Fachdidaktik Physik I: Pr"ufungsfragen 1. Kinematik Frage 1: Vielfalt der Mittelsch"ulerInnen

1. Altersspektrum:

(a) Untergymnasium: 12-14 (b) Grundlagenfach: 14-19

(c) Schwerpunktfach: 18-21

2. Stoffgebiete:

(a) Nur mit Maturanden des MNG: SRT, Huygens-BeugungGrund: Eher abstrakte Materie, weniger Alltagsbezug. SRT mag sicher auch Sch"uler des Grundlagenfachs interessieren, doch wenn eszur Mathematik kommt (Lorentz-Transformation, etc.), wird es schwierig. Huygens-Beugung an Spalten und Gittern verlangt Trigo und isteher etwas f

"ur die mathematisch Interessierten. Wenn man atmo-sph"arische Beugungsph"anomene behandelt, kann man den Alltagsbezug allerdings herstellen. (b) Unterstufe: Nur in der Unterstufe w"urde ich z.B. die Dichte behan-deln. Dies verlangt keine Mathematik, daf

"ur kann man die Sch"ulerleicht Dichten verschiedener Materialien bestimmen lassen (W"agen

und Eintauchen in Wasser zur Volumenbestimmung).Die geometrische Optik eignet sich ebenfalls f

"ur die Behandlung inder Unterstufe, da sie nur sehr wenig mathematisches Vorwissen voraussetzt. Qualitativ kann man sehr viel machen. 3. Unterschiedliche mathematische Voraussetzungen:

(a) Newton-Dynamik: Unterstufe ) Kr"afte nur parallel/antiparralelMNG ) beliebige Richtungen, Addition: Trigonometrie

(b) Kinematik: Unterstufe ) v = s/t, a = v/tMNG )

v = ds/dt, a = dv/dt

(c) Arbeit: Unterstufe ) W = F * sMNG )

W = R F ds

Frage 2: Repr"asentationstrias

1. Schwingungen/Oszillationen:

(a) enaktiv: H"upfen, Armschwingen: Beim Armschwingen sp"urt man 1)dass man kaum Energie aufwenden muss, und dass 2) die Bewegungsenergie in potentielle Energie und zur"uck verwandelt wird.

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(b) ikonisch: Graphische Darstellung der Armposition bzw. der Positioneines Pendels (als Funktion der Zeit). Graphische Darstellung des

Verlaufs von Bewegungs- und potentieller Energie mit der Zeit; ihreSumme ist konstant.

(c) symbolisch: Differentialgleichung m"x = -kx, L"osung x(t) = A cos !t,etc.

2. Schmelzw"arme:

(a) enaktiv: Eisklumpen und Beutel mit Eiswasser in je eine Hand neh-men. Beide sind gleich kalt, n

"amlich 0deg C. Was f"uhlt sich k"alteran?

(b) ikonisch: Phasendiagramme

(c) symbolisch: Formel f"ur Schmelzw"arme (spezifische Schmelz- und Ver-dampfungsw

"arme), Durchrechnen von Beispielen.

Frage 3: Alltagsbezug

1. Beispiel Unterstufe: Radarbild Flug"uberwachungAuf dem Radarbild sind Position, Flugh

"ohe und Geschwindigkeit vonFlugzeugen eingezeichnet. Wie muss man die Flugzeuge dirigieren, damit

keine Gefahrensituationen entstehen? Die Sch"uler m"ussen sich "uberlegen,zwischen welchen Flugzeugen Zusammenst

"osse erfolgen k"onnen (aufgrundder gegebenen Positionen, Richtungen und Geschwindigkeiten). Solche

Flugzeuge m"ussen auf andere H"ohen dirigiert werden.Einsatz: Nach Einf

"uhrung der Geschwindigkeit v = s/t.

2. Beispiel Grundlagenfach: Berechnung des Bremsweges eines Autos bei ge-gebener Reaktionsszeit (z.B.

tR = 0.1) s und bei verschiedenen Geschwin-digkeiten (z.B. 30, 50, 80 km/h). Die Bremsbeschleunigung

aB muss an-gegeben werden.

Einsatz: Nach Einf"uhrung der konstant beschleunigten Bewegung (d.h. s = v0t + 1/2at2).

Frage 4: Alltagsbezug

1. 3 Interessenbereiche:

(a) Physik und Technik (b) Mensch und Natur

(c) Gesellschaft

2. 3 Interessentypen:

(a) Typ A: Interesse f"ur alle Interessenbereiche. Eher Bube, j"unger, gutin Physik. Lernt auch Physik um der Physik willen.

ca 20 %.

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(b) Typ B: Interesse haupts"achlich f"ur Mensch und Natur. Gleich vieleBuben und M

"adchen, mittlere Noten. Interesse f"ur praktische Seiteder Physik (Ger"ate bauen, Naturerscheinungen)

ca. 55 %. (c) Typ C: Interesse v.a. f"ur Gesellschaft (soziale Folgen von Physik undTechnik), eingeschr

"ankt auch f"ur Mensch und Natur. Eher M"adchen,schlechtere Noten. Interesse an Physik, wenn pers"onliche Bedeutung

erkannt wird (z.B. Medizin).ca. 25 %.

