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Fachdidaktisches Seminar 1 Skriptum zur Lehrveranstaltung am Inst. f. Experimentalphysik (AG für Fachdidaktik), Karl-Franzens-Universität Graz Dr. Gerhard Rath

Inhalt Konzeption und Zielstellungen _________________________________________________________ 2 Guter Physikunterricht soll ... __________________________________________________________ 3

Allgemeine Gesichtspunkte für "guten" Physikunterricht ____________________________________ 4 Was gehört zu gutem Unterricht? Ein didaktisches Koordinatensystem _________________________ 5 Was bleibt übrig? ___________________________________________________________________ 6 Legitimationen für Physikunterricht_____________________________________________________ 9

Wissenschaftstheoretische Aspekte_____________________________________________________ 11 Was ist eigentlich Physik? ___________________________________________________________ 11 Aspekte naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung ____________________________________ 13 Entdeckendes Lernen: Das "Regenproblem" _____________________________________________ 17 Prinzipien des Entdeckenden Lernens __________________________________________________ 18 Geschichte(n) im Physikunterricht _____________________________________________________ 19 Die Physiker ______________________________________________________________________ 23 Auswirkungen der Physik____________________________________________________________ 24

Inhaltliche Aspekte des Physikunterrichts_______________________________________________ 26 Zielwissen________________________________________________________________________ 26 Fundamentum der Physik____________________________________________________________ 26 Lehrpläne ________________________________________________________________________ 29 Physikalische Begriffe ______________________________________________________________ 30 Probleme mit dem Kraftbegriff _______________________________________________________ 32 Energie __________________________________________________________________________ 34 Der "Karlsruher Physikkurs" _________________________________________________________ 34

Die Entwicklung von Denkstrukturen __________________________________________________ 37 Jean Piaget _______________________________________________________________________ 37 Jerome Bruner ____________________________________________________________________ 38 Konstruktivismus __________________________________________________________________ 39 Elementarisierung__________________________________________________________________ 40 Interesse und Motivation ____________________________________________________________ 45

Didaktische Modelle _________________________________________________________________ 46 Didaktische Analyse________________________________________________________________ 48 Lehr- und Lernziele ________________________________________________________________ 52

Empfehlenswerte Literatur ___________________________________________________________ 55 Anhang ___________________________________________________________________________ 56

G. Galilei: Dialog über die beiden hauptsächlichen Weltsysteme (1632) _______________________ 57 Ein humoristischer Beitrag: Physiker in Aktion___________________________________________ 60 Es war einmal in Kopenhagen.... ______________________________________________________ 62 Hans Graßmann: Eine kurze Geschichte der Physik _______________________________________ 63

http://rath.brgkepler.at http://physicbox.uni-graz.at

FACHDIDAKTISCHES SEMINAR 1 KONZEPTION UND ZIELSTELLUNGEN SEITE 2

Konzeption und Zielstellungen Fachdidaktik steht zwischen Fachwissenschaft, Pädagogik, Psychologie, Wissenschaftstheorie und Unterrichtspraxis. Um einen Einblick in spezifische Arbeitsweisen der Fachdidaktik Physik zu gewinnen, kann auf einen Zugang von einer eher theoretischen Seite nicht verzichtet werden. In Kontrast und Ergänzung zu anderen Lehrveranstaltungen, welche die Nähe zur Schulpraxis suchen und Schwerpunkte in der methodischen Arbeit haben, liegt der Hauptaspekt des "Fachdidaktischen Seminars 1" im Reflexiv-Grundsätzlichen. Es geht um Grundfragen der Didaktik, also insbesondere um das "Warum", "Wozu" und "Was" des Unterrichts, erst danach auch um das "Wie".

• Was ist der Wert des Faches Physik für die Allgemeinbildung?

• Was ergeben empirische Untersuchungen über den Erfolg des Physikunterrichts?

• Welche Inhalte bilden das "Fundamentum", das allgemein wichtige Basiswissen?

• Wie soll "guter" Physikunterricht aussehen?

• Was ist eigentlich "Physik"?

• Wie kann man Ergebnisse der Physik altersgemäß darstellen?

Trotz der Orientierung an der Theorie sind die Zugänge immer wieder an der Praxis angelehnt, die Studenten sollen möglichst dort abgeholt werden, wo sie stehen: In ihrer Nähe zum Fach Physik. Daher wird ein Schwerpunkt in Überlegungen über dieses Fach, über die Wissenschaft Physik gesetzt, wissenschaftstheoretische Fragen spielen eine gewichtige Rolle.

Ziele der Lehrveranstaltung

• Erlernen didaktischer Denk- und Arbeitsweisen anhand von Beispielen aus der Schulphysik

• Didaktisches Denken soll als wichtiger Beitrag zu bewussterem Unterrichten verstanden werden

• Gewinnung bzw. Festigung einer positiven Grundhaltung zu Jugendlichen, Schule und Physikunterricht

• Kennenlernen verschiedener Unterrichtsmethoden

• Besseres Verständnis für Physik an sich, insbesondere auf Schulniveau bzw. der Probleme ihrer Vermittlung

• Kennenlernen didaktischer Literatur bzw. wichtiger Didaktiker (z.B. Mach, Wagenschein, Jung, Bruner u.a.)

Zu Beginn werden diverse Ergebnisse von Untersuchungen zur Wirksamkeit des Physikunterrichts den eigenen Erfahrungen der Studenten gegenübergestellt, um ihnen ihre „Theorien“ von Unterricht bewusster zu machen. Der weitere Verlauf dient insbesondere dem Aufzeigen und Entdecken verschiedenster Lösungsansätze, der Vorstellung und Entwicklung von „gutem Unterricht“.

Denn: Wir wissen heute eigentlich recht genau, was guter und was schlechter Unterricht ist. Allerdings benötigen wir immer auch Bezugssysteme der Bewertung, wir benötigen einen theoretischen Hintergrund, um nicht bei subjektiven und beliebigen Aussagen stecken zu bleiben.

FACHDIDAKTISCHES SEMINAR 1 GUTER PHYSIKUNTERRICHT SOLL ... SEITE 3

Guter Physikunterricht soll ... Ziele: Bewusstmachen eigener Haltungen und Einstellungen ("Theorien") zum Physikunterricht

Konfrontation mit Ergebnissen empirischer Untersuchungen

Werte, die wir dem Unterricht beimessen, sind Kriterien für unser Urteil und Triebkräfte für unser Handeln!

Startimpuls:

Nenne 3 Eigenschaften von gutem und drei von schlechtem Physikunterricht!

Guter Physikunterricht soll: soll nicht:

Zusammenfassung von Ergebnissen der Studenten: Guter Physikunterricht soll (bzw. soll nicht): • Interessant sein • Verständnis von Alltagsphänomenen verbessern • Die Schüler zum Verstehen von Physik bringen • Spaß machen • aktuelle Themen ansprechen • realitäts- und alltagsnah sein • Versuche enthalten, auch Schülerversuche • Gruppenarbeit, Exkursionen und Projektunterricht enthalten • neue Medien enthalten: Computer, Internet ... • verständlich sein • auf Schülerfragen eingehen • die Schüler zum Mitdenken bringen • Hinterfragen und Klarstellen von Grundlegendem ermöglichen • Übersichtlich gegliedert sein. Es soll erkennbar sein, was wichtig und was unwichtig ist. • Umgang mit Geräten und Experimenten vermitteln (Messen!) • Ein hohes Niveau bieten • Nicht zu wichtig genommen werden (Physik ist kein Hauptfach) • Keine Anhäufung von unverstandenen Fachausdrücken und Faktenwissen sein • Nicht zum Auswendiglernen führen • Keine Angst machen • Nicht lebensfern sein • keine "Vorlesung" sein • nicht nur theoretisch sein • nicht zu viele (detaillierte) Formeln enthalten • nicht zu viele Rechnungen enthalten • nicht von einem fachlich inkompetenten Lehrer gehalten werden • nicht nur auf eine einzige Schlussüberprüfung (Test) vorbereiten


Allgemeine Gesichtspunkte für "guten" Physikunterricht Aus: Reinders Duit: Ziele für den naturwissenschaftlichen Unterricht - Anspruch und Realität plus lucis 1/97 S. 12

Interesse

• an Interessen anknüpfen

• Interessen wecken und fördern

• insbesondere an Interessen von Mädchen anknüpfen, ihr Interesse wecken und fördern

Verstehen

• an Alltagsvorstellungen anknüpfen

• bei der Planung der Lernwege sich an den Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler und nicht vorwiegend an fachlichen Aspekten orientieren

• dem Verstehen den Vorzug vor dem Wiedergeben von Definitionen und Formeln geben

Über das Fachliche hinaus

• Verbindungen des behandelten Inhalts mit anderen Inhalten herstellen; die Bedeutung dieses Inhalts im Rahmen der anderen im Unterricht vermittelten Inhalte herausstellen – innerfachliche Integration anstreben

• Verbindungen zu Inhalten anderer Fächer, die mit dem behandelten Inhalt zu tun haben, herstellen – überfachliche Integration anstreben

• Verbindungen zur Technik herstellen

• Bedeutung eines Inhalts für die Technik, einschließlich kritischer Sicht der betreffenden Technik

• Bedeutung eines Inhalts für das Verstehen von Umweltproblemen

• Bedeutung eines Inhalts im gesellschaftlichen Raum

• Bedeutung eines Inhalts für die Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler

Über das Inhaltliche hinaus

• Lernen von Naturwissenschaften durch Lernen über Naturwissenschaften ergänzen

• ein angemessenes "Bild" von den Naturwissenschaften entwickeln

Selbständiges Lernen

• neue Organisationsformen des Unterrichts z.B. Projektunterricht und offener Unterricht anregen

• Möglichkeiten, selbständigen Lernens in eher traditionellen Organisationsformen wie im Gruppenunterricht fördern

Lernen und Verstehen fördernde Unterrichtsbewertung

• Unterrichtsbewertung weniger als Instrument einer abschließenden Einordnung sondern eher als Hilfe für die Förderung des Lernens und Verstehens sehen


Was gehört zu gutem Unterricht? Ein didaktisches Koordinatensystem

WARUM? - Orientierungswissen Verfügungswissen Orientierungswissen

Die Wissenschaft verstehen, um die Welt zu beherrschen

Die Welt und sich selbst als Teil dieser Welt mithilfe der Wissenschaft besser verstehen

WAS? - Inhaltliche Leitlinien Wissenschaftsverständnis

Weltverständnis

•Fachinterne (exemplarische) Bedeutung •Methodik der Physik •Forschung, Beruf •Fachübergreifende Bedeutung

•Alltagsbezug•Weltbild, Philosophie

•Gesellschaftsbezug•Kulturelles Erbe

WIE? - Methodische Leitlinien Instruktion

Konstruktion

•Auf vorhandenes Wissen eingehen •Sinnhafte Themen formulieren •Vielseitige Bezüge schaffen •Gezielten Input, geeignete Medien

•Anregende Lernumgebungen organisieren •Soziales, eigenverantwortliches Lernen •Unterstützungen und Hilfen •Präsentation, (Selbst)Kritik

Konstruktivistische Lernumgebungen

Methodische Leitlinien

Was ist Physik? Grundeinstellung zur

Wissenschaft

Orientierungswissen und WeltverständnisZiel: Grundbildung für Alle


Was bleibt übrig? Ergebnisse empirischer Untersuchungen Quelle: H. Muckenfuß: Lernen im sinnstiftenden Kontext. Cornelsen 1995

Beliebtheit der Fächerrelative Häufigkeit der Fächernennung

19,6 23,2 36

,6

5,4

17,6

14,6

3,6 9,

5 15,2

6,3

42,3

11,6

53

-18,

5

-45,

5

-16,

4

-15,

9

-11,

8

-44,

3

-61,

3

-17,

1

-29 -1

3,9 -5

,1

-12,

7 -7,4

10,6

39

22,9

10,8

12,3 18

,3

20,5

7,7

21

4,8

18,1

7,7

58,6

-24,

6

-27

-27,

2 -16,

9

-14,

5

-34 -25,

3 -10,

6

-10,

8

-11,

1

-17,

1

-25,

1

-9,6

Eng Mat Deu Rel Bio Che Phy Erd Ges GK Kun Mus Spo

0

20

40

60

80

-20

-40

-60

-80

Frage: Welches waren deine 3 liebsten/ungeliebtesten Fächer?

Datenbasis: N = 751 Realschüler/innen (336 Mä; 415 Ju)

nach Geschlecht

%

Mädchen Jungen

Physik spaltet stark, ist nicht egal (wie z.B. Rel) Ablehnung/Zustimmung. Ähnlich: Ch, M. Bei Mädchen das unbeliebteste Fach überhaupt. wenige "Experten" und viele "Eingeschüchterte" (Wagenschein). "Beliebtheit" ist aussagekräftiger als "Interesse": Auch wenig gemochtes kann interessant sein, Interesse ist eher kognitiv, kann an der Sache liegen (kurzfristig) oder eine Einstellung,

Haltung sein. Beliebtheit ist eher emotional, langfristig.

Interesse liegt höher als Beliebtheit. Physik wird nicht als bedeutsam für Alltag und Beruf gesehen.

Attribuierungen zum Fach PhysikProzentwerte aus 751 Nennungen

langweilig interessant kompliziert alltagsrelevant berufsrelevant

0

30

60

90

-30

-60

-90

40,2

18,6

25,1

49,9

17,0

53,5

30,217,1

41,927,3

13,1

14,126,3

34,2

31,8

63,1

8,428,5

80,1

40,2

Widerspruch

Zustimmung

MädchenJungen

Physik ist ...

%


Das Interesse sinkt im Laufe des Unterrichts stark ab (Durchschnitt! - bei einigen wenigen bleibt bzw. steigt es), aber: Allgemeine Wertschätzung nimmt zu. Physik soll nicht verschwinden, wird als immer wichtiger erachtet. Es öffnet sich eine Schere zwischen der Überzeugung: Jeder sollte etwas von Physik wissen, Physik ist wichtig, - und: subjektiv den Anforderungen nicht gewachsen zu sein, Physik ist abstrakt, schwierig. "Die Abhängigkeit der vielen Laien ist die Freiheit der Experten". Zu ähnlichen Ergebnissen kommt eine österreichische Untersuchung: E. Lex, E. Gunacker: Der Physik- und Chemieunterricht aus der Sicht des Schülers (in: plus lucis 1/98, S. 7 ff) Dort wurden 1122 SchülerInnen der 2. bis 4. Klasse Hauptschule befragt

Bei Themen wo die Naturerkenntnis im Vordergrund steht ("Orientierungswissen") sind die Unterschiede gering; bei Themen wo die Naturbeherrschung wichtig ist ("Verfügungswissen"), spaltet sich das Interesse.

Entwicklung von Interesse und Relevanzzuschreibung im Fach Physik

Berechnung aus den Daten der IPN-Interessenstudie

N = 4034; Datenbasis Hoffmann/Lehrke 1985, S. 34/38 (eigene Berechnung)

InteresseBedeutung

Interessendifferenzen bei physikalischen ThemenUnterschied im Sachinteresse zwischen Schüler/inne/n, die Physik

als unbeliebtes bzw. beliebtes Fach angeben

Die Werte geben an, um wieviel geringer/höher (-/+) das Themeninteresse bei den Schülerinnen undSchülern ist, für die das Fach Physik zu den unbeliebten Fächern zählt. Die Zahlenwerte ergeben sichaus dem Unterschied in der Häufigkeit, in der das Thema in den beiden Vergleichsgruppen alsinteressant bezeichnet wird.

-39,9

-38,6

-35,6

-35,2

-29,7

-20,9

-15,1

-5

-4,4

16

mechanische Maschinenhelfen Menschen

elektrische Energiein der Wohnung

Hebel und Hebelgesetzein der Natur

Fernrohr

Kraft und Bewegungim Straßenverkehr

Solarenergie

Energiesparen

Himmelsfarben

Entstehung von Wolkenund Niederschlägen

Wärmehaushalt der Tiere

0 10 20-10-20-30-40-50


Was bleibt übrig (Wissensbestand)? "Übrig bleibt lediglich das bestenfalls geringfügig modifizierte Alltagswissen über die Natur, was zumeist schon vor Beginn des Fachunterrichts voll ausgebildet war."

(R. Brämer: Über die Wirksamkeit des Physikunterrichts. In: NiU 28/1980, S. 10 ff)

"Formelfragmente und Satztrümmer" (Wagenschein, 1971. Zit. nach Muckenfuß S. 26)

"Erlernt wird der Umgang mit den Wissensbruchstücken, die sich bei Tests im Gedächtnis wiederfinden und die im Unterricht in einer Art Mini-Max-Strategie optimal einzusetzen sind."

"Denn mit Sicherheit das markanteste, wenn auch manchen Schulpraktiker vielleicht gar nicht so sehr überraschende Ergebnis der unternommenen Analyse der Bildungsziele und -wirklichkeit des gymnasialen Physikunterrichts ist - gemessen an den didaktischen Zielsetzungen - dessen nahezu völlige Unwirksamkeit. Aus der Sicht der zum Ziel gesetzten fachphysikalischen Unterweisung als Basis für eine allgemeine wissenschaftskulturelle Bildung der Schüler verlassen diese die Schule in ihrer übergroßen Mehrheit schlicht als physikalische Analphabeten.

Das Ergebnis des Unterrichts ist ein eher kurioses Neben- und Miteinander sich mitunter diametral widersprechender Vorstellungen unterschiedlichster Provenienz, ein "Amalgam" aus Physik- und Alltagswissen, Spekulation und Kenntnis, von buntgewürfelten Versatzstücken aus Schulbüchern, populärwissenschaftlichen Massenmedien und eigener Erfahrung."

(Nolte-Fischer 1989, zit. nach Muckenfuß S. 29)

"Wie immer man den Physikunterricht aspektieren will, durch Anwendungsorientierung, Erlebnishaftigkeit, Gesellschaftsbezug, Berufsrelevanz o.a., er bleibt nur dann naturwissenschaftlicher Unterricht, wenn auch die von konkreten Zusammenhängen abstrahierende Theorie als solche mitgelehrt wird. Da physikalische Theorien komplexe Aussagensysteme sind, die nicht am Einzelfall gewonnen werden oder auf einen solchen bezogen bleiben, bedeutet dies, dass immer in einer bestimmten Form systematisch gelernt werden muss." (H. Muckenfuß: These, S. 35)

Generell zeigen Untersuchungen eine beinahe völlige Unwirksamkeit des Unterrichts.

Zu beachten ist aber das "tacit knowledge": Stilles Wissen, z.T. unbewusst, beeinflusst Denken, Wahrnehmen und Urteilen!

Interesse und Beliebtheit

"Die Bedingungen für das Interesse der Mädchen (und vieler Jungen) sind nicht Nützlichkeit, Alltagserfahrung, Gemüthaftigkeit und Sinnlichkeit, auch wenn solche Faktoren immer mit im Spiel sind: Das tiefere und allgemeinere Anliegen, dem der Physikunterricht gegenwärtig nicht gerecht wird, betrifft das Bedürfnis, die Menschen, die Bedingungen ihrer Existenz und ihr Handeln zu verstehen! Naturerkenntnis ist immer auch Erkenntnis des Menschen. Jedem Naturbild korrespondiert ein Menschenbild. Wo Unterricht diese Seite ausklammert, leidet seine Attraktivität, wo sie zum Thema wird, weckt er Interesse." (Muckenfuß, S. 65)

"Ein auf Verfügungswissen zentrierter Physikunterricht spaltet die Schülerschaft in „Experten“ und „Eingeschüchterte“. Die Ursache der Einschüchterung liegt in der erfolgreichen Vermittlung der großen gesellschaftlichen Bedeutung der Physik bei gleichzeitigem Aufbau von Unterlegenheitsgefühlen. Der Physikunterricht wirkt daher elitestiftend und antidemokratisch. Die positive Einstellung der „Eingeschüchterten“ zu Themenkreisen, die Naturerkenntnis stärker auf das Natur- und Menschenbild als auf Naturbeherrschung beziehen, verweist auf die Notwendigkeit, das Orientierungswissen curricular zu berücksichtigen, wenn negative Sozialisationswirkungen vermieden werden sollen." (Muckenfuß, S. 86)

Quelle: H. Muckenfuß: Lernen im sinnstiftenden Kontext. Cornelsen 1995

Hier zeigt sich ein erster Lösungsansatz der Interessen-Problematik: Muckenfuß schlägt die Ausrichtung des Unterrichts am Orientierungswissen vor.


