Computergestütztes Lernen im Physikunterricht, dargestellt am Beispiel einer Lernsequenz aus dem Themenbereich "Schwingungen und Wellen" (9. Klasse)

Computergestütztes Lernen im Physikunterricht,

dargestellt am Beispiel einer Lernsequenz aus dem Themenbe-

reich „Schwingungen und Wellen“

(9. Klasse)

INHALTSVERZEICHNIS i

  I EINLEITUNG  1

  II HAUPTTEIL  3

1.  Computergestütztes Lernen im Physikunterricht  3

1.1.  Grundsätze des Computereinsatzes  3

1.2.  Einsatzformen des Computers  7

1.3.  Simulation versus Realexperiment  11

1.4.  Kriterien zur Bewertung von Software  12

2.  Physikalische Grundlagen Die Sachanalyse  14

2.1.  Schallarten Ton Klang Knall Geräusch  14

2.2.  Überlagerung von Schwingungen und Wellen  16

2.3.  Die akustische Schwebung  18

2.4.  Die Schallgeschwindigkeit  20

3.  Lernvoraussetzungen  23

3.1.  Anthropogene und soziokulturelle Lernvoraussetzungen  23

3.2.  Methodische Lernvoraussetzungen  24

3.3.  Stoffliche Lernvoraussetzungen  25

4.  Planung der Lernsequenz  27

4.1.  Formulierung und Begründung der Lernziele  27

4.2.  Bedeutung des Themas und Stellung im Lehrplan  33

4.3.  Überblick über die Lernsequenz  34

4.4.  Didaktische Reduktion  46

4.5.  Methodischer Kommentar  47

5.  Beschreibung und Reflexion der einzelnen Stunden  54

5.1.  Schallarten Ton Klang Knall Geräusch  54

5.2.  Die Interferenz von Schallwellen  57

5.3.  Die akustische Schwebung  59

5.4.  Messung der Schallgeschwindigkeit  62

5.5.  Evaluation der Motivation und Kognition  64

6.  Fazit  66

7.  Quellenverzeichnis  67

  III ANHANG  70

8.  Unterrichtsmittel  70

9.  Schülerarbeiten  111

EINLEITUNG 1

I. Einleitung

Der Einsatz des Computers als physikalisches Arbeitsmittel hat sich in der fachwissenschaft-

lichen Forschung, der Industrie, wie auch im Physikunterricht der Sekundarstufe II längst

etabliert, dem Physikunterricht der Sekundarstufe I blieb er jedoch relativ lange vorenthalten.

Mehrere Veröffentlichungen der jüngeren Zeit beschäftigen sich nun auch mit diesem Thema

– z. B. ist in der Reihe „Unterricht Physik“ bereits ein komplettes Themenheft zu dieser Mate-

rie erschienen [16] – und vielleicht kann auch diese Arbeit hierzu einen Beitrag leisten.

Die Einsatzmöglichkeiten des Computers sind sehr vielseitig, so können beispielsweise

Messwerte elektronisch erfasst und anschließend ausgewertet werden, Ergebnisse können

dargestellt und präsentiert werden oder auch Recherchen in sogenannten Wissensspeichern

erfolgen. Ein aktuelles Thema stellt die Informationsbeschaffung mit Hilfe des World Wide

Web dar.

Hauptziel der vorliegenden Arbeit „Computergestütztes Lernen im Physikunterricht, darge-

stellt am Beispiel einer Lernsequenz aus dem Themenbereich „Schwingungen und Wellen“ (9.

Klasse)“ stellt – neben dem Erreichen der fachlichen Lernziele – insbesondere das Erlernen

und Vorantreiben computergestützter physikalischer Arbeitsweisen durch die Schülerinnen

und Schüler dar. Der Nutzung des Computers als Messwerterfassungssystem und dem Einsatz

von Simulationen wird bei der Planung und Durchführung der Lernsequenz daher besondere

Beachtung geschenkt. Dabei geht es darum, den Computer stets an den Stellen einzusetzen,

wo er eine Verbesserung der Unterrichtsqualität bewirken kann. Keinesfalls sollen z. B. be-

währte Experimente oder andere Medien zwingend ersetzt werden.

Prinzipiell sind computergestützte Experimente zwar in allen Themenbereichen durchführbar,

zur Einführung der Arbeitsweise bietet sich jedoch im besonderen Maße der Themenbereich

„Schwingungen und Wellen“ mit dem Unterthema „Akustik“ an. Hierzu können nach dem

Anschließen eines herkömmlichen Mikrofons an die Soundkarte des Computers erstaunliche

Experimente durchgeführt und ausgewertet werden, was ein langsames Heranführen der Ler-

nenden an die neue physikalische Arbeitsweise ermöglicht.

Den fachlichen Schwerpunkt des Unterrichts bilden Phänomene, die auf der Überlagerung

von Schallwellen beruhen; behandelt werden die Klangfarben von Instrumenten, die Interfe-

renz von Schallwellen sowie die akustische Schwebung. Abschluss der Lernsequenz bildet die

computergestützte Messung der Schallgeschwindigkeit in Luft.

Neben dem Vorantreiben fachwissenschaftlicher Arbeitsweisen besteht ein weiteres Ziel die-

ser Arbeit in der Untersuchung der kognitiven und motivationalen Wirkungen des Computer-

einsatzes. Nach GIRWIDZ ([17], S. 107) spiegeln sich in zu global gestellten Fragen unrealisti-

sche Erwartungen wieder, weshalb man sich um deren Präzisierung bemühen müsse.

