Prüfungsentwurf Schall: Warum rauscht es in der Muschel - Experimente zum Schall

1. Aufbau und Thema der Reihe

1.1 Thema der Reihe

„Experimente und Entdeckungen rund um den Schall“: Handlungsorientiertes Lernen zum Thema Schall, um akustische Phänomene in Ansätzen zu „be-greifen“

1.2 Stundenthemen

1.2.1 Thema der 1./2. Stunde: „Wir machen einen Geräusche-Spaziergang“: Plakatgestaltung zu wahrgenommenen Geräuschen zur Einführung der Begriffe Schallquelle und Schallempfänger

1.2.2 Thema der 3. Stunde: „Geräusche entstehen durch Schallwellen“: Spüren und Sehen von Schwingungen durch Experimente, um die Ausbreitung des Schalls zu visualisieren

1.2.3 Thema der 4./5. Stunde: „Wie sich Schall ausbreitet“: Experimente zu Schallleitern (Luft, Wasser, feste Stoffe) mit Hilfe eines Stationsbetriebs, um die Schallausbreitung zu erforschen

1.2.4 Thema der 6. Stunde: „Wir erzeugen Schall“: Erproben selbstgebauter Geräuschinstrumente in arbeitsteiliger Gruppenarbeit, um die Schallerzeugung durch Musikinstrumente zu erklären

1.2.5 Thema der 7. Stunde: „Wie kann man den Schall verstärken?“: Recherchieren in Sachbüchern und -texten zu Klangkörpern von Musikinstrumenten, um erste Einsichten in das Phänomen der Resonanz zu ermöglichen

1.2.6 Thema der 8. Stunde: „Warum rauscht es in der Muschel?“: Entdeckendes Lernen am Phänomen der Resonanz, um Alltagserklärungen vom Rauschen in der Meeresschnecke zu überprüfen

1.2.7 Thema der 9. Stunde: „Welche Geräte und Maschinen haben Wissenschaftler zum Thema Schall erfunden und welche benutzen wir heute?“: Arbeitsteilige Gruppenarbeit mit Plakatgestaltung zu Geräten und Maschinen rund um den Schall, um das bisher Gelernte auf die Lebenswelt zu übertragen

Besuch der Phänomenta als außerschulischen Lernort zum Thema „Schall“ zur Vertiefung der Lerninhalte

1.2.10 Thema der 10. Stunde: „Wir beantworten Fragen aus der Fragenbox“: Kreisgespräch als Nachbereitung des Phänomenta-Besuchs und Klärung noch offener Fragen der Kinder

An die Unterrichtsreihe wird - bezogen auf bisher auftauchende Kinderfragen - das Thema „Hören und Ohr bei Mensch und Tier“ angeschlossen.

2. Darstellung ausgewählter didaktisch-methodischer Überlegungen zum eingegrenzten Thema

2.1 Bezug zur Fachwissenschaft und Lerntheorien

2.1.1 Entdeckendes Lernen

Merkmal des entdeckenden Lernens ist die Fokussierung auf die Eigenaktivität der Schüler und Schülerinnen. Mittelpunkt des Unterrichts ist nicht die Vermittlung von Unterrichtsstoff durch die Lehrperson, sondern das selbstständige Erschließen eines Lerninhalts durch motivierende und anregende Lernangebote. Diese Angebote können dahingehend vorstrukturiert sein, dass die Lehrperson eine Fragestellung bzw. ein Problem, die Methode und das zu verwendende Material vorgibt. Die Schülerinnen und Schüler finden daraufhin Antworten bzw. eine Lösung und Erschließen sich den Inhalt durch selbstaktives Forschen und Erfragen selbst. Den Anfang dazu stellt die Beobachtung eines Objekt bzw. eines Phänomens dar. Entdeckendes Lernen kann weiterhin durch das Herstellen eines Lebensweltbezugs und der damit einhergehenden individuellen Bedeutsamkeit des Inhalts die intrinsische Motivation fördern. (vgl. REICHEN 1991) Bruner ist der Meinung, [...] durch entdeckendes Lernen angeeignetes Wissen sei sicherer und rascher verfügbar, und glaubt, dass dadurch die Übertragbarkeit des Wissens gesteigert, das Behalten erleichtert, die Motivation gefördert und die Fähigkeit zum Problemlösen erhöht wird.“ (REICHEN 1991, 52)