3. Strategie: Themen aus Mensch und Natur ) Physikunterricht ist f"ur ca.75 der Sch

"uler interessant.

4. 3 Teilbereiche der Kinematik aus Mensch und Natur:

(a) Freier Fall: Berechnung der Geschwindigkeit nach 2, 10, 50 m. Schwe-relosigkeit im freien Fall.

Dass der freie Fall in den Bereich Mensch und Natur geh"ort, mussman nicht erkl

"aren. Sind Kletterer oder Bergsteiger unter den Sch"ulern,ist dieses Thema f"ur sie von unmittelbarer Relevanz.

(b) Wurfbewegungen: Ball, Speer, Gewehrkugel, Rakete (Variation derAbschussgeschwindigkeit)

Wurfbewegungen kennt man aus dem Alltag. Gewisse Dinge (z.B.Wurfbewegung = horizontale konstante Bewegung + vertikale Beschleunigung) kann man auch experimentell zeigen. Die Gewehrku-gel macht eine bedeutend flachere Parabel als ein Fussball, da sie viel weniger Zeit ben"otigt (1/2gt2 ist kleiner). Dennoch muss mandas Gewehr verschieden einstellen, ob man nun auf 300 m oder nur auf 50 m schiesst. (c) Addieren / Subtrahieren von Geschwindigkeiten: Flugzeug im Jet-stream, Piccards Solarflugzeug im Wind, Schiff auf dem Fluss / im

Golfstrom, Schwimmer im FlussDer Bezug zu Mensch und Natur ist auch hier klar. Das letzte Beispiel (Schwimmer) kann sozusagen enaktiv erfahren werden.

2. Newton'sche Dynamik Frage 1: Begriff der "Masse"

1. Situation: Die Masse f"uhrt man vorteilhafterweise im Untergymnasiumein; Alter ca. 13 Jahre.

2. Gesichtspunkte:

(a) Physik: Die Masse in der Newton'schen Bewegungsgleichung F =

ma ist die tr"age Masse (Tr"agheit eines K"orpers). Folglich sollte dieMassendefinition

"uber die Tr"agheit gehen.

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Die Balkenwaage-Methode misst die schwere Masse. Es ist a priorigar nicht klar, dass beide Massen dasselbe sind! (b) Vorverst"andnis: Die Sch"uler konstruieren ihr Wissen aufgrund ihrervorhandenen Alltagsvorstellungen. Diese beziehen sich hier auf das

W"agen. Definiert man nun die Massen mit Waagen, ist die Gefahrgross, dass Masse mit Gewichtskraft verwechselt wird. Tut man dies hingegen via Tr"agheit, und f"uhrt erst sp"ater die Gewichtskraft F = mg ein, ist diese Gefahr geringer.

3. Beurteilung: 4. Quelle 1 f"uhrt die Masse effektiv "uber die Tr"agheit (tr"age Masse) ein. Diesfinde ich von Vorteil, da damit die Verwechslung Masse - Gewichtskraft

unterbunden wird. Weiter ist diese Definition auch im Weltraum anwend-bar (s. Skript).

5. Leider geht Quelle 1 nicht auf die Unterscheidung von schwerer und tr"agerMasse ein. Dies h

"atte sie tun sollen, da die Sch"uler sicher fragen werden,weshalb man denn normalerweise Masse (Einheit: Kilogramm!) mit Waagen misst. Dann h"atte man auch die M"oglichkeit gehabt, die Unterschei-dung zwischen Masse und Gewichtskraft (das ist es ja, das die Waage eigentlich misst) klar zu machen. 6. Quelle 2 unterscheidet hingegen zwischen schwerer und tr"ager Masse. Ausder "experimentellen Erfahrung, wonach die tr

"age und die schwere Masseeines K"orpers einander proportional sind" wird jedoch vorgeschlagen, die

Masse mithilfe einer Balken- oder Federwaage zu messen. Der Gefahr derVermischung Masse - Gewichtskraft wird am Ende des Textes begegnet. Meines Erachtens w"are diese Gefahr geringer, wenn zuerst die tr"age Mas-se eingef

"uhrt w"urde. Ausserdem ist es eben die tr"age Masse, die in derNewton'schen Bewegungsgleichung auftritt!

7. Die Diskussion "uber Kilogrammprototyp, Einheiten etc. ist etwas lang-wierig und nicht unbedingt das, was einen Sch

"uler des Untergymnasiumsanspricht.

8. Mein Vorschlag:

(a) Einf"uhrung der tr"agen Masse (wie in Quelle 1) (b) Einf"uhrung tr"age und schwere Masse, Unterscheidung und "Aquivalenz

(c) Daher kann man Massen auch mit Waagen bestimmen. Doch wasmisst die Waage? Eine Kraft!

