Die Lehrkraft gibt dafür wichtige Impulse, Lernen können die Schülerinnen und Schüler aber nur durch eigenständige Auseinandersetzung mit den Lernangeboten. Diese Auseinandersetzung erfolgt durch die „Brille“ ihres bereits vorhandenen Wissens. In einem berühmten Satz formulierte Ausubel (1968) die Kernaussage seiner Lerntheorie folgendermaßen: „Der wichtigste Einzelfaktor, der das Lernen beeinflusst, ist, was der Schüler schon weiß. Man finde dies heraus und unterrichte entsprechend.“ (eig. Übersetzung). Aus heutiger Sicht sollte es allerdings heißen, „… was der Schüler schon weiß bzw. sich vorstellt“.
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2 Die Lösung der Aufgabe steht in 7 Abschn. 14.2. Überlegen Sie zunächst in Ruhe selbst!
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3 Duit (1995)
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H. Schecker und R. Duit
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Es gehört daher zu den zentralen Elementen der Unterrichtsplanung, sich – ebenso wie mit anschaulichen Experimenten und guten Erklärungen – mit den in der Lerngruppe
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zu erwartenden Schülervorstellungen vertraut zu machen. Dazu zählen typische Deu-
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tungen, die Schülerinnen und Schüler mit Vorerfahrungen verbinden (z. B. die schein-
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bare Schwerelosigkeit beim Achterbahnfahren), übergeordnete Denkrahmen (z. B. „Jeder
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Vorgang hat einen aktiven Verursacher“) bis hin zu Vorstellungen über Lösungsroutinen
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(z. B. „Man suche nach einer physikalischen Formel, in der außer der gefragten Größe alle
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anderen gegeben sind“). Die Breite der über inhaltsbezogene Vorstellungen hinausgehen-
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den Lernvoraussetzungen kommt im Begriff „Schülervorverständnis“ zum Ausdruck.4
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1.2 Schülervorstellungen und Unterrichtsgestaltung
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z Didaktische Rekonstruktion
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Im Modell der Didaktischen Rekonstruktion haben Kattmann, Duit, Gropengießer und Komorek (1997) den Prozess der fachdidaktischen Strukturierung von Unterricht beschrieben (. Abb. 1.2). Das Modell verdeutlicht, dass sich aus der Auseinandersetzung mit Schülervorstellungen Anregungen für fachliche Klärungen ergeben. Ebenso bieten fachliche Gesichtspunkte Anlässe für die genauere Erkundung von Schülerperspektiven. Die für den Unterricht zu erarbeitende didaktische Strukturierung (Sachstruktur und Unterrichtsstruktur) ergibt sich aus der wechselseitigen Verbindung der fachlichen und der Schülerperspektiven. Auf diese Weise kann man das Informationsangebot zu einem Sachverhalt, z. B. der Spiegelabbildung, im Unterricht so gestalten, dass die Schülerinnen und Schüler es optimal verarbeiten können. Der Lehrkraft kommt für die Rahmung und
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fachdidaktische Strukturierung eines Inhaltsbereichs für den Unterricht
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fachliche Klärung des Inhaltsbereichs
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Erfassung von Schülerperspektiven zu einem bestimmten Inhaltsbereich
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. Abb. 1.2 Modell der Didaktischen Rekonstruktion (nach Kattmann et al., 1997, S. 4).
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4 Schecker (1985a)
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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Vorstrukturierung des Lernprozesses (das Lernarrangement) also eine große Bedeutung zu, auch wenn das Lernen selbst nur von den Schülerinnen und Schülern übernommen werden kann.
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z Lernschwierigkeiten
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Weil Schülervorstellungen die Verarbeitung neuer Informationen beeinflussen und oftmals quer zu physikalisch gültigen Vorstellungen liegen, ergeben sich Lernschwierigkeiten. Man kann zwischen sachbedingten, lehrbedingten und innenbedingten Lernhindernissen unterscheiden.5 Abstrakte Begriffe wie Potenzial oder Entropie benötigen wegen ihrer sachbedingten Komplexität besonders durchdachte Rekonstruktionen, um von Schülern verstanden zu werden. Lehrbedingte Lernschwierigkeiten gehen oft auf physikalisch missverständliche Formulierungen zurück oder auf Darstellungen, die den Stand der fachdidaktischen Forschung über typische Fehlverständnisse nicht berücksichtigen. Ein Beispiel ist die Kurzfassung des dritten Newton’schen Axioms (Wechselwirkungsprinzip) als „Kraft gleich Gegenkraft“. Dies führt bei Schülerinnen und Schülern zu Verwechslungen mit dem Kräftegleichgewicht und verursacht eine fachlich unangemessene Vorstellung (7 Abschn. 4.3). Schülervorstellungen sind die wichtigste Quelle innenbedingter Lernschwierigkeiten: Die Lernenden verarbeiten Unterrichtsinhalte auf Grundlage physikalisch unangemessener Denkweisen.
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Tief verankerte Vorstellungen, wie die zum Spiegelbild (siehe oben), ändern Schülerinnen und Schüler nicht einfach dadurch, dass sie lernen, Strahlengänge für optische Abbildungen zu konstruieren. Formal-mathematische Fähigkeiten wie solche geometrischen Konstruktionen oder die Berechnung von Zahlenwerten mittels physikalischer Größengleichungen können von Lernenden erworben werden, ohne dass sich ihr grundlegendes qualitatives Vorstellungsgefüge ändert. In einem Physikunterricht, in dem zulasten begrifflicher Klärungen viel gerechnet wird, treten möglicherweise falsche Schülervorstellungen oftmals gar nicht erst zutage. Schülerinnen und Schüler können durch Termumformungen und Einsetzen von Werten zu korrekten Zahlenwerten kommen, ohne sich über die hinter den Gleichungen stehende Physik genauere Gedanken zu machen. Das formal korrekte Ergebnis täuscht dann – bei den Lernenden ebenso wie bei den Lehrkräften – ein inhaltliches Verständnis vor, das möglicherweise gar nicht gegeben ist. Statt zu vieler physikalischer Rechenaufgaben sollten mehr Denkaufgaben eingesetzt werden.6 Die in den Beiträgen dieses Buches gezeigten Aufgaben aus Schülervorstellungstests sind als Denk- und Gesprächsanlässe im Unterricht besonders geeignet.
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z Umgang mit Schülervorstellungen
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Schülervorstellungen sind von großer Bedeutung für das Lernen grundlegender physikalischer Begriffe und Sachverhalte. Sie beeinflussen die Verarbeitung neuer Unterrichtsinhalte. Sie sind aber gleichzeitig sehr widerstandsfähig gegen Veränderungen durch Unterricht. Hierüber besteht, gestützt durch die internationale Forschungslage, ein breiter Konsens in der Naturwissenschaftsdidaktik. Zur Frage, wie man bei der Planung und der Durchführung von Unterricht mit diesem Wissen umgeht, gibt es jedoch zwei unterschiedliche Grundkonzeptionen:
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5 Jung, Reul und Schwedes (1977, S. 57ff.) 6 Schecker und Klieme (2001)
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H. Schecker und R. Duit
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a. Konzeptionen, die von einem kontinuierlichen Lernweg ausgehen, bei dem man an ausbaufähigen Schülervorstellungen anknüpft oder vorhandene Vorstellungen
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umdeutet, und
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b. diskontinuierliche Konzeptionen, bei denen Schülervorstellungen direkt im Unter-
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richt aufgegriffen werden, um sie mit den physikalisch korrekten Vorstellungen zu
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konfrontieren.
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Die konzeptionelle Entscheidung ist bei der Entwicklung von Unterrichtskonzeptionen oder der Vorbereitung von Unterrichtseinheiten zu treffen. 7 Kap. 3 befasst sich mit den grundlegenden Strategien und erläutert Formen ihrer Umsetzung.
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Im Unterricht selbst stellt sich oft die Frage, wie man als Lehrkraft mit aktuell auftretenden Schülervorstellungen umgehen soll: ignorieren oder aufgreifen? Wissen über Schülervorstellungen soll Lehrkräfte in die Lage versetzen, Schüler besser zu verstehen und besser mit ihnen ins Gespräch zu kommen. Schüleraussagen, die oberflächlich betrachtet physikalisch schlicht falsch erscheinen, können durchaus auf sorgfältigen eigenständigen Überlegungen beruhen. Teilweise bestehen frappierende Parallelen zu Vorstellungen, die in Vorläufern heutiger physikalischer Theorien eine Rolle gespielt haben, z. B. in der Impetustheorie der gespeicherten Bewegungskraft.7 Solche Überlegungen sollte man als Lehrkraft nicht einfach übergehen oder als „falsch“ abwerten, sondern aufgreifen, z. B. mit „Vermutlich gehst du, wie berühmte Vorgänger von dir auch schon dachten, davon aus, dass …“ und „heute beschreibt die Physik den Sachverhalt anders, nämlich …“. Physikalische Überlegungen auf Basis eigener Vorstellungen sollten, auch wenn sie dem Unterrichtsziel nicht entsprechen, als eigenständige gedankliche Leistungen wertgeschätzt werden. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass Schülerinnen und Schüler sich nicht mehr trauen, eigene Gedanken zu entwickeln. Lernende meinen dann, sie verstünden die Physik einfach nicht und es sei für sie besser, sich mit Äußerungen zurückzuhalten.
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Schülervorstellungen bieten scheinbar einfache Erklärungen für Alltagsphänomene. Luftballons fallen langsamer als Volleybälle. Die Vorstellung „je schwerer, desto schneller“ führt im Alltag oftmals zu korrekten Vorhersagen. Erst die genaue physikalische Analyse zeigt, dass dies keine allgemeingültige Vorstellung ist. Aus der Alltagssicht heraus erscheint die physikalische Erklärung mit Gewichts-, Auftriebs- und Luftreibungskräften unnötig kompliziert. Schülervorstellungen müssen ernstgenommen werden. Daraus folgt jedoch nicht, dass man Schülervorstellungen im Unterricht inhaltlich als gleichwertig neben den physikalischen Konzepten stehen lassen sollte.
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z Die Lernenden besser verstehen
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Es ist oftmals schwierig, zwischen Aussagen, hinter denen Schülervorstellungen stehen, und schlichten Fehlern zu unterscheiden. Die Lehrkraft muss bei physikalisch unangemessenen Schüleraussagen entscheiden, ob eine Vorstellung zugrunde liegt oder ob es sich z. B. nur um eine Wortverwechslung handelt, die man schnell korrigieren kann. Der Schüler könnte auch einfach gerade nicht richtig zugehört haben. Wenn Schülervorstellungen deutlich werden, steht die Lehrkraft unter unmittelbaren Handlungsdruck: Gehe ich jetzt darauf ein – und wenn ja, wie? Es muss abgeschätzt werden, ob es lohnt, die stets knappe
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7 Schecker (1988)
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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7
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Unterrichtszeit zu investieren. 7 Kasten 1.1 stellt eine Situation dar, in der die Lehrkraft entweder in ein ausführliches Unterrichtsgespräch eintreten und dabei die Vorstellung ‚ein bewegter Körper hat Kraft‘ (7 Abschn. 4.3) aufgreifen kann oder sich dazu entschließt, nur kurz die physikalisch korrekte Lösung zu erläutern. Patentrezepte gibt es nicht. Das Wissen über Schülervorstellungen kann aber Lehrkräfte in die Lage versetzen, Verständnisprobleme zu erkennen, mögliche Reaktionen abzuwägen, zu erproben und zu überdenken.
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Kasten 1.1: Reaktionen auf Schülervorstellungen im Unterricht
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Das folgende Unterrichtsgespräch in einem Leistungskurs der 11. Jahrgangsstufe dreht sich um die Frage, welche Kraft auftritt, wenn ein Ziegelstein auf den Boden prallt (Die Abbildung zeigt eine Tafelskizze). Rolf und Kai bezweifeln, dass für die Beschreibung des Vorgangs das 2. Newton’sche Axiom F = m ⋅ a sinnvoll herangezogen werden kann. Sie halten F = m ⋅ v für sinnvoller, weil darin die ‚Kraft‘ beim Aufprall besser zum Ausdruck komme: Ein Körper, der aus großer Höhe herunterfalle, erreiche eine höhere Geschwindigkeit und habe daher mehr‚Kraft‘ beim Aufschlag. (Die dahinterstehende Schülervorstellung‚Ein bewegter Körper hat Kraft‘ wird in 7 Abschn. 4.3 erläutert.)
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Tafelskizze zum Aufprall eines Ziegelsteins
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Rolf: Also – hm – es ist doch ein Unterschied, wenn eine Masse von 1 m auf den Boden fällt oder von 1000 m. Da müsste doch F gleich m mal v sein. Sonst wäre das ja gar nicht sinnvoll, wenn man die Masse hat und die Erdbeschleunigung. Die Beschleunigung, wenn sie nur eine Sekunde dauert, macht doch eine viel kleinere Geschwindigkeit als wenn die eine Stunde dauert.
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Lehrer: Worum geht es Dir jetzt? Um die Kraft, die dieser Körper auf den Boden ausübt?
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Rolf: Ja, ich habe gesagt, der fällt mit 1 kg aus 1 oder 10 m Höhe. Und a bleibt gleich, diese 9,81. Dann müsste die Kraft ja auch gleich sein. Das ist doch aber ein Unterschied, ob ich mit einem Hammer ganz leicht aufschlage oder ob man so richtig Schwung holt.
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Kai: Ich meine, der Körper beschleunigt ja mit 9,8 m/s2. Der wird ja immer schneller. Dann wird die Kraft natürlich auch immer größer, weil es ja proportional ansteigt. Je länger er fliegt, desto größer wird auch die Kraft, wenn er aufkommt.
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H. Schecker und R. Duit
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Die Newton’sche Dynamik war im vorhergehenden mehrwöchigen Unterricht behandelt worden.
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Wie sollte die Lehrkraft reagieren? Zwei Alternativen werden im Folgenden angedeutet:
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Fachliches Korrigieren: Ihr habt zwei verschiedene Kräfte bei zwei verschiedenen Vorgängen verwechselt. Die Gravitationskraft, die während des Falls auf den Körper wirkt, ist immer gleich, egal aus welcher Höhe er fällt. Die Kraft, die der Boden beim Aufprall auf den Körper ausübt, ist bei einem schnelleren Körper aber tatsächlich größer, da es eine größere Geschwindigkeitsänderung im nahezu gleichen Zeitintervall gibt.
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Thematisieren von Schülervorstellungen: Ihr erinnert Euch, dass wir bei der Einführung des Kraftbegriffs schon einmal über das Alltagsverständnis von ‚Kraft‘ als ‚Stärke‘ oder ‚Schwung‘ gesprochen haben. Nun verwendet ihr F = m ⋅ a als Formel, um das, was ihr intuitiv unter ‚Kraft‘ versteht, zu quantifizieren. Und das führt zu einem scheinbaren Widerspruch. Denkt daran, dass wir den Newton’schen Kraftbegriff folgendermaßen davon abgegrenzt haben: …
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Die Frage der Thematisierung von Schülervorstellungen wird in 7 Abschn. 3.4 wieder aufgegriffen.
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z Mit den Lernenden ins Gespräch kommen
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Da die Vorstellungen von Experten und Laien sich unterscheiden, „sehen“ Lehrkräfte physikalische Sachverhalte anders als Lernende. Wer die Newton’sche Beschreibung von Bewegungen kennt, sieht beim Fahrradfahren mit konstantem Tempo Reibungskräfte, eine kompensierende Antriebskraft und ein Kräftegleichgewicht. Schülerinnen und Schüler, die davon ausgehen, dass die Geschwindigkeit proportional zur Antriebskraft sein muss, sehen nur die Antriebskraft. Wer bei der Reihenschaltung von der Konstanz der Stromstärke überzeugt ist, wird kleine Unterschiede in den Anzeigen zweier Amperemeter vor und hinter einer Glühlampe auf die Messunsicherheiten der beiden Messgeräte zurückführen, während Schülerinnen und Schüler einen geringeren Wert des zweiten Amperemeters darauf zurückführen, dass etwas ‚Strom‘ verbraucht worden sei.
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Lehrkräfte sollten sich klar darüber sein, dass man physikalische Sachverhalte auch anders sehen kann, als sie selbst es tun. Je länger der eigene Lernprozess zurückliegt und je höher die eigene Expertise ist, desto größer ist die Gefahr, die physikalische Beschreibung als einzig mögliche und denkbare zu betrachten. Für Lernende ist jedoch kaum etwas „trivial“ oder „offensichtlich“. Lernende machen aufgrund ihrer Vorstellungen andere Beobachtungen und kommen zu anderen Schlussfolgerungen (. Abb. 1.3). Es geht darum, mit ihnen in ein (Unterrichts-)Gespräch zu kommen und sensibel für ihre Überlegungen zu sein: „Kannst du deinen Gedankengang nochmal erläutern?“; „Meinst du, dass …?“ Auch wenn Schülerinnen und Schüler scheinbar korrekte Aussagen machen, sollte die Lehrkraft hinterfragen, ob damit wirklich die physikalische Bedeutung verbunden ist. Es hilft den Lernenden wenig, wenn die Lehrkraft bereits die schlichte Verwendung des Wortes „Impuls“ als Ausdruck physikalischen Verständnisses wertet („Die rollende Kugel gibt ihren Impuls weiter.“), ohne sich zu vergewissern, ob die Schüler damit mehr meinen als Wucht oder Schwung. Wenn Lehrkräfte und Lernende nicht abgleichen, dass sie mit den gleichen Worten die gleichen Begriffe und Bedeutungen verbinden, reden sie im Unterricht aneinander vorbei.
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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. Abb. 1.3 Unterschiedliche Vorverständnisse von Lehrkräften und Lernenden führen zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen.
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Vorverständnis Lehrkraft
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Vorstellungen Erfahrungen Denkrahmen
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Vorverständnis Lernende
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Vorstellungen Erfahrungen Denkrahmen
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Situation
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- Experiment - Lernaufgabe
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Beobachtungen Lösungen Erklärungen Lehrkraft
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1.3 Zum Begriff „Schülervorstellung“
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Beobachtungen Lösungen Erklärungen
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Lernende
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z Schülervorstellung sind„Als-ob-Vorstellungen“
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Bittet man Schülerinnen und Schüler darum zu beschreiben, was sie unter Kraft verstehen, dann wird man kaum als Antwort erhalten „eine universelle Wirkungsfähigkeit“. Dies wird in 7 Abschn. 4.3 jedoch als typische Schülervorstellung zu ‚Kraft‘ benannt. „Wirkungsfähigkeit“ umfasst Elemente des Newton’schen Kraftkonzepts, des Impulses und der Energie. Schülerinnen und Schüler können ihre Vorstellungen oftmals nicht selbst verbalisieren oder zumindest nicht prägnant auf den Punkt bringen. Man kann zudem nicht davon ausgehen, dass Schülervorstellungen, so wie sie in diesem Buch zahlreich beschrieben werden, eins zu eins im Denken der Lernenden vorliegen, also gewissermaßen dort abgespeichert sind. Die hier beschriebenen Schülervorstellungen kann man „Als-ob-Vorstellungen“ nennen: Lernende äußern sich im Unterricht so und bearbeiten Aufgaben so, als ob sie davon ausgingen, Kraft sei eine universelle Wirkungsfähigkeit. Wichtig ist die klare Unterscheidung zwischen Schüleräußerungen und dahinterstehenden Vorstellungen. Nur selten drücken Schüleräußerungen direkt eine Schülervorstellung aus (Beispiel: „Das Spiegelbild liegt auf dem Spiegel“). Schülervorstellungen sind von der fachdidaktischen Forschung formulierte Erklärungsmuster für beobachtete Verhaltensweisen: „Spezielle Vorstellungen und Kategoriensysteme, die einzelnen Schülern zugeschrieben werden, sind Konstrukte oder hypothetische Systeme, die aus Indizien erschlossen werden.“ (Jung, 1978, S. 127). Fachdidaktik-Experten gelangen so zu Vorstellungen über die Vorstellungen von Schülerinnen und Schülern. Die Indizien wurden durch umfangreiche empirische Forschungsarbeiten international zusammengetragen (7 Abschn. 1.5).
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Schülervorstellungen beschreiben Dispositionen, d. h. Tendenzen von Schülerinnen und Schülern, physikalische Begriffe in einer bestimmten Weise zu interpretieren oder Phänomene in einer bestimmten Weise zu beschreiben, die sich von der
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10 H. Schecker und R. Duit
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fachphysikalischen Darstellung unterscheidet. Im Schülerdenken können zum gleichen Sachverhalt unterschiedliche Schülervorstellungen nebeneinander und parallel
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zur physikalischen Vorstellung koexistieren. Welche der latenten (schlummernden)
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Dispositionen aktiviert wird, hängt vom konkreten Anwendungskontext ab. Oft kommt
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es auf die Wortwahl bei der Formulierung einer Aufgabe an, ob die physikalische oder
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eine Schülervorstellung für die Lösung aktiviert wird. Niedderer und Schecker (1992)
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unterscheiden im Denken von Schülerinnen und Schülern zwischen einer Tiefenstruk-
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tur und einer Oberflächenstruktur. Die Tiefenstruktur enthält die für die Beschreibung
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bestimmter Sachverhalte als Vorverständnis relevanten Dispositionen (spezielle Vor-
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stellungen, übergreifende Denkrahmen, Interessen). In einer bestimmten Situation,
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z. B. einer Testaufgabe oder einem im Unterricht gezeigten Experiment, werden daraus
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bestimmte Elemente aktiviert und in Verbindung gebracht, um eine aktuelle Beschrei-
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bung oder Erklärung des Sachverhalts zu konstruieren. Was ein Schüler dann äußert oder
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aufschreibt, bildet die Oberflächenstruktur. Der Rückschluss auf die dahinterliegenden
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Vorstellungen (Tiefenstruktur) erfordert von der Lehrkraft immer eine Interpretation.
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z Kohärenz des Schülerdenkens
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Bilden Schülervorstellungen in ähnlicher Weise ein kohärentes System, wie das bei einer physikalischen Theorie der Fall ist, oder handelt es sich um unstrukturierte Fragmente, die kommen und gehen? Anders ausgedrückt: Ist das Schülerwissen episodisch an bestimmte Phänomene und Erfahrungen gebunden oder ist es themenübergreifend begrifflich organisiert? Während diSessa (1988) von „knowledge in pieces“ spricht und damit eine nur lose verbundene Sammlung einzelner fragmentarischer Schülerideen meint, gehen Vosniadou und Ioannides (1998) davon aus, dass die einzelnen Vorstellungen bei Schülerinnen und Schülern von Beginn an in themenübergreifende theoretische Annahmen (frameworks) eingebettet sind, etwa die Annahme, dass man hinsichtlich der Physik zwischen belebten und unbelebten Objekten unterscheiden müsse.8 Andere Forschende bezweifeln generell, dass Schülervorstellungen existieren, bevor die Lernenden aufgefordert werden, zu einem Sachverhalt Stellung zu nehmen; Vorstellungen würden vielmehr in der jeweiligen Situation spontan vom Schüler erzeugt, um etwas zu einem im Unterricht behandelten Phänomen sagen zu können.9 7 Kap. 2 vertieft diese Fragen im Zusammenhang mit Begriffsentwicklungsprozessen bei Lernenden (Conceptual Change). Selbst wenn Schülervorstellungen erst in der konkreten Situation entstehen sollten, bleibt die Tatsache bestehen, dass sie bei bestimmten Phänomenen und Aufgabenstellungen von Schülerinnen und Schülern in typischer Weise konstruiert werden. Das gilt bei phänomenbasierten Vorstellungen, wie zur Kraft oder zum Sehen, auch in sprachlich und kulturell unterschiedlichen Kontexten.
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Unabhängig von dieser anhaltenden wissenschaftlichen Grundsatzdebatte10 werden Schülervorstellungen in der fachdidaktischen Literatur zahlreich und detailliert beschrieben. Duit (2009) hat eine umfassende Bibliografie einschlägiger Publikationen aufgebaut.
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8 Das könnte ein Hintergrund für die Vorstellung sein, dass belebte Körper aktiv Kräfte ausüben können, unbelebte jedoch nicht (7 Abschn. 4.3)
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9 Graham, Berry und Rowlands (2013)
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10 Brown (2010)
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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Die Frage, ob eine bestimmte Vorstellung als Fragment oder als Theorieelement zu betrachten ist, bleibt nachrangig, solange Schülervorstellungen im Sinne von Als-ob-Vorstellungen dabei helfen, Schüleräußerungen besser zu verstehen.
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z Denkrahmen und spezielle Vorstellungen
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Die Frage nach der kognitiven Organisation von Schülervorstellungen wird bedeutsam, wenn es um grundlegende Unterrichtskonzeptionen geht (7 Kap. 3): Soll man auf einzelne spezielle Vorstellungen eingehen oder kann man auf einer höheren Ebene ansetzen? Dort wo es möglich ist, sollten übergeordnete Denkrahmen (Schemata) im Unterricht thematisiert werden. In der Mechanik ist dies z. B. die physikalische Kategorisierung der Kraft als Prozessgröße, d. h. einer Größe, die der Wechselwirkung und nicht den beteiligten Körpern zugeordnet ist, gegenüber dem verbreiteten Schülerverständnis der Kraft als Eigenschaft von Körpern. Zum Grundverständnis von elektrischen Stromkreisen gehört das System-Denken: Alle Bauteile wirken vernetzt zusammen, jede lokale Veränderung hat globale Folgen, d. h., eine Änderung an irgendeiner Stelle führt dazu, dass sich die Stromstärken und Potenziale überall im Stromkreis ändern. Bei Schülerinnen und Schülern dominiert im Kontrast das Geben-Nehmen-Schema, das dann zu falschen Vorhersagen zur Helligkeit von Lampen in einem Stromkreis führt: Die Batterie entscheidet nach Schülermeinung, wie viel ‚Strom‘ sie gibt, und eine Lampe nimmt so viel ‚Strom‘, wie gerade verfügbar ist (7 Abschn. 6.2.2). ‚Wärme‘ wird ebenso wie ‚Strom‘ als eine Art speicherbare Quasi-Substanz (ein Ding) konzeptualisiert (7 Abschn. 7.2), während die Physik die Wärmemenge Q als prozessbeschreibende Verrechnungsgröße behandelt. Eine Thematisierung übergeordneter, physikalisch angemessener Denkrahmen im Unterricht unterstützt die Veränderung spezieller einzelner Vorstellungen.
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Wichtige themenübergreifende Denkrahmen betreffen die Natur der Naturwissenschaften (Nature of Science; 7 Kap. 13). Schülerinnen und Schüler neigen zu empiristischen Vorstellungen, wonach physikalisches Wissen direkt aus den Ergebnissen von Experimenten abgeleitet wird (7 Abschn. 13.5).11 Dieser Eindruck wird durch den Physikunterricht vermittelt oder zumindest verstärkt, wenn man – überspitzt dargestellt – folgendermaßen vorgeht: ein paar Messwerte aufnehmen (z. B. zum Zusammenhang zwischen Lichtwellenlänge und Energie der Photoelektronen beim äußeren Photoeffekt), Ausgleichsgerade zeichnen (Einstein’sche Gerade), Gesetz herleiten (WElektron = h ⋅ f −WAustritt ). Für welche Leistung hat Einstein dann den Nobelpreis bekommen? Die Kreativität, mit der er auf die Idee der gequantelten Energieaufnahme kam, und der Aushandlungsprozess in der Wissenschaft bis Einsteins Interpretation des Photoeffekts anerkannt wurde, werden so nicht erkennbar. Die Vorstellungen von Schülerinnen und Schülern über die Erkenntnisgewinnung in der Physik korrespondieren mit ihren Vorstellungen darüber, wie man Physik lernen müsse (epistemologische Vorstellungen). Lernende sehen dort nämlich im Wesentlichen die Übernahme feststehender und sachlogisch nur so denkbarer Wissensbestände.
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z Schülervorstellungen, Fehlvorstellungen, Präkonzepte
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Die hinter den typischen Fehlern von Schülerinnen und Schülern bei der Beschreibung physikalischer Sachverhalte vermuteten Denkmuster wurden in der Schülervorstellungsforschung zunächst als „Fehlvorstellungen“ (misconceptions) bezeichnet (z. B. Helm & Novak, 1983). Diese Bezeichnung fokussiert auf Defizite im Vergleich zum wissenschaftlichen
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11 Höttecke (2001, S. 20f.)
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12 H. Schecker und R. Duit
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Kasten 1.2: Grundannahmen über Schülervorstellungen
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•• Schülerinnen und Schüler kommen nicht als leere, unbeschriebene Blätter in den
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Physikunterricht, auf die man als Lehrkraft physikalisches Wissen „schreibt“.
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•• Die Lernenden bringen vielmehr ein reiches Inventar an Vorstellungen zu physikalischen
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Begriffen und Phänomenen mit, die sich im umgangssprachlichen Gebrauch bewährt haben.
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•• Die Schülervorstellungen liegen häufig quer zum entsprechenden physikalischen Verständnis.
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•• Man kann im jeweiligen Themenbereich einen großen Teil der Schülerhandlungen und -aussagen
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auf das Wirken einer begrenzten Menge typischer Vorstellungen zurückführen.
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•• Die Verarbeitung neuer Lernangebote im Unterricht wird wesentlich von den bei Schülerinnen
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und Schülern bereits vorhandenen Vorstellungen beeinflusst.
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•• Schülervorstellungen erscheinen aus fachlicher Perspektive häufig in sich widersprüchlich und
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können dennoch eine innere Logik aufweisen.
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•• Schülervorstellungen sind recht stabil gegen Versuche, sie durch Unterricht zu verändern, und
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müssen daher bei der Unterrichtsplanung nachdrücklich berücksichtigt werden.
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Verständnis. Arbeiten, die sich mit der Frage befassen, was Begriffe wie Kraft oder Strom für die Schülerinnen und Schüler selbst bedeuten, sprechen dagegen von „Alltagsvorstellungen“ (Duit, Jung & Pfundt, 1981), „Präkonzepten“ (Clement, Brown & Zietsman, 1989), „mentalen Modellen“ (Gentner & Stevens, 1983) oder „Vorverständnis“ (Schecker, 1985a). Den Überlegungen der Lernenden wird damit eine eigene Wertigkeit zugemessen, insbesondere aufgrund ihrer Bewährung im Alltagsgebrauch. Mit der Vorstellung ‚Wolle macht warm‘ (7 Abschn. 7.3) kommt man im Alltag durchaus zurecht. Solche Vorstellungen von Schülerinnen und Schülern sind anders als die physikalischen, aber nicht schlicht falsch.
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Heute ist „Schülervorstellung“ der gängige neutrale Begriff (im Englischen students’ ideas; students’ conceptions; preconceptions; alternative frameworks, z. B. Driver, 1981). Das „Prä“ in „Präkonzept“ oder das „Vor“ in „Vorverständnis“ bezeichnen dabei nicht etwa einen Zustand zeitlich vor dem eigentlichen begrifflichen Verständnis, sondern die kognitiven Voraussetzungen, mit denen ein Schüler sich einem neuen Lerngegenstand nähert. Jeder Lernschritt benötigt ein gewisses Vorverständnis des zu erschließenden Sachverhalts. Das Vorverständnis kann zunächst aus dem Alltag stammen, sich durch Unterricht verändern und dann als neues Vorverständnis beim nächsten Lernschritt wirken. Das „Prä“ in „Präkonzept“ bzw. das „Vor“ in „Vorverständnis“ bedeutet auch nicht, dass dies immer nach dem Unterricht anders ist. Wir verwenden „Schülervorstellung“ – im Sinne der oben beschriebenen Als-ob-Vorstellungen – in diesem Buch als Oberbegriff für themenbezogene Vorstellungen ebenso wie themenübergreifende Denkrahmen bzw. Schemata. Dazu gehören auch fachlich falsche Vorstellungen, die erst durch den Physikunterricht erzeugt werden.
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Eine Zusammenfassung der wichtigsten Annahmen bezüglich Schülervorstellungen in diesem Buch gibt 7 Kasten 1.2.
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1.4 Woher die Schülervorstellungen stammen
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Schülerinnen und Schüler bringen Vorstellungen in den Unterricht mit. Diese können auf vorhergehendem Unterricht beruhen (lehrbedingte Lernschwierigkeiten); überwiegend aber haben sie sich in außerschulischen Kontexten entwickelt. Eine wichtige Rolle spielen die Alltagssprache, Medien sowie Alltagserfahrungen.
