Zusammenfassung Physik Mit Kompetenzen PDF

Zusammenfassung: Grundlagen der Physik und ihrer Didaktik Ziele der Bildung im physikalischen Bereich Die Inhaltsbereiche der Physik beschäftigen sich mit Phänomenen der unbelebten Natur wie z.B. Wasser, Wärme, Elektrizität, Kräfte (Magnetismus), Luft, Schall, Licht, Bewegung und...

Zusammenfassung: Grundlagen der Physik und ihrer Didaktik Ziele der Bildung im physikalischen Bereich Die Inhaltsbereiche der Physik beschäftigen sich mit Phänomenen der unbelebten Natur wie z.B. Wasser, Wärme, Elektrizität, Kräfte (Magnetismus), Luft, Schall, Licht, Bewegung und Himmelskörper. Das Erschließen von physikalischen Phänomenen erfolgt: In der Begegnung mit der Welt, wobei neu Sachen, Situationen und Phänomene wahrgenommen, erschlossen und in die eigenen Vorstellungen/Konzepten „von der Welt“ eigeordnet werden. In der Auseinandersetzung mit der unbelebten Natur, wobei Orientierung in der Welt und Handlungsfähigkeit erworben werden. In der Erweiterung der eigenen Vorstellungen/Konzepte zur natürlich-technischen Dimension der Welt im Fach Naturkunde, wobei auch grundlegende Denk-, Arbeits- und Handlungsweisen erworben werden. Physikalisches Lernen= Handlungsaspekte in der Physik: Umgebung wahrnehmen und beschreiben; Neugier und Interesse entwickeln = Die Welt wahrnehmen Fragen stellen, recherchieren und Welt erkunden; Erkenntnisse und Kenntnisse erweitern = Sich die Welt erschließen Eindrücke und Einsichten in Zusammenhänge einordnen; Situationen analysieren, beurteilen und reflektieren =Sich in der Welt orientieren Entscheidungen treffen und Erkenntnisse kreativ umsetzen = In der Welt handeln Typische Denk-, Arbeits- und Handlungsweisen dazu: Kompetenzen beinhalten immer 3 Kompetenzfacetten: 1. Wissen und Verstehen (Konzepte) z.B. Die SchülerInnen können verschiedene Lichtquellen unterscheiden und benennen (z.B. Sonne, Lampe, Scheinwerfer, Kerze, Feuer) 2. Denk-, Arbeits-, und Handlungsweisen (DAH) z.B. Die SchülerInnen können Phänomene zu Licht und Schatten angeleitet untersuchen, vergleichen und beschreiben. 3. Einstellungen, Interessen und Erfahrungen (Bereitschaft) Kumulatives Lernen im Bereich Physik Vertikale Vernetzung: Lerninhalte bauen über die Bildungsebenen hinweg (Kindergarten, Grundschule, Mittelschule) aufeinander auf, wie eine Spirale. Horizontale Vernetzung: Inhalte innerhalb einer Bildungsstufe sind miteinander verknüpft und ergänzen sich. ➔ Das Ziel ist ein schrittweiser, konsistenter Wissensaufbau. Entwicklung von subjektiven Weltdeutungen hin zu objektiveren Weltvorstellungen (im Kontext physikalischer Phänomene): Lernende: Sie erfahren, erleben, entdecken, forschen und verstehen physikalische Phänomene. Physikalische Phänomene: Stehen im Zentrum und werden durch aktive Auseinandersetzung erschlossen. Lehrende: Unterstützen den Prozess, indem sie Zugänge ermöglichen, motivieren, fördern und erklären. Eine dynamische Zusammenarbeit der drei Parteien ist essenziell, um Lernende von subjektiven zu objektivierten Vorstellungen zu führen. Kompetenzentwicklung und -förderung Bei der Kompetenzentwicklung und -förderung muss immer berücksichtigt werden, was SchülerInnen schon können und was sie am Ende können sollten. Davon ausgehend kommt man zu folgenden Fragen: “Welche Lerngelegenheiten sollen die Lernenden haben, um bestimmte Kompetenzen zu entwickeln? Wie können diese Kompetenzen aufgebaut und erprobt werden? Was sollen die Lernenden können? Was ist die Erwartung, der Anspruch?”.  Der physikalische Bildungsbereich in den RRL Kindergarten - Naturwissenschaften Das Kind Interessiert sich für Phänomene, denen es im Alltag ständig begegnet z.B. Grundelemente oder Wetterphänomene Stellt Fragen, sucht nach Ursachen und will Wirkungszusammenhänge verstehen Hat ein großes Verständnis für naturwissenschaftliche Inhalte Bildungsziele: Das Sammeln von Erfahrungen in der unbelebten Natur (mit allen Sinnen) Das Erlangen naturwissenschaftlicher Grundkenntnisse (z.B. versch. Eigenschaften und Aggregatzustände durch Klassifizieren, Messen und Experimente) Grundschule – Naturwissenschaften Das Kind Lernt im Unterricht handlungsorientiert Erwirbt Kompetenzen durch typische naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen und durch das Erschließen von Phänomen, Begriffe und Strukturen aufgrund von der eigenen Erfahrung Angestrebte Fertigkeiten, Fähigkeiten und Kenntnisse:  Kindliches Experimentieren von Naturphänomenen Kindliches Explorieren setzt in der frühen Kindheit ein und meint das Erforschen der Umwelt zugute der kognitiven Entwicklung. Als Voraussetzung braucht es ein sicheres Umfeld. Die Neugierde treibt dabei an, denn neue Sachverhalte wecken das Interesse und werden durch das Explorieren vertrauter. Erfahrungswissen entsteht durch das Entdecken von Zusammenhängen, Mustern und Wenn- Dann-Beziehungen. Häufiges Wiederholen hilft, diese Erkenntnisse zu verinnerlichen und weiter auszudifferenzieren. „Intuitive Physik“: Kinder besitzen frühzeitig grundlegendes physikalisches Wissen, das sie ohne formale Belehrung erworben haben. Mit zunehmendem Alter wächst ihr bereichsspezifisches Wissen. Bereitgestellte Lernumgebungen sollten Kindern ermöglichen, natürliche Umgebungen zu erkunden, Materialien frei zu nutzen und in Freiräumen eigenständig zu explorieren. Dabei sind Sicherheitsaspekte zu beachten und Regeln, wie das Wiederherstellen von Ordnung, klar zu kommunizieren. Offenheit in explorativen Lernsettings wirkt förderlich auf das Lernen. Explorationsprozesse begleiten bedeutet, Kinder zur Reflexion ihres Handelns anzuregen und sie durch Impulsfragen zum analytischen Beobachten und Beschreiben zu motivieren z.B. Was hast du ausprobiert? Was ist da passiert? Von Alltagserfahrungen zu physikalischen Erkenntnissen Situiertes Lernen Es findet in authentischen, lebensnahen Situationen statt, die für Kinder bedeutsam sind und physikalische Phänomene in ihren Alltag einbinden. Mehr solcher Beispiele zu anderen Themen auf PP 2 Naturwissenschaften im frühen Kindesalter In einer Studie von Prof. Gisela Lück zur Primärbegegnung von Kindern mit Phänomenen der unbelebten Natur wurde das Interesse, die Erinnerungsfähigkeit und die Langzeitwirkung auf Kinder untersucht. Es zeigte sich, dass 70 % der Kindergartenkinder freiwillig teilnahmen, das Interesse an Naturphänomenen die spätere Wahl des Studiums von Chemie beeinflusste (22 % in der Vorschule und 45 % in der Sekundarstufe I), und die Erinnerungsfähigkeit variiert je nach sozialem Umfeld, mit mehr Erinnerung in Mittelschicht-Kitas im Vergleich zu Brennpunkt- Kitas. Entwicklungstheorien aus der Perspektive der Naturwissenschaftsdidaktik Jean Piagets Theorie der kognitiven Entwicklung Er beschäftigte sich mit der Entwicklung des Erkennens und ging davon aus, dass sich die notwendigen geistigen Strukturen stufenweise entwickeln. Jean Piagets beschreibt somit vier Entwicklungsphasen des Denkens: 1. Senso-motorische Phase: Denken basiert auf Wahrnehmung und Handlungen. 