Folgende Leitfragen sollen durch die vorliegende Arbeit beantwortet werden:

Können physikalische Inhalte aus dem Themenbereich „Schwingungen und Wellen“

-

unter Nutzung neuer Medien besser vermittelt werden?

Können speziell schwierige Lerninhalte aus dem Themenbereich „Schwingungen und

-

Wellen“ mit Hilfe des Computers besser vermittelt werden?

Kann der Einsatz von Computersimulationen im Themenbereich „Schwingungen und

-

Wellen“ den Modellbildungsprozess wesentlich unterstützen?

Werden Inhalte aus dem Themenbereich „Schwingungen und Wellen“ unter Einsatz

-

von computergestützten Experimenten und Simulationen auch für Mädchen interes-

sant?

Nach der theoretischen Behandlung des Computereinsatzes im Physikunterricht (Kapitel 1)

und der fachwissenschaftlichen Darstellung des Lerngegenstandes (Kapitel 2) wird ausführ-

lich auf die Planung der Unterrichtssequenz eingegangen. Dabei werden, unter Berücksichti-

EINLEITUNG 2

gung der im Kapitel 3 beschriebenen Lernvoraussetzungen, die Lernziele formuliert und unter

anderem anhand des Lehrplans und der Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss

begründet. Einem Überblick über die Lernsequenz schließt sich eine Beschreibung der ihr

zugrunde liegenden didaktischen Reduktion und der Methodik des Unterrichts an.

Im Kapitel 5 wird der tatsächliche Unterrichtsverlauf dargestellt, dessen Reflexion und Evalu-

ation im Anschluss beschrieben werden. Die wesentlichen Erkenntnisse, die aus der Evaluati-

on der Lernsequenz gefolgert werden konnten, werden im Fazit (Kapitel 6) zusammengefasst,

wo auch die Leitfragen abschließend beantwortet werden.

Schülerarbeiten und zahlreiche Unterrichtsmittel, wie z. B. Arbeitsblätter oder zur Verfügung

gestellte Hilfen, befinden sich im Anhang dieser Arbeit.

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 3

II. Hauptteil

1. Computergestütztes Lernen im Physikunterricht

1.1. Grundsätze des Computereinsatzes

Beschäftigt man sich mit dem Computereinsatz im Physikunterricht, so muss man sich eines

im klaren sein: „Allein der Einsatz neuer Medien verbessert das Lernen noch nicht ([17], S.

107).“ Der Einsatz des Computers muss wohldurchdacht sein und sich an einigen Grundsät-

zen orientieren, auf die in diesem Kapitel eingegangen werden soll. Es handelt sich also kei-

neswegs um ein (relativ) neues Medium, dessen Einsatz prinzipiell in jedem Themenbereich

zu befürworten ist. „Begründet scheint der Computereinsatz immer dann zu sein, wenn die

Beschäftigung mit dem Lerngegenstand auf andere Weise nicht so gut oder gar nicht möglich

wäre ([11], S. 26)“.

1.1.1 Motivationale Wirkung

Nach BRADEMANN ([11], S. 26) erscheint es sinnvoll, den Computereinsatz nicht auf Gymna-

sien zu beschränken, da die motivationale und kognitive Wirkung der Softwarenutzung in

Sonderschulen gefolgt von Haupt- und Realschulen, besonders ausgeprägt ist.

Ein Problem stellt die Dauer einer computergestützten Lernsequenz dar. Empirische Untersu-

chungen von LEHMANN und LAUTERBACH [41] führten zu den folgenden Ergebnissen:

Die Motivationserhöhung durch einen PC-Einsatz nimmt bereits nach wenigen Wochen

-

wieder ab. Aus diesem Grund darf ein computergestützter Unterricht, der zu einer Motiva-

tionssteigerung führen soll, maximal 6 Wochen andauern ([11], S. 26).

Ein kurzer PC-Einsatz stellt zwar eine Abwechslung im Unterricht dar, führt jedoch nicht

-

zu einer Motivationssteigerung. (Diesem Punkt kann ich aus den eigenen bisher gesam-

melten Erfahrungen nicht zustimmen. Ein über einen längeren Zeitraum gestalteten tem-

poräreren computergestützten Unterricht führt m. E. zu einer deutlichen Motivationserhö-

hung bei den Lernenden.)

Mädchen sprechen sich ebenso für einen Computereinsatz aus wie Jungen und halten sich

-

gleichermaßen talentiert. Nach FREY [42] ändert sich die Einstellung der Mädchen um so

mehr, je länger der PC-Einsatz anhält. „Die Einstellung der Mädchen polarisiert sich mit

der Zeit immer stärker. Eine Extremgruppe der Mädchen überträgt anscheinend ihre ab-

lehnende Haltung gegenüber dem mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht auf

den PC ([11], S. 26).“

Die vom Lehrer erhofften motivationalen Effekte durch einen computergestützten Unterricht

werden natürlich nicht in jedem Fall erzielt. FREY schreibt hierzu in [42]: „Die Unterrichtser-

gebnisse zeigen, dass Computereinsatz nicht in jedem Fall eine Steigerung von Motivation

und Interesse gegenüber dem Unterrichtsfach mit sich bringt.“

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 4

1.1.2 Vorüberlegungen zum Computereinsatz

Nach CIESLA ist es nicht notwendig eine spezielle Didaktik des Computereinsatzes zu entwi-

ckeln, vielmehr sollte man die Computernutzung in die bereits bestehende Fachdidaktik des