2.1.2 Das Phänomen der Resonanz in der Meeresschnecke

Das Rauschen im Gehäuse der Meeresschnecke^[1] lässt sich durch das physikalische Phänomen der Resonanz erklären. In dem hohlen Gehäuse ist eine Luftsäule eingeschlossen. Diese besitzt eine spezielle Frequenz und schwingt hin und her. Umweltgeräusche aus der Umgebung, die in der gleichen Frequenz wie die der Meeresschnecke liegen, werden durch die Luft im Gehäuse verstärkt. Aus diesem Grund rauscht jede Muschel abhängig von ihrer Form und Größe unterschiedlich. Die Meeresschnecke ist also ein Resonanzkörper, der umliegende Töne verstärkt. Auf diesem Prinzip beruht auch die Funktionsweise vieler Musikinstrumente. Durch die trichterförmige Gestalt und die harte, glatte Oberfläche des Gehäuses der Meeresschnecke werden einfallende Schallwellen im Inneren reflektiert und überlagern sich dabei mehrfach. Dadurch entsteht ein sogenanntes Resonanzrauschen. Dieses ist für das menschliche Gehör derart ungewohnt, dass die normalen Umweltgeräusche vom Gehirn ausgeblendet werden und nur noch das Rauschen wahrgenommen wird. Dass das Rauschen der Meeresschnecke nichts mit dem Rauschen des Meeres zu tun hat, kann man beweisen, indem man ein einseitig-geschlossenes Gefäß wie z.B. eine Konservendose an sein Ohr hält. Auch die Konservendose rauscht und sie lag nicht zuvor am Meer. Die Vermutung, dass man das eigene Blut im Kopf rauschen hört, lässt sich widerlegen, indem man das Rauschen in ruhiger Umgebung mit dem in einer lauten Umgebung vergleicht. Gerade durch laute gleichmäßige Umgebungsgeräusche nimmt man das Rauschen in der Muschel lauter wahr. Diese Tatsache beweist, dass nicht das eigene Blut rauscht. Aber es gibt einen noch eindeutigeren Beweis. Wenn man eine Konservendose über ein „blutleeres“ Mikrofon stülpt und wieder zurückzieht, lässt sich das Rauschen aufnehmen. (vgl. http://www.tk-logo.de/natuerlich/naturwunder-05/nawu-muschelrauschen.html, http://www.affenterz.de/brille/Wissensdedektive_Archiv/brille_beste_Antwort_Muschel.asp).

