Experimentelle Erschließung der Umwelt (Grundschule)

Inhalt

1 Einleitung

2 Physikalische Eigenschaften der Luft und deren Einfluss auf das Wetter
2.1 Bestandteile der Luft und Aufbau der Atmosphäre
2.2 Lufttemperatur
2.3 Luftfeuchte
2.5 Das Wetter-ein Zusammenspiel der physikalischen Eigenschaften der Luft
2.5.1 Entstehung eines Tiefdruckgebietes
2.5.2 Entstehung eines Hochdruckgebietes

3 Naturwissenschaftliches Lernen in der Grundschule
3.1 Einordnung des naturwissenschaftlichen Lernens in die Didaktik des Sachunterrichts
3.2 Ziele des naturwissenschaftlichen Lernens
3.2.1 Vermittlung von Wissenschaftsverständnis bei Grundschulkindern
3.2.2 Konzeptwechsel: Vom Alltags- zum wissenschaftsorientierten Konzept
3.3 Inhalte des naturwissenschaftlichen Lernens
3.4 Das Experiment im Sachunterricht der Grundschule
3.4.1 Begriffsklärung
3.4.2 Ziele und Bedeutung des Experimentierens im Sachunterricht der Grundschule

4 Didaktische Umsetzungsmöglichkeiten der Thematik Luft im Sachunterricht der Grundschule
4.1 Analyse des Heimat-und Sachkundelehrplans für die Grundschule
4.2 Didaktisch-methodische Umsetzungsmöglichkeiten der Thematik Luft
4.3 Umsetzung der Thematik Luftdruck in der Arbeitsgemeinschaft Experimente
4.3.1 Rahmenbedingungen
4.3.2 Vorgehensweise in der Erarbeitung der Thematik Luftdruck

5 Fazit

6 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

"Sage es mir und ich werde es vergessen. Zeig es mir und ich werde mich daran erinnern. Lass es mich tun und ich werde es verstehen."^[1]

Das Anliegen der vorliegenden Arbeit besteht in erster Linie darin, zu veranschaulichen, wie man bereits bei Grundschulkindern Interesse für naturwissenschaftliche Phänomene entwickeln kann und wie man dieses in weiterführende naturwissenschaftliche Lernprozesse integriert. Die Thematik Luft weist mit ihren Inhalten, die im Thüringer Lehrplan für die Grundschule zu finden sind, eine hohe Relevanz für die Grundschule auf. Dies ist zum einen dem grundlegenden Bildungsauftrag der Schule geschuldet, indem natürlich auch naturwissenschaftliches Lernen eine bedeutende Rolle spielt.

Weiterhin sollen die Kinder befähigt werden, ihre Lebenswirklichkeit selbständig zu erschließen und zu bewältigen. Im täglichen Leben werden Kinder mit Phänomenen konfrontiert, die mit der Luft in direktem Zusammenhang stehen. Sie stellen zum Beispiel fest, dass sich die Temperatur ändert, sehen, dass ein Heißluftballon aufsteigt oder sie beobachten das sich täglich ändernde Wetter. Die Neugier der Kinder ruft Fragestellungen hervor und erfordert die gezielte Auseinandersetzung mit dem jeweiligen Phänomen. Hierfür eignet sich hervorragend die Methode des Experimentierens.

In diesem Zusammenhang kommt der Heimat-und Sachkundeunterricht zum Zuge. Dessen Aufgabe ist es -neben der Vermittlung des notwendigen Sachwissens- Methoden und Kompetenzen zu entwickeln, die die Kinder dazu befähigen sich in ihrer Lebensumwelt zurechtzufinden. Das handlungs-und problemorientierte sowie entdeckende Lernen spielt im Sachunterricht eine große Rolle.^[2]

