Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung  4

2.  Curriculare Vorgaben  8

3.  Didaktische Überlegungen.  9

3.1  Entscheidung für ein didaktisches Modell  9

3.2  Merkmale des Entdeckenden Lernens.  14

3.3  Die Umsetzung des Entdeckenden Lernens in die Unterrichtspraxis  16

4.  Unterrichtsplanungen  19

4.1  Kerne  19

4.1.1  Sachanalyse  19

4.1.1.1  Die Entdeckung des Atomkerns  19

4.1.1.2  Eigenschaften des Kerns  21

I.  Kernkraft  21

II.  Kernradius  22

III.  Dichte der Kernmaterie  22

4.1.1.3  Die Nuklidkarte  23

4.1.1.4  Kernbindungsenergie  25

4.1.1.5  Das Potentialtopfmodell.  26

4.1.1.6  Der Coulombwall  28

4.1.1.7  Der Alpha-Zerfall  28

4.1.1.8  Der Tunneleffekt  29

4.1.1.9  Der Beta-Zerfall  29

4.1.2  Lernziele.  31

4.1.3  Unterrichtsablaufplan  33

4.1.3.1  Streuversuch nach Rutherford.  37

4.1.3.2  Eigenschaften des Atomkerns  41

4.1.3.3  Kernbindungsenergie, Massendefekt und Nuklidkarte.  44

4.1.3.4  Potentialtopfmodell und Coulombwall.  47

4.1.3.5  Zerfallsarten und Tunneleffekt.  49

4.2  Elementarteilchen.  53

4.2.1  Lernziele.  54

4.2.2  Sachanalyse  54

4.2.2.1  Die Suche nach dem Wesen der Materie  54

4.2.2.2  Die Entdeckung des Teilchenzoos  55

4.2.2.3  Elementarteilchenklassifizierung und Entdeckung der Quarks  56

2

4.2.2.4  Die Farbladung.  59

4.2.2.5  Fermionen und Bosonen.  59

4.2.2.6  Kräfte und Wechselwirkungen.  61

4.2.2.7  Von Demokrit zu Gell-Mann  63

4.3  Atome  64

4.3.1  Sachanalyse  64

4.3.1.1  Das Thomson´sche Atommodell  64

4.3.1.2  Das Rutherford´sche Atommodell  64

4.3.1.3  Das Bohr´sche Atommodell  66

4.3.1.4  Das Potentialtopfmodell.  67

4.3.1.5  Der Franck-Hertz-Versuch  70

4.3.1.6  Resonanzfluoreszenz  71

4.3.1.7  Energieniveauschema des Wasserstoffs.  72

4.3.1.8  Charakteristisches Röntgenspektrum  74

4.3.1.9  Stimulierte Emission  76

4.3.2  Lernziele.  78

4.3.3  Unterrichtsablaufplan  78

4.3.3.1  Atommodelle.  78

4.3.3.2  Franck-Hertz-Versuch und Umkehrung der Natriumlinie  82

4.3.3.3  Energieniveauschema des Wasserstoffs.  85

4.3.3.4  Charakteristisches Röntgenspektrum, stimulierte Emission  87

5.  Schlusswort  89

6.  Versicherung  92

7.  Abkürzungsverzeichnis  93

8.  Quellenverzeichnis  93

8.1  Literaturverzeichnis.  93

8.2  Internetquellen.  94

8.3  Sonstige  96

8.3.1  Homepages einiger Neutrinodetektoren.  96

8.3.2  Cartoon  96

9.  Anhang  97

9.1  Lernaufgaben.  97

9.2  Literaturempfehlung.  98

9.3  Anekdoten über berühmte Wissenschaftler.  98

9.4  Anekdoten aus dem Hörsaal.  101

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1. Einleitung

Dieser Unterrichtsentwurf für das Unterrichtsfach Physik am Fachgymnasium Technik wird als Hausarbeit im Rahmen der Ersten Staatsprüfung zum Lehramt an Berufsbildenden Schulen in Niedersachsen erstellt. Für diese Arbeit ist im Rahmen der ersten Staatsprüfung keine Erprobung vorgesehen. Jedoch beabsichtige ich, den Unterrichtsentwurf während meines Referendariats zu erproben, soweit dies möglich sein wird.

Unter dem Oberbegriff „Struktur der Materie“ lässt sich eine Vielzahl naturwissenschaftlicher Themen versammeln. Um einen Überblick zu bieten, ist es am nahe liegendsten, das Themenspektrum vom Allerkleinsten zum Allergrößten, bzw. vom Einfachsten zum Komplexesten auszubreiten (siehe Abbildung 1).

Die Aufzählung beginnt mit physikalischen Einzelthemen und geht dann dazu über ganze Wissenschaftszweige zu benennen. Dies lässt sich kaum vermeiden, da allein der Versuch die Struktur der Materie in allen Wissenschaftszweigen detailliert zu beschreiben, schon eine interdisziplinäre wissenschaftliche Arbeit erfordern würde. Auch bin ich mir bewusst, dass man über die von mir gewählte Reihenfolge und eingezeichneten Verzweigungen streiten könnte. So würde ein gläubiger Katholik möglicherweise mit der biblischen Genesis beginnen, da nach seinem Glauben alle Dinge von Gott ausgehen müssen. Es ist jedoch nicht Aufgabe dieser Arbeit, die Frage nach der Stellung der Wissenschaften unter dem Oberbegriff „Struktur der Materie“ zu erörtern. Ebenso wenig erhebt die Aufzählung einen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern dient allein dem Zweck, den Umfang des Themenspektrums anzudeuten. Die Aufzählung wurde mit den Themen neuronalen Netzen als die komplexesten uns bekannten Strukturen auf der einen Seite und mit dem Universum selbst als die größte uns bekannte Struktur ¹ auf der anderen Seite beendet. Ausgehend von der Auffassung, dass die Eigenschaften der Materie alles im Universum bestimmen, könnte man über die naturwissenschaftlichen Gebiete hinaus auch alle übrigen wissenschaftlichen Disziplinen zur Struktur der Materie zählen. Dies wären z. B. Soziologie, Literatur, Kunst, Religion und Philosophie, um nur einige zu nennen. Kurz: alles, was Materie in allen ihren Strukturen hervorbringen und leisten kann, muss aus dieser Sicht zur Struktur der Materie gezählt werden. Ob man sich dieser Sichtweise anschließt, halte ich für eine philosophische Frage, die ich an dieser Stelle nicht weiter erörtern möchte.