Physikunterrichts einordnen, insbesondere auch in die fachdidaktischen Erkenntnisse zum

Unterrichtsmitteleinsatz. In [13] stellt er einen Fragenkatalog vor, über den vor dem PC-

Einsatz – wie auch beim Einsatz traditioneller Medien des Physikunterrichts – nachzudenken

ist:

Nach Beantwortung dieses Fragenkatalogs kann der Computereinsatz im Physikunterricht

zum Erwerb und zur Festigung von Wissen genutzt werden sowie physikalische Denk- und

Arbeitsweisen vermitteln [13]. Ganz entscheidend ist dabei auch die Frage nach der Funktion

des Unterrichtsmittels. Zum einen kann der Rechner als physikalisches Arbeitsmittel (zum

Beispiel bei der elektronischen Messwerterfassung) eingesetzt werden, zum anderen als päda-

gogisch-didaktisches Mittel (Medium). Der Computer besitzt im Physikunterricht also eine

Doppelfunktion (Abb. 1.1).

Abb. 1.1: Doppelfunktion des Computers im Physikunterricht

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 5

1.1.3 Multimediales Lernen durch den Computereinsatz

Ein entscheidendes Argument für den Computereinsatz besteht darin, dass durch ihn eine

multimediale Lernumgebung konstruiert wird (Abb. 1.2). Dadurch wird eine Multimodalität,

eine Multicodierung und eine Interaktivität ermöglicht, wie sie ohne Rechnernutzung selten

vorliegt. Ebenfalls zu erwähnen ist die Möglichkeit der Wissensstrukturierung durch die Er-

stellung von Mind-Maps.

Abb. 1.2: Multimediales Lernen durch Computereinsatz ([15], S. 109)

Multimodalität

Mit Multimodalität bezeichnet man die gleichzeitige Nutzung unterschiedlicher Sinneskanäle,

was nach GIRWIDZ eine spezielle fachdidaktische Perspektive hat: „Physikalische Phänomene

und ihre theoriegeleitete Beschreibung lassen sich zeitgleich zusammenführen. […] Die Akus-

tik mit dem Computer ist dazu ein gutes Beispiel. Hörempfindungen und eine weiterführende

Beschreibung akustischer Phänomene mit grafischen Mitteln lassen sich in einfacher Weise

kombinieren. Dies kann Zusammenhänge deutlich machen und Verständnisbrücken aufbauen

([15], S. 110).“

Multicodierung

Der Begriff der Multicodierung wurde von WEIDEMANN [43] geprägt und meint die Möglich-

keit der Beschreibung eines Sachverhaltes in unterschiedlichen Darstellungsformen. Auch

beim Computereinsatz können dies traditionelle Darstellungsformen wie Bilder, Grafiken,

Filme oder auch Texte sein. Aber auch durch interaktive Experimente oder durch die elektro-

nische Messwerterfassung mit Hilfe eines PCs lässt sich eine Multicodierung erreichen. „Ü-

ber grafische Hilfsmittel lassen sich Zusammenhänge deutlich machen und damit Multimoda-

lität und Multicodierung kombinieren ([15], S. 111).“

Durch eine Multicodierung wird die Verfügbarkeit von Wissen verbessert. Nach ANDERSON

[44] entwickelt sich unter Nutzung verschiedener Darstellungsformen eine große Zahl von

Abrufwegen, und die Informationen können besser erschlossen werden.

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 6

Interaktivität

Der Computereinsatz bietet Interaktionsangebote, welche die Schülerinnen und Schüler aktiv

an Wahrnehmungs-, Erlebnis- und Lernprozessen beteiligen, was eine positive Auswirkung

auf die Motivation der Lernenden haben kann und deren Bewusstsein für eigenverantwortli-

ches Lernen stärkt ([15], S. 110). Beispielgebend sei hier auf die Möglichkeit des Einsatzes

von elektronischen Arbeitsblättern verwiesen (mit Animationen bzw. Simulationen), an denen

die Schülerinnen und Schüler z. B. selbst aufgestellte Hypothesen überprüfen können und

insbesondere ihr Lerntempo frei bestimmen.

1.1.4 Die Rolle des Lehrers beim Computereinsatz

Die Aufgabe des Lehrers beim Einsatz des Computers unterscheidet sich wesentlich von de-

nen des traditionelles Frontalunterrichts. Nach GOODYEAR beinhaltet die Lehrerrolle verstärkt

Aufgaben zur Organisation der Lernprozesse [19]. Eine Zusammenstellung der notwendigen

Lehrertätigkeiten findet man in [15] (S. 111):

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 7

1.2. Einsatzformen des Computers

Mit den Einsatzformen des Computers im Physikunterricht beschäftigten sich BADER u. a.

bereits im Jahr 1989 [8]. Sie beschreiben folgende neun Einsatzgebiete:

Neuere fachdidaktische Publikationen gehen insbesondere auf vier Einsatzformen des Com-

puters ein. So findet man bei GIRWIDZ die folgende Unterteilung ([17], S. 108):

Da mir die Einteilung nach GIRWIDZ nicht vollständig erscheint und die nach BADER u. a. zu

differenziert ist, schlage ich die in Abb. 1.3 dargestellte Einteilung vor.

