Veranschaulichung von Spannung in der Schulphysik


Seminararbeit, 2010
18 Seiten, Note: 1,0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung – Allgemeines zur Thematik

2. Fehlvorstellungen und Lernschwierigkeiten bei Schülern

3. Eine gelungene Einführung – Modelle zur Einführung im Physikunterricht
3.1 Modelle
3.2 Der Wasserstromkreis
3.3 Höhenmodell – Das Stäbchenmodell

4. Anwendung im Alltag – Elektrizität an Beispielen

5. Fazit

6. Literaturverzeichnis

7. Anhang

1. Einführung – Allgemeines zur Thematik

„Die Spannung löste sich, als Özil traf.“[1] Was meinte Tom Bartels in diesem konkreten Fall, als er im letzten Vorrundenspiel der Fußball Weltmeisterschaft Deutschland gegen Ghana auf diese Art den 1:0 Siegtreffer der deutschen Nationalmannschaft kommentierte? Kann Spannung sich überhaupt lösen? Wenn man im Internet recherchiert oder im Alltag seine Aufmerksamkeit für das Wort Spannung sensibilisiert, fällt erst auf, wie vielseitig dieser Begriff sein kann und in welcher Häufigkeit man ihm begegnet. Spannung kann in der Mechanik die auf eine „Verformungskraft pro Flächeneinheit“[2] bezogen werden, darunter können unter anderem „Scherspannung“[3], „Zugspannung“[4] oder „hydraulische Spannung“[5] verstanden werden. Auch gibt es den Begriff der „Anspannung“ oder „Entspannung“[6] im medizinischen Sinne in Bezug auf psychische Belastungen oder physische Beanspruchung der Muskulatur. Diese wenigen Beispiele zeigen bereits, dass der Begriff Spannung multifunktional ist. Im Folgenden soll jedoch der Fokus auf dem Begriff der elektrischen Spannung, der Stromstärke und deren begrifflichen und bildungstheoretischen Schwierigkeiten liegen. Die vorliegende Ausarbeitung beschäftigt sich mit der von „Lehrkräften als besonders schwierig eingeschätzt[en]“[7] Thematik der Elektrizitätslehre im Physikunterricht, unter besonderer Hervorhebung der Einführung des Spannungs- und Stromstärkenbegriffs. Die Vielzahl der Modelle und deren Analogien soll hier nach eigenen Vorstellungen differenziert und strukturiert werden, sodass eine Vorstellung und ein Vorschlag zur Unterrichtseinführung erarbeitet wird, der die aus dem Alltag stammenden Fehlvorstellungen der Schüler[8] reduziert und ihnen das „richtige“ physikalische Verständnis für dieses Themengebiet ermöglicht. Zum Zwecke des Verständnisses der Lehrenden, sollen auch Fehlvorstellungen präsentiert werden, um eine Prävention für weitere Lernschwierigkeiten darzustellen.

In den meisten Lehrplänen ist die Einführung der Elektrizitätslehre mit dem Ziel der Differenzierung und Definition der Begriffe Spannung und Stromstärke für die siebte Klasse angestrebt.[9] Aus diesem Grunde fällt vor allem auch der didaktischen Vermittlung der Inhalte eine besondere Rolle zu, da die Heranwachsenden im Alter von circa 13 oder 14 Jahren oft Schwierigkeiten mit der abstrakten Vorstellung von Elektrizität besitzen.

2. Fehlvorstellungen und Lernschwierigkeiten bei Schülern

Wie bereits erwähnt, besitzt das Thema Elektrizitätslehre und besonders der Begriff der elektrischen Spannung eine spezielle Schwierigkeit im Vorstellungsvermögen Jugendlicher.[10] Diese ist sogar so schwerwiegend, dass auf internationaler Ebene ein Workshop mit dem Namen „Aspects of Understanding Electricity“[11] gegründet wurde, welche 1984 Ergebnisse der Schwerpunktforschung der Elektrizitätslehre bei Schülern vorstellte. Dieser kam unter anderem zu folgenden Ergebnissen:

Von Alltagssprache und medialem Einfluss geprägt, denken Schüler oft, dass eine Leitung zwischen Generator und elektrischem Gerät ausreichend wäre[12], denn im Haushalt ist meist auch nur eine Leitung (beziehungsweise ein Kabel) von der Steckdose zum Gerät zu sehen. Außerdem erscheint diese Vorstellung in folgendem Sinne gar nicht abwegig, da der Strom vom Gerät „verbraucht“ wird. Dies ist allerdings eine weitere Fehlvorstellung, die vor allem von der Alltagssprache verstärkt wird. Denn die Eltern oder die Medien sprechen häufig vom „Stromverbrauch“[13]. Unterstützt wird diese Vorstellung vor allem aufgrund der Tatsache, dass zu sehen ist, dass eine Batterie irgendwann „leer“ ist.[14] Es erscheint also „sinnlos“, dass der Strom auch wieder zurück in die Batterie oder Energiequelle kehrt. Durch die „Verbrauchsvorstellung“ des Stroms, entsteht auch die Vermutung, dass bei in Reihe geschalteten Lämpchen, die erste am hellsten und die letzte am dunkelsten leuchtet.[15] Schließt man im Unterricht eine zweite Leitung von der Energiequelle an die „Energiesenke“[16] (zum Beispiel ein Lämpchen), so leuchtet dieses. Die Erklärung, welche von den meisten Schülern dafür geliefert wird ist, dass das Lämpchen jetzt von beiden Seiten mit Strom versorgt wird und somit genug Strom hineinfließt, sodass es leuchten kann.[17] Weiterhin denken die Schüler, dass die Spannungsquelle, unabhängig von den angeschlossenen Geräten, immer die gleiche Stromstärke liefert.[18] Diese Vorstellung koppelt sich auch an das sogenannte „lokale Denken“[19]. Hierbei zeigt sich, dass die Schüler, bei Parallelschaltungen im Stromkreis, der Meinung sind, der Strom würde sich auf die Lämpchen aufteilen (siehe Abbildung 1). Eng damit verbunden spricht man auch vom „Sequenziellem Denken“ der Schüler.[20] Dieses bezeichnet die Vorstellung, Widerstände im geschlossenen Stromkreis würden, wenn sie nach dem Energiesenker platziert werden, keinen Einfluss auf die Stromstärke im eben diesem haben (siehe Abbildung 2). Bei diesem speziellen Beispiel würde das bedeuten, dass R2 keinen Einfluss auf die Helligkeit des Lämpchens hätte, denn „der Strom ist ja schon durch“[21]. Ähnliches gilt für die Problematik, dass von den Jugendlichen oft nicht realisiert wird, dass die Spannung und die Stromstärke Differenzgrößen sind.[22] Dies hat zur Folge, dass die Schüler annehmen, die Stromstärke oder die Spannung hätten nur an einem bestimmten lokalen Punkt des Stromkreises den besprochenen Wert oder die genannten Eigenschaften. Zuletzt sei noch darauf hingewiesen, dass ein wesentliches Problem, bei der Vorstellung und der Einführung der Stromstärke und der Spannung darin besteht, dass diese Begriffe als Synonyme verwendet werden oder dies zumindest gedacht wird. Beispielsweise wird oft vermutet, die Spannung sei nur eine zusätzliche Eigenschaft der Stromstärke, zum Beispiel die Stärke der Strömung des Stroms.[23]

Anhand dieser Darstellung wird klar, dass das Aufklären der Begrifflichkeiten und die Differenzierung von Stromstärke und Spannung, anspruchsvolle Aufgaben für jeden Physiklehrer sind und sein werden. Es wird deutlich, dass Schüler oftmals mit falschen Vorstellungen in den Unterricht kommen, vor allem auch durch den Gebrauch der Begriffe in Form von Synonymen im Alltag, sodass sich eine Herausforderung bietet, die von den Lehrenden verantwortungsvoll und zielstrebig wahrgenommen werden muss. Wie dies potentiell geschehen kann, soll im nächsten Abschnitt geklärt werden.

3. Eine gelungene Einführung – Modelle zur Einführung im Physikunterricht

Da es, aus didaktischer Sicht, von zentraler Bedeutung ist, den Lernenden nicht nur mitttels Frontalunterricht und Fachwissen zu belehren, sondern ihn zur Selbsttätigkeit zu motivieren[24], sollten Bildungsinhalte (hier: Modelle und Experimente) mit Bedacht gewählt werden. Es gilt, „den Schülern [zu] helfen, selbst geeignete Vorstellungen über die Vorgänge in elektrischen Leitungen und elektrischen Anlagen zu entwickeln.“[25], sie also nicht nur von Fehlvorstellungen, wie oben aufgezeigt, zu befreien, sondern sie auch „zu einer naturwissenschaftlich-technischen Bildung von nachhaltiger Dauer“[26] zu bringen. Entsprechende Analogien helfen dabei, die Vorgänge im elektrischen Stromkreis besser und vor allem „richtig“, zu verstehen und zu verinnerlichen, bergen jedoch auch immer die Gefahr, der Fehldeutung des Lernenden. Außerdem ist es möglich, dass die Schüler mit dem vorgestellten Modell keine Analogie zum Lernziel herstellen können und somit aus Motivationsgründen („Warum behandeln wir überhaupt so etwas?!“) keine oder nur geringe Fortschritte machen. Weiterhin ist zu sagen, dass diese Modelle „für sich selbst stehend“ meist nicht ausreichen, um dem Lernenden gänzlich das Wissen zu vermitteln, welches er zum vollständigen Verständnis benötigt, da Modelle immer Analogien vermitteln und keine Analogie (zumindest nicht für die Elektrizitätslehre) zu einhundert Prozent übertragbar ist. Vor allem, weil als Analogie immer die Mechanik dient und die Elektrizitätslehre kein Bestandteil eben dieser und somit auch nicht vollends (auch nicht durch ein Modell) vollständig übertragbar ist.