Legitimationen für Physikunterricht

Ausgangsfrage: Wie kann man Physik in der Schule legitimieren? Was lernen die Schüler im Fach Physik, was sie in keinem anderen Fach lernen?

Das folgende Zitat begründet Physik- bzw. Naturlehre-Unterricht. Aus welcher Zeit könnte es stammen?

"Vernünftige Wesen werden durch nichts so sehr zur Erlernung einer Wissenschaft gereizt, als wenn man sie überführet, wie wichtig, nützlich, und angenehm sie sey; Ich halte es daher für Pflicht etwas weniges vom Nutzen der Naturlehre herzusetzen.

(1) Sie lehret uns auf überzeugende Weise einen Gott kennen, der allmächtig, weise und gütig ist. Beyspiele und Beweis ist die ganze Natur.

(2) Sie vergrößert und erhöhet unsere Einsichten und Kenntnisse.

(3) Sie erwecket durch so viele reizende Beobachtungen und Versuche das würdigste und reinste Vergnügen in unserer Seele. Man denke nur an die angenehmen Versuche mit dem Sonnen-Microscop, mit den Farben, mit der Electrisier-Maschine, mit dem Magnet etc.

(4) Sie nimmt uns die kindliche Furcht und Aberglauben. Man denke an die Cometen, Irrwische, Nordlichter, Sympa-thien etc.

(5) Durch sie erreichen fast alle Künste und Handwerker ihren Grad der Vollkommenheit. Man überlege doch nur, ob nicht die ganze Verbesserung der Oeconomie, der Färbereyen, der Zubereitung des Leders und unzähliges anderes von der richtigen und gründlichen Kenntniss der Naturlehre ihren Ursprung nehmen muß. Wem dies nicht genug zur Aufmunterung ist, der ist nicht werth ein Mensch zu seyn. "

Aus: Johann Lorenz Beckmann: Naturlehre, oder: die gänzlich umgearbeitete malerische Physik. Karlsruhe 1775. Zitiert nach: R. Duit: Ziele für den naturwissenschaftlichen Unterricht - Anspruch und Realität. plus lucis 1/97, S. 3 ff

Dieses Zitat zeigt die Änderung der Einstellungen gegenüber Ziel und Sinn des Physikunterrichts

Aufgabe: Sammeln von Legitimationsargumenten für Physikunterricht heute

Ergebnisse (SS 2000):

Legitimationen:

Vorbereitung auf bestimmte Studien Naturwissenschaftliches Denken, Problemlösen, Weltbeschreibung Allgemeinbildung: Wichtige Bereiche des Natur- und Weltverständnisses werden erfasst Kritische Einstellung, Argumentier- und Entscheidungsfähigkeit (zB: Energie, Umwelt ...) wird unterstützt


Viele Berufe haben mit Technik zu tun, Physik ist eine Basis der Technik Umgang mit Formalismen (Erleichtert Umgang mit dem Computer) Fertigkeiten: Gezieltes Denken, Abschätzen von Wirkungen, Näherungen Hilfsmittel in der Entwicklung zur Stufe der formalen Operationen (Piaget) Besondere Unterrichtsformen (z.B. :Schülerversuche) unterstützt Entwicklung von Eigenverantwortung, Zusammenarbeit

Dies lässt sich vergleichen mit den Aussagen eines Standardwerks der Fachdidaktik: Bleichroth u.a.: Fachdidaktik Physik, S. 42ff.

• Physik ist eine paradigmatische Grundlagenwissenschaft - bezüglich ihrer Arbeitsweisen und Ergebnisse. Zugang nicht anzubieten, würde menschliche Erfahrungs- und Entfaltungsmöglichkeiten einschränken. Wissen ist überwiegend "still" (tacit knowledge) und beeinflusst Denken, Wahrnehmen und Urteilen.

• Moderne Naturwissenschaft hat Denken und Weltverständnis entscheidend geprägt. Teilnahme am kulturellen Leben erfordert Einführung in Weltbild, Denk- u. Arbeitsweisen der Physik.

• Mehrheit der Menschen hätte keine Chance, Bereiche rational zu kontrollieren, die tief in ihr Leben eingreifen. Politische Kontrolle soll möglich sein. Im Prinzip soll jeder Experten kritisieren können. (Physik ist schwer u. langwierig erlernbar, eher dem Einleben in eine fremde Kultur vergleichbar als dem Erlernen einer Fremdsprache -- also früh anfangen mit Physikunterricht).

• Zugang zu Berufen mit naturwissenschaftlichen Komponenten würde eingeschränkt.

• Physikalisch-Technische Innovationsfähigkeit ist für wirtschaftlichen Wohlstand entscheidend. Physikalische Kompetenz allgemein verbessert das Klima, den Boden für die Entwicklung.

• Physikunterricht bietet Basis für späteres Weiterlernen. Nicht nur unmittelbarer Nutzen entscheidend! z.B. Erscheinungen des Alltagslebens verstehbarer, Handlungsmöglichkeiten werden erweitert.

• Förderung allgemeiner Fähigkeiten wie: Problemlösekompetenz, kreatives Denken, Urteilsvermögen; Objektivität, Skepsis, genaues Beobachten. Aber: Kann auch von anderen Fächern geleistet werden, auch (u. besonders) von Projektunterricht etc...

FACHDIDAKTISCHES SEMINAR 1 WISSENSCHAFTSTHEORETISCHE ASPEKTE SEITE 11

Wissenschaftstheoretische Aspekte

Was ist eigentlich Physik? Wie kann man befriedigend definieren, was eigentlich Physik ist?

a) "unter uns" - für Studenten, Wissenschaftler etc. b) für Schüler Diese an sich wissenschaftstheoretische Fragestellung sehen wir insbesondere unter einem didaktischen Aspekt. Nachdenken darüber kann uns mehr Bewusstsein darüber bringen, was wir tun. "Naturwissenschaftlicher Unterricht ist immer auch zugleich wissenschaftstheoretischer Unterricht. Selbst wenn das Wort "Wissenschaftstheorie" im Unterricht nie erwähnt wird, so wird der Schüler durch die Art und Weise wie der Unterricht gestaltet wird dennoch, zumindest implizit, einen Eindruck von der (angeblichen) Vorgehensweise der Naturwissenschaften vermittelt bekommen." O. Timmer: Die Wissenschaftstheorie Karl Poppers. In: Pädagogik der Naturwissenschaften - Physik, 4/48, S. 32

Ergebnisse von Studenten:

Was ist Physik:

• Beschreiben und Verstehen der Natur

• Die Behandlung aller Fragen, die sich auf die Frage nach dem Ort eines Gegenstandes reduzieren lassen

• Die Naturwissenschaft der unbelebten Materie Physik beschreibt äußere Einwirkungen auf ein System, ohne dessen Bestandteile zu ändern

• Probleme der materiellen Welt lösen - so weit als möglich zu reduzieren

• Wissenschaft zur Beschreibung von Vorgängen aus der Natur; Zweck: Verstehen, Treffen von Vorhersagen. Grundlage der Technik

• Lehre und Erklärung von natürlichen Abläufen (und Gesetzen) im Universum

Lehrbuchdefinitionen:

"Die Physik ist die Wissenschaft von den Eigenschaften und Zustandsformen, dem inneren Aufbau ("Struktur") und den Bewegungen der unbelebten Materie, den diese Bewegungen hervorrufenden Kräften oder Wechselwirkungen und den dabei wirkenden Gesetzmäßigkeiten." Physik heute 2 (Lehrbuch für 2. Klasse Hauptschule und AHS), S. 6

"Die Physik befasst sich mit der Erforschung der Naturgesetze und der Beschreibung der Naturerscheinungen mit Hilfe dieser Gesetze." (Sexl u. a.: Lehrbuch Physik 5.Klasse AHS)

Kritische Anmerkungen: Viele Definitionen enthalten Zirkelschlüsse. Sie versuchen Physik durch Begriffe zu definieren, die erst durch die Physik selbst geprägt wurden! Zum Beispiel: Erforschung, Naturgesetze, Eigenschaften, Bewegungen.


Auf jeden Fall ist der Begriff "Physik" nicht so einfach zu bestimmen, er hat etliche Aspekte. Zum Beispiel: Physik ist ...

• Ein System von Erkenntnissen, Gesetzen, Theorien - das, was in den Physikbüchern steht

• Eine besondere Methode des Erkenntnisgewinns, das Wechselspiel Theorie-Experiment, mathematische Naturbeschreibung

• Eine Art Wahrheit, quasi-religiös, ein modernes Weltbild

• Ein gesellschaftlich-wirtschaftlicher Faktor, Forschung, Expertentum, Macht

• Ein dynamisches Ringen um Naturverständnis, wachsend, sich entwickelnd, mit "Paradigmenwechseln"

• (nur) eine Art über die Welt zu denken, von vorneherein nicht besser oder schlechter als viele andere (z.B. Astrologie, Mystik ...), in einigen Bereichen erfolgreich, für andere ungeeignet

Herbert Pietschmann versucht eine operationale Definition, wobei er einen Zirkelschluss bewusst in Kauf nimmt:

"Wir wollen in ausgewogenem Verhältnis die praktische Tätigkeit der physikalisch Forschenden, die historische Entwicklung und den logisch-philosophischen Hintergrund einander gegenüberstellen, um so Einsicht zu gewinnen in ein faszinierendes Phänomen der Menschheitsgeschichte, das wir Naturwissenschaft nennen. Es sei schon jetzt klargestellt, dass es sich dabei nicht um eine Beschreibung von statischen Fakten oder Gebilden handeln wird, sondern vielmehr um das Ergebnis einer nur dynamisch zu verstehenden, menschlichen Tätigkeit. In diesem Sinne scheint auch die beste "Definition" - wenn überhaupt eine gegeben werden soll - zirkelschlüssig formuliert zu sein: Physik ist das, was die Physiker machen." (H. Pietschmann: Phänomenologie der Naturwissenschaften)

Weitere Informationen zu dieser Frage liefert: Gerhard Rath: Was ist Physik? Versuch einer didaktischen Antwort auf eine grundlegende Frage des Physikunterrichts plus lucis 3/97, S. 2 ff Daraus stammt auch der Vorschlag, die Frage für didaktische Zwecke auf mehrere "W"-Fragen aufzugliedern.

• Womit beschäftigt sich Physik? • Wie arbeitet Physik?

• Wer betreibt Physik?

• Wo wird Physik betrieben?

• Wozu wird Physik betrieben?

Diskussionsbeitrag: Hans Graßmann definiert die Physik so: „Die Physik ist ein Versuch, die Wirklichkeit zu erkennen und zu benennen“. (Text im Anhang S. 63)


Aspekte naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung Oder: Wie kommt man zu verlässlichem Wissen?

Deduktion und Induktion

Deduktion: Schluss vom Allgemeinen auf das Spezielle. Führt zu gesicherten Ergebnissen! Problem: Wie kommt man zu den allgemeinen Sätzen?

Induktion: Von mehreren Einzelergebnissen wird auf das Allgemeine geschlossen. Kann keine sicheren Ergebnisse liefern!

"Bekanntlich berechtigten uns noch so viele Beobachtungen von weißen Schwänen nicht zu dem Satz, dass alle Schwäne weiß sind." (K. Popper, Logik der Forschung, 1971)

Naturgesetze sind nicht verifizierbar, sondern nur widerlegbar.

Dilemma:

"Ohne Rekurs auf Einzelereignisse kann kein Allgemeines abstrahiert werden, es kann aber auch nicht aus Einzelereignissen zwingend geschlossen werden. Trotzdem können wir uns auf Naturgesetze verlassen."

(H. Pietschmann: Phänomenologie der Naturwissenschaften,1996, S. 26)

Mathematik

Sind Naturgesetze ihrem Wesen nach mathematisch?

"Verrät das etwas von der inneren Logik, die das Weltall bestimmt - etwa: "Gott ist ein Mathematiker" - oder ist das Medium, das wir zur Beschreibung der Regelmäßigkeiten der Natur wählen, nur ein Spiegelbild unseres eigenen Geistes? Oder weist vielleicht die Struktur der Welt einige mathematische Aspekte auf, die zwar nur einen kleinen Teil der Gesamtinformationen ausmachen, aber den einzigen Teil, den wir bisher zuverlässig entdecken konnten? Ist die Wirklichkeit mathematisch, oder kommt einfach die Wirklichkeit der Mathematik nur so nahe, wie wir ihr realistisch gesehen nahe kommen können? (J. Barrow: Die Natur der Natur. 1993, S. 366)

Physik sieht die Mathematik als "Werkzeug", als "Hilfswissenschaft".

Dilemma:

"Insofern die Sätze der Mathematik sicher sind, haben sie nichts mit der Wirklichkeit zu tun; insofern sie aber auf die Wirklichkeit angewandt werden, sind sie nicht sicher."

(H. Pietschmann: Phänomenologie der Naturwissenschaften,1996, S. 23)

Ist die Mathematik formal oder material? Sind z.B. Raum und Zeit etwas Wirkliches oder sind sie konstruierte Konzepte, mit denen wir die Wirklichkeit beschreiben? Wurden diese Konzepte entdeckt oder wurden sie erfunden? siehe auch: J.P. Braun: Physikunterricht neu denken, S. 237 ff


Experiment "Der Experimentator konstruiert, präpariert und startet das Experiment. Dann beobachtet er Wirkungen, deren Ursache in Konstruktion, Präparation und Start des Experiments liegen."

(J.P. Braun: Physikunterricht neu denken. 1999, S. 241)

Ist ein Experiment eine "Frage an die Natur"?

• Messinstrumente liefern Zahlenwerte für Größen, die bereits vor der Messung begrifflich festgelegt wurden.

• "Beobachten" heißt: Datenerfassung in Vermittlung und Darstellung technischer Apparaturen - wird ein "Naturphänomen" erfasst? (z.B. Teilchenbeschleuniger)

Reproduzierbarkeit: Wiederholung des Experiments muss unabhängig von Ort und Person zu den gleichen Ergebnissen führen.

Dazu müssen die Bedingungen genau beschrieben und normiert sein: Quantifizierung notwendig!

Problem: Äußere Bedingungen eines Experiments lassen sich nie ganz exakt reproduzieren. Gewisse Abweichungen werden Störfaktoren zugeschrieben, die nicht relevant sind - man muss die Fehlergrenzen mit angeben. Diese unterliegen dem Konsens aller Beteiligten.

Es gibt auch grundsätzlich nicht reproduzierbare Phänomene - z.B. in der Astronomie - die trotzdem wissenschaftlich beschrieben werden.

In der Wissenschaft stellen Experimente einen wichtigen Teil des Erkenntnisprozesses dar. Ihre Bedeutung wurde allerdings zeitweise überbewertet. Experimente sind immer theoriegebunden!

Im Unterricht haben Experimente verschiedene Funktionen, z.B.: Veranschaulichung, Motivation oder Illustration. Sie werden eher selten im Erkenntnisprozess eingesetzt, sondern sind meist vor-geplant und so hergerichtet, dass das herauskommt, was gezeigt werden soll. Somit illustrieren sie Theorien oder Modelle (insbesondere die Experimente der Lehrmittelfirmen). Bleichroth u.a. schlagen vor, Experimente in der Schule grundsätzlich nur als "Versuche" zu bezeichnen, um diese von den wissenschaftlichen Experimenten eindeutig zu trennen. (Fachdidaktik Physik, S. 217 ff) Interessante Beispiele die Verwendung von Experimenten im Rahmen des Erkenntnisprozesses auch im Physikunterricht zeigt P. Labudde, zum Beispiel: Der gebrochene Stab im Wasser (S. 22), oder: Faradays Naturgeschichte einer Kerze (S. 30)

Theorie

Verhältnis Theorie-Experiment: Wie Henne-Ei. Ein Wechselspiel, das nicht ganz erklärt werden kann, aber trotzdem zu Ergebnissen führt.

Induktion, Beobachtung, Fantasie, ... führen Wissenschaftler zu Prinzipien: sehr allgemeine, theoretische Ideen, vorgefasste, intuitive Annahmen. Zum Beispiel:


• Einheitsprinzip: Verschiedene Phänomene lassen sich einheitlich beschreiben (Elektrizität + Magnetismus, Mechanik +Thermodynamik ...)

• Invarianzprinzip: Voraussagen einer Theorie müssen unabhängig von der Wahl des Koordinatensystems sein.

• Erhaltungssätze

• Einfachheit

"Zu diesen elementaren Gesetzen führt kein logischer Weg, sondern nur die auf Einfühlung in die Erfahrung sich stützende Intuition ... Keiner, der sich in den Gegenstand wirklich vertieft hat, wird leugnen, dass die Welt der Wahrnehmungen das theoretische System praktisch eindeutig bestimmt, trotzdem kein logischer Weg von den Wahrnehmungen zu den Grundsätzen der Theorie führt. (A. Einstein: Mein Weltbild. S. 109)

"Alles, was von einem genügend anerkannten Theoretiker vorhergesagt ist, wird auch entdeckt, unabhängig davon ob es tatsächlich existiert oder nicht.

Alles, was von genügend anerkannten Experimentatoren "entdeckt" ist, wird auch theoretisch erklärt, unabhängig davon ob es überhaupt existiert." (H. Pietschmann, Phänomenologie der Naturwissenschaften,1996, S. 153/163)

Erklärungen:

• bis 19.Jhd: ein mechanisches Modell haben

• 20.Jhd: Möglichkeit, Daten und Verhalten aus einer Theorie richtig vorhersagen können.

Modelle:

• Idealisierung der Realität (z.B. Massenpunkt, ideales Gas, Lichtstrahl, starrer Körper ...)

• reine Denkmodelle: Teilchenmodell e. Festkörpers, Lichtwelle, Elektron

• abstrakt-mathematisch: Beziehungen zwischen physikalischen Größen

Was heißt Erklären im Unterricht? Erklären meint ein Zurückführen auf "einfachere" (theoretische) Elemente (z.B. Modelle, Gesetze), das Herstellen von Zusammenhängen zwischen dem fraglichen Phänomen und dem theoretischen Hintergrund. Oft ist dazu ein Zerlegen in Schritte und Teilbereiche notwendig. Gleichzeitig muss ein Zusammenhang mit der aktuellen Denkstruktur der Schüler hergestellt werden.

Ist die Erde wirklich rund? Ein schöner Text aus M. Wagenschein: Verstehen lehren zeigt die Problematik des Erklärens auf einfachster Stufe. Eine Entwicklungshelferin versucht, Afrikanern die Kugelform der Erde nahezubringen. Wie könnte man erklären, dass die Erde rund ist (und sich dreht ...)?

Siehe: Anhang, Seite 56


Realität und Wahrheit

Wie hängen die Ergebnisse/Theorien der Physik mit der Wirklichkeit zusammen?

Steht hinter unseren Wahrnehmungen die ewige Wahrheit der physikalischen Gesetze?

Vier Positionen:

1. (naiver) Realismus: Unsere Sinne liefern ein Bild der Außenwelt. Nicht mehr haltbar seit der Quantenmechanik.

2. Kritischer Realismus: Direkter Zugang zur "Realität" ist nicht möglich, aber der naturwissenschaftliche Fortschritt erreicht ein ständig besser werdendes Bild, er kommt der "Wahrheit" immer näher.

3. Konstruktivismus: Naturwissenschaftliche Theorien sind keine Abbildungen, sondern Konstruktionen. Der Konsens der Wissenschaftler erschafft die "Wirklichkeit". Physikalische Gesetze sagen Ausgänge von Experimenten voraus, nicht mehr.

4. Dialektischer Realismus: Die "Realität" kann selbst nicht erkannt werden. Trotzdem ist sie eine notwendige Voraussetzung für das Auffinden von Naturgesetzen. "Wirklichkeit" ist eine Konstruktion unseres Verstandes, ein Bild der "Realität", aber keine Abbildung oder Annäherung an diese. Naturgesetze müssen falsifizierbar sein.

"Wahrheit" ist ein Begriff mit starkem subjektivem Aspekt (innere Überzeugung, Sich-Bekennen), prozessartig, nicht beweisbar ("richtig"), aber bezweifelbar. Sie kann nicht für Naturgesetze gelten.