¹ Auf spekulative Theorien über eine Vielzahl weiterer Universen, die mit unserem ein viel größeres Multiver-

sum bilden, soll hier nicht eingegangen werden.

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Da diese Arbeit für das Fach Physik erstellt wird, werde ich mich auf die physikalischen Aspekte des Themas beschränken. Bei der Betrachtung von Abbildung 1 wird offensichtlich, dass der Versuch, alle physikalischen Aspekte des Themas zu bearbeiten, jeden vernünftigen Umfang weit überschreiten würde. So wird z.B. das Thema Festkörperphysik wegen seines großen Umfangs vollständig ausgelassen. Auch ist es nicht bei jedem dieser Themen sinnvoll, es für einen Unterricht des Fachgymnasiums Technik zu bearbeiten. So interessant z.B. die Biologie auch ist, gehört sie nicht zum Fächerbereich des technischen Fachgymnasiums. In-

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nerhalb des Fachs Physik wären auch die Themen Molekularphysik, das Sonnensystem, die Galaxien und das Universum sinnvoll, denn alle diese Bereiche werden mit physikalischen Mitteln erforscht. Jedoch würden sie den Rahmen dieser Arbeit und nicht zuletzt die Rahmenrichtlinien des Niedersächsischen Kultusministeriums für die gymnasiale Oberstufe im Fach Physik (im Folgenden der Einfachheit halber nur noch als Rahmenrichtlinien bezeichnet) aber immer noch sprengen. Hierzu wird im übernächsten Absatz ein Auszug zitiert.

Grundsätzlich sollten meiner Ansicht nach aber auch die für einen Schulunterricht ungewöhnlichen Themen wie z.B. Sonnensysteme oder Galaxien gelegentlich aufgegriffen werden, da sie über die Themen des alltäglichen Physikunterrichts hinausgehen. In den Rahmenrichtlinien steht zu den Grundsätzen der Unterrichtsplanung:

„Diese Rahmenrichtlinien lassen Freiräume, die von Fachkonferenzen sowie Kursleiterinnen und Kursleitern eigenverantwortlich und im Hinblick auf die einzelne Lerngruppe auszufüllen sind. (...) Wenn der Unterricht konsequent auf die genannten Inhalte beschränkt bleibt, füllen diese und die an ihnen zu vermittelnden Qualifikationen zwei Drittel der Unterrichtszeit von drei bzw. fünf Wochenstunden aus. Das setzt voraus, daß an ausgewählten Stellen Inhalte im Sinne des exemplarischen Prinzips ausführlich behandelt und andere Unterrichtsabschnitte im Sinne orientierenden Lernens im Überblick unterrichtet werden. Für die verbleibende Zeit muß entschieden werden, ob sie für Vertiefungen oder für thematische Erweiterungen verwendet werden soll.“ (Niedersächsisches Kultusministerium, 1997, S.6)

Die genannten Freiräume könnten auch mit „exotischeren“ Themen aus den Bereichen Astronomie oder Astrophysik gefüllt werden, insbesondere, wenn dies unter aktiver Mitarbeit der Schüler, beispielsweise mittels Referaten geschieht, und sofern die verbleibende Unterrichtszeit und das Interesse der Schüler eine Bearbeitung dieser Punkte zulassen. Denkbar wäre auch ein fächerübergreifendes Projekt unter Einbeziehung anderer naturwissenschaftlicher Fächer, mit dem sich ein größerer Bereich des Themenspektrums abdecken ließe.

Da diese Arbeit eine Einzelleistung und weder als Projekt noch fächerübergreifend geplant ist, werde ich mich auf die drei obersten Themen aus Abbildung 1 beschränken. Dabei muss das Thema Elementarteilchen vor den Atomkernen behandelt werden, da es zu viele Punkte, die aus didaktischen Gründen zuerst bei den Kernen bearbeitet werden müssen, vorwegnehmen würde. Die besagten didaktischen Gründe folgen aus der Wahl des didaktischen Modells, dem die Unterrichtsentwürfe folgen werden. Dieser Punkt wird unter 3.1 (siehe S. 8) weiter ausgeführt.

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In dieser Hausarbeit werden vier Schwerpunkte bearbeitet:

- Die Suche nach einem didaktischen Modell als Planungsrahmen, sowie seine Merkmale und die Möglichkeiten zur praktischen Umsetzung,

- die Sachanalysen der einzelnen Unterrichtsthemen,

- der Entwurf einer Struktur für die Unterrichtsablaufpläne,

- sowie die Planung der einzelnen Unterrichtsstunden.

Zunächst sollen die curricularen Vorgaben betrachtet werden, die als einziger Punkt einer Bedingungsanalyse innerhalb dieser Arbeit thematisiert werden können, da es ohne die Erprobung in einer realen Schulklasse an weiteren Randbedingungen fehlt. Danach folgen die Wahl eines didaktischen Modells, das als Planungsrahmen dienen soll, sowie seine Charakterisierung. Als letzter Schritt der theoretischen didaktischen Überlegungen wird versucht einen Weg aufzuzeigen, das Modell in die Unterrichtspraxis umzusetzen. Anschließend folgen die Planungen der einzelnen Unterrichtsstunden, denen immer eine fachsystematische Darstellung der jeweiligen Themen als Sachanalyse vorangestellt wird. Vor der ersten Unterrichtsplanung wird der Entwurf eines geeigneten Unterrichtsablaufplans stehen, der für alle weiteren Unter-richtsstunden genutzt werden wird.