2. Prä-operationale Phase: Erfahrungen werden durch Sprache und Vorstellungen repräsentiert; Denken ist eindimensional und subjektiv. 3. Konkret-operationale Phase: Logische Schlüsse werden anhand konkreter Sachverhalte möglich. 4. Formal-operationale Phase: Hypothetisches und abstraktes Denken wird entwickelt. Kritik: Die Stadientheorie wird kritisiert, da sie altersgebundene Phasen verallgemeinert und ihre sprachbasierten Methoden die Ergebnisse beeinflussen. Nonverbale Aufgaben zeigen, dass Kinder teils früher höhere Entwicklungsstufen erreichen können, während nicht alle Jugendlichen das formal-operationale Stadium erreichen. Der Kontext und das bereichsspezifisches Wissen spielen dabei eine wichtige Rolle. Erik Eriksons psychosoziale Entwicklungstheorie Er beschäftigte sich mit dem Wachstum der gesunden Persönlichkeit. Seine Entwicklungstheorie beschreibt die Entwicklung über die ganze Lebensspanne hinweg und basiert auf dem Gedanken eines vorgegeben Grundplans. In jedem Stadium trifft das Individuum auf eine zu bewältigende Krise, die durch das Erreichen des nächsten Entwicklungsstadiums auftritt. Für uns sind folgende Stadien zentral: Stadium 3 (3-6 J.): “Eindringen in das Unbekannte durch eine unersättliche Wissbegier. Das Individuum soll schnell und begierig lernen und sich den Dingen zuwenden”. Stadium 4 (6-12 J.): “Das Kind hat den Anspruch und Wunsch «etwas machen zu können und es sogar gut und vollkommen zu machen. Es lernt sich Anerkennung zu schaffen, indem es Dinge produziert. Es entwickelt Fleiß ( …) Es kann völlig in einer Werksituation aufgehen”. Fazit: Kindergartenkinder an die Phänomene der unbelebten Natur heranzuführen, führt zu Wissbegier an der Dingwelt. Diese Wissbegier wird im Schulalter vom Werksinn abgelöst. Der ausgeprägte Tätigkeitsdrang dabei kann durch naturwissenschaftliches Experimentieren gefördert werden.  Auswahl geeigneter naturwissenschaftlicher Experimente Anforderungen an Experimente: Völlig ungefährliche Versuchsdurchführung Preiswerte und einfach erhältliche Materialien Gut vermittelbarer naturwissenschaftlicher Hintergrund (Erklärung) von Kindern selbst durchführbar (Selbsterfahrung) Alltagsbezug zuverlässiges Gelingen (vor allem für jüngere Kinder) Versuchsdauer von max. 20/30 Minuten inhaltlich aufeinander aufbauend Experimentierbücher sollten sorgfältig ausgewählt werden, besonders ältere Bücher könnten ungeeignet sein. Vor dem Experimentieren sollten Regeln eingeführt werden. Sprechanlässe beim Experimentieren Sinnliche Erfahrungen (Handeln, Tun) stehen der Sprachentwicklung voran und regen Denkprozesse an (Eindrücke erfassen, ordnen und mit vorhandenem Wissen verknüpfen). Die Sprache wird dabei als wichtiges Vermittlungselement eingesetzt (physikalische Phänomene kommentieren und deuten): 1. Benennen der Materialien = Wortschatz aufbauen und sicherstellen 2. Formulieren der Annahmen = Aufforderung zum Überlegen, Ideen äußern, Erfahrungen einbringen 3. Genau hinhören/lesen beim Versuchsablauf = unterstützende oder schriftersetzende Bilder 4. Beobachtungen verbalisieren = Wahrgenommenes in Worte fassen evtl. Einführen von neuen Begriffen 5. Deutung des Versuchsergebnisses = Warum herausfinden, Ursache-Wirkungs- Zusammenhänge herstellen, Formulierung von Weil-Sätzen Experimentieren, Versuche durchführen – Unterschiede im Ablauf Das Experiment, dient in den Naturwissenschaften als Erkenntnismethode, um Faktoren zu identifizieren, die ein Phänomen bedingen (versuchen, proben, überprüfen). In der Wissenschaft geht es ums Entdecken neuer Aspekte, während in der Schule bekannte Phänomene bestätigt werden. Beim Demonstrationsexperiment wird das Phänomen gezeigt, beim Schülerexperiment entdeckt der Schüler es selbst. Während Versuche eine Handlungsanleitung ohne Frage haben, besitzen Experimente eine Frage. Demnach läuft ihre Durchführung unterschiedlich ab: Beim Entdeckenden Experimentieren, erforscht das Kind, aber wir als Tutoren leiten es an, ohne wichtige Schritte zu überspringen oder Lösungen vorzuschlagen. Hands-on Aktivitäten: Verschiedene Formen Problem: Häufig werden alle Hand-on Aktivitäten als Experiment bezeichnet, was zur Vermischung verschiedenere Ziele führt. Dabei sind die Ziele der einzelnen Aktivitäten folgende: Explorieren: Förderung der Motivation und Freude an der Beschäftigung mit Sachen, Situationen, Phänomenen der unbelebten Natur Förderung der Selbstständigkeit Versuch: Entwickeln von (weiterführenden) Fragen (z.B. angeregt durch erstaunliche Phänomene) Förderung der Motivation und Freude an der Beschäftigung mit Naturwissenschaften Erarbeiten des „Handwerkzeugs“ Laborieren: Einüben gründlichen Arbeitens Kennenlernen des Algorithmus naturwissenschaftlichen Experimentierens Experimentieren: gezielte Förderung naturwissenschaftlichen Denkens und Arbeitens auch Förderung der allgemeinen Selbstständigkeit Experimentieren kann Lernende zu Beginn überfordern. Daher sollte eine allmähliche Heranführung des Erziehers/der Lehrperson an selbständiges Experimentieren erfolgen (von geführtem Experiment zum offenen Experimentieren). So kann eine Progression stattfinden und der Grad der Verantwortung bzw. Selbstständigkeit bei den Lernenden steigt. Der Forschungskreis 1. Etappe – Grunderfahrungen sammeln: Alltagsphänomene und Materialien wecken das Interesse der Kinder, die erste Erfahrungen sammeln (z.B. Schatten wahrnehmen und erzeugen). 2. Etappe – Fragen an die Natur stellen: Durch die Auseinandersetzung entstehen Fragen, wie etwas funktioniert (z.B. Warum ändern sich Schatten?). 3. Etappe – Ideen und Vermutungen sammeln: Kinder überlegen, was sie bereits wissen und welche Vermutungen sie haben, um diese zu überprüfen (z.B. Ich vermute,..). 4. Etappe – Ausprobieren und Versuch durchführen: Die entwickelten Ideen werden mit ausreichend Zeit praktisch ausprobiert (z.B. durch Variieren des Abstands zur Taschenlampe). 5. Etappe – Beobachten und Beschreiben: Genaues Beobachten und Beschreiben der Phänomene (z.B. Schattenverhalten – Der Schatten wird größer, wenn..). 6. Etappe – Beobachten und Beschreiben: Beobachtungen werden festgehalten, um die Ergebnisse zu sichern und das Erfahrene zu reflektieren. 