Naturgesetze sind "sicher" (Pietschmann) - sie ermöglichen Voraussagen über Ergebnisse von Handlungen in gewissem Rahmen.

Siehe dazu auch: H. Pietschmann: Wirklichkeitsvorstellung und Physikunterricht Vortrag bei der DPG-Tagung in Regensburg am 26. März 1998 Herbert Pietschmann, Institut für Theoretische Physik, Universität Wien

in: PLUS LUCIS 1/98, S.4 ff

Die Auseinandersetzung zwischen Realisten (1. und 2.) und Instrumentalisten (3.) wird von R. Müller und S. Hartmann am Beispiel der Deutungen der Quantenmechanik diskutiert: Kopenhagen contra Bohm. In: Pädagogik der Naturwissenschaften - Physik, 4/48 1999, S. 12


Entdeckendes Lernen: Das "Regenproblem"

Man hat eine bestimmte Strecke (z.B. 1 km) im Regen zurückzulegen und hat keinen Schirm dabei.

Wie schnell muss man sich bewegen, damit man möglichst wenig nass wird? Gibt es eine optimale Geschwindigkeit?

Dieses Problem stammt aus: J. Walker: Der fliegende Zirkus der Physik. Oldenbourg-Verlag München 1977, S. 37 ("Gehen oder Rennen im Regen")

Dieses Thema eignet sich sehr gut zur Anregung von Vorgängen entdeckenden Lernens bei Studenten. Auch ohne unmittelbare Anschauung ist das Phänomen bestens bekannt, die Lösung der Frage aber üblicherweise nicht. Das Thema selbst nimmt keinen besonderen Stellenwert im Fach Physik ein, dies begünstigt aber Einsichten in den verfolgten Erkenntnisweg (Idealisieren, Abstrahieren, Vereinfachen, Vernachlässigen, Bilden von Modellen, Definition von Begriffen ("Nass werden") ...

Um überhaupt begründete Aussagen treffen zu können, muss zuerst eine idealisierte Situation hergestellt werden, zum Beispiel: Freier Himmel, homogener Regen, konstante Regen- und Gehgeschwindigkeit, Regen kommt genau von oben, aufrechte Bewegung, Körper durch Quader angenähert usw.. Man geht vom wirklichen zu einem abstrahierten Regen über. Entscheidend ist weiters die Frage, was überhaupt "nass werden" bedeutet. Beschränkt man sich auf den einfachsten Fall der Tropfenmenge die auftrifft, zeigen sich zwei widerstrebende Tendenzen: Je schneller man läuft, desto kürzer ist man zwar im Regen, dafür kommt dieser mehr von vorne, die Angriffsfläche wird größer.

Modellmäßige Lösung: (Unter der Annahme obiger Vereinfachungen) Der menschliche Körper wird durch einen Quader angenähert; dieser soll sich aufrecht durch den homogenen Regen bewegen. Für den Anteil der Tropfen, der die Deckfläche trifft, gilt: Je kürzere Zeit sie dem Regen ausgesetzt ist, desto weniger Tropfen treffen dort auf. Getrennt davon betrachten wir die Vorderfläche: In den Raum, durch den sich der Quader bewegt, fallen oben gleich viele Tropfen hinein, wie unten auf dem Boden landen. Die Dichte bleibt konstant, man kann den Regen als stehend betrachten (wie Nebel). Die von der Vorderfläche gesammelte Wassermenge ist dann immer gleich. Fazit (unter diesen Bedingungen): Man sollte möglichst schnell sein.

Neigt man den Quader gegen den Regen, so trifft insgesamt weniger auf, allerdings ein größerer Anteil davon auf die Deckfläche.

Für diesen idealisierten Fall lässt sich also eine Lösung finden - auch quantitativ. Die Physik arbeitet im Raum der Abstraktionen. Zuletzt muss die wichtige Frage diskutiert werden, was die Lösung für wirklichen Regen bedeutet, wie weit sie sinnvoll anwendbar ist. Vernachlässigt wurde zum Beispiel die Energie der Tropfen. Erfahrungsgemäss bewirken schnelle oder große Tropfen viel eher das Gefühl von "Nässe", vielleicht da sie schneller die Kleidung durchnässen als kleine, langsame.

Beispiele zum Genetischen Lernen zeigt P. Labudde, Erlebniswelt Physik: "Die Entwicklung des eigenen Wissens" (Regenbogen, Schiffsbau). S. 73 ff


Prinzipien des Entdeckenden Lernens Genetisches Prinzip Das Wachsen von Ideen soll begünstigt werden. Der Lehrer tritt möglichst zurück, die Lenkung ist minimal. Ordnen, Zusammenfassen, Anregen ... Die Kreativität der schnelleren Schüler wird an der Gründlichkeit der langsameren gemessen. Das Werden vollzieht sich am besten im Gespräch (Sokratische Methode). Die zurückhaltende Gesprächs"führung" darf nicht mit dem üblichen Ziel-orientierten Unterrichtsgespräch (Erarbeiten) verwechselt werden. Günstig sind kleine, gut bekannte Klassen. "Wahrlich, es ist nicht das Wissen, sondern das Lernen, nicht das Besitzen, sondern das Erwerben, nicht das Da-Seyn, sondern das Hinkommen, was den größten Genuß gewährt." (C.F. Gauss, 1899) Exemplarisches Prinzip An wenigen Themen werden durch intensives Lernen wesentliche Erkenntnisse und Denkmethoden gewonnen, die dann für andere Probleme beispielgebend sind. "Was man sich selbst erfinden muss, lässt im Verstand die Bahn zurück, die auch bei anderer Gelegenheit gebraucht werden kann." (G. C. Lichtenberg, 1944) An sich eignen sich viele Themen - sie sollen für die Schüler interessant, fragwürdig sein, ein mittlerer Schwierigkeitsgrad ist günstig. Kann Wege zu einer Lösung des Zeitproblems im Unterricht aufzeigen ("Mut zur Lücke"). Formale Bildung: Vollzieht sich weniger durch den Inhalt selbst als durch den Weg, die Denkmethodik ...

Exemplarisches Prinzip und Genetische Methode wurden insbesondere von M. Wagenschein in die Physikdidaktik eingeführt. Zum Beispiel in: Die Pädagogische Dimension der Physik (S. 226)

Stehen auf den Phänomenen Am Beginn des Erkenntnisprozesses steht die möglichst unmittelbare Anschauung, ein Naturphänomen oder eine Fragestellung aus dem Erlebnisbereich der Schüler. Der Unterricht beginnt in der Alltagssprache und kehrt auch immer wieder zu ihr zurück. Das Erlernen von Elementen der Fachsprache ist allerdings ein wichtiges Ziel des Unterrichts. Fundamentale Erfahrungen Wichtiger als konkrete inhaltliche Ergebnisse sind wesentliche Erfahrungen, die das gesamte Fach (insbesondere die Methodik) betreffen: "Funktionsziele". Zum Beispiel: • die Natur ist mathematisierbar • das Ergebnis eröffnet jedoch nur einen Aspekt der Natur • das Wesen der naturwissenschaftlichen Methode: Abstraktion, Reduktion, Quantifizierung,

Intersubjektivität, ... • die Grenzen dieser Methode • die Erfahrung eigener Kompetenz auf einem Gebiet, das sonst Experten vorbehalten ist "Ich wäre zufrieden, wenn jeder Jüngling einige wenige mathematische oder naturwissenschaftliche Entdeckungen sozusagen miterlebt und in ihre weiteren Konsequenzen verfolgt hätte." (E. Mach)


Geschichte(n) im Physikunterricht Galileis Turmexperiment. Das Problem der Erddrehung Lernen an einem Originaltext

In diesem berühmten Text (aus: G. Galilei: Dialog über die beiden hauptsächlichen Weltsysteme, 1632) diskutiert Galilei ein altes Argument gegen eine mögliche Erddrehung: Ein von einem Turm fallengelassener Stein müsste bei rotierender Erde entfernt vom Fuß des Turmes auftreffen. Diese Situation wird mit einem fahrenden bzw. ruhendem Schiff verglichen.

Eine vereinfachte Version findet sich im Anhang, Seite 57 In einem didaktischen Lehrstück führt Galilei in Gedankenexperimenten zu einem Trägheitsprinzip, mit dem der schließlich das Argument entkräftet. Sehr schön lassen sich damit (auch für Schüler) Elemente der wissenschaftlichen Denkmethodik demonstrieren.

In wissenschaftstheoretischer Hinsicht hat sich Paul Feyerabend intensiv mit der Argumentation Galileis auseinandergesetzt (in: Wider den Methodenzwang. Frankfurt am Main 1986. Suhrkamp Taschenbuch Wissenschaft 597). Die anschließenden Gedanken folgen hauptsächlich Feyerabend

Erläuterungen zum Text von G. Galilei aus "Dialogo" Grundfrage: Kann man eine (eventuelle) Bewegung der Erde anhand von Fallversuchen (Stein von Turm) feststellen?

Um diese Frage in seinem Sinn zu beantworten, muss Galilei eine grundlegende Revision der Alltagserfahrung bzw. ihrer Beschreibung vornehmen. Dies wird allerdings nicht ausgesprochen, sondern Galilei arbeitet mit psychologischen "Tricks".

Aristotelischer Bewegungsbegriff: Orientiert sich an der Erfahrung. Bewegung ist sichtbar, erkennbar, spürbar. Bewegung ist nicht nur Ortswechsel, sondern jede Veränderung, also auch Erwärmung, Lernen, Wachsen, ... Sie ist immer zielgerichtet, man unterscheidet zwischen natürlichen und künstlichen Bewegungen. Aristoteles versucht die Beobachtungen möglichst präzise zu beschreiben und einzuteilen.

Die Alltagserfahrung widerspricht der Möglichkeit einer Erddrehung. Um sie denkbar zu machen, muss das Denksystem geändert werden. Galilei geht über zu einer "Erfahrung mit metaphysischen Bestandteilen".

Wie kann man zu verlässlichem Wissen kommen?

• Galilei lehnt die unkritische Übernahme des Wissens von Autoritäten ab. Er selbst verfügt aber auch über keine bewährte Theorie der Erddrehung.

• Er hat aber auch kein Experiment durchgeführt (fahrendes Schiff)

• Trick: Scheinbare Ableitung aus logischem Denken, aus Hausverstand. Galilei tut so, als sei das neue Denksystem bereits allgemein bekannt, wenn auch nicht direkt bewusst. (Argumentation mit der rollenden Kugel).


Erkennbare naturwissenschaftliche Verfahrensweisen: Abstraktion und Reduktion werden deutlich sichtbar. "Zufällige" Hindernisse werden weggelassen (Haltbarkeit ...)

Ein neuer Bewegungsbegriff wird entwickelt: Bewegung wird reduziert auf Ortsveränderungen. Diese werden aus idealisierten, nicht beobachtbaren Elementen zusammengesetzt.

Unausgesprochene Prinzipien:

• Relativitätsprinzip: Unsere Sinne nehmen nur relative Bewegungen wahr. Es kann Bewegungen geben, die wir nicht absolut feststellen können.

• Unabhängigkeitsprinzip: Der Stein vollführt zwei (grundsätzlich verschiedene) Bewegungen gleichzeitig; diese beeinflussen einander nicht.

• Trägheitsprinzip: Sich selbst überlassene Objekte vollführen gewisse ausgezeichnete Bewegungen. Diese benötigen keinen Antrieb.

"Fehler" Galileis aus heutiger Sicht:

• Die Trägheitsbewegung ist eine Kreisbewegung um den Erdmittelpunkt. Hier argumentiert Galilei durchaus im aristotelischen Sinn - kein Streben nach unten oder oben. (Trägheitsprinzip für geradlinige Bewegungen: R. Descartes 1650)

• Galilei behandelt nur irdische Bewegungen - die himmlischen werden ausgenommen bzw. im alten System gesehen. Er akzeptierte nicht die Leistungen seines Zeitgenossen J. Kepler.

Literatur: P. Feyerabend: Wider den Methodenzwang. Frankfurt/Main 1986; Suhrkamp Taschenbuch Wissenschaft 597

Historisierende Methode Einsatz von Geschichte im Physikunterricht

Möglichkeiten:

• "Verjüngungselixier" für Lehrer. Aus Fertigprodukten werden wieder Probleme

• Motivation für Schüler (insbesondere historische interessierter)

• Auflockerung des Unterrichts

• besseres Verständnis grundlegender Prinzipien der Physik

• Taktik und Strategie wissenschaftlicher Forschung an nachvollziehbaren Beispielen miterleben

• Zusammenhänge der Physik mit dem geistigen, sozialen, politischen und wirtschaftlichen Leben erkennen

Gefahren:

• zeitraubend

• darf kein Geschichte-Unterricht werden (Jahreszahlen...)


Walter Jung hat sich intensiv mit der Frage auseinandergesetzt, ob historische Überlegungen im Physikunterricht wirklich dem besseren Verständnis dienen. Zum Beispiel: Kann man Physik nur historisch "wirklich verstehen"? In: Der Physikunterricht 3/1983, S. 5 Geschichte im naturwissenschaftlichen Unterricht - Pro und Contra. Vortrag auf dem 15. IPN-Seminar München 1978

Detailliert ausgeführte Beispiele zum historisch-genetischen Lernen (Fallgesetze, industrielle Revolution) findet man in: J. Pukies: Das Verstehen der Naturwissenschaften. Braunschweig 1979

Der Freie Fall Lernen an einem Originalexperiment

G. Galilei gilt als Begründer der experimentellen Naturwissenschaft – als erster verwendete er das Experiment als wesentliches Element des Erkenntnisprozesses und führte damit handwerkliche und praktische Aspekte in die bis dahin rein theoretische Naturwissenschaft ein. Allerdings zeigen neuere Untersuchungen, dass Galilei einige der von ihm beschriebenen Experimente entweder gar nicht gemacht oder andere Ergebnisse erhalten hat. Auch der berühmte Fallversuch von Schiefen Turm in Pisa ist nicht ihm zuzuschreiben, sondern wurde wahrscheinlich von einem seiner Gegner durchgeführt, um ihn zu widerlegen.

Der folgende Text beschreibt ein Experiment Galileis mit der schiefen Ebene. Aus diesem leitete er den Weg-Zeit-Zusammenhang für die gleichmäßig beschleunigte Bewegung her.

Wir verwenden das zur Verfügung stehende Schülerversuchsmaterial (Fahrbahn, Wagen, Kugeln, Stoppuhren, Waage ...) und sind damit an sich besser gerüstet als Galilei (Zeitmessung!). Damit soll das Originalexperiment nachvollzogen werden.

Wie genau lassen sich Galileis Ergebnisse erhalten?

Text (aus „Discorsi“) Zitiert nach: Samburski: Der Weg der Physik (dtv, München 1978), S. 309

Auf einem Lineal, oder sagen wir auf einem Holzbrett von 12 Ellen Länge, bei einer halben Elle Breite und drei Zoll Dicke, war auf dieser letzten schmalen Seite eine Rinne von etwas mehr als einem Zoll Breite eingegraben. Dieselbe war sehr gerade gezogen, und um die Fläche recht glatt zu haben, war inwendig ein sehr glattes und reines Pergament aufgeklebt.

In dieser Rinne ließ man eine sehr harte, völlig runde und glattpolierte Messingkugel laufen. Nach Aufstellung des Brettes wurde dasselbe einerseits gehoben, bald eine, bald zwei Ellen hoch; dann ließ man die Kugel durch den Kanal fallen und verzeichnete in sogleich zu beschreibender Weise die Fallzeit für die ganze Strecke. Häufig wiederholten wir den einzelnen Versuch, zur genaueren Ermittlung der Zeit, und fanden gar keine Unterschiede, auch nicht einmal von einem Zehntel eines Pulsschlags.

Darauf ließen wir die Kugel nur durch ein Viertel der Strecke laufen und fanden stets genau die halbe Fallzeit gegen früher. Dann wählten wir andere Strecken und verglichen die gemessene Fallzeit mit der zuletzt erhaltenen und mit denen von zwei Drittel oder drei Viertel oder irgend anderen Bruchteilen. Bei wohl hundertfacher Wiederholung fanden wir stets, dass die Strecken sich verhielten wie die Quadrate der Zeiten und dieses zwar für jedwede Neigung der Ebene, das heißt des Kanals, in dem die Kugel lief. Hierbei fanden wir


außerdem, dass auch die bei verschiedenen Neigungen beobachteten Fallzeiten sich genau so zueinander verhielten.

Zur Ausmessung der Zeit stellten wir einen Eimer voll Wasser auf, in dessen Boden ein enger Kanal angebracht war, durch den ein feiner Wasserstrahl sich ergoss, der mit einem kleinen Becher aufgefangen wurde, während einer jeden beobachteten Fallzeit. Das dieser Art aufgesammelte Wasser wurde auf einer sehr genauen Waage gewogen. Aus den Differenzen der Wägungen erhielten wir die Verhältnisse der Gewichte und die Verhältnisse der Zeiten, und zwar mit solcher Genauigkeit, dass die zahlreichen Beobachtungen niemals merklich voneinander abwichen.

Die Durchführung zeigt die große Unwahrscheinlichkeit von Galileis Angaben. Sogar mit Stoppuhren ist es kaum möglich, das Gesetz aus Messungen abzuleiten. Eher geht man umgekehrt vor und filtert die Daten nach dem schon bekannten Gesetz.

Galileis Angaben wurden einige Male penibel nachgestellt – auch dabei kamen die Wissenschaftler zu ähnlichen Ergebnissen (E. Bellone: Galileo Galilei. Spektrum der Wissenschaft Biografie. Mailand 1998 )

Wahrscheinlich arbeitete Galilei auch mit einem Wechselspiel Theorie –Experiment, wobei letzteres öfters nur als Bestätigung diente. Der Zusammenhang Weg – Zeit² ergibt sich durch einfache Überlegungen aus v-t-Diagrammen. Der nebenstehende Graph zeigt eine gleichmäßig verzögerte Bewegung (Anfangsgeschwindigkeit v). Grundidee: Vom zurückgelegten Weg entspricht diese einer gleichförmigen Bewegung mit v/2. Die Fläche unter dem Dreieck ist gleich der Fläche unter dem Rechteck. Diese stellt aber den Weg dar (s=v.t), die Fläche beträgt also v.t/2. Setzt man für v=a.t, ergibt sich die bekannte Endformel.

v/2

t

v


Die Physiker Wo und wie arbeiten Physiker? Stellungnahme: Charakterisiere "typische" Physiker!

Die folgenden Daten stammen aus J.P. Braun: Physikunterricht neu denken (S. 261 ff)

Wo arbeiten Physiker? Physiker arbeiten in unterschiedlichen Beschäftigungsbereichen und Aufgabenfeldern.

Deutschland, 1988: ca. 50.000 Physiker

• Universitäten und Hochschulen 43,8 %

• Industrie und Wirtschaft 29,2 %

• Öffentliche Forschungsinstitute, Behörden 17,4 %

"Physiker arbeiten heute in fast allen Bereichen der Industrie, der Forschungsinstitute, der Beratungsfirmen und des Patentwesens, die besondere Ansprüche an analytische, systematische und synthetische Fähigkeiten stellen. Das gilt insbesondere für Physiker innerhalb anderer Felder, z.B. den Physiker in Chemie, Energietechnik, Maschinenbau, Medizinischer Physik, Nachrichtentechnik, optischer Technik, Management-Betreuung und Kundenbetreuung." (Danielmeyer, Schwoerer 1993)

Wie sehen Physiker die Physik? In diversen Lehrbüchern (von Physikern) werden vorwiegend innerphysikalische Ergebnisse der Physik, also vorwiegend Formeln, dargestellt.

• Die Mehrzahl der Lehrbücher geht nicht auf die physikalische (Arbeits-)Methode ein. Man gewinnt den Eindruck als entwickele sich die Physik linear, alles sei klar gegliedert, hat eine logische Folgerung, ist präzise.

• Geschichtliche Betrachtungen über die Entwicklung der Physik sind selten.

• Fächerübergreifende Themen werden kaum behandelt: Philosophische Fragen, gesellschaftliche Bedeutung, technische, ökonomische oder politische Zusammenhänge bleiben zumeist ausgegrenzt oder werden als "Randfragen" behandelt.