(d) Daher ist Masse nicht gleich Gewichtskraft

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Frage 2: Fehlvorstellungen in der Mechanik

1. Vorunterrichtliche Fehlvorstellung: Kraft wirkt immer in Bewegungsrich-tung.

2. Beispiele aus dem Alltag: Flugzeug, Schiff. Hier wirkt die Antriebskraft(Schraube, Triebwerk) ja immer in Bewegungsrichtung, auch wenn das

Flugzeug eine Kurve fliegt.Weggelassen hat man nat

"urlich Steuerruder, Fl"ugel etc., auf die das Wasser/ die Luft zus"atzliche Kraft aus"ubt.

3. Unterrichtsablauf zum Konzeptwechsel:

(a) Rakete im Weltraum: Was geschieht, wenn man das Triebwerk ein-schaltet? Sie beschleunigt, aber

"andert die Richtung nicht. Was mussman tun, um die Richtung zu "andern? Man m"usste kleine Steuertriebwerke an der Seite haben. Sonst geht es nicht!Wohin wirkt die Kraft der Steuertriebwerke? Nicht in Bewegungsrichtung, sondern in die Richtung der Bewegungs"anderung. (b) Schiff im See: Wie "andert man hier die Richtung? Mit dem Steuer-ruder. Was f

"ur Kr"afte wirken? 1) Die Schiffsschraube, aber nur ge-radeaus! 2) Die Kraft des Wassers, das am Steuerruder vorbeistr"omt

(Figur!). In welcher Richtung? Seitlich, d.h. in Richtung der Bewe-gungs

"anderung.

Frage 3: Konstruktivismus im Physikunterricht

1. Die Angst des Torwarts beim Elfmeter: ???

Frage 4: Konstruktivismus im Physikunterricht

1. Konstruktivismus: Dimensionen

(a) individuelle Dimension: Vorverst"andnis, Konzeptwechsel, selbstver-antwortetes Lernen, aktives Lernen, strukturiertes Sachwissen

(b) inhaltliche Dimension: Alltagsbezug, Bezug zum Menschen, authen-tische offene Probleme, qualitative / quantitative Fragestellungen,

exemplarisches Prinzip (c) sozial-kommunikative Dimension: Kommunikation / Disput / Dis-kurs, sich erg

"anzende Sozialformen (Einzel-, Gruppen-, Partnerar-beit), verschiedene Rollen des Lehrers, Zusammenarbeit der Sch"uler

(d) unterrichtsmethodische Dimension: vielf"altige Unterrichtsformen, Sch"uler-/ Lehrerexperimente, verschiedene Formen von Problemen, projektartiger Unterricht 2. Anwendung auf Beispiel aus Newtonscher Mechanik: Freier Fall

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(a) individuelle Dimension: Das Vorverst"andnis der Sch"uler ist oft, dassim freien Fall keine Kr

"afte auf den K"orper wirken. Macht man nun dasSchwerelosigkeits-Experiment (man schmeisst einen l"ochrigen Beh"alter

mit Wasser), wird diese Vorstellung noch verst"arkt (dabei wirkt nichtkeine Kraft, sondern auf alle Wasserteilchen plus Beh

"alter diesel-be Kraft!). Dieses Experiment wird nicht zu einem Konzeptwechsel

f"uhren. (b) sozial-kommunikative Dimension: Zum Konzeptwechsel hinf"uhren k"onnteallerdings ein Diskurs. Wenn ein Gegenstand auf dem Tisch liegt,

wirkt dann eine Kraft auf ihn? Nat"urlich, die Gewichtskraft. Woherkommt diese Kraft? Von der Erde. Wenn man den Tisch wegnimmt, wirkt die Kraft dann immer noch? Nat"urlich, die Erde kann das janicht wissen. Was bewirkt denn nun diese Gewichtskraft? Dass der K"orper runterf"allt. (c) Man k"onnte die Sch"uler diese Fragen nun diskutieren lassen (indemman Bl

"atter verteilt oder an die Wand projiziert), z.B. in Zweier-/Dreiergruppen.

(d) inhaltliche Dimension: Der Alltagsbezug ist klar.

(e) unterrichtsmethodische Dimension: Ist es wirklich die Gewichtskraft

F = mg? Dann m"usste jeder Gegenstand gleich schnell fallen. Nunkommt das Schwerelosigkeitsexperiment ins Spiel. Das k

"onnen dieSch"uler auch selbst durchf"uhren (und der Lehrer hofft, dass sich die

Sauerei in Grenzen h"alt...).

