Mechanik unterrichten Tipps aus der Fachdidaktik

Univ.-Prof. Dr. Martin Hopf

Universität Wien Österreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik

Das typische Problem der Unterrichtsvorbereitung

• Morgen geht’s los• Wie soll ich es machen?• Welche Geräte habe ich in der Sammlung?• Wie machen es die Kolleg/innen?• Welches Schulbuch ist vorhanden?

Besser:

• Was ist mein Ziel?

Einzelarbeit

• Was ist mein Ziel für den Mechanikunterricht?

Unser Ziel

• Verständnis der Newtonschen Mechanik• In kleinerem Umfang:

– Methodenreicher Unterricht

– Interessensorientierter Unterricht

Das Problem

• Mechanik ist wirklich schwierig!

Schülervorstellungen

• Schülerinnen und Schüler kommen mit stabilen Vorstellungen in den Unterricht.

• Diese Vorstellungen sind oft nicht mit physikalischen Vorstellungen vereinbar.

• Physikunterricht muss diese Vorstellungen berücksichtigen!

Gruppenarbeit

Ein Körper bewegt sich auf der dargestellten Bahn. Dabei wächst seine Schnelligkeit auf dem halbkreisförmigen Teil der Bahn gleichmäßig von 10 m/s auf 12 m/s an. Berechnen Sie für diesen Abschnitt der Bewegunga) die Durchschnittsgeschwindigkeit undb) die Durchschnittsbeschleunigung.(Setzen Sie der Einfachheit halber

= 22/7)(Lösung: 7 m/s nach unten bzw. 77 m/s² nach links)

Kattmann, Duit, Gropengießer & Komorek, 1998

Ausweg: Didaktische Rekonstruktion

Aber:

• Praktisch nicht von einzelnen Lehrpersonen zu leisten;• Fertige, als wirksam nachgewiesene

Unterrichtskonzeptionen zu:– Optik

– Wärmelehre

– Elektrizitätslehre mit Potential

– Elektrizitätslehre mit Energie

– Quantenphysik

– Mechanik

Mechanikunterricht

• Lehrplanänderung in Bayern: Verschiebung der Newtonschen Mechanik von 11. Klasse in 7. Jahrgangsstufe

• Lehrkräfte (und Schulbuchautoren) waren stark ge- (über?) fordert;

• Klar definierte Problemstellung an Physikdidaktik: Wie sollen wir das machen?

• Daher: Ideale Gelegenheit für eine größere Entwicklungs- und Forschungsarbeit

• Material ist leicht übertragbar auf andere Klassen

Traditionelle Sachstruktur

• Geschwindigkeit v = x/t• Beschleunigung a = v/t• Kraft• Trägheit• Kräftegleichgewicht• F = ma• Wechselwirkungsprinzip• Gravitation und Fallbeschleunigung• Hookesches Gesetz• Kräfteaddition und -zerlegung

Alternative: Dynamischer Zugang zur Mechanik

• 2D - Betrachtung der Geschwindigkeit von Anfang an• Dynamischer Einstieg in die Mechanik• Verwendung der Kraftstoßgleichung

• Allgemeine Rahmenvorstellung: „Von nichts kommt nichts…“ bzw. „Ohne Einwirkung keine Änderung…“

Einwirkung auf die Bewegung führt zu Änderung in der Geschwindigkeit

F t m v

Materialentwicklung

• Schülertext• Experimente• Videoaufnahmen (auch in Superzeitlupe)

• Videoanalysen • Simulation• Arbeitsblätter

Einführung in

die Mechanik

Wie setze ich das in Unterricht um?

• Vorschlag fürs erste Mal: Unterrichten Sie es so, wie es in unserem Schülertext vorgesehen ist. (Grundsätzlich rate ich von diesem Vorgehen aber ab!!!)