• Die Wissenschafts-Sprache erscheint sachbezogen, klar, effizient und ökonomisch. Der Forscher als Person grenzt sich völlig aus. Statt "Ich"-Form: "Man", "Es ist ..." "Daraus wird gefolgert ...".

Die "typischen" Naturwissenschaftler (im statistischen Vergleich mit Geisteswissenschaftlern, Juristen, u.a.) (nach D. Raufuss, 1989)

• sind politisch eher konservativ

• vermeiden es, emotionale Regungen zu zeigen

• sind intelligenter und haben bessere Schulabgangszeugnisse

• sind besonders stark (rein) fachbezogen motiviert

• haben häufig Kontaktschwierigkeiten

• fühlen sich von ihrer Umgebung wenig abhängig

• beschäftigen sich lieber mit Dingen, Apparaten und Ideen als mit Personen

• sind introvertierter, "ich"-stärker, nüchterner


Warum gibt es so wenig Physikerinnen? (Studenten: unter 10%, Professoren: ca. 1%)

Charakteristika der "männlichen" Eigentümlichkeiten: (E. Hickel, 1992)

• das Prinzip: "Alles was machbar und irgendwie profitabel ist, wird gemacht"

• die hemmungslose und einseitige Orientierung an Hierarchien und Karrieren, die z.B. eine 60-Stunden-Woche im Labor nicht als unmoralisch, unökologisch und unmenschlich, sondern als Karriere-Voraussetzung ansieht.

• der Drang zum Prinzip des Höher-Weiter-Schneller, das zu immer härteren Methoden des Eingreifens in und Durchdringens von Naturvorgängen führt, statt sich auf eine Kooperation mit der Produktivität der Natur einzulassen

Bis ins 16. Jhdt. herrschte ein ganzheitliches, organisches Welt- und Naturmodell.

"Das oberste was die Naturwissenschaftler des 19. Jahrhunderts begeisterte an ihrem Tun war die Wertvorstellung, dass sie, wenn sie die von Gott vorgegebenen Naturgesetze erforschen, gleichzeitig eine Art Stellvertreter dieses gesetzgebenden Gottes sind. Das führte dazu, dass sie die Priorität in der Naturforschung ausschließlich in den Naturgesetzen, in den einmal für alle Zeit von diesem männlichen Gott vorgegebenen Gesetzen sahen, dagegen aber alle die Aspekte von Natur vernachlässigten und gar ausblendeten, die wir heute als Selbstorganisation der Natur bezeichnen." (E. Hickel, 1992)

Ein humoristischer Beitrag: Physiker in Aktion - Wie Physiker eine Glühbirne wechseln. Anhang, S. 60

Zum Schmunzeln und Nachdenken: Es war einmal in Kopenhagen (eine wahre Geschichte? Anhang, S. 61

Auswirkungen der Physik "Die physikalische Erkenntnisgewinnung geschieht nicht in einem "luftleeren" Raum. Physik geschieht in der Gesellschaft. Auch wenn die Mehrzahl der Menschen davon nichts unmittelbar mitbekommt, spüren sie doch deren Auswirkungen. Unser derzeitiges Gesellschaftssystem ist massiv geprägt von der Physik. Es beginnt damit, dass die Physik die Aufklärung gefördert oder gar ausgelöst hat. Es setzt sich damit fort, dass es zur Schaffung unserer künstlichen Umwelt wie Häuser, Autos, Straßen, Medien usw. physikalischer Erkenntnisse bedurfte. Es geht damit weiter, dass ein Großteil der heutigen globalen Probleme - wie Umweltverschmutzung, Gefahr von weltweiten, alles Leben zerstörenden Kriegen, Überbevölkerung usw. - ohne die physikalisch-technischen Entwicklungen der Industrienationen in der jetzigen Form nicht existieren würden. Und es endet auch nicht damit, dass die Physik eine Loslösung von der Religion und somit auch eine Sein- und Sinnkrise weiter Teile der Bevölkerung in den Industrienationen eingeleitet hat. Physik hat im positiven wie im negativen das Leben auf der Erde verändert."

Aufgabe: Auf die Tafel wird der Begriff PHYSIK geschrieben. Die Studenten sollen mit Pfeilen Begriffe, Institutionen etc. dazuschreiben, die mit der Physik im Zusammenhang stehen. Es entsteht eine "mind map", die das gesellschaftliche Netzwerk rund um diese Wissenschaft repräsentiert.

Im folgenden halte ich mich an J.P. Braun: Physikunterricht neu denken (S. 279 ff) Einiges findet sich auch in Bleichroth u.a.: Fachdidaktik Physik, insbesondere über das Verhältnis Physik/Technik (S. 28 ff)


Technik Antike: Trennung Physik - Technik; Technik war gesellschaftlich niedriger gestellt.

16./17.Jhd: Naturerkenntnis und technische Erkenntnis gehören zusammen.

Ab 17. Jhd: Trennung setzt wieder ein. Technische Hochschulen/Universitäten

20. Jhd: Verflechtung wird wieder enger; experimentelle Forschung oft hochtechnisiert

gegenseitige Wechselwirkungen Physik - Technik:

• Theorie geht technischer Umsetzung voraus (z.B. Laser, Dampfmaschine)

• Technische Entwicklung ermöglicht physikalische (Messgeräte ...)

• Entwicklungen gehen parallel

Medizin Naturwissenschaftliche Forschungs- und Denkmethode herrscht in der Medizin vor. Mensch wird als Art Maschine untersucht und behandelt.

Vielzahl von Messgeräten und -größen: Röntgen, Bestrahlung, EKG, EEG, Herzschrittmacher, Tomografie, Ultraschall

Politik und Wirtschaft Naturwissenschaft stammt aus der Idee der Naturbeherrschung (F. Bacon).

Finanzierung der Forschung: Staat, Wirtschaft.

Abhängigkeit der Forschung von Aufträgen?

Militär Mit der Entwicklung der Atomwaffen erstmals intensive und direkte Arbeit von Wissenschaftlern für das Militär in großem Stil.

Etwa ein Viertel der Physiker arbeitet direkt oder indirekt für das Militär.

Heutige Waffentechnologie ist ohne Forschung undenkbar: Atomwaffen, Flugzeuge, Stealth-Technologie

Kultur Widerspruch: Physik wird als Teil der Menschheitskultur angesehen, aber nicht als notwendiger Teil persönlicher Kultur.

Religion Ausgangspunkt der Physik: Die Welt aus sich selbst heraus zu erklären. (Galilei: Trennung von "der" Himmel - "die" Himmel.

Heute: Wissenschaft übernimmt religiöse Funktionen.

"Das Vertrauen in die Naturwissenschaft erscheint als die einzige universale Religion unserer Zeit. Aufgrund dieses Vertrauens rückt der Wissenschaftler ungewollt in die Rolle eines Priesters dieser säkularen Religion ein. Er verwaltet ihre Geheimnisse, ihre Prophetie, ihre Wunder. (C. F. v. Weizsäcker, 1958)

FACHDIDAKTISCHES SEMINAR 1 INHALTLICHE ASPEKTE DES PHYSIKUNTERRICHTS SEITE 26

Inhaltliche Aspekte des Physikunterrichts

Zielwissen Was ist wirklich relevant? Was soll am Ende jeder Klasse, der Unter- bzw. Oberstufe gekonnt werden? Was soll dauerhaft bleiben an Kenntnissen, Fertigkeiten und Einstellungen?

Ergebnisse von Studenten: Positive Einstellung zu physikalisch-technischen Dingen Interesse an physikalischen Themen, an aktueller Forschung Methodik der Physik; wie sie arbeitet; wie Probleme gelöst werden Logisches Denken, Handwerkliche Fähigkeiten Grundzüge der Physik Umwelt- und Energiebewusstsein

Welche Inhalte können im Physikunterricht vorkommen?

• Phänomene (natürliche, technische) • (Wissenschafts-)methodische Konzepte: Wie kommt man zu verlässlichem Wissen? • physikalische Begriffe • Experimente • physikalische Gesetze • Modelle • Theorien • Zusammenhänge Physik-Gesellschaft-Technik • Technische Systeme und Verfahren

Genaueres dazu in Fachdidaktik Physik, S. 59 ff

Frage: Was soll eigentlich ein Maturant an physikalischen Inhalten können bzw. gelernt haben? Was ist das Wichtigste der Physik, das Fundamentum, das im Rahmen der Allgemeinbildung (zumindest passiv) verfügbar sein soll? Beschränken wir uns auf das Grundgerüst der Physik: Ihre Begriffe, Gesetze, Modelle und Theorien.

Fundamentum der Physik (L. Mathelitsch, N. Pucker; plus lucis 1/95, S. 3) Diese Übersicht hat sich zumindest in Graz als Standard für die Studienberechtigungsprüfung für Universitätsstudien (Physik) etabliert.


1. Mechanik Masse, Weg, Geschwindigkeit v=∆s/∆t, a=∆v/∆t

Beschleunigung Durchschnitts-, Momentanwert, Zusammensetzung von Bewegungen (Schiefer Wurf)

Kraftbegriff Trägheitssatz, F=m.a Wechselwirkungssatz Schwerkraft, Reibungskraft

Arbeit, Leistung, Energie

W=F.s P=W/t Potentielle, kinetische Energie Energieerhaltung, Energieumwandlung

Impuls p=m.v , Impulserhaltung

Drehbewegung

Drehimpuls, Trägheitsmoment, Drehimpulserhaltung

2. Gravitation

Gravitationsgesetz F=G.M.m/r²

Sonnensystem im historischen, geistesgeschichtlichen Aspekt

1. Kepler’sches Gesetz 2. Kepler’sches Gesetz Geozentrisches versus Heliozentrisches Weltbild

3. Wärme

Temperatur Temperaturskalen (Celsius, Kelvin)

Wärmekapazität Q=m.c. ∆T

Zustandsgleichung p.V=const(T)

Hauptsätze der Wärmelehre

Umwandlung zwischen thermischer und mechanischer Energie Wärme fließt selbständig nur vom heißeren zum kälteren Körper

Wärmekraftmaschinen Motor, Wärmepumpe, Wirkungsgrad hat (prinzipielle) Obergrenze

Wärmeleitung, -strömung, -strahlung I ~∆T

Wärmedämmung

4. Hydro- und Aerodynamik

Hydrostatischer Druck p=ρ.g.h

Hydrostatischer Auftrieb Druck wirkt allseitig, Auftrieb ist Gewicht der verdrängten Flüssigkeit

Aerodynamischer Auftrieb

Warum Flugzeuge fliegen


5. Schwingungen und Wellen

Harmonische Schwingung T, f, λ Kraft proportional zur Auslenkung

Welle Räumlich sich ausbreitende Schwingung, Longitudinal- und Transversalwelle, Doppler-Effekt, Beugung, Interferenz, Polarisation

Optische Instrumente Linsen (Brennpunkt; reelle, virtuelle Bilder) Auge, Fotoapparat

6. Elektrizitätslehre

Stromkreis Elementarladung U=R.I Elektrische Arbeit, Leistung

Elektrisches Feld Elektrische Feldstärke, Potential

Magnetisches Feld Magnetische Feldstärke, Lorentzkraft

Wechselstrom Generator, Motor, Leistung des Wechselstroms

Energiequellen, -versorgung Kenntnis der Grundlagen der Energieversorgung Österreichs (Wasserkraft, fossile Energieträger, ...)

Elektromagnetisches Spektrum

E~ f Erscheinungsformen, Erzeugung, Anwendung (z.B. Rundfunk, Laser, Mikrowellen, Röntgenstrahlung)

7. Relativitätstheorie

Qualitatives Verständnis der Grundlagen der Relativitätstheorie

Lichtgeschwindigkeit ist konstant, E=m.c², Längen, Massen sind veränderlich, experimentelle Verifikation

8. Quantenmechanik

Atomphysik Bohr’ sches Atommodell, Quantensprünge, Periodensystem

Grundlagen der Quantenmechanik

Teilchen- und Wellencharakter, grundsätzliche Schranke, die Messgenauigkeit

Radioaktivität Statistischer Charakter, Halbwertszeit

Kernphysik Bindungsenergie, Fission, Fusion

9. Kosmologie und Astrophysik

Qualitatives Verständnis der Entstehung und des Aufbaus von Kosmos und Sternen

Big Bang, Ausdehnung des Universums, Fusion als Energiequelle der Sterne


Lehrpläne Die Entscheidung über die Inhalte und Ziele des Physikunterrichts ist zuerst eine politische. Der Staat gibt gesetzliche Richtlinien vor (Lehrpläne), die Vergleichbarkeit und Durchlässigkeit gewährleisten sollen. Ferner sind sie die Grundlage für die Arbeit der Lehrbuchautoren. Was Schüler wozu lernen sollen, ist also verbindlich vorgegeben - allerdings meist in Form von Rahmenrichtlinien mit Interpretationsspielräumen.

Arten von Lehrplänen:

• Curricula • Zielorientierte Lehrpläne • Rahmenlehrpläne • Kern- und Erweiterungsbereiche (Pflicht und Freiräume)

Die österreichischen Lehrpläne bestehen grundsätzlich aus folgenden Teilen:

• Allgemeines Bildungsziel • Allgemeine Didaktische Grundsätze • Richtlinien für die Unterrichtsplanung • Stundentafeln • Fachlehrpläne: Bildungs- und Lehraufgabe, Inhalte, Ziele, Didaktische Grundsätze

Derzeit versucht man den Übergang vom Rahmenlehrplan (Freiheit in Anordnung und Schwerpunktsetzung der Fachgebiete) zu einem Kern-/Erweiterungsplan. Beibehalten wurde die Zielorientierung: Neben den Lehrstoffen werden Lernziele formuliert.

Aufgabe 1: Vergleiche zwischen verschiedenen Lehrplänen, zum Beispiel

Meraner Beschlüsse (1905) (s. Fachdidaktik Physik, S. 125 ff) Österreichische Lehrpläne für AHS: 1938, 1985, 2000 Österreichische Lehrpläne für BHS, Lehrpläne für Waldorfschulen

Welches Bild von Physik wird vermittelt? Was sind die Aufgaben und Entscheidungsspielräume des Lehrers? Welche Inhalte werden für den Anfangsunterricht Physik vorgesehen?

Aufgabe 2: Stellungnahme zur aktuellen Lehrplandiskussion. Der Lehrplanentwurf (AHS, 2000) stieß auf große Kritik von Seiten der Betroffenen. Die AG Physik Steiermark legte überhaupt einen Gegenentwurf für die 2. Klasse vor. H. Mayr, einer der Lehrplanautoren, rechtfertigt und erklärt den Lehrplanentwurf.

Texte: • Lehrplan 2000: Unterstufe Physik

• Lehrplankritik der AG Steiermark, Gegenentwurf (plus lucis 3/99, S. 2)

• Lehrplankritik der AG Tirol (plus lucis 3/99, S. 3)

• Stellungnahme von H. Mayr (plus lucis 1/2000, S. 2 ff )


Physikalische Begriffe

Ein Bewusstsein über Hintergründe und Problematik von Begriffsbildungen in der Physik ist wichtig und hilfreich für Lehrer. Physikalische Begriffe sind immer abstrakt und "theoriegeladen", sie werden nur im Rahmen einer Theorie verständlich, jeder Begriff steht im Zusammenhang mit anderen. Solche eher wissenschaftstheoretischen Überlegungen sind für Physiker selbst im Allgemeinen nicht wichtig. Sie müssen die physikalischen Konzepte "nur" richtig anwenden, sie müssen (überspitzt gesagt) genau messen.

Der Unterschied Lehrer-Wissenschafter scheint mir ein wenig vergleichbar zum Unterschied Reporter - (aktiver) Sportler: Der Reporter muss nicht die Fähigkeiten des Athleten besitzen, aber er muss Hintergründe analysieren können ...

Physikalische Begriffe und Größen a) klassifikatorische Begriffe

Bringen qualitative Ordnung in die komplexe Vielfalt physikalischer Phänomene. z.B: fest, flüssig, gasförmig Leiter, Halbleiter, Isolatoren ...

b) komparative Begriffe Zielen auf graduelle Differenzierungen. Sie führen zu "je ... desto"-Aussagen z.B: wärmer, kälter größer, kleiner ...

c) metrische Begriffe Physikalischen Objekten bzw. Vorgängen werden Zahlen zugeordnet.

Quantisierung: (allgemein:) Zuordnung von mathematischen Objekten zu realen Objekten

mathematische Objekte reale Objekte

homogen, gleichartig unzeitlich unräumlich ideal (keine kausalen Wirkungen aufeinander

heterogen zeitlich räumlich real und kausal

zum Beispiel: die Schultaschen in einer Schulklasse. Man kann sie abzählen, ihnen also eine Zahl zuordnen. Dies ist aber nur möglich wegen einer geistigen Abstraktion: Was gilt als "Schultasche"? Auch Rucksäcke, Plastiksäcke etc ...? Je nach der Definition ergeben sich andere Zahlen!

Prinzip: Durch Messvorschriften werden (heterogene) Eigenschaften homogenisiert, idealisiert - erst danach ist die Quantisierung möglich. Man bildet Mengen von Phänomenen, Objekten oder Vorgängen, die in bestimmten Eigenschaften übereinstimmen. Dabei können verschiedene Messverfahren durchaus die gleiche Menge ergeben! (zum Beispiel träge-schwere Masse, Arbeit/Wärme ...) Eine Zahl allein sagt in der Physik gar nichts! (5 - Volt, kg, Atome ... ?)

(Literatur dazu: Karl von Oy: Was ist Physik? S. 48 ff: Das Problem der Anwendung der Mathematik in der Physik)


Eine physikalische Größe besteht aus Maßzahl und Einheit.

Was sind Maßzahlen für Zahlen?

Messwerte sind im Prinzip natürliche Zahlen - sie haben ja (nach der Messgenauigkeit) immer eine begrenzte Stellenzahl und können durch Wahl der Einheit "natürlich" werden. z.B: 0,03 m -> 3 cm

Mittelwerte von Messwerten sind rationale Zahlen. Sie sind nur sinnvoll mit bestimmten Intervallen, die eine Wahrscheinlichkeit angeben. z.B: 3 cm +/- 0,05 Die statistische Sicherheit hängt wesentlich von der Anzahl der getätigten Messungen ab.

Maßzahlen sind reelle Zahlen. Sie sind im Prinzip theoretische Gebilde. z.B: 5m/3s -> 5/3 m/s

Größen- und Zahlenwert- Kalkül

Die Physik verwendet parallel (und meist unreflektiert) zwei Rechenmethoden:

Das Zahlenwert-Kalkül arbeitet mit (Maß)Zahlen (z.B: U = 35 V). Mit diesen kann "normal" gerechnet werden. Wesentlich sind dabei die verwendeten Einheiten. Man darf 4 Meter durch 2 Sekunden dividieren, es ergeben sich 2 m/s.

Davon wesentlich zu unterscheiden ist das Größen-Kalkül. Hier arbeitet man mit Funktionen und Funktionszusammenhängen (z.B: U = R.I). Obwohl es so scheint (Symbole +, - , . ...), handelt es sich dabei nicht um "normales" Rechnen, sondern um besondere Operationen, die so definiert sind, dass aus bestimmten Verknüpfungen von Größen neue entstehen. z.B: s/t = v. Hier wird Weg durch Zeit nicht "normal" dividiert! Eigentlich handelt es sich um eine Operation in einem mehrdimensionalen Vektorraum. Für die Mechanik hat dieser 3 Dimensionen: Raum (Weg), Zeit, Masse. Jede mechanische Größe hat ihren definierten Platz in diesem Vektorraum.

Die unreflektiert vermischte Verwendung dieser beiden Kalküle im Unterricht dürfte eine Ursache für Verständnisprobleme von Schülern sein.

Probleme beim Begriffslernen

Für physikalische Größen werden oft Bezeichnungen aus der Alltagssprache verwendet. Dadurch wird automatisch der Begriffsrahmen angesprochen, den der Schüler bereits hat. Dies kann problematisch sein und das Lernen des physikalischen Begriffes behindern.