Abb. 1.3: Einsatzformen des Computers

Auf diese unterschiedlichen Möglichkeiten des Computereinsatzes im Physikunterricht soll

im Folgenden eingegangen werden.

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 8

1.2.1 Übungsprogramme

Übungsprogramme sind Programme, die aus einer Folge von Übungsaufgaben bestehen. Häu-

fig sind die Fragen quizartig, vergleichbar mit den Fragen der Fernsehsendung „Wer wird

Millionär“ gestaltet. Die von den Lernenden getätigte Antwort wird registriert und bewertet.

Erfolgt die Bewertung erst nach Durchlaufen des kompletten Fragenkatalogs, so spricht man

von einem Testprogramm.

Bessere Übungsprogramme bieten dem User Hilfen an, die im idealen Fall in gestaffelter

Form vorliegen. Der Einsatz von Übungsprogrammen setzt voraus, dass sich die Schülerinnen

und Schüler bereits ausführlich mit dem Lerngegenstand beschäftigt haben, weswegen der

Einsatz solcher Software vorwiegend im Rahmen einer Wiederholung erfolgt.

An dieser Stelle sei auf die Software Hot Potatoes [I 9] verwiesen, mit der sehr einfach und

ohne große Einarbeitungszeit Übungsprogramme selbst erstellt werden können. Dies hat den

Vorteil, dass der Aufgabenkatalog speziell auf die eigene Lerngruppe abgestimmt werden

kann. Hot Potatoes beinhaltet auch die Möglichkeit zum Einbau von Zusatzinformationen

bzw. Hilfen, wie auch von Rückmeldungen über die vom Schüler getätigten Antworten.

Am Ende der vorgestellten Lernsequenz wird zur Wiederholung ein selbsterstelltes Übungs-

programm eingesetzt (8.6.1).

1.2.2 Informationssysteme

Zu Informationssystemen zähle ich Wissensspeicher sowie das World Wide Web. „Unter

Wissensspeicher versteht man, ähnlich Nachschlagewerken, Programme, die Verzeichnisse

einer großen Menge der Kenntnisse der Physik oder eines angegebnen Teilgebiets darstellen

([11], S. 27).“ Die häufigsten Suchkriterien sind physikalische Fachbegriffe und Namen gro-

ßer Physiker. In wenigen Fällen ist auch eine alphabetische Suche oder eine Recherche nach

Jahreszahlen möglich. Wünschenswert ist nach BRADEMANN eine Differenzierung in Grund-

und Zusatzinformation sowie eingefügte Rechnungen.

Ein Wissensspeicher, auf den ich während des Unterrichts immer wieder verweise, ist die

CD-ROM des Schülerlexikons Basiswissen Schule Physik. Die Reihe Basiswissen Schule ist

ein gemeinsames Projekt des DUDEN und des PAETEC Verlages. Den gedruckten Buchver-

sionen liegen stets eine CD-ROM bei, auf der zusätzliche Informationen enthalten sind. Beim

Basiswissen Schule Physik handelt es sich dabei um über 500 weiterführende Artikel! Sehr

komfortabel ist die Suche in diesem Nachschlagewerk gestaltet, da alle oben aufgeführten

Suchkriterien möglich sind. Neben Beispielrechnungen enthält die CD-ROM auch interaktive

Experimente, Animationen sowie kurze Lehrfilme. Auch der Forderung der Differenzierung

wird der Wissensspeicher gerecht. So besitzt jeder Artikel eine Annotation und einen Haupt-

teil. Auf der Internetseite www.schuelerlexikon.de sind alle CD-ROMs der Reihe Basiswissen

Schule eingestellt und können ohne Anmeldung kostenfrei genutzt werden; lediglich auf die

Bilder kann nicht zugegriffen werden.

Eingesetzt wird die Recherche in Informationssystemen meist in Phasen, in denen sich die

Lernenden selbstgesteuert Wissen aneignen oder Präsentationen zu einem bereits behandelten

Thema vorbereiten.

1.2.3 Computergestützte Experimente

Die computergestützte Messwerterfassung ist eine physikalische Arbeitsweise, die sich in der

Fachwissenschaft, der Industrie sowie im Physikunterricht der Sekundarstufe II längst etab-

liert hat, im Schulunterricht der Sekundarstufe I, insbesondere in den Haupt- und Realschulen,

m. E. noch zu kurz kommt. Mittlerweile bieten fasst alle Lehrmittelfirmen Systeme zur

Messwerterfassung an und auch die Fachdidaktik hat bereits mehrere Themenhefte dem com-

putergestützten Messen gewidmet (z. B. [16]).

Nach LÜDER ([25], S. 258) ist das computergestützte Experimentieren sinnvoll, wenn:

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 9

Wird durch die eingesetzte Computertechnik von den physikalischen Inhalten des Experi-

ments abgelenkt, dann ist auf den Einsatz der computergestützten Messung zu verzichten.