Überblick

• Beschreibung von Bewegungen• Tempo • Geschwindigkeit als gerichtete Größe• Zusatzgeschwindigkeit • Die Newtonsche Bewegungsgleichung:

– Je größer die Einwirkung, desto größer

– Je länger die Einwirkung, desto größer

– Je größer die Masse, desto kleiner • Zusammen: • Wechselwirkungsprinzip•Kraftarten (Gravitation, Reibung)•Kräfteaddition, - gleichgewicht

) vΔ (

vΔ

vΔ

vΔ

F t m v

Beschreibung von Bewegungen

Stroboskopbilder

Tempo und Geschwindigkeit

Zusatzgeschwindigkeit

Beispiele

Dann erst: 1D-Bewegungen

Einwirkung/Kraft

Einwirkungsdauer

Masse

Alles zusammen: Newtonsche Bewegungsgleichung

F t m v

Wechselwirkungsprinzip

Kraftarten

Geschichte der Idee

• Immer wieder vorgeschlagen (Jung 1972, 1981)• Entwicklung für Unterricht (Wiesner, Engelhardt, 1983)• Weiterentwicklung unter verschiedenen Aspekten

(Wodzinski 1996, Rincke 2008, Schüller 2007 u.v.m.)

Vergleichende Studie

Forschungsfragen:• Wie beurteilen Lehrkräfte das Mechanikkonzept?• Wie realisieren Lehrkräfte das Mechanikkonzept?• Wie verstehen Jugendliche das Mechanikkonzept?• Inwiefern beeinflusst die Gesamtintervention die

kognitiven und nicht-kognitiven Variablen der Lernenden im Bereich der Newtonschen Mechanik (nachhaltig)?

• Inwiefern gibt es einen Zusammenhang zwischen der Akzeptanz des Mechanikkonzeptes durch die Lehrkräfte und dem Lernfortschritt der Schülerinnen und Schüler?

Qualitative Ergebnisse

• Lehrkräfte orientieren sich an den jeweiligen Lehrbüchern;• Lehrkräfte sind mit dem neuen Konzept sehr zufrieden und

wollen auch zukünftig so unterrichten;• Umgang mit der Pfeilnotation bei der Geschwindigkeit bereitet

den Lernenden keine Schwierigkeit.• Der Zusammenhang zwischen Kraft, Masse, Einwirkdauer und

Zusatzgeschwindigkeit wurde von fast allen interviewten Schüler/innen verstanden.

• Quantitative Konstruktionen von Zusatz- und Endgeschwindigkeit können die Hälfte der Schüler/innen durchführen.

• Interviewte Schüler/innen verwenden die Bewegungsgleichung zur Argumentation.

2 Items zum zweidimensional-dynamischen Konzept:

Höchst signifikanterUnterschied

mit großerEffektstärke (d=1,30)

2 Items zum traditionellen Konzept:

Kein signifikanterUnterschied

13 Items zum Grundverständnis

Höchst signifikanterUnterschied

mit mittlererEffektstärke (d=.56)

• Kaum Unterschiede bei:– Drittes newtonsches Axiom

– Senkrechter Wurf nach oben

• Größte Unterschiede bei:– Geschwindigkeit als Ortsänderung

– Superposition von Geschwindigkeiten

– Richtung von Kräften für Bewegungsänderung

Individuelle Lehrkräfte

Interaktionseffekt zwischen Gruppe und Geschlecht

• In Kontroll- und Treatmentgruppe sind die Jungen den Mädchen in Vorwissen hoch bzw. höchst signifikant überlegen.

• Unterschiede bleiben in der Kontrollgruppe bestehen oder wachsen.

• In Treatmentgruppe nach Unterricht keine signifikanten Unterschiede.

Nutzen

• Empirisch als wirksam nachgewiesenes Material:– Schülertext– Experimentiervorschläge– Handreichungen

• Vielleicht mittelfristig: Aufnahme in Lehrpläne usw.• Alles Material online verfügbar:

http://thomas-wilhelm.net

Ausführlicher in:

Verena Tobias:Newton‘sche Mechanik im Anfangsunterricht. Die Wirksamkeit einer Einführung über zweidimensionale Dynamik auf das Lehren und Lernen. Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 105, Logos-Verlag, Berlin, 2010

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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