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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z Sprache
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Eine wichtige Quelle von Schülervorstellungen ist die Umgangssprache, wie sie in Alltagssituationen oder in den Medien verwendet wird. Dort hört und liest man Sätze wie:
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•• „Die Wärme breitet sich nach Norddeutschland aus“ (als sei sie eine Art beweglicher
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Stoff ),
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•• „Der Stromverbrauch in Deutschland steigt“ (statt von der Nutzung elektrischer
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Energie zu sprechen),
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•• „Seine Kraft reichte nicht mehr aus, um den Schlusssprint zu gewinnen“ (Kraft als
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Eigenschaft oder gespeicherter Vorrat einer Person).
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Die Umgangssprache belegt Worte mit Bedeutungen, die sich von den physikalischen Bedeutungen des gleichen Wortes oftmals unterscheiden. Dadurch stehen sich unterschiedliche begriffliche Bedeutungen gegenüber, z. B. der umgangssprachliche und der physikalische Kraftbegriff. Umgangssprachliche Begriffe sind in ihrem Bedeutungsgehalt breiter und unschärfer als physikalische. ‚Kraft‘ umfasst körperliche Stärke ebenso wie Leistungsfähigkeit oder ‚Energie‘. Außerdem können mehrere Worte zur Bezeichnung dienen („Kraft“, „Schwung“, „Stärke“). „Strom“ kann die elektrische Energie, die Leistung oder einen Ladungsträgerfluss bezeichnen. Im Alltagsgespräch gelingt eine Verständigung, weil sich die jeweilige konkrete Bedeutung aus der Kommunikation im Verwendungskontext des Wortes ergibt. „Traubenzucker gibt dir Kraft“ wird vor einem Marathonlauf anders interpretiert (im Sinne von speicherbarer ‚Energie‘) als „Fass mal mit an; du hast mehr Kraft als ich“ (im Sinne von Muskelstärke beim Heben eines schweren Koffers).
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In der physikalischen Kommunikation ist es nicht erforderlich, aus dem Kontext zu erschließen, was mit dem Wort „Kraft“ gemeint ist. Dabei ist allerdings zu bedenken, dass physikalische Begriffe durch einen langen Prozess der Präzisierung und gegenseitigen Abgrenzung ausgeschärft werden. Newtons Hauptwerk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica erschien Ende des 17. Jahrhunderts. Aber erst die Klärung des Energiekonzepts Mitte des 19. Jahrhunderts führte zu einer klaren begrifflichen und terminologischen Unterscheidung der Newton’schen Kraft als Prozessgröße von den bis dahin u. a. als „lebendige Kraft“ bezeichneten Vorläufern der Energie als Erhaltungsgröße.12 Die Alltagssprache bewahrt auch Vorstellungen, die früher wissenschaftlich korrekt waren, es aber heute nicht mehr sind. So bezieht sich der Begriff „Kraftwerk“ auf die historische Vorstellung der „lebendigen Kraft“, die heute zum Begriff Energie gehört. Die (Um-)Wege bei der Genese physikalischer Begriffe sollten Lehrkräften bewusst sein. Sie weisen oftmals Parallelen zu den Schwierigkeiten auf, mit denen Schülerinnen und Schüler beim Aufbau adäquater physikalischer Vorstellungen ringen. Physiklernen bedeutet somit auch das Lernen einer neuen Sprache – nicht allein im Sinne eines neuen fachsprachlichen Vokabulars, sondern ebenso im Sinne eines Verständnisses der Vorteile begrifflicher Präzision im fachlichen Diskurs. Dies gehört zum Übergang von der lebensweltlichen zur wissenschaftlichen Weltsicht und ist ein wichtiger Schritt der Veränderung von Denkrahmen.13
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12 Schecker (1985b)
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13 Böhme (1981) befasst sich mit strukturellen Unterschieden lebensweltlicher und wissenschaftlicher Zugänge und der Unbestimmtheit lebensweltlicher Begriffe.
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14 H. Schecker und R. Duit
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z Wahrnehmungsmuster
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1 Manche Schülervorstellungen gehen auf grafische Veranschaulichungen zurück, die in
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den Medien und auch im Unterricht selbst verwendet werden. Atome, Atomkerne und Elektronen werden z. B. meist als Kugeln dargestellt. Auf dem Weg der Entwicklung einer Teilchenvorstellung ist dies ein angemessener Schritt. Allerdings prägt sich das unbewusst wahrgenommene Muster ‚Kugel‘ so deutlich ein, dass es auch noch die Verarbeitung von Unterrichtsinhalten in der Quantenphysik der gymnasialen Oberstufe anleitet. Elektronen bleiben auch dann für Schüler Kügelchen mit Ort und Geschwindigkeit, wenn man über Doppelspaltversuche mit Elektronen gesprochen hat (7 Abschn. 10.2). Im Unterricht wird zu wenig auf den Modellcharakter von Veranschaulichungen eingegangen. Schüler nehmen das Modell für die Realität. Andere Darstellungen, die sich im Denken der Schülerinnen und Schüler verselbstständigen, sind Feldlinien (7 Abschn. 9.2.1) oder Strahlengänge. Manche Lerner meinen, die Feldlinien seien das Feld und zwischen den Feldlinien sei nichts.
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z Erfahrungen Viele Gegenstände und Themen der Physik begegnen den Schülerinnen und Schülern nicht zum ersten Mal im Physikunterricht, sondern sind ihnen aus dem Alltag vertraut. Auch im Alltag werden sinnliche Erfahrungen interpretiert und geordnet: „Die im Denken hergestellten Zusammenhänge und Gedanken werden dann für wahr gehalten, wenn sie mit vielen Eindrücken sinnvoll ergänzt werden können, also auf einem breiten und sicheren Fundament im Bereich der Sinneswahrnehmung ruhen“ (Schön, 1992, S. 259).
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Im Kettenkarussell wird man bei der Fahrt nach außen getragen. Fragt man sich nach der Ursache, liegt das umgangssprachlich weit verbreitete Wort „Zentrifugalkraft“ nahe, um die Erfahrung zu deuten. Das Kettenkarussell ist ja eine Art Zentrifuge. Damit wird eine Vorstellung gebildet („Eine Kraft zieht mich nach außen“), die sich im Alltagsgespräch bewährt, die im Physikunterricht jedoch als Vorprägung des Denkens über Kreisbewegungen erhebliche Lernschwierigkeiten verursacht (7 Abschn. 4.3). Fasst man im Winter an das Metallbein eines Stuhls, hat man ein Kälteempfinden. Dies wird gedeutet als „Metall ist kalt – kälter als Holz“ (7 Abschn. 7.3). Auch hier ist die Vorstellung das Ergebnis einer Alltagsdeutung von Erfahrungen.
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1.5 Forschung zu Schülervorstellungen
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1.5.1 Entwicklung der Forschung
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Ihren ersten Aufschwung erlebte die Schülervorstellungsforschung in den 1970er Jahren (. Abb. 1.4). In Folge des Sputnikschocks14 war in den 1960er Jahren in den USA massiv in die Verbesserung der naturwissenschaftlichen Bildung investiert worden. Neue Curricula entstanden, in die große Hoffnungen gesetzt wurden.15 In Begleitstudien zeigten
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14 Die Russen hatten 1957 vor den Amerikanern den Satelliten Sputnik 1 in eine Erdumlaufbahn geschossen.
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15 z. B. Harvard Project Physics Course, Physical Science Study Committee Curriculum (zu den beiden Curricula siehe Häußler, 1973); in Deutschland: IPN-Curriculum Physik (Überblick in Willer, 2003, S. 211ff.)
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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15
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1
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sich trotz des großen Entwicklungsaufwands jedoch nur begrenzte Unterrichtserfolge. Es setze sich die Erkenntnis durch, dass fachlich und methodisch verbesserte Lernangebote allein nicht ausreichen, um die Unterrichtswirkungen zu verbessern. Die Lernvoraussetzungen der Schülerinnen und Schüler wurden zunehmend in den Blick genommen. Einer der Hauptautoren des Physical Science Study Committee (PSSC) Curriculums schreibt im Rückblick (Haber-Schaim, 2006, S. 9): „No one bothered to find out what ideas about nature students brought to their first science class. (…) Future curriculum projects should take this knowledge seriously. If they do, it will have a profound effect on the outcome“.
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Die ersten Arbeiten fokussierten auf „Fehlvorstellungen“ oder „misconceptions“ (7 Abschn. 1.3) bei Schülerinnen und Schülern sowie bei Studierenden.16 In Deutschland wurde die Schülervorstellungsforschung durch Arbeiten an der Universität Frankfurt etabliert (Jung, 1978). Die Gruppe von Walter Jung untersuchte insbesondere die Themenbereiche Mechanik (7 Kap. 4) und Optik (7 Kap. 5). Die Arbeiten wurden mit der Entwicklung und Erprobung neuer Unterrichtskonzeptionen auf Grundlage des Wissens über Schülervorstellungen verbunden. Damit trat die Schülervorstellungsforschung in eine Phase der forschungsbasierten Unterrichtsentwicklung ein. 1993 und 1994 erschienen zwei Themenhefte der Zeitschrift Unterricht Physik über „Alltagsvorstellungen im Physikunterricht“ mit Unterrichtskonzeptionen zur Elektrizitätslehre, Mechanik und Optik (Duit, 1994). Neuere curriculare Konzeptionen setzen auf die Entwicklung von learning progressions. Damit sind langfristig angelegte Unterrichtskonzeptionen gemeint, die über einen Zeitraum von mehreren Schuljahren einen systematischen Wissensaufbau unterstützen sollen, z. B. in Form von Spiralcurricula. Eine wichtige Grundlage sind Erkenntnisse über Schülervorstellungen als Ausgangspunkte für eine learning progression. Sie zeigen Lernschwierigkeiten, aber auch Anknüpfungspunkte auf dem Weg zur physikalischen Konzeptualisierung.17
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. Abb. 1.4 veranschaulicht die Dynamik der Forschung mit einem steilen Anstieg der Publikationszahlen zur Analyse von Schülervorstellungen ab den 1970er Jahren. Viele Themen der Physik sind inzwischen breit erforscht, insbesondere Themen des Unterrichts in der Sekundarstufe I. Mit einem zeitlichen Versatz von ca. zehn Jahren folgen mit einer ähnlichen Dynamik die Arbeiten zu Unterrichtskonzeptionen, die auf Ergebnissen der Schülervorstellungsforschung aufbauen.
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1.5.2 Untersuchungsmethoden
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Da man, wie oben erläutert, Schülerinnen und Schüler nicht einfach darum bitten kann, ihre Vorstellungen direkt zu Papier zu bringen, kommt in der Schülervorstellungsforschung ein großes Spektrum von Datenerhebungsverfahren zum Einsatz. Dazu zählen schriftliche Tests ebenso wie Interviews oder die Mitschnitte von Unterrichtsstunden. Aus den Antworten und Aussagen der Schülerinnen und Schüler wird auf die vermutlich zugrunde liegenden Vorstellungen geschlossen. Wir stellen im Folgenden die Methoden vor.
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16 z. B. Warren (1979) 17 zur Energie siehe Neumann, Viering, Boone und Fischer (2013)
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16 H. Schecker und R. Duit
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1
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2000
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Schülervorstellungen
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Unterrichtskonzeptionen
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1500
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Anzahl Publikationen (kumuliert)
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1000
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500
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0 1960
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1970
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1980
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1990
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Jahr
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2000
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2010
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. Abb. 1.4 Anzahl der Einträge in der bis 2009 geführten Bibliografie„Students’ and Teachers’ Conceptions and Science Education“ (Duit, 2009) zu den Rubriken „Untersuchungen zu Schülervorstellungen Physik“ und„Unterrichtskonzeptionen mit Berücksichtigung von Schülervorstellungen“.
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z Schriftliche Verfahren
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Schriftliche Tests sind das verbreitetste Verfahren in der Schülervorstellungsforschung. In allen Themenkapiteln dieses Buches werden Hinweise auf solche Testinstrumente gegeben. Meist handelt es sich um Aufgaben, die Antworten zur Auswahl stellen (Multiple Choice). Bekanntestes Beispiel ist der Test „Force Concept Inventory“ (Hestenes, Wells & Swackhamer, 1992). Er enthält 29 Aufgaben mit meistens fünf Antwortoptionen, von denen eine die korrekte Lösung präsentiert (Attraktor) und die anderen vier (Distraktoren) jeweils auf eine bereits aus vorhergehender Forschung bekannte Schülervorstellung abgestimmt sind. Einige neuere Tests verwenden zweistufige Verfahren. Darin werden die Probanden zusätzlich um eine Begründung gebeten, warum sie eine bestimmte Antwort gewählt haben. Auch hier können Auswahlantworten vorgegeben werden, die auf typischen Schülervorstellungen beruhen. . Abb. 1.5 zeigt ein Beispiel aus dem Elektrizitätslehre-Test von Urban-Woldron und Hopf (2012).
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Wenn man in einem Themengebiet noch wenig über die Schülervorstellungen weiß, sind Aufgaben mit offenem Antwortformat geeigneter. Man kann die Probanden um einen kurzen Text oder um eine Skizze bitten (z. B. „Zeichne eine Skizze, wie du dir Gasteilchen in einem Behälter vorstellst“). Noch offener sind Wortassoziationstests (Jung, 1981), z. B. mit der Aufforderung „Schreibe die ersten acht Begriffe auf, die dir spontan zu ‚Kraft‘ einfallen“. Wenn man die Ergebnisse mit entsprechenden Assoziationen zu „Energie“ vergleicht, erhält man Aufschluss über die assoziative Nähe der beiden physikalisch durchaus unterschiedlichen Begriffe.
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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17
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1
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Item 22 Die Glühbirne (vgl. Schaltung in der Abbildung rechts) leuchtet.
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Was kannst du über die Stromstärke bei den Punkten A a) und B aussagen?
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Die Stromstärke ist bei A größer als bei B. Die Stromstärke ist bei B größer als bei A. Die Stromstärke ist bei A und bei B gleich groß. b) Wie erklärst du deine Entscheidung? Es fließt im gesamten Stromkreis der gleiche Strom. Ein Teil des Stroms wird von der Glühbirne verbraucht. Der gesamte Strom wird von der Glühbirne verbraucht.
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+–
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A
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B
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. Abb. 1.5 Aufgabe aus einem Test zu Schülervorstellungen in der Elektrizitätslehre (nach UrbanWoldron & Hopf, 2012); sowohl die Auswahlantworten als auch die Begründungen beruhen auf typischen Schülervorstellungen über Stromkreise (7 Kap. 6).
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z Mündliche Verfahren
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Interviews bieten ebenfalls einen guten Einstieg, um Schülervorstellungen in einem neuen Themengebiet zu erforschen. Die Bereitschaft zu längeren offenen Antworten ist in mündlichen Befragungen größer als in schriftlichen Tests. In Einzelinterviews kann man Schülerinnen und Schüler auffordern, Situationen und Sachverhalte aus ihrer Sicht physikalisch zu beschreiben, z. B. den Anfahrvorgang eines PKW: „Welcher Körper übt die dafür notwendige Kraft aus?“ (7 Kasten 4.5). Die Aussagen werden mitgeschnitten, transkribiert und interpretiert18. Der Interviewer orientiert sich an einem Leitfaden, von dem er aber je nach Verlauf des Interviews abweichen kann (halb-strukturiertes Interview). Wenn nicht klar ist, was der Schüler meint, fragt der Interviewer nach und bittet um weitere Erläuterungen.
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In der Variante der Akzeptanzbefragung19, auch teaching experiments genannt, stellt der Interviewer im Verlaufe des Gesprächs die physikalisch korrekte Beschreibung vor und erkundet, inwieweit der Proband diese versteht und als sinnvoll einschätzt oder ob es Widerstände gibt. Im gerade genannten PKW-Beispiel findet man, dass Schülerinnen und Schüler sich dagegen sträuben, die Straße als den Wechselwirkungspartner zu akzeptieren, der die Kraft ausübt. Man kann Akzeptanzbefragungen als eine laborartige Lehr-Lern-Situation verstehen, in der neue Unterrichtserklärungen getestet werden.20
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Mündliche Befragungen werden oft durch Bildmaterial oder Skizzen unterstützt. Diese Methode ist besonders mit jungen Schülerinnen und Schülern im Anfangsunterricht sinnvoll (7 Abschn. 12.5). Als Gesprächsanlass verwendeten Osborne und Gilbert (1980) Karten mit Skizzen von Situationen (interviews about instances), um die Schülervorstellungen zu erkunden. In einer Situation schiebt ein Mann einen PKW. Die Schüler sollen zu der Frage Stellung nehmen, ob hier Arbeit verrichtet werde. Manchmal werden mündliche Befragungen auch durch Experimente unterstützt, die vom Interviewer den
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18 Die Methodik der Auswertung von Interviews und schriftlichen Tests wird ausführlich erklärt in Krüger, Parchmann und Schecker (2014).
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19 Blümor und Wiesner (1991) 20 Brown und Clement (1992)
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18 H. Schecker und R. Duit
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1
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Schülerinnen und Schülern vorgeführt werden. Diese sollen dann beschreiben, was passiert ist, und den Ablauf erklären.
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Zu den mündlichen Verfahren zählt auch die Erstellung und Analyse von Wortpro-
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tokollen aus dem Physikunterricht. Grundlage sind Mitschnitte von Unterrichtsgesprä-
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chen. Für eine ertragreiche Analyse ist es gut, wenn die Lehrkraft die Situation offen
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gestaltet, d. h. sich mit bewertenden oder lenkenden Aussagen selbst zurückhält und
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die Schülerinnen und Schüler ermutigt, sich frei zu äußern. Schecker (1985a) hat mit
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dieser Methodik gezeigt, dass Schülervorstellungen zu Kraft und Bewegung nicht nur in
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Testsituationen stimuliert werden, sondern ebenso im regulären Unterricht auftreten.
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1.6 Ausblick
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In diesem Kapitel wurde gezeigt, welche Bedeutung Schülervorstellungen für das Unterrichten und Lernen von Physik haben, was man sich unter Schülervorstellungen vorstellen kann und wie man zu Erkenntnissen über Schülervorstellungen kommt. Viele Aspekte werden in den beiden folgenden Grundlagenkapiteln des Buches aufgegriffen und vertieft:
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•• 7 Kap. 2 „Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen“ befasst
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sich eingehend mit der Frage, wie ein Übergang von Schülervorstellungen zu physikalischen Vorstellungen theoretisch beschrieben werden kann und auf welchen Wegen er erfolgt: Handelt es sich um einen kontinuierlichen Übergang oder um einen abrupten Konzeptwechsel? Werden Schülervorstellungen durch wissenschaftliche ausgetauscht oder wirken die Alltagsvorstellungen fort?
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•• 7 Kap. 3 „Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen“ veranschaulicht
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an konkreten Beispielen, wie man den Forschungsstand über Schülervorstellungen für die Unterrichtsentwicklung nutzen kann. Dabei werden grundlegend unterschiedliche Strategien diskutiert (z. B. Konfrontieren und Umgehen von Schülervorstellungen).
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Auch in den zehn Kapiteln des Thementeils werden im Zusammenhang mit inhaltsbezogenen Schülervorstellungen immer wieder grundlegende Fragen aufgegriffen, z. B. die Berücksichtigung von Denkrahmen im jeweiligen Inhaltsbereich oder die Rolle von Alltagserfahrungen.
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1.7 Literatur zur Vertiefung
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Duit, R. (2009). STCSE: Students’ and Teachers’ Conceptions and Science Education (Bibliografie). Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften http://archiv.ipn.uni-kiel.de/stcse/ (Zugriff am 28. 11. 2016). Die Bibliografie ist die weltweit führende Literaturquelle für die Schülervorstellungsforschung. Sie enthält praktisch alle bis zum Jahr 2008 in den internationalen Forschungszeitschriften und anderen Publikationen erschienenen Arbeiten zur Physik, Chemie und Biologie. Von den 8346 Einträgen betrifft die große Mehrzahl themenbezogene Schülervorstellungen und darauf bezogene Unterrichtsvorschläge.
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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19
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1
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Jung, W. (1978). Zum Problem der „Schülervorstellungen“. physica didactica, 5, 125–146. Jung setzt sich in dem nach wie vor lesenswerten Aufsatz mit den theoretischen Grundlagen der Schülervorstellungsforschung auseinander.
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Duit, R. (1995). Zur Rolle der konstruktivistischen Sichtweise in der naturwissenschaftsdidaktischen Lehr- und Lernforschung. Zeitschrift für Pädagogik, 41(6), 905–923. Der Aufsatz gibt einen kompakten Überblick über Grundlagen konstruktivistischer Perspektiven auf Lehr-Lern-Prozesse bis hin zu den Konsequenzen für die Gestaltung naturwissenschaftlichen Unterrichts.
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Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V. (1994). Making Sense of Secondary Science. Research into Children’s Ideas. London: Routledge. Das Buch beschreibt Schülervorstellungen zu den Themengebieten des naturwissenschaftlichen Unterrichts („Science“) der Sekundarstufe I. Neben physikalischen werden auch biologische (z. B. Ernährung) und chemische Sachverhalte (z. B. chemische Reaktionen) behandelt. Zu jedem Themengebiet gibt es eine umfangreiche Literaturliste.
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Kattmann, U. (2015). Schüler besser verstehen. Alltagsvorstellungen im Biologieunterricht. Hallbergmoos: Aulis. Hammann, M. & Asshoff, R. (2015). Schülervorstellungen im Biologieunterricht: Ursachen für Lernschwierigkeiten (2. Aufl.). Seelze: Klett Kallmeyer. In den beiden Monografien werden Schülervorstellungen zu biologischen Sachverhalten vorgestellt. Kattmann nennt sein Buch ein Lexikon. Es finden sich Einträge zu zahlreichen Begriffen, die für den Biologieunterricht eine Rolle spielen, z. B. „Evolution“, „Menschenrasse“ oder „Schöpfung“. Zu jedem Eintrag gibt es Kurzinformationen zum fachlichen Hintergrund, eine Erläuterung der Schülervorstellungen und Anregungen für den Unterricht. Das Buch von Hammann und Asshoff ist nach Themengebieten geordnet und diskutiert die Schülervorstellungen umfangreicher.
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1.8 Literatur
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20 H. Schecker und R. Duit
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Kapitel 1 · Schülervorstellungen und Physiklernen
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Mechanik. In K. H. Wiebel (Hrsg.), Zur Didaktik der Physik und Chemie, Probleme und Perspektiven, Vorträge auf der Tagung für Didaktik der Physik/Chemie in Hamburg, September 1991 (S. 259–261). Alsbach: Leuchtturm. Urban-Woldron, H. & Hopf, M. (2012). Entwicklung eines Testinstruments zum Verständnis in der Elektrizitätslehre. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 18, 201–227. Vosniadou, S. & Ioannides, C. (1998). From conceptual development to science education: a psychological point of view. International Journal of Science Education, 20(10), 1213–1230. Warren, J. W. (1979). Understanding Force – Verständnisprobleme beim Kraftbegriff. London: Murray: (deutsche Übersetzung von Udo Backhaus & Thorsten Schneider: www.didaktik.physik.uni-due.de/veranstaltungen/LeitfachMechanikAkustikKalorik/WARREN.pdf; Zugriff am 1. 2. 2017). Willer, J. (2003). Didaktik des Physikunterrichts. Frankfurt a.M.: Deutsch.
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Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen
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Martin Hopf und Thomas Wilhelm
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2.1 Einführung – 24 2.2 Konstruktivismus – 24 2.3 Konzepte – 26 2.4 Conceptual Change – 28 2.4.1 Konzeptwechsel als Umstrukturierung des Wissens – 28 2.4.2 Synthetische Modelle der Konzeptentwicklung – 29 2.4.3 Knowledge in Pieces – fragmentiertes Wissen – 33 2.5 Metakognition und Conceptual Change – 34 2.6 Conceptual Change und Physiklernen – 35 2.7 Literatur zur Vertiefung – 36 2.8 Literatur – 37
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© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.), Schülervorstellungen und Physikunterricht, https://doi.org/10.1007/978-3-662-57270-2_2
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24 M. Hopf und T. Wilhelm
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2.1 Einführung
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Barbara ist 8 Jahre alt und geht in die 2. Klasse. Sie sagt: „Ich bin froh, dass es die Erde gibt.
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2 Wenn Gott die Erde nicht erschaffen hätte, wären wir im Weltall.“ In diesem einen Satz wird
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deutlich, dass Barbara verschiedene Ideen zu verbinden versucht: Sie kennt die Erde als verlässlichen Untergrund, weiß, dass die Erde ein Planet ist und hat vom Schöpfungsmythos gehört. Etwas später geht es um die Frage, wie es denn sein kann, dass die Erde eine Kugel ist, aber wir gleichzeitig auf einer scheinbar flachen Ebene leben. Barbara argumentiert dann, dass „der Himmel das (die Kugel; d. Verf.) verdeckt. Wenn der Himmel nicht da wäre, würde man das sehen.“1
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Barbara hat offenbar schon einiges über die Erde gehört, gesehen oder gelesen. Aber sie kann die verschiedenen Informationen noch nicht ganz mit ihren Erfahrungen in Einklang bringen. Das ist typisch für die Entwicklung des Wissens von Kindern. Um die Entwicklung von Vorstellungen besser verstehen zu können, ist es sinnvoll, einige grundlegende Überlegungen zum Lernen anzustellen.
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2.2 Konstruktivismus
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Die Pawlow’schen Hunde und die Skinner’schen Ratten sind Beispiele aus der Entwicklung früher Theorien zur Frage, wie gelernt wird. Nach dem Reiz-Reaktions-Modell folgt auf Stimuli in einer gegebenen Situation eine bestimmte Reaktion. Belohnt man adäquate Reaktionen, führt das nach diesem Ansatz zum Lernen. Es zeigt sich aber, dass man (auch wenn das sogar für den Physikunterricht versucht wurde) mit Black-Box-Theorien des programmierten Lernens nicht gut erklären kann, wie sich das Verständnis inhaltlich anspruchsvoller Konzepte entwickelt. Als erfolgreichste Beschreibung für den Erwerb von Begriffen wie Kraft, Feld oder Quant hat sich inzwischen die konstruktivistische Perspektive erwiesen.
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Nach dieser Auffassung entwickelt – konstruiert – jeder Lernende seinen Bestand an Wissen und Vorstellungen eigenständig durch eine individuelle Verarbeitung von Sinneseindrücken und angebotenen Informationen. Man kann Wissen weder direkt übergeben noch direkt übernehmen. Es bleibt auch in der konstruktivistischen Beschreibung des Lernens die zentrale Aufgabe der Lehrkräfte, Lernumgebungen zu schaffen, welche die Lernenden zu möglichst intensiver und adäquater Konstruktion von Vorstellungen anleiten. Von seinem Ursprung her ist der Konstruktivismus keine Lehr-Lern-Theorie, sondern eine Erkenntnistheorie. Seine Grundannahmen über die Erkenntnisgewinnung lassen sich jedoch für Lehr-Lern-Prozesse nutzen (Labudde, 2000; Widodo & Duit, 2004). Man spricht dann von der konstruktivistischen Perspektive.
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Die Sinnesorgane des Menschen sind einem ständigen Strom von Information ausgesetzt. Diese Reize beinhalten dabei zunächst keinen Sinn, d. h. keine inhaltliche Bedeutung. So müssen Babys in den ersten Lebensmonaten erst lernen, aus optischen Reizen gedanklich Gegenstände zu formen. Und die meisten von uns erinnern sich sicher noch an Vorlesungen aus dem Studium, deren Inhalte bei der ersten Begegnung völlig sinnlos
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1 Unterhaltung mit Barbara, der Tochter des Erstautors im Winter 2017.
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Kapitel 2 · Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen
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. Abb. 2.1 Tafelanschrieb aus einer Vorlesung zur theoretischen Elektrodynamik.
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wirkten. Menschen ohne Ausbildung in Physik werden den Tafelanschrieb in . Abb. 2.1 als bedeutungsleere Zusammenstellung unverständlicher Symbole auffassen. Um solche Daten zu interpretieren, greift man auf das zurück, was man bereits weiß. Wenn man erst wenig weiß, fehlt die Grundlage für eine Interpretation des Gesehenen oder Gehörten.
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Die gute Nachricht lautet in diesem Zusammenhang, dass das menschliche Gehirn sehr fähig darin ist, Sinnzusammenhänge zu erfassen. Es gelingt uns recht schnell, auch in zunächst scheinbar sinnlosen Daten Zusammenhänge aufzudecken bzw. zu konstruieren. Babys lernen sehr schnell, das Gesicht der Mutter von anderen Gesichtern zu unterscheiden und einen kausalen Zusammenhang zwischen angenehmen Dingen und dem Erscheinen der Mutter zu knüpfen. Es werden also relativ leicht erste Wissens- und Vorstellungselemente gebildet. Diese werden zunehmend ausgebaut und mit neu eintreffenden Eindrücken verbunden. Menschen versuchen, ein möglichst konsistentes System von Wissenselementen zu erschaffen. Mit zunehmender Expertise erscheinen auch den Physik-Studierenden komplexe Herleitungen nicht mehr sinnfrei – auch wenn das manchmal viel Aufwand in der Nachbereitung einer Vorlesung erfordert.
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Gleichzeitig kann die Mustererfassung durch Menschen auch lernhinderlich sein, wenn nämlich Muster gesehen werden, die nicht vorhanden sind, oder Erklärungen gefunden werden, die zwar plausibel erscheinen, einer Überprüfung aber nicht standhalten. So gehen viele Menschen von einem Zusammenhang zwischen Mondphasen und Schlafstörungen aus, der sich wissenschaftlich nicht nachweisen lässt2. Viele der im vorliegenden Buch beschriebenen Schülervorstellungen stammen daher, dass Muster für Zusammenhänge angenommen wurden, die zwar subjektiv sinnvoll erscheinen und gut zu dem vorhandenen individuellen Wissenssystem passen, jedoch wissenschaftlichen Beschreibungen
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2 Cordi et al. (2014)
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26 M. Hopf und T. Wilhelm
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widersprechen. Ein Beispiel ist die Annahme, dass es lediglich hell sein müsse, um Gegenstände sehen zu können (7 Abschn. 5.2.2).
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Es gibt im Konstruktivismus keine objektive Wahrheit (Glasersfeld, 1989). Wenn jeder
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2 Mensch die Bedeutung hinter den Sinneseindrücken selbst konstruiert, kann nicht end-
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gültig festgestellt werden, was „wirklich“ ist. Es kann nur eine durch Kommunikation erreichte Übereinkunft darüber geben, welcher Sinn bzw. welche Bedeutung welchem Eindruck zugeschrieben werden soll. Entscheidend dafür ist die Bewährung des Wissens und der Vorstellungen („viables“ Wissen, d. h. nützliches und nutzbares, zur Problemstellung passendes Wissen).
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Die konstruktivistische Auffassung vom Lernen meint also, dass jeder Mensch den Sinn dessen, was gelernt werden soll, selbst konstruieren muss. Konstruieren bezieht sich dabei auf mentale Vorgänge und nicht auf manuelles Herstellen. Die Aufgabe jedes Einzelnen beim Lernen besteht darin, neue Sinneseindrücke und Informationen in Beziehung zum bereits bestehenden Wissenssystem zu setzen, oder auch, dieses System anders zu strukturieren und zu erweitern. Ein konstruktivistischer Unterricht gibt Schülerinnen und Schülern viele Gelegenheiten, Sinn zu konstruieren. Dazu ist es notwendig, Gesprächsphasen im Unterricht vorzusehen, in denen Bedeutungen von Begriffen zwischen Lernenden und Lehrenden ausgehandelt werden können. Die Lehrkraft ist dabei Anwalt der physikalischen Bedeutung. Lehrkräfte müssen akzeptieren, dass Schülerinnen und Schüler die wissenschaftliche Bedeutung nicht direkt übernehmen (können), sondern ihr Verständnis physikalischer Konzepte nur eigenständig aufbauen können. Dafür brauchen Lernende eine gezielte instruktionale Unterstützung.