3. Energie Frage 1: Lernaufgabe

1. Checkliste

(a) halbneu (b) schriftlich abgefasst

(c) ohne Lehrerhilfe (d) Hinweise zum Vorgehen

(e) Einzel- / Partner- / Gruppenarbeit

(f) verf"ugbare Zeit angeben (g) Massstab (Benotung etc.) (h) Kontext

2. Leistungsmessung an einer Bohrmaschine

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Frage 2: Informierender Unterrichtseinstieg (IU) Checkliste

1. Thema

(a) Thema der Stunde (b) wesentliche Fragestellungen

(c) Quintessenz

2. Lernziel

(a) maximal 3 Ziele (b) operationalisierte Lernziele nur beim Erwerb von Fertigkeiten

(c) Leitideen: zu allgemein

3. Gr"unde f"ur Lernziele: Wozu braucht man das Gelernte? 4. Stundenablauf: 3-6 Arbeitsschritte (nicht Themenfolge) 5. Wesentliche an die Tafel / OHP 6. eventuell Mitplanung 7. IU kurz halten: < 5 min 8. positive Erwartung ausdr"ucken 9. eigene Einstellung mitteilen 10. Thema mit fr"uheren / sp"ateren Themen verbinden 11. Vorkenntnisse aktivieren

Frage 3: Motivationsphase Motivationsphase zum Thema "Energie":

1. leistungsf"ahige, aber nur m"assig an Physik interessierte Klasse des Wirt-schaftsprofils

(a) Bewegungsenergie: Auto-Crashtests (ev. Film, und Abh"angigkeit von

v).

(b) Lageenergie: Sturz z.B. beim BergsteigenFrage: Warum muss das Seil elastisch sein?

Diese Beispiele aus dem Alltag d"urften motivierend wirken und in denSch

"ulern Interesse f"ur das Thema wecken. Nat"urlich verlangt die Behand-lung dieser Themen gewisse intellektuelle Anstrengungen. Man kann z.B.

E = 1/2mv2 im Rahmen einer Lernaufgabe herleiten lassen. Da die Klasseleistungsf

"ahig ist, sollte das gehen.

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2. fleissige, interessierte, aber nur m"assig leistungsf"ahige Klasse des neu-sprachlichen Profils

(a) Flaschenzug (zeigen in der Stunde) (b) L"angerer Weg ) weniger Kraft: Warum?Kraftaufteilung ) Kraft x Weg bleibt konstant!

Arbeit = Kraft x Weg motivieren: Auto braucht doppelt soviel Benzin,wenn man doppelt so weit f

"ahrt; Kran ! Lageenergie. Dann Flaschenzug.Dies kann man sorgf"altig und ausf"uhrlich machen, ev. mit Lernaufgabe zu

Flaschenzug. Die Klasse wird aufpassen, da sie ja interessiert ist. Wichtigist, sorgf

"altig und etwas langsamer als beim Wirtschaftsprofil vorzugehen.

4. Kreisbewegungen Frage 1: Taxieren von Pr"ufungsaufgaben

1. Taxonomie nach Bloom

(a) K1 ) Wissen (auswendig):Sachverhalte, Terminologie, Methoden, Strukturen, Klassifikationen,

Theorien) erinnern, reproduzieren

(b) K2 ) Verst"andnis:

Umsetzen von Information, Interpretation, Extrapolation) Umformen von gegebenen Informationen, Wechsel der Kodierung

(Text ! Graph, etc.), Darstellung mit eigenen Worten, Zusammen-fassung (Interpretation, ohne Analyse), einfache Schlussfolgerungen (Extrapolation)) keine Transferleistung!

(c) K3 ) Anwendung:Gegebene Informationen werden auf neuartige Situationen angewandt

oder "ubertragen) Mehrzahl der "Ubungsaufgaben ) hier gibt es Transfer (d) K4 ) Analyse:Analyse von Elementen / Beziehungen / Ordnungsprinzipien, Untersuchung nach nicht offenkundiger Struktur, Aufdecken impliziterInformationen ) Erkennen von stillschweigenden Annahmen, Berechtigung von Hy-pothesen, Aufzeigen von Organisationsprinzipien

(e) K5 Rightarrow Synthese (Kreativit"at):Gewinnen von Informationen, Zusammenfassung von Informationen

zu neuen Strukturen, Finden von Problemen) Entwerfen von (Arbeits)Pl

"anen, Versuchsanordnungen, Bilden vonHypothesen, Modellen

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(f) K6 ) Bewertung:Bewertung aufgrund interner / externer Kriterien, mit Begr

"undung) Vergleich von L"osungsvorschl"agen, Entscheid "uber Hypothesen,

Bewertung von Ergebnissen 2. Pr"ufungsaufgaben, Quelle 3

(a) Aufgabe 1: K2 (Verst"andnis) (b) Aufgabe 2: K2 (Verst"andnis)keine neuartige Situation; etwas

"ahnliches kam sicher schon in derLektion vor!

(c) Aufgabe 3: K3 (Anwendung, Transfer)Hier muss die vorhandene Information auf eine neue Situation angewendet werden.Man k

"onnte diese Aufgabe ev. auch unter K4 (Analyse) nehmen.

(d) Aufgabe 4: k4 (Analyse)Die gegebene Information (Zeitungsnotiz) muss zerlegt/analysiert werden. Die Konsistenz der Information wird best"atigt durch die Bestim-mung der Dichte, die "sinnvoll" herauskommt.

