Von physikalischen Experimenten zu physikalischen Konzepten - ein steiniger Weg? Von physikalischen Experimenten Claudia v. Aufschnaiter unter Mitarbeit von StR. M. E. Kraus & C. Rogge AG Didaktik der Physik, Universität Hannover von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Ein Weg zu den Konzepten? Typisches Handlungsmuster im Physik-Unterricht Einführung: Demonstration eines Phänomens oder Stellen eines themenbezogenes Problems Hypothesenbildung: Erörterung von Hypothesen oder Lösungsansätzen Überprüfung: Experiment zur Bestätigung oder zur Problemlösung Ergebnissicherung: Diskussion der Ergebnisse und Formulierung wesentlicher Aussagen Anwendung: Weiterführende Fragen, Ergänzungen oder experimentelle Demonstrationen (u.a. T. Fischer, 20.09.2005, Universität Paderborn) von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Gliederung Steinige Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Wie werden Experimente in der Schule (meist) eingesetzt? Eine neue Experimentierkultur? Es bleibt steinig! von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Gliederung Steinige Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Wie werden Experimente in der Schule (meist) eingesetzt? Eine neue Experimentierkultur? Es bleibt steinig! von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Warm und kalt Wie warm fühlt sich eine Schere an?  Griff eher warm, Schneide eher kalt Sortiert Gegenstände danach, wie warm sie sich anfühlen (eher kalt, normal, eher warm)  Gegenstände werden ausgesucht und sortiert Welche Temperatur würdet ihr den Gegenständen zuordnen?  „Raten“: eher warm: 20°C, normal: 15°C, eher kalt: 4°C Messt die Temperatur der Gegenstände (insgesamt 6 plus Schere)  Überraschung: „Die Schneide kann nicht 24,5°C sein“, mehrfaches [ungläubiges] Messen, Verblüffung: „Wir sind voll drauf reingefallen“; Messwerte überall ca. 25°C, während der Werteaufnahme: „die sind fast alle gleich“ Was fällt beim Vergleich der Messwerte auf?  „Die sind fast alle gleich“ (ca. 11 Minuten) von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Die Gegenstände passen sich der RT an Vergleicht die gemessenen mit den geschätzten Temperaturen  „Es ist materialabhängig was man fühlt“ Was könnt ihr über eure Fähigkeit des Temperaturschätzens aussagen?  „Die [Physiker] wissen, dass alles die gleiche Temperatur hat“ Bestimmung der Raumtemperatur  „Da kommt jetzt wieder das Gleiche raus“, gemessen 26,4°C; „Was wäre, wenn wir 30°C hätten?“ „Dann wären die Gegenstände so 29-30°C warm.“ Vergleich Raumtemperatur und gemessene Temperaturen  „Die Gegenstände passen sich der Raumtemperatur an.“ (ca. 4 Minuten) Messen von Lufttemperatur und Kerntemperaturen in Kühlbox  Messwerte aufnehmen, „Wir stellen fest, dass unsere Theorie stimmt“ von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Können Gegenstände Licht abstrahlen? Typische Schülerreaktionen auf Sender-Strahlungs-Empfänger-Theorie: „Also ich finde erst einmal sehr komisch, daß ein (Playmobil) Männchen Licht ausstrahlen soll. […] weil man das Licht nicht sieht, das das Playmobil-Männchen in unser Auge bringt. Und deshalb kann man das auch nicht glauben.“ „Ich kann mir das eigentlich nicht vorstellen, daß so ein Männchen, - die strahlen ab? Das kann ich mir nicht so richtig vorstellen. Wenn es einen Spiegel hätte, oder so was. Aber so ein Männchen, so ein normales Männchen, wo nichts glitzert, das kann ich mir nicht vorstellen.“ aus: Wiesner, H. (1994), NiU-Physik 5(22), S. (51) 7 von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Einfallswinkel [= Ausfallswinkel] Macht mit einer Taschenlampe einen Schatten von einem Gegenstand. Könnt ihr den Schatten um den Gegenstand herum lenken, ohne den Gegenstand anzufassen? Versucht, ob ihr mit der Halogen-Tischlampe den Schatten um den Gegenstand wandern lassen könnt! Klappt das auch noch, wenn ihr den Gegenstand mit einem anderen Gegenstand austauscht? Wie erklärt ihr euch, dass sich der Schatten bewegt? „Weil der Einfallswinkel sich verändert, oder? Also, […]“ von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Gliederung Steinige Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Ohne Experimente scheint Konzeptentwicklung nur sehr schwer möglich. Mit Experimenten klappt es aber auch nicht immer… „Konzepte“ sind oft „nur“ (un)angemessene Sprech-weisen. Gliederung Steinige Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Wie werden Experimente in der Schule (meist) eingesetzt? Eine neue Experimentierkultur? Es bleibt steinig! von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

