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Schülervorstellungen und Physikunterricht

Horst Schecker Thomas Wilhelm Martin Hopf Reinders Duit Hrsg.
Schüler­ vorstellungen und Physikunterricht
Ein Lehrbuch für Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis
Autoren: Horst Schecker, Thomas Wilhelm, Martin Hopf, Reinders Duit, Helmut Fischler, Claudia Haagen-Schützenhöfer, Dietmar Höttecke, Rainer Müller und Rita Wodzinski

Hrsg. Prof. Dr. Horst Schecker FB 1 Physik/Elektrotechnik, Institut für Didaktik der Physik Universität Bremen Bremen Deutschland
Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik Goethe-Universität Frankfurt am Main Frankfurt Deutschland

Univ.-Prof. Dr. Martin Hopf Österreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik Universität Wien Wien Österreich
Prof. Dr. Dr. h.c. Reinders Duit IPN – Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik Universität Kiel Deutschland

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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V
Vorwort
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.
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.
Dieses Lehrbuch soll Lehramtsstudierende, Referendare und Lehrkräfte der Physik in die Lage versetzen, genauer hinzuhören und besser zu verstehen, was sich
1 Jung, W. (1978). Jung war ein Begründer der Schülervorstellungsforschung in Deutschland.

VI

Vorwort

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.
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.
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.
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.
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.
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-
rinnen diagnostizieren können, •• wissen, wie man Lernenden helfen kann, ihre Vorstellungen
weiterzuentwickeln,

VII Vorwort
•• wissen, wo man Unterrichtskonzeptionen findet, die Schülervorstellungen berücksichtigen,
•• Möglichkeiten kennen, wie man Schülervorstellungen bei der Unterrichtsplanung und -durchführung einbeziehen kann, und nicht zuletzt
•• die eigenen Vorstellungen zu zentralen physikalischen Konzepten fachlich durchdacht haben.
Die Herausgeber Horst Schecker, Thomas Wilhelm, Martin Hopf und Reinders Duit
Literatur
Jung, W. (1978). Zum Problem der„Schülervorstellungen“. physica didactica, 5, 125–146.

IX

Autoren

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

Müller, Rainer, Prof. Dr. Institut für Fachdidaktik der Naturwissenschaften, Universität Braunschweig Pockelsstr. 11 38106 Braunschweig email: rainer.mueller@tu-bs.de

Fischler, Helmut, Prof. Dr. FB Physik, Physikdidaktik, Freie Universität Berlin Arnimallee 14 14195 Berlin email: helmut.fischler@physik.fu-berlin.de
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

Schecker, Horst, Prof. Dr. FB 1 Physik/Elektrotechnik, Institut für Didaktik der Physik, Universität Bremen Postfach 330440 28334 Bremen email: schecker@uni-bremen.de
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

Höttecke, Dietmar, Prof. Dr. Fachbereich Erziehungswissenschaften, Didaktik der Physik, Universität Hamburg Von-Melle-Park 8 20146 Hamburg email: dietmar.hoettecke@uni-hamburg.de

Wodzinski, Rita, Prof. Dr. Institut für Physik, Universität Kassel Heinrich-Plett-Str. 40 34109 Kassel email: wodzinski@physik.uni-kassel.de

Hopf, Martin, Univ.-Prof. Dr. Österreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik, Universität Wien Porzellangasse 4 A-1090 Wien email: martin.hopf@univie.ac.at

XI

Inhaltsverzeichnis

1

Schülervorstellungen und Physiklernen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    1

1.1 Warum Schülervorstellungen für den Unterricht so wichtig sind. . . . . . . . . . .   2

1.2 Schülervorstellungen und Unterrichtsgestaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   4

1.3 Zum Begriff„Schülervorstellung“. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   9

1.4 Woher die Schülervorstellungen stammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   12

1.5 Forschung zu Schülervorstellungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   14

1.5.1 Entwicklung der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   14

1.5.2 Untersuchungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   15

1.6 Ausblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   18

1.7 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  18

1.8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   19

2 Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  23
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

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

4 Schülervorstellungen in der Mechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  63 4.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   64 4.2 Vorstellungen zur Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   65 4.3 Vorstellungen zur Dynamik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   70

XII Inhaltsverzeichnis
4.4 Unterrichtskonzeptionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   80 4.5 Testinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   82 4.6 Literatur zur Vertiefung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.7 Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  84 4.8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  86
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
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
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

XIII Inhaltsverzeichnis
8 Schülervorstellungen zu Energie und Wärmekraftmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  163
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
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
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

XIV Inhaltsverzeichnis

11
11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10

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

12 Schülervorstellungen im Anfangsunterricht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  243 12.1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  244 12.2 Physikalisch sehen und denken lernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  245 12.3 Schülervorstellungen zu physikalischen Themen
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

13
13.1 13.2
13.3 13.4
13.5 13.6 13.7 13.8 13.9 13.10 13.11

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

XV Inhaltsverzeichnis
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
Serviceteil Sachverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   300 Autorenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  303