(e) Aufgabe 5: K5 (Synthese)Hier muss eine Behauptung bewiesen werden, d.h. aus den vorhandenen Informationen wird etwas neues generiert (Kreativit"at) Frage 2: Lehrpl"ane Warum Kreisbewegung an KZO

1. Grobziele 2. Klasse:Naturph

"anomene und eigene Experimente beobachten, erkl"aren, "uberpr"ufen;selbstt"atiges Experimentieren; qualitatives Verst"antnis f"ordern.

) daf"ur ist das Thema Kreisbewegungen in besonderer Weise geeignet.Kreisbewegungs-Ph

"anomene treten in Natur (Planeten, Satelliten, rol-lende Gegenst"ande) und Technik (R"ader, Propeller, W"aschetrommel, ...)

"uberall auf. Experimente dazu sind ungef"ahlrlich und k"onnen von denSch"ulern selbst durchgef"uhrt werden.

2. Grobziele 4./5. Klasse:Vorg

"ange beobachten, beschreiben, erkl"aren; Diagramme, Masseinheiten.Selbst"andigexperimentieren. Ebenso wie unter 1; Begriffe wie Frequenz, Periode sind

zentral in der Physik und m"ussen "uber Kreisbewegungen eingef"uhrt wer-den. Kreisbewegungen sind daher eine Voraussetzung zum Verst

"andnisvon Schwingungen, Wellen und Wechselstrom; gerade dies sind aber die

Temen der 5. Klasse (Grundlagenfach) gem"ass Lehrplan! 3. Zusammenfassung: 3 Argumente

(a) Kreisbewegungen in Natur und Technik (Grobziele 2. Klasse)

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(b) selbst"andiges Experimentieren, Beobachten, Verstehen ist m"oglich

(c) Voraussetzung f"ur zentrale physikalische Begriffe, die in Lehrplan-Themen Verwendung finden

Frage 3: Wozu Physikunterricht? Das weiss ich eigentlich auch nicht... Weil es interessant ist??

Adressat: Sch"uler des Wirtschaftsgymis

1. Physik ist Voraussetzung f"ur das Verst"andnis von Technik. Technololgieund Innovation ist der Motor f

"ur den Wirtschaftsplatz Schweiz. Zu Ver-stehen, welche Technologien zukunftstr"achtig sind, Risiken und Gefahren

absch"atzen zu k"onnen geh"ort zur Kompetenz eines Verantwortlichen inder Wirtschaft. Anderenfalls ist er den Journalisten und Politikern hilflos ausgeliefert. Debatten "uber Atomkraftwerke, Handy-Antennen etc. solltenm

"oglichst objektiv und emotionslos gef"uhrt werden. Die Voraussetzungdaf"ur ist ein gewisses Basiswissen.

2. Auch viele Naturph"anomene k"onnen nur mit Hilfe der Physik verstandenwerden. Dazu geh

"oren unter anderem der Treibhauseffekt und die Ozon-schicht (z.B. das Ozonloch).

3. Methoden der Physik: Die Methoden, die man in der Physik lernt, lassensich auf vielen anderen Gebieten anwenden. Wenn man einem physikalischen Problem gegen"ubersteht, geht es zuerst darum, herauszufinden,welche Gr

"ossen wichtig sind und welche nicht. Dann analysiert man dasProblem, und man macht sich eine erste Vorstellung (Modell) und berechnet erste Absch"atzungen. Sp"ater wird dieses Modell verfeinert, modifiziertetc. Diese Vorgehensweise ist sehr kreativ! In einfachen Situationen (wie wir sie im Unterricht antreffen) ist es oft m"oglich, exakte L"osungen anzuge-ben. Das geht jedoch nicht immer. Dann muss man sich mit Ann

"aherungenzufriedengeben und die Gr"osse der gemachten Fehler absch"atzen.

In Ihrer Zukunft als Verantwortlicher in einem Unternehmen werden Sieebenfalls vor kompexen Herausforderungen oder Problemen stehen, die sie l"osen m"ussen. Oft haben Sie nicht alle Informationen, die Sie gerne h"atten,zur Verf

"ugung. Trotzdem m"ussen Sie Entscheidungen treffen. Da kann Ih-nen die Arbeitsweise der Phyisker helfen: Herausfinden, was relevant ist,

und was nicht. Das Problem analysieren und sich ein Bild/Modell davonmachen. Dann daraus kreative Schlussfolgerungen zur Probleml

"osung zie-hen, die aber immer wieder kritisch hinterfragt und wenn n"otig angepasst

werden m"ussen.Es ist

"ubrigens kein Zufall, dass viele Phyisker in Unternehmensberater-Firmen landen!!