Auch wenn wir die Luft nicht sehen, und nur spüren können, wenn sie in einem Luftzug an uns vorüber zieht, hat sie dennoch einen hohen Einfluss auf unseren Alltag. Das Leben auf der Erde wäre ohne die uns umgebende Lufthülle-die sogenannte Atmosphäre-undenkbar. Die Luft versorgt die aeroben Lebewesen mit Sauerstoff, der für die Atmung unabdingbar ist. Das für die Photosynthese der Pflanzen notwendige Kohlenstoffdioxid wird ebenso aus der Luft entnommen. Die physikalischen Eigenschaften der Luft beeinflussen maßgeblich die täglichen Wettergeschehnisse. Weiterhin wird die Luft-insbesondere der Wind- genutzt, um nachhaltig erneuerbare Energien zu gewinnen.

Die vorliegende Arbeit ist so aufgebaut, dass zunächst die für das Verständnis der Experimente notwendigen physikalischen Erklärungen aufgeführt werden. Ich möchte darauf hinweisen, dass die Erklärung zur Entstehung von Hoch-und Tiefdruckgebieten nicht erforderlich für das Verständnis der von mir in der Arbeitsgemeinschaft durchgeführten Experimente ist. Dennoch habe ich sie bewusst erwähnt, da die Kinder am Ende der Grundschulzeit in der Lage sein müssen, den Einfluss des Luftdrucks auf das Wetter zu erklären.^[3] Da ich mit Erst-und Zweitklässlern arbeitete war es zunächst wichtig hierfür die Grundlagen zu legen. Das Kapitel zu Hoch-und Tiefdruckgebieten soll einen Ausblick auf den zu erreichenden Wissensstand der Schüler geben.

Im zweiten Teil geht es um das naturwissenschaftliche Lernen im Sachunterricht der Grundschule. Ein besonderes Augenmerk wird hierbei auf das Wissenschaftsverständnis von Grundschulkindern sowie auf die Methode des Experimentierens gelegt.

Es folgen allgemeine didaktische Umsetzungsmöglichkeiten der Thematik Luft an der Grundschule. Zum Abschluss beinhaltet die Arbeit die Beschreibung und Analyse meiner eigenen Umsetzung der Thematik Luftdruck in einer Arbeitsgemeinschaft.

Im Mittelpunkt der gesamten Auseinandersetzung stehen folgende Fragen:

Welche Rolle spielt das Experimentieren für das naturwissenschaftliche Lernen im Sachunterricht der Grundschule?

Auf welche Art und Weise ist es möglich, Kinder für naturwissenschaftliche Phänomene zu begeistern und wissenschaftsorientierte Lernprozesse in Gang zu setzen?

2 Physikalische Eigenschaften der Luft und deren Einfluss auf das Wetter

2.1 Bestandteile der Luft und Aufbau der Atmosphäre

Bei der Luft handelt es sich um ein Gasgemisch, welches zu 78% aus Stickstoff, zu 21% aus Sauerstoff, zu 0,03% Kohlenstoffdioxid und zu 0,97%Edelgasen besteht.^[4] Weiterhin gibt es je nach vorherrschender Temperatur einen variablen Anteil an Wasserdampf.^[5]

Die Atmosphäre ist die Lufthülle der Erde. Sie schützt sie vor Hitze und Kälte des Weltraums, vor Bruchstücken fremder Himmelskörper und vor schädlichen Strahlen.^[6] Sie gliedert sich von der Erdoberfläche aus in die Höhe gesehen in folgende Schichten: Troposphäre (0-16km), Stratosphäre (16-50km), Mesosphäre (50-80km), Thermosphäre (80-90km) und Exosphäre (ab 90km). Die Stockwerke der Erdatmosphäre werden nach dem Temperaturverlauf abgegrenzt. In der untersten Schicht kühlt sich die Luft um durchschnittlich 0,65°C pro 100 Meter Höhe ab. Im Anschluss erwärmt sich die Luft in der Stratosphäre auf ca. 4°C, um dann in der Mesosphäre wieder bis auf -90°C abzukühlen. Letztlich liegt die Temperatur bei 1400°C in der Thermosphäre^[7].