Hinweis: In dieser Arbeit wird für die Benennung der Schülerinnen, Schüler, Lehrerinnen und Lehrer zur Erleichterung der Schreibarbeit stets allein die maskuline Form gebraucht. Ich bitte darum, diese Bezeichnungen als geschlechtsneutral zu verstehen. Das Gleiche gilt für alle übrigen Formulierungen, bei denen eine geschlechtsspezifische Ausdrucksweise möglich wäre.

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2. Curriculare Vorgaben

Das Niedersächsische Kultusministerium nennt in seinen Rahmenrichtlinien u.a. die Themen Atommodelle, Struktur der Atomkerne, Kernstrahlung und Einführung in die Elementarteilchenphysik (vgl. Niedersächsisches Kultusministerium, 1997, S.29 ff.), die den Themenbereich in diesem Unterrichtsentwurf abstecken. Weiterhin benennt das Niedersächsische Kultusministerium vier Gruppen fachlicher Qualifikationen, die über die verpflichtenden Inhalte hinaus vermittelt werden sollen (vgl. ebd., S.7 ff.). In der Gruppe „Fachliche Qualifikationen für das Bearbeiten erkenntnistheoretischer Fragestellungen“ steht u.a.: „Darstellen der historischen Entwicklung der Physik und der durch neue physikalische Kenntnisse verursachten Wandlungen des Weltbildes. Geeignete Beispiele sind: Modellvorstellung vom Licht, Vorstellung vom Atom...“ (ebd., S.11).

Diese Arbeit wird die geschichtliche Entwicklung der verschiedenen Themen mit in die fachsystematische Betrachtung und in die Unterrichtsplanung einbeziehen. Dies soll es den Schülern ermöglichen, ihr Wissen um physikalische Phänomene mit ihren Entdeckern zu verknüpfen und deren Weg zur Erkenntnis um die Natur dieser Phänomene, wenigstens teilweise, nachzuvollziehen. In der Physik sind ohnehin unzählige Entdeckungen und Gesetze untrennbar mit dem Namen ihrer Entdecker verknüpft, so dass sich eine geschichtliche Betrachtung geradezu aufdrängt. Es ist z.B. kaum denkbar, im Unterricht den Atomkern zu behandeln, ohne dass dabei der Name Ernest Rutherford fällt. Ebenso wenig können Atome bearbeitet werden, ohne dabei das Bohr´sche Atommodell zu betrachten. Darüber hinaus ermöglicht es diese Herangehensweise, die Schüler gelegentlich zu verblüffen, ihnen ein „Sense of Wonder“ zu verschaffen, wenn sie gleichsam im Zeitraffer die Erkenntnisse der großen Physiker nachvollziehen und so ihr physikalisches Wissen mit emotionalen Erlebnissen verbinden. Auf diese Weise kann eine Festigung des Erlernten erreicht werden, die eine rein fachsystematische Herangehensweise nicht erzielen kann. Lernen ist immer auch Gefühlssache (vgl. Riedl, 2003, S. 5). „Bei der Auswahl von Anlässen ... darf die affektive Seite nicht zu kurz kommen: Physikunterricht darf Spaß machen!“ (Niedersächsisches Kultusministerium, 1997, S.46).

Nach dieser kurzen Betrachtung der curricularen Vorgaben sollen als Nächstes die didaktischen Überlegungen einen breiteren Raum einnehmen.

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3. Didaktische Überlegungen

Als einer der Schwerpunkte dieser Arbeit (siehe S. 6) ist es die Aufgabe dieses Kapitels, das Handwerkszeug in Form des theoretischen Unterbaus für die Unterrichtsplanung bereit zu stellen. Analog zu den mathematischen Beschreibungen und den Geräten, derer sich ein Physiker bedient, sowie den wissenschaftlichen Regeln, denen er sich unterwirft, wenn er Forschungen betreibt, sind für mich als zukünftigem Lehrer die didaktischen Modelle und ihre Umsetzung in den praktischen Unterricht die Basis für alle weiteren Planungen. Im Gegensatz zur Physik handelt es sich bei der Didaktik nicht um eine exakte Wissenschaft ² , was die Arbeit damit nicht unbedingt erleichtert. Die Entscheidung für ein bestimmtes Modell ist bei allem Bemühen um Objektivität immer auch subjektiv beeinflusst. Umso mehr muss sich jede Arbeit, die sich mit der Didaktik beschäftigt, um die klare Darstellung aller Entscheidungen bemühen. Daher wird dieses Kapitel innerhalb meiner Arbeit einen relativ großen Raum einnehmen.

Die folgenden Überlegungen und Entscheidungen besitzen für alle Unterthemen dieses Unterrichtsentwurfs die gleiche Relevanz und werden daher an dieser Stelle für alle Themen übergreifend ausgeführt.

3.1 Entscheidung für ein didaktisches Modell

Zu Beginn der didaktischen Überlegungen galt es, sich für ein passendes didaktisches Modell zu entscheiden, das als Leitfaden für die weitere Planung fungieren sollte. Bei meinen Recherchen stieß ich auf eine Hausarbeit, die 1994 in Schleswig-Holstein von Jan-Peter Braun ³ erstellt wurde. Thema dieser Arbeit war die Analyse didaktischer Theorien und deren Einfluss auf die Fachdidaktik Physik. Diese Arbeit hat mir die Entscheidungsfindung wesentlich erleichtert. Zwar wurde die Hausarbeit für das Lehramt an Realschulen geschrieben, jedoch sind die Erkenntnisse und Schlüsse des Autors meiner Ansicht nach weitestgehend auch auf das Fachgymnasium anwendbar.