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Probleme? Auf welche Schwierigkeiten stoßen Sie bei dem Versuch, Experimente zur Entwicklung physikalischer Konzepte zu nutzen? von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Typische Probleme bei der Konzeptentwicklung? - Die Schüler entdecken alles Mögliche am Experiment, aber nicht den „relevanten“ Aspekt (das relevante Konzept) - Die Versuchsdurchführung der Schüler ist „theorielos“ (trial-and-error) - obwohl die Theorie vorher diskutiert wurde - Die Schüler messen zu ungenau, so dass sich kein regelhafter Zusammenhang (und damit auch kein Konzept) aus den Messwerten „ableiten“ lässt - Schüler lernen ein Konzept mithilfe eines Experimentes. Wenn sich der Versuch ein kleines bisschen ändert, dann wissen (können) die Schüler das Konzept nicht mehr - … von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Konzeptentwicklung I: Von Explorationen zu Konzepten Lass‘ uns mal fühlen, wie warm die Schere ist. [Exploration] Da kommt jetzt wieder das Gleiche raus. [intuitiv regelbasiertes Vorgehen] Die Gegenstände passen sich der Raumtemperatur an. [explizit regelbasierte Beschreibung/Konzept]  Aus vielfältigen Explorationen (physikalischer) Kontexte erfassen die Schüler intuitiv die unterliegenden Regelhaftigkeiten (wissen, wie es geht/was man sagen muss, aber nicht warum)  Nur sehr langsam werden explizit Konzepte und deren Verknüpfung aus ähnlichen Phänomenen und Beschreibungen erschlossen  In weiteren Explorationen werden diese Konzepte wieder entdeckt  Konzeptbasierte Instruktionen werden erst sehr spät in der Lernent-wicklung „konzeptuell“ verstanden und „genutzt“. von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Konzepte wiederholt entdecken… Messen von Lufttemperatur und Kerntemperaturen in Kühlbox  Messwerte aufnehmen, „Wir stellen fest, dass unsere Theorie stimmt“ (0:17) Beobachten, wie sich heißes Wasser abkühlt und kaltes Wasser erwärmt  „Die ändern sich so lange, bis sie die Raumtemperatur haben.“ (0:27) Plastiklöffel in heißes Wasser halten, wo kommt die Erwärmung des Löffels her?  „Das ist nämlich die Umgebung, in die wir den Gegenstand tun“ (0:33) Temperatur des Plastikmessers, bevor es mit Rotlichtlampe erwärmt wurde?  „26°C, so wie der Raum war.“ „Genau, Raumtemperatur“ (0:38) Was passiert mit den Temperaturen von WQ und WE bei einer W-Übertragung?  „Temp. des WE passt sich der Temp. der WQ an und umgekehrt.“ „Die [Temperaturen] kommen sich ein bisschen entgegen.“ (0:59) Temperatur von Gel-Packs aus Kühlbox messen (Thema: Isolation) „Du brauchst nur eins [der Gel-Packs] messen, weil die [Temperaturen] alle gleich sind.“ „Ja.“ (2. – 0:11) Temperatur von Wasser in Reagenzgläsern vor Beleuchtung messen (Thema: Erwärmung durch Beleuchtung) „Muss ja überall gleich sein“ „Ja.“ „Bestimmt Raumtemperatur.“ (2. – 0:43) von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Konzeptentwicklung II: phänomen- vor modellbasiert Gegenstände passen sich der Raumtemperatur an. Mit Spiegeln kann man Lichtflecken umlenken. [explizit phänomenbasierte Konzepte] Wärme fließt vom Gegenstand höherer Temperatur zum Gegenstand niedrigerer Temperatur bis die Temperaturen ausgeglichen sind. Zum Sehen muss Licht vom Gegenstand ins Auge fallen. [explizit modellbasierte Konzepte]  Zunächst phänomenübergreifendes Verallgmeinern statt modellhaftes Erklären (lernlogisch sehr wichtig, physikalisch „unbefriedigend“)  Phänomenbasierte Konzepte sind notwendige Voraussetzungen für das Bedürfnis nach sowie die Suche und das Verstehen von modellbasierten Konzepten von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Phänomen- und modellbasierte Konzepte „Die Gegenstände fühlen sich unterschiedlich warm an“ „Die Wassertemperaturen ändern sich so lange, bis sie die Raumtemperatur haben“ „Die Temperatur des Wärmeempfängers passt sich der Temperatur der Wärmequelle an und umgekehrt“ „Die Gegenstände sind danach bestrebt, Raumtemperatur anzunehmen“ „Isolatoren verhindern, dass die Temperatur von Innen nach Außen abgegeben wird.