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2.3 Konzepte
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Ein wesentliches Ziel von Unterricht ist die Weiterentwicklung des Wissens der Schülerinnen und Schüler. Damit ist natürlich nicht gemeint, dass Kinder und Jugendliche möglichst viele verschiedene Begriffe wie Vokabeln auswendig lernen und wieder aufsagen können. Vielmehr streben wir an, dass sie im Laufe der Schulzeit eine Struktur von möglichst konsistenten und vernetzten Wissenselementen erwerben. Ein solches Netz ist die Voraussetzung dafür, dass wir miteinander sinnvoll über Physik sprechen können. Was genau ein Wissenselement zu einem Konzept oder einem Begriff macht, wird in der Forschung unterschiedlich gefasst. Konsens besteht jedoch darüber, dass ein Wissenselement erst aus der Einbettung in ein Wissenssystem seine Bedeutung erhält und zu einem Konzept wird (vernetztes Wissen). Man kann ein solches Wissenssystem dann als Theorie auffassen3. Ziel des Physikunterrichts ist es, dass die Schülerinnen und Schüler im Laufe ihrer Schulzeit ein Wissenssystem zur Physik entwickeln, das möglichst gut zu der Theorie passt, die Expertinnen und Experten verwenden. Natürlich ist das Begriffsnetz von Experten wesentlich umfangreicher, beziehungsreicher und strukturierter als das von Anfängern. Im Rahmen des Unterrichts kann die Visualisierung solcher Strukturen in Form von Begriffsnetzen (concept maps) als methodisches Element verwendet werden (. Abb. 2.2).
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3 Vosniadou (2009)
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. Abb. 2.2 Begriffsnetz eines Schülers zum Thema Licht.
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Der Psychologe Jean Piaget4 postulierte neben verschiedenen Stufen der kognitiven Entwicklung zwei Mechanismen zur Entwicklung der Wissensstruktur eines Menschen: Assimilation und Akkommodation. Während bei der Assimilation ein neuer Aspekt relativ einfach in eine bestehende Wissensstruktur integriert werden kann (z. B. Wärme als weitere Erscheinungsform von Energie), müssen bei der Akkommodation neue Strukturen entwickelt oder bestehende deutlich umstrukturiert werden, da die neuen Elemente nicht sinnvoll zu den alten in Beziehung gesetzt werden können (z. B. um zu berücksichtigen, dass Energie nicht – wie im Alltagsverständnis – verbraucht, sondern nur entwertet werden kann; 7 Kasten 8.2). Die Erkenntnisse Piagets über feste Stufen der kognitiven Entwicklung haben sich inzwischen zwar als nur eingeschränkt tragfähig erwiesen, aber die Unterscheidung zwischen Akkommodation und Assimilation ist nach wie vor hilfreich für das Verständnis der Entwicklung von Vorstellungen. Da die Assimilation neuer Wissenselemente für das Individuum einen geringeren kognitiven Aufwand darstellt als die für eine Akkommodation notwendige Umstrukturierung, ist es nachvollziehbar, dass Schülerinnen und Schüler schwerer zu Akkommodationen angeregt werden können. Sie versuchen zunächst, neue Informationen in vorhandene Wissensstrukturen einzupassen. Physiklernen erfordert jedoch häufig ein grundlegendes Überdenken und Verändern von Wissensstrukturen, die sich im Alltag (scheinbar) bewährt haben.
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4 z. B. Piaget und Inhelder (1942)
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28 M. Hopf und T. Wilhelm
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2.4 Conceptual Change
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2.4.1 Konzeptwechsel als Umstrukturierung des Wissens
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Menschen entwickeln auch ohne Physikunterricht ein recht stabiles System von Wissenselementen und deren Verknüpfungen zu Konzepten, z. B. im Bereich Elektrizität und ‚Strom‘ (7 Kap. 6). Dieses System bewährt sich recht zuverlässig: Während unzähliger Gelegenheiten des alltäglichen Lebens kann man durch Rückgriff auf dieses System Zusammenhänge verstehen und zuverlässige Vorhersagen über Geschehnisse treffen. Zum Beispiel haben schon Grundschulkinder ein gutes Verständnis vom Umgang mit Elektrogeräten. Sie wissen, dass viele Geräte Batterien benötigen, dass Batterien zwei Pole haben und dass man beim Einlegen auf richtige Polung achten muss. Sie wissen auch um die Gefährlichkeit der Netzspannung und haben vielleicht sogar erste Kenntnisse über Hochspannungsleitungen. Sie haben Erfahrungen im Umgang mit Defekten wie z. B. beim Auslösen einer Sicherung oder bei einem Stromausfall. Dieses Alltagsverständnis reicht aller Wahrscheinlichkeit nach dafür aus, das weitere Leben ohne größere Schwierigkeiten im Umgang mit Elektrizität zu bewältigen.
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Sollen Kinder nun Grundkonzepte der Elektrizitätslehre erwerben, so bedeutet das, dass sie ihr bereits vorhandenes Wissenssystem umstrukturieren müssen. Davon ist z. B. die Vorstellung betroffen, dass Strom ‚verbraucht‘ wird, da ja die Batterien im Laufe der Zeit „leer“ werden, was in der Physik keine tragfähige Vorstellung darstellt (7 Abschn. 6.2.3). Es hat sich gezeigt, dass für das Lernen naturwissenschaftlicher Konzepte sehr oft die bestehenden Wissenssysteme in zentralen Bereichen verändert werden müssen. Dies wird in der Literatur als Conceptual Change bezeichnet (Konzeptwechsel). Der Begriff wurde in den 1980er Jahren eingeführt (Posner, Strike, Hewson & Gertzog, 1982). Seither hat sich die Conceptual-Change-Forschung zu einem großen Forschungsfeld in der Lernpsychologie und der Fachdidaktik entwickelt. Posner et al. haben Bedingungen formuliert und in Studien überprüft, die gelten müssen, damit es überhaupt zu einem Konzeptwechsel kommt (7 Abschn. 3.2.1): •• Die Schülerinnen und Schüler müssen mit ihrem vorhandenen Konzept unzufrieden
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sein. •• Das vorgestellte neue Konzept muss wenigstens bis zu einem gewissen Grad verstanden
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sein. •• Das neue Konzept muss intuitiv einleuchtend erscheinen. •• Das neue Konzept muss auf neue Situationen und Phänomene übertragbar und dort
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hilfreich sein.
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Zunächst ging man davon aus, dass bei einem Conceptual Change physikalisch inadäquate Vorstellungen von Lernenden durch physikalisch korrekte Vorstellungen ersetzt werden müssen. Ein guter Auslöser dafür ist ein kognitiver Konflikt, z. B. ein Versuchsausgang, der als sicher geglaubten Erwartungen widerspricht (7 Abschn. 3.2.1).5 Im diesem Modell ist ein Conceptual Change ein schlagartiger Prozess, der auf einer plötzlichen Einsicht
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5 Vosniadou (2012)
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beruht. Diese Idee geht auf Arbeiten aus der Wissenschaftstheorie zurück6, in denen es darum ging zu beschreiben, wie sich Paradigmenwechsel bei Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vollziehen. Diese Auffassung des Conceptual Change hat sich als nicht tragfähig erwiesen (ebenso wenig vollziehen sich Paradigmenwechsel in der Wissenschaft Physik schlagartig). Zum einen zeigt sich, dass es nicht möglich ist, fehlerhafte Vorstellungen auszumerzen und vollständig durch richtige zu ersetzen. Das gilt auch für uns als ausgebildete Physikerinnen und Physiker: Wir wissen, dass Strom und Energie nicht verbraucht werden, aber in Alltagsgesprächen reden auch wir (zumindest manchmal) vom „Strom-“ oder „Energieverbrauch“. Die Prozesse des Conceptual Change laufen zudem in der Regel nicht schlagartig ab, sondern langsam und schrittweise. Das ist gut nachvollziehbar, wenn man sich klarmacht, dass ein Conceptual Change einen erheblichen kognitiven Aufwand erfordert, um das bestehende Wissenssystem aus Wissenselementen und Beziehungen umzustrukturieren. Für den Physikunterricht sind neben Vorstellungen zu Begriffen und Phänomenen ebenso die Vorstellungen über die Natur der Naturwissenschaften (7 Kap. 13) und die epistemologischen Vorstellungen bedeutsam, d. h. Vorstellungen über die Art und Weise, wie neue Erkenntnisse zustande kommen (7 Abschn. 2.5). Auch hier sind erhebliche unterrichtliche Anstrengungen erforderlich, um einen Conceptual Change zu unterstützen.
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Seit den 1980er Jahren forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darüber, wie sich Conceptual Change im Detail vollzieht. Es bildeten sich mehrere Schulen heraus. Inzwischen haben sich die Auffassungen aneinander angenähert und scheinbar unüberbrückbare Differenzen haben sich fast aufgelöst.7 Es ist dennoch sinnvoll und lehrreich, im Folgenden zwei unterschiedliche Theorien des Conceptual Change genauer vorzustellen. Es soll hierbei nicht entschieden werden, welche der beiden Theorien (oder welche andere) die richtige ist. Vielmehr ist davon auszugehen, dass je nach Inhaltsbereich die eine oder die andere Modellierung des Conceptual Change besser zutrifft und sinnvollere Erklärungen erlaubt. Ein Grund für theoretische Differenzen bei Beschreibungen des Conceptual Change liegt in unterschiedlichen Detaillierungsgraden bei der Analyse von Lernprozessen. Es ist möglich, dass das Lernen eines einzelnen Begriffs ganz anders beschrieben werden muss als das Lernen eines umfänglichen Inhaltsgebiets. Das ist ganz analog zu physikalischen Modellen zu sehen: Nicht jedes Phänomen ist mit dem gleichen Modell gleich sinnvoll zu beschreiben.
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2.4.2 Synthetische Modelle der Konzeptentwicklung
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Im November 2017 wollte „Mad“ Mike Hughes – ein Chauffeur aus Kalifornien – nachweisen, dass die Erde eine Scheibe ist. Dazu baute er eine dampfgetriebene Rakete, um Aufnahmen aus der Luft zu machen. Zum Start kam es allerdings nicht, weil der Bundesstaat Nevada den Start der Rakete aus Sicherheitsgründen verbot. Das Beispiel zeigt, wie auch Erwachsene bei existenziellen Aspekten unseres Weltbilds der scheinbar eindeutigen, unmittelbaren Anschauung mehr vertrauen als wissenschaftlichen Aussagen.
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6 Kuhn (1970) 7 Amin, Smith und Wiser (2014)
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30 M. Hopf und T. Wilhelm
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Auch Barbara im Anfangsbeispiel findet die Idee einer im Weltall schwebenden Kugel, auf der wir leben, ein wenig seltsam. Dies ist für Kinder ihres Alters eine typische Vorstellung von der Erde. Die Entwicklung von Vorstellungen in diesem Inhaltsbereich ist beson-
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2 ders intensiv untersucht worden.8 Dabei zeigt sich, dass Schülerinnen und Schüler bereits
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vor Beginn der Schulzeit ein recht stabiles Bild der Erde entwickeln: Basierend auf täglichen Erfahrungen wird verallgemeinert, dass es sich bei der Erde um ein flaches, stabiles und feststehendes sowie von unten unterstütztes Gebilde handeln muss (. Abb. 2.3). Schülerinnen und Schüler haben entsprechende Auffassungen von den meisten ihnen direkt zugänglichen Alltagsobjekten gebildet. Vosniadou (2012) nennt solche Konzepte in Abgrenzung zu Schülervorstellungen „Präkonzepte“ oder „naive Physik“. Wir übernehmen diese Bezeichnungen für das vorliegende Buch nicht (7 Abschn. 1.3), aber es ist hilfreich, sich klarzumachen, dass aus alltäglichen Erfahrungen verallgemeinerte Vorstellungen unter Umständen eine andere Qualität aufweisen als Vorstellungen, die im oder nach dem Physikunterricht auftreten. Nach der Auffassung von Vosniadou kann man davon ausgehen, dass die ersteren Vorstellungen zwar relativ oberflächlich sind, sich aber dennoch zu einem stimmigen Bild des Alltags zusammenfügen. Solche Vorstellungen werden für Erklärungen genutzt: Im Bild der Erde wird es Nacht, wenn die Sonne am Abend hinter den Bergen oder hinter Wolken verschwindet. Kinder verwenden solche Vorstellungen auch für Vorhersagen: Sie gehen z. B. davon aus, dass der Mond während des Tages nicht am Himmel stehen kann (7 Abschn. 12.3.8).
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Kugel
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abge achte Kugel
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Hohlkugel
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duale Erde
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Scheibenerde
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rechteckige Erde
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. Abb. 2.3 Vorstellungen von der Erde (Abb. nach Vosniadou & Brewer, 1992, S. 549).
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8 Vosniadou und Brewer (1992)
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Kapitel 2 · Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen
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Kasten 2.1: Ontologische Kategorien
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Die Ontologie ist die Lehre vom „So-Sein“, d. h. vom Wesen der Dinge und Erscheinungen.11 Dabei wird gefragt, was es gibt und wie das, was es gibt, in Beziehung zueinander steht. Grundfragen der Ontologie werden in der Philosophie seit der Antike diskutiert. Aristoteles gibt hier z. B. die Kategorien Substanz, Qualitatives, Relation, Ort, Zeit oder Lage an. Für das Verständnis von Schülervorstellungen ist wichtig zu wissen, dass die Ontologie verschiedene Grundkategorien vorschlägt. Etwas kann also z. B. eine Substanz sein, also z. B. ein Bauklotz oder ein Elektron. Etwas Qualitatives wäre z. B. eine Eigenschaft einer Substanz, also die Masse des Bauklotzes oder die Ladung des Elektrons. Typische Kategorien in einer physikalischen Beschreibung der Welt sind Körper, Beziehung, Prozess und Eigenschaft.
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Ein wesentlicher Aspekt der aus dem Alltag verallgemeinerten Vorstellungen ist, dass Objekte in andere ontologische, d. h. wesensmäßige Kategorien eingeordnet sein können als im Rahmen einer physikalischen Betrachtung (7 Kasten 2.1). Kinder würden z. B. die Erde in die Kategorie „physikalisches Objekt“ einordnen.9 Objekte dieser Kategorie sind solide und bewegen sich nicht von selbst. Es wirkt dort die Schwerkraft immer nach unten (7 Abschn. 12.3.8). Das ist eine andere Kategorie als „astronomisch-physikalisches Objekt“. Objekte dieser Kategorie können nicht mehr sinnvoll mit der Deutung „oben/ unten“ beschrieben werden. Um zu verstehen, dass die Erde ein Planet ist, der sich durchs Weltall bewegt, muss im Wissenssystem des Kindes eine grundlegende Umkategorisierung in eine neue ontologische Kategorie erfolgen.
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Es ist davon auszugehen, dass das Lernen zahlreicher physikalischer Begriffe eine solche Umkategorisierung erfordert10. So ist z. B. in der alltäglichen Deutung ‚Kraft‘ eine Eigenschaft von Objekten (7 Abschn. 4.3) oder Licht ein Zustand in einer Situation (7 Abschn. 5.2.2). In der physikalischen Betrachtung muss Kraft aber als Wechselwirkung und Licht als Prozess konzeptualisiert werden. Allgemein wird davon ausgegangen, dass Lernprozesse, die eine Umkategorisierung der ontologischen Kategorie erfordern, besonders schwierig sind. Der Physikunterricht muss diese Umkategorisierung aktiv und explizit unterstützen.
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Beim Wissenserwerb werden einem (anfänglich recht kohärenten) System immer mehr neue Elemente hinzugefügt. So hat Barbara ja schon gehört, dass es sich bei der Erde um einen Planeten im Weltall handelt. Es entsteht daher ein immer komplexeres und schließlich in sich nicht mehr konsistentes Wissenssystem. Dazu trägt der Physikunterricht bei (ebenso wie Fernsehsendungen oder andere Medien): Dort werden Informationen bereitgestellt und von Lernenden in ihr Wissenssystem integriert – und das nicht immer in der Weise, wie von der Lehrkraft intendiert. Es ist möglich, dass ein Wissenssystem nach dem Durchlaufen von Lerngelegenheiten deutlich inkonsistenter und fragmentierter ist als zuvor.
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9 Vosniadou, Skopeliti und Ikospentaki (2004) 10 z. B. Chi (2008) 11 Busse et al. (2014); Jung (1979)
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32 M. Hopf und T. Wilhelm
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Vosniadou argumentiert, dass viele Schülervorstellungen gut als synthetische Modelle verstanden werden können.12 Lernende versuchen demnach, ihre vorunterrichtlichen Vorstellungen konsistent mit den neu erworbenen Wissenselementen zu verbinden. Statt
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2 also die vorunterrichtlichen Theorien aufzugeben, werden sie zu neuen Theorien umge-
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formt. Barbara ist anscheinend kurz davor, ein solches synthetisches Modell zu entwickeln. Sie hat schon beide Informationen zur Verfügung: Einerseits ist für sie die Erde ein stabiler und verlässlicher Untergrund, andererseits ist die Erde ein Planet im Weltall. Ein mögliches synthetisches Modell besteht darin, dass die Erde eine ganz stark abgeplattete Kugel ist, an deren Oberfläche wir leben. Oder die Erde ist eine ebene Oberfläche in einer Hohlkugel (. Abb. 2.3; 7 Abschn. 12.3.8). Im Bereich Elektrizität wird ein anderes synthetisches Modell darin sichtbar, dass Schülerinnen und Schüler Stromstärke und Spannung weitgehend synonym verwenden oder zu „Stromspannung“ zusammenfügen. Dabei wird die vorunterrichtliche Vorstellung, dass in einem elektrischen Gerät ‚Elektrizität‘ vorhanden ist, unter Einbeziehung der beiden neu gelernten Begriffe Stromstärke und Spannung erweitert, ohne die Beziehungen im Wissensnetz grundlegend neu zu ordnen.
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Als Lehrkraft muss man sich bewusst sein, dass physikalische Wissenssysteme, die von Schülerinnen und Schülern entwickelt werden sollen, komplexe und abstrakte Modelle darstellen. Kinder sind durchaus in der Lage, komplexe und abstrakte Zusammenhänge zu erlernen. Aber es bedarf erheblichen Aufwands, Umstrukturierungen in einem solchen System vorzunehmen. Es wird empfohlen, diese Prozesse im Unterricht explizit anzusprechen. So genügt es nicht, Kindern Aufnahmen aus dem Weltall oder einen Globus zu zeigen, um sie davon zu überzeugen, dass die Erde tatsächlich eine Kugel ist. Vielmehr muss plausibel gemacht werden, wie es möglich sein kann, dass die Erde einerseits flach und stabil ist, sie von unten unterstützt und die Schwerkraft auf ihr nach unten zieht – und sie trotzdem gleichzeitig eine gigantische im Weltall schwebende Kugel ist, auf deren gesamter Oberfläche Menschen leben können. Um mit solchen Lernangeboten erfolgreich einen Konzeptwechsel anbahnen zu können, muss man als Lehrkraft die Kinder auch davon überzeugen, dass die neue Theorie eine mächtigere Erklärung physikalischer Phänomene liefert als die alltägliche Vorstellung. Empfohlen wird hier, die Methode der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung zum Unterrichtsthema zu machen (7 Abschn. 12.2; 7 Abschn. 13.6). Dadurch sollen Lernende erkennen, dass nicht immer alles so ist, wie es auf den ersten Blick zu sein scheint. Gleichzeitig sollen Ausführungen zur Natur der Naturwissenschaften die Schülerinnen und Schüler dazu befähigen, den Mechanismus physikalischer Wissensgenese zu verstehen und (zumindest exemplarisch) selbst zu vollziehen. Lernende müssen verstehen, dass ihre Vorstellungen hypothetische Konstrukte sind und wie sie überprüfen können, ob ihre Modelle tatsächlich mit dem Verhalten der Welt übereinstimmen.
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Man kann mit dem synthetischen Ansatz für die Beschreibung der Konzeptentwicklung verstehen, weshalb Lernende je nach Kontext unterschiedliche Erklärungen benutzen. Synthetische Modelle sind nicht starr; Lernende passen sie dynamisch der jeweiligen Anforderungssituation an und aktivieren je nach Kontext unterschiedliche Wissenselemente und Verknüpfungen. Mit dem Ansatz synthetischer Modelle nach Vosniadou kann man besonders gut verstehen, wie aus anfänglich konsistenten, aber oberflächlichen
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12 Vosniadou (2012)
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Kapitel 2 · Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen
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Theorien von Kindern als Folge einer Instruktion Fehlvorstellungen entstehen können, wenn man bei der Unterrichtsplanung zu wenig bedenkt, wie Lernende neue Informationen in vorhandene Wissensstrukturen einbetten.
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2.4.3 Knowledge in Pieces – fragmentiertes Wissen
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In Auseinandersetzung mit dem Modell des Conceptual Change als Umstrukturierung von Begriffsnetzen und anderen Ansätzen verfolgte diSessa (1993) einen anderen Weg als Vosniadou. Ausgangspunkt seiner Überlegungen war, dass viele der Vorstellungen von Lernenden sehr wenig konsistent sind. Fragt man z. B. Schülerinnen und Schüler der Mittelstufe nach der Gefährlichkeit von Röntgenstrahlung, so werden sie spontan klar angeben, dass diese gefährlich seien. Viele fangen dann aber an zu überlegen, dass das ja gar nicht so stimmen könne, da Röntgenstrahlung in der Medizin benutzt wird. Daher könne sie ja gar nicht so gefährlich sein (7 Abschn. 11.4). In den meisten untersuchten Gebieten finden sich ähnliche Phänomene: Je nach Kontext antworten Schülerinnen und Schüler anders auf aus Expertensicht sehr ähnliche Fragen und aktivieren andere Schülervorstellungen. Die Theorie des knowledge in pieces (diSessa, 1988) führt das darauf zurück, dass Menschen auf sehr viele, sehr einfache Schlussregeln zurückgreifen, um Aussagen machen zu können. Diese so genannten phenomenological primitives (p-prims) sind abstrakte Regeln, die sich in verschiedenen Alltagssituationen bewährt haben, um Zusammenhänge zu verstehen und auch vorhersagen zu können, z. B. „von nichts kommt nichts“ (siehe unten). Eine Situation wird dann als natürlich wahrgenommen, wenn sie sich durch ein p-prim beschreiben lässt und als überraschend, wenn das nicht geht. Nach diSessa entstehen sie dadurch, dass wir als Menschen versuchen, unsere Welt zu erklären. P-prims bilden dabei kein konsistentes oder kohärentes Theoriegebäude. Sie sind, wenn überhaupt, nur locker miteinander verbunden. So kann man verstehen, dass Vorstellungen von Lernenden vielfältig, inkonsistent und manchmal in sich widersprüchlich sind. Je nach Situation werden andere p-prims aktiviert. Im Folgenden werden drei Beispiele für p-prims erläutert.
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Von nichts kommt nichts Es ist eine Grundregel des Alltags, dass für alle Dinge ein gewisser Aufwand nötig ist. Man muss essen und trinken, um weiter leben zu können; man muss sich für Prüfungen vorbereiten, um Erfolge haben zu können. Ein elektrisches Spielzeug benötigt eine Batterie, damit seine Funktionen aktiv sind. Und wenn die Batterie ‚verbraucht‘ ist, funktioniert das Spielzeug nicht weiter. Die Alltagsregel, dass von nichts nichts kommt bzw. dass eben etwas nötig ist, damit etwas passiert, ist nahezu universell gültig. Im Physikunterricht findet man ihre Verwendung in vielen Schülervorstellungen: Zum Beispiel ist der ‚Stromverbrauch‘ den Schülerinnen und Schülern gerade aufgrund einer unangemessenen Verwendung dieses p-prims so plausibel.
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Ohm’sches p-prim Dieses p-prim ist eine Verallgemeinerung des eben beschriebenen p-prims von Aufwand und Ertrag. Hier wird Dingen ein Widerstand zugeschrieben, gegen den man etwas aufbringen muss, um etwas zu erreichen. Je mehr man aufwendet, desto größer ist der Erfolg. Gleichzeitig ist der Aufwand umso höher, je größer der Widerstand ist. Zum Beispiel muss umso mehr gelernt werden, je schwerer eine Prüfung voraussichtlich sein wird. Außerdem ist in diesem p-prim eine Aktivität enthalten: Um einen
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34 M. Hopf und T. Wilhelm
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Widerstand zu überwinden, muss etwas aktiv sein. Um also ein Spielzeug in Bewegung zu halten, muss der Widerstand der Reibung überwunden werden (7 Abschn. 4.3). Dazu muss das spielende Kind aktiv eine ‚Kraft‘ dem Auto hinzufügen. Das Auto hat dann als aktiver
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2 Gegenstand diese ‚Kraft‘. Je mehr ‚Kraft‘ das Auto hat, desto schneller wird es fahren. Man
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erkennt in dieser Überlegungskette, wie die unangemessene Verwendung des Ohm’schen p-prims zu physikalisch inadäquaten Beschreibungen von Bewegungsvorgängen führt.
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Gleichgewicht Dass ein System im Gleichgewicht ist oder in ein solches gebracht werden kann, ist ebenfalls eine frühe Erfahrung von Kindern. So kann eine Wippe auf dem Spielplatz genutzt werden, um mit einem Gleichgewichtssystem zu spielen (7 Abschn. 12.2). Als Gleichgewicht wird auch aufgefasst, wenn zwei Menschen gegeneinander drücken, ohne dass etwas passiert. Das Gleichgewichts-p-prim kann als Ressource z. B. für den Unterricht zur Wärmelehre sehr gut genutzt werden.
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Nach Smith III, diSessa und Roschelle (1994) stammen Schülervorstellungen daher, dass p-prims unreflektiert auf Situationen angewendet werden, in denen sie aus physikalischer Sicht nicht oder zumindest nicht in der gewählten Weise angewendet werden können. Die Schülervorstellung „zur Aufrechterhaltung der Bewegung bedarf es einer Kraft in Bewegungsrichtung“ (7 Abschn. 4.3) kann so verstanden werden, dass Schülerinnen und Schüler die Regel „Von nichts kommt nichts“ anwenden und schließen, dass eine Bewegung (Ertrag) nur stattfinden kann, wenn eine ‚Kraft‘ (Aufwand) wirkt. Gleichzeitig zeigt sich hier aber auch, dass dieses p-prim produktiv für das Physiklernen genutzt werden kann. Wenn es im Rahmen des Unterrichts gelingt, Schülerinnen und Schülern nahezubringen, die Regel sinnvoll auf den Zusammenhang zwischen Bewegungsänderung (Ertrag) – oder Zusatzgeschwindigkeit – und Krafteinwirkung (Aufwand) anzuwenden, kann Lernen gut gelingen (7 Abschn. 3.3.2).
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Aus Sicht der Knowledge-in-pieces-Theorie zum Conceptual Change sind p-prims und Schülervorstellungen wichtige Ressourcen für den Unterricht. Wiederholt konnte gezeigt werden, dass durch das Anknüpfen oder Umdeuten passender Schülervorstellungen Unterricht konstruiert werden kann, der signifikant bessere Lernergebnisse bewirkt als traditioneller Unterricht (7 Abschn. 4.4, 5.3, 6.3, 8.4 und 12.4).
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2.5 Metakognition und Conceptual Change
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Es wurde intensiv untersucht, wie sich die metakognitiven Fähigkeiten von Lernenden auf Conceptual Change auswirken. Unter metakognitiven Fähigkeiten versteht man das Wissen über die eigenen kognitiven Fähigkeiten und Vorgehensweisen beim Wissenserwerb sowie deren Nutzung. Dazu gehört, was man über das Lernen und über das Gedächtnis weiß, oder welche Lernstrategien man kennt. Für den Conceptual Change haben sich die epistemologischen Überzeugungen von Lernenden als bedeutsam erwiesen. Diese sind ein Teil der metakognitiven Fähigkeiten. Sie enthalten Überzeugungen zur generellen Natur von Wissen und Wissenserwerbsprozessen. Es geht um Vorstellungen darüber, woher Wissen stammt, wie es strukturiert und begründet ist und auch welche Beschränkungen vorhanden sind (7 Abschn. 13.4).
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Amin et al. (2014) beschreiben zwei Mechanismen, wie die epistemologischen Überzeugungen von Lernenden den Conceptual Change beeinflussen können:
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Kapitel 2 · Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen
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Direkt: Wenn Lernende annehmen, Naturwissenschaft beschreibe Phänomene, kann es passieren, dass diese Lernenden sich auf einzelne Fakten konzentrieren. Haben Lernende angemessenere Überzeugungen und gehen davon aus, dass Naturwissenschaften aus verknüpften und belegten Theorien bestehen, werden sie eher versuchen, ihr eigenes Wissenssystem dementsprechend zu organisieren.
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Indirekt: Je nachdem, wie epistemologische Überzeugungen ausgeprägt sind, verwenden Lernende unterschiedliche Lernstrategien. Wenn Naturwissenschaft als Aneinanderreihung einfacher Fakten wahrgenommen wird, genügt es ihrer Ansicht nach, diese Fakten auswendig zu lernen.
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Insgesamt gibt es überzeugende Belege aus der empirischen Forschung, die zeigen, dass elaboriertere epistemologische Überzeugungen einen Conceptual Change bei Lernenden unterstützen. Durch die gezielte Gestaltung von Lernumgebungen können metakognitive Fähigkeiten gefördert werden.
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2.6 Conceptual Change und Physiklernen
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Es bleibt zu diskutieren, was Conceptual Change für die Planung und Gestaltung von Unterricht bedeutet. Zunächst muss betont werden, dass es beim Conceptual Change nicht darum geht, physikalisch falsche Konzepte durch richtige zu ersetzen. Die Annahme, dies könne durch Physikunterricht in der Breite der Thematiken nachhaltig gelingen, hat sich als aussichtlos erwiesen. Beim Conceptual Change geht es darum, Lernenden eine physikalische Sichtweise zu vermitteln und diese als eine besondere, vom Alltagsdenken in vielen Aspekten unterschiedliche Sichtweise zu verdeutlichen. Jeder Lernweg von Schülervorstellungen hin zu wissenschaftlichen Vorstellungen wird als Conceptual Change bezeichnet, sei es durch Weiterentwicklung oder Umstrukturierung von Wissensnetzen, durch adäquatere Verwendung von p-prims, durch Förderung der Metakognition oder sonstige Mechanismen. Erwachsene werden in der Regel nicht mehr davon ausgehen, dass Wind dadurch verursacht wird, dass sich die Bäume bewegen (7 Abschn. 12.3.6). Auch die Anhänger einer flachen oder hohlen Erde sind in der Minderheit. Meistens wird es aber so sein, dass Alltagsvorstellung und physikalische Vorstellung nebeneinander existieren und je nach Kontext sinnvoll aktiviert werden können. Auch Expertinnen und Experten verwenden unangemessene Vorstellungen, oft auch in fachlichen Kontexten. Sie wissen aber genau, dass sie gerade in einem unangemessenen Bild argumentieren und können leicht in eine angemessenere Vorstellung wechseln.
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Besonders hervorzuheben ist, dass es sich bei Schülervorstellungen nicht um Fehler der Kinder und Jugendlichen handelt, sondern oft um sinnvolle Rekonstruktionen der Welt. Es hat sich in der physikdidaktischen Forschung und Entwicklung bewährt, diese Vorstellungen als Ressourcen für das Physiklernen aufzufassen, deren Nutzung zwar eine große Herausforderung darstellt, aber zugleich große Chancen eröffnet. Man sollte daher sorgfältig überlegen, ob eine diskontinuierliche Strategie, die auf einen abrupten Wechsel von Konzepten abzielt, wirklich nutzbringend eingesetzt werden kann (7 Abschn. 3.2.2). Die Lehrkraft sollte auf jeden Fall bedenken, dass Conceptual Change nicht nur kognitive Aspekte umfasst. Duit, Treagust und Widodo (2008) sprechen hier vom multidimensionalen Conceptual Change. Es geht darum, nicht nur die Wissenssysteme zur Physik, sondern
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36 M. Hopf und T. Wilhelm
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auch die epistemologischen Überzeugungen und die affektiven Aspekte des Zugangs zu physikalischen Sachverhalten weiter zu entwickeln.
