Dokumentation einer Unterrichtseinheit 1. Allgemeine Angaben Kompetenzorientierte Formulierung des Themas

Bau eines elektronischen Stundenplans – Erwerb von Grundlagen der Elektronik im MNT-Unterricht der Klasse 8

Autorin/ Autor

Torsten Wilcke Klassenstufe Zeitumfang in Stunden Schule

8 20 Stunden + 10 Stunden

GHWRS Ersbergschule Nürtingen

Organisationsform der Unterrichtssequenz

themenorientiert/projektorientiert (auf Präkonzepten und Interessen aufbauend, mehr-perspektivisch, handlungs- und produktorientiert) Struktur des Lernprozesses

situiert (aktiv, selbstgesteuert, konstruktiv, situativ, sozial); kooperativ Anmerkungen

Aus organisatorischen Gründen gliederte sich das Projekt in zwei Abschnitte. Zunächst erfolgte eine Phase der auf das Produkt bezogenen Grundlagenvermitt-lung, auf welcher die Dokumentation beruht. Daran schloss sich die eigentliche Bau-phase an.

STAATLICHES SEMINAR FÜR DIDAKTIK UND LEHRERBILDUNG NÜRTINGEN

(GRUNDSCHULEN, WERKREALSCHULEN UND HAUPTSCHULEN)

STE-PS Science Teacher Education - Principles and Standards Dokumentation einer

themenorientierten Unterrichtseinheit

Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (GWRHS) Nürtingen, 2010 – http://www.ste-ps.eu

2. Kompetenzanalyse Kompetenzanalyse

Die im Rahmen der Unterrichtseinheit angestrebten Kompetenzen und die zugehörigen In-

halte finden sich vorwiegend im Kompetenzfeld „Elektrifizierte Welt“ innerhalb der Bildungs-

standards für den Fächerverbund MNT. Bezüge bestehen auch zum Kompetenzfeld „Arbeit-

Produktion-Technik“, in den Bildungsstandard für den Fächerverbund Wirtschaft-Arbeit-

Gesundheit (WAG). Während der Planungsphase wurden die Bildungsstandards in eine ge-

eignete Themenstruktur übersetzt. Im Hinblick auf die angestrebten Kompetenzen und Inhalte

wurden Schwerpunkte gesetzt und es wurde gemeinsam mit den SuS eine logische Abfolge

der Bearbeitung festgelegt, wobei sich sechs Unterrichtssequenzen ergaben. Deren kompe-

tenzorientierte Lernziele, die angestrebten fachlichen Kompetenzen, Produktbezüge, Inhalte

sowie die daran maßgeblich eingeübten Denk- und Arbeitsweisen sind im Folgenden zusam-

mengefasst. Für die Einzelstunden wurden jeweils Kriterien sowie operationalisierbare Indi-

katoren formuliert, die hier nicht im Einzelnen aufgeführt werden.

Sequenz 1: Der einfache elektrische Stromkreis

Kompetenz: Die SuS kennen Grundlagen der Elektrizitätslehre.

Kompetenz-

orientiertes

Lernziel:

Die SuS erkennen, welche Anschlussbedingungen erfüllt sein müs-

sen, damit ein elektrisches Gerät wie der elektronische Stundenplan

funktionieren kann.

Bezug zum

Produkt:

• Zu erfüllende Anschlussbedingungen • Wahl der Schaltungsart • Entwurf des Schaltplans

Inhalte und

Methoden:

• Gefahren des elektrischen Stroms • Conceptual Cartoons1 • Freies Experimentieren • Der elektrische Stromkreis als System • Analogie Wasserkreislauf • Schaltzeichen und Schaltpläne • Reihen- und Parallelschaltung

Arbeitsweisen: Erkunden/Experimentieren/Modellieren

Sequenz 2: Ladungstrennung und Stromfluss

Kompetenz: Die SuS kennen Grundlagen der Elektrizitätslehre.

1 Siehe Anhang 8.4. 

Kompetenz-

orientiertes

Lernziel:

Die SuS erkennen die Möglichkeit der Trennung von Ladungen auf-

grund des atomaren Aufbaus der Materie und können den elektri-

schen Strom als die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern (Elek-

tronen) definieren.

Bezug zum

Produkt:

Die SuS erkennen, warum mit einer Stromquelle wie der Flach-

batterie der Betrieb des elektronischen Stundenplans möglich ist.

Inhalte und

Methoden:

• Schülerversuche zur Elektrostatik mit Luftballons • Elektroskop • Entstehung von Blitzen (theoretisch und Demonstration mit

Bandgenerator) • Bohrsches Atommodell

Arbeitsweisen: Experimentieren/Vermuten/Beobachten/Modellieren

Sequenz 3: Die elektrische Spannung

Kompetenzen: Die SuS können Aufgabenstellungen durch den Bau einfacher elektronischer Schaltungen lösen.