Folgende allgemeindidaktische Theorien hat Braun in seiner Arbeit analysiert: die „Kritischkonstruktive Didaktik nach Klafki, die Lehrtheoretische Didaktik nach Schulz, die Kybernetische Didaktik nach v. Cube, die Lernzielorientierte Didaktik nach Möller, die Kritisch-

² EinMathematiker würde möglicherweise einwenden, dass nur die Mathematik eine wirklich exakte Wissen-

schaft ist.

³ Mittlerweile Dr. Jan-Peter Braun

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kommunikative Didaktik nach Winkel, die Dialektisch orientierte Didaktik nach Klingberg, das Entdeckende Lernen nach Berlyne, Friedlander, Neber und Suchman, der Problemlösende Unterricht in einer Zusammenfassung von Lange, das Genetisch-exemplarisch-sokratische Lehren nach Wagenschein, der Erfahrungsbezogene Unterricht nach Scheller, der Offene Unterricht nach Schulze, Wallrabenstein und Wopp, der Handlungsorientierte Unterricht nach Bönsch, Gudjons, Jank und Meyer und der Projektunterricht nach Bastian, Gudjons und Frey“ (Braun, 1994, S. 8).

Diese dreizehn Theorien hat Braun aus mehreren Dutzend, in der Fachliteratur kursierenden, Theorien ausgewählt. Seine Kriterien waren in erster Linie der Bekanntheitsgrad, die Differenziertheit ⁴ sowie die Häufigkeit der Erwähnungen in der Primär- und Sekundärliteratur. Obwohl Braun zugibt, dass seine Auswahl trotz dieser Kriterien subjektiv bleiben muss (vgl. ebd., S.8), ist sie für meine Zwecke mehr als ausreichend.

Die analysierte fachdidaktische Literatur war: Fachdidaktik Physik von Bleichroth u.a., 1991, Physikunterricht und Menschenbildung von Häußler, 1992, Naturwissenschaftliche Bildung in der Bundesrepublik Deutschland von Riquarts, 1992 und Erlebniswelt Physik von Labudde, 1993 (vgl. ebd., S. 31).

In einer kurzen Zusammenfassung zu Beginn seiner Arbeit schreibt Braun:

„Es zeigt sich, daß keine der untersuchten Veröffentlichungen detailliert eine allgemeindidaktische Theorie aufgreift, um auf dieser Grundlage eine Fachdidaktik zu entwickeln“ (ebd., S. 2).

Er stellt in seiner Arbeit fest, dass die fachdidaktischen Veröffentlichungen weitgehend gegensätzliche Auffassungen vertreten, während sich die allgemeindidaktischen Modelle trotz der unterschiedlichen verfolgten Ziele in vielerlei Hinsicht einander angenähert haben und Widersprüche kaum noch erkennbar sind (vgl. ebd., S. 28 - 30). Dagegen sind sich die Autoren der fachdidaktischen Schriften selbst in der Einschätzung des Verhältnisses, in dem die Fachdidaktik zur allgemeinen Didaktik steht, uneinig:

„Jung, Mitautor von Fachdidaktik Physik, macht für die Diskrepanz zwischen Allgemeiner Didaktik und Fachdidaktik größtenteils die Allgemeindidaktiker verantwortlich. Es wird sich dagegen ausgesprochen, die Physikdidaktik als eine Teildisziplin der Allgemeinen Didaktik zu verstehen. Stattdessen sollte sie sich als Disziplin verstehen, die Fragestellungen und Er-

⁴ MancheTheorien unterscheiden sich nur in Nuancen voneinander (vgl. Braun, 1994, S.8)

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gebnisse verschiedener Wissenschaften aufgreift und bearbeitet. Physikunterricht und Menschenbildung räumt den erzieherischen und somit allgemeindidaktischen Fragestellungen gegenüber den fachinhaltlichen Vorrang ein. Auch wenn dieses nicht explizit Erwähnung findet, so drängt sich doch der Eindruck auf, daß die Fachdidaktik als Teildisziplin der Allgemeinen Didaktik verstanden wird. Nach Naturwissenschaftliche Bildung sieht die Mehrheit der Physikdidaktiker die Fachdidaktik Physik als eigenständige wissenschaftliche Disziplin an. Dennoch scheint die Einstellung der Autoren eher in die Richtung zu tendieren, daß die Fachdidaktik von der Allgemeinen Didaktik her begriffen wird“ (ebd., S. 66). Der im Zitat erwähnte Autor Jung bestreitet sogar, dass die Fachdidaktik Physik derzeit überhaupt als wissenschaftliche Disziplin anzusehen sei (vgl. ebd., S. 65).

Angesichts der Tatsache, dass unter den Fachdidaktikern der Physik in so gut wie keiner Hinsicht Einigkeit herrscht, aber die meisten Autoren die Fachdidaktik eher von der allgemeinen Didaktik her begreifen, habe ich mich entschlossen, meine Unterrichtseinheit nach einem allgemeindidaktischen Modell zu entwerfen, dem Entdeckende Lernen ⁵ , das als eine Sonderform des Problemorientierten Lernens angesehen werden kann. Josef Saxler schreibt zum Entdeckenden Lernen: „Alle Lehrverfahren, die weder einfaches Faktenlernen noch planloses Zufallsentdecken anstreben, sondern zu beantwortende Fragen und die Wege zu deren Beant-wortung in den Mittelpunkt der Überlegung stellen, können unter den Begriffen problemorientiertes und genetisches Lernen zusammengefaßt werden...“ (Saxler, Darmstadt, 1992). Das Entdeckende Lernen schließt eine ganze Reihe verschiedener Unterrichtsmethoden mit ein, wie unter 3.3 (siehe S. 15) noch gezeigt wird.