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Welcher der in der Lernpsychologie und Fachdidaktik diskutierten Ansätze einen
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2 konkreten Conceptual Change in einem speziellen Themengebiet am besten beschreibt,
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ist bisher wenig erforscht. Vielleicht sind solche grundsätzlichen Klärungen auch keine wesentlichen Fragen für die einzelne Lehrkraft, die Physikunterricht für eine konkrete Lerngruppe plant und durchführt. In unseren Augen sind Theorien des Conceptual Change auf jeden Fall hilfreich, um die Genese von Schülervorstellungen verstehen zu können und bei der Diagnose der Äußerungen von Lernenden im Unterricht wachsam zu sein. So wird immer wieder ein Schüler etwas sagen, was man leicht als synthetisches Modell identifizieren kann oder eine Schülerin auf p-prims zurückgreifen, um Dinge zu erklären. In beiden Fällen kann das Wissen um solche Mechanismen es der Lehrkraft erleichtern, angemessen und lernförderlich zu reagieren. Hilfreich für die Lehrkraft sind auch ausgearbeitete learning progressions. Diese beruhen auf Forschungsarbeiten, in dem die verschiedenen Stadien auf dem Weg zu einem Conceptual Change möglichst genau beschrieben sind. Dies ist ein noch relativ junger Forschungszweig und bislang gibt es nur wenige solcher learning progressions, z. B. zu den Themen Mechanik13 und Energie14.
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2.7 Literatur zur Vertiefung
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Vosniadou, S. (2009). International handbook of research on conceptual change. New York, London: Routledge. Dieses Handbuch stellt die wichtigsten Forschungsergebnisse zum Conceptual Change zusammen. Neben Artikeln zu synthetischen Modellen, zu den p-prims und weiteren Ansätzen wird auch detailliert der Forschungsstand in den verschiedenen Domänen diskutiert.
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diSessa, A. A. (1993). Toward an epistemology of physics. Cognition and instruction, 10(2–3), 105–225. Andrea diSessa stellt in diesem umfangreichen Artikel die Theorie des knowledge in pieces detailliert vor.
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Amin, T. G., Smith, C. L. & Wiser, M. (2014). Student conceptions and conceptual change. In N. G. Ledermann & S. K. Abell (Hrsg.), Handbook of research on science education (II), 57–77. New York, London: Routledge. Amin und Kollegen geben einen Abriss über die zeitliche Entwicklung der Conceptual Change Forschung aus Perspektive der Naturwissenschaftsdidaktik.
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Duit, R. & Treagust, D. F. (2003). Conceptual change: A powerful framework for improving science teaching and learning. International Journal of Science Education, 25(6), 671–688. https://doi.org/10.1080/09500690305016
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13 Alonzo und Steedle (2009) 14 Neumann, Viering, Boone und Fischer (2013)
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Kapitel 2 · Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen
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Duit und Treagust befassen sich in diesem Review-Aufsatz mit der Entwicklung der Theorien zum Conceptual Change, dem Vergleich der unterschiedlichen Beschreibungen und dem multiperspektivischen Blick auf Conceptual Change unter Einschluss affektiver und epistemologischer Aspekte.
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2.8 Literatur
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Alonzo, A. C. & Steedle, J. T. (2009). Developing and assessing a force and motion learning progression. Science Education, 93(3), 389–421.
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Amin, T. G., Smith, C. & Wiser, M. (2014). Student conceptions and conceptual change. In N. G. Lederman & S. K. Abell (Hrsg.), Handbook of research on science education (II) (S. 57–77). New York, London: Routledge.
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Busse, J., Humm, B., Lübbert, C., Moelter, F., Reibold, A., Rewald, M. et al. (2014). Was bedeutet eigentlich Ontologie? Informatik-Spektrum, 1–12.
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Chi, M. T. (2008). Three types of conceptual change: Belief revision, mental model transformation, and categorical shift. In S. Vosniadou (Hrsg.), International handbook of research on conceptual change (S. 61–82). New York, London: Routledge.
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||
Cordi, M., Ackermann, S., Bes, F. W., Hartmann, F., Konrad, B. N., Genzel, L. et al. (2014). Lunar cycle effects on sleep and the file drawer problem. Current Biology, 24(12), R549–R550.
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diSessa, A. A. (1988). Knowledge in Pieces. In G. Forman & P. B. Pufall (Hrsg.), Constructivism in the Computer Age (S. 49–70). Hillsdale, NJ: Earlbaum.
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diSessa, A. A. (1993). Toward an epistemology of physics. Cognition and instruction, 10(2–3), 105–225. Duit, R., Treagust, D. & Widodo, A. (2008). Teaching science for conceptual change: Theory and practice. In
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||
S. Vosniadou (Hrsg.), International handbook of research on conceptual change (S. 629–646). New York, London: Routledge. Glasersfeld, E. v. (1989). Cognition, Construction of Knowledge and Teaching. Synthese, 80, 121–140. Jung, W. (1979). Aufsätze zur Didaktik der Physik und Wissenschaftstheorie. Braunschweig: Diesterweg. Kuhn, T. S. (1970). The Structure of Scientific Revolutions, 2nd enl. ed. Chicago: University of Chicago Press. Labudde, P. (2000). Konstruktivismus im Physikunterricht der Sekundarstufe II. Bern: Paul Haupt. Neumann, K., Viering, T., Boone, W. J. & Fischer, H. E. (2013). Towards a learning progression of energy. Journal of Research in Science Teaching, 50(2), 162–188. Piaget, J. & Inhelder, B. (1942). The Child’s Construction of Quantities: Conservation and Atomism. London: Routledge and Kegan Paul. Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W. & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a scientific conception: Toward a theory of conceptual change. Science Education, 66, 211–227. Smith III, J. P., diSessa, A. A. & Roschelle, J. (1994). Misconceptions reconceived: A constructivist analysis of knowledge in transition. The journal of the learning sciences, 3(2), 115–163. Vosniadou, S. (2009). International handbook of research on conceptual change. New York, London: Routledge. Vosniadou, S. (2012). Reframing the classical approach to conceptual change: Preconceptions, misconceptions and synthetic models. In B. Fraser, K. Tobin & C. J. McRobbie (Hrsg.), Second international handbook of science education (S. 119–130). Dordrecht: Springer. Vosniadou, S. & Brewer, W. F. (1992). Mental models of the earth: A study of conceptual change in childhood. Cognitive psychology, 24(4), 535–585. Vosniadou, S., Skopeliti, I. & Ikospentaki, K. (2004). Modes of knowing and ways of reasoning in elementary astronomy. Cognitive Development, 19(2), 203–222. Widodo, A. & Duit, R. (2004). Konstruktivistische Sichtweisen vom Lehren und Lernen und die Praxis des Physikunterrichts. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 10, 233–255.
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3
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Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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Thomas Wilhelm und Horst Schecker
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3.1 Grundsätzliches – 40
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3.2 Konfliktstrategien für diskontinuierliche Lernwege – 42
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3.2.1 Kognitive Konflikte – 42 3.2.2 Mögliche Probleme des Vorgehens – 49
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3.3 Aufbaustrategien für einen kontinuierlichen Lernweg – 50
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3.3.1 Die Idee des Aufbaus – 50 3.3.2 Beispiele für Aufbaustrategien – 54
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3.4 Thematisieren von Schülervorstellungen – 56
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3.5 Literatur – 60
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© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.), Schülervorstellungen und Physikunterricht, https://doi.org/10.1007/978-3-662-57270-2_3
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40 T. Wilhelm und H. Schecker
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3.1 Grundsätzliches
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z Zielsetzungen
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Als Lehrkraft mag man den Wunsch haben, dass alle Schülerinnen und Schüler die physi-
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kalische Sichtweise verstehen und übernehmen und danach nur noch physikalisch denken. Das würde bedeuten, die physikalisch nicht korrekten Schülervorstellungen werden im
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Denken der Schülerinnen und Schüler eliminiert bzw. gegen die physikalisch korrekten
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Vorstellungen ausgetauscht. Dies ist aber – so zeigt die psychologische und fachdidak-
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tische Forschung – nicht realistisch (7 Abschn. 2.4.1). Die mitgebrachten Vorstellungen
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sind auch nach einem guten Physikunterricht zumindest unterschwellig noch immer vor-
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handen und oftmals sogar aktiv; sie können jedenfalls praktisch nicht vergessen werden.
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Ein Eliminieren wäre auch nicht sinnvoll, da die Alltagsvorstellungen auch eine soziale
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Bedeutung in der Kommunikation haben. In alltäglichen Gesprächen bedient sich selbst
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ein Physiker der Alltagssprache mit den darin vorhandenen Vorstellungen. Er muss also
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wissen, was physikalische Begriffe im Alltag bedeuten. Nur so versteht er, wenn ein Mit-
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mensch „keine Kraft mehr zum Arbeiten hat“, meint, beim geöffneten Fenster „kommt
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die Kälte herein“ (7 Abschn. 7.3), sich über einen hohen ‚Stromverbrauch‘ beschwert
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(7 Abschn. 6.2.3) oder feststellt, „ein Spiegel zeigt ein gutes Bild der Straße“ (7 Abschn. 5.2.4).
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Letztlich kann das Ziel des Physikunterrichts nur darin liegen, dass die Schülerin-
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nen und Schüler auch die physikalischen Sichtweisen kennen und verstehen. Dabei ist es
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sehr wichtig, dass es zu einem bewussten Nebeneinander eines physikalischen Konzepts
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und der Alltagsvorstellung kommt. Die Lernenden sollen zwischen den verschiedenen
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Konzepten unterscheiden können und die jeweiligen Stärken und Schwächen kennen,
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sodass sie beurteilen können, welche Erklärung wann sinnvoll ist. In vielen Alltagssitu-
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ationen können die Schülervorstellungen nämlich als Grundlage zum Handeln genutzt
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werden (z. B. den Standby-Betrieb bei einem alten Fernseher ausschalten, um ‚Strom‘,
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d. h. elektrische Energie, zu sparen), während sie in anderen Situationen kein erfolgrei-
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ches Handeln ermöglichen (z. B. eine Cola-Dose in Alupapier einwickeln, um sie kühl zu
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halten; 7 Abschn. 7.3). Die Fähigkeit, physikalische Vorstellungen und Schülervorstellun-
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gen bewusst voneinander abgrenzen zu können, erfordert eine Veränderung bzw. Weiter-
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entwicklung der Schülervorstellungen. Dies wird in der Fachdidaktik als „Konzeptwech-
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sel“ (Conceptual Change) bezeichnet. Konzeptwechsel ist nicht als Konzeptaustausch zu
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verstehen, sondern als Konzeptentwicklung und Konzeptbewusstsein. Diese Zusammen-
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hänge werden in 7 Abschn. 2.4 ausführlich dargelegt.
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Als Lehrkraft möchte man nun genau wissen, wie man unterrichten soll, damit es zu
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diesem Konzeptwechsel kommt. Liest man die Schülervorstellungen, die in den 7 Kap. 4
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bis 13 dieses Buches beschrieben werden, dann kann man daraus eine Vielzahl kleiner kon-
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kreter Maßnahmen ableiten. Beispielsweise sollte man bestimmte Formulierungen, Erklä-
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rungen, Experimente und Anwendungen nicht benutzen, da sie physikalisch falsche Vor-
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stellungen fördern. Ebenso lässt sich ableiten, was besonders intensiv besprochen werden
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sollte und auf welche schwierigen Aspekte eines Themas man besonders eingehen muss.
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Hierbei handelt es sich um lokale Veränderungen.
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In der Physikdidaktik wurden auch ganze Unterrichtskonzeptionen zu einzelnen
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Themen entwickelt, die aufgrund der bekannten Schülervorstellungen ein Thema anders
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als bis dahin üblich elementarisieren und es in einer anderen Sachstruktur behandeln.
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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Die Themenkapitel geben Literaturhinweise auf solche Curricula. Es würde jedoch den Rahmen dieses Buches sprengen, würde man bei jedem Thema ausführlich inhaltlich auf diese speziellen Unterrichtsvorschläge eingehen. Curricula, die auf Erkenntnissen über Schülervorstellungen aufbauen, beruhen auf themenübergreifenden fachdidaktischen und lernpsychologischen Erkenntnissen, mit denen sich Modelle des Umgangs mit Schülervorstellungen begründen lassen. In diesem Kapitel werden allgemeine Modelle des Umgangs mit Schülervorstellungen vorgestellt.
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z Verschiedene Lernwege
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Das Lernen eines umfassenden physikalischen Konzepts, wie z. B. „Teilchen“ oder „Energie“, geschieht nicht auf einmal, sondern über mehrere Zwischenzustände. Man spricht von Lernwegen. Jeder Lernweg von Schülervorstellungen hin zu wissenschaftlichen Vorstellungen wird im Sinne des Entwicklungsaspekts (7 Abschn. 2.4.1) deshalb hier als Konzeptwechsel bezeichnet. Manchmal verstehen wir einen Zusammenhang schlagartig, uns geht ein Licht auf und wir sehen plötzlich etwas ganz anders. Ein Beispiel ist folgende Aussage eines Schülers: „Aha! Kälte und Wärme sind also gar keine unterschiedlichen Dinge – Kälte ist einfach fehlende Wärme!“ (7 Abschn. 7.3). Manchmal lernt man dagegen in kleinen Schritten Neues dazu, etwa auf dem langen Weg der gegenseitigen Abgrenzung von Kraft, Impuls und kinetischer Energie (7 Abschn. 4.3). Man spricht hier von verschiedenen Lernwegen und unterscheidet zwischen kontinuierlichen und diskontinuierlichen Lernwegen.
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Diese Grundidee ist nicht neu. Schon der Entwicklungspsychologe Jean Piaget (1896– 1980) unterschied zwei Arten der kognitiven Anpassung des Menschen an die Umwelt (7 Abschn. 2.3). Assimilation bedeutet demzufolge das Zuordnen einer Wahrnehmung zu einem vorhandenen Wahrnehmungsschema (z. B. einer Vorstellung). Bei einer Assimilation wird die Wahrnehmung im Rahmen der vorhandenen Vorstellungen interpretiert und als prinzipiell bekannt eingestuft; das Wahrnehmungsschema hat sich nur leicht verändert, im Wesentlichen durch weitere Erfahrungsbeispiele verbreitert. Akkommodation bedeutet dagegen die Anpassung der inneren Gedankenwelt durch Modifizierung des bestehenden Wahrnehmungsschemas oder durch Schaffung eines neuen Wahrnehmungsschemas. Fachdidaktisch gesehen führt Akkommodation zu veränderten oder neuen Vorstellungen.
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z Grundlegende Modelle für den Unterricht
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Wie man mit Schülervorstellungen im Unterricht umgeht, d. h., welche Strategie man verfolgt, hängt stark davon ab, welchen Lernweg von Schülervorstellungen hin zu wissenschaftlichen Vorstellungen man anstrebt und für möglich hält. Das wiederum hängt stark davon ab, welche Theorie der Begriffsentwicklung man im Blick hat (7 Abschn. 2.4).
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Es gibt zwei grundlegend verschiedene Modelle des Umgangs mit Schülervorstellungen.1 Möchte man ein schlagartiges Umdenken, einen diskontinuierlichen Lernweg entsprechend der Akkommodation bewirken, versucht man bei den Schülerinnen und Schülern einen kognitiven Konflikt zu erzeugen und diesen dann durch einen Konzeptwechsel aufzulösen. Dazu sollen die Schülerinnen und Schüler z. B. in Experimenten eine
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1 Duit (1993b, S. 191); Duit (1996, S. 148); Villani (1992, S. 228 ff.) – Einen kommentierten Überblick über verschiedene Vorschläge zum Erreichen eines Konzeptwechsels gibt auch Wodzinski (1996, S. 23 ff.)
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42 T. Wilhelm und H. Schecker
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Diskrepanz zwischen ihren Vorhersagen aufgrund ihrer Schülervorstellungen und dem
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tatsächlichen Ergebnis erkennen. Dieser Lernweg erinnert an Revolutionen in der Wissen-
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schaftsgeschichte, bei denen es auch zu einem schnellen Umdenken, einem sogenannten
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Paradigmenwechsel kam.2 Möchte man dagegen die physikalischen Konzepte allmählich
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entwickeln, versucht man an bestehende, ausbaufähige Schülervorstellungen anzuknüp-
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3
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fen, diese neu abzugrenzen und von da aus Schritt für Schritt zu den gewünschten Vorstellungen zu führen. Dies wäre ein kontinuierlicher, bruchloser Lernweg, der an Phasen
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der Evolution in der Wissenschaftsgeschichte erinnert.
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Hinsichtlich der Parallelen zur Begriffsentwicklung in der Wissenschaft Physik kann
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man sich auf den Wissenschaftstheoretiker Thomas S. Kuhn beziehen.3 Nach Kuhn gibt es
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in der Wissenschaft sehr stabile, normale Phasen des Wissenschaftsbetriebs (Evolution)
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und revolutionäre Phasen, die durch wissenschaftsinterne Krisen ausgelöst werden. In revo-
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lutionären Phasen werden veraltete Paradigmen durch neue Sichtweisen abgelöst, sodass
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der wissenschaftliche Fortschritt diskontinuierlich als Paradigmenwechsel verläuft. Diese
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Paradigmenwechsel haben auch nichtrationale und sozio-psychologische Beweggründe.
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Beiden Ideen von Lernwegen liegt eine gemäßigt konstruktivistische Auffassung vom
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Lernen zugrunde, d. h. die Vorstellung, dass Lernen und allgemein menschliche Erkennt-
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nis nur auf der Basis des vorhandenen Vorwissens möglich ist. Lernen ist dabei ein aktiver
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Prozess der Schülerinnen und Schüler, die ihr Wissen selbst konstruieren müssen, d. h.,
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es selbst entweder aufbauen oder umbauen müssen. Unter dem Begriff „Konzeptwechsel“
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(„Conceptual Change“, 7 Abschn. 2.4) wurde anfangs nur der radikale Wechsel der Sicht-
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weise verstanden, also nur der diskontinuierliche Weg. Für den kontinuierlichen Lernweg
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erfand man deshalb den Begriff conceptual growth (Konzeptentwicklung). Heute sehen
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wir beide Lernwege als einen Konzeptwechsel an.
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Welche Lernwege man für einen Unterrichtsgang plant, hängt auch von weiteren Ziel-
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setzungen ab. Möchte man wissenschaftstheoretische Aspekte im Physikunterricht anspre-
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chen und exemplarisch bewusst machen (7 Kap. 13) oder metakognitive Betrachtungen
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anstellen, d. h., den Weg des eigenen Wissenserwerbs explizit mit den Schülerinnen und
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Schülern thematisieren, eignen sich kognitive Konflikte. Hält man das kognitiv für die
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Schülerinnen und Schüler für zu anspruchsvoll, wählt man eher einen kontinuierlichen
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Weg, vorausgesetzt es finden sich genügend Anknüpfungspunkte an entwicklungsfähige
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vorhandene Schülervorstellungen.
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3.2 Konfliktstrategien für diskontinuierliche Lernwege 3.2.1 Kognitive Konflikte
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Nach Vosniadou (1994) entwickelt sich schon in früher Kindheit eine kleine Zahl stabiler Strukturen im Denken (7 Abschn. 2.4.2). Schülervorstellungen sind nach dieser Sicht sinnstiftend miteinander vernetzt, so wie auch eine physikalische Theorie durch ein Netz
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2 Duit (1993b, S. 191) 3 Kuhn (1962)
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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von Begriffen, Regeln und Vorstellungen beschrieben werden kann. Deshalb sind beim Lernen oft nicht nur eine Vorstellung, sondern ein ganzes Netz und eine ganze Sichtweise zu ändern, was viel schwieriger ist, als eine einzelne, isolierte Vorstellung zu verändern. Folglich sind Schülervorstellungen nach dieser Theorie außerordentlich stabil und dauerhaft. Man darf deshalb im Unterricht nicht an einzelnen Wissenselementen ansetzen, sondern muss bei den grundlegenden Annahmen beginnen. Dieser Begriffswechsel ist schwierig, langwierig und am besten durch radikales Umdenken zu erreichen.
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Um diesen Wechsel in der Vorstellung der Schülerinnen und Schüler zu erreichen, setzt man auf kognitive Konflikte und beginnt ein Thema mit Aspekten, die konträr zu den Schülervorstellungen stehen. Im Unterrichtsverlauf werden z. B. Schülervorstellungen und physikalische Vorstellungen oder verschiedene Schülervorstellungen gegeneinandergestellt oder es werden Voraussagen der Schülerinnen und Schüler zu einem Experiment mit dem tatsächlichen Ausgang konfrontiert. Das Ziel ist in jedem Falle, bei den Schülerinnen und Schülern eine Unzufriedenheit mit vorhandenem Wissen zu erzeugen sowie den Wunsch nach einem korrekten Konzept zu wecken. Damit dieser Konzeptwechsel gelingt, müssen nach Posner und Strike4 die vier Bedingungen erfüllt sein, die in 7 Abschn. 2.4.1 beschrieben sind: Unzufriedenheit mit dem bisherigen Konzept, beginnendes Verstehen des neuen Konzepts, das einleuchtend und vielversprechend erscheinen muss.
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z Vorhersagen bei Experimenten
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Vorhersagen der Schülerinnen und Schüler spielen bei dieser Strategie eine wichtige Rolle; Lernende sollen bei einem Experiment eine deutliche Diskrepanz zwischen ihren Vorhersagen aufgrund ihrer Vorstellungen und dem tatsächlich eingetretenen Ergebnis bzw. Ablauf sehen. Die Konfrontation mit einem anders verlaufenden Experiment soll bei den Schülerinnen und Schülern den Wunsch nach einem korrekten Konzept wecken, indem sie erkennen, dass ihre Vorstellungen im Beispiel keine korrekte Vorhersage ermöglichen. Die Lehrkraft versucht dann, diesen Konflikt aufzulösen.
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Dafür muss vor der Durchführung des Experiments klar herausgearbeitet werden, was die Schülerinnen und Schüler denken; sie müssen zu klaren Vorhersagen aufgefordert werden. Damit sie nach dem Experiment ihre Vorhersagen nicht verdrängen oder abstreiten können, ist es sinnvoll, diese schriftlich festzuhalten. Durch die Vorhersagen bzw. Vermutungen können sich die Lernenden ihrer eigenen Ideen und Vorstellungen bewusst werden, auch indem sie alternative Deutungen ihrer Mitschüler hören. Bei dem anschließenden Ablauf eines Experiments werden die Schülerinnen und Schüler ihre Aufmerksamkeit besonders auf die Dinge richten, die unterschiedlich vorhergesagt wurden. Dabei ist zu bedenken, dass Schülerinnen und Schüler einen kognitiven Konflikt auch als solchen persönlich wahrnehmen müssen. Das rein sachliche Vorliegen von Diskrepanzen zwischen Vorhersage und Ausgang des Experiments reicht nicht aus. Ein Lernender muss diese Diskrepanz auch als bedeutsam und lösungsbedürftig empfinden, um sich damit kognitiv auseinanderzusetzen. Die Chance dafür ist umso größer, je klarer die Erwartungen herausgestellt und begründet werden. Nur dann wird ein abweichendes Ergebnis „überraschend“, „merkwürdig“, „irgendwie komisch“ und damit erklärungsbedürftig.
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4 Posner, Strike, Hewson und Gertzog (1982); Strike und Posner (1985)
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44 T. Wilhelm und H. Schecker
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. Abb. 3.1 Ein F aus Pappe vor einem Spiegel zur Erzeugung eines kognitiven Konflikts.
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Diskrepanzen zwischen Vorhersagen und Abläufen sollen ein Nachdenken anregen. Dazu ist es nötig, dass die Lehrperson vor dem Experiment nicht sagt, ob eine Vorhersage richtig oder falsch ist, auch nicht indirekt durch Bemerkungen wie „Bist du dir da sicher?“ oder „Denk doch noch mal genau darüber nach!“ Die Vorhersagen bzw. Vermutungen sollten vor dem Ablauf des Experiments weder bewertet noch hinterfragt werden, sondern von der Lehrkraft sollten nur verschiedene Vorhersagen gesammelt, vergleichend nebeneinandergestellt und die Unterschiede zwischen verschiedenen Vorhersagen aufgezeigt werden. Dazu muss die Lehrperson eine Atmosphäre schaffen, in der sich die Schülerinnen und Schüler trauen, das zu sagen, was sie denken – ohne Angst haben zu müssen, ausgelacht zu werden. Die Vorhersagen dürfen deshalb auch nicht benotet werden. Nur wenn die Schülerinnen und Schüler eine Lernsituation wahrnehmen, die klar von einer Leistungssituation getrennt ist, werden sie ihre tatsächlichen Überlegungen auch äußern.
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Im Folgenden werden einige ausgewählte Experimente vorgestellt, bei denen zu erwarten ist, dass Schülerinnen und Schüler aufgrund ihrer Vorstellungen falsche Vorhersagen machen und so ein kognitiver Konflikt auftritt.
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z Beispiele aus der Optik Da Schülerinnen und Schüler in der Regel denken, ein Spiegel vertausche rechts und links (7 Abschn. 5.2.4), werden sie gefragt, wie das Spiegelbild eines asymmetrischen Buchstabens – z. B. ein F – aussieht, wenn man ihn aus Pappe parallel zum Spiegel vor den Spiegel hält. Viele Schülerinnen und Schüler sagen vorher, im Spiegel sei ein spiegelverkehrtes F zu sehen. Das Spiegelbild-F zeigt hier aber nach der gleichen Richtung wie das reale F, allerdings ist die Rückseite zu sehen, die man in einer anderen Farbe gestalten sollte (. Abb. 3.1).
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Erzeugt man mithilfe eines Bildbearbeitungsprogramms ein scheinbares Foto mit einem Gegenstand vor dem Spiegel, das den Erwartungen durch die Schülervorstellung entspricht (. Abb. 3.2), löst auch dieses bei einigen – nicht bei allen – einen kognitiven Konflikt aus: Sie wissen, dass es so nicht sein kann.
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Viele Schülerinnen und Schüler meinen, bei einer Abbildung mit einer Linse wandere das Bild vom Gegenstand als Ganzes durch die Linse zum Schirm (7 Abschn. 5.2.4). So
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45
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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. Abb. 3.2 Fotomontage eines Autos vor einem Spiegel zur Erzeugung eines kognitiven Konflikts.
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. Abb. 3.3 Bei einer Änderung des Widerstands
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R1 machen Lernende falsche Vorhersagen der Stromstärken
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Iges und I2.
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±
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,JHV
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werden manche vorhersagen, dass das Bild nur noch halb zu sehen ist, wenn man die Linse halb abdeckt. Tatsächlich sieht man im Experiment ein komplettes Bild des Gegenstands; es wird nur lichtschwächer.
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z Beispiele aus der Elektrizitätslehre
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Sehr verbreitet ist die Schülervorstellung vom ‚Stromverbrauch‘, nach der der Strom in der Batterie gespeichert ist, zur Lampe fließt und dort zumindest teilweise verbraucht wird (7 Abschn. 6.2.3). Bei einer Reihenschaltung von Lampen wird deshalb beim Experiment falsch vorhergesagt, dass vor jeder Lampe die Stromstärke größer ist als nach der Lampe. Hat man vor und hinter einer Lampe einen Widerstand, wird von einigen Schülern unzutreffend vermutet, dass sich nur die Änderung des Widerstands vor dem Lämpchen auf dessen Helligkeit auswirkt.
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Falsche qualitative Vorhersagen der Stromstärken kann man auch erhalten, wenn man in einer Parallelschaltung von zwei Widerständen einen Widerstand verändert (. Abb. 3.3). Viele Schülerinnen und Schüler gehen davon aus, dass sich die Gesamtstromstärke nicht ändert. Hintergrund ist die Vorstellung, dass eine Quelle je nach ihrer ‚Stärke‘ immer eine konstante Stromstärke liefert, unabhängig von den jeweils angeschlossenen Widerständen.
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46 T. Wilhelm und H. Schecker
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z Computergestützte Veranschaulichung für Vorhersagen
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Für Vergleiche zwischen Vorhersage und Versuchsausgang eignen sich, wie die bisheri-
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gen Beispiele zeigen, qualitative und halb-quantitative Versuche sehr gut. Bei Freihand-
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versuchen fragt man einfach nach dem erwarteten Effekt bzw. Ablauf: Was passiert? Was
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wird zu sehen sein?
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Aber auch quantitative Vorhersagen und Verläufe einer Messgröße können Ausgangspunkte für Konzeptwechsel sein. Beispiele sind Vorhersagen der Form eines Graphen,
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der Vorzeichen bzw. der Richtungen einer Größe oder auch der Größenordnung einer
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Größe. Bei Realexperimenten ist eine Messwerterfassung mit dem PC hilfreich, damit nach
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Abschluss der Vorhersagen schnell ein Ergebnis präsentiert werden kann. Müssen Mess-
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werte erst „per Hand“ erhoben und ausgewertet werden, um einen Graphen zu erhalten,
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vergeht zu viel Zeit zwischen Vorhersage und Präsentation des Ergebnisses.
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Weitere Möglichkeiten für Vorhersagen ergeben sich, wenn physikalische Größen
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bei Messungen am Computer unmittelbar ikonisch dargestellt werden, etwa mit Flächen
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oder Pfeilen.5 Bei der Nutzung ikonischer Repräsentationen kann über die Form eines
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Graphen hinaus für jede Phase des Ablaufs nach der Form und Lage der Repräsenta-
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tion jeder einzelnen Größe und eventuell ihrer Änderung gefragt werden. Beispielsweise
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kann man Richtung, Länge und Änderungsverhalten des Geschwindigkeitspfeils, des
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Beschleunigungspfeils oder verschiedener Kraftpfeile vorhersagen lassen, z. B. „Wie sieht
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der Beschleunigungspfeil bei einem Fadenpendel aus, das gerade seinen tiefsten Punkt
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durchläuft?“ Schülerinnen und Schüler neigen dazu, einen Pfeil in oder gegen die Rich-
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tung der Momentangeschwindigkeit vorherzusagen, weil sie Beschleunigung nicht mit
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einer reinen Richtungsänderung in Verbindung bringen (7 Abschn. 4.2). Tatsächlich jedoch
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zeigt der Beschleunigungspfeil in diesem Augenblick zum Aufhängepunkt des Pendels.
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Vorher und nachher zeigt er schräg zur Bewegungsrichtung, da er einen Tangential- und
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einen Radialanteil hat.
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Von Vorteil beim Einsatz des Computers ist, dass die Lehrkraft die Prognosen der Ler-
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nenden nicht beurteilen muss. Die Schülerinnen und Schüler sehen es selbst am Computer,
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wenn der Ablauf nicht ihren Vorhersagen entspricht. Da sie quasi von einer dritten Instanz
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von ihrem „Fehler“ erfahren, wird das Schüler-Lehrer-Verhältnis dadurch nicht belastet.
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z Beispiele für Computereinsatz bei Versuchsvorhersagen
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Viele Schülerinnen und Schüler bringen die Beschleunigung nur mit einer Änderung des Tempos (= Geschwindigkeitsbetrags) in Verbindung. Für sie bedeutet eine positive Beschleunigung ein Schnellerwerden und eine negative Beschleunigung ein Langsamerwerden, was physikalisch falsch ist. Weil Schülerinnen und Schüler Geschwindigkeitsänderung als eine Differenz in einem Zeitintervall sehen und das für sie der wesentliche Aspekt der Beschleunigung ist, kann sich die Beschleunigung eines Körpers ihrer Meinung nach auch nur auf ein Zeitintervall beziehen. Demnach sei es nicht möglich, einem Zeitpunkt eine Beschleunigung zuzuordnen (7 Abschn. 4.2), was insbesondere bei den Umkehrpunkten zu falschen Vorhersagen führt. Für kognitive Konflikte eignen sich deshalb insbesondere Bewegungen mit Richtungsumkehr. Denkbar ist hier der höchste
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5 Wilhelm (2005)
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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Zeit: 00:00:075 Zeit: 00:00:200 Zeit: 00:00:325 Zeit: 00:00:450 Zeit: 00:00:575 Zeit: 00:00:700 Zeit: 00:00:825 Zeit: 00:00:950 Zeit: 00:01:075
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. Abb. 3.4 Geschwindigkeit (grün) und Beschleunigung (blau) bei einem fallenden und wieder hochspringenden Flummi.
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Punkt beim senkrechten Wurf nach oben, der tiefste Punkt beim Trampolinspringen6 oder die Umkehrpunkte bei einer Schwingung. Messbar ist das mit einem computerbasierten Messwerterfassungssystem mithilfe von Sensoren (Ultraschallsensor, Messlaufrad, Lasersensor, Beschleunigungssensor) oder mit einem Videoanalyseprogramm, d. h. einem Programm zur Analyse von Bewegungsvideos. Die Messwerte können mit Pfeilen oder in einem Diagramm dargestellt werden.
