Was den Strom antreibt: Zur Veranschaulichung von elektrischer Spannung im Unterricht


Hausarbeit, 2010

13 Seiten, Note: 2,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1.) Elektrizitätslehre im Unterricht

2.) Allgemeine Schülervorstellungen

3.) Konzepte und Ansätze zur Veranschaulichung von Spannung
3.1. Experimenteller Einstieg
3.2. Wasserkreislaufanalogie
3.3. Höhenanalogie – Das Stäbchenmodell

4.) Spannung im Alltag – Verknüpfung von Theorie und Praxis

5) Einsatz im Unterricht

6) Literaturverzeichnis

7) Anhang

1.) Elektrizitätslehre im Unterricht

Der sächsische Lehrplan setzt die Elektrizitätslehre in der siebten Jahrgangsstufe an. Ziel ist hier die klare Definition und Unterscheidung von Stromstärke und Spannung durch die Schüler[1]. Sie sollen in der Lage sein, beide Größen in Reihen- und Parallelschaltungen miteinander richtig ins Verhältnis zu setzen[2]. Nebenbei üben die Schüler das Aufbauen von Stromkreisen und das Messen mit Spannungsmesser und Amperemeter.

Die Elektrizitätslehre wird von den meisten Lehrern1 als aufwendiges Themengebiet angesehen. Die Phänomene hier können nur noch Bedingt durch Erkenntnisse aus der Mechanik erklärt werden. Die Spannung stellt in ihrer Veranschaulichung eine besondere Schwierigkeit dar. In den Fachkreisen der Physikdidaktik kursieren deswegen verschiedene Konzepte und Modelle zur Lösung dieses Problems. Bei der umfangreichen Untersuchung möglicher Herangehensweisen werden vorwiegend fehlerbehaftete Schülervorstellungen fokussiert, die nicht selten aus dem Alltag heraus entstehen.

Da die erste Erarbeitungsphase in der siebten Klasse erfolgt, beschränkt sich die Auseinandersetzung mit den Vermittlungsansätzen auf eben diese Altersstufe. Die Thematisierung von Spannung in der Oberstufe soll wenn überhaupt nur tangiert werden, um mögliche Fortführungen in höheren Klassen zu erläutern.

Die Erarbeitung einer Reihe von Schüleransichten aus dem Gebiet der Elektrodynamik wird als Erstes in Angriff genommen. Im weiteren Verlauf werden drei unterschiedliche Modelle und Vorgehensweisen präsentiert und analysiert. Der Vollständigkeit wegen werden auch Anschauungen und Analogien zur Stromstärke erwähnt, denn diese steht in direkter Proportionalität zur Spannung und ist deswegen zum Verständnis an manchen Stellen unerlässlich. Im letzten Teil werden Alltagsphänomene, bei denen Spannung eine wichtige Rolle spielt, angesprochen.

2.) Allgemeine Schülervorstellungen

Schüler (im Besonderen jüngere) haben das Selbstverständnis entwickelt, dass zum Anschluss eines elektrischen Gerätes lediglich eine Zuleitung ausreicht[3]. Dieses Phänomen ist durchaus nicht verwunderlich. Die Beobachtung, dass Haushaltsgeräte scheinbar nur durch eine Zuleitung betrieben werden können, untermauert diese Vorstellung[4]. Dass eine Lampe nicht leuchtet, wenn nur eine Verbindung zur Spannungsquelle besteht, wird mit einem Defekt der Lampe selbst erklärt. Folglich lehnen Schüler die Stromkreisvorstellung ab, denn sie betrachten es als sinnlos, Strom beispielsweise in eine Batterie zurückzuführen[5].

Spannung und Stromstärke werden häufig in gleicher Absicht benutzt[6]. Es werden dabei nicht die Eigenschaften und Definitionen der beiden Begriffe unterschieden. Fälschlicherweise wird die Spannung nicht selten auch als Stärke der Strömung verstanden. Diese Deutung gründet in der Wasserkreislaufanalogie, denn hier ist die Strömung „stärker“, wenn sie schneller fließt als vergleichsweise an einer Stelle mit langsamer Strömung. Gleichzeitig setzen Schüler Strom mit Energie im Allgemeinen gleich[7]. Diese Ansicht ist in sofern falsch, da es weit mehr Energieformen gibt, als die elektrische Energie und selbige von der Spannung abhängig ist und nicht von der Stromstärke.

Eine schlüssige Folge ist die vermeintliche Äquivalenz von Energie- und Stromverbrauch[8]. Es besteht die Ansicht, dass Elektrogeräte zwar Energie verbrauchen, aber dies nur durch einen Stromverbrauch verursacht wird. Aufgrund der Stromverbrauchsvorstellung prognostizieren Schüler eine Abschwächung der Helligkeit der Lämpchen, wenn man ihnen eine Reihenschaltung gleichartiger Glühlämpchen vor Augen führt[9]. Das erste Lämpchen leuchtet heller als das Zweite und dieses wiederum heller als das Dritte usw. Es wird ebenfalls deutlich, dass Schüler davon ausgehen, dass der Strom in eine Richtung fließt und alle Lampen folglich einer Rangordnung unterliegen.