Im Gegensatz zu den meisten didaktischen Modellen geht das Entdeckende Lernen nicht ausdrücklich von höheren Bildungsidealen ⁶ aus, die stets auch Erscheinungen des jeweiligen Zeitgeistes sind und sich dementsprechend ständig ändern. Da es sich beim Entdeckenden Lernen um ein Modell aus der Kognitionspsychologie handelt, setzt es in erster Linie bei der Verbesserung des Verständnisgrades und dem Behalten neuen Materials an (vgl. Braun, 1994, S. 15 f.). Auch für die Inhalte des Unterrichts werden keine übergeordneten abstrakten, gelegentlich auch banalen, Vorgaben gemacht, wie z.B. die Forderung, dass die Inhalte wichtig für die Gesellschaft sein müssen ⁷ , oder der Inhalt müsse lösbar sein ⁸ , was sich bei der Schulphysik von selbst versteht. Besonders bei den naturwissenschaftlichen und mathematischen

⁵ Da es sich bei diesem Begriff um die Bezeichnung eines didaktischen Modells handelt, behandele ich ihn als

Eigennamen und werde ihn groß schreiben, obwohl manche Autoren, die ich zitieren werde, die Kleinschreibung

bevorzugt haben.

⁶ Wie etwa der Demokratisierung und Humanisierung aller Lebensbereiche, was von der Kritisch-

kommunikativen Didaktik gefordert wird (vgl. Braun, 1994, S. 25).

⁷ Eine Forderung aus dem Problemlösenden Unterricht (vgl. ebd., S. 26).

⁸ Wird ebenfalls für den Problemlösenden Unterricht gefordert (vgl. ebd., S. 26).

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Fächern könnte das zu endlosen Diskussionen führen, z.B. über die Frage, ob es gesellschaftlich relevant ist, zu wissen was ein Quark ist, und der Unterricht könnte mit in der Praxis nicht einlösbaren Ansprüchen überfrachtet werden. Wolfgang Schulz schrieb zur Rechtfertigung solcher Forderungen in seinem Hamburger Modell der Unterrichtsplanung (Hervorhebungen vom Autor):

„Hat das Modell... nicht utopische Züge, da es doch einen in der Anregung und Beratung von Gruppenprozessen sich professionalisierenden Lehrer fordert, sich an eine Schülerschaft wendet, die ihre Chance, aus dem Unterricht das Mögliche für sich zu machen, ergreifen will, und unterstellt, daß der Schulträger, seinem offiziellen Selbstverständnis folgend, bereit ist, den Raum für verantwortliches pädagogisches Handeln im Unterricht nicht weiter einzuengen, sondern seine Tendenz zur Verrechtlichung und Bürokratisierung zu ändern? Antwort: Ein Modell, das keine Anstöße zur Innovation des Unterrichts, der Schule, der Lehrerbildung gibt, braucht niemand. Durchwurstel-Modelle sind bekannt genug. Ohne die Bereitschaft, unter Rückschlägen vorankommend, sich in der Abarbeitung am Arbeitsplatz mit diesem zu verändern, kommen wir in den Schulen nicht aus und ein Weg dazu ist der wiederholte Versuch, an die Grenzen des heute Möglichen zu gehen. Das geschieht nicht in der Illusion, allein dadurch ließe sich die Schule verbessern, aber in der Gewißheit, nur unter Einbeziehung dieses Weges geschieht es“ (Schulz, 1980, S. 80).

Sogar Schulz selbst betrachtet also sein Hamburger Modell als ein theoretisches Konstrukt mit utopischen Zügen. Damit soll weder die Notwendigkeit von höheren Bildungszielen jenseits der Fachsystematik, noch die Wichtigkeit theoretischer, sogar utopischer didaktischer Modelle bestritten werden. Zur Mahnung daran, dass Lehrer mehr sein müssen als Vermittler bloßen Fachwissens, sind didaktische Modelle wie das Hamburger Modell prädestiniert. Sie geben dem Praktiker im Unterricht ein Ideal vor, das er zum Nutzen der Schule im Allgemeinen und zum eigenen Ansporn im Speziellen anstreben, das er aber niemals vollständig verwirklichen kann. Für die Planung des täglichen Unterrichts sind derartige Modelle jedoch weniger geeignet. Würde man versuchen das Ideal des Hamburger Modells mit einem Unterrichtsplan in die Praxis umzusetzen, müsste man an seinen hohen Ansprüchen unweigerlich in der Unterrichtspraxis scheitern.

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Weitere Aspekte, die für die Entscheidung zugunsten des Entdeckenden Lernens sprechen, sind:

- Das Konzept des Entdeckenden Lernens fordert im Gegensatz zu vielen modernen Modellen nicht ausdrücklich die Mitarbeit der Schüler ⁹ an der Auswahl der Unterrichtsinhalte (vgl. Braun, 1994, S. 27), was in dieser Arbeit unmöglich ist, da die Unterrichtsplanung hier ohne eine reale Schulklasse auskommen muss.

- Das Entdeckende Lernen lehrt Schüler viel mehr als bloßes Faktenwissen. „Entscheidend ist, dass beim problemlösenden Unterricht der Lernende in einem kreativen Akt über das Vermittelte bzw. bisher Bekannte oder Erfahrene hinaus zu neuem, erweitertem Wissen gelangt. Der spezifische Gesichtspunkt, der beim entdeckenden und problemlösenden Lernen damit in den Blick kommt, ist der heuristische Prozess des Auffindens von Lösungsideen; an dieser Stelle sind immer Phantasie und Kreativität gefragt“ (Lind, Kroß, Mayer, 1998, S. 41). „Dabei wird nicht nur neues Wissen, werden nicht nur neue Fähigkeiten via Entdeckung erworben, sondern auf einer darüber liegenden Ebene auch Wissen entwickelt, wie man in offenen, problemhaltigen Situationen mit seinem vorhandenen Wissen, mit seinen vorliegenden Fähigkeiten umgehen kann. Es entspricht dem Auftrag der Schule, diese Qualität des Lernens ebenfalls anzuvisieren, d.h. durch unterrichtsmethodische Arrangements das Erreichen dieser Qualitätsebene für möglichst viele Schüler sicherzustellen“ (Terhart in: Lind, Kroß, Mayer, 1998, S. 41)