Die SuS kennen Grundlagen der Elektrizitätslehre und Elektronik.

Die SuS können Messwerte erfassen.

Kompetenz-

orientiertes

Lernziel:

Die SuS messen selbstständig Stromspannungen an verschiedenen

Stellen im Stromkreis. Die SuS begreifen die Spannung als den La-

dungsunterschied zwischen zwei Punkten.

Bezug zum

Produkt:

• Auswahl der Stromquelle für den elektrischen Stundenplan. • Abstimmung von Stromquelle und Bauteilen im Hinblick auf die

Spannung.

Inhalte und

Methoden:

• Das Vielfachmessgerät • Bauen nach Schaltplan • Spannungsmessungen • Die Spannung in der Reihenschaltung • Analogien:

o Gravitationsanalogie → Pumpspeicherwerk o Spannung als Ladungsunterschied zwischen zwei Punkten

Arbeitsweisen: Experimentieren/Vermuten/Prüfen/Messen

Sequenz 4: Die Stromstärke

Kompetenzen: Die SuS können Aufgabenstellungen durch den Bau einfacher elektronischer Schaltungen lösen.

Die SuS kennen Grundlagen der Elektrizitätslehre und Elektronik.

Die SuS können Messwerte erfassen.

Kompetenz-

orientiertes

Lernziel:

Die SuS können selbstständig die Stromstärke an verschiedenen

Stellen im Stromkreis messen. Die SuS begreifen die Stromstärke

als die Anzahl „durchfließender“ Ladungsträger (Elektronen) pro Zeit.

Bezug zum

Produkt:

• Abstimmung von Bauteilen auf die Stromstärke • Fehlersuche

Inhalte und

Methoden:

• Analogie Verkehrsstrom • Analogie Fahrradkette • Bauen nach Schaltplan • Messen mit dem Multimeter

Arbeitsweisen: Experimentieren/Modellieren/Vermuten/Prüfen/Messen

Sequenz 5: Entwurf eines Schaltplans für den elektr. Stundenplan

Kompetenzen: Die SuS können Aufgabenstellungen durch den Bau einfacher elektronischer Schaltungen lösen.

Die SuS kennen Grundlagen der Elektrizitätslehre und Elektronik.

Kompetenz-

orientiertes

Lernziel:

Die SuS entwerfen auf Grundlage der bisher erworbenen Kompe-

tenzen Schaltpläne für den elektronischen Stundenplan und disku-

tieren die Ergebnisse.

Inhalte und

Methoden:

• Anschlussbedingungen • Zeichnen von Schaltplänen • Bauteile - Dioden um das „Rückwärtsfließen“ des Stroms zu

verhindern

Arbeitsweisen: Recherchieren/Kommunizieren/Diskutieren/Interpretieren

Sequenz 6: Der elektrische Widerstand/Das Ohmsche Gesetz

Kompetenz: Die SuS können Aufgabenstellungen durch den Bau einfacher elektronischer Schaltungen lösen.

Die SuS kennen Grundlagen der Elektrizitätslehre und Elektronik.

Die SuS können Messwerte erfassen.

Kompetenz- Die SuS können das Verhältnis zwischen elektrischer Spannung und

orientiertes

Lernziel:

Stromstärke experimentell erfassen und auswerten. Sie erkennen die

Abhängigkeit der Stromstärke vom elektrischen Widerstand.

Bezug zum

Produkt:

• Berechnung des benötigten Vorwiderstands für die LED´s

Inhalte und

Methoden:

• Elektrischer Stromkreis mit Prüfstrecke • Elektrischer Widerstand • Ohmsches Gesetz

Arbeitsweisen: Experimentieren/Vermuten/Prüfen/Messen/Mathematisieren

3. Sachstruktur des Themenfeldes, Schwerpunktsetzung und Begründung Eine Schwerpunktsetzung erfolgte auf Grundlage der für die Produkterstellung benötigten Kompetenzen sowie der während der Themenfelderöff-nung erhobenen Präkonzepte und Interessen.

4. Analyse fachdidaktischer/fächerverbundspezifischer Aspekte, Schwerpunktsetzung, Begründung Analyse fachdidaktischer/fächerverbundspezifischer Aspekte

Übergeordnetes Ziel der Einheit war es, zu einer grundlegenden naturwissenschaftlichen Bil-dung (Scientific Literacy) im Sinne des Bildungsplans 2004 beizutragen, um den SuS so eine aktive und lebenslange Teilhabe an unserer naturwissenschaftlich geprägten (und elektrifi-zierten) Gesellschaft zu ermöglichen (-->Lebenskompetenz). Das heißt im Wesentlichen ging es um …

1. … die Vermittlung grundlegender Zusammenhänge (Basiskonzepte, z.B. einfacher elektrischer Stromkreis, Ohmsches Gesetz …)

2. … die Schulung und das Einüben naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen (Naturwissenschaft als eine Methode der Fragestellung)

3. … die Reflexion der Lernprozesse.