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. Abb. 3.4 zeigt ein Serienbild eines fallenden Flummis aus einem Videoanalyseprogramm. Man sieht, dass die Beschleunigung (blau) bis auf den Bodenkontakt (Teilbild 4) konstant ist. Die Abwärtsfallbewegung (Teilbild 1 bis 3) ist noch einfach vorherzusagen. Schwerer fällt es Schülerinnen und Schülern, bei der Aufwärtsbewegung (Teilbild 5 und 6) die Beschleunigung gegen die Bewegungsrichtung vorherzusagen. Einen besonders starken kognitiven Konflikt durch einen erwartungswidrigen Ausgang kann die Vorhersage für den oberen Umkehrpunkt auslösen (Teilbild 7), bei dem die Geschwindigkeit (grün) null ist. Gemäß einer typischen Schülervorstellung kann für diesen Zeitpunkt keine Beschleunigung angegeben werden oder die Beschleunigung müsste hier wie die Geschwindigkeit null sein.
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Auch zur Form eines Orts-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsgraphen kann eine Vorhersage erfragt werden, was vor allem bei Bewegungen mit veränderlichen Kräften interessant ist. . Abb. 3.5 zeigt ein Orts-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdiagramm eines schwingenden Federpendels (gemessen mit einem Messlaufrad). Auch hier gibt es Zeitpunkte (0,84 s; 1,65 s), an denen die Geschwindigkeit (grün) null ist, aber nicht die Beschleunigung (blau). Besonders lohnend kann es sein, die Vorzeichen der Beschleunigung vorhersagen zu lassen. Einfach ist dies bei den Phasen 1 und 2, bei denen zunächst ein Schnellerwerden zu einer positiven Beschleunigung gehört und ein Langsamerwerden zu einer negativen Beschleunigung. In der Phase 3 wird der Pendelkörper aber wieder (in negative Richtung) schneller, obwohl eine negative Beschleunigung vorliegt, während in Phase 4 beim Langsamerwerden (noch in negative Richtung) eine positive Beschleunigung auftritt.
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6 Suleder, Wilhelm und Heuer (2004)
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48 T. Wilhelm und H. Schecker
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Y Lineare Geschwindigkeit (m/s) Lineare Beschleuningung (m/s^2)
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0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0
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Zeit(s)
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. Abb. 3.5 Messung von Ort (rot), Geschwindigkeit (grün) und Beschleunigung (blau) bei einem schwingenden Federpendel zur Erzeugung kognitiver Konflikte.
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z Ablauf beim Experimentieren mit Vorhersagen
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Bei der unterrichtlichen Behandlung eines Experiments mit Vorhersagen kann man sich an folgenden Schritten orientieren: 1. Die Lehrkraft zeigt die Versuchsanordnung und beschreibt, was beim Versuch
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gemacht wird. 2. Die Schülerinnen und Schüler machen (eventuell schriftlich auf einem vorbereiteten
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Antwortbogen) Vorhersagen zum Ausgang oder bezogen auf einzelne charakteristische Versuchsphasen. Eine kurze Partnerarbeitsphase kann sinnvoll sein, um Diskussionen zwischen den Lernenden anzuregen. 3. Die Lehrkraft sammelt die Vorhersagen und stellt sie vergleichend nebeneinander. Sie bittet gegebenenfalls um Begründungen, wertet diese aber ebenso wenig wie die Prognosen selbst. 4. Die Lehrkraft führt das Experiment durch (mit oder ohne Computerunterstützung). 5. Die Schülerinnen und Schüler vergleichen das Ergebnis mit ihren Vorhersagen. Beim Computereinsatz kann das oftmals bereits parallel zur Versuchsdurchführung erfolgen. 6. Einzelne Schülerinnen oder Schüler beschreiben den Versuchsverlauf und den Unterschied zu ihrer Vorhersage. 7. Im Klassengespräch wird eine Erklärung für den Versuchsverlauf und die unzutreffenden Vorhersagen gesucht. Dabei werden auch unterschiedliche Erklärungen gefunden und gegeneinander abgewogen.
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Diese Schritte werden gegebenenfalls mehrfach durchlaufen, wobei unterschiedliche Vorhersagen gefordert werden, z. B. zu verschiedenen Phasen des Ablaufs. Bei einem Computereinsatz können beim gleichen Ablauf auch Vorhersagen zu verschiedenen Repräsentationen der gleichen Größe eingefordert werden, z. B. zur Darstellung durch ikonische Repräsentationen und durch Graphen.
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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3.2.2 Mögliche Probleme des Vorgehens
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Das beschriebene Vorgehen hat zwei potenzielle Probleme. Zum einen besteht bei der Aufforderung zu Vorhersagen, bei denen man erwartet, dass Schülervorstellungen zu falschen Prognosen führen, die Gefahr, dass Lernende dazu verleitet werden, vorhandene Vorstellungen zu aktivieren, die sonst vielleicht gar nicht im Unterricht zum Tragen gekommen wären. Die Lehrkraft muss abwägen, ob die Schülervorstellungen so stark und so verbreitet in der Lerngruppe vorhanden sind, dass sie ohnehin beim Nachdenken über die experimentelle Fragestellung aktiviert werden, auch ohne sie explizit zu äußern. Bei den oben genannten Beispielen liegt dies nach Ergebnissen der physikdidaktischen Forschung nahe. Zum anderen können falsche Vorhersagen in Erinnerung bleiben, obwohl im Unterricht die korrekte Lösung erarbeitet wurde. Hier ist es z. B. wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler – unterstützt durch entsprechende Tafelanschriebe – in ihren Hefteinträgen Vermutungen vor einem Experiment stets deutlich als solche kennzeichnen und vom tatsächlichen Ergebnis abgrenzen.
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Fraglich ist bei diesem Vorgehen zudem immer, ob die Schülerinnen und Schüler auch wirklich den Unterschied zwischen dem Ausgang des Experiments und ihren Vorhersagen erkennen oder ob sie ihre Vorstellungen in das Experiment „hineinsehen“. Aus der Literatur sind Fälle bekannt, in denen Schülerinnen und Schüler behaupten, bei einem Experiment das beobachtet zu haben, was sie erwarteten, obwohl dies gar nicht der Fall war.7 Dies kann z. B. auftreten, wenn Schülerinnen und Schüler erwarten, ein eingespannter Widerstandsdraht beginne auf der Seite zuerst zu glühen, „wo der Strom zuerst ankommt“, oder in der Mitte, „wo die Ströme von den Polen aufeinanderprallen“ (statt überall gleichzeitig)8. Deshalb ist die genaue Darstellung des Versuchsablaufs entscheidend und das Ergebnis sollte möglichst eindeutig sein. Hierfür sind Messwerte oder ikonische Darstellungen physikalischer Größen geeigneter als die direkte Beobachtung eines Experiments.
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Wenn die Schülerinnen und Schüler sehen, dass der Versuchsausgang ihren Vorstellungen widerspricht, lösen sie die Diskrepanz oftmals durch Ad-hoc-Annahmen auf. Das bedeutet, sie finden eine Erklärung, warum in diesem speziellen Fall ihre Vorhersage falsch war, obwohl ihre Vorstellung richtig ist. Somit sehen sie keinen Widerspruch zu ihren Vorstellungen. Selbst bei Erkennen einer Diskrepanz ändern Schülerinnen und Schüler deshalb noch nicht zwangsläufig ihre Sichtweise.9 Dieses Verhalten, von den vorhandenen Ansichten und Bewertungen nicht vorschnell abzuweichen, ist im Alltag häufig angemessen (und auch in der Forschung rational). Deshalb reicht es nicht, nur einen Ablauf zu betrachten, sondern es müssen mehrere, durchaus unterschiedliche Abläufe betrachtet und analysiert werden, die das gleiche physikalische Konzept verdeutlichen und bei denen immer wieder die Schülervorstellungen infrage gestellt werden. Entscheidet man sich für ein solches Vorgehen, ist zu bedenken, dass die Verunsicherung der Schülerinnen und Schüler, die anschließende Diskussion der Schülervorstellungen sowie
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7 Beispiele wurden u. a. beschrieben zum Stromkreis (Duit, 1989, S. 37; Duit, 1992, S. 283) und zu Bewegungen (Duit, 1989, S. 37 f.; Duit, 1992, S. 283)
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8 Schlichting (1991, S. 77) 9 Duit (1993a, S. 5)
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50 T. Wilhelm und H. Schecker
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deren Kontrastierung mit der physikalischen Vorstellung viel Unterrichtszeit in Anspruch
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nehmen. Das empfiehlt sich dann, wenn Schülervorstellungen aus der Forschung und
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Unterrichtspraxis gut bekannt sind und sie zentrale physikalische Konzepte betreffen.
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Problematisch ist es hingegen, wenn Lernende in Bereichen, in denen sie kaum Vor-
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stellungen haben, aufgefordert werden, ihre Vorstellungen ausführlich explizit zu for-
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mulieren und damit erst einmal eine neue Theorie konstruieren. Während sie vorher nur eine Präferenz für die Einordnung des Phänomens haben, werden so explizit formulier-
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bare Fehlvorstellungen erzeugt. Wiesner stellte das z. B. im Optikunterricht fest. Wenn
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die Schülerinnen und Schüler ihre Vorstellungen im Verlauf der Diskussion erst einmal
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zu einer gewissen Reife gebracht haben, ist eine Widerlegung der unerwünschten bzw. die
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Akzeptanz der physikalischen Vorstellungen schon aus Zeitgründen erheblich erschwert.10
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Daraus folgt, dass die Methode des Hervorlockens von Schülervorstellungen am Anfang
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einer Unterrichtseinheit nicht in allen Gebieten der Schulphysik sinnvoll ist.11
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Es gibt nicht zu allen Schülervorstellungen geeignete Experimente, mit denen man
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kognitive Konflikte erzeugen kann. Die Experimente müssen ja so beschaffen sein, dass
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die Schülerinnen und Schüler wahrscheinlich falsche Vorhersagen machen, aber danach
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gut erkennen, dass das Experiment anders abläuft. In einigen Gebieten kann man auf
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Gedankenexperimente oder auf Simulationen zurückgreifen, etwa zur Elektronenlokali-
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sation beim Doppelspaltexperiment (7 Abschn. 10.3).
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Zusätzlich zu den erwähnten Problemen gibt es die emotional begründete Schwie-
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rigkeit, dass sich viele Schülerinnen und Schüler nur ungern auf kognitive Konflikte ein-
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lassen. Dreyfus berichtet aus einem solchen Unterricht, dass leistungsstarke, erfolgreiche
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Schülerinnen und Schüler enthusiastisch auf kognitive Konflikte reagierten und ihnen
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der verblüffende Effekt der Methode und die Konfrontation mit neuen Problemen gefiel.
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Leistungsschwächere Schülerinnen und Schüler, die den Konflikt nicht auflösen konnten,
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entwickelten dagegen negative Selbstbilder, negative Einstellungen zur Schule und zu schu-
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lischen Aufgaben und einen hohen Grad an Angst.12
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3.3 Aufbaustrategien für einen kontinuierlichen Lernweg
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3.3.1 Die Idee des Aufbaus
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z Begründung der Aufbaustrategie Viele Studien zeigen, dass Schülervorstellungen nicht durchgängig konsistent und nicht so stabil sind, wie man das von einer vernetzten Theorie erwarten würde. Sie sind stattdessen vielfältig, widersprüchlich und kontextabhängig (7 Abschn. 2.4.2). Ein Lernender verfügt oft über mehrere unterschiedliche Vorstellungen gleichzeitig. Mandl spricht hier von Wissenskompartmentalisation (Mandl, Gruber & Renkl, 1993a,b) und Hartmann (2004) von Erklärungsvielfalt. In schriftlichen und mündlichen Äußerungen zeigen sich Widersprüche, Sprünge und Wechsel in der Argumentation. Wird die Problemstellung geringfügig
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10 Wiesner (1992, S. 290) 11 Grob, Menschel, Reiche, v. Rhöneck und Schreier (1993, S. 365) 12 Dreyfus, Jungwirth und Eliovith (1990, S. 565)
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51
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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geändert, ergeben sich deutliche Änderungen in der Art der geäußerten Schülervorstellungen. DiSessa (1993) meint entsprechend, Schülerinnen und Schüler hätten viele diskrete, fragmentierte Wissenselemente sowie einfache Schlussregeln, die er „p-prims“ („phenomenological primitives“) nennt, und diese würden je nach Situation unterschiedlich stark aktiviert (7 Abschn. 2.4.3). Diese Vorstellungen sind bei Novizen also nicht in eine theorieähnliche Struktur eingebettet, sondern weitgehend isolierte Elemente. Sie werden abhängig von den speziellen Situationen und konkreten Formulierungen einer Aufgabenstellung mit unterschiedlicher Priorität aktiviert. Lernen heißt demnach, das richtige p-prim zu aktivieren und es dann richtig anzuwenden.
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Werden in der Lernsituation von den Lernenden für die Konstruktion der physikalischen Begriffe ungeeignete Wissenselemente aktiviert, treten Lernschwierigkeiten auf. Die Fachdidaktik muss daher geeignete Lernaufgaben und Experimente bereitstellen, in denen anknüpfungsfähiges Vorwissen aktiviert wird. Lerneffektive Lehrgänge müssen so konstruiert werden, dass das Auftreten von Lernschwierigkeiten durch das Aktivieren ungeeigneter Vorstellungen möglichst vermieden wird, aber gleichzeitig für die Begriffsentwicklung geeignete Vorstellungen aktiviert werden. Die Designvorschrift für den Unterricht muss damit lauten: Finde die Schlüsselreize, die aus diesem Pool die für die begriffliche Entwicklung besonders geeigneten, anknüpfungsfähigen p-prims aktivieren.13
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Ein solcher Unterricht bedarf einer durchdachten Führung durch die Lehrkraft. Eine überwiegend auf eigenständigem Entdecken von Zusammenhängen durch die Schülerinnen und Schüler ausgerichtete Unterrichtsgestaltung („inquiry-based“) hat sich weder fächerübergreifend14 noch in den Naturwissenschaften15 als besonders effektiv erwiesen. In einer offenen Lernumgebung mit Schwerpunkt auf selbstentdeckendem Lernen sind insbesondere leistungsschwächere Schülerinnen und Schüler oftmals kognitiv überfordert. Physikalische Grundideen sollten deshalb vorwiegend angeleitet durch direkte Lehrer-Instruktion eingeführt werden. Anwendungen sollten dagegen problemorientiert, offen und schülerzentriert durchgeführt werden. Hier haben die Lernenden mit dem zuvor durch die Lehrkraft vermittelten Vorwissen eine Chance, die physikalischen Sachverhalte eigenständig zu durchdenken und zu sinnvollen Ergebnissen zu kommen.
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Die didaktische Aufgabe besteht demnach darin, ein Lernangebot sowie Experimente zu entwickeln, mit denen durch geeignete Schlüsselreize anknüpfungsfähige vorunterrichtliche Vorstellungen aktiviert werden. Man sucht nach Angeboten, die geeignete Rahmenvorstellungen aktivieren und mit deren Hilfe neue Begriffe oder Zusammenhänge entwickelt werden.
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z Varianten von Aufbaustrategien
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Man kann drei Varianten von Aufbaustrategien unterscheiden, die in der Praxis aber ineinander übergehen: Umgehen, Anknüpfen und Umdeuten. Bei der ersten Variante des Umgehens versucht man den Unterricht inhaltlich so aufzubauen, dass bekannte, fachlich falsche Schülervorstellungen gar nicht erst aktiviert werden; sie sollen vielmehr bewusst umgangen werden. Am Beginn einer neuen Unterrichtsthematik wird dabei nicht auf die
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13 Wiesner et al. (2010) 14 Hattie (2009, S. 201) 15 Minner, Levy und Century (2010, S. 20)
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52 T. Wilhelm und H. Schecker
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vorhandenen Vorstellungen eingegangen, sondern zügig das physikalische Konzept vor-
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gestellt – auch auf die Gefahr hin, dass die Schülervorstellungen unverändert bestehen
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bleiben und die physikalische Darstellung zunächst einen isolierten Wissensbereich bildet.
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Um ein unbewusstes und unverbundenes Nebeneinander von physikalischer Sicht und
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Alltagssicht zu verhindern, muss im Nachhinein, wenn eine gewisse Sicherheit in der
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Anwendung der physikalischen Konzepte erreicht ist, ein Vergleich stattfinden. Ein Beispiel ist die holistische Vorstellung, bei einer Linse löse sich ein Bild vom Gegenstand ab
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(7 Abschn. 5.2.4) und wandere als Ganzes durch die Linse; diese Vorstellung wird beim
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Sender-Strahlungs-Empfänger-Konzept bewusst umgangen (7 Abschn. 3.3.2). Dieses Vor-
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gehen bietet sich insbesondere in Themenbereichen an, in denen wenige Vorstellungen
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vorhanden sind, wie in der Wärmelehre (7 Abschn. 7.3).
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Die zweite Variante besteht im Anknüpfen an ausbaufähige Vorstellungen zu bestimm-
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ten Begriffen, um diese zu physikalisch korrekten Vorstellungen weiterzuentwickeln. Aus-
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gangspunkt sind Erfahrungen, deren Alltagsverständnis möglichst wenig mit der phy-
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sikalischen Sicht kollidiert. Diese Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler werden
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weiterentwickelt und geändert, ohne den Schülerinnen und Schülern zu schnell physika-
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lisches Wissen überzustülpen und zu schnell Fachtermini zu verwenden. Die Schwierig-
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keit dabei ist, Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler zu finden, die dafür geeignet
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sind. Ein Beispiel ist die Vorstellung, die Geschwindigkeit eines Körpers werde durch die
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einwirkende Kraft bestimmt (7 Abschn. 3.3.2).
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Eine dritte Variante ist die des Umdeutens. Hierbei sagt man den Schülerinnen und
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Schülern bewusst nicht, dass ihre Vorstellungen aus der Sicht der Physik falsch sind,
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sondern betont, dass sie im Prinzip etwas Richtiges denken, aber die Physik dafür andere
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Begriffe benutzt. Ein Vorteil dieses Umdeutens liegt sicherlich auf der emotionalen Ebene,
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da dies ermutigend statt entmutigend wirkt.
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Beispielsweise denken Schülerinnen und Schüler in der Elektrizitätslehre häufig,
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dass in der Batterie „Strom gespeichert“ ist und im Lämpchen „Strom verbraucht“ wird.
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Der Lehrer bemüht sich nun um eine Umdeutung, indem er betont, dass in der Batte-
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rie „chemische Energie gespeichert“ ist, die in „elektrische Energie umgewandelt“ wird.
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In dem Lämpchen wird die elektrische Energie in Licht und Wärme umgewandelt, also
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quasi „verbraucht“. In der Mechanik kann gesagt werden, dass das, was Schülerinnen
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und Schüler mit „Geschwindigkeit“ bezeichnen, in der Physik mit „Schnelligkeit“ oder
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„Tempo“ oder „Geschwindigkeitsbetrag“ bezeichnet wird, während der physikalische
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Begriff „Geschwindigkeit“ eine Richtung bzw. ein Vorzeichen hat. Man kann auch ver-
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mitteln, dass die „Kraft in Richtung der Bewegung“ in der Physik „Impuls“ heißt. Bei der
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Behandlung des dritten Newton’schen Gesetzes glauben Schülerinnen und Schüler bei
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Stößen unterschiedlich schwerer Körper, dass der schwerere eine größere Kraft auf den
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leichteren ausübt als umgekehrt. Hier wird den Schülerinnen und Schülern mitgeteilt,
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dass hinter ihrer Auffassung eine richtige Erkenntnis steht: Die beobachtbaren Wirkun-
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gen, nämlich die Beschleunigungen, sind betragsmäßig unterschiedlich, die Beträge der
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Kräfte allerdings nicht.
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z Nutzung von Analogien
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Gerne werden bei Aufbaustrategien Analogien benutzt. Dahinter steht die Idee, dass den Schülerinnen und Schülern ein Analogbereich (d. h. ein Bereich, von dem ausgegangen wird) vertraut ist und sie dort fachlich korrekte Vorstellungen haben. Sie werden dann
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3
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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. Abb. 3.6 Experiment im Rahmen einer Aufbaustrategie mit einer Analogie: Luft strömt von einem Bereich höheren Drucks im Luftballon zu einem Bereich niedrigeren Drucks16.
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ermuntert, diese Erkenntnisse auf einen anderen Bereich zu übertragen. Beispielsweise werden beim Elektronengasmodell17 das elektrische Potenzial mit dem Luftdruck und die Spannung mit Druckdifferenzen verglichen. In Experimenten (. Abb. 3.6) kann man feststellen, dass Luft immer von Bereichen hohen Drucks zu Bereichen niedrigeren Drucks strömt. Damit wird an korrekte Vorstellungen angeknüpft und eine Vorstellung von Potenzial und Spannung aufgebaut.
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Nicht hilfreich ist eine Analogie, wenn die Schülerinnen und Schüler im Analogbereich schon unwissenschaftliche Vorstellungen haben, z. B. zum Wasserdruck und der Wasserströmung in ebenen geschlossenen Wasserkreisläufen18. Außerdem nützt eine Analogie nichts, wenn die Schülerinnen und Schüler sie nicht akzeptieren, da sie sich eher an Äußerlichkeiten der Analogie (Oberflächenstruktur) als an physikalischen Gesetzmäßigkeiten (Tiefenstruktur) orientieren. Zudem stimmen die beiden zu vergleichenden Bereiche nie vollständig überein.
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Eine spezielle Aufbaustrategie stellt die Verwendung von Analogien in einer Art Überbrückungsstrategie dar.19 Ausgangspunkt ist eine von den Lernenden physikalisch richtig gesehenen Situation, genannt Ankersituation. Darauf bezogen wird versucht, eine Analogie zu einer noch falsch verstandenen Situation, genannt Zielsituation, herzustellen, indem man eine weitere Situation, die Überbrückungssituation, zwischenschaltet. Ein Beispiel: Bei der Zielsituation „Ein Buch liegt auf dem Tisch“ sehen die Schülerinnen und Schüler nicht die Kraft des Tisches auf das Buch. Hingegen erkennen sie in der Ankersituation „Ein Buch liegt auf einer Feder“ eine Kraft der Feder nach oben auf das Buch, lehnen eine Analogie zwischen den beiden Situationen anfangs jedoch ab. In ihrer Vorstellung kann ein ‚passiver‘ Tisch, „der einfach nur so dasteht“, keine ‚aktive‘ Kraft auf das Buch ausüben. Er verhindere lediglich das Herunterfallen des Buches. Als Überbrückungssituation kann ein auf einer recht biegsamen Tischplatte liegendes schweres Buch
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16 Burde und Wilhelm (2016b)
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17 Burde und Wilhelm (2016b)
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18 Burde und Wilhelm (2016a)
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19 Clement (1993)
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54 T. Wilhelm und H. Schecker
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verwendet werden oder ein kleines Modell eines Tisches mit biegsamer Tischplatte, z. B. aus Federstahl. Hier sehen die Schülerinnen und Schüler sowohl eine Analogie zur Ankerals auch zur Zielsituation und dann hoffentlich auch zwischen diesen beiden. Ein zweites Beispiel: Bei der Haftreibung zwischen einer Unterlage und einem Klotz (Zielsituation) lehnen es Schülerinnen und Schüler auf Grundlage des gleichen Aktiv-Passiv-Schemas
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3 (7 Abschn. 4.3) ab, dass die Unterlage eine gerichtete Kraft auf den Klotz ausübt. Sie sehen
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die Reibung nur als ungerichteten Widerstand gegen die Bewegung an. Bei der Ankersituation „Ziehen an einer Feder“ wird dagegen eine rücktreibende Kraft erkannt. Als Brücke kann die Bewegung einer Bürste auf einer anderen sein, bei der die Haare bzw. Borsten der als Unterlage dienenden Bürste die Bewegung der anderen hemmen und auf diese eine gerichtete Kraft ausüben. Allerdings gibt es nur wenige ausgearbeitete Beispiele, bei denen man zu einer Zielsituation auch noch eine passende Anker- und Überbrückungssituation findet.
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3.3.2 Beispiele für Aufbaustrategien
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Einige bekannte Unterrichtskonzepte, die sich in Wirkungsstudien als erfolgreich zeigten, haben Aufbaustrategien eingesetzt. In Kenntnis der Schülervorstellungen werden darin bestimmte Elemente der physikalischen Sachstruktur anders als bis dahin üblich eingeführt und erklärt.
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z Optik Eine Aufbaustrategie zur Strahlenoptik legten Herdt und Wiesner vor.20 Ihr zentrales Element besteht darin, stets den Weg des Lichtes vom Gegenstand durch das optische System zum Auge zu ermitteln und so eine Sender-Strahlungs-Empfänger-Vorstellung aufzubauen („Frankfurter Optik-Konzept“). Am Anfang ist es dabei sehr wichtig, den Schülerinnen und Schülern den Sehvorgang und dazu die Streuung an Oberflächen deutlich zu machen. Bei Linsen werden auch im Experiment Lichtkegel betrachtet, die ein Gegenstandspunkt aussendet und die durch die Linse auf Bildpunkte zusammengeführt werden (Punkt-zu-Punkt-Abbildung bzw. Leuchtfleck-zu-Bildfleck-Schema). Das Sender-Strahlungs-Empfänger-Schema wird so stark betont, weil man aus der Schülervorstellungsforschung weiß, dass Schülerinnen und Schüler zu Licht eher statische Vorstellungen haben: „Licht erfüllt den Raum wie ein Lichtmeer“, „Das Vorhandensein von Licht macht Gegenstände sichtbar“ (7 Abschn. 5.2.1). Ohne eine physikalisch angemessene Grundvorstellung von den Lichtwegen bleiben Strahlengangskonstruktionen für Schülerinnen und Schüler formale Übungen ohne Vorstellungsgehalt.
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Bei der Linse denken viele Schülerinnen und Schüler, das Bild löse sich vom Gegenstand ab und wandere als Ganzes durch die Linse. Die Unterrichtskonzeption berücksichtigt diese holistische Vorstellung mit der Punkt-zu-Punkt-Abbildung implizit, ohne sie jedoch im Unterricht explizit zu konfrontieren.
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20 Herdt (1989)
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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. Abb. 3.7 Ergebnis des senkrechten Stoßes auf eine rollende Stahlkugel (dargestellt im Videoanalyseprogramm measure dynamics) zum Aufbau einer korrekten Vorstellung vom Begriff „Kraft“.
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dv
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vE
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vA
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z Newton’sche Dynamik Ein Schlüsselreiz im Rahmen der Aufbaustrategie für die Newton’sche Dynamik ist der senkrechte Stoß: Eine schwere Stahl- oder Billard-Kugel kommt im Experiment von links angerollt und erhält einen kurzen Stoß senkrecht zur Bewegungsrichtung (. Abb. 3.7). Schülerinnen und Schüler erwarten, dass die Geschwindigkeit nach dem Stoß in Richtung der wirkenden Kraft orientiert ist (Vorstellung: „Die Kraft bestimmt die Bewegung“). Sie vermuten sogar, dass das Tempo der Kugel proportional zur Krafteinwirkung ist. Tatsächlich rollt die Kugel aber schräg weiter (. Abb. 3.7). Den Schülerinnen und Schülern wird nun aufgezeigt, dass die Anfangsgeschwindigkeit erhalten bleibt, aber in Stoßrichtung tatsächlich eine Zusatzgeschwindigkeit dazukommt, deren Tempo proportional zur Kraft ist.21 Damit kommt man den Schülerinnen und Schülern entgegen: Die Schülervorstellung, dass die (End-)Geschwindigkeit in Richtung und Betrag durch die Kraft bestimmt ist, wird so in den Zusammenhang zwischen Kraft und Zusatzgeschwindigkeit umgedeutet. Außerdem wird vermittelt, dass Kraft eine Einwirkung ist, die die Geschwindigkeit ändert.
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z Druck Schülerinnen und Schüler sehen Druck als gerichtete Einwirkung auf einen Körper an. Diese Vorstellung entspricht einer Kraft: Es wird auf etwas gedrückt. In der Physik ist der Druck aber eine ungerichtete Zustandsgröße. So beschreiben Schülerinnen und Schüler Druckphänomene nicht über Druckzustände, sondern über Bewegungen. Eine mögliche Aufbaustrategie besteht darin, Druck als das Gepresstsein eines Gases oder einer Flüssigkeit einzuführen, dann lange damit qualitativ zu argumentieren und erst sehr spät die Definitionsgleichung p = F/A einzuführen.22 Im Vordergrund stehen damit Experimente, bei denen Druckdifferenzen auftreten (. Abb. 3.8).
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21 Wiesner et al. (2016); Wilhelm, Tobias, Waltner, Hopf und Wiesner (2012) 22 Wodzinski (2000)
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56 T. Wilhelm und H. Schecker
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. Abb. 3.8 Die Luft in der mit der Hand verschlossenen und zusammengedrückten PET-Flasche ist gepresst, was erst beim Entfernen der Hand deutlich wird, weil dann die gepresste Luft den Luftballon aufbläst.
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Vermieden werden Experimente, bei denen Schülerinnen und Schüler auf Bewegungen achten, wie die Spritzkugel oder das Kraft-Druck-Gerät. Es wird also an Erfahrungen mit Zusammenpressen und Gepresstsein angeknüpft und Erfahrungen mit Drücken in eine bestimmte Richtung werden möglichst nicht aktualisiert.
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3.4 Thematisieren von Schülervorstellungen
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z Die Frage nach dem Zeitpunkt Bei den verschiedenen Modellen des Umgangs mit Schülervorstellungen im Physikunterricht spielt die Frage eine Rolle, ob und in welcher Phase des Unterrichts man Schülervorstellungen thematisieren soll. Wenn Lernen nur auf der Basis von und in Wechselwirkung mit dem vorhandenen Wissen und den vorhandenen Vorstellungen möglich ist, dann müssen die wichtigsten Schülervorstellungen im Unterricht irgendwann thematisiert und den physikalischen Vorstellungen gegenübergestellt werden. Sonst besteht die Gefahr, dass neue Informationen so selektiert und transformiert werden, dass sie in die vorhandene kognitive Struktur eingepasst werden bzw. diese erweitern, ohne sie im Kern zu verändern.23 In welcher Unterrichtsphase die Thematisierung von Schülervorstellungen geschieht, hängt davon ab, welchen Lernweg man plant.
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Wer die Schülervorstellungen für kognitive Konflikte nutzen will, muss sie am Anfang eines Lehrgangs bewusst machen, um sie dann infrage zu stellen (. Abb. 3.9). Nach einem
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23 Schecker (1984, S. 179)
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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. Abb. 3.9 Übersicht über den Unterrichtsablauf bei einer Strategie, die Schülervorstellungen und physikalische Vorstellungen kontrastiert24.
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Orientierung
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Hervorlocken von Schülervorstellungen
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Vergleich mit den ursprünglichen Vorstellungen
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Umstrukturieren der Schülervorstellungen Klärung und Austausch
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Konfliktsituationen aussetzen Konstruktion neuer Vorstellungen Bewertung der neuen Vorstellungen
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Anwendung der Vorstellungen
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kritische Reflexion der Änderung der Vorstellungen
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erfolgreichen Unterricht kann man dann den Schülerinnen und Schülern nochmals ihre ursprünglichen Vorstellungen, ihren Konzeptwechsel und ihren Lernfortschritt aufzeigen, wenn die aufgedeckten Vorstellungen schriftlich festgehalten wurden. Wie in 7 Abschn. 3.3.2 dargelegt, ist es allerdings kontraproduktiv, wenn Schülerinnen und Schüler in Gebieten, in denen sie kaum Vorstellungen haben, dazu aufgefordert werden, Vorstellungen zu formulieren und damit solche erst zu schaffen, die man anschließend mit den physikalischen Vorstellungen konfrontieren muss.
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Bei einer Aufbaustrategie beginnt man nicht mit dem Thematisieren der Vorstellungen. Ein Ziel kann aber sein, im Unterricht ein solches Lernklima zu schaffen, dass Schülervorstellungen während der Behandlung des Lehrstoffs von selbst hervorkommen. Damit hat man als Lehrkraft die Schülervorstellungen genau an der Stelle im Unterricht, an der man sie wirklich thematisieren sollte, und auch nur solche, die potenziell stabil sind und dann Lernschwierigkeiten bewirken. Die Herausforderung besteht darin, ein Unterrichtsklima zu schaffen, in dem sich die Schüler trauen, ihre Vorstellungen zu äußern. Dabei müssen die Lernenden ihre Vorstellungen nicht selbstständig perfekt ausformulieren, sondern die Lehrkraft kann auf entsprechende Schüleräußerungen reagieren, indem sie diese zurückspiegelt: „Habe ich dich richtig verstanden, dass du meinst, Metall sei immer kälter als Holz?“ oder „Viele Schüler denken, dass die Straße keine Kraft auf das Auto ausüben kann, siehst du das auch so?“. Das bedeutet, dass die Lehrkraft die Schülervorstellung, die sie zu erkennen glaubt, formuliert und den Lernenden fragt, ob er dies so gemeint hat. Voraussetzung ist, dass die Lehrkraft typische Schülervorstellungen kennt und auf deren Auftreten in Schüleräußerungen achtet.