Ein entscheidender Vorteil der elektronischen Messwerterfassung ist die mit ihr einherge-

hende Zeitersparnis. Die konventionelle Durchführung und Auswertung zahlreicher Experi-

mente dauert weit länger als 45 Minuten, d. h. der Erkenntnisprozess wird häufig nicht in der

Stunde abgeschlossen, in der das Experiment durchgeführt wurde. Zieht sich die Ver-

suchsauswertung über mehrere Stunden hinweg, dann ist, nach LÜDER, insbesondere für

schwächere Schülerinnen und Schüler ein abgeschlossener Erkenntnisprozess erschwert ([25],

S. 258).

Häufig scheitert die Durchführung von computergestützten Experimenten lediglich an den

nicht vorhandenen technischen Voraussetzungen, da die oben angesprochenen Systeme der

Lehrmittelfirmen für viele Schulen nicht finanzierbar sind. Dem kann in vielen Fällen mit

einem Computer, ausgestattet mit einer herkömmlichen Soundkarte (Stereoversion wäre von

Vorteil), entgegengewirkt werden. Gerade in letzter Zeit beschäftigen sich zahlreiche fachdi-

daktische Publikationen mit soundkartengestützten Experimenten, die keineswegs auf akusti-

sche Phänomene beschränkt sind (z. B. [24], [26], [28], [30], [31], [33]).

Neben der elektronischen Messwerterfassung kann der Computer auch als anderweitiges Ex-

perimentiergerät zum Einsatz kommen. Auch solche Versuche zähle ich zu den computerge-

stützten Experimenten, sie sind jedoch in der Minderheit. Ein Beispiel ist die Nutzung des

Computers als Tongenerator.

1.2.4 Messwertanalyse

Zur Messwertanalyse werden oft Tabellenkalkulationsprogramme (z. B. Excel) oder auch

Software zur Videoanalyse (z. B. Galilei) eingesetzt. Ein Tabellenkalkulationsprogramm stellt

ein Rechenhilfsmittel dar, mit dem umfangreiche Berechnungen schnell ausgeführt und die

Ergebnisse tabellarisch, wie auch grafisch angezeigt werden können. „Formale, routinemäßi-

gen Rechentätigkeiten werden stark vereinfacht, so dass mehr Zeit im Unterrichtsprozess zur

Interpretation der Ergebnisse bis hin zur Simulation der Wirkung von Parameteränderungen

bleibt ([29], S. 264).“

1.2.5 Simulationen und Illustrationen (Animationen)

Eine Computersimulation stellt die Übersetzung eines mathematisch-logischen Modells in ein

Computerprogramm, meist mit grafischer Oberfläche und der Möglichkeit die Modellparame-

ter zu variieren, dar. Das heißt, eine Simulation ist die Berechnung innerhalb eines vorliegen-

den Modells [11], weshalb sie eng mit der Modellbildung verbunden ist. Manchmal jedoch,

insbesondere falls die notwendigen mathematischen Methoden den Lernenden nicht zur Ver-

fügung stehen, soll das zugrundeliegende mathematische Modell umgangen werden. Ziel ist

dann die Zurückdrängung von Berechnungen zugunsten des physikalischen Inhaltes ([21], S.

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 10

249). Ein schönes Beispiel hierfür ist die – bei der geplanten Lernsequenz eingesetzte – Simu-

lation zur Interferenz von Wellen [I 6]. Ohne die eigentlich notwendigen mathematischen

Voraussetzungen, nämlich die Kenntnis der Sinusfunktion, kann ein Schüler der 9. Jahrgangs-

stufe aus der Simulation die Abhängigkeit der Lage der Maxima vom Abstand der Wellener-

reger folgern.

Prinzipiell werden Simulationen benutzt,

„um einfache Werte für bestimmte physikalische Größen, Einflüsse von Modellparame-

-

tern oder physikalische Vorgänge quantitativ als auch qualitativ zu veranschaulichen

([11], S. 27).“

„damit der Schüler hypothetische Erklärungen für im Experiment und in der Erfahrungs-

-

welt beobachtete Phänomene prüfen kann oder damit Vorgänge vorhersagen kann ([13],

S. 245).“

Nach CIESLA sollen, falls möglich, die mittels Computersimulation gewonnenen Aussagen

aus erkenntnistheoretischer und didaktischer Sicht mittels Realexperiment geprüft und veran-

schaulicht werden. „Das Experiment fungiert als Kriterium der Wahrheit für eine theoreti-

sche Aussage ([13], S. 245).“

Bei BRADEMANN ist zu lesen, dass Computersimulationen insbesondere dann gerechtfertigt

sind, wenn die Realexperimente zu klein, zu schnell oder zu komplex wären ([11], S. 28). Ihr

Motivationspotential sei grundsätzlich als hoch einzuschätzen.

Viele Schülerinnen und Schüler haben Probleme, sich in statische Bilder zeitliche Verände-

rungen hineinzudenken. Daher ist der Bedarf groß, den Lernenden in der Zeit ablaufenden

Prozesse nicht nur durch statische, sondern durch bewegliche Bilder vor Augen zu führen

([27], S. 254). Seit langer Zeit versuchen Trickfilme dieser Forderung Rechnung zu tragen,

seit einigen Jahren kommen hierzu auch programmierte Computerillustrationen zum Einsatz.

Man spricht auch von Computeranimationen. „Der wichtigste Unterschied zur Simulation

besteht darin, dass der Illustration kein mathematisches Modell zugrunde liegen muss bzw.

dass dieses Modell dem Schüler nicht bewusst wird. … Es gibt keine strenge Grenze zwischen

Computersimulation und -illustration ([27], S. 254).“ Setzt man z. B. bei der Behandlung des

Modells der Elektronenleitung ein dynamisches Bild ein, bei dem die Metallionen um eine

Ruhelage schwingen und diese die freien Elektronen bei ihrer gerichteten Bewegung behin-

dern, so würde man von einer Animation sprechen. Könnte man zusätzlich die anliegende

Spannung variieren, um beispielweise die Proportionalität der Stromstärke zur Spannung (bei

konstanter Temperatur) nachzuvollziehen, dann würde es sich um eine Simulation handeln.