Schwerpunktsetzung und Begründung

Einüben naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen

Der Unterricht im Fächerverbund MNT soll zu reflektiertem Handeln befähigen. Grundlage

dafür ist die Beherrschung naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen. Der Schwer-

punkt der Einheit lag in den Bereichen Vermuten, Prüfen, Experimentieren und Messen. Da-

rüber hinausgehend wurde ein möglichst ausgewogenes Verhältnis der einzelnen Denk- und

Arbeitsweisen angestrebt. Als Analyseinstrument diente dabei die Spinnennetzmethode nach

Stäudel (Vgl. Stäudel 2007).

Modellbildung und Nutzung von Analogien

Vergleiche mit bekannten Sachverhalten, können den SuS dabei helfen die abstrakten Phä-

nomene und Begriffe in den Bereichen Elektronik und Elektrizitätslehre besser zu verstehen

(Vgl. Duit 2009). Im Rahmen der Unterrichtseinheit fanden daher eine Reihe von Analogien

und Modellen Verwendung:

• Ladungstrennung o Bohrsches Atommodell

• Einfacher Stromkreis o Wasseranalogie (Wasserkreislauf)

• Spannung o Gravitationsanalogie (Pumpspeicherwerk) o Ladungsunterschied zwischen zwei Punkten

• Stromstärke o Fahradkettenanalogie

5. Lernstandserhebung Lernstandserhebung (Methoden/Materialien)

Die Lernstanderhebung erfolgte schriftlich, in Form eines Fragebogens. Bei der Auswertung

zeigte sich, dass bei den SuS kaum Vorkenntnisse im Bezug auf die abgefragten Inhalte vor-

handen waren. Sehr viele Fragen wurden gar nicht beantwortet. Dies lag sicherlich auch darin

begründet, dass die Erhebung zu stark auf Inhalte und Fachwissen fokussiert war. Lediglich

in den Bereichen Anschlussbedingungen und einfacher Stromkreis verfügten einzelne SuS

über anschlussfähiges Wissen. Für die Planung bedeutete dies einerseits, dass von einer

Anfangsunterrichtssituation für die betreffenden Kompetenzen und Inhalte ausgegangen

werden musste. Der Fokus verschob sich dabei von den Grundlagen der Elektronik hin zu

den Grundlagen der Elektrizitätslehre.

6. Dokumentation und Reflexion von Lernprozessen (Lerntagebuch/Hefte/Ordner) Dokumentation von Lernprozessen

a) Durch die Projektordner

b) Durch das Produkt Reflexion von Lernprozessen

Die Unterrichtseinheit wurde nach den Prinzipien des kooperativen Lernens durchgeführt, bei

denen Reflexionsphasen ein zentraler Bestandteil eines jeden Lernprozesses sind. Das heißt,

das Lernen selbst wurde zum Unterrichtsthema gemacht, um den SuS die Möglichkeit zu ge-

ben ihre Lernstrategien und Selbstregulationsfähigkeiten in Bezug zu den Lernzielen zu

setzen und dadurch die Basis für eine weitere Entwicklung zu schaffen. Die Reflexion bezog

sich, in Abhängigkeit vom jeweiligen Unterrichtsverlauf, auf unterschiedliche Aspekte, z.B. die

Methode, den Arbeitsverlauf oder das Thema der Stunde.

7. Anhang Literaturangaben

- BRÜNING, LUDGER; SAUM, TOBIAS 2007: Erfolgreich unterrichten durch Kooperatives Lernen. Essen: NDS.

- DUIT, REINDERS; GROPENGIEßER, HARALD; STÄUDEL, LUTZ 2007: Naturwissenschaft-liches Arbeiten. Unterricht und Material 5-10. Seelze-Veber: Friedrich Verlag.

- DUIT, REINDERS 2009: Elektrizitätslehre aus Schülersicht - Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten im Bereich der Elektrizitätslehre. In: Naturwissenschaft im Unterricht Physik. Sammelband Elektrizitätslehre. Seelze-Veber: Friedrich Verlag.

- GRÄBER, WOLFGANG; NENTWIG, PETER 2002: Scientific Literacy - Naturwissen-schaftliche Grundbildung in der Diskussion. In: GRÄBER ET AL. (Hrsg.): Scientific Literacy - Der Beitrag der Naturwissenschaften zur Allgemeinbildung, S.7-20. Opladen: Leske + Budrich.