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24 Flussdiagramm nach Driver (1989, S. 88) und Duit (1993a, S. 6)
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58 T. Wilhelm und H. Schecker
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. Abb. 3.10 Übersicht über den Unterrichtsablauf bei einer Aufbaustrategie25.
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Wiederholen an
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geeigneten Stellen
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Orientierung
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Einführung des physikalischen Konzeptes Phänomene demonstrieren Konzept vorstellen Ergebnissicherung Beispiele für Anwendungen
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Gegenüberstellung von physikalischem Konzept und Schülervorstellungen
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Üben, Vertiefen,Transfer
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, erst das physikalische Konzept ohne eine Thematisierung von Schülervorstellungen vorzustellen und dieses danach mit den Schülervorstellungen zu vergleichen (. Abb. 3.10). Durch diesen nachträglichen Vergleich kann einer eventuell entstandenen Kompartmentalisierung von korrektem und inkorrektem Wissen entgegengewirkt werden und ein Clusterbegriff wie „Kraft“ in verschiedene physikalische Begriffe (Kraft, Impuls, Energie etc.) differenziert werden.
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z Voraussetzungen für das Gespräch mit den Lernenden
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Zur Thematisierung der Schülervorstellungen ist das Gespräch zwischen Lernenden und Lehrenden nötig. Im Dialog, in dem die Schülervorstellungen ernst genommen und diskutiert werden, können sich die Lernenden ihrer eigenen Ideen und Vorstellungen wie auch derer ihrer Mitschüler bewusst werden. Aufgabe der Lehrkraft ist es, ein vertrautes Lehr-Lern-Klima zu schaffen, in dem die Schülerinnen und Schüler frei über ihre Vorstellungen diskutieren können.26
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Das eigenständige Denken der Lernenden und damit ihre Beobachtungen, Ideen und Fragen dürfen nicht durch Nichtbeachten, sinnveränderndes Umformulieren oder Warten auf die richtige Antwort unterdrückt werden. Die Lehrkraft braucht Geduld, Verständnis und Interesse für die Ansätze der Schülerinnen und Schüler, die zu eigenem Denken ermutigt werden sollen. „Falsche“ Schülerantworten dürfen weder ignoriert noch als Ausrutscher oder Versehen abgetan werden. Auch der alleinige Hinweis, eine Aussage oder Vorhersage sei falsch, genügt hier nicht. Ebenso wenig genügt es, die physikalische Darstellung eines Sachverhalts nochmals auf gleiche Weise zu wiederholen, ohne auf das tieferliegende Verständnisproblem der Lernenden einzugehen.
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25 z. B. Wiesner (1994, S. 8); Jung, Wiesner und Engelhard (1981, S. 9f.) 26 Grob, Menschel, Reiche, v. Rhöneck und Schreier (1993, S. 365)
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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Da Schülervorstellungen weit verbreitet sind und als Alltagsvorstellungen bei Menschen verschiedenen Alters zu finden sind, dürfen Physikexperten ihnen nicht mit Entsetzen – „Wie kann man nur auf eine solche Idee kommen?“ – begegnen27, sondern es ist mit Verständnis zu reagieren. Da sie einen willkommenen Gesprächsanlass geben, darf sich eine Lehrkraft sogar freuen, wenn Schülerinnen und Schüler diese äußern. Auch in der Wissenschaft Physik haben Begriffe eine Ideengeschichte – mit Vorläufern, die an manche Schülervorstellung erinnern – und erkannte Irrwege wurden zum Ausgangspunkt für neue fachliche Erkenntnisse. Deshalb wird für einen Unterricht plädiert, in dem Fehler als Lerngelegenheit ihr eigenes Recht haben, in dem Schülerinnen und Schüler Fehler als entwicklungsfördernde Ereignisse erleben und der eine „Kultur des Fehlermachens und der Fehlerauswertung“ pflegt.28
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z Fazit
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Abschließend kann festgestellt werden, dass die meisten in der Literatur vorgeschlagenen Unterrichtsstrategien in etwa dem folgenden Muster folgen: 1. Die Schülerinnen und Schüler machen eigene Erfahrungen mit den Phänomenen,
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indem sie selbst aktiv experimentieren oder indem sie ein Phänomen gezeigt bekommen bzw. einen Versuchsausgang vorhersagen sollen. 2. Im Zusammenhang damit werden entweder bewusst die Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler aktiviert, weil man einen kognitiven Konflikt dazu anstrebt, oder die Schülervorstellungen werden bewusst umgangen, da man eine Aufbaustrategie verfolgen will. 3. Die Lehrkraft bringt die wissenschaftliche Sicht ein, die Schülerinnen und Schüler nicht selbst entdecken können. Ihr Nutzen wird im Unterricht diskutiert. 4. Es werden Anwendungen der neuen Sichtweise auf neue Beispiele behandelt, um die neue Sichtweise zu festigen. 5. Am Ende gibt es einen kritischen Rückblick auf den durchlaufenen Lernprozess. Dabei werden die Vorstellungen am Anfang, die bekannten Schülervorstellungen entsprechen, und die Vorstellungen am Ende der Lerneinheit, die den physikalischen Vorstellungen entsprechen, miteinander verglichen.
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Eine generelle Konfrontationsstrategie auf Basis kognitiver Konflikte ist wegen der damit zusammenhängenden Probleme – Zeitbedarf, Gefahr der Verursachung von neuen Schülerfehlvorstellungen – nicht zu empfehlen. Aufbaustrategien scheinen nach der aktuellen Forschungslage erfolgreicher zu sein. Hat man jedoch mit geeigneten Experimenten im Rahmen einer Aufbaustrategie ein neues Wissen aufgebaut, können zur Überprüfung und Vertiefung in begrenztem Umfang kognitive Konflikte bei weiteren Experimenten durchaus sinnvoll eingesetzt werden.
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27 Baruk (1989) 28 Bund-Länder-Kommission (1997, S. 11–12); Häußler und Lind (2000, S. 5)
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60 T. Wilhelm und H. Schecker
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Kapitel 3 · Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen
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Wilhelm, T., Tobias, V., Waltner, C., Hopf, H. & Wiesner, H. (2012). Einfluss der Sachstruktur auf das Lernen Newtonscher Mechanik. In H. Bayrhuber, U. Harms, B. Muszynski, B. Ralle, M. Rothgangel, L. H. Schön, H. Vollmer & H. G. Weigand (Hrsg.), Formate Fachdidaktischer Forschung. Empirische Projekte – historische Analysen – theoretische Grundlegungen, Fachdidaktische Forschungen, Band 2. Münster, New York, München, Berlin: Waxmann.
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Wodzinski, R. (1996). Untersuchungen von Lernprozessen beim Lernen Newtonscher Dynamik im Anfangsunterricht. Münster: Lit.Verlag.
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Wodzinski, R. (2000). Zustandsgröße Druck. Zur Einführung des Druckbegriffs in der Sekundarstufe I. Naturwissenschaften im Unterricht Physik, 11(57), 32–34.
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Schülervorstellungen in der Mechanik
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Horst Schecker und Thomas Wilhelm
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4.1 Einführung – 64 4.2 Vorstellungen zur Kinematik – 65 4.3 Vorstellungen zur Dynamik – 70 4.4 Unterrichtskonzeptionen – 80 4.5 Testinstrumente – 82 4.6 Literatur zur Vertiefung – 83 4.7 Übungen – 84 4.8 Literatur – 86
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© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.), Schülervorstellungen und Physikunterricht, https://doi.org/10.1007/978-3-662-57270-2_4
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64 H. Schecker und T. Wilhelm
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4.1 Einführung
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Nach der Behandlung des Impulsbegriffs fragt der Lehrer seinen Oberstufenkurs: „Wir
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haben in den letzten Wochen die Begriffe Kraft, Energie und Impuls mühsam auseinander-
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gepuzzelt – Physiker legen darauf viel Wert. Wie seht ihr das? Ist diese genaue Unterschei-
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dung unbedingt notwendig?“ Paul meldet sich: „Ja natürlich! Es handelt sich schließlich um
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drei unterschiedliche Kräfte!“
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Diese Szene bringt das bei Lernenden verbreitete Clusterkonzept von „Kraft/Energie/
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Wucht/Schwung“ auf den Punkt: Viele Schülerinnen und Schüler besitzen auch nach
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dem Mechanikunterricht ineinander verwobene Vorstellungen von ‚Kraft‘ als einer uni-
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versellen Wirkungsfähigkeit mit Elementen von „Kraft haben“, „Kraft übertragen“, „Kraft
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ausüben“. Erst im jeweiligen Anwendungskontext lassen sich Schüleraussagen konkreter
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dahingehend deuten, ob in einer physikalischen Interpretation eher Energie oder Impuls
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oder auch die Newton’sche Wechselwirkungsgröße gemeint ist. Bei den Schülerinnen und
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Schülern liegt dabei nicht einfach eine Verwechslung von Wörtern vor. Das könnte man als
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Lehrkraft unter der Annahme, die Lernenden hätten wohl das Richtige gemeint, zurecht-
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rücken oder sogar übergehen. Tatsächlich sehen viele Schülerinnen und Schüler jedoch
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gar keinen grundlegenden Unterschied zwischen den physikalisch klar differenzierten
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Begriffen. Hinter den Schüleraussagen steht ein umgangssprachlich geprägtes Verständ-
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nis von ‚Kraft‘ als einer universellen Wirkungsfähigkeit. Es wird aus dem Alltag in den
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Physikunterricht übernommen und beeinflusst dort die Verarbeitung der Lernangebote.
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‚Kraft‘ wird im Alltag mit der Fähigkeit verbunden, auf etwas einwirken zu können, und
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nicht mit dem Vorgang des Einwirkens selbst.
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Grundlegende Lernschwierigkeiten in der Mechanik ergeben sich aus der vermeint-
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lich leichten Erlernbarkeit des Themengebiets; die Vorgänge und ihre Beschreibun-
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gen scheinen aus der Erfahrungswelt bereits gut bekannt zu sein. Geschwindigkeit und
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Beschleunigung werden als „schnell/langsam“ bzw. „schneller werden“ verstanden. Nach
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dem Unterricht wird zum Teil auch „langsamer werden“ als Beschleunigung angesehen.
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Den im Unterricht eingeführten und für die Physik zentralen Vektorcharakter sehen Schü-
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lerinnen und Schüler als untergeordnete Zusatzeigenschaft an und messen ihm wenig
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Bedeutung zu. Das wird z. B. bei der Kreisbewegung zum Problem, wenn Schülerinnen
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und Schüler eine nach innen gerichtete Beschleunigung erkennen sollen.
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Schülerinnen und Schüler betrachten die Welt mit Denkmustern, die sich im Alltag
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bewährt haben. Dazu gehört die Einbeziehung von Intentionen, wie in der Überlegung,
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die Motorkraft wolle das Auto beschleunigen. Bestimmten Körpern, z. B. dem Motor, wird
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eine aktiv handelnde Rolle zugeschrieben, anderen, z. B. einem Baum am Straßenrand
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bei einem PKW-Unfall, eine lediglich passive. Dieses Aktivitätskonzept wirkt sich auf die
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Frage aus, welche Körper aus Schülersicht tatsächlich Kräfte ausüben können.
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Viele Lernende durchdenken Fragestellungen, die als Gedankenexperimente kon
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struiert sind, in vorgestellten alltagsnahen Realisierungen. Es fällt ihnen daher schwer, sich
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vollkommen reibungsfreie Bewegungen vorzustellen – und wenn sie sich darauf einlassen,
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sehen sie den Sinn solcher Betrachtungen in der Regel nicht ein („realitätsfremd!“).1 Für
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1 Schecker (1985, S. 136 ff.)
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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65
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sie liegt die eigentliche Aufgabe der Physik darin, konkrete Realitätserfahrungen genau zu erklären. Der Physikunterricht konzentriert sich demgegenüber oftmals auf die theoretische Beschreibung von Klassen idealtypischer Bewegungen (z. B. die gleichmäßig beschleunigte Bewegung). Lernschwierigkeiten, die mit diesen unterschiedlichen Per spektiven verbunden sind, bleiben im Unterricht verborgen, wenn dort die quantitative Berechnung physikalischer Größen im Vordergrund steht (physikalische Rechenaufgaben). Probleme treten erst zutage, wenn es um das qualitative Verständnis von Bewegungsphänomenen geht.
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Ein weiteres Denkmuster liegt im Eigenschaftsdenken. Schülerinnen und Schüler neigen dazu, mechanische Größen den Körpern direkt als Eigenschaft zuzuordnen. Das ist in der klassischen Mechanik bei der Masse gerechtfertigt. Bei Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Impuls handelt es sich jedoch nicht um invariante Eigenschaften, sondern um relationale Größen. Sie setzen die Festlegung eines Bezugssystems voraus. Kraft ist auf die Wechselwirkung zweier Körper bezogen. Auch Energieangaben sind auf ein System zu beziehen. Wenn wir im Unterricht vereinfachend davon sprechen, ein Körper „habe“ ein Gewicht, eine Geschwindigkeit oder eine potenzielle Energie, werden jeweils bestimmte Bezugssysteme vorausgesetzt. Dies wird oftmals nicht genügend deutlich gemacht.
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Schülervorstellungen zur Mechanik sind innerhalb der Schülervorstellungsforschung das am umfangreichsten bearbeitete Forschungsgebiet. Die Bibliografie STCSE (Duit, 2009) enthält dazu 612 Einträge. Die zentralen Befunde zu den Vorstellungen stammen bereits aus den 1980er und 1990er Jahren.2 Wir stellen im Folgenden den erreichten Forschungsstand zur Kinematik und Dynamik vor.
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4.2 Vorstellungen zur Kinematik
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z „Geschwindigkeit ist Schnelligkeit.“
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Im Alltagsgebrauch bezieht sich „Geschwindigkeit“ darauf, wie schnell oder langsam ein Körper sich bewegt. Richtungen – z. B. bergauf/bergab oder vorwärts/rückwärts – werden, wenn überhaupt, gesondert angegeben. Unter der Richtung einer Bewegung wird oft nur deren Ziel verstanden („Er fährt mit einer Geschwindigkeit von 120 km/h auf der Autobahn nach Hamburg.“), nicht die momentane Orientierung. Für Schülerinnen und Schüler gibt die Geschwindigkeit an, wie schnell ein Körper ist; sie sehen also nur das, was die Physik den Betrag der Geschwindigkeit nennt. Dies wird durch den Physikunterricht verstärkt, wenn er in der Kinematik lange Zeit bei eindimensionalen Bewegungen verharrt. Die Einführung eines negativen Vorzeichens verdeutlicht den Richtungsaspekt der Geschwindigkeit nur rudimentär. So erscheint die Angabe einer Richtung Schülerinnen und Schülern nicht als integrales Merkmal des physikalischen Konzepts, sondern als
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2 Diesem Kapitel liegen insbesondere folgende Veröffentlichungen zugrunde: Arons (1981); Brown (1989); Clement (1982); Halloun und Hestenes (1985); Jung, Reul und Schwedes (1977); Jung, Wiesner und Engelhard (1981); McCloskey (1983); Schecker (1985); Twigger et al. (1994); Viennot (1979), Warren (1979a).
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66 H. Schecker und T. Wilhelm
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sekundäre Zusatzeigenschaft. Curricula, die auf Ergebnissen der Schülervorstellungsforschung aufbauen, behandeln die Geschwindigkeit daher von Beginn an zweidimensional (Wiesner et al., 2011; 7 Abschn. 4.4). Um das Alltagsverständnis der Geschwindigkeit klar abzugrenzen, sollten Lehrkräfte für den skalaren Schnelligkeits- bzw. Betragsaspekt den Begriff „Tempo“ verwenden.
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z „Große Beschleunigung heißt hohes Tempo.“
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„Der Ferrari beschleunigt von 0 auf 100 in 2,8 Sekunden.“ Solche Angaben in Medien
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4 teilen den Betragsaspekt der Beschleunigung in die Tempoänderung und den Zeit-
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raum auf. Physikalisch ist die Beschleunigung eine eigenständige Verhältnisgröße, die durch Quotientenbildung die Geschwindigkeitsänderung und die dabei vergangene Zeit in Beziehung setzt. Schülerinnen und Schüler betrachten Beschleunigung hingegen im Wesentlichen als eine Bilanzgröße, die aus der Differenz von Anfangs- und Endgeschwindigkeit ermittelt wird. Mit einer großen Beschleunigung assoziieren sie das Erreichen einer großen Endgeschwindigkeit statt eine intensive zeitliche Änderung der Geschwindigkeit, die auch bei kleinen Tempodifferenzen groß sein kann. Beschleunigung ist für Schülerinnen und Schüler somit eine der Geschwindigkeit bzw. dem Tempo ähnliche Größe und sie beantworten manche Aufgaben zur Beschleunigung, als wäre nach dem Tempo oder der Geschwindigkeit gefragt worden. Außerdem können die Schülerinnen und Schüler so nicht zwischen verschiedenen Bewegungsarten, wie der gleichförmigen und der gleichmäßig beschleunigten Bewegung, unterscheiden.
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z „Beschleunigung ist Schnellerwerden.“
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Physikalisch ebenfalls problematisch ist die Gleichsetzung von Beschleunigung mit Schnellerwerden (das Tempo erhöhen), die man häufig im Alltag findet. Eine negative Beschleunigung erscheint Schülerinnen und Schülern damit unlogisch. Für Rechnungen werden zwar negative Werte akzeptiert („g = –9,81 m/s2“), doch ohne dass damit das Verständnis der Beschleunigung weiterentwickelt wird.
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z „Beschleunigung ist Tempoänderung.“
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Wenn Schülerinnen und Schüler Beschleunigung mit der Änderung des Geschwindigkeitsbetrags statt mit der Geschwindigkeit verbinden, wird Schnellerwerden von ihnen als „positive Beschleunigung“ und Langsamerwerden als „negative Beschleunigung“ angesehen. In der Physik wird das Vorzeichen jedoch vom gewählten Koordinatensystem bestimmt: Schnellerwerden in negative Koordinatenrichtung ist z. B. eine negative Beschleunigung, d. h. eine Beschleunigung in Richtung der negativen Koordinatenrichtung. Im Alltagsgespräch spielt der Richtungsaspekt der Beschleunigung hingegen keine Rolle.
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In der Physik ist jede Änderung des Geschwindigkeitsvektors eine Beschleunigung, also auch eine Änderung der Bewegungsrichtung. Schülerinnen und Schüler können sich nur schwer vorstellen, dass – wie bei der gleichförmigen Kreisbewegung – ein Körper kontinuierlich beschleunigt werden kann, ohne dass sich sein Tempo ändert. Für die Lernenden bleibt Beschleunigung die Änderung des Tempos.
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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z „Zu einem Zeitpunkt kann keine Beschleunigung vorliegen.“
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Da eine Beschleunigung – verstanden als Änderung des Geschwindigkeitsbetrags – nach Schülermeinung stets eine gewisse Zeit benötigt, fällt es ihnen schwer, Beschleunigung auf einen Zeitpunkt zu beziehen. Diese Vorstellung macht sich bemerkbar, wenn Schülerinnen und Schüler bei Umkehrpunkten keine Beschleunigung angeben, also beispielsweise in der Jongleur-Aufgabe (. Abb. 4.1) rechts keinen Beschleunigungspfeil einzeichnen. Der Ball stehe im Zenit „eine klitzekleine Zeit lang“ still und erst danach ändere sich wieder die Geschwindigkeit, d. h., der Ball werde wieder beschleunigt. Die Lernschwierigkeit liegt im gedanklich nicht vollzogenen Grenzübergang von „klitzekleiner Zeitraum“ zum Zeitpunkt, auf den sich die Beschleunigung bezieht (7 Kasten 4.1). Auch in der Wissenschaft war dieser Grenzübergang von Intervallgrößen zu Momentangrößen eine enorme gedankliche Leistung in den Arbeiten von Leibniz und Newton.3
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. Abb. 4.1 „Ein Jongleur arbeitet mit zwei Bällen gleichzeitig. Die Bälle befinden sich gerade in der Luft auf der gleichen Höhe. Zeichnen Sie die Beschleunigung ein!“ (Aufgabe in Anlehnung an Viennot, 1979).
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3 Im Unterricht kann man das Zenon-Paradoxon heranziehen (z. B.„Achilles und die Schildkröte“, Zugriff am 12. 9. 2016 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Achilles_und_die_Schildkröte)
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68 H. Schecker und T. Wilhelm
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Kasten 4.1: Kinematik
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Kinematik formal betrachtet
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Die Bewegung eines Körpers lässt sich in der Translation durch drei Vektoren für Ort,
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Geschwindigkeit und Beschleunigung beschreiben ( r, v , a ). Die Ortskoordinate r(t) sollte klar
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von Ortsverschiebungen ∆r und dem zurückgelegten Weg s (skalare Summe der Wegelemente
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∆s) unterschieden werden4. Bei diskreter Betrachtung mit endlichen Zeitintervallen ∆t gibt die
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Durchschnittsgeschwindigkeit vmittel = ∆r/∆t die Ortverschiebung ∆r im Zeitintervall ∆t an
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(für die x-Komponente v x = ∆x/∆t ). Beim Grenzübergang ∆t → 0 wird die Geschwindigkeit v(t) – ebenso wie der Ort r(t) – auf Zeitpunkte bezogen. Geschwindigkeit und Beschleunigung
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sind eigenständige physikalische Größen. Die Existenz einer Geschwindigkeit setzt nicht das
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Vorhandensein einer endlich großen Ortsverschiebung ∆r voraus. Die Vektorfunktion für die
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Geschwindigkeit v(t) lässt sich ermitteln, wenn die Ortsfunktion r(t,…) bekannt und zeitlich
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differenzierbar ist: v(t) = dr(t)/ dt (Ableitung des Ortes nach der Zeit). Für die Beschleunigung
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gelten entsprechende Überlegungen: Die Durchschnittsbeschleunigung im Zeitintervall ∆t ist amittel = ∆v /∆t (für die x-Komponente ax,mittel = ∆v x /∆t ). Die Beschleunigung zu einem Zeitpunkt ist die Ableitung der Geschwindigkeitsfunktion nach der Zeit: a = dv/dt.5
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Kinematik vereinfacht betrachtet
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Die Bewegung eines Körpers beschreibt man mit den Größen Ort r, Geschwindigkeit v und Beschleunigung a, jeweils mit x-, y- und z-Komponenten. Betrachten wir als Beispiel eine
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Fallbewegung in y-Richtung: Im Zeitintervall ∆t = t2 −t1 ändert sich die Ortskomponente y um eine Strecke ∆y = y2 − y1. Die Durchschnittsgeschwindigkeit in diesem Zeitintervall berechnet man aus der im Zeitintervall zurückgelegten Strecke: v y = ∆y/∆t . Bei einem sehr kleinen Zeitintervall ∆t kann man näherungsweise von einer Momentangeschwindigkeit v y(t) sprechen und diese den Zeitpunkten t1 oder t2 zuordnen (genauer dem Zeitpunkt in der Mitte des Zeitintervalls tMitte = (t1+ t2) / 2 ). Ganz entsprechend wird die Durchschnittsbeschleunigung ay = ∆v y /∆t . berechnet. Geschwindigkeit und Beschleunigung sind eigenständige physikalische Größen. Körper haben zu jedem Zeitpunkt t eine Geschwindigkeit und eine
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Beschleunigung. Nur wenn deren Werte experimentell aus Orts-Zeit-Messungen bestimmt
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werden sollen, bildet man aus den Messdaten Zeitintervalle ∆t.
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Wenn man eine Gleichung kennt, die eine Ortskurve in Abhängigkeit von der Zeit konkret
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beschreibt (z. B. y(t) = 1 gt2 mit g = −9,81 m/s2 ), kann man diese Funktion differenzieren und so 2
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die Geschwindigkeits-Zeit-Funktion herleiten. v y(t) = dy(t)/dt ergibt für das Beispiel v y(t) = g ⋅t .
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z „Für einen Zeitpunkt kann man keine Geschwindigkeit bestimmen.“
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Diese Vorstellung korrespondiert mit der oben geschilderten Vorstellung zur Beschleunigung. Sie beruht auf dem gleichen Problem des Grenzwerts immer kleinerer Zeitintervalle ∆t .6 Schülerinnen und Schüler meinen, da der Körper zu einem Zeitpunkt keinen Weg zurücklege, könne man auch nicht von einer Geschwindigkeit sprechen. Das Problem
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4 siehe dazu Amenda und Schecker (2014) 5 Eine besonders geeignete Darstellung der klassischen Mechanik für das Lehramtsstudium und die
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Planung von Physikunterricht gibt das Lehrbuch von Müller (2009). 6 Friedrich (2013)
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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des fehlenden Intervalls ∆s ist allerdings bei der Geschwindigkeit weniger tief verankert als bei der Beschleunigung, da Schülerinnen und Schüler die momentane Geschwindigkeitsanzeige (besser Tempoanzeige) eines Tachometers kennen.
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Ein Teil dieser Lernschwierigkeit ist lehrbedingt. Bei Experimenten zur Einführung des Geschwindigkeitsbegriffs werden für die Berechnung der (Intervall-)Geschwindigkeiten Differenzenquotienten vx = ∆x/∆t gebildet. Auch bei diskreten numerischen Berechnungen mit Tabellenkalkulation oder Modellbildungssoftware wird mit endlichen Intervallen gerechnet. Der Grenzübergang zur Momentangeschwindigkeit lim∆t→0(∆x/∆t) ist erst Thema des Mathematik- bzw. Physikunterrichts der gymnasialen Oberstufe. Um dies in der Sekundarstufe I vorzubereiten, sollten verkürzende Formulierungen wie „v gleich s durch t“ vermieden werden. Weil die Intervalle ∆s und ∆t darin nicht erscheinen, wird der Eindruck erweckt, man könne die Änderungsratengröße Geschwindigkeit durch Quotientenbildung von Momentangrößen (Ortskoordinate und Zeitpunkt) bestimmen. In dem „s“ werden Ortskoordinate und Ortsverschiebung vermengt. Besser ist es also, auch bei einer eindimensionalen Bewegung für die Berechnung der Geschwindigkeit die Größengleichung vx = ∆x/∆t zu verwenden.
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z „Die Bewegungsform prägt sich dem bewegenden Objekt ein.“
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„Bewegt sich ein Objekt im Kreis, dann prägt sich diese Bewegungsform dem Objekt ein. Sie klingt erst allmählich aus, wenn der Kreis verlassen wird.“ Diese Vorstellung verleitet Schülerinnen und Schüler zur Wahl der gekrümmten Bahnkurve A bei der Aufgabe in . Abb. 4.2 (links), in der ein Mensch einen Ball an einem Seil herumschleudert (Sicht von oben). Tatsächlich fliegt der Ball nach dem Wegfall der durch das Seil ausgeübten Zugkraft gemäß dem 1. Newton’schen Axiom tangential weg (Bahnkurve B). Die Schülervorstellung korrespondiert mit Vorstellungen zu einer gespeicherten ‚inneren Kraft‘, die Körper dazu bringt, trotz des Wirkens einer äußeren Kraft ihre Bewegungsform zunächst tendenziell beizubehalten (. Abb. 4.2 rechts, Bahnkurve E; 7 Abschn. 4.3), obwohl eine angreifende Kraft sofort zu einer Bewegungsänderung führt (Bahnkurve D).
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A B
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B
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C
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DE
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E
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. Abb. 4.2 Links:„Ein im Kreis herumgeschwungener Ball wird losgelassen. Welchen Weg nimmt der Ball?“ Rechts: „Eine Bowlingkugel fällt aus dem Frachtraum eines Flugzeuges. Wenn man den Vorgang von der Erde aus beobachtet: Welche Kurve beschreibt die Flugbahn der Kugel am besten?“ (beide Aufgaben in Anlehnung an Hestenes, Wells & Swackhamer, 1992a; 7 Abschn. 4.4).
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70 H. Schecker und T. Wilhelm
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4.3 Vorstellungen zur Dynamik
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z „Kraft ist eine universelle Wirkungsfähigkeit.“
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Das Wort „Kraft“ wird von Schülerinnen und Schülern in sehr unterschiedlichen Bedeu-
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tungen verwendet, für die sich jeweils eine physikalische Annäherung beschreiben lässt:
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•• im Sinne von kinetischer Energie (in der Translation und Rotation), wenn Schüle-
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rinnen und Schüler davon sprechen, eine rollende Kugel habe ‚Kraft‘ gespeichert,
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die beim Aufprall auf ein Hindernis sichtbar werde;
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•• im Sinne der Newton’schen Kraft, wenn es heißt, die Erde übe auf eine fallende
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Kugel eine Kraft aus;
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•• im Sinne des Impulses bei Aussagen wie „Beim Stoß überträgt die rollende Kugel
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einen Teil ihrer Kraft auf die ruhende“.
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Bei solchen Re-Interpretationen sollte man nicht davon ausgehen, die Schülerinnen und Schüler hätten lediglich das falsche Wort für eine eigentlich korrekt verstandene physikalische Größe verwendet. Es handelt sich für sie vielmehr um einen Sammel- oder Clusterbegriff der ‚Kraft‘ als Energie/Stärke/Wucht/Schwung. Jung (1981, S. 87) spricht beim Schülerverständnis der ‚Kraft‘ von einer „vagen Ganzheit“, die mit „Anstrengung“ verbunden sei. ‚Kraft‘ ist im Schülerverständnis ein umfassender, aber doch vager Begriff, der für ein ganzes Bündel verschiedener Bedeutungen steht. Was Schüler damit gerade meinen, hängt vom jeweiligen Verwendungskontext ab. Für ein Newton’sches Kraftverständnis fehlt die zentrale Idee der Wechselwirkung (7 Kasten 4.2) und für ein Impulsverständnis fehlt der Vektoraspekt. Am ehesten überlappt das Kraftverständnis der Schülerinnen und Schüler mit der kinetischen Energie. Das Newton’sche Kraftkonzept kann erst dann verstanden werden, wenn die Beziehungen und die Abgrenzungen zu kinetischer Energie und Impuls im Unterricht explizit thematisiert werden. In der Wissenschaftsgeschichte der Physik dauerte es nach der Veröffentlichung von Newtons Grundlagenwerk zur Mechanik7 1687 bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts, bevor es zu einer klaren begrifflichen Unterscheidung zwischen Kraft und Energie kam.8
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In der Physik wird mit Kraft die Stärke und Richtung einer äußeren Einwirkung auf einen Körper bezeichnet. Hat ein Körper eine konstante Masse, ändert die Kraft dessen Geschwindigkeit, d. h., sie macht ihn schneller oder langsamer und/oder ändert seine Bewegungsrichtung. Wirken mehrere Einzelkräfte, dann ergibt sich die Beschleunigung als Summe aller auf einen Körper einwirkenden Kräfte (resultierende Kraft). Praktisch wird die Newton’sche Bewegungsgleichung F = m⋅ a (2. Axiom) auf zwei Weisen verwendet: Bei Kenntnis aller einwirkenden Einzelkräfte kann man den Bewegungsverlauf vorhersagen (7 Kasten 4.2). Umgekehrt kann man aus der gemessenen Beschleunigung auf die wirkende Gesamtkraft schließen. In einfachen Fällen, in denen nur eine einzige Einzelkraft wirkt, kann man diese direkt ermitteln (z. B. die Federkraft bei einer Federschwingung).