Mittlerweile findet man zahlreiche Simulationen und Animationen im Internet, die meist kos-

tenlos genutzt werden können. Vorwiegend sind diese in Java programmiert und besitzen

meist eine benutzerfreundliche Oberfläche.

1.2.6 Hilfesysteme

Sollen die Schülerinnen und Schüler sich einen Lerngegenstand selbständig erarbeiten, dann

ist es notwendig, dass sie vom Lehrer durch Hilfen unterstützt werden. Steht den Lernenden

während des Unterrichts ein Computer zur Verfügung, dann bietet es sich an, diese Hilfen den

Schülerinnen und Schülern als Datei auszuhändigen; dies bedeutet zum einen weniger Ar-

beitsaufwand für den Lehrer und zum anderen ein problemloseren Umgang für die Schülerin-

nen und Schüler. Sinnvoll ist ein gestaffeltes Hilfesystem, aus dem die Kinder lediglich die

Hilfen nutzen, die sie – zur Lösung der gestellten Aufgabe – unbedingt benötigen. Solch ein

Hilfesystem lässt sich sehr bequem mit der Präsentationssoftware PowerPoint erstellen. Hiezu

listet man z. B. alle Hilfen auf der ersten Folie mit einer kurzen Beschreibung auf und verlinkt

diese mit einer ausführlichen Schilderung, wie das Teilproblem zu lösen ist.

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 11

1.2.7 Dokumentation und Präsentation

Ebenfalls genutzt wird der Computer zur Dokumentation und Präsentation. Dazu bieten zahl-

reiche Softwarehersteller entsprechende Programme an; weitverbreitet ist z. B. das Programm

Word zur Textverarbeitung und PowerPoint zur Erstellung von Präsentationen. Die Vorteile

solcher Software liegen auf der Hand: Die Textverarbeitung mit dem Computer ist wesentlich

komfortabler als beispielsweise mit der Schreibmaschine; Fehler können leichter korrigiert

werden, Abbildungen können bequem in den Text eingebunden werden, dieser kann einer

automatischen Rechtschreibprüfung unterzogen werden usw. Vorteilhaft bei der computerge-

stützten Präsentation ist ebenfalls die Möglichkeit der Einbindung von Abbildungen, aber

auch von Simulationen, Animationen und sogar kurzer Filmsequenzen. Auch durch die Mög-

lichkeit der Animation und der internen Verlinkung der Präsentation setzt sich die computer-

gestützte Präsentation vom traditionellen Folienvortrag ab.

1.3. Simulation versus Realexperiment

Nach BRADEMANN haben Simulationsprogramme durchaus das Potential, Realexperimente zu

ersetzen. Dennoch spricht er von einem Missbrauch, falls im Unterricht auf Realexperimente

zugunsten einer reinen Simulation verzichtet wird ([11], S. 28). Es stellt sich die Frage, was

eigentlich der entscheidende Unterschied zwischen Simulation und Realexperiment darstellt

und ob die Simulation etwas kann, was das Experiment nicht leistet. TREITZ weist darauf hin,

dass vielfach suggeriert wird, dass beides (Simulation und Experiment) nur etwas verschieden

gute Formen der gleichen Sache sind, dem er deutlich widerspricht. Der wesentliche Unter-

schied nennt bereits CIESLA: Das Experiment stellt eine Frage an die Natur, die Simulation

eine Frage an die Theorie, also das ihr zugrundeliegende Modell ([13], S. 244).

TREITZ argumentiert folgendermaßen ([32], S. 2): Beobachtet man ein Experiment, z. B. die

Brechung an einer Sammellinse, dann kann man folgern, dass die beobachteten Phänomene

(z. B. dass achsenferne Parallelstrahlen nicht durch den Brennpunkt gehen) tatsächlich exis-

tieren; sie werden durch das Experiment jedoch nicht erklärt. Logisch betrachtet liefern sie

also gültige Ist-Aussagen. Ob eine Simulation den genannten Linsenfehler zeigt hängt davon

ab, ob sie auf der Grundlage des Brechungsgesetzes oder der paraxialen Näherung program-

miert wurde. „Logisch entspricht sie einer Wenn-Dann-Aussage.“ Wird dieses „Wenn“ nicht

angegeben, dann zeigt die Simulation nur, „dass eine Darstellung des fraglichen Vorgangs

auf einem Bildschirm erzeugbar ist“. Aus diesem Grund warnt TREITZ davor, den Simulatio-

nen eine ebenso große Aussagefähigkeit zuzuschreiben, wie den realen Experimenten. Ich

sehe diesen Aspekt nicht so problematisch, im Gegenteil. Häufig möchte man ja durch die

Simulation die Mathematik und damit auch das zugrundeliegende Modell umgehen, d. h. man

kann oft das „Wenn“ – also die Bedingung der Simulation – den Schülerinnen und Schülern

gar nicht angeben. Ideal finde ich die Verknüpfung von Simulation und Realexperiment; so

können die Lernenden häufig neue Erkenntnisse einfacher aus einer Simulation gewinnen,

deren tatsächlichen Existenz dann durch ein Realexperiment bestätigt werden kann.