Beispiele:


Begriff

Physik

Alltagssprache, Problematik

Masse repräsentiert 2 Eigenschaften: Trägheit/Anziehung

"Widerstand" wird als Kraft gesehen - kann durch Kraft überwunden werden und ist dann weg

Kraft Wechselwirkung; vektorielle Größe

wird als Eigenschaft gesehen. Man "hat" Kraft. Kilogramm – Newton -Verwirrung

Energie Mengengröße: Umwandelbarkeit, Erhaltung, Entwertung

wird mit elektr. Strom oder mit Kraft verwechselt bzw. vermischt

Wärme, Arbeit

Größen, die Energieumwandlungen beschreiben

als Eigenschaften gesehen

Druck Energiedichte / Kraft pro Fläche

mit Kraft verwechselt; Verwendung von Pfeilen -> wird für Vektor gehalten

elektr. Strom Vorgang, Prozess Wort wird auch für Stromstärke verwendet. Wird für Energie gehalten

Stromstärke Ladung pro Zeit "Stärke" kann irreleiten - Intensität wird gemeint (ist aber Leistung bzw. Energie)

Aufgabe für Studenten: Erklären von Begriffen

a) Uni-Niveau b) Oberstufe c) Unterstufe

Probleme mit dem Kraftbegriff

Kraft ist ein fundamentales Konzept der Physik, insbesondere der Mechanik. Untersuchungen zeigen, dass große Probleme beim Lernen dieses Begriffs auftreten, und zwar auf allen Stufen. Auch Studenten haben ähnliche Schwierigkeiten, das (Newton’ sche) Kraftkonzept auf einfache Situationen anzuwenden.

Beispiel 1: Zeichne bei diesem Pendel die Richtung der Beschleunigung an den Punkten A bis D ein!

Beispiel 2: Ein fauler, aber gebildeter Esel behauptet, er könne wegen des 3. Newton’schen Axioms keinen Baumstamm ziehen. Denn: Zieht er den Stamm mit einer bestimmten Kraft nach vor, zieht in dieser mit der gleichen Kraft nach hinten – also ist eine Bewegung unmöglich. Widerlege den Esel!

A

C D E

B


Beispiel 3: Ein Ball wird nach oben geworfen und fällt dann wieder nach unten. Zeichne die auf den Ball wirkenden Kräfte auf verschiedenen Punkten seiner Bahn ein!

Beispiel 4: Ein Spielzeugauto durchläuft eine Loopingbahn. Zeichne die auf das Auto wirkenden Kräfte am höchsten Punkt der Bahn ein!

Fehl- Miss- oder Präkonzepte (alternate concepts) zum Kraftbegriff

• Kraft wird als Eigenschaft gesehen ("ich habe Kraft"; Muskelkraft ...), nicht als Wechselwirkung

• Einer äußeren Kraft wirkt eine Trägheitsgegenkraft entgegen und reduziert deren Wirkung. Ein Objekt bewegt sich erst dann, wenn die äußere Kraft größer als die Trägheitskraft ist. Die Trägheitskraft nimmt mit der Geschwindigkeit ab (ist der Gegenstand in Schwung, ist er leichter zu beschleunigen)

• F~v: Richtung der Kraft = Richtung der Geschwindigkeit, F ist proportional zu v. Im Umkehrpunkt eines senkrecht nach oben geworfenen Körpers wirkt keine Kraft.

• Bei der Beschreibung der Kreisbewegung dominiert die Zentrifugalkraft. Sie wird mit der Zentripetalkraft gleichgesetzt, beide greifen am Körper an. Manchmal wird die Zentripetalkraft als etwas größer angesehen. Aus der Kurve fliegen: nach außen, nicht tangential!

• Die Wechselwirkungskräfte greifen am gleichen Körper an. z.B.: Hand zieht Ball: Reaktionskraft (Hand) wird am Ball gesehen, muss etwas kleiner sein als Aktionskraft.

• Aktivität/Passivität: Nur aktive Objekte üben Kräfte aus. Wand, Straße nicht.

• Kräftegleichgewicht = Ruhezustand.

• Körper bewegen sich in Richtung der angreifenden Kraft, unabhängig von der vorausgegangenen Bewegung

Lit: H. Wieser: Verbesserung des Lernerfolgs im Unterricht über Mechanik. in: Physik in der Schule 32 (1994/4), S. 122 ff


Energie

Energie ist genauso einer der grundlegendsten Begriffe der Physik. Der "Karlsruher Physikkurs" ist ein interessanter didaktischer Versuch. Er stellt den Energiebegriff und andere mengenartige Größen in den Mittelpunkt der Betrachtung, wodurch die Probleme mit der Kraft vermieden werden sollen. Kraft wird zur abgeleiteten Größe (Änderung des Impulses pro Zeit).

Im konventionellen Aufbau ist die Energie eine Größe, die aus sehr komplexen (mechanischen) Begriffen abgeleitet wird: Weg, Zeit - Geschwindigkeit - Beschleunigung, Masse - Kraft - Arbeit - Energie. Im Karlsruher Physikkurs wird diese Größe unmittelbar (aus Alltagsphänomenen abgeleitet) eingeführt.

Der "Karlsruher Physikkurs"

Kritik am Aufbau der herkömmlichen Schulphysik:

Die Abfolge und Struktur der Schulphysik ist historisch orientiert. Sie baut auf der Mechanik auf und damit auf Größen, die sich als schwer verständlich erwiesen haben (z.B. Kraft). Dadurch wird insbesondere der Übergang zur Quantenphysik, die mit völlig anderen Konzepten arbeitet, erschwert.

Grundidee: Die gesamte Physik wird auf mengenartigen Größen und deren Strömen aufgebaut. Dadurch gelangt man zu einer einheitlichen Beschreibung der Natur, die sich an Konzepten der Thermodynamik und Quantenphysik orientiert.

Solche Größen sind:

Energie E, Impuls p, Drehimpuls L, Landung Q, Entropie S, Teilchenmenge n

Bei jedem Vorgang in der Natur strömen mindestens 2 dieser Größen, eine davon ist meist die Energie.

Bildhafte Grunddarstellung:

Es gibt Zu- und Abströme von mengenartigen Größen.

Die mit der Energie mitfließende Größe wird als Energieträger bezeichnet – somit gibt es keine Energieformen mehr.

Manche Größen sind Erhaltungsgrößen, aber nicht alle. Somit gibt es „Pfandflaschen“-Träger (zB Impuls) und „Einwegflaschen“-Träger (zB Entropie). Bei ersteren sind geschlossene Stromkreise möglich.

Grundformel: IE: Energiestrom(stärke)

b: Beladungsmaß

IT: Trägerstrom(stärke)

Die Energiestromstärke (Energie/Zeit) entspricht einer Leistung.

System

Energie

Energieträg

TE IbI ⋅=


Beispiele:

Elektrizität:

Mechanik:

Thermodynamik:

Hier wird also die Kraft zur abgeleiteten Größe: Sie entspricht der Impulsstromstärke, das Beladungsmaß (wie viel Energie der Impulsstrom transportiert) ist die Geschwindigkeit. Das Beladungsmaß des Entropiestroms ist die Temperatur.

http://www-tfp.physik.uni-karlsruhe.de/~didaktik/kpk/index.html

dtdQU

dtdE

⋅=IUP ⋅=

dtdpv

dtdE

⋅=FvP ⋅=

dtdST

dtdE

⋅=


Alltagssprache und Fachsprache Fremdsprache: Hund ---- dog

Anderes Wort, gleicher Bedeutungszusammenhang Physik Kraft ---- F

Alltagsbegriff: Weite, unscharfe Bedeutung Fachbegriff: Nur im Zusammenhang der theoretischen Mechanik verstehbar

Exaktheit gegen Verstehbarkeit Die Unschärfe von Alltagsbegriffen wird von Seiten der Wissenschaft oft negativ bewertet. Der Sinngehalt der Welt wird aber in der Alltagssprache beschrieben. Zum Beispiel

"Die Suppe ist lauwarm" - "Die Suppe hat 32,5 °C" Die Präzision der Fachsprache reduziert den Sinngehalt und beschränkt die Anwendbarkeit. (z.B.: Übersetze Begriffe wie: Herbst; Schön; Grausam; Krieg; Glück ... in die Fachsprache !?) Was heißt "Verstehen"? Verstehen heißt Einordnen in eine vorhandene individuelle Denkstruktur, Beziehung setzen zur Gedankenwelt, Herstellen neuer Ganzheiten im Kopf. Verstehen kann nur in der Alltagssprache erfolgen. Die Ungenauigkeit der Alltagssprache ist kein Mangel, sondern Voraussetzung für Verstehen und Kommunikation. Präzise Begriffe sind nur verwendbar für jene, die das Theoriegebäude bereits kennen. Sie dienen zum Ordnen des Verstandenen, nicht zum Verstehen von Neuem. Die Fachsprache erleichtert die Kommunikation innerhalb der Wissenschaft. Sie erschwert aber die Kommunikation nach außen, die Vermittlung zum "Laien". Alltags- und Fachsprache im Unterricht: Klassischer Ansatz: Ziel ist das Erlernen der Fachsprache Grundidee: Fachwissen entwickelt sich bruchlos aus der Erfahrung

Ausgangslage ........... Entwicklung, Schärfung, Beschränkung, Eindeutigkeit ........ Ziel Muttersprache ---------------- Schriftsprache --------------------------------------------------- Fachsprache

Sinnhaftes Lernen: Ziel ist Steigerung der Kommunikationsfähigkeit in der Alltagssprache Grundidee: Physik lehren heißt Physik interpretieren. Fachbegriffe müssen außerhalb ihrer Theorie mit Bedeutung und Sinn versehen werden, um für Schüler interessant und nutzbar zu werden

Ausgangslage.... Interpretation; Konfrontation, Bedeutungszuweisung.............. Ziel Alltagssprache ------------------------- ----------------------------------Kommunikative Kompetenz Fachsprache (Theorie)-----------------

Lit: H. Muckenfuß: Lernen im sinnstiftenden Kontext. Cornelsen 1995

FACHDIDAKTISCHES SEMINAR 1 DIE ENTWICKLUNG VON DENKSTRUKTUREN SEITE 37

Die Entwicklung von Denkstrukturen

Jean Piaget Grundgedanken: Der Aufbau von Wissensbeständen geschieht in den Wissenschaften ähnlich wie im Individuum.

Denken ist nach Innen verlegte Handlung, Aktion.

Es baut immer komplexere Strukturen und Substrukturen auf, die flexibler und leistungsfähiger werden.

Denken und Intelligenz sind Weiterentwicklungen von Handlungen. Konkrete Handlungen gehen im Laufe der Entwicklung immer mehr in intellektuelle Operationen über, Bindungen an spezielle Objekte werden gelöst.

Äquilibrationstheorie: In der Auseinandersetzung mit der Umwelt werden immer intelligentere, besser angepasste Denkstrukturen entwickelt, mit dem Ziel, Gleichgewicht (Harmonie) zu erreichen und zu erhalten. Das Individuum hat ein fundamentales Bedürfnis nach Gleichgewicht, nach Widerspruchsfreiheit.

Elementare geistige Strukturen werden "Schemata" genannt. z.B. Begriffe, Methoden und Gesetze.

Assimilation: Teile der Umwelt, Phänomene ... werden in die existierende Denkstruktur eingebaut. Die Schemata werden beibehalten, ihnen werden möglichst große Bereiche der Umwelt zugeordnet.

Akkomodation: Das Individuum passt seine Denkstruktur der Umwelt an. Die Schemata werden durchprobiert, modifiziert oder neu entwickelt.

Stufentheorie: Die psychologische Entwicklung verläuft etappenweise. Jede Stufe hat eine bestimmte Form der inneren Organisation. Alle Kinder durchlaufen die Stufen in derselben Reihenfolge.

Die früheren Stufen werden nicht abgelegt, sondern wirken innerhalb der späteren Stadien weiter. Bei Problemen oder unter Stress werden oft die typischen Aktivitäten früherer Stufen benutzt.

Für den Physikunterricht spielen nur die beiden letzten Stufen eine Rolle.

Konkret-operatives Denken (7 - 12 Jahre)

Probleme werden gelöst, die auf konkrete Objekte Bezug nehmen

• Klassifikationen und Verallgemeinerungen anhand vertrauter Objekte • Anwendung von Erhaltungs-Logik • Serielle Anordnung von Objekten, Daten oder Ereignissen • Durchführung reversibler Operationen

Formal-operatives Denken (ab 11 bzw. 12 Jahre)

Reale Situationen können in immer größere Klassen möglicher Situationen eingebettet werden, Einzelphänomene werden als Spezialfälle von allgemeineren erkannt. Die Erfassung der Situationen durch Sprache überwindet Raum und Zeit.


• Einzelne Variablen können identifiziert und kontrolliert werden • Kombinatorisches Denken, Berücksichtigung aller Bedingungen • Anwendung von Wahrscheinlichkeitszusammenhängen und Statistik • Verstehen und Interpretieren von funktionellen Abhängigkeiten • Kritische Betrachtung des eigenen Denkens

Jerome Bruner Grundgedanken: Der Unterricht ist in jedem Fach in erster Linie auf die fundamentalen Ideen (Strukturen) der entsprechenden Wissenschaft auszurichten.

Diese Grundideen können jedem Kind in jedem Alter in entsprechender Form vermittelt werden.

Entdeckendes Lernen: Der Schüler soll relativ selbständig Probleme lösen. Dadurch werden insbesondere Methoden der Entdeckung geübt. Weiters ergeben sich Transfermöglichkeiten von bereits erfahrenen Begriffen und Situationen, die später als Sonderfälle des ursprünglich Gelernten erkannt werden.

Dem Schüler werden durch diese Art des Lernens fundamentale Regeln und Begriffe vermittelt um spätere Sachverhalte verstehen und Probleme lösen zu können

Spiralprinzip: Die wesentlichen Ideen werden wiederholt bearbeitet und angewendet, auf immer formaleren und allgemeineren Stufen.

Die Behandlung eines grundlegenden Wissensgebiets soll nicht aufgeschoben werden, sondern auch auf frühen kognitiven Stufen in einfacher (aber entwickelbarer) Form geschehen.

Auffassungsmodi: Enaktiv: Handeln.

Stellt die Basis jedes Lernens dar (Piaget: Denken ist verinnerlichtes Handeln)

Ikonisch: Bilder

Diese sollen äußerliche oder strukturelle Ähnlichkeit mit dem Gegenstand bzw. der Handlung haben.

Symbolisch: Sprache, Formeln, Begriffe

Leistungsfähigste (allgemeinste) Form der Darstellung.

Im konkret-operativen Stadium sollen die enaktiven und ikonischen Wurzeln von wesentlichen Begriffen und Operationen breit und gründlich entwickelt werden.

Das Behalten wird begünstigt, wenn das Wissen in mehreren Modi erworben wird.

Literatur:

Wittmann: Grundfragen des Mathematikunterrichts Bleichroth u.a.: Fachdidaktik Physik D. Nachtigall: Physikunterricht und die Entwicklung von Denkstrukturen.


Konstruktivismus

Konstruktivismus ist ein eigentlich aus der antiken Philosophie stammender Ansatz, der - vereinfacht dargestellt - fragt, ob die Welt, wie wir sie sehen, Wirklichkeit ist, oder ob sich jeder sein Weltbild selbst konstruiert.

Die Vertreter des Konstruktivismus behaupten, die Wirklichkeit werde von den Menschen nicht gefunden, sondern vielmehr erfunden.

Der Konstruktivismus ist zunächst einmal eine Erkenntnistheorie, die die Erkenntnisse verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen wie Hirnforschung, Neurobiologie, Kognitionspsychologie, Linguistik und Informatik miteinander verbindet.

• Wissen wird vom denkenden Subjekt nicht passiv aufgenommen, sondern aktiv aufgebaut.

• Die Funktion der Kognition ist adaptiv und dient der Organisation der Erfahrungswelt, nicht der Entdeckung der ontologischen Realität.

Etwas lernen heißt, das Konstrukt im Kopf zu überarbeiten oder zu erweitern. Es heißt, sich aktiv und intensiv mit dem Lerngebiet auseinander zu setzen. Außerdem ist Lernen ein individueller, selbstgesteuerter Prozess, der je nach Vorkenntnissen und Erfahrungen sehr unterschiedlich ausfallen kann.

Der herkömmliche, rein instruktionelle Unterricht, ist geprägt durch die Dominanz des Lehrers und eine rezeptive Passivität der Schüler. Oft wird Wissen in einer Form erworben, die eine spätere Anwendung ausschließt. Die Schüler können ihr Wissen in konkreten Situationen nicht anwenden, weil sie seinen Sinn und Wirklichkeitsbezug nicht erkennen. Sie können ihr abstraktes Wissen nicht übertragen. Es bleibt also 'träge'.

Was zeichnet konstruktivistisch fundierte Lernumgebungen aus?

Im Gegensatz zu gängigen 'Eintrichterungstheorien' wird eine konstruktivistische Didaktik das Lernen als einen Prozess der Selbstorganisation von Wissen verstehen. Das bedeutet, jeder Schüler wird neue Lerninhalte zunächst in Zusammenhang zu seinen Erlebnissen, seiner Weltsicht setzen. Dieses Prozess ist damit relativ, individuell und unvorhersagbar. Ziel der Lehrer muss sein, möglichst reichhaltige kommunikationsorientierte Umgebungen zu schaffen, welche die subjektiven Erfahrungsbereiche ansprechen und gleichzeitig neue 'Rätsel' beinhalten, die pragmatisch, interaktiv und kreativ zur Selbstorientierung einladen.

Beispiele für den Physikunterricht: 1. Kritisches Betrachten von Alltagszuständen: z.B. Fragen zum Schwimmbad, Autorennen, ... 2. Selbstständiges Lösen von Problemen mit dem Ziel verschiedene Lösungswege zu finden. Bsp.: aus

Styroporplatte, Wasserflasche und Schlauch ein Boot mit Antrieb zu bauen 3. Schüler physikalische Vorgänge darstellen lassen. Bsp.: Jeder Schüler ist ein Wassermolekül und

sie sollen Aggregatzustände darstellen 4. Lernen, Untersuchungen zu planen, durchzuführen und zu bewerten (Protokollführung).

„In den besseren Stunden aber wachen wir soweit auf, dass wir erkennen, dass wir träumen.“ (L. Wittgenstein) Literatur:

P. Labudde: Konstruktivismus im Physikunterricht der Sekundarstufe 2. Bern, 2000 www.konstruktivismus.de Lernen als konstruktiver Prozess: Trugbild oder Wirklichkeit? von Werner Brandl http://www.stif2.mhn.de/konstr1.htm Reimann-Rothemeier, Gabi/Mandl, Heinz (1996):Lernen auf der Basis des Konstruktivismus. Wie Lernen aktiver und anwendungsorientierter wird. In: Computer und Unterricht 23 (1996). 41-44


Elementarisierung

Anpassung des Anforderungsniveaus an das Auffassungsvermögen der Schüler

Kriterien: • Angemessenheit für die geistige Struktur der Schüler • Fachliche Richtigkeit • Entwicklungsfähigkeit 1. Vereinfachung: Absenken auf ein (angepasstes) niedrigeres Niveau

Verschieden Formen (Niveaus) der Darstellung von Inhalten (siehe auch: Bruner), z.B.: • handelnd, beispielhaft • bildhaft-symbolisch • sprachlich (Beschreibung, Erklärung, Formulierung ...) • formal-mathematisch Verminderung von Abstraktheit und Komplexität:

Abstraktheit: Darstellung ist von unmittelbarer Realität abgehoben, existiert nur im Begrifflichen. Gemeinsame Merkmale vieler Tatsachen werden zusammengefasst - hoher Allgemeinheitsgrad und Gültigkeitsumfang.

Verminderung durch Rückführung zum Gegenständlichen, Anschaulichen; Einzelbeispiele. (Konkretisierung)

Komplexität: Umfasst meine Menge von Einzelelementen, die zueinander in Beziehung stehen und eine Ganzheit bilden.

Verminderung : Aufdecken der Einzelelemente und Beziehungen

Mögliche Vorgehensweisen:

• Rückführung auf das Qualitative bzw. Halbquantitative • Vernachlässigung • Überführung in bildhaft - symbolische Darstellungen 2. Grundlegung: Freilegen "des Elementaren", der grundlegenden Idee, des Allgemeinen

im speziellen Inhalt, des "Einfachen".

Oft handelt es sich um eine allgemeine Gesetzmäßigkeit. Grundfrage: Welcher Grad der Allgemeinheit ist für die jeweiligen Schüler angemessen?

