Hausarbeit

im Rahmen der Zweiten Staatsprüfung

für das Lehramt an Realschulen

Fach: Physik

vorgelegt von

RLA Patrik Vogt

Staatliches Studienseminar

für das Lehramt an Realschulen

Kaiserslautern

Datum der Abgabe: 10. Januar 2005

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Computergestütztes Lernen im Physikunterricht,

dargestellt am Beispiel einer Lernsequenz aus dem Themenbe-

reich ,,Schwingungen und Wellen"

(9. Klasse)

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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

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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

W

orld

W

ide

W

eb 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-

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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.

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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."

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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:

-

Mit welchen konkreten Bildungs- und Erziehungszielen soll der Computer

eingesetzt werden?

-

Welche didaktischen Funktionen soll er erfüllen?

-

Wie ordnet er sich in den Erkenntnisgang des Schülers ein?

-

Welche Erkenntnis- und Unterrichtsmethoden soll er unterstützen?

-

Welche Schülertätigkeiten werden mit dem Computereinsatz ausgelöst bzw.

geführt?

-

Welche typischen Funktionen eines Unterrichtsmittels soll der Computer er-

füllen?

-

In welcher Organisationsform des Unterrichts wird er eingesetzt?

-

Mit welchen anderen Lehr- und Lernmitteln soll er zusammenwirken?

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

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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.

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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):

Der Lehrer muss

-

angemessene Software auswählen,

-

Integration in andere Lernaktivitäten planen,

-

Arbeit der Lernenden mit dem Programm überwachen,

-

Aktivitäten am Computer nutzen, um Einblick in die Denkweise und kognitive

Entwicklung des Lernenden zu gewinnen,

-

Zusammenfassen und den Lernenden helfen, über ihre gewonnenen Erfahrun-

gen zu reflektieren,

-

Auseinandersetzungen schlichten und die Nutzungszeiten am Computer orga-

nisieren.

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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:

-

Übungsprogramme

-

Simulation und Modellbildung

-

Testprogramme

-

Messwerterfassung und -verarbeitung

-

Wissensspeicher

-

Steuerung und Regelung

-

Tutorieller Dialog

-

Nutzung von Anwendersoftware zur

-

Intelligentes tutorielles System

Kalkulation, Grafik- und Textverar-

beitung

Neuere fachdidaktische Publikationen gehen insbesondere auf vier Einsatzformen des Com-

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

-

System zur Erfassung von Messwerten

-

Programme zur Analyse von Messdaten

-

Informationssysteme mit Erklärungen und Veranschaulichungen

-

Simulationen und Systeme zur Modellierung physikalischer Sachverhalte.

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.

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