Auf die Frage des Vorteils der Simulation gegenüber dem Realexperiment geht TREITZ eben-

falls in [32] ein. Dieser besteht im Wesentlichen darin, dass in der Computersimulation Zu-

satzinformationen, die in der Realität unsichtbar sind angezeigt werden können. „Dazu gehö-

ren insbesondere mitlaufende Vektor-Pfeile für Geschwindigkeit, Impuls, Beschleunigung,

oder Kraft, Fluss-Pfeile für die Wanderung von Energie, Entropie oder Materie, aber auch

bewegliche säulenhafte Anzeigen für Energie- oder Ladungs-Bilanzen ([32], S. 2).“ Ein wei-

terer Vorteil ergibt sich dadurch, dass viele Realexperimente – besonders im Bereich der A-

tom- und Kernphysik – nicht finanzierbar sind oder zu schnell bzw. zu langsam ablaufen. In

solchen Fällen, möchte man die Theorie „experimentell“ veranschaulichen, muss auf ein in-

teraktives Experiment zurückgegriffen werden.

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 12

1.4. Kriterien zur Bewertung von Software

Eine entscheidende Aufgabe des Lehrers beim Vorbereiten eines computer-gestützten Unter-

richts besteht in der Auswahl einer geeigneten Software. Aufgrund der mittlerweile vorhan-

denen Fülle von Programmen für den Unterricht ist dies in vielen Fällen eine anspruchsvolle

Aufgabe, zu deren Lösung ein Kriterienkatalog hilfreich sein kann. Nach BRADEMANN [11]

lassen sich vier Dimensionen von Qualitätsparametern unterscheiden (Abb. 1.4), zu denen im

Folgenden Leitfragen formuliert werden.

Abb. 1.4: Dimensionen zur Bewertung von Software

COMPUTERGESTÜTZTES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT 13

1.4.1 Programmtechnische Dimension

Können eingegebene Befehle oder Parameter rückgängig gemacht werden?

-

Besitzt das Programm ein Autostart?

-

Ist die Tastenbelegung klar und eindeutig?

-

Bekommt man schnell einen guten Überblick über das Menü und dessen Unterpunkte?

-

Gibt es eine Programmhilfe und wie komfortabel ist sie gestaltet?

-

Ist die Benutzeroberfläche übersichtlich gestaltet?

-

Ist die Bildschirmaufteilung gelungen?

-

Sind die gewählten Schriftarten und Schriftgrößen akzeptabel?

-

Enthält das Programm ansprechende Grafiken?

-

Sind die Bewegungen gleichmäßig und fließend?

-

1.4.2 Methodische Dimension

Sind die Inhalte des Programms begründet?

-

Sind die Ziele des Programms legitim?

-

Führt das Programm zu einem Lernzuwachs?

-

Werden Dinge gelernt, die ohne das Programm kaum oder nur schwer erlernbar wären?

-

Kann das Programm gut in Lehr- und Lernprozesse integriert werden?

-

Gibt es Verschriftlichungen über didaktisch-methodische Vorüberlegungen zum Soft-

-

wareeinsatz?

Sind bereits Arbeitsblätter oder sonstige Unterrichtsmittel ausgearbeitet, die den Soft-

-

wareeinsatz begleiten können?

1.4.3 Reaktive Dimension

Können verschiedene Schwierigkeitsstufen gewählt werden?

-

Kann der Schüler sein Arbeitstempo mit dem Programm selbst bestimmen?

-

Kann der Schüler bei der Arbeit mit dem Programm selbst inhaltliche Schwerpunkte set-

-

zen?

Erhält der Lernende über seine Arbeit mit dem Programm eine Rückmeldung?

-

Kann das Programm eine Fehleranalyse ausgeben?

-

Fordert das Programm zur Nutzung weiterer Ressourcen (z. B. Lexika) auf?

-

Fördert die Software die Zusammenarbeit zwischen den Schülerinnen und Schülern?

-

1.4.4 Fachliche Dimension

Sind die Aussagen des Programms fachlich korrekt?

-

Werden durch den Einsatz der Software die gesetzten Lernziele erreicht?

-

Grundlage dieses Fragenkatalogs bildet die von BRADEMANN veröffentlichte Arbeit mit dem

Titel „Grundsätze und Beispiele des Computereinsatzes im Physikunterricht der Sekundarstu-

fe I“ [11].

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN – DIE SACHANALYSE 17

Schwingungen gleicher Frequenz entspricht die resultierende Schwingung wieder einer har-

monischen Schwingung. Die Frequenz bleibt gleich, die Amplitude kann zu-, aber auch ab-

nehmen.

Auf eine mathematische Herleitung des Weg-Zeit-Gesetzes der resultierenden Schwingung

bei beliebigen Phasenverschiebungen soll an dieser Stelle verzichtet werden. Es sei lediglich

auf die Ermittlung der Resultierenden mit Hilfe des Zeigermodells verwiesen (Abb. 3.11), die

auf der vektoriellen Addition der Zeiger beruht.