- Als primäre Methoden des Entdeckenden Lernens wird das Finden von Problemlösungen mittels Denken oder Forschen genannt, sowie das Auslösen von Überraschung, Zweifel, Verwirrung und Widerspruch (vgl. Braun, 1994, S. 16). Diese Methoden drängen sich für den Physikunterricht geradezu auf, da sich eine Vielzahl von Möglichkeiten bietet, den Schülern überraschende Sachverhalte ¹⁰ zu zeigen.

- Das Hervorrufen von Überraschung, Zweifeln usw. passt perfekt zu den Anlässen für das Physiklernen, die das Niedersächsische Kultusministerium nennt:

„Lernprozesse im Physikunterricht werden ausgelöst durch:

⁹ Die Mitarbeit der Schüler wird allerdings auch nicht ausgeschlossen.

¹⁰ Klassische Beispiele, die in dieser Arbeit eine Rolle spielen werden, sind der Massendefekt und die scheinbare

Verletzung von Energie- und Impulserhaltungssatz beim β -Zerfall.

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Für das Gelingen des Lernprozesses ist es förderlich, wenn Schülerinnen und Schüler die ausgewählten Anlässe zu ihren eigenen machen. Dies kann durch den Rückgriff auf Fragen erreicht werden, die von ihnen eingebracht oder im Laufe des Unterrichts aufgeworfen werden. (...) Verschiedene Studien zeigen u.a. Aspekte auf, die den Unterricht für Mädchen, aber auch für Jungen interessanter werden lassen: (...)

Aus diesen Gründen habe ich mich für das Entdeckende Lernen als didaktische Grundlage für die Planung der Unterrichtsstunden in dieser Arbeit entschieden. Das folgende Kapitel befasst sich mit der Charakterisierung dieses Modells.

3.2 Merkmale des Entdeckenden Lernens

Wie schon erwähnt, handelt es sich beim Entdeckenden Lernen um ein Konzept, das aus der Kognitionspsychologie stammt. Es ist eine Form des Problemlösens, welche die spontane Neugier der Lernenden als intrinsische Motivation ausnutzt, bei der Lernende selbständig Hypothesen und Lösungen entwickeln und diese durch gerichtetes Denken oder Experimentieren überprüfen. Dabei gibt es keine feststehenden Lösungswege. Es wird davon ausgegangen, dass neue Sachverhalte durch erfolgreiche Problemlösungen gelernt werden. Für die Problemlösung ist der Transfer früher gelernter Sachverhalte auf das Problem notwendig. Da intrinsische Motivation und Belohnung mittels eines motivierenden Konfliktes und spätere Lösung systematisch ausgenutzt werden (vgl. Braun, 1994, S. 16), ist es wichtig darauf zu achten, dass alle Schüler die meisten Aufgaben lösen können. Andernfalls träte ein doppelter Negativeffekt ein: der Lernende hat ein Misserfolgserlebnis und lernt nichts (vgl. Gautschi, http://www.labor.didaktikum.ch/bej_online/lehren_lernen_2001/lele_IIIB_1.htm, 2001).

Es gibt zwei Formen des Entdeckenden Lernens:

- Das offene Entdeckende Lernen, bei dem die Problemstellung selbst gefunden und formuliert werden muss und

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- das gelenkte Entdeckende Lernen, bei dem die Aufgabenstellung vorformuliert und ggf. Hilfsmittel zur Lösung gegeben werden (vgl. ebd.).

Da das Finden einer Lösung beim Entdeckenden Lernen so wichtig, Schulunterricht aber stets zielorientiert und zeitlich limitiert ist, wird für diesen Unterrichtsentwurf das gelenkte Entdeckende Lernen gewählt. Dazu schreibt Saxler: „Nach den bisherigen Überlegungen ist es fast selbstverständlich, daß entdeckendes Lernen nicht ohne gut überlegte Anleitungen durch den Lehrer erfolgreich vor sich gehen kann. Es wird also kaum anders als in der Form des mehr oder weniger stark gelenkten entdeckenden Lernens ablaufen können. Freies Entdecken im Unterricht praktizieren zu wollen, ist eine Utopie, die deshalb von niemandem ernsthaft angestrebt werden sollte“ (Saxler, 1992, S. 22).

Weitere Merkmale des Entdeckenden Lernens sind:

- Es werden bessere Transfereffekte erzielt und eine bessere Behaltensleistung erreicht als beim üblichen Regel-Beispiel-Regel-Lernen.

- Ein relativ großes Ausmaß an Lenkung ist besser als wenig Lenkung.

- Das Entdeckende Lernen bringt vom Kindergarten bis zur Universität die gleichen Resultate.

- Das Entdeckende Lernen ist effektiver, wenn

Eine Gefahr des Entdeckenden Lernens ist sicherlich, dass die Neugier der Schüler zu schnell gestillt sein könnte und das Thema für sie damit „abgehakt“ wäre. Gero von Randow, ein Redakteur der Wochenzeitung „Die Zeit“, beschreibt dies lesenswert in einem völlig anderen, inhaltlich aber zu diesem Aspekt passenden, Zusammenhang ¹¹ :

¹¹ Von Randow stellt in seinem Buch „Mein paranormales Fahrrad“ als Herausgeber eine Auswahl an Aufsätzen

aus der Zeitschrift „The Skeptical Inquirer“ zusammen. Der Skeptical Inquirer ist eine Publikation der amerika-nischen Skeptiker-Bewegung, die sich zur Aufgabe gemacht hat, die Berichte über paranormale Ereignisse und

angebliche Verschwörungen wissenschaftlich zu untersuchen. Siehe 9.2, Seite 96.