Bei physikalischen Begriffen: Idee, Grundgedanke, der zur Bildung des Begriffs geführt hat

Bei technischen Geräten: physikalische Gesetze, konstruktive Ideen

• Generalisierung: Aus einer Reihe von Einzelbeispielen wird das Allgemeine entwickelt • Musterbeispiele: An diesen soll das Elementare sichtbar werden. • Historische Beispiele

3. Zerlegung in methodische Elemente: Inhalt muss in eine Folge von einzelnen, aber zusammenhängenden Schritten gebracht werden


Beispiele für Elementarisierungen: Verschiedene Niveaus der Darstellung von Inhalten: Geschwindigkeit

• handelnd, beispielhaft: Wer ist schneller? Konkret bewegen, Schnelligkeit vergleichen ...

• bildhaft-symbolisch: Schemazeichnungen, Skizzen, Comics; Bewegungsdiagramme

• sprachlich: Strecke pro Zeit, zurückgelegter Weg pro Zeitintervall ...

• formal-mathematisch: v=s/t, v=ds/dt ... Auch innerhalb der hier herausgegriffenen vier Bereiche gibt es unterschiedliche Niveaus der Abstraktheit.

• Rückführung auf das Qualitative: zB elektrischer Widerstand: Behinderung des elektrischen Stromes; je größer der Widerstand, desto kleiner die Stromstärke ...

• Vernachlässigung: zB: Lichtstrahl; Freier Fall (Luftwiderstand); Teilchen als Kugeln ...

• Überführung in bildhaft - symbolische Darstellungen: zB bei technischen Geräten; Wassermodell des Stromkreises

Aufgabe: Elementarisieren eines Sachverhaltes auf Unterstufenniveau. Welche Vereinfachungen werden getroffen? Wo wird was weggelassen ...?.

Beispiele für Fragen:

• Wieso ist man in einer Erdumlaufbahn schwerelos, beträgt doch die Höhe über dem Erdboden oft nur einige 100 km?

• Warum fliegt eigentlich ein Flugzeug?

• Warum fällt Regen nicht auf einmal herunter, sondern in einzelnen Tropfen?

• Schnee ist weiß, Eis ist durchsichtig. Warum?

• Angeblich braucht ein Auto beim Fahren mehr Benzin, wenn die Scheinwerfer eingeschaltet sind. Wie kann das sein?

• Wenn man über eine heiße Suppe bläst, kühlt sie sich ab. Warum eigentlich?

• Looping im Vergnügungspark: Wieso fällt man am höchsten Punkt eigentlich nicht herunter?

• Ein unter Wasser gefülltes Glas wird mit der Öffnung nach unten ein Stück herausgehoben. Warum bleibt das Wasser im Glas?

• In einem Spiegel ist das Bild seitenverkehrt (rechts/links). Warum ist es nicht oben/unten-verkehrt?

• Warum ist der Regenbogen rund?

• Was verursacht das Knallen einer Peitsche?

• Das normale elektrische Feld der Erde hat eine Feldstärke von ca. 200 Volt pro Meter. Sollte da nicht dauernd ein Strom von unserem Kopf zu den Beinen fließen?


Ein Beispiel: Die rätselhafte Autowespe

Ausgehend von einem Artikel in der "Kleinen Zeitung" kam es zu einer bemerkenswerten Diskussion. Ging es auf den ersten Blick um die Erklärung eines einfachen Alltagsphänomens, so stand dahinter die didaktische Frage der Vereinfachung und Elementarisierung.

Rätselhafte Autowespe Aus: G. Hofmann-Wellenhof: Notizen eines Vaters (Kleine Zeitung 7.5.2000)

Während einer längeren Autofahrt wollte Klemens unlängst von mir wissen, ob eine Wespe, die sich in unserem Bus verflogen hatte, an die Heckscheibe prallen würde oder nicht. Da ich zwar schon viele Insekten an der vorderen Scheibe außen picken sah, nie jedoch eines an der hinteren innen, entschied ich gefühlsmäßig richtig: Einer Wespe passiert nichts, sie fährt einfach mit. die physikalische Erklärung konnte ich freilich nicht geben, holte sie jedoch bei meinem Bruder ein, einem Hochschullehrer für Geodäsie. Dieser versicherte mir, er könne den Sachverhalt in gebotener Kürze unmöglich wissenschaftlich korrekt, sondern nur in sehr einfachen Worten darstellen, und führte aus: "Das bewegte Fahrzeug ist stets im Banne des Gravitationsfeldes der Erde. Die Wirkungsweise dieses Erdschwerefeldes ist nicht ganz leicht verständlich, vor allem dann, wenn man an das Flugzeug denkt, das im Prinzip dem Beispiel der Wespe vergleichbar ist." Ich war ein wenig erleichtert, dass auch diese fundierte Aussage meinen Buben nicht wirklich zufriedenstellte.

Darauf schrieb ich folgenden Leserbrief: (etwas entschärft abgedruckt in der Kleinen Zeitung vom 11. Mai 2000, hier das Original)

In "Rätselhafte Autowespe" wird ein physikalisches Problem angesprochen, dessen Lösung nicht so schwierig ist, um damit einen Hochschullehrer für Geodäsie zu verwirren. Hat uns doch bereits ein Herr G. Galilei vor etwa 400 Jahren die Antwort gegeben. Er wollte erklären, wie es möglich sein kann, dass sich die Erde dreht und wir nichts davon merken - also ähnlich wie eine Wespe im Auto oder Flugzeug uns einfach mitbewegen und nicht sofort weggetragen werden.

Die Antwort heißt in einem Begriff: Trägheit. Alles was die Drehung der Erde einmal in sich hat, behält diese auch bei, wenn es zeitweise den Erdboden verlässt, wie ein fallender Stein oder ein fliegender Vogel. Daher ist es auch nicht möglich, mit einem Hubschrauber hochzusteigen, einige Stunden zu warten um dann in USA zu landen. Sobald die Wespe die Bewegung des Autos in sich hat, behält sie diese wegen ihrer Trägheit bei, solange sich das Auto gleichmäßig bewegt. Springen sie in einem Flugzeug gerade in die Luft, landen sie wieder am selben Punkt - haben sich aber von außen gesehen um mehr als 100 Meter parallel zum Flugzeug weiterbewegt.

Schon gar nicht braucht man für dieses Phänomen die Gravitation bemühen, sie hat nichts damit zu tun. Das Gravitationsgesetz wurde auch erst 50 Jahre nach Galilei von Newton gefunden.

Überraschenderweise bekam ich bald darauf einen Brief von Dr. Bernhard Hofmann-Wellenhof, Univ.-Prof. für Positionierung und Navigation an der TU Graz.


Wespe und Gravitation 18. Mai 2000

Unter dem Titel "Die Trägheit ist schuld" erschien von Ihnen in der Kleinen Zeitung vom 11. Mai 2000 ein Leserbrief. Sie schreiben, die Trägheit genüge zur Erklärung der im Auto fliegenden Wespe und "die Gravitation braucht man für dieses Phänomen nicht zu bemühen". Möglicherweise wurde Ihr Leserbrief verkürzt publiziert, ich erlaube mir daher folgende Erklärungen.

1. Nach dem Äquivalenzprinzip von Einstein sind die träge und die schwere Masse gleich. Das heißt, Trägheit und Gravitation sind untrennbar miteinander verknüpft. Wenn also jemand die Trägheit "bemüht" (in Ihrem Sprachgebrauch), kann man in äquivalenter Weise auch die Gravitation "bemühen".

2. Der Satz in Ihrem Leserbrief "Auch die Wespe, die die Bewegung des Autos in sich hat, behält diese bei, solange sich das Auto gleichmäßig bewegt" ist auf der Erde (genauer: im Wirkungsbereich des Erdschwerefeldes) nicht richtig. Sie gründen Ihre Aussage auf das Trägheitsgesetz, das unvollständig gerne mit "Ein Körper verharrt in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung" zitiert wird. Vollständig und korrekt lautet das Grundgesetz der Trägheit jedoch: "Ein jeder äußeren Einwirkung entzogener Körper verharrt in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichförmig geradlinigen Bewegung." Siehe etwa Joos , Lehrbuch der Theoretischen Physik (...). Das bedeutet also, im Erdschwerefeld gilt das Trägheitsgesetz nicht - eben wegen der Gravitation. Experimentell lässt sich das Nichtgelten sehr leicht nachprüfen: ersetzen Sie die Wespe im gleichförmig fahrenden Auto durch einen Apfel, den Sie auf Ihre Handfläche legen. Nun drehen Sie die Handfläche um. Das Ergebnis ist klar: der Apfel fällt zu Boden. Ihrer Erklärung nach müsste der Apfel die Bewegung beibehalten und somit in der Luft schweben. Die Realität bemüht also sehr wohl die Gravitation, die beim Newton’ schen Grundgesetz der Mechanik vernachlässigt wird.

Ich antwortete per e-mail: (23.5.2000)

Sehr geehrter Herr Prof. Hofmann-Wellenhof!

Lassen Sie mich als erstes zum Ausdruck bringen, dass es mich außerordentlich freut, von derart berufener Seite eine Reaktion auf meinen Leserbrief zu erhalten. Erlauben Sie auch mir, etwas detailliertere Erklärungen anführen zu können.

Ich sehe die ganze Fragestellung unter DIDAKTISCHEN Gesichtspunkten wie:

• Wieviel Platz/Zeit steht für eine Erklärung zur Verfügung?

• Wie ist das Niveau, Vorwissen und Interesse der Adressaten?

• Wie kann ich die Erklärung dem anpassen, ohne die sachliche Redlichkeit zu sehr einschränken zu müssen?

Unter diesen Randbedingungen schien und scheint mir eine Diskussion des Phänomens unter Zuhilfenahme vereinfachter Prinzipien der Newton’ schen Physik als absolut angemessen. Der Vergleich der Ausgangsfrage (Wespe im Auto) mit der Frage nach der Unmerklichkeit der Erddrehung bewirkt einerseits einen interessanten Zugang und entspricht andererseits genau dem historischen Weg: G. Galilei diskutierte im Buch "Dialogo" ein altes Argument gegen die Möglichkeit der Rotation der Erde: Ein von einem Turm fallengelassener Stein sollte infolge der Erddrehung nicht gerade nach unten fallen können. (Dazu sende ich Ihnen einen Ausschnitt aus diesem Buch sowie eine Seite mit Anmerkungen zu diesem Text)


Um die nicht erfahrbare Erdbewegung auch nur denkmöglich zu machen, musste Galilei nicht nur das Trägheitsprinzip einführen, sondern zusätzlich das Relativitätsprinzip sowie das Unabhängigkeitsprinzip der Bewegungen. Überhaupt begann er damit die radikale Umdeutung des BEWEGUNGS-Begriffs: Von einer erfahrbaren Realität zu abstrakten isolierten Bewegungs-"Atomen" (wie der gleichförmig geradlinigen Bewegung).

Sie können ersehen, dass ich in meinem Brief mehrere Vereinfachungen getroffen habe, zum Beispiel:

• Beschränkung auf die Trägheit (die anderen beiden Prinzipien vernachlässigend)

• das volle Trägheitsprinzip durch "gleichmäßige Bewegung" annähernd.

Galilei hatte keine Theorie einer GRAVITATION und konnte dennoch die Frage befriedigend beantworten - für das Niveau damaliger Wissenschafter und, wie ich meine, für das Niveau heutiger Bürger. Denn es zeigt sich oft in der Arbeit mit Jugendlichen, dass sie vor ähnlichen Denkproblemen stehen wie sie historisch aufgetreten sind, und dass sie auf verschiedenen Altersstufen mit verschiedenen Ebenen der Erklärung zufrieden sind, ja sogar nur diese verstehen können.

Bei der Frage nach der Unmerklichkeit der Erddrehung geben viele Schüler das Wirken der Gravitation als Antwort: Sie hält uns auf der Erde (richtig) und führt uns mit dieser mit (falsch). Galilei wollte uns gerade lehren, die horizontale Trägheitsbewegung gedanklich von der vertikalen Fallbewegung zu trennen.

Natürlich fällt der Apfel im Rahmen des Bezugssystems Auto gerade nach unten. Dies widerlegt nicht das Trägheitsprinzip, sondern bestätigt es: Von "außen" gesehen bewegt sich der Apfel mit dem Auto mit und beschreibt eine Parabel - ohne Trägheit würde er sich im Fall nach hinten bewegen - wie Kinder es üblicherweise oft erwarten (ähnlich bei der Wespe)

Es scheint mir nicht angemessen, für die Beschreibung solcher elementarer Phänomene auf der Erde die Allgemeine Relativitätstheorie einzusetzen. Natürlich weiß ich, dass der Trägheitssatz genaugenommen im Erdschwerefeld nicht gilt, ganz genaugenommen gilt er nirgends - er ist eben ein abstraktes, gedankliches Prinzip. Aber er ist deswegen nicht falsch, sondern er hat seine Anwendungsgrenzen, wie aber die Relativitätstheorie selbst auch. Ein Haus, eine Brücke, ein Auto werden mit den Prinzipien der klassischen Mechanik konstruiert und erklärt. Für die Erklärung des Fliegens der Wespe "bemühen" wir ja auch nicht die Wellenfunktionen ihrer Atome, weil die Quantenmechanik die "richtigere" Theorie wäre.


Interesse und Motivation (nach: Richard Kempa, UK)

Interesse: Inhaltlich-kognitiv orientiert. Was wird gelernt?

Interessenstypen: (Bipolarität)

1. passives Lernen: kein Hinterfragen der

Inhalte, Vortrag bevorzugt 2. aktives Lernen: Kritisches Befragen, nach

Gültigkeit, Verallgemeinerbarkeit 3. Neigung zu theoretischen Grundlagen 4. Neigung zu praktischen Anwendungen Motivation: Ganzheitlich orientiert. Wie wird gelernt? ("Beliebtheit")

Motivationstypen:

1. Leistungsorientiert 2. Wissensorientiert 3. Gewissenhaft (Pflichtgefühl) 4. Sozial (Geselligkeitsgefühl) Methode

Leistungs.. Wissens... Pflicht.. Sozial

Formale Lehrmethoden (Vortrag ...) - - + --

Arbeit mit Lehrbüchern + ++ -

Entdeckendes Lernen ++ (+)*

Individuelles Arbeiten --

Gruppenarbeit ++

Schülerversuche, frei ++ (+)*

Schülerversuche, präzise Anweisungen -- ++

(++: Starke Zuneigung -- starke Abneigung; *: wenn in Gruppen)

Diese Neigungen zeigen sich relativ stabil, sie sind weitgehend unabhängig von den Bedingungen des Lernens. Erkennen der unterschiedlichen Lernstile der Schüler und Anpassung der Methodik verbessert das Lernverhalten. Es gibt keine "beste" universelle Lehrmethode, wegen der unterschiedlichen Lerntypen empfiehlt sich ein möglichst breites Spektrum von Methoden. z.B. Lehrstrategie für "gewissenhafte" Schüler: 1. Einführung mit klarer Lernzielsetzung 2. Vortrag / präzise Anweisungen für Lernaktivitäten oder Schülerversuche 3. Regelmäßige Bewertung

aktiv passiv

praktisch

theoretisch

FACHDIDAKTISCHES SEMINAR 1 DIDAKTISCHE MODELLE SEITE 46

Didaktische Modelle

Bildungstheoretische Didaktik (W. Klafki u.a.)

Lernen entsteht in der Auseinandersetzung mit Inhalten

Bildung ereignet sich in der Begegnung des Menschen mit der kulturellen Wirklichkeit.

Ausgangspunkt: (Kultur-)Inhalte. Sie müssen in der Auseinandersetzung zu Bildungsinhalten werden.

Dialektische Spannung zwischen materialer (Inhalte sind an sich wichtig) und formaler Bildung (Inhalte selbst sind nicht wichtig, aber an ihnen wird Wichtiges gelernt)

Vorgangsweise:

1. Didaktische Analyse (SIEHE S.48 FF)

2. Methodische Planung

Allgemeinbildung heißt:

1. Bildung für alle - jeder hat Anspruch darauf

2. Vollzieht sich an allgemeinen Problemen: "Schlüsselprobleme" unserer Gegenwart (z.B. Umweltfrage, Friedensfrage, Verwissenschaftlichung und Technisierung der Welt, Arbeit/Freizeit ..)

3. Entwicklung der Vielseitigkeit: Gesamtheit der menschlichen Möglichkeiten: Erkennen, Fühlen, Handeln, Gestalten ...

Informationstheoretische Didaktik Lernen als Verhaltensänderung durch gezielte Vermittlung von Information (Behaviourismus)

Unterricht wird als technischer Prozess gesehen. Die Inhalte sind relativ gleichgültig, es geht um optimale und effektive Vermittlung.

Ziel: Objektive, logische Verfahren, die eindeutig von allgemeinen Richtzielen bis zu den Detailzielen führen. (Ergebnis: Curricula)

Wichtig: Methodische Vielfalt, empirische Absicherung

Lehrziele: Beschreiben das geplante Verhalten des Lehrers

Lernziele: Beschreiben das angestrebte Verhalten des Schülers.

(LEHR- UND LERNZIELE: SIEHE S.52)


Unterrichtstheoretische (Lehrtheoretische) Didaktik "Berliner Schule" P. Heimann, G. Otto, W. Schulz

Strukturanalyse Lernen wird als vielschichtiger komplexer Prozess gesehen, der von mehreren Variablen abhängt

4 Entscheidungsfelder: Aufeinander bezogen, grundsätzlich gleichwertig

• Ziele (Intentionen)

• Thematik

• Methoden

• Medien

Sie hängen ab von 2 Bedingungsfeldern:

• Sozialkulturelle (Land, Schultyp ...)

• Anthropogene (persönliche, psychologische Faktoren)

"In der Lehrtheoretischen Didaktik von 1965 ist das Hauptanliegen ihrer Autoren ungelöst geblieben: Der Übergang von der Unterrichtsanalyse zur Unterrichtsplanung." (W. Jank, H. Meyer: Didaktische Modelle. Cornelsen-Verlag 1991, S. 204)

Das nachfolgende "Hamburger Modell" der lehrtheoretischen Didaktik (W. Schulz, 1980) ging näher auf den Planungsprozess ein und legte eine modifizierte Strukturanalyse vor

Handlungsmomente didaktischen Planens:


Didaktische Analyse (nach W. Klafki 1963)

1. Gegenwartsbedeutung Welche Bedeutung hat der betreffende Inhalt bereits im geistigen Leben der Kinder meiner Klasse, welche Bedeutung sollte er - vom pädagogischen Gesichtspunkt aus gesehen - darin haben?

• Ist das geplante Thema bereits in der Klasse durch Fragen aufgeworfen worden?

• Ist das Thema diesen Kindern aus ihrer Erfahrung bekannt oder nicht?

• Spielt es eine lebendige Rolle im außerschulischen oder im schulischen Leben dieser Kinder?

• Muss also die auf dieses Thema gerichtete Ausgangs- oder Zugangs-Fragestellung erst geweckt werden - vielleicht durch Erschütterung scheinbarer Selbstverständlichkeiten -, oder kann sie als lebendig vorausgesetzt werden?

2. Zukunftsbedeutung

Worin liegt die Bedeutung des Themas für die Zukunft der Kinder?

• Hat dieser Inhalt eine lebendige Stellung im geistigen Leben der Jugendlichen und Erwachsenen, in das die Kinder hineinwachsen sollen, oder lässt sich begründen, dass er sie erhalten wird oder erhalten müsste?

• Ist dieser Inhalt ein echtes Element einer Allgemeinbildung, oder stellt er einen verfrühten Vorgriff auf irgendeine Spezialausbildung - etwa eine Berufslehre - vor?

• Ist der Zukunftsbezug dieses Inhaltes den Kindern bereits bewusst, kann er ihnen eröffnet werden, oder ist er so schwer einsehbar, dass er den Kindern einstweilen noch verborgen bleiben und zunächst allein durch den Erzieher verantwortet werden muss?

3. Sachstruktur Welches ist die Struktur des (durch die Fragen I und II in die spezifisch pädagogische Sicht gerückten) Inhaltes?

• Welches sind die einzelnen Momente des Inhaltes als eines Sinnzusammenhanges?

• In welchem Zusammenhang stehen diese einzelnen Momente?