7. Etappe – Ergebnisse erörtern: In der Reflexionsphase werden die Entdeckungen besprochen und gemeinsam Erklärungen entwickelt (z.B. Schattengröße in Abhängigkeit vom Abstand zur Lampe – Der Schatten ist groß, wenn...). Experimentierzyklus:  Storytelling Storytelling bei Experimenten bedeutet, wissenschaftliche Konzepte oder Experimente in eine erzählerische Form zu verpacken. Anstatt nur Fakten oder Anleitungen zu präsentieren, wird eine Geschichte erzählt, die die Kinder in die Situation einbezieht und ihre Fantasie anregt. Storytelling bei Experimenten für Kinder macht den Lernprozess spannender und zugänglicher. So können Kinder sich besser mit den Phänomenen identifizieren und ihre Neugier wird geweckt, während sie gemeinsam mit den „Hauptfiguren“ der Geschichte Lösungen entdecken. Abfolge: 1. Schritt: Eine Identifikationsfigur wird vorgestellt z.B. die Forscherameise Fred 2. Schritt: Ein Problem taucht auf und muss dringend gelöst werden 3. Schritt: Die Kinder werden aufgefordert bei der Lösung mitzuhelfen (Durchführung des Experiments) 4. Schritt: Der Held löst das Problem dank der Hilfe der Kinder Untersuchungsergebnisse und Didaktische Vorteile: Die Kindergartenkinder nehmen die Geschichten positiv, mit Interesse und Spannung auf. Sie geben Experimenten einen roten Faden und bieten zugleich einen Sprechanlass. Geschichten lassen einen Alltagsbezug zu und tragen zur Bereitschaft bei sich auf ein Problem naturwissenschaftlicher Herkunft einzulassen. Beim Lernen werden verschiedene Hirnregionen innerhalb des deklarativen Gedächtnisses angesprochen: Formen des Langzeitgedächtnisses Deklarativ (explizit) Emotional Prozedural (implizit) -Faktengedächtnis, Weltwissen (kein -Ich Wahrnehmungen, -Mechanisches persönlicher Bezug) Empfindungen, Erlernen von Vertrautheitsgedächtnis/(Wiedererkennen) Körperliche Fertigkeiten z.B. -Episodisches Gedächtnis, Erlebnisse, Bedürfnisse Klavierspielen (wenig Autobiografisches Detailbewusstsein) -Auswendiglernen Lernbegleitung und -begutachtung beim forschenden Lernen Prozessmodell: 5E-Modell Engage = Einauchen/Engagieren Explore =Explorieren/Erforschen Explain =Erklären Extend = Erweitern ➔ Evaluate =Evaluieren (findet paralell zu allen anderen E´s statt)  Engage Evaluate 1 In der Engage-Phase steht die Lehrperson im Die Vorkenntnisse und Vorstellungen der Mittelpunkt und weckt durch spannende SchülerInnen zum Thema werden versucht Geschichten, Fragen oder herauszufinden. Demonstrationsexperimente das Interesse der Lernenden. Vorstellungen der Schüler werden aufgegriffen, Ziele formuliert und die Bedeutung des Themas verdeutlicht – ohne fachliche Konzepte zu erklären. Explore Evaluate 2 In der Explore-Phase stehen die Schüler im Wie gut sammeln die SchülerInnen die Fokus, planen und führen Untersuchungen Daten? durch, um die Frage beantworten zu können. Führen sie z.B. Messungen korrekt durch? Die Lehrkraft agiert unterstützend und hilft Wie erfassen/Protokollieren sie? bei der Problemlösung. Ist die Datensammlung logisch oder willkürlich? Explain Evaluate 3 In der Explain-Phase präsentieren die Welche Prozesse nutzen die SchülerInnen? Schüler ihre Ergebnisse und Erklärungen, Wie gut können gesammelte und bestehende während die Lehrkraft durch zusätzliche Informationen genutzt werden, um zu Neuem Inhalte neue Begriffe einführen kann und die zu kommen? Erkenntnisse fachlich untermauert. Werden Fachbegriffe bzw. -konzepte verwendet? Haben sie die Fachbegriffe bzw. -konzepte verstanden? Extend Evaluate 4 In der Extend-Phase vertiefen die Schüler ihr Die SchülerInnen sollen das neue Wissen Wissen durch neue Informationen, welche und Können anwenden. Es können ähnliche sie von der Lehrperson bekommen. und neue Probleme (Transferaufgaben) Transferaufgaben und weiterführende bearbeitet werden, welche auf ihre Lösung Themen können aufgegriffen werden. hin evaluiert werden. z.B. Lernbegleitung unterstützt Kinder durch sprachliche Begleitung und die Anregung von Denken und Handeln. Dabei knüpft die Lehrperson an die Sprache der Kinder an, stellt sprachanregende Fragen, hört zu, erweitert Äußerungen, schafft Eins-zu-Eins-Situationen, nutzt einen anspornenden Tonfall und schätzt Inhalte über die Form. Zudem regt sie Vergleiche, Erklärungen und Darstellungen an, indem sie Kinder dazu ermutigt, zu vergleichen, Erklärungen zu suchen und zu geben, Widersprüche aufzuzeigen sowie Modelle und Veranschaulichungen gemeinsam zu nutzen und zu präsentieren. Experimentelle Untersuchung: Variabelkontrollstrategie Ein Experiment untersucht ein Naturphänomen, indem alle Faktoren außer einer (unabhängige Variable) konstant gehalten werden. Ein Ablaufplan (nach Variabelkontrollstrategie) legt bestimmte Faktoren fest, um Erkenntnisse zu gewinnen oder zu überprüfen: welche Faktoren konstant bleiben welche Variable verändert wird welche abhängige Variable untersucht wird Beispiel: Beobachtung: Gewicht des Steines verringert sich unter Wasser. Schlussfolgerung: Durch das Wasser wird eine Kraft hervorgerufen, die der Gewichtskraft des Steins entgegengesetzt wird ( = Auftriebskraft) Fragestellung: Verändert sich die Auftriebskraft, die ein Gegenstand erfährt, wenn er in einer anderen Flüssigkeit eigetaucht wird? Vermutetet relevante Faktoren: Material, Masse sowie Volumen des Körpers (Steins), der eingetaucht wird. Eigenschaften der Flüssigkeit (Dichte), in der der Körper (Stein) eingetaucht wird. Unabhängige/erklärende Variable (die verändert werden soll): Dichte der Flüssigkeit (z.B. Wasser 1,0 g/cm3, Sonnenblumenöl 0,8 g/cm3, Glycerin 1,3 Wasser 1,3 g/cm3). Abhängige Variable: die Auftriebskraft, die der eingetauchte Körper erfährt. Variablenkontrollstrategie: Es wird immer derselbe Körper verwendet und somit weitere mögliche Einflussgrößen konstant gehalten. Die Veränderung bezüglich der abhängigen Variable ist das, was beim Experiment gemessen bzw. betrachtet wird.  Bedeutung von Schülervorstellungen/Vorstellungen der Kinder Lernverständnis: Im konstruktivistischen Ansatz wird Wissen aktiv im Kopf des Lernenden aufgebaut, während der sozio-konstruktivistische Ansatz betont, dass Wissen im Austausch mit anderen und der Kultur entsteht. Der Unterricht: Unterricht sollte sich an den Vorstellungen der Lernenden orientieren, da Lernen auf Vorwissen aufbaut. Bedeutungen werden aus bestehenden Erfahrungen konstruiert, und vorhandene Vorstellungen beeinflussen Wahrnehmung und Lernprozesse. Schülervorstellungen/Präkonzepte: Schülervorstellungen sind kognitive Konstrukte, mit denen Lernende ihre Erfahrungen deuten. Seit den 1970er Jahren gibt es zahlreiche Forschungen dazu, die in den letzten 20 Jahren intensiviert wurden. Begriffe wie Alltagsvorstellungen, alternative oder naive Theorien beschreiben diese Vorstellungen, die auf lebensweltlichen Erfahrungen basieren und vor dem Unterricht vorhanden sind (prior beliefs). Präkonzepte der Lernenden stammen aus Alltagserfahrungen, Erlebnissen in und außerhalb der Schule, Gesprächen, Büchern, Medien, dem Unterricht sowie aus der eigenständigen Auseinandersetzung mit der Welt. Man unterscheidet zwischen deep structures (tief verankerten Überzeugungen) und current constructions (Ad-hoc-Konstruktionen). Präkonzepte lassen sich in drei Kategorien einordnen: 1. Wissenschaftlich angemessen: Belastbare Konzepte, wie das integrierte Konzept von Auftrieb, Verdrängung und Dichte, das erklärt, warum ein großes Schiff aus Metall nicht untergeht. 2. Zwischenkonzepte: Anschlussfähige, aber noch unvollständige Konzepte, wie das Materialkonzept als Vorläufer des Dichtekonzepts, z.B. die Annahme, dass alle Holzgegenstände schwimmen. 