- GRÄBER ET AL. (Hrsg.): Scientific Literacy - Der Beitrag der Naturwissenschaften zur Allgemeinbildung, S.7-20. Opladen: Leske + Budrich.

- KÖHLER, KARLHEINZ 2004: Nach welchen Prinzipien kann Biologieunterricht ge-staltet werden: In: SPÖRHASE-EICHMANN, ULRIKE; RUPPERT, WOLFGANG (Hrsg.) 2004: Biologiedidaktik. S.25-67. Berlin: Cornelsen Scriptor.

- MANDL, HEINZ; KRAUSE, ULRIKE-MARIE 2001: Lernkompetenz für die Wissensgesell-schaft. Forschungsbericht Nr.145, Lehrstuhl für Empirische Pädagogik und pädagogische Psychologie. München: Ludwig Maximilians Universität.

- MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG (Hrsg.) 2003: Bildungsplan 2004: Hauptschule. Stuttgart, CD-Version.

- RATHGEB, NICOLE; VATER, CHRISTIAN 2007: Themenorientiertes Lernen im Fächer-verbund Mensch - Natur - Technik (MNT). In: Lehren und Lernen. Villingen Schwenningen: Neckar Verlag.

- SPÖRHASE-EICHMANN, ULRIKE 2004: Welche Ziele verfolgt der Biologieunterricht. In: SPÖRHASE-EICHMANN, ULRIKE; RUPPERT, WOLFGANG (Hrsg.) 2004: Biologiedidaktik. S.25-67. Berlin: Cornelsen Scriptor.

- WILLER, JÖRG 2003: Didaktik des Physikunterrichts. Frankfurt: Harri Deutsch Verlag.

Verwendete Internetseiten (mit Datum)

- SCHECKER, HORST 2006: Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten im Physikunterricht: http://www.idn.uni-bremen.de/schuelervorstellungen/ (Stand: 10.01.2010)

- UNIVERSITÄT REGENSBURG - FACHDIDAKTIK PHYSIK 2009: Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre.: http://www.physik.uni-regensburg.de/didaktik/Prfgsvorb/SchV_ELehre.pdf (Stand: 10.01.2010)

- UNIVERSITÄT REGENSBURG - FACHDIDAKTIK PHYSIK 2009: Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre: http://www.physik.uni-regensburg.de/didaktik/Prfgsvorb/SchV_ELehre.pdf (Stand: 10.01.2010)

- WILHELM, THOMAS 2007: Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre: http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~wilhelm/Vortraege/Elektrizitaetslehre.pdf (Stand: 10.01.2010)

Verwendete Medien

• Schulbücher: Erlebnis Natur & Co. 2 (Schroedel) Einblicke 2 (Klett) Materie Natur Technik 5 (Cornelsen)

• Materialien zum Experimentieren im Bereich Elektrizitätslehre und Elektronik (Netzteile, Messgeräte, Bandgenerator, Elektroskop - überwiegend von Phywe)

• Conceptual Cartoon

Bezugsquellen für Materialien Versuchsmaterialien: z.B. http://www.phywe.de/7/Schule.htm Bauteile für den elektronischen Stundenplan z.B. http://www.traudl-riess.de http://www.conrad.de Sonstiges

Beteiligung der SuS an der Planung (Ergebnis)

Initialfragen: Wir bauen einen elektronischen Stundenplan. Was müssen wir dafür alles wissen und können?

Was müssen wir uns vorher alles überlegen?

Die Antworten ergaben folgende Struktur: (1) Organisatorisches (2) Grundlagen des elektrischen Stroms • Brauchen wir einen elektrischen Stromkreis? • Wie müssen wir den elektrischen Stromkreis zusammenbauen? • Was ist eigentlich elektrischer Strom und wie entsteht er? • Wie heißt das Messgerät? • Welche Spannung brauchen wir? • Was bedeutet Stromspannung? • Woher nehmen wir den Strom? • Wie viel Strom benötigt man? • Was ist die Stromstärke? • Braucht man eine Batterie oder einen Netzstecker? • Wie kann ich prüfen ob eine Batterie voll ist? (3) Schaltplan und Elektronische Bauteile • Was bewirken die Bauteile im Stromkreis? • Wie heißen die Bauteile? • Was für Bauteile brauchen wir? • Was kosten die Bauteile? • Machen wir vorher eine Zeichnung? • Wie zeichnet man einen Schaltplan? (4) Bau des Stundeplans • Brauchen wir das Lötgerät? • Was für Werkzeuge brauchen wir? • Wie viel Zeit haben wir für das Projekt? • Aus welchem Material soll unser Stundenplan bestehen? • Wie groß wird der Stundenplan sein?

Severin Bauer; http://www.didaktik.physik.uni‐muenchen.de/materialien/inhalt_materialien/einf_elektrizitaet/index.html