“ „Um Wärme zu übertragen, muss die Wärmequelle wärmer sein als der Wärmeempfänger“ Wärme fließt vom Gegenstand höherer Temperatur zum Gegenstand niedrigerer Temperatur bis die Temperaturen ausgeglichen sind. (0. HA) von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Gliederung Steinige Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Konzeptentwicklung ist ein sehr kleinschrittiger Prozess mit vielen Wiederholungen. Misslingender naher Transfer deutet auf die Ausbildung von kontextgebundenen Sprech-weisen, jedoch nicht auf ein konzeptuelles Verständnis hin. Gliederung Steinige Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Wie werden Experimente in der Schule (meist) eingesetzt? Eine neue Experimentierkultur? Es bleibt steinig! von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Gliederung Steinige Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Wie werden Experimente in der Schule (meist) eingesetzt? Eine neue Experimentierkultur? Es bleibt steinig! von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

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Wir beobachten unsere Umwelt und fragen nach den Ursachen der Erscheinungen. Wir suchen nach einer Erklärung der Erscheinungen. […] Bestätigen die Experimente unsere Vermutungen nicht, dann […] Wir überprüfen unsere Vermutungen mit Experimenten. Bestätigen die Experimente unsere Vermutungen, dann […] Gesetzmäßigkeit. Kennen wir Gesetze, dann können wir andere Beobachtungen erklären. […] Naturwiss. Methoden Experimente zur Bestätigung bereits bekannter Erklärungen nutzen oder zu Experimenten „neue“ Erklärungen entdecken (Exploratives Experimentieren in der Wissenschaft: F. Steinle, Physik Journal 2004, 3(6), S. 47-52) von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Gliederung Steinige Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Unabhängig davon, wer die Experimente durchführt, haben schulische Experimente vor allem das Ziel der anschaulichen Demonstration von Konzepten. Oft wird dabei direkt auf modellbasierte Konzepte „abge-zielt“ Gliederung Welche der von Ihnen für die Konzeptentwicklung benannten Probleme könnten mit dem demonstrativen Charakter der eingesetzten Experimente zu tun haben? Steinige Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Wie werden Experimente in der Schule (meist) eingesetzt? Eine neue Experimentierkultur? Es bleibt steinig! von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

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Unterrichtsplanung? Wie planen Sie Ihren Unterricht, wenn Sie viel Zeit zur Unterrichtsplanung haben? von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Ein Planungsleitfaden? Strukturierung Erfahrungen von Schülern systematisch zum Ausgangs- und Schwerpunkt von Instruktionen machen Aufgabenserien statt demonstrativer Einzelexperimente: Aus Explorationen von Phänomenen müssen die Schüler den jeweils relevanten Aspekt selbst (intuitiv) erfassen können Zunächst vor allem auf phänomenbasierte Konzepte „abzielen“ Wiederholtes Entdecken von Konzepten ermöglichen und zulassen Erfolgserleben häufig ermöglichen (alle 3-5 Minuten sollte „was klappen“) Fach fachliche Aspekte und deren Zusammenhänge klären Aspekte/Zusammenhänge ge-mäß Konzeptentwicklung hierarchisieren Schüler Erfahrungen der Schüler (aus Vorstellungserhebungen) rekonstruieren Erfahrungen fachlich klären von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Fach – Licht (Auswahl) Licht „kommt“ von Lichtquellen Licht breitet sich (näherungsweise) gradlinig von der Lichtquelle