• Ist der betreffende Inhalt geschichtet? hat er verschiedene Sinn- und Bedeutungsschichten?

• In welchem größeren sachlichen Zusammenhang steht dieser Inhalt? Was muss sachlich vorausgegangen sein?

• Welche Eigentümlichkeiten des Inhaltes werden den Kindern den Zugang zur Sache vermutlich schwer machen?

• Was hat als notwendiger, festzuhaltender Wissensbesitz ("Mindestwissen") zu gelten, wenn der im Vorangegangenen bestimmte Bildungsinhalt als angeeignet, als "lebendiger", "arbeitender" geistiger Besitz gelten soll?


4. Exemplarische Bedeutung Welchen allgemeinen Sinn- oder Sachzusammenhang erschließt dieser Inhalt?

• Welches Urphänomen oder Grundprinzip,

• welches Gesetz, Kriterium, Problem,

• welche Methode, Technik oder Haltung lässt sich in der Auseinandersetzung mit ihm "exemplarisch" erfassen?

5. Unterrichtliche Zugänglichkeit Welches sind die besonderen Fälle, Phänomene, Situationen, Versuche, in oder an denen die Struktur des jeweiligen Inhaltes den Kindern dieser Bildungsstufe, dieser Klasse interessant, fragwürdig, zugänglich, begreiflich, "anschaulich" werden kann?

• Welche Sachverhalte, Phänomene, Situationen, Versuche, Kontroversen usw., m. a. W.: "Anschauungen" sind geeignet, die auf das Wesen des jeweiligen Inhaltes, auf seine Struktur gerichtete Fragestellung in den Kindern zu erwecken, jene Fragestellung, die gleichsam den Motor des Unterrichtsverlaufes darstellen muss?

• Welche Anschauungen, Hinweise, Situationen, Beobachtungen, Erzählungen, Versuche, Modelle usw. sind geeignet, den Kindern dazu zu verhelfen, möglichst selbständig die auf das Wesentliche der Sache, des Problems gerichtete Fragestellung zu beantworten?

• Welche Situationen und Aufgaben sind geeignet, das am exemplarischen Beispiel, am elementaren "Fall" erfasste Prinzip einer Sache, die Struktur eines Inhaltes fruchtbar werden, in der Anwendung sich bewähren und damit üben (- immanent wiederholen -) zu lassen?


Didaktische Analyse II (praktikablere unterrichtspraktische Version) 1. Das Thema und die Schüler

• Welche Erfahrungen haben die Schüler bereits zu diesem Inhalt? • Was weiß ich über Lernvoraussetzungen einzelner Schüler? • Wie werden die Schüler voraussichtlich auf das Thema reagieren? • Welche Bedeutung hat der Inhalt für die Schüler in der Gegenwart? • Welche Bedeutung hat der Inhalt für Jugendliche in der Zukunft? • Wie könnten die Schüler für dieses Thema motiviert werden?

2. Das Thema als Unterrichtsgegenstand

• Welchen fachlichen Hintergrund hat das Thema? Wo steht es in der Fachstruktur • Wie sicher fühle ich mich bei der Aufbereitung in Bezug auf Altersgemäßheit? • Wie ist das Thema im Lehrbuch der Schüler aufbereitet? • Welche innere Struktur hat das Thema? • Welche Arbeitsweisen bieten sich für das Thema besonders an? • Welchen Bedeutungsgehalt hat das Thema für die Lebenswirklichkeit des Schülers?

3. Das Thema und der Lehrer

• Wie sicher fühle ich mich fachlich in Bezug auf das Thema? • Warum halte ich es für wichtig, diesen Unterrichtsgegenstand den Schülern

nahezubringen? • Ist das Thema für mich persönlich interessant? • Welche Rolle spielt das Thema in meinem Leben? • Welche persönlichen Voraussetzungen bringe ich für die Bearbeitung des Themas mit?

4. Ganzheitlich-fächerübergreifende Aspekte des Themas

• Wie ist das Thema mit anderen Inhalten oder Fächern vernetzt? • Welche Stellung hat das Thema im Gesamt der Wirklichkeit?

5. Pädagogische Aspekte

• Welche erzieherischen Aspekte bietet das Fach? • Welche erzieherischen Aspekte bietet das Thema? • Welche Möglichkeiten gibt es, mich als Person einzubringen? • Gibt es Möglichkeiten zur Erfahrung von Ausdauer, Erfolgserlebnissen, Stärkung der Ich-

Identität?


Didaktische Analyse III Noch praxisnäher

1. Was sind die Voraussetzungen und notwendigen Vorkenntnisse zur Behandlung des Themas?

2. Was ist die innere Struktur des Themas: Aus welchen Einzelaspekten besteht es, wie bauen diese aufeinander auf, wie hängen sie zusammen? Ist eine bestimmte Abfolge vorgegeben?

3. Wie ist die äußere Struktur des Themas? Wie steht es im fachlichen Zusammenhang? Ist das Thema für einen größeren Sachbereich, einen grundlegenden Begriff, Gesetz oder Methode exemplarisch?

4. Was sind Anwendungsmöglichkeiten in den nachfolgenden Themen? Ist die Übertragung von hier enthaltenen Fakten oder Methoden auf andere Themen des Faches möglich?

5. Gibt es Querverbindungen zu anderen Sachbereichen? Sind Ergebnisse und Methoden fachübergreifend?

6. Hat das Thema eine weiterreichende Bedeutung, z.B. politisch, wirtschaftlich, historisch, technisch oder gesellschaftlich?

Nach: D. Raufuß: Planung des Unterrichts in Mathematik und Physik. Diesterweg-Verlag, Frankfurt am Main 1975, S. 16


Lehr- und Lernziele Lehrziele beschreiben die Absicht des Lehrers, das, was er selbst vorhat zu tun. Die Lernziele, für die letztlich die Schüler verantwortlich sind, werden jedoch bei der Formulierung von Lehrzielen mitgedacht.

• Größe des Ziels: Nicht zu viel/zu wenig auf einmal; soll erreichbar sein • Das Ziel muss ganz in der Kompetenz des Lehrers liegen („Ich werde ...“) • Klare, verständliche Formulierung • Es soll positiv und aktiv formuliert sein Typische Lehrziele enthalten Formulierungen wie:

Ich leite an zu .... Ich biete Hilfe an über ... Ich erkläre ... Ich informiere über ... Ich organisiere ...

Schritte zur Überprüfung des Ziels:

• Welche Prüfkriterien gibt es für die Erreichung des Ziels? • Was ist der Gewinn für die Schüler, was geht aber verloren (man kann nie alles machen, auf

manches muss verzichtet werden) • Welche Schwierigkeiten und Hindernisse sind zu erwarten? • Welche Hilfen und Unterstützungen werden benötigt? • Wie ist der erste konkrete Schritt? • Gedanklich: (nonverbale) Darstellung der Situation bei Zielerreichen • Gedanklich: Rückschau vom Ende aus, innerlich vom Anfang weg erzählen Lernziele bezeichnen ein erwünschtes (vorweggenommenes) Verhalten von Lernenden in möglichst eindeutiger Beschreibung

Ebenen:

1. Richtziele (vieldeutig) 2. Grobziele 3. Feinziele (eindeutig) Kategorien:

• kognitiv: Was sollen die Schüler wissen? • affektiv: Welche Einstellungen sollen die Schüler haben? • psychomotorisch: Was müssen die Schüler (machen) können? Jedes Lernziel hat eine Inhalts- und eine Handlungskomponente

Operationalisieren: Formulieren als eindeutig überprüfbares Verhalten:

• Endverhalten genau beschreiben • Erlaubte Mittel • Beurteilungsmaßstab


Von allgemeinen zu speziellen Lernzielen

Einsicht, dass physikalisches Wissen für demokratische Entscheidungsprozesse unerlässlich ist

Fähigkeit, durch richtiges Einschätzen von Gefahren zur Unfallverhütung beizutragen

Den Einfluss der Naturwissenschaften auf die Geisteshaltung der Menschheit erfassen

Einsicht in die Stellung des Menschen in der Natur und im Kosmos gewinnen

Fähigkeit, aus bekannten Gesetzen Vorhersagen über den Ausgang eines Versuchs zu machen

Einsicht, dass Forschung von der Öffentlichkeit unterstützt, aber auch kontrolliert werden muss

Fähigkeit, Informationen und Darbietungen der Massenmedien sachlich zu beurteilen

Fähigkeit, erworbene Kenntnisse auf verwandte Probleme anzuwenden und Analogien zu erkennen

Fähigkeit, die Wechselbeziehungen zwischen Naturwissenschaften, Technik, Gesellschaft und Politik zu erkennen und kritisch zu beurteilen

Kenntnis der Grundzüge der historischen Entwicklung der Physik, insbesondere den Beitrag österreichischer Physiker

Kenntnis der physikalischen Modellvorstellungen und ihrer Aussagekraft

Fähigkeit, genau zu beobachten, Einzelheiten zu sehen und das Beobachtete sprachlich richtig wiederzugeben

Einsicht in die Arbeitsweise der Technik anhand bestimmter technischer Entwicklungen

Einsicht, dass physikalisches Wissen unter dem Zwang neuer Erkenntnisse modifiziert werden müssen

Beispiel: Allgemeines Ziel:

Befähigung der Schüler zu Verantwortungsbewusstsein gegenüber Mitwelt und Umwelt Einsicht, in welcher Weise die Auswirkungen der naturwissenschaftlich-technischen Entwicklung unsere Umwelt verändern

Lehrziel:

Erklärung der Funktion eines Wärmekraftwerkes, insbesondere dessen Auswirkungen: CO2, Abgase, Umwelt-Erwärmung. Anleitung zu Vergleich mit Kernkraftwerken anhand des Lehrbuchs.

Lernziele:

Die Schüler sollen ein Wärmekraftwerk in seiner Funktion und seinen Auswirkungen erklären können. Die Schüler sollen zur Umweltproblematik von Wärme- und Kernkraftwerken begründet Stellung beziehen können.


Vier Faktoren in dialektischer Analyse

Grundwiderspruch: Praxis Theorie momentan, einmalig subjektiv, widersprüchlich verändert sich ständig Raum-Zeitliches Geschehen

soll für jeden Unterricht gelten, allgemein objektiv, widerspruchsfrei Gemeinsamkeiten, Strukturen Kausalität

Ziele:

Gerade verfolgte und erreichte Ziele, oft wechselnd. Auch motorisch, emotional, zum Teil unbewusst; ganzheitlich

Vorher geplante Ziele hierarchisch strukturierbar kognitiv orientiert

Thematik:

Subjektive Bedeutung für Lehrer und Schüler, jetzt und später

Stellung innerhalb der Fachsystematik, exemplarische Bedeutung

Methoden:

DIE Methode als körperlich-seelisch-geistige Grundhaltung, abhängig von Schülern und Zeit innere Entwicklung des Inhalts

MethodeN als Techniken Raumaufteilung, Umgangsformen Hierarchien: Handlungsmuster - Großformen

Einteilungen:

• Handlungsformen (Aktionsformen): Vergleichen, Hypothesen bilden, Experimentieren, Anregen, Fragen, ...

• Sozialformen: Klassenverband (Frontalunterricht), Gruppen-, Einzelunterricht • Logische Verfahren (methodischer Gang, Schritte): Fragend-entwickelnd, forschend,

genetisch/exemplarisch, entdeckend, historisch, induktiv/deduktiv, problemhaft, ... • Methodische Großformen: Lehrgang, Projekt

Medien:

Inhalte erscheinen in medialer Form (Sprache, Schrift, Tafel ...) starker Einfluss auf Unterrichtsgestaltung

Nachgeordnete Entscheidung aus Zielen, Inhalten und Methoden Vermittlungsfunktion

• Sprache • (Hand) Schrift: Tafel, Heft • Lehrbücher (Text - Bild) • Bücher, Zeitschriften, Gedrucktes • Naturphänomene (Materialien aus der Lebenswelt) • (Schüler/Lehrer-) Versuche • Overhead-Projektor; Dias • Fernsehen, Video • Computer: Programmieren, CD-ROM, Internet

FACHDIDAKTISCHES SEMINAR 1 EMPFEHLENSWERTE LITERATUR SEITE 55

Empfehlenswerte Literatur

• Heinz Muckenfuß: Lernen im sinnstiftenden Kontext. Cornelsen 1995

• Bleichroth, Dahnke, Jung, Kuhn, Merzyn, Weltner: Fachdidaktik Physik. Aulis-Verlag Deubner&Co, Köln 1991

• Herbert Pietschmann: Phänomenologie der Naturwissenschaften. Springer-Verlag Berlin 1996

• Jan-Peter Braun: Physikunterricht neu denken. Harri Deutsch Verlag Frankfurt am Main 1999

• Peter Labudde: Erlebniswelt Physik. Dümmler-Verlag Bonn 1993

• Martin Wagenschein: Die Pädagogische Dimension der Physik. Westermann Verlag Braunschweig 1962

• Lothar Klingberg: Einführung in die allgemeine Didaktik. Berlin 1984

• Jens Pukies: Das Verstehen der Naturwissenschaften. Braunschweig 1979

• Kircher, Girwidz, Häußler: Physikdidaktik. Springer, Berlin 2001

• Peter Häußler u.a.: Perspektiven für die Unterrichtspraxis. IPN, Kiel 1998

• Kircher, Schneider: Physikdidaktik in der Praxis. Springer, Berlin 2002

Bearbeitete Texte:

Herbert Pietschmann: Wirklichkeitsvorstellung und Physik-Unterricht Vortrag bei der DPG-Tagung in Regensburg am 26. März 1998 veröffentlicht in: PLUS LUCIS 1/98 S.4 ff Thomas Seilnacht: Der Positionenstreit um den Atombegriff im Chemieunterricht in: Chemie in der Schule 2/98

FACHDIDAKTISCHES SEMINAR 1 ANHANG SEITE 56

Anhang

Ist die Erde wirklich rund? Aus: M. Wagenschein: Verstehen Lehren. Weinheim. S. 341

Um unseren Afrikanern ihr bescheidenes Wissen zu erweitern, vor allem aber um sie in Gottes wunderbare Schöpfung einzuführen, erklärten wir ihnen eines Tages, dass die Erde rund sei.

Die erste Reaktion war ein gutmütiges, breites Lachen, das Lachen eines schlauen Kindes, das einen Erwachsenen dabei durchschaut, wenn er es zum besten halten möchte! Doch als sie sahen, dass es sich nicht um einen Scherz handelte, gingen sie zum offenen Angriff über: "Schwester, ich bin von L. nach M. gereist (ca. 300 km) und habe nichts von einer Rundung beobachten können!"

Der Globus sollte mir zur Hilfe kommen. "Seht, so müsst ihr euch die Erde vorstellen ..." "Ja wo hat sie denn ihren Fuß angemacht, und wo geht das Eisen durch, an dem sie sich dreht?"

"Das sind hier nur Hilfsmaßnahmen, die Erde selbst hat kein Eisen im Leib, sondern das ist nur eine Linie, die wir Erdachse nennen und welche die Gelehrten sich als Begriff ausgedacht haben ..." "Wenn doch die Gelehrten alles wissen, wozu brauchen sie sich eine Linie auszudenken?"

Ja, wozu? Ich war überfragt und lenkte ab: "Also die Erde steht auf keinem Fuß, sie hängt und bewegt sich frei in der Luft, einem Ballon gleich, der ..." "Was, wie ein Ballon? Aber bitte, der ist doch rot, gelb oder blau, hat eine Schnur und wenn man ihn anfasst, zerplatzt er!"

"Richtig, sagen wir vielleicht besser: wie eine Orange ..." "Die kann man mit einer Hand ergreifen, aufmachen und essen!"

"Ihr habt recht, all diese Vergleiche sind hinkend, die Erde ist ein wunderbar herrlicher Himmelskörper, der, von göttlichen Kräften gehalten und von Gottes vollkommenen Gesetzen getrieben, sich um sich selber und zugleich um die Sonne dreht!"

Ich meinte ersticken zu müssen unter dem Kreuzfeuer von Fragen, das sich nach dieser Behauptung über mich entlud. Nach einer Stunde der Erklärung, Argumente und Gegenargumente sagte ich bestimmt: "Nun hört! Jahrhunderte vor euch haben die gelehrtesten und klügsten Männer der Welt dieses Problem studiert und durchdacht. Sie sind alle zu demselben Ergebnis gekommen: Die Erde ist rund, dreht sich um sich selber und um die Sonne. Wähnt ihr euch klüger als all diese Wissenschaftler?"

Vorwurfsvolle Augen! "Aber Schwester, wir fragen doch nicht, weil wir und klüger vorkommen, sondern weil wir es nicht verstehen!"

Ach so! Mit erneuter Hingabe begann ich nochmals zu erklären, zu erläutern, zu beschreiben. Diesmal hielt sich auch der hartnäckigste Frager stumm und lauschte ergeben. ich endete den Vortrag mit der Frage: "Habt ihr das jetzt verstanden?"

"Ja!" "Und glaubt ihr es?" "Nein!"

Einem Überzeugten fällt es nicht schwer zu überzeugen, dachte ich und begann von neuem, und zwar mit solcher Überzeugung, bis auch der letzte Zweifler Beifall nickte. Ach, sie sind dann ja immerhin so kultiviert, dass sie die Arbeit und Plage einer Person respektieren, die sich so endlos Mühe gibt, ihnen etwas beibringen zu wollen, und so ließen sie sich endlich dahin überwinden, dass sie mir nicht mehr ihren offenen Zweifel spürbar nahebrachten. Als Siegerin verließ ich den erdrunden Kampfplatz.

Nach der Stunde meldete sich einer der Zuhörer privat. Er sah mich mit einem verständnisinnigen Lächeln an und sagte: "Schwester, so ganz im Vertrauen, bitte, versteh mich recht, nur zu dir gesagt ... nicht wahr, du glaubst aber doch selber nicht, daß die Erde rund ist?"

Da stiegen in meinem geschlagenen Geist leise Zweifel auf! Ja, ist die Erde wirklich rund?


G. Galilei: Dialog über die beiden hauptsächlichen Weltsysteme (1632) (teilweise vereinfachter Auszug)

Diskutiert wird ein altes Argument gegen eine mögliche Erddrehung: Ein von einem Turm fallengelassener Stein müsste bei rotierender Erde entfernt vom Fuß des Turmes auftreffen. Diese Situation wird mit einem fahrenden bzw. ruhendem Schiff verglichen. Salviati: Ihr sagt: Weil bei ruhendem Schiff der Stein am Fuß des Mastes niederfällt, bei bewegtem aber vom Fuß entfernt, so lässt sich umgekehrt schließen: Wenn der Stein am Fuß niederfällt, steht das Schiff, und wenn er entfernt davon auftrifft, ist es bewegt. Was beim Schiff gilt, tritt auch bei der Erde ein; so folgt aus dem Ankommen des Steines am Fuß des Turmes die Unbewegtheit des Erdballs. Ist das nicht Euer Beweis?

Simplicio: Ja, und zwar in gedrängter Fassung, was sehr zur Erleichterung des Verständnisses beiträgt.

Salviati: Wenn der von der Spitze des Mastes fallengelassen Stein auch bei rasch bewegtem Schiff genau an der gleichen Stelle auftrifft wie bei ruhendem Schiff, was würde dies für die Entscheidung der Frage bedeuten, ob das Schiff feststeht oder fährt?

Simplicio: Absolut keinen. Ebenso zum Beispiel wie aus dem Schlagen des Pulses sich nicht erkennen läßt ob jemand schläft oder wacht, weil der Puls in gleicher Weise bei Schlafenden wie bei Wachenden schlägt.

Salviati: Habt Ihr jemals den Versuch mit dem Schiff angestellt?

Simplicio: Ich habe es nicht getan, wohl aber denke ich, haben die Schriftsteller die ihn angeben, sich sorgfältig mit ihm beschäftigt. Darüber hinaus liegt die Ursache der Verschiedenheit so sehr auf der Hand, dass kein Raum für Zweifel bleibt.