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7 Newton (1963 [Originalausgabe 1687]) 8 Schecker (1988)
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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71
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Der Clusterbegriff ‚Kraft‘ ist als Schülervorstellung auch nach dem Mechanikunterricht noch häufig präsent. Die Fähigkeit, mit der Gleichung „ F = m⋅ a“ physikalische Größen korrekt zu berechnen, erwerben Schülerinnen und Schüler unabhängig davon, ob sie auch verstehen, dass Kraft in der Physik eine spezifische Bedeutung hat, die sich vom Alltagskonzept ‚Kraft‘ grundlegend unterscheidet. Dies mag einer der Gründe dafür sein, dass Lehrkräfte den Erfolg ihres Mechanikunterrichts systematisch überschätzen. Beim FCI-Test (7 Abschn. 4.5), der konzeptuelles Verständnis testet, sagen sie einen deutlich höheren Anteil richtiger Antworten voraus, als die Schülerinnen und Schüler im Test tatsächlich erreichen.9 Eine . Abb. 4.4 ähnliche Aufgabe zählte zu den schwierigsten Aufgaben des Tests zur voruniversitären Physik in der Third International Mathematics and Science Study (TIMSS)10, obwohl andere Aufgaben formal-rechnerisch deutlich höhere Anforderungen stellten.
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Kasten 4.2: Newton’sche Dynamik
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Die Newton’sche Systematik für die Beschreibung der Bewegung eines Körpers mit der Masse
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lässt sich in der folgenden Schrittfolge formalisieren:
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1. Gib Ort und Geschwindigkeit des Körpers zum Zeitpunkt t1 an:
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s1, v1 .
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2. Finde die auf den Körper zum Zeitpunkt t1 wirkenden Einzelkräfte Fi und gib jeweils Betrag
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und Richtung an.
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3. Addiere diese Einzelkräfte Fi vektoriell zu einer resultierenden Gesamtkraft Fres.
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4. Berechne die Beschleunigung des Körpers:
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a
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=
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1 m
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⋅
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Fres
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.
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5. Berechne die Geschwindigkeitsänderung des Körpers, wenn die resultierende Kraft über
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einen Zeitraum ∆t wirkt:
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∆v = a ⋅∆t
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und daraus die neue Geschwindigkeit: 6. Berechne die Ortsverschiebung
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und daraus den neuen Ort: 7. Beginne mit den neuen Werten für s und v wieder bei Schritt 2.
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v2 = v1 + ∆v . ∆s = s1 + v1 ⋅ ∆t
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s2 = s1 + ∆s.
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Den Schritten 4 und 5 liegen die zentralen Aussagen des 1. und 2. Newton’schen Axioms zugrunde:
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•• Die Geschwindigkeit eines Körpers ändert sich dann – und nur dann –, wenn eine resultierende Kraft auf ihn einwirkt (1. Axiom).
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•• Der Körper erhält eine Zusatzgeschwindigkeit in Richtung der resultierenden auf ihn einwirkenden Kraft (2. Axiom).
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Dazu kommt die Aussage des 3. Axioms:
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•• Kräfte treten nur auf, wenn zwei Körper miteinander wechselwirken (z. B. sich gegenseitig anziehen oder zusammenstoßen). Während der Wechselwirkung hat die von Körper A auf Körper B ausgeübte Kraft den gleichen Betrag wie die von B auf A ausgeübte Kraft. Die an B angreifende Kraft und die an A angreifende Kraft haben entgegengesetzte Richtungen:
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FA→B = − FB→A
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9 Wilhelm (2008) 10 Klieme (2000)
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72 H. Schecker und T. Wilhelm
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z „Trägheit lässt sich überwinden.“
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Für die Physik sind Ruhe und Bewegung lediglich eine Frage der Wahl des Bezugssystems (7 Kasten 4.3). Für Schülerinnen und Schüler, die aus dem Alltag an natürliche feste Bezugssysteme gewöhnt sind (z. B. das Zimmer oder die Straße), macht es hingegen einen wesensmäßigen Unterschied, ob man sich in Ruhe befindet oder sich gleichförmig bewegt. In Ruhe zu sein oder zur Ruhe zu kommen, ist für sie der natürliche Zustand bzw. die natürliche Bewegungstendenz. Hieraus ergeben sich gravierende Lernschwierigkeiten beim 1. Newton’schen Axiom (Beharrungsprinzip, Trägheitssatz). Schülerinnen und Schüler sehen
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4 ‚Trägheit‘, wie im Alltag, als einen Zustand, den man überwinden kann und muss. Hat
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man einen Körper erst einmal aus dem Zustand der Ruhe in eine gewisse Bewegung versetzt, sinkt in dieser Vorstellung die ‚Trägheit‘ und es wird einfacher, den Körper weiter zu beschleunigen. Eine mögliche Ursache dieser Schülervorstellung sind Erfahrungen beim Schieben von Gegenständen am Übergang von der Haft- zur Gleitreibung.
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Selbst von Fachleuten wird ‚Trägheit‘ teilweise so verwendet, als handele es sich um eine quantitative Größe und eine Eigenschaft des Körpers. Dabei wird wohl an die (träge) Masse und das 2. Newton’sche Axiom gedacht. Im Unterricht sollte man den Begriff „Trägheit“ nicht verwenden, denn wer im Alltag träge ist, wird langsamer und bleibt nicht gleich schnell. Besser ist es vom „Beharrungsprinzip“ zu sprechen und von der Masse als quantitativem Maß für das Beharren im aktuellen Bewegungszustand.
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z „Ein bewegter Körper hat Kraft.“
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Wenn ein Körper in Bewegung versetzt wird, meinen Lernende, dass er dabei ‚Kraft‘ aufnimmt und speichert. Die gespeicherte ‚Kraft‘ sei notwendig, um die Bewegung fortzusetzen. Sie wird aus Schülersicht deutlich, wenn der Körper auf ein Hindernis stößt und dieses verschiebt oder verformt. Man spüre die Kraft beispielsweise, wenn man einen geworfenen Medizinball auffängt. Schülerinnen und Schüler koppeln ‚Kraft‘ gedanklich stärker an die Geschwindigkeit als an die Beschleunigung: „Die ‚Bewegungskraft‘
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Kasten 4.3: 1. Newton’sches Axiom
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Ruhe und Bewegung unterschieden sich aus physikalischer Sicht nur bezüglich des Bezugssystems. Zwei Körper, die sich relativ zueinander gleichförmig bewegen, können – je nachdem, welchen Körper man als Bezugssystem wählt – in Ruhe oder in Bewegung sein. Man spricht hier von Inertialsystemen, d. h. Systemen, in denen das Beharrungsprinzip gilt („inert“: träge, beharrend; 1. Newton’sches Axiom). Führt jedoch ein Körper in einem Inertialsystem eine beschleunigte Bewegung aus und legt man das Bezugssystem jetzt auf diesen Körper, so liegt kein Inertialsystem mehr vor. Die Newton’schen Axiome gelten nicht mehr. Es treten im beschleunigten Bezugssystem Änderungen des Bewegungszustands auf, ohne dass sich dafür reale Newton’sche Kräfte, d. h. Kräfte, die auf einer Wechselwirkung zwischen zwei Körpern beruhen, finden lassen. Um solche im beschleunigten Bezugssystem messbaren Geschwindigkeitsänderungen zu erklären, erfindet man Kräfte, die sogenannten Scheinkräfte, wie die Zentrifugalkraft oder die Corioliskraft. Die Bewegungsgleichungen werden in einem Nicht-Inertialsystem deutlich komplizierter. Deshalb sollte man in der Schule immer aus einem Inertialsystem heraus argumentieren, also aus der Sicht eines außenstehenden, ruhenden Beobachters und nicht aus der Sicht des mitbewegten, beschleunigten Beobachters. Insbesondere sollte nicht mit der Zentrifugalkraft argumentiert werden, die eine mitbewegte Person zu spüren glaubt.
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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wird allmählich verbraucht, sodass der Körper langsamer wird und schließlich zur Ruhe kommt – es sein denn, der Kraftverlust wird durch eine Antriebskraft ausgeglichen.“
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Es liegt nahe, diese Vorstellung als Speicherung kinetischer Energie zu re-interpretieren, die durch Reibung in innere Energie umgewandelt wird. An eine Wechselwirkung mit der Unterlage oder dem Medium denken die Schülerinnen und Schüler jedoch kaum: Es ist nach ihrer Alltagserfahrung natürlich, dass Körper langsamer werden. Dafür bedarf es für sie keiner speziellen Begründung: „Die Bewegungskraft nimmt einfach immer ab.“
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z „Je schwerer, desto stärker.“
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„Die in einem Körper gespeicherte Kraft ist umso größer, je schwerer und schneller der Körper ist. Ein schwerer Körper kann deshalb größere Kräfte ausüben. Die Erde zieht den Mond stärker an als der Mond die Erde.“ Wenn ein LKW und ein PKW zusammenstoßen, übt nach dieser Schülerauffassung der große, schwere LKW eine größere Kraft aus als der kleine PKW (. Abb. 4.3). Tatsächlich ist aber nach dem 3. Newton’schen Axiom die Kraft, die der LKW auf das Auto ausübt, betragsmäßig genauso groß wie die Kraft, die das Auto auf den LKW ausübt. Aufgrund der unterschiedlichen Massen ergeben sich vielmehr für beide Fahrzeuge unterschiedlich große Beschleunigungen, d. h., das Auto erfährt bei gleicher Dauer der Krafteinwirkung eine stärkere Geschwindigkeitsänderung als der LKW.
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z „Zur Aufrechterhaltung der Bewegung bedarf es einer Kraft in Bewegungsrichtung.“
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Fragt man Schülerinnen und Schüler nach den Kräften, die auf einen abgeschlagenen Golfball während der gesamten Flugzeit wirken (. Abb. 4.4), kreuzen sehr viele neben der Gravitationskraft und der Luftwiderstandskraft eine ‚Abschlagskraft‘ an. Gemeint ist eine ‚Kraft‘, die beim Abschlag auf den Ball übergegangen sei. Als Begründung für deren Notwendigkeit wird geäußert, beim Fehlen einer solchen ‚Bewegungskraft‘ würde der Ball einfach herunterfallen: „Ohne Kraft keine Bewegung.“ Diese wirkende ‚Antriebskraft‘ ist proportional zur Geschwindigkeit des Körpers und eine Zu- oder Abnahme der Geschwindigkeit kommt von einer Zu- oder Abnahme der ‚Kraft‘ – so die Sicht der Schülerinnen und Schüler. Wenn eine äußere Antriebskraft fehle, z. B. ein Raketentriebwerk, müsse die ‚Kraft‘ im Körper selbst vorhanden sein. Dann bewege sich der Körper durch die innere ‚Kraft‘ weiter, die er von der vorher wirkenden äußeren Kraft übernommen hat, er werde aber immer langsamer und komme zum Stillstand, wenn die in ihm gespeicherte ‚Antriebskraft‘ verbraucht sei.
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. Abb. 4.3 Der LKW und der PKW haben das gleiche Tempo; typische Schülerantwort:„Der LKW übt beim Zusammenstoß eine größere Kraft auf den PKW aus als der PKW auf den LKW.“ (Aufgabe Nr. 30 aus dem Force and Motion Concept Evaluation-Test, 7 Abschn. 4.4).
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74 H. Schecker und T. Wilhelm
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. Abb. 4.4 „Welche Kräfte wirken während der Flugphase des Golfballs?“ (Aufgabe aus dem FCI;
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Hestenes et al., 1992a, 7 Abschn. 4.4).
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Auch hierbei handelt es sich nicht einfach um eine Verwechslung mit dem Impuls. Schülerinnen und Schüler verrechnen ‚Bewegungskräfte‘ vektoriell mit realen physikalischen Kräften. . Abb. 4.5 zeigt ein Beispiel. Die Schülerinnen und Schüler haben kein Problem, die nach unten gerichtete Gravitationskraft und eine nach rechts gerichtete ‚Vorwärtskraft‘, ‚Bewegungsenergie‘ oder ‚Trägheitskraft‘ (Schülerformulierungen) in einem Kräfteparallelogramm zu addieren. Die Resultierende zeichnen sie nach schräg rechts unten in die grobe Richtung des folgenden Bahnabschnitts (. Abb. 4.5 rechts). Die KraftBewegungs-Kopplung im Denken der Schülerinnen und Schüler führt zu der Annahme, dass eine Bewegung in Richtung der (resultierenden) ‚Kraft‘ erfolge.
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Die Kraft-Bewegungs-Kopplung drückt sich nicht nur in theoretischen Beschreibungen von Bewegungen aus, sondern auch beim konkreten Handeln. Fordert man Schülerinnen und Schüler auf, einen in der Hand gehaltenen Ball während des Laufens so loszulassen, dass er ein auf dem Boden markiertes Ziel trifft, dann wird der Ball direkt über dem Ziel freigegeben. Die Schülerinnen und Schüler gehen davon aus, dass nach Wegfall des Bewegers (der Hand) der Ball senkrecht nach unten fällt.
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„Bewegungsenergie“
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P
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Q
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S
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„Vorwärtskraft“ „Bewegungsenergie“ „Trägheitskraft“ R
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„Gravitation“
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. Abb. 4.5 „Ein Flummiball hüpft auf dem Boden von links nach rechts. Zeichne an den Punkten P, S, Q und R die Kräfte ein, die auf den Ball wirken! Gib jeder Kraft eine Bezeichnung!“ Die Aufgabe ist in Anlehnung an Warren (1979a) und eine ähnliche Aufgabe im Test zur voruniversitären Physik in der Third International Mathematics and Science Study (TIMSS) formuliert (Mullis et al., 1998); die Schülerlösungen stammen aus Schecker (1985, S. 301).
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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z „Die stärkere Kraft gewinnt.“
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Wenn mehrere Kräfte auf einen Körper einwirken (einschließlich seiner ‚Bewegungskraft‘), entscheidet nach Vorstellung von Lernenden die stärkste Kraft über den weiteren Bewegungsverlauf. Für die Wahl von Bahnkurve E in . Abb. 4.2 (rechts) können Schülerinnen und Schüler davon ausgegangen sein, dass zunächst die ‚Vorwärtskraft‘ überwiege und die horizontale Fortbewegung bestimme; erst wenn sie zum Teil aufgebraucht und zu schwach geworden sei, wirke sich die Gravitationskraft aus und zwinge die Kugel zum senkrechten Fall.
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Das im 7 Kasten 4.4 wiedergegebene Unterrichtsgespräch bringt in den Aussagen Michelles und Marvins die Vorstellung vom Kräftewettstreit zum Ausdruck. Es zeigt sich darin ebenso die Vorstellung von der „gespeicherten und aufzubrauchenden Bewegungskraft“.
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Kasten 4.4: Unterrichtsgespräch zur Wurfbewegung
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Das folgende Wortprotokoll (gekürzte Wiedergabe) stammt aus einem Physikkurs der gymnasialen Oberstufte (grundlegendes Anforderungsniveau). In der vorhergehenden Woche war das 2. Newton’sche Axiom an Fahrbahn-Experimenten eingeführt worden. In der aktuellen Stunde wird die Bewegung einer Kugel betrachtet, die eine „Schanze“ hinunterrollt. Ein Schüler hat an der Tafel den Vorgang skizziert (Abbildung). In den Schüleraussagen werden typische Vorstellungen und damit verbundene Lernschwierigkeiten zum Kraftbegriff deutlich.
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Tafelskizze zur Bewegung einer Kugel, die eine Schanze herunterrollt.
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Lehrerin: Was wissen wir denn über die Bahn, die die Kugel beschreibt? Irgendwo muss die ja herrühren. Die Kugel wird ja irgendwie gezwungen, sich so zu bewegen.
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Michelle: Also die Erdanziehung wirkt ja erst – also, ich würde sagen die Kugel geht erst runter, wenn die Erdanziehung größer ist als der Schwung, den die Kugel mitgebracht hat. Also wenn der Schwung kleiner ist als die Erdanziehungskraft geht sie ja erst runter oder? Weil vorher geht sie ja nicht runter.
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Michelle betrachtet die „Erdanziehung(-skraft)“ und den „Schwung“ beide als Einwirkungen
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auf die Kugel (Cluster-Vorstellung Kraft/Schwung/Wucht/Energie/…). Sie geht von einem
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Kräftewettstreit zwischen mitgebrachtem„Schwung“ und„Erdanziehungskraft“ aus. Erst wenn
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der„Schwung“ etwas aufgebraucht und„kleiner“ als die Erdanziehung geworden sei, beginne die
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Kugel zu fallen.
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Lehrerin: Vielleicht kann das ja jemand anders ausdrücken?
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Roger: Ähm, vielleicht wirkt auf die Kugel auch so ’ne gewisse Hangabtriebskraft, würd’ ich sagen. Je größer die Hangabtriebskraft, desto größer ist die Geschwindigkeit und umso größer ist die Weite, die die Kugel nach dem Absprungpunkt zurücklegt. Also, das ist ja relativ logisch.
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Roger verbindet die (Hangabtriebs-)‚Kraft‘ direkt mit der Geschwindigkeit: je größer die Kraft, desto höher die Geschwindigkeit. Es bleibt offen, ob er davon ausgeht, dass die „Hangabtriebskraft“ in der Kugel gespeichert ist und sich beim Abwurf weiter auswirkt, oder ob er das Wirken der Hangabtriebskraft beim Rollen auf der Schanze meint. Seine Aussage, die Flugweite sei proportional zur Geschwindigkeit am Schanzentisch, ist korrekt.
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Marvin: Jetzt noch mal: Wenn die jetzt gleich oder größer wird, diese Kraft – ähm, also die Beschleunigung oder Geschwindigkeit – größer halt als die Erdanziehungskraft, dann würde sich die Kugel gerade weiterbewegen, eigentlich –
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Marvin ringt damit, was mit„dieser Kraft“ gemeint sein kann: Drückt sie sich in der Geschwindigkeit aus oder in der von der Kugel erfahrenen Beschleunigung? Marvin denkt vermutlich nicht an den Prozess der Beschleunigung, sondern vermengt im Sinne eines Clusterkonzepts ‚Geschwindigkeit‘ und ‚Beschleunigung‘ und koppelt daran einen ‚Kraft‘-Aspekt. Jedenfalls sieht auch er einen Wettstreit zwischen„dieser Kraft“ und der Erdanziehungskraft. Wenn „diese Kraft“ größer wäre als die Erdanziehungskraft, dann würde sich – so seine erste Überlegung – die Kugel „eigentlich“ gerade weiterbewegen. Das „eigentlich“ deutet an, dass Marvin hier ins Grübeln kommt.
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Michelle: Ja, diese Beschleunigungs- – diese Noch-nicht-nach-unten-Fall-Kraft ist am Anfang größer als die Erdanziehungskraft, glaub’ ich. Und deswegen fliegt die nicht gleich runter. (…) Ich mein’ der Schwung ist ja noch da. Das ist ja nicht so, dass sie gegen eine Wand rollt, sondern sie muss sich ja ausleben.
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Schöner als mit Michelles Formulierung der „Noch-nicht-nach-unten-Fall-Kraft“ kann man die Vorstellung einer gespeicherten Bewegungskraft kaum ausdrücken. Die durch das Rollen auf der Schanze aufgenommene ‚Kraft‘ „muss sich ja ausleben“, meint Michelle und denkt dabei an das allmähliche Aufbrauchen der‚Bewegungskraft‘ während der Bewegung bzw. durch sie. Äußere Einwirkungen sind dafür nach Schülersicht nicht zwingend notwendig.
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z „Das Beharrungsprinzip gilt nur für Spezialfälle.“ (1. Axiom)
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Eine verkürzte Formulierung des 1. Newton’schen Axioms lautet: „Ein Körper ändert seinen Bewegungszustand nicht, solange keine äußere Kraft auf ihn wirkt“11. „Keine Kraft“ wird von Schülerinnen und Schülern interpretiert als „überhaupt keine Kraft“,
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11 z. B. in Kulisch (2014, S. 76)
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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d. h. als Abwesenheit jeglicher Einzelkraft. Das ist allenfalls für exotische Spezialfälle im Weltraum fernab aller Planeten denkbar. Somit kann der Eindruck entstehen, das 1. Axiom sei in der Anfass- und Vorzeigerealität irrelevant. Klarer sind Formulierungen, in denen die Resultierenden berücksichtigt sind, z. B.: „Wirkt auf einen Körper keine äußere Kraft oder heben sich die angreifenden Kräfte gegenseitig auf, so behält der Körper seinen Bewegungszustand nach Tempo und Richtung bei“. Damit erschließt das 1. Axiom alle Bewegungen unter Normalbedingungen. Die Bilanzierung von äußeren Reibungs- und Antriebskräften vermeidet Diskussionen mit Schülerinnen und Schülern über idealisierte Bedingungen oder Grenzfälle der Reibungsfreiheit. Die Vorstellung einer vollkommen reibungsfreien Bewegung fällt Schülerinnen und Schülern sehr schwer: „Ja, wenn da wirklich überhaupt keine Reibung wäre, dann würde der Schlitten auf einer Luftkissenbahn vielleicht weiterfahren. Aber ein bisschen Reibung ist immer da.“ (Schecker, 1985, S. 309).
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z „F = m · a ist eine von vielen Kraftformeln.“ (2. Axiom)
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Jede Schülerin und jeder Schüler kennt nach dem Mechanikunterricht die Gleichung „ F = m⋅ a “ (meist in dieser nichtvektoriellen Schreibweise). Kaum jemand ist sich jedoch ihrer fundamentalen Bedeutung bewusst. Die „Formel“ wird mit Größengleichungen wie F = −D ⋅ x (Federspannkraft) oder F = m⋅ g (Erdanziehungskraft) auf eine Stufe gestellt. F = m⋅ a ist aus Schülersicht lediglich eine Kraftformel von vielen. Das Problem liegt in der mangelnden Unterscheidung zwischen der resultierenden Kraft (schülergemäß zu benennen als „Gesamtkraft“), die auf einen Körper wirkt, und den speziellen Einzelkräften, die dabei eine Rolle spielen können.12 Im Unterricht müssen die fundamentalen Grundideen der Mechanik deutlich hervorgehoben werden (7 Kasten 4.2).
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Hilfreicher als die Formulierung F = m⋅ a sind für das Verständnis des 2. Axioms die
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( ) Größengleichungen a = Fres /m bzw. ∆v = Fres ⋅∆t /m . Diese Formulierungen verdeut-
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lichen, dass die resultierende Kraft über einen bestimmten Zeitraum wirken muss, um den Bewegungszustand zu ändern.13 Das Curriculum von Wiesner et al. (2011) verwendet die Grundidee einer durch äußere Einwirkung erzeugten Zusatzgeschwindigkeit ∆v bereits im Mechanikunterricht der 7. oder 8. Jahrgangsstufe (7 Abschn. 4.4).
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z „Kraft und Gegenkraft greifen am gleichen Körper an.“ (3. Axiom)
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Ebenso wie beim 1. und 2. Axiom können auch beim Wechselwirkungsprinzip ungeschickte unterrichtliche Darstellungen Schülerinnen und Schüler zu Fehlinterpretationen verleiten. Das beginnt bei der Kurzform „Actio gleich Reactio“, die eine zeitlich leicht versetze Antwort auf eine aktive Wirkungsursache nahelegt. Tatsächlich wirken aber beide Kräfte gleichzeitig und gleichwertig und keine ist „zuerst da“. Die Formulierung „Kraft
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12 Die fachliche Diskussion, ob es sich beim 2. Axiom um eine Definition der Kraft handelt oder eine empirisch überprüfbare Aussage über den Zusammenhang zwischen Kraft und Impulsänderung, soll hier nicht geführt werden (siehe dazu z. B. Bader, 1979).
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13 Newtons Formulierung in den Principia (Newton, 1963 [Originalausgabe 1687]) lautet übersetzt „Die Änderung der Bewegung ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt“ (Schecker, 1988).
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gleich Gegenkraft“ ist noch problematischer. Schülerinnen und Schüler bringen dies zum einen mit einem inneren Sträuben des Körpers gegen die von außen angreifende Kraft in Verbindung (eine Art passiver Widerstand, siehe unten). Zum anderen wird das Schema des Kräftewettstreits (re-)aktiviert, sodass Schülerinnen und Schüler meinen: „Kraft und Gegenkraft greifen am gleichen Körper an. Solange sie gleich sind oder die Kraft kleiner als die Gegenkraft ist, passiert nichts. Erst wenn die aktive Kraft etwas größer wird als die Gegenkraft, zeigt sich eine Wirkung.“ Diese Vorstellung wird z. B. beim Anschieben einer schweren Kiste aktiviert. Schülerinnen und Schüler gehen davon aus, dass die auf die Kiste aus-
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4 geübte Kraft am Beginn kleiner sei als die Haftreibungskraft. Ab einer gewissen Stärke
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überwinde die ‚aktive Schubkraft‘ den ‚Widerstand‘ und die Kiste komme in Bewegung. Wenn Kraft und Gegenkraft stets gleich groß seien, könne es nach Meinung der Lernenden nie zu einer Bewegung der Kiste kommen. Die Wechselwirkungskraft der Kiste auf die schiebende Person wird von Schülerinnen und Schülern nicht als Gegenkraft im Sinne des 3. Axioms in den Blick genommen.
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Statt von „Kraft und Gegenkraft“ sollte beim 3. Axiom von „Wechselwirkungskräften“ gesprochen werden und beim Kräftegleichgewicht von „Kraft und Kompensationskraft“. Dass die Wechselwirkungskräfte an zwei unterschiedlichen Körpern – den beiden Wechselwirkungspartnern – angreifen, kann in Diagrammen verdeutlicht werden, wenn man an der Tafel und auf Arbeitsblättern getrennte Skizzen für die beteiligten Körper erstellt und darin die angreifenden Kräfte für jeweils nur einen Körper einzeichnet (z. B. FMensch→Kiste, FKiste→Mensch). In einer gemeinsamen Skizze lassen sich Kraftvektoren nur schwer zuordnen, insbesondere wenn weitere Wechselwirkungen einbezogen werden (im vorliegenden Fall z. B. zwischen der Kiste und dem Boden).
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z „Nur aktive Körper können Kräfte ausüben, passive leisten Widerstand.“
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Objekte, die sich in stabiler, entspannter Lage befinden, können nach Schülermeinung keine Kräfte ausüben; sie leisten lediglich Widerstand. Kräfte werden dieser Vorstellung nach nur von aktiven Körpern ausgeübt. Dazu zählen Lebewesen und Maschinen, gespannte Federn, sowie Magnete, elektrisch geladene Körper und die Erde mit ihrer Gravitation. Eine Straße, die „einfach nur so da ist“, übt demnach keine Beschleunigungskraft auf einen PKW aus; „der PKW stößt sich mit seiner Motorkraft aktiv daran ab“ (7 Kasten 4.5). Gleiches gilt für den Startblock beim 100-m-Sprint. „Tische üben keine Kraft auf ein darauf liegendes Buch aus; der Tisch leistet einen Widerstand gegen das Herunterfallen“14. Reibungskräfte werden von Schülerinnen und Schülern nicht als richtige Kräfte, sondern als Widerstände konzeptualisiert.
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z „Bei Kreisbewegungen wirkt die Zentrifugalkraft.“
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Die Vorstellung des Wirkens einer Zentrifugalkraft bei Bewegungen auf gekrümmten Bahnen gehört zu den hartnäckigsten Vorstellungen bei Schülerinnen und Schülern. „Alle Schüler zeichnen eine Zentrifugalkraft ein und zwar als erste Kraft“, schreiben Jung und Wiesner (1981, S. 177) über eine Interviewstudie mit zwölf leistungsstarken Schülerinnen und Schülern aus Physikleistungskursen (erhöhtes Anforderungsniveau). Die Dominanz
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14 Zum„Book-on-the-Table-Problem“ siehe Brown und Clement (1989).
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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Kasten 4.5: Schülerinterview zu Kräften beim Anfahren eines PKW
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Im folgenden Interviewauszug äußert sich ein Leistungskursschüler zum Anfahrvorgang eines PKW (aus Jung & Wiesner, 1981, S. 168f.). Insgesamt wurden zwölf Schülerinnen und Schüler befragt. Niemand gab die korrekte Beschreibung, dass die Straße den PKW beschleunigt.
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Interviewer (I.): Machen Sie eine grobe Skizze mit den auftretenden Kräften.
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Schüler (S.): (zeichnet) Kraft nach vorn zum Fahren, Erdanziehungskraft, Reibung, und dann müsste noch eine Gegenkraft da sein (zeichnet vor und hinter das Auto Pfeile).
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I.: Wer übt die nach vorne gerichtete, am Reifen angreifende Kraft aus?
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S.: Der Motor.
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I. versucht zu erklären, dass der Motor als Bestandteil des Autos nur eine innere Kraft auf das Auto ausüben kann und es als Ganzes nicht direkt beschleunigen kann.
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S.: (wird schwankend) Ein guter Kontakt zwischen Boden und Reifen ist notwendig, damit sich die Reifen nicht durchdrehen; dann kann man sagen, dass der Motor die Antriebskraft ist. Die Kraft nach hinten ist die Trägheitskraft.
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I.: Wie beurteilen Sie die Aussage, dass die Straße die nach vorn beschleunigende Kraft ausübt?
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S.: Das finde ich sehr ungewöhnlich.
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Der Automotor wird vom Schüler eindeutig als aktiver und damit die beschleunigende Kraft ausübender Körper betrachtet. Dass die „passive“ Straße diese Kraft ausüben solle, kann sich der Schüler nicht vorstellen. In einem anderen Interview sagte ein Schüler:„Die Straße beschleunigt nicht als Täter das Auto, ja? … Sondern das ist ähnlich wie bei dem Raumschiff, das ist jeweils eine gegenseitige, also Notwendigkeit, ja, also ohne Straße keine Beschleunigung des Autos, aber ohne Auto … “
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einer Zentrifugalkraft wird durch populärwissenschaftliche Darstellungen und Fehlinterpretationen von Alltagserfahrungen genährt. Ein Beispiel: Beim Durchfahren einer scharfen Linkskurve lässt sich das Druckempfinden am rechten Arm des Beifahrers so deuten, als werde dieser durch die Zentrifugalkraft nach außen gegen die Beifahrertür gedrückt. Die im Sinne der Newton’schen Mechanik korrekte Interpretation, dass die Beifahrertür eine Kraft auf den Arm des Mitfahrers ausübt und dazu beiträgt, die Person auf der Linkskurve zu halten, liegt außerhalb des intuitiven Verständnishorizonts.
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. Abb. 4.6 zeigt eine typische Lösung für ‚Kräfte‘ bei einer gekrümmten Bahn. „ FZ“ bezeichnet die ‚Zentrifugalkraft‘ nach Schülersicht. Sie wird mit der Erdanziehungskraft „FGrav“ vektoriell addiert, typischerweise begründet mit „sonst würde die Sonde auf die Erde stürzen“ (Kraft-Geschwindigkeit-Kopplung, siehe oben). Bei einer Kreisbewegung wird ein Betragsgleichgewicht von Zentripetalkraft und entgegengerichteter ‚Zentrifugalkraft‘ angenommen oder die Schülerinnen und Schüler meinen, die Zentripetalkraft sei etwas größer als die ‚Zentrifugalkraft‘, damit die Kreisbewegung erhalten bleibe. Manchmal wird das neue Wort „Zentripetalkraft“ von den Schülerinnen und Schüler einfach übernommen, um die von ihnen als nach außen gerichtet angenommene ‚Kraft‘ zu bezeichnen. Tatsächlich ist bei der Bewegung der Sonde nur eine einzige Kraft vorhanden: die Gravitationskraft. Sie wirkt als Zentripetalkraft – anders formuliert: Die
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. Abb. 4.6 „Eine Raumsonde bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde. Zeichnen Sie die Kräfte ein, die an der Sonde in den Punkten A und B angreifen.“ (Aufgabe und typische Lösung aus einem Seminar zu Schülervorstellungen mit Lehramtsstudierenden; die Exzentrizität des Orbits ist bewusst überzeichnet).
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Gravitationskraft ist die Zentripetalkraft; bei FZ = FGrav handelt es sich nicht um ein Kräftegleichgewicht.