Ohne die Atmosphäre und die Sonne, die die atmosphärische Zirkulation antreibt, gebe es keine Vielfalt an Wettererscheinungen. Denn ohne diese Schutzhülle würde die Sonnenenergie wirkungslos verpuffen.^[8]

2.2 Lufttemperatur

In der Troposphäre wird die Luft durch die Wärmeausstrahlung der Erdoberfläche erwärmt. Die Luftmoleküle bewegen sich abhängig von der jeweils vorherrschenden Temperatur. Nimmt die Temperatur zu, so bewegen sich die Luftmoleküle schneller, die Distanz zwischen ihnen vergrößert sich und die Luft weitet sich aus.^[9] Dadurch verringert sich die Dichte der Luft, sie wird leichter, erhält Auftrieb und steigt auf. Gleichzeitig sinkt kalte Luft aufgrund ihrer höheren Dichte nach unten. Diesen Vorgang nennt man Konvektion.^[10] Er beruht auf dem Auftriebsgesetz von Archimedes: „Die Auftriebskraft, die auf einen Körper wirkt, ist gleich der Gewichtskraft der von ihm verdrängten Flüssigkeitsmenge.“^[11] Dieses Gesetz gilt gleichfalls für Gase, also auch für Luft. Sie steigt auf, da sie von der „[…]kalten, spezifisch schwereren Kaltluft nach oben verdrängt wird.“^[12]

Mit zunehmender Höhe kühlt sich die Luft wieder ab. Dies bezeichnet man als adiabatische Abkühlung.^[13] Im Durchschnitt kühlt sich die Luft um 0,6 bis 0,7°C pro 100 Meter ab.^[14]

2.3 Luftfeuchte

Wie oben bereits erwähnt enthält die Luft unter anderem einen variablen Anteil an Wasserdampf.^[15] Unter der Luftfeuchte versteht man den Wasserdampfgehalt der Luft, der in „[…] verschiedenen Einheiten gemessen und mit unterschiedlichen Begriffen ausgedrückt werden kann.“^[16]

Die absolute Luftfeuchte markiert den in der Luft enthaltenen Wasserdampf und wird in Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter angegeben.^[17] „1m3Luft wiegt ca. 1200g und enthält normalerweise rund 10g Wasser, das ist also ein Massenanteil von 1%.“^[18]

Der Wasserdampfgehalt der Luft ist maßgeblich von der zu einem bestimmten Zeitpunkt herrschenden Lufttemperatur abhängig. Je nach Temperatur kann stets nur eine festgelegte Menge an Wasserdampf aufgenommen werden. „Diese Menge wird maximale Luftfeuchtigkeit genannt.“^[19] Luft mit einer Temperatur von 5°C kann maximal sieben Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter Luft aufnehmen. Bei einer Temperatur von 0°C ist eine maximale Aufnahme von 5 Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter Luft möglich.^[20]

Das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen und dem höchstmöglichen Wassergehalt der Luft bei einer jeweiligen Temperatur wird als relative Luftfeuchtigkeit bezeichnet.^[21] Sie wird in Prozent angegeben. Als Taupunkt bezeichnet man denjenigen Temperaturwert, bei dem die relative Luftfeuchte 100% erreicht hat.^[22] Man spricht dann davon, dass die Luft mit Wasserdampf gesättigt-also kein weiteres Wasser mehr aufnehmen kann.^[23] Kühlt sich die gesättigte Luft weiter ab, kommt es in der Folge zur Kondensation von Wasserdampf und somit zur Wolken-und Nebelbildung.^[24] Im Fall der Erwärmung nimmt die relative Luftfeuchte ab und die Luft ist in der Lage durch die erhöhte Temperatur wieder mehr Wasserdampf aufzunehmen. Wolken und Nebel lösen sich letztlich auf.^[25] Die warme Luft kann mehr Wasser aufnehmen, da sich bei höheren Temperaturen die Luftmoleküle und die in der Luft enthaltenen Wassermoleküle schneller durcheinander bewegen. „Zufällig gebildete Ansammlungen von Wassermolekülen, die zur Bildung von Tröpfchen führen könnten, werden daher gleich wieder zerstreut.“^[26]