3. Unzureichende/„fehlerhafte“ Konzepte: Konzepte, die von wissenschaftlichen Vorstellungen abweichen, wie die Annahme, dass ein Holzbrett mit Löchern sinkt. Beispiele: Scheinbar widersprüchliche Vorstellungen (Holzklotz sinkt und Zahnstocher schwimmt, da das Kind an das Gewicht und nicht ans Material denkt) Bewährte Alltagskonzepte (“wärmende Mütze”, da das Kind denkt, die Mütze selbst sendet Wärme aus, obwohl sie vom Körper ausgeht)  Von Alltagserfahrungen abgefärbte Vorstellungen, die Beobachtungen im Unterricht beeinflussen (“Es braucht zwei Drähte, damit die Lampe brennt. Einer Reicht nicht”. Das Kind denkt, dass man mehr tun muss, dann gelingt es) Von Alltagserfahrungen und dem Sprachgebrauch abgefärbte Vorstellungen (Die Sonne dreht sich um die Erde” Da das Kind sieht, dass sich der Sonnenstand im Laufe des Tages ändert.) Animistische/finalistische Aussagen auf die Frage (Warum regnet es eigentlich? “Wolken denken, es sei zu heiß, und eines Tages beginnen sie zu schwitzen”.) Für eine erfolgreiche Lernbegleitung im naturwissenschaftlichen Unterricht ist es wichtig, die Vorstellungen der Lernenden bei der Planung zu berücksichtigen und regelmäßig Einblick in ihre Konzeptentwicklungen zu nehmen. Einblick in Schülervorstellungen kann durch Interviews, Dokumente wie Texte, Skizzen oder Mindmaps, Fragebögen, Problemlöseverhalten in situativen Kontexten, Klassengespräche, spielerische Ausdrucksformen und Spuren aus Lernprozessen wie Experimentergebnissen oder Protokollen gewonnen werden. Grenzen von Präkonzepterhebungen: Präkonzepterhebungen sollen klären, welche Vorstellungen und Bezugspunkte Schüler haben, mögliche Fehlkonzepte identifizieren und daraus Rückschlüsse für die Themen- und Konzeptauswahl im Unterricht ziehen. Ziel ist es, Voraussetzungen zu schaffen, Anschlussfähigkeiten zu ermöglichen und die Ressourcen der Schüler gezielt zu nutzen. Lernen heißt Konzepte verändern Unterstützung bei der Veränderung von Konzepten Konfrontieren Anknüpfen Umgehen Ein kognitiver Konflikt stellt Richtige Vorstellungen Unveränderbare Vorstellungen vorhandene Vorstellungen werden aufgegriffen, bestehen weiter, während infrage, erzeugt weiterentwickelt und belastbare Konzepte Verunsicherung und wird neu abgegrenzt schrittweise aufgebaut und genutzt, um neue (Conceptual Growth) vorübergehend parallel geführt Vorstellungen aufzubauen werden. (Conceptual Change) Beispiele – Verbunden mit Experimenten Konfliktstrategie: Ein Beispiel für eine Konfliktstrategie ist, Kinder durch überraschende Beobachtungen, wie ein schwimmendes Eisenschiff und ein sinkendes Eisenstück, in einen kognitiven Konflikt zu bringen, der ihre falsche Vorstellung von Gewicht und Schwimmen hinterfragt. Anknüpfungsstrategie: Eine Anknüpfungsstrategie nutzt Alltagserfahrungen wie das leichtere Bewegen schwerer Dinge im Wasser. Durch einfache Versuche erkennen Kinder, das Wasser Dinge scheinbar leichter macht und sie nach oben drückt, je mehr Platz sie im Wasser einnehmen. By-Pass-Strategie: Die By-pass-Strategie baut zunächst adäquate Vorstellungen auf, z. B. dass Verdrängung vom Volumen abhängt. Erst später wird das fehlerhafte Präkonzept „Verdrängung hängt vom Gewicht ab“ hinterfragt, was die Kinder dann auf Basis des Gelernten widerlegen können. Bedingungen für Konzeptveränderungen: Konzeptveränderungen erfordern Unzufriedenheit mit bisherigen Vorstellungen, eine verständliche, überzeugende und nützliche neue Vorstellung sowie die Berücksichtigung motivierender Faktoren. Physikalisches Lernen und seine Aspekte Physikalisches Lernen erfolgt:  Bedeutung Physikalischer Lernaufgaben Lernaufgaben müssen immer kritisch bezüglich ihres Potenzials für das Lernen und die Entwicklung an Kompetenzen analysiert und beurteilt werden. Denn häufig treten Probleme bei den Lernaufgaben auf: Fokus auf schnelle Antworten und reproduziertes Wissen mangelnde Förderung von Fähigkeiten und Denkweisen wenig Raum für eigenständiges Entdecken übermäßige Nutzung von Arbeitsblättern statt vielseitigen Lernarrangements. Bedeutung von Lernaufgaben für die Unterrichtsqualität Das Syntheseframework von Praetorius et al. (2020) beschreibt sieben Dimensionen der Unterrichtsqualität, die die Tiefenstruktur des Unterrichts betreffen. Eine zentrale Dimension ist die Auswahl fachlich gehaltvoller und kognitiv passender Aufgaben, die auf das Niveau der Schüler abgestimmt sind und eine zentrale Rolle für effektives Lernen spielen. Die beschriebene Kognitive Aktivierung fördert aktive Denk- und Problemlöseprozesse, wodurch eine tiefere Durchdringung des Lerngegenstands, das Verstehen größerer Zusammenhänge und die Anwendung des Gelernten in neuen Kontexten angeregt wird. Kognitiv aktivierender Unterricht findet statt, wenn das Denken der Lernenden auf einem fordernden, aber nicht überfordernden Niveau angeregt wird. Zudem, wenn an ihr Vorwissen angeknüpft wird und es zugelassen wird, dass sie eigene Ideen, Konzepte und Lösungen erklären können. Dadurch wird flexibles und entwicklungsorientiertes Lernen gefördert. Kognitive Anforderungsbereiche und dazugehörige Aktivitäten: Reproduzieren Anwenden Problemlösen -Erinnern/Wiedererkennen -Vergleichen, Unterschiede -Analysieren von Problemen -Beschreiben finden und klassifizieren -Synthetisieren -Finden von angemessenen -Zusammenhänge herstellen -Fragen formulieren, Beispielen Anwenden von Modellen Hypothesen aufstellen, -Informationen interpretieren Vorhersagen treffen. -Erklären -Experimente planen -Evaluieren  -Schlussfolgerungen ziehen -Generalisieren -Begründen In einer Aufgabe z.B. sind drei In einer Aufgabe z.B. wird In einer Aufgabe z.B. gibt es Aggregatszustände gesagt, dass Eiswürfel auf vier Versuchsanordnungen; vorgegeben; aus vier einer Aluminiumfolie Es soll die ausgewählt Beispielen (Wasser in versch. schmelzen; Es soll die werden, um herauszufinden, Zuständen) muss der feste Wärmequelle identifiziert bei welcher Temperatur Zustand herausgefunden werden und aus den Zucker sich schneller in werden Antwortmöglichkeiten Wasser löst. ausgewählt werden. =Abruf von Wissen über =Wissen über die typische Beispiele von =Wissen über ablaufende Anwendung der Wasser in den drei energetische Prozesse bei Variablenkontrollstrategie Aggregatszuständen Aggregatszuständen Kompetenzstufen in TIMSS (Vergleichsstudie Mat./Nat. in der 4. Klasse) Leistungsschwache SchülerInnen: Stufe 1: rudimentäres Anfangswissen (624) o Aufgabe: Anna stellt eine Tasse aus nassem Ton auf den Tisch. Einige Tge später ist der Ton trocken. Was ist damit passiert? = Das Wasser geht in die Luft Benchmark = standardisierte Referenzwerte oder Leistungsmesswerte, die als Vergleichsmaßstab dienen (400= niedrig, 475=durchschnittlich, 550=hoch, 625=fortgeschritten) Problematisch so zeigt es sich auch bei den Ergebnissen der TIMMS ist es, dass im Unterrichtsalltag vor allem reproduziert, weniger angewendet