Mit dieser Vorstellung eng verbunden ist das lokale Denken im Bezug auf Schaltkreise[10]. Es wird angenommen, dass der Strom in der Schaltung (siehe: Abb. 1) am ersten Knoten und am Zweiten erneut halbiert wird. Durch die Einzeichnung von Pfeilen an Stromkreise im Unterricht, besonders in der Einführungs- und Erarbeitungsphase, soll veranschaulicht werden, dass der Strom im Kreis fließt. Jedoch bekräftigt man die Schüler zu glauben, dass Einflüsse und Störungen „am Ende“ der Schaltung keine Auswirkungen auf die restlichen Elemente haben.[11]

Hinzu kommt das sequenzielle Denken, welches impliziert, dass Schüler in einer Schaltung mit zwei Widerständen und (siehe: Abb. 2) falsche Schlussfolgerungen ziehen[12]. Viele sind der Ansicht, der Strom im Lämpchen wird bei Erhöhung von kleiner und bei Erhöhung von findet keine Veränderung statt, weil dieser ja erst „nach“ der Lampe kommt.

In den didaktischen Theorien von Paul Heimann nehmen diese Schülervorstellungen die Position der Bedingungsebene ein. Speziell handelt es sich hier um sozio-kulturelle Voraussetzungen.[13] Die Schüler haben aufgrund ihres Umfeldes verschiedene Erfahrungen gesammelt, die sie mit in den Unterricht hineinbringen. Der Lehrer hat auf die Ausprägungen der Vorstellungen keinen Einfluss. Er kann sie lediglich annehmen und in die Planung der Unterrichtsstunde miteinbeziehen. Wichtig ist dabei festzustellen, welche Auswirkungen es auf die Beziehung zwischen Schüler und Inhalt hat, wenn falsche Vorstellungen nicht durch anschauliche Medien korrigiert werden. Es fällt wesentlich schwerer, Sachverhalte zu greifen, wenn feste Vorstellungen herrschen, die der Realität kein Stück entgegenkommen. Zu diesem Zweck kann sich der Lehrer an unterschiedlichen Methoden bedienen, von welchen drei näher erörtert werden sollen.

3.) Konzepte und Ansätze zur Veranschaulichung von Spannung

Die Vielfältigkeit der Unterrichtskonzepte zu diesem Thema veranlasst zur Differenzierung. Das soll heißen, dass nicht jede Vorstellung einzeln behandelt werden kann, sondern nur ausgewählte, aus persönlicher Sicht plausible Konzepte betrachtet werden. Wir betrachten zunächst den experimentellen Einstieg in das Thema „Spannungen“ und wenden uns anschließend der Wasserkreislaufanalogie und dem Stäbchenmodell zu. Die wesentlichen Eigenschaften und Ziele sollen im Mittelpunkt der Auseinandersetzung stehen.

3.1. Experimenteller Einstieg

Eine wichtige Methode im Physikunterricht ist das Experiment. Dieses dient der „planmäßigen Bestätigung (Verifizierung) oder Widerlegung (Falsifizieren) von Hypothesen.“[14] Besonders im Hinblick auf falsche Schülervorstellungen kann das Experiment helfen, diese zu korrigieren.[15] Es soll gleichsam erwähnt werden, dass es zwei verschiedene Vorgehensweisen gibt, die im Unterricht praktiziert werden können: die Induktion und die Deduktion. Bei der Induktion wird von einem speziellen Fall (vorzugsweise in der Physik durch ein Experiment dargestellt) auf den allgemeinen Fall geschlossen und eine Gesetzmäßigkeit formuliert. Die Deduktion erfolgt umgekehrt, das heißt, die vorab erarbeiteten Gesetze werden durch Experimente bestätigt.[16]

Bei der Einführung der Spannung soll die induktive Heranführung in Betracht gezogen werden. Die Schüler bekommen den Arbeitsauftrag, herauszufinden, weshalb Lämpchen gleicher Bauart (3,8 V) unterschiedlich hell leuchten.[17] Der Lehrer stellt den Schülern dazu die notwendigen Lämpchen und verschiedenen Spannungsquellen, zum Beispiel Monozellen und regelbare Spannungsquellen, zur Verfügung. Das Experiment kann aber nur dann realisiert werden, wenn die Schüler bereits das Deuten von Schaltplänen und das Aufbauen von Stromkreisen beherrschen. Diese Fähigkeiten sollten bei der Einführung in die Elektrizitätslehre bereits entwickelt worden sein. Während der Durchführung des Experimentes verweist der Lehrer erneut auf den Arbeitsauftrag. Die Schüler werden nach absehbarer Zeit erkennen, dass die Spannungsquellen die Ursache für die unterschiedlichen Helligkeiten der Lämpchen sind. In einem weiteren Versuch sollen die Schüler die Erfahrung machen, dass Endverbraucher für verschiedene Spannungen ausgelegt sind. Hierfür schließen die Schüler beispielsweise Motoren, Summer oder Lampen an regelbare Spannungsquellen an und beobachten die Funktionstüchtigkeit der Geräte.