2.1.3 Bezug zu Richtlinien und Lehrplan

Das Thema der heutigen Stunde lässt sich dem Bereich Natur und Leben zuordnen. Dieser beinhaltet unter anderem, dass eigene Fragehaltungen und Zugänge zum Erkunden und Untersuchen von Naturphänomenen der unbelebten Natur entwickelt werden. Die Wissbegier und das Interesse an sachunterrichtlichen Phänomenen sollte gefördert, an den bereits vorhandenen Vorstellungen der Kinder angeknüpft und diese durch forschende und handelnde Auseinandersetzung erweitert und ausgebaut werden. „Die Schülerinnen und Schüler erfahren in den unterrichtlichen Arrangements, wie man Sachbereiche der eigenen Lebenswelt erkunden, erforschen und Aufgaben gemeinsam planen und bearbeiten kann“ (LEHRPLAN, 2008, 39). Bezüglich des Aufgabenschwerpunkts Wärme, Licht, Feuer, Wasser, Luft, Schall fordert der Lehrplan als eine Kompetenzerwartung am Ende der Klasse 4, dass die Schülerinnen und Schüler Versuche (z.B. zum Thema Schall) planen, durchführen und Ergebnisse auswerten (vgl. ebd., 43). Darum experimentieren die Kinder in der heutigen Stunde mit unterschiedlichen Materialien und dokumentieren ihre Beobachtungen und Erklärungen im Forschertagebuch, um ihre Vorstellungen vom Rauschen in der Meeresschnecke zu überprüfen. Diesbezüglich nennt der Lehrplan weiterhin, dass „die Schülerinnen und Schüler dazu angeleitet werden, die eigenen Lernwege zu dokumentieren, sie anderen zu erklären und sie gemeinsam kritisch zu reflektieren“ (ebd.). Aus diesem Grund wird in der sich an die Forscherzeit anschließenden Reflexion gemeinsam der Versuch unternommen, die zuvor festgehaltenen Alltagserklärungen zu überprüfen und als falsch bzw. richtig zu markieren.

2.1.4 Bezug zur Fachdidaktik und -methodik

Hintergrund der heutigen Stunde ist, Schülerinnen und Schüler anzuregen, erstens einer Fragestellung aus dem Alltag nachzugehen (Warum rauscht es in der Muschel?), zweitens einen Erklärungsversuch aufzustellen (Meeresrauschen, Blut), drittens durch wissenschaftliche Arbeitsweisen zu überprüfen (experimentelle Auseinandersetzung) und viertens eventuell die zuvor aufgestellte Erklärung zu variieren (Rauschen durch Schallverstärkung).

In der Einstiegsphase liegen zunächst einige Meeresschnecken als stummer Impuls in der Mitte des Sitzkreises. Die Schülerinnen und Schüler äußern sich darüber, was dieser Impuls mit dem heutigen Thema zu tun haben könnte und welche individuellen Alltagsvorstellungen zum Rauschen bestehen. Die genannten Erklärungsversuche (vermutlich Meeres-/Windrauschen, Blut im Kopf, eventuell bereits Umgebungsgeräusche) halte ich als visuelle Stütze schriftlich auf einem Plakat an der Tafel fest. Daran anschließend werden unterschiedliche Materialien wie z.B. Konservendosen, Meeresschnecken, Muscheln, Becher usw. in die Kreismitte gelegt. Im Anschluss können sich die Kinder in der Murmelrunde kurz mit ihren Sitznachbarn über ihre Forscherideen austauschen. Kinder, die bereits Forscherideen haben, werden nach Erteilung des Arbeitsauftrages in die Arbeitsphase entlassen. Kinder, die noch weitere Impulse benötigen, können im Sitzkreis verbleiben und durch weitere mündliche Gesprächsimpulse zusätzliche Anregungen erhalten. Innerhalb der Arbeitsphase möchte ich lediglich als Berater und Impulsgeber zur Verfügung stehen. Den Schülerinnen und Schülern wird damit ermöglicht, selbstständig und eigenaktiv zu forschen und neue Erkenntnisse zu gewinnen. Dazu verwenden sie das bereitgestellte Material, können aber auch zusätzliche Materialien wie z.B. Papier o.ä. von mir anfordern bzw. aus ihrer Forscherkiste holen. Bei der Auswahl des Materials habe ich bewusst Alltagsgegenstände ausgewählt. Sie sind den Kindern vertraut und animieren, zu Hause weiter zu forschen. Durch die experimentelle Auseinandersetzung mit diesen Materialien werden die Schülerinnen und Schüler in die Lage versetzt, die zuvor aufgestellten Erklärungsversuche zu überprüfen und eventuell zu widerlegen. Stellen sich die bisher angenommenen Alltagserklärungen als falsch heraus, ist es nötig, neue Erklärungen zu finden. Somit findet Lernen als Konzeptwechsel statt. Diese Tatsache beruht auf der konstruktivistischen Lerntheorie (vgl. DUIT, 1995). Das heißt, die Kinder erkennen durch ihr Forschen, dass ihr bisheriges Präkonzept (z.B. es rauscht das Meer) nicht stimmt, da es auch z.B. in der Konservendose rauscht und in einer zweischaligen Muschel nicht rauscht. Somit versuchen sie ihre Erkenntnisse – anknüpfend an die bisherigen Vorstellungen - neu zu konstruieren. Im Forschertagebuch können Versuchsdurchführungen, Beobachtungen und Erklärungen schriftlich und zeichnerisch festgehalten werden. Durch die unterschiedlichen Zugangsweisen beim Forschen wie z.B. selbst ausprobieren durch Anfassen und Hören, sich bei anderen Ideen holen, in Sachbüchern bzw. –texten recherchieren, sich Skizzen machen oder Stichworte aufschreiben werden unterschiedliche Lernwege eröffnet und verschiedene Lerntypen berücksichtigt. Dies führt auch zu einer natürlichen Differenzierung. Jedes Kind forscht, dokumentiert und erklärt anhand seiner individuellen Möglichkeiten. Im gemeinsamen Reflexionsgespräch am Ende der Stunde werden die zuvor festgehaltenen Erklärungen mit Hilfe des Plakats wieder aufgenommen und im Klassenverband überprüft. Die Schülerinnen und Schüler äußern sich anhand der Impulse an der Tafel (Satzanfänge in Sprechblasen), wie sie die unterschiedlichen Erklärungen auf ihre Richtigkeit überprüft haben, inwieweit ihre Forschungen zur Klärung der Frage geführt haben und zu welchem Ergebnis sie gekommen sind. Weiterhin wird eventuell der Versuch unternommen, das Rauschen der Meeresschnecke durch eine physikalische Erklärung zu erläutern, falls ein Kind einen Beweis für die Schallursache gefunden hat (z.B. mit Aufnahmegerät ausfgenommen)