4. Zum Schluss: Physik ist doch einfach auch sch"on und cool. Man

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Frage 4: Leitprogramme

1. Vor- und Nachteile

(a) Vorteile:

i. liefern Abwechslung im Unterrichtsstil ii. f"ordern selbst"andiges Arbeiten, Eigenverantwortung; sind adap-tiv (individuelles Lerntempo/Arbeitsort); F

"orderung leistunsf"ahigerSch"uler

iii. Sch"uler werden als m"undig betrachtet

iv. Lernkontrolle

(b) Nachteile:

i. Lehrer hat wenig Kontakt zur Klasse w"ahrend der Bearbeitung;er muss die Sch

"uler alleine lassen; Problem bei zur"uckhaltendenSch"ulern

ii. Falsche Selbst-Einsch"atzung der Sch"uler: Haben sie einen Level

"ubersprungen, glauben sie, das Thema wirklich zu beherrschen.Sie laufen dann bei anderen Fragen auf.

iii. Interaktionen, Diskussionen (z.B. von Experimenten) fallen weg(z.B. soziale Dimension der Konstruktion von Wissen)

2. Leitprogramme in Klasse, die Physik nicht liebt

(a) Abwechslung (b) Selbstverantwortung der Sch"uler ) Selbstbewusstsein, wenn manvorankommt

(c) breites Angebot ) interessante Themen (d) Problem: Motivation (da Sch"uler selbst"andig arbeiten m"ussen), man-gelnder Kontakt

Hydrodynamik Frage 1: Zeitbudget

1. 20 Lektionen ) effektiv ca. 16 2. Themen: gem"ass Lehrplan Optik, Mechanik, W"arme, Elektrizit"atMechanik und Optik h

"atte ich in den vorangehenden Quartalen schonbehandelt. Das letzte Quartal w"urde ich f"ur Hydrostatik und Elektrizit"at

reservieren. 3. Hydrostatik: Druck, Hydraulik, Schweredruck, Luftdruck) Vorteil: man kann einfache Experimente mit wenig Aufwand (Wasser,

Schl"auche, Flaschen) machen; eignet sich f"ur Sch"ulerexperimente, Werk-statt etc. Die Sch

"uler haben so im letzten Quartal Gelegenheit, Physik zuerfahren, und sie haben wom"oglich auch Spass daran.

Zeitbudget: ca. 8-10 Lektionen

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4. Elektrizit"at: Begriffe Strom, Spannung, Ohmsches Gesetz, einfache Schalt-kreise

Das Wassermodell kann eventuell verwendet werden, da die Sch"uler ausder Hydrostatik nun den Druck kennen. Die Gefahr ist jedoch, dass sie dadurch "uberfordert werden (das Wassermodell ist ja doch etwas subtil).Nachdruck muss auf die Alltagsvorstellungen der Sch

"uler (Strom wird"verbraucht", statt Energie/Leistung; lokale/sequentielle Argumentation)

gelegt werden.Elektrizit

"at ist etwas, das von den Sch"ulern nat"urlicherweise mit Physikassoziiert wird. Also sollte man das - wenn auch nur kurz - am Ende der

Unterstufenzeit behandeln. 5. Schwierigkeiten:

(a) Elektrizit"at k"onnte f"ur schw"achere Klassen schwierig sein. Ich w"urdesie dort nicht zu ausf

"uhrlich, zu tief behandeln (z.B. Veloketten- undSkipistenmodell statt Wassermodell).

Wenn n"otig, w"urde ich in diesem Fall auch l"anger bei der Hydrostatikverweilen. Die Elektrizit

"at w"are dann sozusagen der Puffer.

(b) Starke und/oder interessierte Klasse: Die Elektrizit"at wird ausf"uhrlicherbehandelt, ev. mit Wassermodell, Sch

"ulerexperimenten und/oder Werk-statt.

Die Hydrostatik bereitet nach meinen Erfahrungen keine besonderen Schwie-rigkeiten. Und die Sch

"uler lieben die Ph"anomene, die da auftreten.

Frage 2: Sch"ulerexperiment ( "Olfleck)

1. Voraussetzungen: Die Sch"uler haben bereits W"armelehre gehabt, insbe-sondere die Molek

"ulbewegung und das Verdampfen. Sie wissen, das Ma-terie aus Atomen/Molel"ulen besteht; sie wissen auch, dass sich Molek"ule

in Fl"ussigkeiten gleichm"assig ausbreiten, durch die Brown'sche Molekul-arbewegung (das hat man, glaube ich, sogar in der Biologie).

2. Warum Sch"ulerexperiment?Das Teilchenmodell ist unanschaulich. Man "sieht" die Teilchen nicht. Der

Lehrer, das Fernsehen etc. sprechen davon, und man glaubt daran. Aberwie kommt man auf diese Idee? Das Experiment erlaubt den Sch"ulern, mit einfachen Mitteln mit dem Mo-lek

"ulmodell in Ber"uhrung zu kommen (enaktiv). Sie erfahren die "M"achtigkeit"dieses Modells. Das Verdunsten wurde vorhin theoretisch von Lehrer erkl"art. Nun sind sie selbst in der Lage, die Gr"osse eines Molek"uls zu bestim-men! Dies schafft auch ein Erfolgserlebnis: Man macht "richtige" Physik!