Abb. 3.11: Ermittlung der resultierenden Schwingung bei beliebigem Phasenwinkel [45]

2.2.2 Interferenz von Schallwellen

„Der Schwingungszustand in einem Punkt eines Raumes wird bestimmt durch die Summe

aller Elementarwellen, die von Wellenfronten ausgehen und in diesem Punkt zusammentreffen

([45], S. 151).“ Dieses von AUGUSTIN JEAN FRESNEL (1788-1827) formulierte Gesetz stellt

eine Erweiterung des huygensschen Prinzips dar, weshalb es als huygens-fresnelsches Prinzip

bezeichnet wird. Überlagern sich zwei Wellen an einem Ort, so führt der dort vorhandene

Oszillator eine zusammengesetzte Schwingung aus. Entsprechend der oben dargelegten Theo-

rie zur Überlagerung von Schwingungen kann dies zu einer Verstärkung, aber auch zu einer

Abnahme der resultierenden Amplitude führen. Da eine mechanische Welle nach Definition

nichts anderes ist als die Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum, ist auch bei

der Überlagerung von Wellen – insbesondere bei Schallwellen – eine Verstärkung oder Ab-

schwächung zu erwarten. Man spricht von Interferenz. Die Abb. 3.12 zeigt einen einfachen

Versuchsaufbau zur Demonstration der Interferenz bei Schallwellen. Zwei an einem Tongene-

rator angeschlossene und in einem Abstand von etwa 70 cm aufgestellte Lautsprecher emittie-

ren ein Schallsignal gleicher Frequenz (f = 3000 Hz) und Amplitude. Das Schallfeld wird in

einer Entfernung von ca. zwei Metern parallel zur Verbindungslinie der Lautsprecher mit dem

Ohr abgetastet. Der Beobachter kann sehr deutlich abwechselnd Raumbereiche geringer und

großer Lautstärke identifizieren (Abb. 3.13).

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN – DIE SACHANALYSE 18

2.3. Die akustische Schwebung

Eine spezielle Form der Überlagerung von Schwingungen bzw. von Schallwellen ist die

Schwebung bzw. die akustische Schwebung. Sie entsteht, wenn sich mindestens zwei

Schwingungen überlagern und diese nur einen geringen Frequenzunterschied aufweisen. Der

Höreindruck entspricht einem harmonischen Ton, dessen Lautstärke (Amplitude) ständig vari-

iert. Die wahrgenommene Tonfrequenz ergibt sich aus dem Mittelwert der Grundfrequenzen.

Zur mathematischen Behandlung der akustischen Schwebung gehen wir von zwei harmoni-

schen Tönen gleicher Amplitude aus. Ihre Kreisfrequenzen betragen ω 1 und ω 2 (sie sollen nur

wenig voneinander abweichen), es liegt keine Phasenverschiebung vor (ϕ = 0°). Man kann

schreiben:

ω 1 = ω 2 + ∆ω.

Für die Ausgangssignale gilt:

( )

ˆ sin y y =

1 1

Unter Berücksichtigung des Additionstheorems

β α β α + − sin

α

2 2

und des Superpositionsprinzips für die Überlagerung von Schwingungen

1 y y y + =

2

ergibt sich für die resultierende Schwingung die folgende Beziehung:

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN – DIE SACHANALYSE 21

Der Einsatz des Laufzeitverfahrens im Unterricht stellt aufgrund der nur geringen maximal zu erreichenden Distanz zwischen Beobachter und Schallquelle hohe Anforderungen an die Zeitmessung. Eine Möglichkeit, die auch in dieser Lernsequenz zum Einsatz kommen soll, ist die computergestützte Messwerterfassung. Zur Versuchsdurchführung wird neben einem PC mit Soundkarte lediglich eine Analysesoftware (als Sha-

Abb. 3.17: Versuchsaufbau zur Messung der Schallgeschwindigkeit

Nach Betätigung des Aufnahmesymbols ist lediglich noch ein kurzer, lauter Schallimpuls zu erzeugen, dessen Entstehungsort auf einer Geraden mit den Mikrofonen liegen muss. Er kann z. B. durch einmaliges kräftiges Klatschen emittiert werden. Die Abbildung auf der folgenden Seite zeigt ein Messbeispiel für einen Mikrofonabstand von 60 cm.

Bei einer gemessenen Zeitdifferenz von 1,7 ms errechnet sich die Schallgeschwindigkeit in Luft zu 353 ms -1 . Ein Vergleich mit dem Literaturwert (344 ms -1 bei 20 °C) zeigt, dass die Schallgeschwindigkeit in Luft mit dem benutzten Versuchsaufbau (im Prinzip ein Low-Cost- Experiment!) erstaunlich genau bestimmt werden kann. Eine Fehlerfortpflanzung nach GAUSS ergibt, dass der Literaturwert im Fehlerintervall der Messung enthalten ist (v = (353 ± 35) ms - 1 ).

An dieser Stelle sei noch kurz angemerkt, dass sich das beschriebene Verfahren zur Bestim- mung der Schallgeschwindigkeit in Luft auch sehr gut zur Ermittlung der Ausbreitungsge- schwindigkeit in Wasser eignet. Als Messstrecke kommt dabei z. B. ein mit Leitungswasser gefüllter Blumenkasten zum Einsatz (Abb. 3.19). Um die Kopfhörer auch als Hydrofone verwenden zu können, werden diese mit „Wasserbomben“ überzogen. Solche dünnhäutigen Luftballone sind in nahezu jedem Spielzeugwarengeschäft zu erwerben. Bei einem Mikro- fonabstand von 0,57 m und einer gemessenen Zeitdifferenz von 0,4 ms errechnet sich die Schallgeschwindigkeit in Wasser zu v = 1425 ms -1 (Literaturwert: 1400 ms -1 bei 5 °C).