. Um an dieser Stelle den Verstehensprozess zu erleichtern, demonstrieren und wiederholen einzelne Kinder die Erklärungen mit Hilfe der verwendeten Materialien. Widerlegte Erklärungen werden auf dem Plakat als falsch angekreuzt. Bleibt die Frage offen, ob das Blut oder die Umgebungsgeräusche das Rauschen verursachen, animiere ich die Kinder, Vorschläge für die Weiterarbeit zu machen (Wie können wir in der nächsten Stunde an der Frage weiterarbeiten und was benötigen wir dafür?). Dazu zeige ich eventuell das Mikrofon und das Aufnahmegerät. Als zusätzlichen Ausblick und Transfer lasse ich die Kinder vermuten, was man im schallarmen Raum der Phänomenta^[2] überprüfen könnte und was wir dazu auf unseren Ausflug mitnehmen müssten. Falls Schülerinnen und Schüler das Rauschen mit dem Mikrofon aufgenommen haben, können diese in der folgenden Stunde eine Station dazu aufbauen und alle Kinder können sich die Aufnahme anhören. Kommt es innerhalb der Reflexion aber zu einer richtigen Erklärung, genügt im Sinne der didaktischen Reduktion die Erläuterung, dass die durch die Umgebungsgeräusche in Schwingung versetzte Luft die Töne verstärkt. Auf die physikalische Erläuterung des Rauschens möchte ich verzichten, da dies für Kinder dieser Altersstufe zu komplex und abstrakt wäre und auch im vorherigen Unterricht noch nicht aufgegriffen wurde. Damit die Kinder den Lerninhalt der heutigen Stunde zusätzlich vertiefen, wiederholen und reflektieren, wird die Hausaufgabe das Ausfüllen des Lerntagebuchs (siehe Anhang) sein. Weiterhin möchte ich dazu anregen, anderen Kindern und Erwachsenen die heute behandelte Frage zu stellen und ihnen - wenn diese Frage innerhalb der Reflexion ausreichend geklärt wurde - zu erklären, warum die Meeresschnecke rauscht. Dadurch wird die Lerngruppe erkennen, dass selbst Erwachsene die richtige Antwort häufig nicht kennen. Den Kindern kann dadurch ihr eigenes Wissen und ihre Kompetenz bewusst gemacht werden. Die physikalisch richtige Erklärung des Rauschens wird nach endgültiger Klärung der Ausgangsfrage gemeinsam für das Plakat formuliert und festgehalten.