3. Klassenstufe: Geht bereits im Untergymi, da einfach durchzuf"uhren undungef

"ahrlich; mathematische Voraussetzungen zur Auswertung sind mini-mal.

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Frage 3: Puzzle

1. Zum Beispiel Hydrostatik, Unterstufe: 2. Voraussetzungen: Basics "uber Auflagedruck und hydrostatischen Druck;Vertrautheit mit Einheiten bar und Pascal.

Neu sind 1) Anwendungen (Hydraulik) und 2) Schweredruck.

(a) Hydraulik: Wie kann man grosse Lasten heben? (b) Schweredruck: Experiment mit Petflasche; kurze Lernaufgabe, ev.Text lesen und verstehen; Beispiel: Tauchen.

(c) Druckmessung: Manometer (kann man selber bauen: man brauchtnur einen transparenten Schlauch und ein Metermass!). (d) Luftdruck: Warum gibt es Wind? 3. Zum Beispiel Ohm'sche Gesetze, Grundlagenfach:

(a) Widerstand messen (b) Serie-/Parallelschaltung

(c) Knotenregel (d) Schaltkreis bauen: Software-Paket (was passiert, wenn Widerstandhinzukommt/weggenommen wird?)

4. Zeitbedarf: 1 Lektion zur Durchf"uhrung, 1 Lektion zur Pr"asentation 4. Didaktische Rekonstruktion K"uhlschrank

1. Elementarisierung:

(a) Frage: Wie transportiert man W"arme von innen nach aussen? (b) Wir haben gelernt: spezifische Verdampfungs- bzw. Kondensationsw"arme.Zum Verdunsten braucht es W

"armeenergie, ohne dass die Substanzselbst w"armer w"urde. Sie verdunstet nur.

Kondensiert sie, wird die Verdunstungsw"arme wieder frei. (c) L"asst man also im K"uhlschrank drin etwas verdunsten und bringtden Dampf nach aussen, kann man W

"armeenergie von innen nachaussen transportieren. Im K"uhlschrank wird es dann k"alter, denn die

zum Verdunsten n"otige Energie muss ja von woher kommen. Genausofunktioniert ja auch das Schwitzen, etc.

(d) Irgendwie muss man es jetzt fertigbringen, dass eine Fl"ussigkeit inden K

"uhlschrank hineinkommt, dort verdampft, der Dampf hinaus-geht, kondensiert etc. Man braucht also einen K"uhlkreislauf.

(e) Die Fl"ussigkeit sollte bei K"uhlschranktemperatur (ca. 5 Grad) ver-dampfen, und bei Raumtemperatur (25 Grad) ausserhalb kondensieren. Wie macht man das??

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(f) Verdampfungstemperatur h"angt vom Druck ab (Verdampfungskur-ve). Je tiefer der Druck, desto tiefer die Verdampfungstemperatur.

Im K"uhlschrank drin muss daher der Druck tief, ausserhalb hochsein.

(g) Den Druck erh"ohen kann man mit einem Kompressor. Das ist dasTeil am K

"uhlschrank, das man h"ort. Reduzieren tut man ihn miteinem Expander (im Prinzip eine D"use).

(h) Nun alles an einem Schema zeigen. Ev. K"uhlschrankmodell laufenlassen, falls in der Sammlung eins ist.

(i) Zum Schluss: Was f"ur ein K"uhlmittel nimmt man? Ev. CFKW-Problematik. 2. Elementarisierungs-Kriterien:

(a) Fachgerecht: Klar. Umlernen wird sp"ater nicht notwendig sein. (b) Sch"ulergerecht: die Sch"uler haben die Voraussetzungen (Verdunstungsw"arme,Dampfdruckkurve). Sch

"uler des Grundlagenfachs sollten obige Er-kl"arung problemlos nachvollziehen k"onnen.

(c) Zielgerecht: Die Sch"uler verstehen nun, wie ein K"uhlschrank funktio-niert. Sie erkennen die Verkn

"upfung von zuvor gelerntem physikali-schem Wissen mit ihrer Lebenswelt.

Starrer K"orper Werkstattunterricht Unter- bzw. Oberstufe 3 Punkte:

1. Material: Sorgfalt, Gefahren; Unterstufe ) sch"ulerfestes Material 2. Typ der Aufgaben: Bei Oberstufe kann man eher mal Paper-Pencil-Aufgabengeben

3. Vorwissen: Bei Unterstufe ist das Vorwissen beschr"ankt. Dies ist zu ber"ucksichtigen,damit Aufgaben selbst

"andig gel"ost werden k"onnen

4. Zeitbedarf: "Ahnliche Aufgaben verlangen mehr Zeit bei Unterstufe 5. Disziplin: Kann bei Unterstufe ein Problem sein. Daher eher keine Paper-Pencil-Aufgaben, sondern solche, wo man Hand anlegen kann.