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„Wenn sich etwas nicht erwartungsgemäß verhält, möchte ich eine Erklärung, und am liebsten eine solche, die ich mit einem beruhigten „Ach so, na dann“ quittieren kann. Das „Ach so“-Erlebnis hat einen etwas anderen Nährwert als das „Aha“-Erlebnis: es macht geistig satt, zuweilen auch ein wenig träge. Warum bekommen immer mehr Kinder Allergien (zumindest wird das gerne behauptet)? Wegen der Umweltverschmutzung. Ach so. Das Ach-so-Erlebnis beendet einen Zustand des Fragens, des Suchens, der gedanklichen Anstrengung. Es rationalisiert die Denkarbeit und stabilisiert die Weltanschauung. Den Widerspruch zwischen dem guten Gott und dem Bösen in der Welt lösten gnostische Sekten, indem sie die Welt als Werk einer bösen Kraft, des Teufels nämlich, interpretierten. Damit war wieder alles im Lot (nicht die Welt, aber das religiöse System")“ (von Randow, 1993, S. 9 f.).

Damit bringt von Randow das Problem in eine griffige Form. So gesehen gilt es also, ein „Ach-so-Erlebnis“ zu vermeiden und stattdessen ein „Aha-Erlebnis“ zu erzeugen, damit Lust auf mehr bleibt. Ob dies wirklich gelingt, kann letztlich wohl nur der praktische Unterricht zeigen.

Neben der Hervorrufung von Überraschung, Widerspruch usw. gibt es noch weitere Möglichkeiten einen Lernprozess zu starten und zu leiten. Einige in der Fachliteratur vorgeschlagene Möglichkeiten sollen im folgenden Kapitel vorgestellt werden.

3.3 Die Umsetzung des Entdeckenden Lernens in die Unterrichtspraxis

Eine für das gelenkte Entdeckende Lernen geeignete Methode zur Umsetzung in die Praxis ist die Lernaufgabe. Gautschi schreibt dazu:

„Die Lernaufgabe ist die Kleinform des gelenkten entdeckenden Lernens. Sie ist ein wichtiges didaktisches Instrument zur Unterrichtsführung. Nachdem die Lehrperson einen Themenbereich eingeführt und die Grundlagen dafür gelegt hat, stellt sie schriftlich eine weiterführende Aufgabe. Die Aufgabe ist so gestellt, dass die Lernenden während der Bearbeitung etwas Neues lernen können. Die Lernaufgabe ist nicht bloß eine Anwendungs- oder Übungsaufgabe, sie soll einen wirklich neuen Bestandteil enthalten, den die Lernenden selber entdecken können“ (Gautschi, 2001).

Eine solche Lernaufgabe geht über ein Arbeitsblatt hinaus. Im Gegensatz zu einem Arbeitsblatt ist bei einer Lernaufgabe der Lernweg nicht vorstrukturiert. Zur Entwicklung einer Lern-

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aufgabe und zum Umgang im Unterricht damit bietet Gautschi eine Liste mit acht Punkten, die zu beachten sind:

I. Die Schüler sollen durch die Bearbeitung der Lernaufgabe etwas Neues lernen. Es soll darin keine Wiederholung, Festigung oder Automatisierung vorgesehen sein. II. Die Aufgabe muss schriftlich vorliegen und kann vorgelesen oder projiziert werden. III. Alle Grundlagen und Hilfsmittel müssen bekannt und verfügbar sein. Die Suche

IV. Die Schüler erhalten wenn nötig Einstiegstipps, Hinweise zur Benutzung der Hilfs-

V. Klare Anweisungen zur Einzel-, Partner- oder Gruppenarbeit geben. Im Regelfall nicht benoten. VI. Je nach Lernaufgabe kann die Bearbeitungszeit 5 - 30 Minuten pro Unterrichts-stunde dauern.

VII. Die Kriterien für eine Lösung müssen vorher bekannt gegeben werden. Bei unter-

VIII. Die Schüler müssen über den Kontext und den Zweck der Lernaufgabe informiert

Ein weiteres mögliches Vorgehen beim Entdeckenden Lernen könnte folgendermaßen aussehen: Die Schüler notieren allein für sich alle Einfälle zur Problemstellung ohne dass der Lehrer unterstützend eingreift. Anschließend diskutieren die Schüler ihre Ideen zu zweit oder in kleinen Gruppen und arbeiten ihre Ideen aus. Zum Schluss geht der Lehrer von Schüler zu Schüler und honoriert jede Idee, auch wenn diese nicht hundertprozentig richtig sind (vgl. Löffelholz, Pletzer, Witte, http://paedpsych.jk.uni-linz.ac.at/INTERNET/ ARBEITSBLAETTERORD/UNTERRICHTSFORMORD/PREISS/method23.html).

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Weitere Anmerkungen zur praktischen Umsetzung des Entdeckenden Lernens in die Praxis stammen von Josef Saxler, von denen im Folgenden zwei kurz dargestellt werden:

- Zum Fragend- entwickelnden und Entdeckenden Lernen:

Diese Unterrichtsmethode ist heute wohl die am häufigsten anzutreffende. „Die Schüler können immerhin eigene Ideen einbringen also in gewissem Sinne auch entdeckend lernen. Wenn die Fragen - jedenfalls in den Naturwissenschaften - wirklich sinnvoll gestellt sind, dann enthalten sie ein Problem, an dessen Lösung sich die Schüler im Frage-Antwort-Spiel mit dem Lehrer...heranarbeiten können... Die entscheidenden Mängel sind zum einen, daß die Schüler veranlaßt werden Fragen zu beantworten, die sie gar nicht stellen wollten und die sie deshalb auch vielfach nicht interessieren... und zum anderen, daß die Planung von Lösungswegen durch die Lehrerfragen bereits vorgezeichnet ist, die Schüler also am wichtigsten Element des Problemlösens nicht beteiligt werden. Als Vorstufe zum entdeckenden Lernen bzw. zu seiner schrittweisen Einführung sollte die fragend-entwickelnde Methode aber immer ihren Platz behalten...zumal es...bei diesem Verfahren möglich ist,...die Schüler schrittweise zum eigenen Fragen anzuleiten und sich schließlich auf gelegentliche Hinweise zu beschränken“ (Saxler, 1992, S. 15 f.).