2.1.5 Überlegungen zu Lernvoraussetzungen, möglichen Lernwiderständen und erzieherischen Intentionen

Interesse an den Aufgaben

Die heutige Fragestellung besitzt einen kindlichen Fragecharakter (Warum?) und knüpft an das Alltagswissen bzw. die unmittelbare Lebenswelt der Kinder an. Den meisten Kindern wird die Frage bekannt sein und viele haben bereits von Erwachsenen unterschiedliche Erklärungsweisen erhalten bzw. sich selbst eine Meinung gebildet. Auch wird ein Großteil der Klasse bereits die unmittelbare Erfahrung gemacht haben und an einer Muschel gehört haben. Ich gehe aber davon aus, dass kaum ein Kind die richtige Erklärung kennt. Kinder wollen aber ihre Umwelt erforschen und sie sich erklären. Weiterhin wird den Kindern im Unterricht vermittelt, dass ihre Fragen, Vorschläge und Forschungen ernst genommen werden und wichtig sind. Aus diesen Gründen gehe ich von einem hohen Interesse an der Aufgabe aus.

Fähigkeiten zur Lösung der Aufgaben

Die heutige Stunde stellt einen herausfordernden und anspruchsvollen Unterrichtsinhalt dar. Den Schwerpunkt habe ich darum bewusst auf das Überprüfen der eigenen Erklärung gelegt. Diese Methode wissenschaftlichen Arbeitens ist der Lerngruppe vertraut. Das selbstständige Forschen und Entwickeln von Forscherideen stellt für die meisten Kinder kein Problem dar. Diejenigen, die zunächst keine Ideen haben, können sich im Sitzkreis und später durch Mitschülerinnen und Mitschüler, von mir oder durch Sachbücher und -text zusätzliche Anregungen holen. Ich vermute, dass einige Kinder nicht zielgerichtet auf das Überprüfen der Vermutungen forschen, sondern frei experimentieren und ausprobieren. Beobachte ich dies, erinnere ich an das Plakat an der Tafel. Wenn nötig, gebe ich zusätzliche Anregungen und Tipps. Auszuschließen, dass es sich bei dem Rauschen um das Meer handelt, dürfte kein Problem sein. In Bezug auf das Rauschen des Blutes verhält sich dies schon schwieriger. Wenn ich merke, dass dies den Kinder schwer fällt, werde ich vereinzelt konkrete Impulse setzen (Teste mal, wenn es um dich laut ist! Wie ist es, wenn es ganz leise ist?). Kinder wie Paul, Moritz, Linda oder Raphael haben meist ein vielfältiges Vorwissen zu naturwissenschaftlichen Themen und können in der heutigen Stunde gefordert werden. Ihnen traue ich zu, dass sie mit Hilfe des Sachtextes (siehe Anhang) auf die Idee kommen, das Rauschen aufzunehmen. Ein Aufnahmegerät mit Mikrofon wird darum zur Verfügung stehen.

[...]

^[1] Bei den gewundenen Muscheln handelt es sich um Meeresschnecken. Diese besitzen im Gegensatz zu den meist flach geformten zweischaligen Muscheln nur eine Schale.

^[2] In diesem dürfte das Rauschen in der Muschel bei absoluter Stille nicht wahrzunehmen sein. Somit könnte man die Vermutung bezüglich des Rauschen des Blutes ausschließen.