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In der Newton’schen Mechanik widerspricht die Zentrifugalkraft dem 3. Axiom: Man kann keinen Körper benennen, der sie ausübt; es fehlt somit der Wechselwirkungspartner. Versuche zwischen dem ruhenden und einem beschleunigten Bezugssystem zu differenzieren und im beschleunigten Bezugssystem Newton’sche Kräfte und Scheinkräfte zu behandeln, führen im Unterricht eher zu Verwirrungen als zu Klärungen. Das beginnt schon, wenn man davon spricht, der sich im Kreis bewegende Körper erfahre im beschleunigten Bezugssystem eine (Schein-)Kraft: Im beschleunigten System bewegt sich der Körper nicht auf einer Kreisbahn – ruhendes und beschleunigtes System werden unzulässig vermengt (7 Kasten 4.3). Die Unterrichtszeit kann besser für Newton’sche Betrachtungen verwendet werden. Kurvenbewegungen lassen sich aus der Sicht des außenstehenden ruhenden Beobachters konsistent behandeln und mit Alltagserfahrungen in Beziehung setzen: Notwendig ist eine Re-Interpretation der Erfahrungen (siehe oben). Das irreführende Gefühl, man werde beim Durchfahren einer Kurve nach außen gezogen, wird dann zwar angesprochen, aber es wird nicht in einem System mit Scheinkräften argumentiert, sondern mit realen Kräften (Druckkraft nach innen). In 7 Kasten 4.6 geben machen wir Vorschläge zur Auswahl von Inhalten für den Mechanikunterricht.
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4.4 Unterrichtskonzeptionen
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z Mechanik in der Sekundarstufe I
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Wiesner, H., Wilhelm, T., Rachel, A., Waltner, C., Tobias, V. & Hopf, M. (2011). Mechanik I: Kraft und Geschwindigkeitsänderung. Köln: Aulis. Wilhelm, T., Wiesner, H., Hopf, M. & Rachel, A. (2013). Mechanik II: Dynamik, Erhaltungssätze, Kinematik. Köln: Aulis.
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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Grundlage des vollständig ausgearbeiteten und erfolgreich erprobten Konzepts für die Mechanik in der Sekundarstufe I ist der Forschungsstand über Schülervorstellungen. Zu den Konsequenzen zählen die Behandlung der Kinematik mit Tempo und Richtung von Beginn an, das Konzept der Zusatzgeschwindigkeit ∆v als Ergebnis einer zeitlichen Krafteinwirkung und die explizite Unterscheidung zwischen Wechselwirkungsgesetz und Kräftegleichgewicht. Das Curriculum beruht auf einem langjährigen Projekt mit Forschungs-, Entwicklungs- und Erprobungsphasen (Wilhelm & Hopf, 2014). Anwendungsbezüge aus Alltag und Technik spielen eine wichtige Rolle. Dafür werden u. a. Bewegungsvideos computergestützt analysiert.
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Kasten 4.6: Essenzielles und Verzichtbares in der Mechanik
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Mechanik ist ein schwieriges Thema. Manche der als Schülervorstellungen bezeichneten Denkmuster findet man auch bei Physikstudierenden. Als Lehrkraft muss man die Sachverhalte selbst physikalisch korrekt verstehen und sich gleichzeitig der Lernanforderungen bewusst sein, die damit an Schülerinnen und Schüler gestellt werden. Angesichts der begrenzten Unterrichtszeit stellt sich die Frage nach den realistisch im Unterricht anzustrebenden Zielen. Die komplementäre Frage lautet: Worauf kann man im Zweifelsfall verzichten?15
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In der Sekundarstufe I ist es auch im Gymnasium ausreichend, mit endlichen Zeitintervallen ∆t zu arbeiten. Wesentlich in der Kinematik ist das Verständnis von Geschwindigkeit als Größe mit Betrag und Richtung. Dafür ist die Behandlung von Bewegungen in zwei Dimensionen unabdingbar. Entsprechend haben Geschwindigkeitsänderungen immer einen Betrag und eine Richtung. Betrachtungen, die einen Wechsel von Bezugssystemen erfordern, sind in der Sekundarstufe I verzichtbar. Das Konzept Geschwindigkeitsänderung bzw. Zusatzgeschwindigkeit ∆v ist für das grundlegende Verständnis wichtiger als die formale Einführung des Begriffs Beschleunigung. Eine Geschwindigkeitsänderung wird dadurch verursacht, dass eine Kraft über einen gewissen Zeitraum auf den Körper wirkt. Das 2. Newton’schen Axioms in der Formulierung
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( ) ∆v = Fres ⋅∆t /m lässt sich experimentell vielfältig veranschaulichen. Der Begriff„Trägheit“
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ist dagegen entbehrlich. Es reicht die Einführung der Masse – ohne explizite Unterscheidung zwischen träger und schwerer Masse – und des Beharrungsprinzips. Unverzichtbar ist die Thematisierung des 3. Axioms nur im Zusammenhang mit der Impulserhaltung. Für die Vorhersage von Bewegungsverläufen reicht das 2. Axiom aus. Auch in leistungsstarken Lerngruppen ist der Zeitaufwand für die genaue Analyse der Wechselwirkungen bei scheinbar einfachen Vorgängen wie„ein Pferd zieht eine Kutsche“ kaum gerechtfertigt.
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Schwieriger ist die Frage nach Essenziellem für Unterricht mit max. drei Wochenstunden in der Einführungsphase der (dreijährigen) gymnasialen Oberstufe und bei einer Mehrzahl von Lerngruppen, die Physik in der Qualifikationsphase nicht als Leistungskurse fortführen werden. In der Eingangsphase (Klasse 10 beim achtjährigen Gymnasium) fehlen weiterhin die mathematischen Voraussetzungen für infinitesimale Betrachtungen der Momentangeschwindigkeit oder -beschleunigung. Früher hat die Physiklehrkraft (die oft in der gleichen Lerngruppe auch Mathematik unterrichtete) entsprechende Inhalte der Analysis im Physikunterricht vorgeholt. Das ist im heutigen Kurssystem kaum noch möglich. Der gedankliche Übergang zu Momentangrößen im Übergang ∆t → 0 ist für das physikalische Grundverständnis qualitativ wichtig. Eine mathematische Formalisierung ist im Physikunterricht entbehrlich.16 Der Wechsel zwischen zwei Inertialsystemen sollte behandelt werden. Für ein wirkliches Verständnis und eine physikalisch korrekte Beschreibung von Bewegungen im beschleunigten Bezugssystem ist der Zeitaufwand hingegen nicht vertretbar. Kreisbewegungen können und sollten besser von einem ruhenden Bezugssystem aus beschrieben werden.
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15 Wilhelm (2016a) 16 Wilhelm (2016b)
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82 H. Schecker und T. Wilhelm
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z RealTime Physics/Workshop Physics Sokoloff, D. R., Thornton, R. K. & Laws, P. W. (2012). RealTime Physics. Active Learning Laboratories. Module 1 Mechanics. Hoboken, NJ: Wiley. (Leseprobe unter: https://www.physport.org/images/examples/SampleRTPlab.pdf; Zugriff am 15. 1. 2018) Laws, P. W. (2004). Workshop Physics Activity Guide, The Core Volume: Mechanics I: Kinematics and Newtonian Dynamics (Units 1–7), Module 1. New York: Wiley.
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4 Computergestützte Schülerexperimente zu Bewegungsvorgängen (Microcomputer-based
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Labs) sind das zentrale Merkmal curricularer Konzeptionen, die in den 1990er Jahren in den USA für Colleges und Universitäten entwickelt wurden (Sokoloff, Laws & Thornton, 2007). Viele Ideen lassen sich mithilfe der inzwischen in Schulen weit verbreiteten Messwerterfassungssysteme leicht übertragen. Lehrerzentrierter Unterricht wird zugunsten einer Serie angeleiteter Schülerexperimente deutlich reduziert. Die Unterrichtseinheiten sind auf typische Verständnishürden abgestimmt. Ein Beispiel zur Vorstellung „je schwerer, desto stärker“: Kraftsensoren, die bei einem Stoßexperiment an den Fronten zweier Fahrbahnwagen unterschiedlicher Masse angebracht sind, messen die betragsmäßig glei-
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chen Kräfte während des Stoßes, also F (t).
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4.5 Testinstrumente
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Es gibt eine Reihe von Standardinstrumenten, um konzeptuelles Verständnis der Mechanik und Lernzuwächse durch Unterricht zu untersuchen. Vergleichsdaten liegen aus zahlreichen Studien vor. Aus den Tests kann man zudem Aufgaben für Unterrichtsmaterialien verwenden.
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z Force Concept Inventory (FCI) Der FCI (Gerdes & Schecker, 1999; Hestenes et al., 1992a) ist seit den 1990er Jahren der international am häufigsten verwendete Test zu Schülervorstellungen in der Kinematik und Dynamik.17 In der überarbeiteten Version von 1995 enthält er 30 Aufgaben mit fünf Auswahlantworten (Multiple Choice, eine korrekte Antwort). Die vier Distraktoren sind auf typische Schülervorstellungen abgestimmt. Rechnungen sind für die Lösungen nicht erforderlich. Der FCI eignet sich als Vor- und Nachtest für die Erfassung des Lernzuwachses im Einführungsunterricht. . Abb. 4.2 und . Abb. 4.4 zeigen Beispiele für FCI-Aufgaben. Die Aussagekraft von FCI-Testergebnissen wurde kontrovers diskutiert (Huffman & Heller, 1995). Dennoch bleibt der FCI-Test ein Standardinstrument, um den Erfolg von Mechanikunterricht zu evaluieren (z. B. Wilhelm, 2005b). Eine deutsche Fassung des FCI ist verfügbar.18
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Rath (2017) hat Gruppengespräche von Studierenden über Lösungen ausgewählter Aufgaben des FCI aufgezeichnet. Videos und Transkripte sind online verfügbar.19 In den
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17 Hake (1998) 18 http://modeling.asu.edu/R&E/Research.html (Zugriff am 19. 9. 2016). Man muss sich für einen
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Download vorher registrieren. Auf Anfrage stellt H. Schecker eine eigene Übersetzung des FCI zur Verfügung.
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19 https://physik.uni-paderborn.de/reinhold/paderborner-videos/gruppendiskussionen (Zugriff am 14. 8. 2017).
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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83
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4
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Abwägungen der Studierendenden zwischen den Antwortoptionen kommen Schülervorstellungen klar zum Ausdruck.
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z The Force and Motion Concept Evaluation (FMCE) Der FMCE-Test ist ähnlich aufgebaut wie der FCI. Er bezieht Vorstellungen zur Energie mit ein (Thornton & Sokoloff, 1997; 43 Multiple-Choice-Aufgaben, Beispiel . Abb. 4.3). Die Ergebnisse des FCI und des FMCE korrelieren hoch (Thornton, Kuhl, Cummings & Marx, 2009).
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z Mechanics Baseline Test (MBT) Der MBT setzt die Einführung der Begriffe Impuls und kinetische Energie voraus und stellt höhere formale Anforderungen als FCI und FMCE (Hestenes, Wells & Swackhamer, 1992b). Er enthält neben qualitativen Fragen auch einige Aufgaben, deren Lösung rechnerische Abschätzungen erfordern. Anders als der FCI sollte er fairerweise nicht bereits vor dem Mechanikunterricht eingesetzt werden. Der MBT ist ein Multiple-Choice-Test mit 26 Aufgaben und fünf Auswahlantworten. Der Test ist in der Materialsammlung von Mazur (1997) enthalten. Eine deutsche Übersetzung liegt bisher nicht vor.
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z Aufgabenzusammenstellungen Sucht man keine zusammenhängenden Testinstrumente mit Vergleichsergebnissen, sondern einzelne Aufgaben, um das konzeptuelle Verständnis im Unterricht zu überprüfen, dann findet man Beispiele u. a. in folgenden Veröffentlichungen: •• Jung, Reul und Schwedes (1977) zeigen im Anhang ihres Buches zahlreiche
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Aufgaben zur Kinematik. •• Der Anhang in Jung, Wiesner und Engelhard (1981) enthält Beispielaufgaben aus
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den verwendeten Tests zur Kinematik und Dynamik. •• Warren (1979a) beinhaltet formal aufwändigere Aufgaben mit Rechenanteilen. •• Einige Aufgaben aus dem FMCE finden sich auf der CD-ROM in Wilhelm (2005a).
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Aufgaben zur Beschleunigung sind abrufbar über Wilhelm (2007).
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4.6 Literatur zur Vertiefung
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Jung, W., Wiesner, H. & Engelhard, P. (1981). Vorstellungen von Schülern über Begriffe der Newtonschen Mechanik. Bad Salzdetfurth: Franzbecker. Auszüge sind in Müller et al. (2004) abgedruckt. Der Band enthält eine Sammlung von Aufsätzen über grundlegende Studien zum qualitativen Verständnis der Mechanik. Die Datengrundlage stammt aus Interviews, Fragebögen und Tests. Typische Schülervorstellungen werden plastisch herausgearbeitet und an zahlreichen Beispielen veranschaulicht. Das Buch enthält außerdem zwei Grundlagenaufsätze zum Forschungsprogramm Schülervorstellungen.
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Schecker, H. (1985). Das Schülervorverständnis zur Mechanik. Universität Bremen (auf Anfrage beim Autor als PDF-Datei erhältlich).
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84 H. Schecker und T. Wilhelm
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Die Dissertation berichtet auf Grundlage von Tests und Unterrichtstranskripten über übergeordnete Denkmuster und spezifische Vorstellungen zur Mechanik. Kommentierte Wortprotokolle aus Grund- und Leistungskursen zeigen, wie Schülervorstellungen in Unterrichtsgesprächen zutage treten.
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Warren, J. W. (1979a). Understanding Force. London: Murray. Aus der Perspektive des Physikdozenten erläutert Warren den physikalischen Kern der klassischen Mechanik und beschreibt die damit verbundenen Lernschwierigkeiten bei
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4 Studierenden und Schülerinnen und Schülern. Der besondere Wert des Buches liegt in
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der engen Verzahnung mit fachlichen Erörterungen.
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4.7 Übungen
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Die erste 7 Übung 4.1 entspricht in leicht überarbeiteter Fassung einer Aufgabe von Riese (2009, Anhang S. V). 7 Übung 4.2 beruht auf einer abgewandelten Aufgabe aus dem FMCE-Test (Thornton & Sokoloff, 1997).
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Übung 4.1
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Bei der Einführung des 3. Newton’schen Axioms versucht der Lehrer, dieses Prinzip mithilfe einer Anordnung aus Schraubenfeder und Gewichtsstück zu demonstrieren. In der 9. Klasse eines Gymnasiums spielt sich dabei folgende Szene ab:
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Lehrer: Wenn ich das Gewichtsstück an diese Feder hänge, wird sie ein bestimmtes Stück ausgelenkt. Nehme ich das Gewicht weg und ziehe stattdessen mit einem Kraftmesser an der Feder nach unten, dann muss ich mit etwa 10 N ziehen, damit die Feder genausoweit ausgelenkt wird. (Lehrer demonstriert entsprechend.) Das ist die Kraft, mit der das Gewicht an der Feder gezogen hat. Wie ihr seht, muss ich – bzw. die Feder – mit derselben Kraft am Gewichtsstück nach oben ziehen, damit es nicht nach unten fällt. Die Kraft, mit der die Feder am Gewicht zieht, ist also genauso groß. Die Klasse signalisiert Zustimmung.
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Lehrer: Stellt euch jetzt einmal vor, ein Apfel hängt an einem Baum. Wo haben wir hier jetzt Actio und Reactio?
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Johannes: Na, ist doch klar, der Apfel zieht am Ast und der Ast hält den Apfel oben!
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Lehrer: Ja richtig – schön, ihr habt es verstanden! Was ist denn dann, wenn der Apfel jetzt herunterfällt? Also während des Fallens, wo ist da Actio und Reactio? In der Klasse stellt sich ein Gemurmel ein.
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Mike: Ja gilt das denn dann überhaupt noch? Ich meine, das gilt doch immer nur ideal, wenn alles in Ruhe ist?!?
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Johannes: Klar hast du noch Actio und Reactio, nur Actio ist halt größer, der Apfel wird ja schließlich schneller beim Fallen!
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Mike: Ich dachte, die müssen gleich sein? Wo willst du überhaupt Reactio haben, der fällt doch frei und wird nicht mehr gehalten!?!
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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85
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4
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Johannes: Hm. Na, Actio hast du auf jeden Fall schon mal, er bewegt sich ja. Und er wird ja auch nicht beliebig schnell, die Luftreibung bremst ihn ja. Das ist deine Reactio!
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z Übungsaufgabe:
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a. Hat der Lehrer für das 3. Newton’sche Axiom am Beginn ein geeignetes Beispiel (Gewichtsstück, Feder, Kraftmesser) gewählt? Begründen Sie Ihre Einschätzung in einigen Sätzen. Gehen Sie dabei auch auf die physikalisch korrekte Beschreibung des Vorgangs ein.
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b. In den Aussagen von Johannes und Mike werden typische Verständnisprobleme beim 3. Axiom deutlich. Beschreiben Sie die Probleme und die dahinterstehenden Schülervorstellungen!
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Übung 4.2
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Schülerinnen und Schülern wird in der 9. Klasse eines Gymnasiums, noch vor dem Mechanikunterricht, die folgende Aufgabe gestellt:
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Ein Schlitten bewegt sich auf einer Eisfläche. Die Reibung und der Luftwiderstand sind bei dieser Bewegung so klein, dass sie vernachlässigt werden können. Auf dem Schlitten befindet sich Propeller, der sich per Fernsteuerung aus- und einschalten lässt, auch die Drehzahl kann so geregelt werden. Dadurch lassen sich unterschiedliche Kräfte bewirken, die auf den Schlitten ausgeübt werden.
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Welche Kräfte gelten für folgende Situationen:
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1. Der Schlitten bewegt sich nach rechts bei konstanter Geschwindigkeit. 2. Der Schlitten bewegt sich nach rechts und wird gleichmäßig immer langsamer. 3. Der Schlitten bewegt sich nach links und wird gleichmäßig immer schneller.
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Wähle jeweils die eine Kraft (A bis G), die den Schlitten so bewegt, wie es in den Situationen 1 bis 3 beschrieben ist. Du kannst jede der Kräfte A bis G mehrmals für die Fragen 1 bis 3 auswählen oder auch gar nicht, aber wähle jeweils nur eine Kraft pro Frage. Wenn Du meinst, dass keine Antwort richtig ist, antworte mit H.
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Die Kraft ist nach rechts gerichtet und A. ihre Stärke (Größe) nimmt zu. B. hat konstante Stärke. C. nimmt an Stärke ab.
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D. Es wird keine Kraft benötigt.
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Kraftrichtung
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86 H. Schecker und T. Wilhelm
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Die Kraft ist nach links gerichtet und
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E. nimmt an Stärke ab.
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F. hat konstante Stärke.
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4
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G. nimmt an Stärke zu.
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H. Keine Antwort ist richtig.
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Kraftrichtung
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z Übungsaufgabe:
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Geben Sie zu den Situationen 1) bis 3) jeweils an:
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a. Wie lauten die korrekten Lösungen? b. Mit welchen physikalisch falschen Schülerantworten ist in dieser Situation zu rechnen?
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Welche Schülervorstellungen sind dafür verantwortlich? Gehen Sie dabei auf spezielle Vorstellungen ebenso ein wie auf übergeordnete Denkmuster.
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4.8 Literatur
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Amenda, T. & Schecker, H. (2014). Moment mal … (7): Ort, Ortsverschiebung, Weg – wofür steht eigentlich das‚s‘? Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 63(2), 40–42.
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Arons, A. B. (1981). Thinking, reasoning and understanding in introductory physics courses. The Physics Teacher, 19, 166–172. https://doi.org/10.1119/1.2340737
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Bader, F. (1979). Lässt sich die Kraft als abgeleitete Größe definieren? Der Physikunterricht, 13(1), 58–69. Brown, D. E. (1989). Students’ concept of force: The importance of understanding Newton’s third law. Phy-
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sics Education, 24, 353–357. Brown, D. E. & Clement, J. (1989). Overcoming misconceptions via analogical reasoning: abstract
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transfer versus explanatory model construction. Instructional Science, 18(4), 237–261. https://doi.org/10.1007/bf00118013 Clement, J. (1982). Students’ preconceptions in introductory mechanics. American Journal of Physics, 50(1), 66–70. Duit, R. (2009). STCSE: Students’ and Teachers’ Conceptions and Science Education (Bibliografie). Erhältlich von Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik http://archiv.ipn.uni-kiel.de/stcse/ Friedrich, H. (2013). Zu einem Zeitpunkt gibt es keine Geschwindigkeit – oder doch? Die lokale Änderungsrate besser einordnen. Mathematik lehren, 30(180), 30–33. Gerdes, J. & Schecker, H. (1999). Der Force Concept Inventory. Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, 52, 283–288. Hake, R. R. (1998). Interactive-engagement versus traditional methods: A six-thousand-student survey of mechanics test data for introductory physics courses. American Journal of Physics, 66(1998), 64–74. Halloun, I. A. & Hestenes, D. (1985). Common sense concepts about motion. American Journal of Physics, 53, 1056–1065. Hestenes, D., Wells, M. & Swackhamer, G. (1992a). Force concept inventory. The Physics Teacher, 30, 141–158.
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Kapitel 4 · Schülervorstellungen in der Mechanik
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87
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4
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Hestenes, D., Wells, M. & Swackhamer, G. (1992b). A mechanics baseline test. The Physics Teacher, 30, 159–166.
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Huffman, D. & Heller, P. (1995). What does the force concept inventory actually measure? The Physics Teacher, 33, 138–143.
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Jung, W. (1981). Vorstellungen über Kraft und Stoß bei Schülern vom 8. bis 11. Schuljahr. In W. Jung, H. Wiesner & P. Engelhard (Hrsg.), Vorstellungen von Schülern über Begriffe der Newtonschen Mechanik (S. 63–111). Bad Salzdetfurth: Franzbecker.
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Jung, W., Reul, H. & Schwedes, H. (1977). Untersuchungen zur Einführung in die Mechanik in den Klassen 3–6. Frankfurt a.M.: Diesterweg.
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Jung, W. & Wiesner, H. (1981). Wie wenden Schüler Physik an zur Erklärung alltäglicher Erscheinungen? In W. Jung, H. Wiesner & P. Engelhard (Hrsg.), Vorstellungen von Schülern über Begriffe der Newtonschen Mechanik (S. 167–189). Bad Salzdetfurth: Franzbecker.
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Jung, W., Wiesner, H. & Engelhard, P. (1981). Vorstellungen von Schülern über Begriffe der Newtonschen Mechanik. Bad Salzdetfurth: Franzbecker.
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Klieme, E. (2000). Fachleistungen im voruniversitären Mathematik- und Physikunterricht: Theoretische Grundlagen, Kompetenzstufen und Unterrichtsschwerpunkte. In J. Baumer, W. Bos & R. Lehmann (Hrsg.), TIMSS/III. Dritte Internationale Mathematik- und Naturwissenschaftsstudie: Mathematische und naturwissenschaftliche Bildung am Ende der Schullaufbahn (S. 57–128). Opladen: Leske und Budrich.
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Kulisch, W. (2014). Physik für Dummies. Das Lehrbuch. Weinheim: Wiley-VCH. Laws, P. W. (2004). Workshop Physics Activity Guide, The Core Volume: Mechanics I: Kinematics and Newton-
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ian Dynamics (Units 1–7), Module 1. New York: Wiley-VCH. Mazur, E. (1997). Peer Instruction: A User’s Manual. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall. McCloskey, M. (1983). Irrwege der Intuition in der Physik. Spektrum der Wissenschaft. Müller, R. (2009). Klassische Mechanik: Vom Weitsprung zum Marsflug. Berlin: De Gruyter. Müller, R., Wodzinski, R. & Hopf, M. (Hrsg.). (2004). Schülervorstellungen in der Physik. Köln: Aulis. Mullis, I. V. S., Martin, M. O., Beaton, A. E., Gonzalez, E. J., Kelly, D. L. & Smith, T. A. (1998). Mathematics and
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Science Achievement in the Final Year of Secondary School. IEA’s Third International Mathematics and Science Study (TIMSS). Boston: Boston College: Center for the Study of Testing, Evaluation, and Educational Policy. Newton, I. (1963 [Originalausgabe 1687]). Mathematische Prinzipien der Naturlehre [Philosophiae Naturalis Principia Mathematica]. Darmstadt: Wiss. Buchgesellschaft. Rath, V. (2017). Diagnostische Kompetenz von angehenden Physiklehrkräften – Modellierung, Testinstrumententwicklung und Erhebung der diagnostischen Performanz bei der Diagnose von Schülervorstellungen in der Mechanik (Diss.). Berlin: Logos. Riese, J. (2009). Professionelles Wissen und professionelle Handlungskompetenz von (angehenden) Physiklehrkräften. Berlin: Logos. Schecker, H. (1985). Das Schülervorverständnis zur Mechanik. Eine Untersuchung in der Sekundarstufe II unter Einbeziehung historischer und wissenschaftstheoretischer Aspekte, Dissertation. Universität Bremen. Schecker, H. (1988). Von Aristoteles bis Newton – der Weg zum physikalischen Kraftbegriff. Naturwissenschaften im Unterricht – Physik, 36, 7–10; gekürzte Fassung auf leifiphysik.de: http://www.leifiphysik. de/mechanik/kraft-und-bewegungsaenderung/geschichte/der-weg-zum-physikalischen-kraftbegriff-von-aristoteles-bis-newton (Zugriff am 25. 9. 2016). Sokoloff, D., Laws, P. W. & Thornton, R. K. (2007). RealTime Physics: active learning labs transforming the introductory laboratory. European Journal of Physics, 28, S83–S94. https://doi.org/10.1088/0143– 0807/28/3/S08 Sokoloff, D., Thornton, R. K. & Laws, P. W. (2012). RealTime Physics. Active Learning Laboratories. Module 1 Mechanics. Hoboken, NJ: Wiley. Thornton, R. K., Kuhl, D., Cummings, K. & Marx, J. (2009). Comparing the force and motion conceptual evaluation and the force concept inventory. Physical Review Special Topics – Physics Education Research, 5(1), 010105. Thornton, R. K. & Sokoloff, D. (1997). Assessing student learning of Newton’s laws: The Force and Motion Conceptual Evaluation and the Evaluation of Active Learning Laboratory and Lecture Curricula. American Journal of Physics, 66(4), 338–352.
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88 H. Schecker und T. Wilhelm
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Twigger, D., Byard, M., Driver, R., Drapter, S., Hartley, R., Hennesy, S., …, Scanlon, E. (1994). The conception
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of force and motion of students aged between 10 and 15 years: an interview study designed to
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guide instruction. International Journal of Science Education, 16(2), 215–231.
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Viennot, L. (1979). Spontaneous reasoning in elementary dynamics. European Journal of Science Educa-
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tion, 1, 205–221.
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Warren, J. W. (1979a). Understanding Force. London: Murray.
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Warren, J. W. (1979b). Understanding Force – Verständnisprobleme beim Kraftbegriff. London: Murray:
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(deutsche Übersetzung von Udo Backhaus & Thorsten Schneider: www.didaktik.physik.uni-due.de/
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veranstaltungen/LeitfachMechanikAkustikKalorik/WARREN.pdf; Zugriff am 1. 2. 2017).
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4
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Wiesner, H., Wilhelm, T., Rachel, A., Waltner, C., Tobias, V. & Hopf, M. (2011). Mechanik I: Kraft und Geschwindigkeitsänderung. Köln: Aulis.
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Wilhelm, T. (2005a). Konzeption und Evaluation eines Kinematik-Dynamik-Lehrgangs zur Veränderung von
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Schülervorstellungen mithilfe dynamisch ikonischer Repräsentationen und graphischer Modellbildung.
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Berlin: Logos.
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Wilhelm, T. (2005b). Verständnis der newtonschen Mechanik bei bayerischen Elftklässlern – Ergebnisse
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beim Test„Force Concept Inventory“ in herkömmlichen Klassen und im Würzburger Kinematik-/
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Dynamikunterricht. Physik und Didaktik in Schule und Hochschule, 2(4), 47–56.
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Wilhelm, T. (2007). Vektorverständnis und vektorielles Kinematikverständnis von Studienanfängern. In
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V. Nordmeier, A. Oberländer & H. Grötzebauch (Hrsg.), Didaktik der Physik – Regensburg 2007. Berlin:
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Lehmanns Media – LOB.de; http://www.thomas-wilhelm.net/veroeffentlichung/Vektoren_Testboe-
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gen.pdf (Zugriff: 22. 9. 2016).
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Wilhelm, T. (2008). Vorstellungen von Lehrern über Schülervorstellungen. In D. höttecke (Hrsg.), Kompe-
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tenzen, Kompetenzmodelle, Kompetenzentwicklung, Jahrestagung der GDCP in Essen 2007 (S. 44–46).
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Münster: Lit.
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Wilhelm, T. (2015). Moment mal … (13): Wo ist die Gegenkraft? Praxis der Naturwissenschaften – Physik in
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der Schule, 64(1), 44–45.
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Wilhelm, T. (2016a). Elementarisierung in der Mechanik – Weglassen ist eine Kunst. Praxis der Naturwissen-
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schaften – Physik in der Schule, 65(6), 22–24.
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Wilhelm, T. (2016b). Moment mal … (23): Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit? Praxis der
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Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 65(2), 42–43.
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Wilhelm, T. & Hopf, M. (2014). Design-Forschung. In D. Krüger, I. Parchmann & H. Schecker (Hrsg.), Metho-
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den in der naturwissenschaftsdidaktischen Forschung (S. 31–42). Berlin: Springer.
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Wilhelm, T., Wiesner, H., Hopf, M. & Rachel, A. (2013). Mechanik II: Dynamik, Erhaltungssätze, Kinematik.
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Köln: Aulis.
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89
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5
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Schülervorstellungen zur geometrischen Optik
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Claudia Haagen-Schützenhöfer und Martin Hopf
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5.1 Einführung – 90
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5.2 Schülervorstellungen – 91 5.2.1 Vorstellungen zu Licht und dessen Eigenschaften – 92 5.2.2 Vorstellungen zum Sehvorgang – 96 5.2.3 Vorstellungen zur Wechselwirkung von Licht und
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Materie – 98 5.2.4 Vorstellungen zu Abbildungsvorgängen – 100 5.2.5 Vorstellungen zu Farben – 106
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5.3 Unterrichtskonzeptionen – 108
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5.4 Testinstrumente – 109
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5.5 Literatur zur Vertiefung – 110
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5.6 Übungen – 111
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5.7 Literatur – 112
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© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.), Schülervorstellungen und Physikunterricht, https://doi.org/10.1007/978-3-662-57270-2_5
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90 C. Haagen-Schützenhöfer und M. Hopf
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5.1 Einführung
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Der folgende Ausschnitt stammt aus einem Interview, das ein Interviewer (I) mit einem Gymnasialschüler (P) mit sehr guten Physiknoten unmittelbar nach dem Optikunterricht in der Sekundarstufe I geführt hat.
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I: Das Mädchen auf dem Foto (. Abb. 5.1) sieht vor sich eine Geburtstagstorte mit angezündeter Kerze. Wie funktioniert es, dass Emma sie sehen kann?
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P: Ja, wir sind gerade bei der Optik. […] Das Bild also […] dann wird es ins Gehirn geleitet und
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dann kann das Gehirn die Augen zwingen, ah, also dazu bringen, dass sie auf das schauen und
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5
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das sich ein Bild irgendwie ergibt (…) im Kopf.
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I: Und wozu braucht man da jetzt das Licht bei diesem Vorgang?
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P: Eigentlich gar nicht. Das braucht man ja nicht. Nein.“
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Derartige Antwort- bzw. Argumentationsmuster sind keine Einzelfälle, sondern stehen prototypisch für stabile Vorstellungsmuster von Lernenden nach dem Anfangsoptikunterricht der Sekundarstufe I. Sie zeigen, dass eine basale Vorstellung von physikalischen Prozessen, die für die visuelle Wahrnehmung bzw. konkreter für die Bildentstehung im Auge relevant sind, nicht oder nicht tiefgehend genug verankert wird. Angesichts der Tatsache, dass die visuelle Wahrnehmung unserer Umwelt ein alltäglicher Vorgang ist, scheint dies verwunderlich. Ein Blick auf den gängigen Optikunterricht sowie eine konstruktivistische Perspektive auf Lernprozesse bieten jedoch eine Reihe von Anhaltspunkten, wie es zu dieser Situation kommen kann.
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Die bewusste körperliche Erfahrung von Licht, das in unser visuelles System gelangt, ist typischerweise mit für das Auge schmerzhaften Blendvorgängen verbunden. Ein derartiges schmerzhaftes Gefühl von „geblendet werden“, stellt sich jedoch bei „normalen“ Sehvorgängen nicht ein. Zudem ist vielen die Erfahrung völliger Dunkelheit gänzlich
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. Abb. 5.1 Wie kann Emma die Torte sehen?1
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1 Bildquelle: https://pixabay.com/p-947438/ (Zugriff am 4. 2. 2018)
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