und kaum problemgelöst wird. Darum ist es umso wichtiger auf die Kennzeichen guter Lernaufgaben zu achten  Sechs Merkmale guter Aufgabenkultur: 1. Situierung, Kontext, Lernendenbezug = Anknüpfung an Erfahrungen an Vorwissen; Anwendungsbezug, Anregung, Interessenbezug, Transparenz (z.B. bezüglich Anforderungen) Lernaufgaben sind so konzipiert, dass immer wieder Vorstellungen geäußert werden können und die eigene Entwicklung sichtbar und vergleichbar werden. Präkonzepte und Vorstellungen sollen dann aufgegriffen und weitergedacht werden (z.B. mit Wimmelbildern) 2. Kompetenzen, Kompetenzentwicklung = Förderung von Denk- Arbeits-, und Handlungsweisen, Aufbau und Erweiterung grundlegender Vorstellungen und Sachkonzepte, Einstellungen und Handlungsbereitschaften Werden durch die Kompetenzerwartungen sichtbar und knüpfen an Denk-, Arbeits-, und Handlungsweisen an 3. Verschiedene Lern- und Unterrichtsphasen = Reihenfolge und Vernetzung von Aufgaben; Aufgaben zur Begegnung, zum Erschließen und Erarbeiten, zum Übertragen und Anwenden, zum Prüfen In einem vollständigen Lernprozess sollen verschiedene Arten von Aufgaben vorkommen, die auch in unterschiedlicher Reihenfolge möglich sind. 4. Vielfalt, Differenzierung, Bearbeitungsformate = Verschiedene Zugangsweisen, verschiedene Lösungswege und Möglichkeiten der Ergebnisdarstellung, verschiedene Aufgabenformate und –formen, verschiedene Materialien/Medien Interessen-/Neigungsbezogen: Inhalte und Zugänge variieren, eigene Fragen verfolgen, Methoden wählen (z. B. Interview, Text). Leistungsbezogen: Aufgaben unterschiedlich strukturieren, Materialien anpassen (z. B. Lesetext, Hörtext), Arbeitsschritte oder Antwortformate offen oder vorgegeben gestalten.  5. Eigenständigkeit und Zusammenarbeit =Selbstorganisation, -ständigkeit und -wirksamkeit und Dialogfähigkeit, Ko Konstruktion und Kooperation Kooperatives Lernen kombiniert eigenständiges Arbeiten mit Austausch, z. B. durch „Think – Pair – Share“, da Wissen und Können durch individuelle Reflexion und sozialen Austausch entstehen. 6. Sprachhandeln, mediale Repräsentation =Sprachhandeln in Lernaufgaben, Umgang mit medialen Repräsentationen, Texte, Bilder u.a., Bildungssprache Material sollte text- und sprachbasiert sein, aber die Informationsdichte senken, wesentliche Inhalte hervorheben und Text-Bild-Verknüpfungen nutzen. Didaktische Reduktion Modell didaktischer Rekonstruktion: Inhaltliche Strukturierungsmaßnahmen helfen, den Lerngegenstand verständlicher zu machen. Vor dem Unterricht sind folgende Fragen zu klären: Verständlichkeit der Themenaspekte? Evtl. Reduzierung? Sinnvolle Gliederung? Verständnis welcher Grundlagen als Basis?  Einheit zum Regen Perspektive der Kinder: Viele Grundschulkinder glauben, Wolken seien Behälter mit Wasser, aus denen Regen fällt, wenn sie sich öffnen oder kollidieren. Ältere Kinder setzen Wolken oft mit Wasserdampf gleich und verstehen Verdunstung, aber nicht Kondensation. Schmelzen und Gefrieren werden leichter verstanden als Verdunstung und Kondensieren. Verbindungen zwischen Wasserkreislauf und Grundwasserprozessen sind Kindern meist unklar. Fachperspektive: Das Wetter ist der aktuelle physikalische Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort und Zeitpunkt, beeinflusst durch das Zusammenspiel von Sonnenstrahlung, Luft und Wasser. Luftfeuchtigkeit beschreibt den Anteil von Wasserdampf in der Luft. Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte, wodurch die relative Luftfeuchtigkeit bei steigender Temperatur sinkt und bei sinkender Temperatur steigt. Wird die Sättigungsfeuchte (100 % relative Feuchtigkeit) überschritten, kondensiert der überschüssige Wasserdampf an Kondensationskernen zu Wassertröpfchen. Diese bilden Wolken, und bei weiterer Vergrößerung der Tröpfchen regnet es. Unterrichtsbausteine: Kompetenzerwartungen: Genauer auf PP 7 – auch Unterrichtsbeispiele zu Nebel und Wolken  Schwimmen und Sinken Fehlerhafte Schülervorstellungen zum Schwimmen und Sinken: Masse allein bestimmt das Sinken, Dichte (Masse-Volumen-Verhältnis) wird nicht beachtet. Material wird undifferenziert als Erklärung genutzt (z. B. "Holz schwimmt"). Gegenstände mit Löchern sinken, weil Wasser eindringt und sie nach unten drückt. Schwimmfähigkeit von Schiffen wird auf technische Hilfsmittel wie Motoren zurückgeführt. Überprüfung bei Vollkörpern: Das Schwimm- oder Sinkverhalten von Gegenständen lässt sich nicht allein anhand ihres Gewichts bestimmen. Wichtig ist, das Gewicht gleich großer Gegenstände – also bei gleichem Volumen – zu vergleichen, da die Dichte entscheidend ist. Materialien, die bei gleichem Rauminhalt leichter als Wasser sind, schwimmen, während Materialien, die schwerer als Wasser sind, sinken. Allgemein gilt: Ob ein Körper schwimmt oder sinkt, hängt von seiner Dichte im Vergleich zur Dichte der Flüssigkeit ab. Gegenstände mit einer geringeren Dichte als die Flüssigkeit schwimmen, während solche mit einer höheren Dichte untergehen. Versuche mit Hohlkörpern Das Schwimmverhalten schwerer Gegenstände wie eines Schiffs hängt nicht nur vom Gewicht, sondern auch von der Form ab. Ein Hohlkörper wie ein Schiff verdrängt eine Wassermenge, die genauso viel wiegt wie der Körper selbst. Die mittlere Dichte des Schiffs – aus Material, Fracht und Lufträumen – ist dadurch geringer als die Dichte des Wassers, wodurch das Schiff schwimmt. Archimedisches Prinzip - Auftrieb: Das Archimedische Prinzip besagt: “Ein schwimmender Körper wird von einer Kraft nach oben gedrückt”. Diese Kraft ist genauso groß wie das Gewicht der Flüssigkeit, die der Körper verdrängt. Die Auftriebskraft hängt also von der Dichte der Flüssigkeit und dem Volumen der verdrängten Flüssigkeit ab. Ein Schiff schwimmt, weil es so tief ins Wasser einsinkt, bis sein Gewicht und die Auftriebskraft gleich groß sind. Verhältnis zwischen Gewichtskraft und Auftriebskraft: Entstehung der Auftriebskraft z.B. bei einem getauchten U-Boot Die Auftriebskraft entsteht, weil das Wasser auf einen untergetauchten Körper von allen Seiten drückt. Dabei ist der Druck an der Unterseite des Körpers höher als an der Oberseite, da der Druck mit zunehmender Wassertiefe steigt. Dieser Druckunterschied erzeugt die aufwärts gerichtete Kraft, die als hydrostatischer Auftrieb bezeichnet wird. Fu ist größer als Fo. Fs an den Seiten hebt sich auf. Stufenspezifische Erkenntnisse: Elementarbereich Grundschulbereich Die SchülerInnen: Die Kinder.. - Erklären, dass bei Vollkörpern nicht Größe oder Gewicht entscheidend für Schwimmen oder - Ordnen Gegenstände (Vollkörper) den Sinken sind. passenden Materialien zu. - Geben das Material des Vollkörpers als - Nennen wahrnehmbare Eigenschaften von entscheidenden Faktor für Schwimmen und Materialien (z. B. Metall fühlt sich kalt an, Sinken an. Holz ist hart). - Benennen Materialien, die in Wasser sinken - Beschreiben, dass manche Gegenstände oder schwimmen. (Vollkörper) im Wasser schwimmen und - Erkennen Unterschiede im Schwimmverhalten manche sinken. verschiedener Holz- und Kunststoffarten - Nennen Situationen aus der Lebenswelt, in (Differenzierung). denen sie Schwimmen und Sinken beobachtet haben. - Die SchülerInnen geben an, dass Körper - Erkennen, dass die Form eines Vollkörpers Wasser verdrängen, wenn sie eingetaucht keinen Einfluss auf Schwimmen oder Sinken werden. hat. - Sie vergleichen Körper unterschiedlicher Größe, aber gleichen Gewichts, und erkennen, dass die Menge des verdrängten Wassers davon abhängt, wie viel Platz der Körper im Wasser einnimmt. - Sie beschreiben den Zusammenhang: Je mehr Platz ein Körper im Wasser einnimmt, desto mehr Wasser wird verdrängt und desto stärker drückt das Wasser den Körper nach oben. -Sie erklären, dass ein Schiff schwimmt, wenn das verdrängte Wasser genau so schwer ist wie das Schiff. - Sie beschreiben, dass bei einem Stein das Nach-oben-gedrückt-Werden nicht stark genug ist, sodass die Gewichtskraft den Stein im Wasser nach unten sinken lässt.  