2.4 Luftdruck

Durch ein verblüffendes Experiment konnte im Jahr 1654 nachgewiesen werden, dass die Luft durchaus ein Gewicht hat, auch wenn wir aufgrund von Gewöhnung dieses nicht spüren. Otto von Guericke hatte es geschafft, aus einer Kugel, die aus zwei Halbkugeln bestand, die komplette Luft auszusaugen. Die zwei Teile waren weder miteinander verklebt noch verschraubt. Durch das Absaugen entstand im Inneren der Kugel ein Vakuum. Die Luft drückte von außen auf die Kugeln, um das Druckgefälle auszugleichen. Doch erst sechzehn Pferde schafften es, die Magdeburger Halbkugeln wieder auseinanderzuziehen.

Somit ist bewiesen, dass die Luft aufgrund der Schwerkraft einen Druck auf die Erdoberfläche ausübt.^[27] Dieser beträgt durchschnittlich 1kg/cm2.^[28] Ein Liter Luft wiegt 1,2g, ein Kubikmeter Luft hat bereits ein Gewicht von 1,2 kg.^[29]

Das Gewicht der Luftsäule, welches auf Meereshöhe normiert ist, gibt den jeweiligen Luftdruck an.^[30] Gemessen wird er mit sogenannten Barometern, als Einheit wird hectopascal (hPa) verwendet. Hecto steht für den Faktor 100, 1 Pa bedeutet 1 N/m2. 1 Newton (N) bezeichnet die Einheit der Kraft und entspricht circa einer Gewichtskraft von 100g.^[31] Auf Meeresniveau liegt der durchschnittliche Luftdruck bei 1013,25 hPa.^[32]

Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe über der Erdoberfläche ab.^[33] In Bodennähe werden die Luftmoleküle durch das Gewicht der darüber liegenden Moleküle zusammengedrückt. Umso höher man ist, desto geringer ist das Gewicht, der aufliegenden Teilchen. Somit ist der Luftdruck an dieser Stelle geringer.^[34] In 2000m über dem Meeresspiegel beträgt er noch 75 Prozent, in 5km höhe 50 Prozent des Wertes, der auf Meereshöhe gemessen wird.^[35]

Wie oben bereits erwähnt spüren wir nichts vom Luftdruck. Erst Luftdruckunterschiede machen sich durch ihre Wirkungen bemerkbar.^[36]

[...]

^[1] Konfuzius. Zitiert nach: Hans Peter Hepe. : Lass es mich tun und ich werde es verstehen. Blogbeitrag vom 22.12.2009.URL: http://simplepower.blog.de/2009/12/22/lass-tun-verstehen-7625339/, Datum: 22.2.2012

^[2] vgl.: Thüringer: Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur: Lehrplan für die Grundschule. Heimat-und Sachkunde, 2010 URL: http://www.schulportal-thueringen.de/web/guest/media/detail?tspi=1264, Datum: 22.2.2012

^[3] vgl.: ebd.

^[4] Michael Haider/Andreas Hartinger (Hg.):Experimentieren im Sachunterricht. Berlin 2010, S.6

^[5] Helmut Kraus: Die Atmosphäre der Erde. Berlin, Heidelberg, S.17

^[6] vgl.: William J.Burroughs et al.: Wetterkunde. Bindlach 2004, S.24

^[7] vgl.: ebd., S.24f.