- Über freies oder gelenktes Entdeckendes Lernen:

„Freies Entdecken findet nicht einmal in der wissenschaftlichen Forschung statt. Jeder Forscher bekommt und holt sich ad hoc Anregungen aufgrund seiner eigenen Vorkenntnisse... aus den Veröffentlichungen anderer und im Meinungsaustausch mit Kollegen. Um so mehr müssen ganz konkrete Vorkenntnisse und Lernhilfen während des Unterrichtes oder vorher vom Lehrer bereitgestellt werden, damit die Schüler überhaupt Lösungsideen finden können. Je zahlreicher und stärker die gegebenen Hilfen sind, um so größer ist die Chance, daß das Gesuchte gefunden wird“ (ebd., 1992, S. 23). Dabei sollte man die Lernhilfen nicht so stark auslegen, dass die gesuchten Lösungen von allen Schülern mit Sicherheit gefunden werden können, da dies schnell zur Unterforderung der Schüler führen würde und sie sich auf einen echten Problemlösungsprozess nicht mehr einlassen müssten. Aufgabe des Lehrers ist es, die Lernhilfen so zu dosieren, dass die meisten Schüler eine Weile suchen müssten, um die Lösung zu finden. Dabei ist es besser, die Schüler etwas zu überfordern als zu unterfordern, da man im ersten Fall immer noch Zusatzinformationen geben kann, im Falle der Unter-forderung das Entdecken der Lösung aber unmöglich gemacht wird (vgl. ebd., 1992, S. 24 ff.).

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An dieser Stelle ist noch keineswegs sicher, dass die Umsetzung des Entdeckenden Lernens in einen realen Unterricht bei jedem beliebigen Lernstoff gelingen kann. Daher werde ich die Aufgaben dieser Arbeit um die Auslotung der Möglichkeiten, das Entdeckende Lernen auf die Atom- und Kernphysik anzuwenden, erweitern. Die dazu erforderlichen Unterrichtsplanungen sind im nächsten Kapitel zu finden.

4. Unterrichtsplanungen

Die folgenden Unterrichtsplanungen werden als erstes die Kernphysik, dann Elementarteilchen und als letzten Punkt Atome behandeln. Vor jeder Planung erfolgt zunächst eine Sachanalyse in Form eines fachsystematischen Überblicks über das Thema.

4.1 Kerne

Die Thematisierung des Atomkerns vor den Elementarteilchen ist notwendig, da es im Zusammenhang mit dem Entdeckenden Lernen wichtig ist, dass die Schüler noch keine Kenntnis von den zu entdeckenden Sachverhalten haben ¹² und unter dem Punkt Elementarteilchen notwendigerweise auch Neutronen und Protonen eine Rolle spielen müssen.

4.1.1 Sachanalyse

4.1.1.1 Die Entdeckung des Atomkerns

Anfang des 20. Jh., als sich die Überzeugung durchsetzte, dass die Materie atomar aufgebaut sein muss ¹³ , vermutete der Physiker Sir Joseph Thomson (1856 bis 1940) (Das Große Bertelsmann Lexikon 2001, DVD Edition, 2001), dass die positive Ladung und die Masse eines Atoms gleichmäßig über sein gesamtes Volumen verteilt und die Elektronen in dieser „verschmierten“ positiven Ladung verteilt seien (siehe Abbildung 2).

¹² Natürlich gehört die Existenz eines Atomkerns mit Protonen und Neutronen heute zum Allgemeinwissen.

Dieses Problem wird unter 4.1.3.1 auf Seite 37 noch erörtert.

¹³ Siehe Kapitel 4.2.2.1, S. 58

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Um 1911 wollte Ernest Rutherford (1871 bis 1937) (ebd.) dieses Atommodell überprüfen und beschoss dazu eine dünne Goldfolie (0,004mm) mit α -Teilchen. Mit einem Leuchtschirm

untersuchte er, unter welchem Winkel die α -Teilchen gegen die Einfallsrichtung gestreut

wurden (siehe Abbildung 3). Er erwartete, dass die massereichen Teilchen kaum abgelenkt durch die Goldfolie hindurchfliegen würden, weil sie die leichten Elektronen zur Seite schieben und durch das elektrische Feld der auf das gesamte Atomvolumen verteilten positiven Ladung nur wenig abgelenkt würden (siehe Abbildung 4) (vgl. Dorn-Bader, 1986, S. 378).

Das Ergebnis war ein völlig anderes. Der Großteil der He-Kerne durchsetzte die Goldfolie geradlinig, aber es wurden auch unter allen Winkeln gestreute α -Teilchen gefunden. Dafür

gab es nur eine Erklärung: die gesamte positive Ladung muss im Atom an einen Kern gebunden sein, der nur einen sehr kleinen Teil des Atomvolumens einnimmt (vgl. Dorn-Bader, 1986, S. 378).

Die größte Annäherung r an den Kern erreichen die α -Teilchen, wenn sie um 180 Grad zurückgestreut werden. Ein α -Teilchen mit der Ladung 2e befindet sich im Abstand r von der Kernladung Ze. Seine potentielle Energie beträgt: ) 2 )( ( 1 e Ze

. = W

4 πε r

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