3.1 Modelle

Ein recht simples Beispiel für ein Modell ist der Transfer einer Benzinversorgung einer Stadt. Dieses Beispiel (In diesem Fall spreche ich nicht von einem Modell, da diese Versinnbildlichung so simpel ist, dass es nur zur Unterstützung in etwaigen Fällen dienen kann und eventuell als Einführung oder als Verallgemeinerung nach den etwas spezielleren, noch folgenden Modellen, vom Lehrenden zu illustrieren ist. Ich habe mich allerdings entschieden, diesen Fall mit ein zu beziehen, da ich der Meinung bin, dass es ein sehr einfaches und gut nachzuvollziehendes Bild schafft.) versucht, grobe Kenntnisse eines „Kreislaufes“ zu schildern. Gesprochen wird in diesem Zusammenhang von einer Ölquelle beziehungsweise Raffinerie, welche mit der Energiequelle gleichzusetzen ist. Wenn nun Schiffe, welche die Analogie zu Ladungsträgern und dem „Fluss“ (Analogie: „Stromfluss“) darstellen, die Ressource in das Land transportieren, kann diese dort als Energie umgesetzt werden (Beispiel: Auto betanken). Die Schiffe müssen nun „leer“ wieder zurück zur Energiequelle fahren und sich wieder neu betanken. Widerstände können zum Beispiel mittels Unwettern oder Ähnlichem dargestellt werden.

[...]


[1] Zitiert in Spiegel Online: www.spiegel-online.de Zugriff am 20.07.2010

[2] Halliday, David u.a.: Halliday Physik. 2. überarbeitete Auflage. Weinheim 2009. S. 371.

[3] Ebd. S. 371.

[4] Ebd. S. 371.

[5] Ebd. S. 371.

[6] Vgl. Gesundheitslexikon online. Juni 2002. http://www.gesundheitslexikon.de/ghl_arznei_anspannung.html Zugriff am 20.07.2010

[7] Koller. D. u.a.: Einführung von Stromstärke und Spannung. S. 6.

[8] Im Folgenden wird ausschließlich das Maskulinum verwendet. Dies soll dem flüssigeren Lesen dienen und stellt keineswegs eine Diskreditierung oder Diskriminierung des weiblichen Geschlechts dar.

[9] Vgl. Sächsisches Staatsministerium für Kultus: Lehrplan. S. 13 und S. 15.

[10] Vgl. Koller. D. u.a.: Einführung von Stromstärke und Spannung. S. 6.

[11] Ebd. S. 6.

[12] Vgl. ebd. S. 6.

[13] Ebd. S. 6.

[14] Vgl. ebd. S. 6.

[15] Vgl. ebd. S. 6.

[16] Dahncke, H./Götz, R./Langensiepen, F. (Hrsg.): Handbuch des Physikunterrichts Sekundarbereich I, in: Band 5: Elektrizitätslehre I, Köln 1992. S. 43.

[17] Vgl. Koller. D. u.a.: Einführung von Stromstärke und Spannung. S. 6.

[18] Vgl. ebd. S. 6.

[19] Ebd. S. 6.

[20] Vgl. ebd. S. 6.

[21] Ebd. S. 6.

[22] Vgl. ebd. S. 6.

[23] Vgl. ebd. S. 6f.

[24] Vgl. Meyer, H. in Jank, W./Meyer, H.: Didaktische Modelle. 9. Auflage. Berlin 2009. S. 86.

[25] Dahncke, R. u.a.: Handbuch des Physikunterrichts Sekundarbereich I. S. 55.

[26] Knoll, K.: Didaktik der Physik. Theorie und Praxis des Physikunterrichts in der Sekundarstufe I. 2. Auflage. München 1978. S. 21.

Ende der Leseprobe aus 18 Seiten

Details

Titel
Veranschaulichung von Spannung in der Schulphysik
Hochschule
Technische Universität Dresden  (Institut für Physik)
Note
1,0
Autor
Jahr
2010
Seiten
18
Katalognummer
V167927
ISBN (eBook)
9783640848263
ISBN (Buch)
9783640844791
Dateigröße
569 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Lernschwierigkeiten, Modelle und Schülervorstellungen in der Elektrizitätslehre bedeuten für jede Lehrkraft vor allem eins: Probleme. Diese Arbeit versucht eine Analyse der Probleme inklusive Lösungsvorschlägen und didaktischen Modellen und Analogien, die es den Schülern ermöglicht, in die komplexe Thematik einzusteigen.
Schlagworte
Physik, Didaktik, Physikdidaktik, Elektrizität, Elektrizitätslehre, Strom, Spannung, Physikunterricht, Stäbchenmodell, Wasserkreislauf, Lernschwierigkeiten, Modelle, Analogie, Fehlvorstellung
Arbeit zitieren
Robert Schich (Autor), 2010, Veranschaulichung von Spannung in der Schulphysik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/167927

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