aus Licht kann gerichtet und ungerichtet reflektiert werden („umlenken“) Licht kann transmittieren und/oder absorbiert werden Unterscheidung Lichtquellen in Selbstleuchter und Fremdleuchter, auch Fremdleuchter sind faktisch Lichtquellen Licht hat ein Spektrum (ist aus unterschiedlichen Farben zusammen-gesetzt) Licht selbst ist nicht sichtbar, das Vorhandensein von Licht kann nur wahrgenommen werden, wenn Licht auf streuende/reflektierende Objekte (auch Partikel etc.) fällt und von dort in unser Auge gelangt Man sieht ein Objekt nur, wenn vom Objekt selbst und dessen Umgebung unterschiedliches (unterschiedlich viel) Licht ins Auge gelangt Auch nicht beleuchtete Objekte können erkannt werden, wenn die Umgebung beleuchtet ist (mehr Licht von der Umgebung als vom Objekt) ( Schattenbilder werden gesehen). (Formulierungen schülernah gewählt) von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Schüler - Sehen Typische Schülervorstellung: Zum Sehen muss man hinschauen / Sehstrahltheorie (phänomenbasiertes Konzept)  tatsächlich kann man kein Objekt sehen, wenn man nicht “hinschaut”  dass Licht vom Objekt ins Auge fallen muss, erfordert eine differenziertere Betrachtung, die typischerweise nicht aus Phänomenen erschlossen wird (werden kann)  Schüler finden die physikalische Erklärung „unsinnig“.  Die Schwierigkeiten der Schüler beziehen sich (zunächst) nicht auf das Sehen, sondern auf fehlende Erfahrungen zum Umlenken des Lichtes (besonders: ungerichtete Reflexion und Reflexion in abgewandte Richtungen) von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Strukturierung – Licht und Sehen (Auswahl) Wo kommt Licht hin? - Lichtausbreitung im Raum (unterschiedliche Quellen) - Lichtausbreitung an Hindernissen: Schlitzkiste, Löcherball, … Wie breitet sich Licht aus? - Sichtbarmachung von Lichtstrahlen (Schlitzkiste, Löcherball, unterschiedliche Quellen: Kreidestaub, Rauch, streifender Einfall) - Zusammenhang der Ausbreitung mit beleuchteter Fläche herstellen - Konstruktion von Lichtwegen ohne Sichtbarmachung und Überprüfung - „Umlenken“ von Licht mit und ohne Sichtbarmachung (gerichtet und ungerichtet), Strahlenkonstruktion - Selbst- und Fremdleuchter Sehen - Herstellen des Zusammenhangs zwischen Lichteinfall im Gesicht und Wahrnehmung von Gegenständen (ggf. mit Sichtbarmachung) von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Gliederung Steine Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung „Forschendes Lernen“ er-fordert, dass die Schüler aus (experimentellen) Variationen die Konzepte selbst mehrfach entdecken können. Statt guter Demonstrationsexperimente müssten Lehrkräfte gute Experimentierserien anbieten. Gliederung Steine Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Wie werden Experimente in der Schule (meist) eingesetzt? Eine neue Experimentierkultur? Es bleibt steinig! von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Gliederung Steine Wege… Konzepte über Konzeptentwicklung Wie werden Experimente in der Schule (meist) eingesetzt? Eine neue Experimentierkultur? Es bleibt steinig! von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

Es bleibt steinig! Aber die Schüler müssen doch die Basiskonzepte für die spätere Anschlussfähigkeit lernen!  Welche Erfahrungen und phänomenbasierten Regeln sind die Voraussetzungen für diese Konzepte? Intuitiv angemessenes Handeln/Sprechen als erstes Ziel! RRL, Bildungsstandards und das Zentralabitur…  Üben des „richtig Sprechens/Rechnens“ (geht eher schnell) und aufgabenbasierte Konzeptentwicklung (braucht viel Zeit) mischen. Entwicklung guter Lernumgebungen braucht Zeit sowie iterative Durchläufe der kritischen Prüfung der Wirkung  Nur ein Thema (für eine Klassenstufe) pro Jahr „anpacken“, möglichst in Zusammenarbeit! von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005

„Hausaufgabe“ Versuchen Sie herauszufinden, wo der Aufbau des Vortrages der Botschaft des Vortrages nicht entspricht! Download (ab 26.09.2005): www.cvauf.de (oben links) von Experimente zu Konzepten - C. v. Aufschnaiter MNU-Tag, Hannover 2005