Magnetismus Magnetismus ist ein alltägliches und zentrales Thema der Physik, das in vielen technischen Anwendungen eine Rolle spielt. Die Wirkung von Magneten ist spürbar, auch ohne sichtbare Ursache, was das Interesse weckt, mit Magneten zu experimentieren, ihre Wirkung zu erkunden und ihre Eigenschaften zu nutzen. Wechselwirkung von Magneten mit Materie: Niveaustufen Sachinformationen: Magneten wirken nur auf bestimmte Materialien, insbesondere auf Eisen, Kobalt und Nickel sowie deren Legierungen, die ferromagnetisch sind. Diese Materialien werden von Magneten angezogen, während andere Metalle nicht reagieren. Einige Edelstahlsorten, obwohl sie Eisen enthalten, werden ebenfalls nicht von Magneten angezogen. Gegenstände, die von Magneten angezogen werden, nennt man „magnetisierbar“, während „magnetisch“ strengerweise nur für Objekte verwendet wird, die sich wie ein Magnet verhalten. Magnete und Magnetpole Niveaustufen: Sachinformationen: Magneten gibt es in verschiedenen Formen und Anwendungen im Alltag, wie z.B. für Kühlschranktüren oder Spielzeugeisenbahnen. Es gibt harte Magneten (z.B. Stab-, Hufeisen- und Scheibenmagneten) und weiche Magneten (z.B. Magnetfolien). Magnete haben zwei Pole, den Nord- und den Südpol, und werden als Permanentmagneten bezeichnet, da ihre magnetische Wirkung dauerhaft ist. Die stärkste Anziehungskraft befindet sich an den Polen, während die Anziehungskraft in der Mitte des Magneten am geringsten ist und als „indifferente Zone“ bezeichnet wird. Unterschiedlich starke Wirkung von Magneten: Niveaustufen Sachinformationen: Magneten wirken nicht nur bei direktem Kontakt, sondern auch über eine gewisse Distanz, wobei ihre Anziehungskraft mit zunehmendem Abstand abnimmt. Die Stärke eines Magneten hängt nicht von seiner Größe ab, sondern vom Material, aus dem er besteht. Besonders starke Magneten sind Neodym-Magnete, während Ferritmagnete eine begrenzte Wirkung haben. Magnetisierbare Materialien, wie Eisenplatten, können die magnetische Wirkung abschwächen, während nicht magnetisierbare Materialien die Wirkung nahezu ungehindert durchlassen. Wechselwirkungen von Magneten untereinander: Niveaustufen Sachinformationen: Die beiden Pole eines Magneten reagieren unterschiedlich, wenn sie den Polen eines anderen Magneten nahegebracht werden. Gleiche Pole stoßen sich ab, unterschiedliche Pole ziehen sich an. Eine Zusammenführung der gleichen Pole oder Trennung der unterschiedlichen Pole erfordert eine äußere Krafteinwirkung. Je stärker die Magneten, desto schwieriger ist es, sie voneinander zu lösen. Modellvorstellung zum Magnetismus: Niveaustufen Sachinformationen: Ein magnetisierbarer Gegenstand kann durch Überstreichen mit einem Magneten oder Nähe zu einem starken Magneten selbst magnetisiert werden, verliert dies jedoch teilweise durch Erschütterung oder Erhitzung. Beim Zerteilen eines Magneten entstehen immer wieder Magnete mit zwei Polen – einzelne Magnetpole gibt es nicht. Das Elementarmagneten-Modell erklärt dies, indem es annimmt, dass viele kleine Magnete im Inneren eines Materials ungeordnet sind und sich bei Magnetisierung ausrichten. Dieses Modell beschreibt wichtige Phänomene, entspricht aber nicht vollständig der Realität. Erdmagnetismus und Kompass: Niveaustufen Sachinformationen: Die Erde wirkt wie ein großer Stabmagnet, was die Ausrichtung von Kompassnadeln erklärt, jedoch nicht die Ursache des Erdmagnetismus. Frei drehbare Magnete richten sich in Nord-Süd-Richtung aus, wobei der Nordpol der Kompassnadel zum magnetischen Südpol zeigt. Die magnetischen Pole der Erde liegen nahe den geografischen Polen, verändern jedoch ständig ihre Position. Die Abweichung der Kompassnadel von der genauen geografischen Nord-Süd-Richtung nennt man Missweisung. Magnetfelder: Niveaustufen Sachinformationen: Ein Magnet erzeugt ein Magnetfeld, das magnetisierbare Stoffe beeinflusst. Die Stärke des Feldes an einem Punkt hängt von der Dichte der Feldlinien ab – an den Polen sind sie besonders dicht. Feldlinien sind geschlossene Linien ohne Anfang und Ende. Kindervorstellungen und Schwierigkeiten: Kinder kennen die anziehende Wirkung von Magneten auf Materialien, aber die Abstoßung zwischen Magneten ist oft unbekannt. Häufig wird Eisen nicht von anderen Metallen unterschieden; Kupfer wird manchmal fälschlich als magnetisch angesehen, z.B. wegen beschichteter Gegenstände. Kinder übertragen Begriffe wie Plus- und Minuspol aus der Elektrizitätslehre auf Magnetpole. Sie wissen, dass Magnete auf Distanz wirken, vermuten jedoch eine abrupte Grenze. Magnetkraft wird oft mit Analogien wie „unsichtbarer Klebstoff“ erklärt. Viele Kinder glauben, die Größe eines Magneten bestimme seine Stärke, da eine größere Oberfläche angenommen wird. Magnetismus Bildungsaktivitäten Notwendigkeit der Sprachförderung: Sprachförderung im naturwissenschaftlichen Lernen ist wichtig, da nicht alle Kinder die sprachlichen Kompetenzen haben, um ihre Denkprozesse auszudrücken. Viele Begriffe, auch alltagsnahe, sind in naturwissenschaftlichen Kontexten neu oder werden anders verwendet als im Alltag (Fachsprache). Bildungsaktivitäten im Kindergarten: Verschiedene Materialien kennenlernen Was wird von Magneten angezogen? Versteckte Magnete? Durch was wirken Magnete hindurch? Wie bekomme ich die Büroklammer aus dem Wasser? Ziehen sich Magnete immer an? Bildungsaktivitäten in der Grundschule: Welche Materialien werden von Magneten angezogen? Wo liegen die Pole bei verschiedenen Magneten? Zieht ein Magnet überall gleich stark an? Wer ist Stärker? Ein kleiner oder ein großer Magnet? Wie reagieren Stabmagnete aufeinander? Wie reagieren verschiedene Magneten aufeinander? Ein Magnet selbst herstellen? Wie funktioniert ein Kompass? Dokumentationsformen Vorwissen zum Ausdruck bringen Denkvorgänge und Erkenntnisse festhalten (z.B. Forschertagebuch) Wiederkehrende, vorgegeben Struktur Beobachtungsbogen