Frage 2: Konstruktionsspiele Warum Schiff aus Styropor bauen?? Kommt im Lehrplan ja nicht vor!

1. Rahmenlehrplan:

(a) Grundfertigkeiten: Probleme erfassen, formulieren, l"osen;selbst

"andig und im Team arbeiten

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(b) Grundhaltungen: An physikalischen Problemstellungen genau undsystematisch arbeiten Dies wird mit diesem Konstruktionsspiel ja gerade ge"ubt! 2. Lehrplan KZO: Selbst"andig experimentieren, Probleme in Gruppe bear-beiten/pr

"asentieren:Die Sch"uler lernen physikalische Arbeitsweise: Zuerst Analyse des Problems (Was ist wichtig? Was ist gefragt? Was wissen wir? Wie k"onnen wirdas Problem angehen?). Dann ist Kreativit"at gefragt! Man muss etwas bauen, d.h. mit der wider-spenstigen Materie k

"ampfen, so wie es der Physiker/Ingenieur tun.Dann muss die Sache weiter auf Fehler/Nachteile analysiert und verbessert

werden. So arbeitet auch der Physiker/Ingenieur.Man sieht auch, dass das Zeit braucht; das kommt im Lehrervortrag/DemoExperiment kaum zum Ausdruck.

3. Physik und Technik (Rahmenlehrplan): Physikalisches Wissen soll tech-nisch angewendet werden ) Transfer

Auch aus Gestalten/Bauen entstehen physikalische Erkenntnisse. 4. Und, liebe Eltern, beachten Sie: In der Schweiz gibt es zuwenig Ingenieure!! 5. Selbstwertgef"uhl: Das steigt, wenn die Sch"uler einmal selbst etwas gemachthaben

Frage 3: Vorgebliche Kontexte Habe bl"odsinnigerweise kein Lehrbuch.

Elektrizit"at Frage 1: Modelle zum elektrischen Stromkreis

1. 6 Gr"ossen: Ladung Q - # Skifahrer - Wassermenge (Liter)Strom

I - # Skifahrer/min - Durchfluss (Liter/min)Spannung

V - Gef"alle - DruckdifferenzLeiter - Piste - R

"ohreIsolator - Pistenabschrankung - Wand

Stromquelle - Skilift - Pumpe 2. Tauglichkeit beider Modelle: Vorteile:

(a) Alltagsbezug bzw. pers"onliche Erfahrung, v.a. Skimodell; Wasser:Anschaulichkeit, aber subtiler

(b) Wirkt lokaler und sequentieller Argumentation entgegen, wenn rich-tig angewandt!

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(c) Wasser ) man kann ein Modell im Schulzimmer zeigen. Nachteile:

(a) Gefahr beim Wassermodell: dass globale Eigenschaften des Strom-kreises verloren gehen. Z.B. Aufteilen des Flusses durch Insel ) sequentielle Argumentation. Reservoir, das leer wird ) Strom wird"verbraucht". ) geschlossener Kreislauf!! Horizontale Anordnung! (b) Wassermodell ist subtil, f"ur Untergymi weniger geeignet. Im 10. Schul-jahr sollte es gehen.

(c) Skipistenmodell: Es gibt keinen Verbraucher! Das ist schade, da Strom-kreise ja zu etwas da sind. Im Experiment hat man z.B. Lampen,

Motoren, beim Wassermodell Turbinen.Ausserdem ist die Globalit

"at unklar. Und die Skifahrer k"onnen sichstauen (sind kompressibel, d.h. man hat sozusagen "uberall Kondensatoren!). 3. Mein Vorschlag: Einf"uhrung mit Skipiste, dann Wassermodell.

Frage 2: Lernschwierigkeiten

1. Strom wird "verbraucht": Was verbraucht wird, ist Energie! Der Strom 2. sequentielle Argumentation: Der Strom fliesst konstant, und ihm stossenentlang des Leiters gewisse Dinge zu.

Was vorne passiert, interessiert den Strom weiter hinten nicht, er ist janoch nicht da.

3. lokale Argumentation: Ver"andert man an einer Stelle etwas am Stromkreis,hat das keine globalen Auswirkungen. Ein Widerstand mehr

"andert dieSpannungen "uber die anderen Widerst"ande nicht.

Frage 3: Repr"asentationstrias

1. Enaktiv: Strom sp"uren, z.B. mit Ger"at von CMC. Dann Bauen von Schalt-kreisen und Spannungen, Widerst

"ande messen. Vergleich mit Wassermo-dell aus Lektion.

2. Ikonisch: Graphische Darstellung U = RI aus Messung aus einfachemSchaltkreis. Auch Serien-/Parallelschaltungen messen. 3. Symbolisch: Ohm-Gesetz formulieren. Serien-/Parallelwiderst"ande mes-sen. Lernkontrolle: "Ubunsaufgaben ! Test lokale/sequentielle Argumentation (z.B.Aufgaben wie auf S. 12, 13)

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