^[8] vgl.: ebd., S.26

^[9] vgl.: William J.Burroughs et al.: Wetterkunde. Bindlach: Gondrom Verlag 2004, S.27

^[10] vgl.: Dieter Walch, Harald Frater(Hg.): Wetter und Klima. Berlin: Springer 2004, S.9

^[11] Otto Ernst Berge: Das Wetter. In: Gisela Lück, Hilde Köster (Hg.): Physik und Chemie im Sachunterricht. Bad Heilbrunn: Julius Klinkhardt 2006, S.123

^[12] Otto ebd., S.124

^[13] vgl.: Dieter Walch, Harald Frater(Hg.): Wetter und Klima. Berlin: Springer 2004, S.122

^[14] vgl.: Uwe Hertzsch: Geographie in Übersichten. Berlin: Volk und Wissen 1999, S. 41

^[15] Otto Ernst Berge: Das Wetter. In: Gisela Lück, Hilde Köster (Hg.): Physik und Chemie im Sachunterricht, Bad Heilbrunn: Julius Klinkhardt 2006, S.115

^[16] William J.Burroughs et al.: Wetterkunde. Bindlach: Gondrom Verlag 2004, S.41

^[17] vgl. Uwe Hertzsch: Geographie in Übersichten. Berlin: Volk und Wissen 1999, S. 41

^[18] Otto Ernst Berge: Das Wetter. In: Gisela Lück, Hilde Köster (Hg.): Physik und Chemie im Sachunterricht, Bad Heilbrunn: Julius Klinkhardt 2006, S.116

^[19] Uwe Hertzsch: Geographie in Übersichten. Berlin: Volk und Wissen 1999, S. 41

^[20] vgl.: ebd.

^[21] vgl.: Brian Cosgrove: Das Wetter. Hildesheim: Gerstenberg Verlag Kraus 2004, S.22

^[22] vgl.: Uwe Hertzsch: Geographie in Übersichten. Berlin: Volk und Wissen 1999, S.41

^[23] vgl.: William J.Burroughs et al.: Wetterkunde. Bindlach 2004, S.42

^[24] vgl.: Dieter Walch, Harald Frater: Wetter und Klima,. Berlin: Springer 2004, S.121

^[25] vgl.: ebd.

^[26] Otto Ernst Berge: Das Wetter. In: Gisela Lück, Hilde Köster (Hg.): Physik und Chemie im Sachunterricht. Bad Heilbrunn: Julius Klinkhardt 2006, S.114

^[27] Gösta H. Liljequist: Allgemeine Meteorologie. Braunschweig: Vieweg 1994, S.47

^[28] vgl.: William J.Burroughs et al.: Wetterkunde. Bindlach: Gondrom Verlag 2004, S.42

^[29] vgl.: Otto Ernst Berge: Das Wetter. In: Gisela Lück, Hilde Köster (Hg.): Physik und Chemie im Sachunterricht. Bad Heilbrunn: Julius Klinkhardt 2006, S.117

^[30] vgl.: Christian König: Das große Buch vom Wetter: Pfaffenhofen: Ludwig 1999, S.24

^[31] vgl.: Otto Ernst Berge: Das Wetter. In: Gisela Lück, Hilde Köster (Hg.): Physik und Chemie im Sachunterricht. Bad Heilbrunn: Julius Klinkhardt 2006, S.118

^[32] vgl.: Dieter Walch, Harald Frater: Wetter und Klima. Berlin: Springer, S.66

^[33] vgl.: Uwe Hertzsch: Geographie in Übersichten. Berlin: Volk und Wissen 1999, S. 42

^[34] vgl.: Dieter Walch, Harald Frater: Wetter und Klima. Berlin: Springer, S.66

^[35] vgl.: Christian König: Das große Buch vom Wetter. Pfaffenhofen: Ludwig, S.25

^[36] vgl.: Otto Ernst Berge: Das Wetter. In: Gisela Lück, Hilde Köster (Hg.): Physik und Chemie im Sachunterricht. Bad Heilbrunn: Julius Klinkhardt 2006, S.118