zu erreichten Kompetenzen Bildungsaktivitäten im Kindergarten und in der Grundschule zu Magnetismus mit Sprachförderung und prozessbezogenen Kompetenzen in PP VL 10  Fachliche Hintergrundinformationen zum Hebel Alltagerfahrung zu Hebel und Hebelgesetz Wenn zwei gleich schwere Kinder im gleichen Abstand zur Drehachse auf der Wippe sitzen, dann wirken die gleichen Kräfte, nämlich die Gewichtskräfte der Kinder, im gleichen Abstand zur Drehachse senkrecht zum Hebel. Ein Hebel ist ein Kraftwandler, bei dem ein starrer Körper um eine Drehachse bewegt wird, wodurch mit geringem Krafteinsatz eine große Wirkung erzielt werden kann. Im Alltag wäre das z.B. eine Kneifzange, eine Schubkarre, ein Flaschenöffner, eine Schere usw. Das Hebelgesetz Das Hebelgesetz, formuliert von Archimedes, besagt, dass mit einem festen Punkt und einem Hebel durch die richtige Kraft und Hebellänge große Lasten bewegt werden können Einseitiger Hebel Zweiseitiger Hebel Ein einseitiger Hebel hat den Drehpunkt an Bei einem zweiseitigen Hebel greifen die einem Ende, wobei Kraft- und Lastarm auf Kräfte auf beiden Seiten des Drehpunkts an, derselben Seite liegen. Kraft und Last wirken in der sich innerhalb des Hebels befindet. Kraft- entgegengesetzten Richtungen. und Lastarm liegen jeweils links oder rechts vom Drehpunkt, wobei Kraft und Last in die gleiche Richtung wirken. z.B. Schraubenschlüssel, Schubkarre, Türklinke z.B. Zange, Schere und Wippe FK= aufgewendete (Muskel-)Kraft FL= erzeugte Kraft bei der Last  Wirkende Kräfte beim einseitigen Hebel Dabei muss die Kraft mal Kraftarm größer sein als die Last mal Lastarm, um den Hebel als Kraftwandler zum Anheben der Last zu nutzen. Last und Kraft beim ein- und zweiseitigen Hebel Wenn der Lastarm kürzer ist als der Kraftarm (z. B. bei Zange oder Nussknacker), spart man Kraft: Ist der Kraftarm viermal länger, muss man nur ein Viertel der Kraft aufwenden, um dieselbe Wirkung zu erzielen, z. B. beim Drahtschneiden. Einseitiger Hebel und Drehmoment Ein Drehmoment ist die Drehwirkung einer Kraft, die einen Körper um einen festen Punkt rotieren lässt. Ein Hebel, wie ein Schraubenschlüssel, reduziert die benötigte Kraft durch eine längere Bewegung. Goldene Regel der Mechanik: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zurücklegen oder umgekehrt. Zweiseitiger Hebel im (Un)-Gleichgewicht: Der physikalische Hintergrund der Wippe ist das Hebelgesetz: Im Gleichgewicht sind Hebelarm mal Kraft auf beiden Seiten gleich. Überwiegt eine Seite, senkt sich die Wippe dort.  Praxisbeispiele Hebel (VL11) Gleichgewicht bei Wippe: Gleichgewicht und Wippe erkunden Wippen ins Gleichgewicht und aus dem Gleichgewicht bringen Ungleichseitige Wippen aus dem Gleichgewicht und ins Gleichgewicht bringen ➔ Eine längere Seite ist "schwerer", daher muss auf die kürzere Seite mehr Gewicht, um den Balken ins Gleichgewicht zu bringen. Gleichgewicht beim Mobile Wir erkunden, wie ein Mobile funktioniert ➔ Beim Mobile lernen Kinder, dass mehr Gewicht näher am Drehpunkt hängen muss, um den Stab waagerecht ins Gleichgewicht zu bringen. Mit Hebel Kraft sparen Wir heben ein Tisch mit Hebeln Wir heben einen Gegenstand mit Hebeln Wie haben die Menschen früher schwere Lasten getragen Wir Untersuchen, wie Hebel bei Gegenständen aus unserem Alltag wirken ➔ Ein längerer Kraftarm benötigt weniger Kraft, aber einen längeren Weg. Ein kürzerer Kraftarm erfordert mehr Kraft, aber einen kürzeren Weg.  Schall Der Schall kommt in den RRL vor. Beim Kindergarten (Naturwissenschaften) und in der Grundschule Nat. 4.-5- Klasse unter akustische Phänomene. Schülervorstellungen: Zur Entstehung von Schall/Tönen: Kinder haben oft die Vorstellung, dass ein Ton direkt durch eine Handlung entsteht, ohne die zugrunde liegende Schwingung als Ursache zu erkennen. Zum Beispiel denken sie, dass der Ton in einer Flöte durch das Hineinblasen oder Fingerbewegungen erzeugt wird, und nur wenige Kinder erkennen, dass die sich bewegende Luft die Ursache ist. Zur Schallausbreitung: Kinder wissen oft nicht, dass Schall ein Medium benötigt, um sich auszubreiten. Sie denken, der Ton selbst wandere wie ein Ball. Es gibt auch anthropomorphe Vorstellungen, dass der Ton einen „Willen“ besitzt und sich zirkulär ausbreitet (Ton wird herausgelockt und kehrt dahin wieder zurück). Zur Frage: Kann man ohne Luft hören? Die Mehrheit der Kinder glaubt, man könne ohne Luft hören. Einige denken, dass Luft sogar hinderlich für das Hören sein könnte, und andere meinen, dass festere Körper wie Holz oder Stahl die Schallausbreitung stören. Zur Lautstärke: Viele Kinder denken, dass die Lautstärke mit der aufgewendeten Kraft bei der Schallerzeugung zusammenhängt, ohne das Konzept der Resonanz zu erkennen. Nach einer Erklärung zur Schallausbreitung können sie jedoch die Schwingungen und die Luftbewegung besser nachvollziehen, haben aber oft noch Schwierigkeiten, die Luftbewegung zu verstehen. Fachliche Hintergrundinformationen: Akustik: Schall ist alles, was akustisch wahrgenommen wird. Er entsteht durch Schwingungen einer Schallquelle, die über Luft oder andere Medien an das Trommelfell weitergegeben werden, wo Luftmoleküle den Druck übertragen. Schallwellen: Schallwellen sind mechanische Wellen, bei denen sich der Druck regelmäßig ändert. Sie breiten sich in Luft und anderen Stoffen in alle Richtungen aus. Ein Lautsprecher erzeugt Schallwellen, indem er durch schnelle Bewegungen Luftteilchen zusammendrückt und auseinanderzieht, wodurch Verdichtungswellen entstehen, die sich weiter ausbreiten. Schallwellen sind Längswellen (Longitudinalwellen), bei denen die Teilchen in die gleiche Richtung schwingen, in der sich die Welle ausbreitet. Sie transportieren Energie, aber keine Materie. Im Gegensatz dazu gibt es Transversalwellen, bei denen die Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle schwingen. Ein typisches Beispiel hierfür sind Wasserwellen (Welle horizontal, Wasserteilchen auf und ab) oder Lichtwellen. Schallwellen sind unsichtbar, können jedoch mit einem Oszilloskop sichtbar gemacht werden. Das Gerät zeigt die Schallwellen als bewegte Kurven (Transversalwellen) auf einem Bildschirm, die dann ausgewertet und richtig identifiziert werden müssen. Schalleigenschaften: Tonhöhe: Die Tonhöhe eines Tones hängt von seiner Frequenz ab, also der Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Je schneller die Schwingungen, desto höher der Ton. Die Tonhöhe wird in Hertz (Hz) gemessen. Der hörbare Frequenzbereich für Menschen liegt zwischen 16 Hz und 20 kHz. Lautstärke: Die Lautstärke eines Tones hängt von der Stärke der Schwingung ab. Bei gleicher Frequenz wird mehr Energie übertragen, wenn die Schwingung intensiver ist, was sich in einem größeren Ausschlag der Amplitude zeigt. Je größer die Amplitude, desto lauter der Ton. Unterschiedliche Schallschwingungen: Schallausbreitung in verschiedenen Medien Das Medium Luft ist entscheidend für das Hören akustischer