Durch die experimentelle Vorgehensweise werden die Schüler schrittweise an das Thema „Spannung“ herangeführt. Sie werden im Rückschluss feststellen, dass verschiedene Spannungen verschiedene Auswirkungen auf den Endverbraucher haben. Außerdem erkennen sie, dass elektrische Geräte nur bei bestimmten Spannungen voll funktionieren. Die Schüler bekommen durch das Experiment einen Zugang zur Spannung und stellen Theorien über die Bedeutung und Funktion auf.

Diese Methodik setzt den Schülern bewusst Impulse, die eine Komposition aller Sinnesorgane fordern. Durch das Sehen der Realität sind Schüler eher in der Lage theoretische Prinzipien für sich zu erfassen. Die Erfahrungen im Experiment sind aufgrund ihrer Anschaulichkeit auf längere Zeit in den Vorstellungen der Schüler verankert.

3.1. Wasserkreislaufanalogie

Die Parallelen zwischen Wasserkreislauf und Stromkreis werden genutzt, um die Wasserkreislaufanalogie im Unterricht einfließen zu lassen.

Eine Pumpe ist in der Veranschaulichung der Ersatz für die Spannungsquelle im Stromkreis. Wasserleitungen bzw. -schläuche ersetzen die Kabel und ein Generator oder ein Wasserrad bildet den Endverbraucher. Die Pumpe baut einen Druck auf, welcher das Wasser von der Auslaufstelle über einen Kreislauf zur Einlaufstelle befördert. Das Wasser fließt vom Ort hohen Drucks zum Ort niedrigen Drucks. Die Ähnlichkeit zum Stromkreis ist ersichtlich, der Antrieb des elektrischen Stroms durch die Potenzialdifferenz zustande kommt.[18]

Durch eine Reihe von Experimenten werden die wichtigsten Regeln an Stromkreisen vermittelt. Beispielsweise werden die Schüler aufgefordert, an einer Stelle den Schlauch etwas einzudrücken. Das Wasserrädchen wird sich darauf hin langsamer bewegen, egal an welcher Stelle die Schüler durch das Zusammendrücken einen Widerstand implizieren. Hier wird der Systemcharakter des Wasserkreislaufes verdeutlicht, der im weit gefassten Sinne das sequenzielle Denken abbauen soll. Allerdings findet eine Übertragung auf den Stromkreislauf nicht selbstverständlich durch die Schüler statt.[19]

Des Weiteren ist die zusätzliche Verzweigung des Kreislaufes durch einen zweiten Schlauch möglich, um die Bedingungen in Parallelschaltungen zu verdeutlichen. Die Schüler werden sehen, dass das Wasserrad trotz der Erweiterung gleich schnell angetrieben wird. Eine logische und für das Verständnis des verzweigten Stromkreises wichtige Schlussfolgerung ist die Erhöhung der Gesamtstromstärke. Die Ursache sollte hier ad hoc mit der identischen Druckdifferenz an den Knotenpunkten erklärt werden.[20]

[...]


[1] Zum flüssigeren Lesen wird der männliche Terminus durchgehend verwendet. Die etwaige Diskriminierung des weiblichen Geschlechtes ist dabei keineswegs beabsichtigt.

[2] Vgl. Sächsisches Staatsministerium für Kultus: Lehrplan. S. 15.

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

[4] Vgl. ebd. S. 6.

[5] Vgl. ebd. S. 6.

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

[7] Vgl. Uni Würzburg: Schülervorstellungen. Kap. 4.2.1.

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

[9] Vgl. ebd. S. 6.

[10] Vgl. ebd. S. 6.

[11] Vgl. Berge, Prof. Dr. O. E. u.a.: Physik. Ausgabe 5/05. Heft 89. 16. Jahrgang. Seelze (2005). S. 11

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

[13] Vgl. Jank, W. u.a.: Didaktische Modelle. S. 264

[14] Willer, J.: Fachdidaktik. 1977. S. 42.

[15] Vgl. ebd. S. 43.

[16] Vgl. ebd. S. 43.

[17] Vgl. Marsch, A.: Physik/Chemie, in: Gschwendner, K.: Unterrichtsgestaltung. 1989. S. 24

[18] Vgl. Kienle, R. u.a.: Wassermodell, in: 2006. S. 39.

[19] Vgl. ebd. S. 41.

[20] Vgl. ebd. S. 41.

Ende der Leseprobe aus 13 Seiten

Details

Titel
Was den Strom antreibt: Zur Veranschaulichung von elektrischer Spannung im Unterricht
Hochschule
Technische Universität Dresden
Note
2,0
Autor
Jahr
2010
Seiten
13
Katalognummer
V181453
ISBN (eBook)
9783656044192
ISBN (Buch)
9783656044437
Dateigröße
533 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
strom, veranschaulichung, spannung, unterricht
Arbeit zitieren
Felix Eibenstein (Autor), 2010, Was den Strom antreibt: Zur Veranschaulichung von elektrischer Spannung im Unterricht, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/181453

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