Salviati: Dass jene Autoren ihn möglicherweise anführen, ohne ihn angestellt zu haben, dafür seid Ihr selbst ein klassischer Zeuge. Denn ohne den Versuch gemacht zu haben, zitiert Ihr ihn als sicher und verlasst Euch in gutem Glauben auf ihr Wort. Ebenso haben wohl auch diese Gelehrten gehandelt: Sie haben sich auf ihre Vorgänger verlassen, ohne dass man jemals auf einen kommt der den Versuch wirklich durchgeführt hat. Denn jeder, der das tut, wird finden, dass sich das genaue Gegenteil von dem ergibt, was man geschrieben liest. Man wird nämlich zum Ergebnis kommen, dass der Stein stets an derselben Stelle des Schiffes niederfällt, egal ob es steht oder sich mit beliebiger Geschwindigkeit bewegt. Da aber für die Erde und das Schiff gleiches Recht gilt, so lässt sich aus dem lotrechten Fall des Steines und dem Aufschlag am Fuß des Turmes nichts über die Bewegung und Ruhe der Erde ermitteln.

Simplicio: Wenn Ihr mich nicht auf den Weg des Versuchs verwiesen hättet, so würden wir noch lange Hin- und Herreden. Mir scheint diese Frage für menschliche Spekulation so unzugänglich, dass niemand so frech sein kann, etwas zu glauben oder zu vermuten.

Salviati: Und doch erkühne ich mich, das zu tun.

Simplicio: Ihr hättet also nicht ein einziges mal die Probe selbst gemacht und seid doch des Erfolges sicher? Ich kehre zu meiner anfänglichen Überzeugung zurück: Die Gelehrten die diesen Versuch anführen, haben ihn auch ausgeführt, und zwar mit dem von ihnen angegebenen Erfolg.

Salviati: Ich bin auch ohne Versuch sicher, dass das Ergebnis so ausfällt, wie ich es Euch sage! Ja noch mehr: Ich behaupte, Ihr selbst wisst ebenfalls, dass das Resultat nur so sein kann, wie ich es vorhersage. Denn ich verstehe das Handwerk, mit Gehirnen umzugehen, so meisterlich, dass ich Euch gewaltsam ein Geständnis entreißen werde! Sie müssen nur ehrlich auf meine Fragen antworten.

Simplicio: Ich werde nach bestem Wissen antworten, aber ich bin sicher, nicht in Ungelegenheiten zu kommen.

Salviati: Ich möchte nicht, dass Ihr antwortet, wenn Ihr nicht völlig sicher seid. Sagt mir also: Stellt Euch eine ebene, völlig glatte, spiegelähnliche Fläche vor, von stahlhartem Stoff, die nicht horizontal, sondern etwas geneigt ist. Ihr legt einen vollkommen kugelförmigen Ball darauf, aus schwerem, sehr hartem Stoff, etwa aus


Bronze. Was würde diese Kugel tun, wenn sie sich selbst überlassen ist? Meint Ihr nicht auch wie ich, sie würde ruhig liegen bleiben?

Simplicio: Und die Fläche soll geneigt sein?

Salviati: Freilich, diese Voraussetzung habe ich ja gemacht.

Simplicio: Keineswegs glaube ich, dass sie liegenbleibt! Ich bin im Gegenteil völlig sicher, dass sie sich von selbst nach der geneigten Seite bewegen würde.

Salviati: Gebt acht, was Ihr sagt, Signore Simplicio! Ich bin nämlich überzeugt, dass die Kugel überall ruhen würde, wohin Ihr sie auch legt.

Simplicio: Wenn Ihr Euch auf eine solche Art von Annahmen stützt, dann fange ich an zu begreifen, warum Ihr zu grundfalschen Ergebnissen gelangt.

Salviati: Ihr seid Euch also sicher, dass die Kugel sich von selbst nach der geneigten Seite bewegen würde?

Simplicio: Welche Frage!

Salviati: Und Ihr behauptet dies nicht weil ich es Euch gelehrt hätte - ich versuchte Euch ja das Gegenteil einzureden - sondern aus freiem Antrieb, nach Eurem gesunden Menschenverstand.

Simplicio: Jetzt verstehe ich Euren Kunstgriff; Ihr habt nur so geredet, um mich zu verleiten, mich reinzulegen, nicht weil Ihr selbst so dachtet!

Salviati: So ist's. Wie lange und mit welcher Geschwindigkeit würde sich die Kugel bewegen? Beachtet, dass ich von einer vollkommen runden Kugel und einer ausgezeichnet glatten Ebene gesprochen habe, um damit alle äußeren und zufälligen Hindernisse auszuschließen. Ebenso möchte ich, dass Ihr von der Luft abseht, die einen Widerstand bieten könnte, desgleichen von allen anderen zufälligen Hemmnissen, wenn etwa solche vorhanden sein sollten.

Simplicio: Ich habe das alles ganz gut verstanden. Eure Frage anlangend antworte ich: Sie würde ins Unendliche fortfahren, sich zu bewegen, wenn die Neigung der Ebene solange wäre, und zwar in stetig beschleunigter Bewegung. Dabei wird die Geschwindigkeit um so größer sein, je stärker die Neigung der Ebene ist.

Salviati: Wenn man aber wollte, dass die Kugel auf der gleichen Eben sich nach oben bewegte, würde sie das Eurer Meinung nach tun?

Simplicio: Freiwillig nicht, wohl aber, wenn man sie gewaltsam hinaufschiebt oder -stößt.

Salviati: Und wenn sie nun wegen eines gewaltsamen Anstoßes hinaufgetrieben würde, wie und von welcher Dauer würde ihre Bewegung dann sein?

Simplicio: Die Bewegung würde immer schwächer werden und sich verzögern. Außerdem würde sie länger oder kürzer dauern, je nach der Stärke des Impulses und nach der Steilheit.

Salviati: Wir haben bis jetzt das Verhalten eines bewegten Körpers auf zwei Ebenen geschildert: Auf der geneigten Ebene bewegt sich die Kugel beschleunigt abwärts; um sie anzuhalten, muss man Kraft anwenden. Bei der aufsteigenden Ebene ist hingegen Kraft notwendig, um sie vorwärts zu treiben und ebenso, um sie festzuhalten. Die eingeprägte Bewegung vermindert sich beständig und hört schließlich ganz auf. Weiters sagtet Ihr, dass die Bewegung vom Grad der Steilheit abhängt. Nur sagt mir, was mit demselben Körper auf einer Fläche geschieht, die weder abschüssig ist noch ansteigt.

Simplicio: Hier muss ich mich ein wenig auf die Antwort besinnen. Da keine Abschüssigkeit vorhanden ist, gibt es keinen natürlichen Antrieb. Da aber auch kein Ansteigen stattfindet, gibt es auch keinen Widerstand gegen eine Bewegung. Der Körper muss also von Natur aus ruhen.

Salviati: Das ist auch meine Ansicht - wenn man ihn ruhig hinlegt. Wenn man ihm aber einen Anstoß in irgendeine Richtung gibt, was passiert dann?

Simplicio: Er würde sich in diese Richtung bewegen.

Salviati: In welcher Bewegungsart? Beschleunigt wie auf der abschüssigen Ebene, oder verzögert wie bei der Steigung?

Simplicio: Ich kann weder einen Grund für eine Beschleunigung noch für eine Verzögerung entdecken, da weder ein An- noch ein Absteigen stattfindet.

Salviati: Wenn kein Grund für eine Verzögerung vorliegt, kann auch keiner für einen Stillstand das Körpers vorhanden sein. Wie lange müsste die Bewegung andauern?

Simplicio: So weit diese Ebene Fläche reicht.


Salviati: Wäre diese unbegrenzt, so würde die Bewegung ewig andauern, nicht wahr?

Simplicio: So scheint es mir, vorausgesetzt, der Körper ist aus einem dauerhaften Stoff.

Salviati: Dies haben wir ja vorausgesetzt, als wir sagten, es sollten alle zufälligen Hindernisse entfernt werden; die Zerstörbarkeit des Körpers ist in diesem Falle eines der zufälligen Hindernisse. Sagt mir nun: Was ist Eurer Ansicht nach die Ursache, dass die Kugel sich auf der geneigten Ebene freiwillig bewegt, auf der ansteigenden dagegen nur gezwungen?

Simplicio: Der Grund ist die Neigung der schweren Körper, sich in Richtung des Mittelpunktes der Erde zu bewegen. Die geneigte Ebene bewirkt eine Annäherung an den Mittelpunkt, die absteigende eine Entfernung.

Salviati: Eine Fläche die weder abschüssig noch ansteigend ist, muss also überall gleich weit entfernt vom Erdmittelpunkt sein. Gibt es solche Flächen?

Simplicio: Daran fehlt es nicht. Nehmt unsere Erdoberfläche, wenn sie vollkommen glatt und nicht rau und gebirgig wäre, oder die Wasseroberfläche, solange sie unbewegt und ruhig ist.

Salviati: Ein bei Meeresstille fahrendes Schiff gehört aber dann zu den Körpern, die sich über eine ebene Fläche der besprochenen Art bewegen. Es ist daher bestrebt sich gleichförmig fortzubewegen, nach Entfernung aller zufälligen und äußerlichen Hindernisse.

Simplicio: So muss es sein, scheint mir.

Salviati: Betrachten wir nun den Stein, der sich auf der Spitze des Mastes befindet. Vollzieht er nicht ebenfalls eine Bewegung um den Erdmittelpunkt längs einer Kreislinie? Eine Bewegung also, die gleich schnell wie die des Schiffes ist und die in ihm unveränderlich fortbesteht, von äußerlichen Hindernissen abgesehen?

Simplicio: So weit ist alles in Ordnung. Was nun weiter?

Salviati: Zieht daraus rechtzeitig selbst den letzten Schluss!

Simplicio: Ihr meint damit, dass dieser Stein diese unveränderliche Bewegung während seines Falls beibehalten wird. Er wird dem Schiff folgen und schließlich an demselben Ort auftreffen wie bei ruhendem Schiff.

Salviati: Wenn aber zwischen ruhendem und fahrenden Schiff kein Unterschied im Fallen des Steins besteht, was muss man erst bei dem von der Turmspitze fallenden Stein erwarte? Dieser hat ja eine natürliche Kreisbewegung, er folgt dem Erdball wie der Turm und die Luft! Habt Ihr noch eine Erwiderung vorzubringen, Signore Simplicio?

Simplicio: Nur die eine, dass ich die Bewegung der Erde bis jetzt noch nicht erwiesen sehe.

Salviati: Ich habe auch gar nicht den Anspruch erhoben, sie beweisen zu wollen. Ich wollte nur zeigen, dass aus dem Versuch mit dem fallenden Stein kein Argument für eine unbewegte Erde folgt.


Ein humoristischer Beitrag: Physiker in Aktion [1] Glühbirne

ist ein Slang-Ausdruck der Physiker (Homo Theoreticus [2]). Der Ausdruck ist zwar nicht ganz korrekt, stellt aber gegenüber der gängigen Physikersprache (evakuierter Glaskolben mit Wolframspirale zur Wandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie im sichtbaren Spektrum elektromagnetischer Wellen) eine deutliche Verbesserung dar.

[2] Homo Theoreticus Umgangssprachlich auch als Physiker bezeichnet. Der Homo Theoreticus gehört zur Gruppe der semikonfusen Wesen. Sei natürlicher Lebensraum sind kleine, verrauchte Labors (vorzugsweise ohne Fenster) mit konfusen experimentellen Aufbauten (meist von anderen Leuten gebaut, da der Homo Theoreticus zur Gattung der Doppellinkshänder gehört). Die Physiker sprechen eine eigene Sprache, das Physikerlatein, das für normale Menschen nicht verständlich ist. Die Schriftsprache setzt sich hauptsächlich aus Zahlen sowie aus diversen Buchstaben, die aus allen möglichen (und unmöglichen) Sprachen entliehen sind, zusammen. Die Hauptnahrungsgrundlage der Physiker besteht aus einer bräunlichen Flüssigkeit, die sie vor dem Genuss erhitzen, um sie dann wieder abkühlen zulassen, bevor sie dann getrunken wird.

Durch die Hochschulstrukturreform werden mehr und mehr Lebensräume des Homo Theoreticus vernichtet. Aus diesem Grund und weil er nicht in der Lage ist lebenswichtige Grundfunktionen (z.B. Essen) zu koordinieren, gehört der Homo Theoreticus mittlerweile zu den vom Aussterben bedrohten Arten.

Evolutionstechnisch stellt der Homo Theoreticus den Übergang vom Mathematiker zum Menschen (Ingenieur) dar.

Wie Physiker eine Glühbirne [1] wechseln

Physiker im 1. Semester Er geht in den Laden, kauft einen neuen evakuierten Glaskolben mit Wolframspirale zur Wandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie im sichtbaren Bereich [ = Glühlampe (Anm. dipl. Physiker)], schraubt die alte raus und macht beim Einschrauben der neuen Bekanntschaft mit der Elektrizitätslehre ( *britzel* ). Da sich dabei die Sicherung verabschiedet glaubt er, die Birne sei kaputt und geht eine neue kaufen. Diesmal geht das Wechseln schmerzfreier ( kein Saft ), aber die Birne funktioniert trotzdem nicht. Daher wird der Vorgang wiederholt, bis es keine Glühlampen mehr zu kaufen gibt.

Physiker im Vordiplom Mittlerweile über die Gesetze der E-Lehre voll im Bilde, wird zuerst der Stecker gezogen und anschließend der Fehler analysiert. Die eingehende Analyse führt nach mehreren Stunden zu dem Ergebnis, dass die Stromversorgung unterbrochen ist ( Stecker gezogen ). Da das Problem erkannt ist und der Lösungsweg bekannt ist, kümmert sich der Physiker nicht weiter darum, da das Prinzip ja klar ist.

Physiker mit Diplom Endlich zum vollwertigen Akademiker gereift, geht man mit der ganzen Erfahrung des Studiums an die Lösung des Problems. Die neue Glühbirne G wird auf den Tisch gelegt und um die Lampe ein Metallschirm aufgestellt (Potentialwall). Da nach der Erkenntnis der Quantentheorie


die Wahrscheinlichkeit p, dass die Glühbirne G sich innerhalb der Fassung F befindet, ungleich Null (0) ist, muss man nur noch abwarten, bis die Glühbirne G ins Raumgebiet F' der Fassung F getunnelt ist. Da aufgrund der Heisenberg'schen Unschärferelation die Geschwindigkeit der Glühbirne G bekannt ist, ist der Ort der Glühbirne logischerweise als beliebig verschmiert zu betrachten. Nach einer ausreichenden Zeitdauer t kann davon ausgegangen werden, dass die Glühbirne G ins Raumgebiet F' getunnelt ist, die Zeitdauer t lässt sich um delta t verkürzen, wenn man mehrere Glühbirnen nimmt (man hat ja noch eine genügend große Menge N von Glühbirnen G aus dem Zeitraum t' - 1. Semester) Laut Schrödinger muss man die Lampe mit Metallschirm als geschlossenes System sehen in dem die Glühbirne G existieren und funktionieren kann oder auch nicht. Der eindeutige Nachweis kann nur durch Beobachtung im System erbracht werden. Das System wird aber, ebenfalls nach Schrödinger, durch die Beobachtung verändert. Daher verbietet sich dieser Eingriff.

Außerdem bekommt der Physiker auch den Kopf nicht unter dem Schirm raus und wenn doch, kann er nichts beobachten, weil es dort völlig finster ist. Da der Gegenbeweis nicht erbracht werden kann, geht der Physiker davon aus, dass die Glühbirne im Inneren intakt ist. Dass die Glühbirne immer noch auf dem Tisch liegt, kann als Randeffekt vernachlässigt werden und ist im Dunkeln eh nicht zu sehen.

Promovierter Physiker Er unterzieht das Problem zunächst einer genauen Analyse. Die Lösung ist klar, es finden keine Sprünge von Elektronen zu niedrigeren Schalen statt. D.h. die Emission muss, da sie nicht ausreichend spontan auftritt, stimuliert werden. Durch Bestrahlung der Birne mit einem gepulsten HeNe-Laser treten stimulierte Emissionen auf und die Glühbirne beginnt schwach zu glimmen. (Die restlichen Physiker und Studenten verneigen sich in Ehrfurcht vor der genialen Lösung.)

Habilierter Physiker Er will die Aufgabe an seinen Assistenten übertragen, als er zufällig auf den Lichtschalter stürzt und die Lampe von "alleine" angeht. Über dieses erstaunliche Phänomen verfasst er sodann eine Publikation, die in der Physikerwelt für Aufsehen sorgt.


Es war einmal in Kopenhagen....

Das nun folgende war wirklich eine Frage, die in einer Physikprüfung, an der Universität von Kopenhagen, gestellt wurde:

"Beschreiben Sie, wie man die Höhe eines Wolkenkratzers mit einem Barometer feststellt."

Ein Kursteilnehmer antwortete: "Sie binden ein langes Stück Schnur an den Ansatz des Barometers, senken dann das Barometer vom Dach des Wolkenkratzers zum Boden. Die Länge der Schnur plus die Länge des Barometers entspricht der Höhe des Gebäudes."

Diese in hohem Grade originelle Antwort entrüstete den Prüfer dermaßen, dass der Kursteilnehmer sofort entlassen wurde. Er appellierte an seine Grundrechte, mit der Begründung dass seine Antwort unbestreitbar korrekt war, und die Universität ernannte einen unabhängigen Schiedsrichter, um den Fall zu entscheiden. Der Schiedsrichter urteilte, dass die Antwort in der Tat korrekt war, aber kein wahrnehmbares Wissen von Physik zeige.. Um das Problem zu lösen, wurde entschieden den Kursteilnehmer nochmals herein zu bitten und ihm sechs Minuten zuzugestehen, in denen er eine mündliche Antwort geben konnte, die mindestens eine minimale Vertrautheit mit den Grundprinzipien von Physik zeigte.

Für fünf Minuten saß der Kursteilnehmer still, den Kopf nach vorne, in Gedanken versunken. Der Schiedsrichter erinnerte ihn, dass die Zeit lief, worauf der Kursteilnehmer antwortete, dass er einige extrem relevante Antworten hatte, aber sich nicht entscheiden könnte, welche er verwenden sollte. Als ihm geraten wurde, sich zu beeilen, antwortete er wie folgt:

"Erstens könnten Sie das Barometer bis zum Dach des Wolkenkratzers nehmen, es über den Rand fallen lassen und die Zeit messen die es braucht, um den Boden zu erreichen. Die Höhe des Gebäudes kann mit der Formel H=0.5g mal t im Quadrat berechnet werden. Der Barometer wäre allerdings dahin!

Oder, falls die Sonne scheint, könnten Sie die Höhe des Barometers messen, es hochstellen und die Länge seines Schattens messen. Dann messen Sie die Länge des Schattens des Wolkenkratzers, anschließend ist es eine einfache Sache, anhand der proportionalen Arithmetik die Höhe des Wolkenkratzers zu berechnen.

Wenn Sie aber in einem hohem Grade wissenschaftlich sein wollten, könnten Sie ein kurzes Stück Schnur an das Barometer binden und es schwingen lassen wie ein Pendel, zuerst auf dem Boden und dann auf dem Dach des Wolkenkratzers. Die Höhe entspricht der Abweichung der gravitationalen Wiederherstellungskraft T=2 pi im Quadrat (l/g).

Oder, wenn der Wolkenkratzer eine äußere Nottreppe besitzt, würde es am einfachsten gehen da hinauf zu steigen, die Höhe des Wolkenkratzers in Barometerlängen abzuhaken und oben zusammenzählen.

Wenn Sie aber bloß eine langweilige und orthodoxe Lösung wünschen, dann können Sie selbstverständlich den Barometer benutzen, um den Luftdruck auf dem Dach des Wolkenkratzers und auf dem Grund zu messen und der Unterschied bezüglich der Millibare umzuwandeln, um die Höhe des Gebäudes zu berechnen.

Aber, da wir ständig aufgefordert werden die Unabhängigkeit des Verstandes zu üben und wissenschaftliche Methoden anzuwenden, würde es ohne Zweifel viel einfacher sein, an der Tür des Hausmeisters zu klopfen und ihm zu sagen: "Wenn Sie einen netten neuen Barometer möchten, gebe ich Ihnen dieses hier, vorausgesetzt Sie sagen mir die Höhe dieses Wolkenkratzers."

Der Kursteilnehmer war Niels Bohr, der erste Däne der überhaupt den Nobelpreis für Physik gewann...

Hans Graßmann: Eine kurze Geschichte der Physik

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