Signale, da Schall im Vakuum nicht übertragen wird. Auch andere Medien wie Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase können Schall übertragen, teils schneller und besser, da die Moleküle enger beieinander liegen und die Schwingungen leichter übertragen können (Schallgeschwindigkeit in Luft 343 m/s, in Wasser = 1482 m/s, Stahl = 5000 m/s.), Der letzte Abschnitt des Schalls wird jedoch immer von Luft übertragen, es sei denn, man hört unter Wasser oder ein Schall wird direkt über den Schädelknochen wahrgenommen. Schallgeschwindigkeit: Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen durch ein Medium ausbreiten. Beim Gewitter sehen wir zuerst den Blitz, weil Lichtwellen schneller sind als Schallwellen. Schall legt in etwa 1.020 Meter pro Sekunde zurück. Um die Entfernung zum Blitz zu berechnen, kann man die Anzahl der Sekunden zwischen Blitz und Donner zählen und durch 3 teilen. So erhält man ungefähr die Entfernung in Kilometern. Wenn Schall auf etwas trifft: Wenn Schall auf einen Gegenstand trifft, kann er reflektiert werden (Schallreflexion), indem die Schallwellen zurückgeworfen werden. Der Schall kann auch den Gegenstand zum Schwingen bringen (Schalltransmission), indem die Luftteilchen auf den Gegenstand übertragen werden. Eine weitere Möglichkeit ist, dass der Schall absorbiert wird (Schallabsorption), wobei die Schallwellen von der Oberfläche des Gegenstands teilweise oder ganz aufgenommen werden. Schall hören: Schallwellen bringen das Trommelfell zum Schwingen, diese Vibrationen werden über die Gehörknöchelchen im Mittelohr verstärkt und in die Cochlea im Innenohr übertragen. Dort bewegen sich Flüssigkeiten, die Haarzellen biegen und elektrische Impulse erzeugen. Diese werden über den Hörnerv an das Gehirn weitergeleitet, das die Schallinformationen als Töne interpretiert. Die Lautstärke einer Schallquelle wird in Dezibel (dB) gemessen und beschreibt den Druck, den Schallschwingungen auf das Trommelfell ausüben. Eine Verdopplung oder Halbierung der Lautstärke entspricht einer Änderung von 10 dB. Zum Beispiel empfinden wir 50 dB als doppelt so laut wie 40 dB. Die Lautstärke hängt nicht nur von der Amplitude, sondern auch von der Frequenz des Tons ab: Ein 1000 Hz-Ton wird bei gleicher Amplitude lauter wahrgenommen als ein 100 Hz-Ton. Je weiter man von einer Schallquelle entfernt ist, desto leiser wird der Ton. Der Schallpegel sinkt um 6 dB, wenn sich die Entfernung zur Quelle verdoppelt. Lärm ist lauter Schall, der uns stört oder schädigen kann. Geräusche unter 30 dB empfinden wir als ruhig, während Lärm über 85 dB Hörschäden verursachen kann. Die Hörschwelle liegt bei 0 dB, was bedeutet, dass der Mensch bei diesem Wert nichts hört. Lärm sollte, wo immer möglich, gedämpft oder gedämmt werden.  Querverbindungen schaffen zum Thema Akustik Fächerverbindender, -übergreifender und interdisziplinärer Unterricht fördert eine ganzheitliche Betrachtung von Themen, indem er verschiedene Perspektiven und Fachrichtungen miteinander verknüpft. Dies ermöglichten eine umfassendere Auseinandersetzung und Vermeidung von einseitigen Sichtweisen, die bei isolierter Betrachtung eines einzelnen Fachs entstehen könnten. Auch die Rahmenrichtlinien können in ihren Bildungsfeldern und Lernbereichen verbunden werden: Mit Musik: Musizieren fördert das bewusste Wahrnehmen und Erzeugen von Klängen. Mit Sprache/Deutsch: Geräuscherätsel, bei denen sie Klänge beschreiben und in verschiedene Kategorien einteilen, erweitern den Wortschatz, das differenzierte Beschreiben von Geräuschen und fördert die auditive Wahrnehmung. Mit Mathematik: Kinder lernen, mathematische Zusammenhänge in Klängen zu erkennen, etwa die Beziehung zwischen Lautstärke und Entfernung. Mit der belebten Natur: Im Zusammenhang mit Tieren untersuchen Kinder, wie sich der Hörsinn bei verschiedenen Arten unterscheidet und sie lernen die Funktion des menschlichen Ohrs kennen. Mit der Gesundheitsbildung/Persönlichkeit: Kinder lernen, Körpergeräusche wie den Herzschlag und Atemgeräusche zu beobachten und reflektieren die Auswirkungen von Lärm auf ihre Gesundheit. Mit Technik, Medienbildung, Geschichte: Beim Bau von Klanginstrumenten entdecken Kinder, wie unterschiedliche Materialien den Klang beeinflussen und wie sie Tonhöhen variieren können. Physikalische Praxisbeispiele zu Akustik Kompetenzentwicklung über die Bildungsstufen: Entwicklung - Akustik Jüngere Kita- Vorschulkinder Jüngere Mädchen Jungen 8-10 Kinder Grundschulkinder Jahre Geräusche und Beobachtungen Geräuschquelle und Geräusche können nach Klänge werden helfen Geräuschempfänger hohen und tiefen wahrgenommen Regelmäßigkeiten werden Klängen zugeordnet und differenziert, und unterschieden. werden. Zunahme der können aber noch Zusammenhänge Klänge und Merkfähigkeit und nicht benannt zwischen dem Geräusche werden in Abstraktionsvermögen. werden. Die eigenen Handeln laut und leise Eigene Vermutungen Hörverarbeitung ist und Objekten zu unterschieden. aufstellen und an visuelle entdecken. Das Erklärung des überprüfen verläuft Eindrücke Beschreiben dieser Schalls ist noch systematischer. gebunden. ist zunehmend schwierig und es wird möglich. mit Bekanntem Schallerzeugung ist verknüpft. für die Kinder eng Vorstellungen wie: mit dem Handeln Der Ton denkt, wir verknüpft. hören ihm zu oder Der Ton fliegt, wie ein Ball. Akustik — Kumulatives Lernen: Für Kinder im Alter von drei bis vier Jahren ist es wichtig, viel Raum zum Erkunden unterschiedlicher Geräusche und Klänge zu bieten. Dabei können auch laute Geräusche entstehen, die später in gezielte Stille übergehen, um die Hörerfahrungen der Kinder zu erweitern. Kinder sollen herausfinden, welche Geräusche mit verschiedenen Materialien erzeugt werden können und welche Klänge sie diesen zuordnen. Sie lernen, Geräusche zu beschreiben und passende Wörter dafür zu finden. Für fünf- bis sechsjährige Kinder bieten sich konkretere Versuche an, wie die Untersuchung der Lautstärke von Geräuschen oder das Erforschen von Schwingungen und Vibrationen von Schallquellen. Sie können Geräusche auch durch Feststoffe wie Holz hören. Jüngeren Grundschulkindern sollten die Schallausbreitung in der Luft nähergebracht werden. Evtl. durch einfache Experimente, die zeigen, dass Luft mehr ist als „nichts“ und Schall durch sie übertragen wird Bei älteren Grundschulkindern (acht bis zehn Jahre) können Zusammenhänge zwischen Tonhöhe und Saitenlänge untersucht werden. Zudem kann erforscht werden, wie sich Schall in verschiedenen Medien wie Luft, Wasser und Festkörpern ausbreitet und wie diese Medien das Verhalten von Schall beeinflussen. Praxisbeispiele: Geräusche sammeln und erkunden Verschiedene Stoffe können Geräusche dämpfen Geräusche in Feststoffen hören Laut und leise Hohe und Tiefe Töne Schwingungen weitergeben und stoppen  Schall sichtbar machen Beispiele zu Praxiseinheiten für Kindergarten und Grundschule auf PP 13-14 (letzte Vorlesung)