Experimentieren mit Schülern - Thema Akustik

7 Experimente zum Thema Akustik


Hausarbeit (Hauptseminar), 2012

36 Seiten, Note: 2,3


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis:

I. Vorwort – Warum Akustik? Begründung, generelle Konzeption und Zielstellung der Station Akustik.

II. Stationen
II.I Station 1: Magie im Wasserglas
II.II Station 2: Die magische Saite
II.III Station 3: Die Wette
II.IV Station 4: Die Männer von der Sicherheitsfirma
II.V Station 5: Im Rausch der Geschwindigkeit
II.VI Station 6: Lärmende Stille
II.VII Station 7: Singende Gläser und Flaschen

III. Auswertung, Reflexion, Fazit

IV. Eidesstattliche Erklärung

V. Literaturverzeichnis

VI. Anhang
VI.I Aufgabenblätter der Stationen
VI.II Abbildungen

I. Vorwort – Warum Akustik? Begründung, generelle Konzeption und Zielstellung der Station Akustik.

Es ist kein Zufall, dass die Akustik, welche man als Teilgebiet der Physik sehen kann und sollte, keinen eigenen Abschnitt im fast 1500 Seiten umfassenden Werk der Physiker David Halliday, Robert Resnick und Jearl Walker (à Halliday: Physik) einnimmt.[1] Auch im Lehrplan Physik taucht das Wort Akustik direkt nur an zwei Stellen auf, nämlich in der zehnten Klasse („Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen und Wellen. Einblick gewinnen in die Akustik“[2] ) und im Grundkurs der zwölften Klasse im „Wahlpflichtbereich 3: Akustik“[3]. Die Akustik selbst ist also keine feste Größe im Lehrplan wie zum Beispiel die Mechanik (, wenn man davon absieht, dass man die Akustik als Teilgebiet der Mechanik einstufen kann). Das mag zum Teil daran liegen, dass ihre Existenz auf Schwingungen und Wellen beruht und diese teilweise in anderem Kontext gelehrt werden, allerdings auch aufgrund der Tatsache, dass die Akustik selbst ein verhältnismäßig schwammiges und wenig transparentes Teilgebiet darstellt. (Dies belegt auch die Tatsache, dass einer der Schüler[4] in der SEW[5] während der einführende Worte die Frage stellte: „Was ist eigentlich Akustik?“). Es ist nicht auf den ersten Blick ein roter Faden für Lehrer erkennbar und wenn doch, dann nur in relativ geringem Umfang (siehe: Wahlpflichtbereich mit nur vier Unterrichtsstunden). Allerdings sind die Schüler, Lehrer und alle anderen Menschen täglich mit den Phänomenen der Akustik und deren Wirkungsprinzip konfrontiert, ohne dass sich die meisten darüber Gedanken machen, wie eigentlich der Klang der Musikinstrumente zu Stande kommt oder warum man sich überhaupt miteinander unterhalten kann. Aufgrund dieser Gedanken legitimiert sich die Wahl des Themengebietes dieser Gruppe. Die Akustik spielt eine tragende Rolle in zahlreichen Alltagssituationen und –phänomenen, wird jedoch nicht sehr ausgiebig in der Schule thematisiert.

Die Station „Akustik – Hinkommen. Hinhören. Held sein. Helft Holger Hörlos“ setzte an diesem Punkt an und sah das Ziel, eine 90 minütige, erlebnisorientierte Lernumgebung für die Schüler zu schaffen, welche sich von der Schule und deren inhaltlicher Konzeption abhebt. Ziel sollte es sein, die Schüler aus ihrem Schulalltag herauszureißen, sie vor Probleme zu stellen, ihre Eigeninitiative zu provozieren und die Schüleraktivität immens zu fördern. Somit sollte ein erlebnisorientiertes Lernumfeld geschaffen werden, in dem die Studenten nicht die Rolle der Lehrer analog zur Schule für 90 Minuten übernehmen, sondern als Lernbegleiter fungieren. Aus diesem Grund war auch kein Frontalunterricht vorgesehen und dieser wurde auch nicht durchgeführt, wie abschnittsweise in anderen Gruppen. Dieser reformpädagogische Ansatz legitimierte sich aufgrund der Tatsache, dass die Schüler aus konventionellen Gymnasien kamen und somit eine klare Differenzierung zur Schule erleben konnten und eine individuelle Förderung erfahren sollten. Das Konzept für diese Vorgehensweise war stark angelehnt an die Konzeptionierung des „Phaeno“[6] in Wolfsburg, welches vor allem auf das Erfahren und nicht das reine Lernen setzt. Aus diesem Grund sollte auch kein Arbeitsblatt geschaffen werden. Den Schülern sollten die gezeigten Phänomene und deren Erklärungen eindrücklich im Sinn bleiben und nicht in den Unterlagen (verschwinden). Allerdings mussten die Schüler auch in die jeweiligen Experimente (zumindest ansatzweise) eingewiesen werden. Aus diesem Grund, außerdem zur Motivationsförderung und damit die Schüler „nicht nur spielen“, wurden kurze, altersgerechte Geschichten konzipiert, welche in die Thematik des jeweiligen Experiments einführen sollten und den Sinn hatten, dass die Schüler über eine Erklärung nachdenken und diese auch herausfinden. Jede der Erklärungen war mit einem Buchstaben versehen, sodass die Schüler den Anreiz sahen, das Lösungswort und somit alle korrekten Erklärungen der gezeigten und vor allem selbstständig durchgeführten Experimente, in Erfahrung zu bringen.

Auf den Punkt gebracht kann man sagen: Ziel war es, den Schülern auf eine unkonventionelle, erlebnisorientierte, pragmatische und eindrucksvolle Art solches Wissen zu vermitteln, dass sie, wenn die Themen später (auch Jahre später!) in der Schule besprochen werden, sich daran erinnern sollen, dass sie selbst (und nicht der Lehrer oder irgendjemand anderes! Der Schüler steht im Mittelpunkt!) bereits über Grundlagenwissen verfügen, aber nicht, dass sie in ihren Aufzeichnungen suchen müssen und gegebenenfalls sogar gar nichts mehr von dem verstehen, was sie dann vor sich finden/sehen. Außerdem sollte so die Begeisterung für die Naturwissenschaft, und im speziellen die Physik, angeregt, hervorgebracht und weiter gefördert werden.

II. Stationen

Im Folgenden sollen die sieben Stationen der Gruppe vorgestellt werden. Hierbei sollen sowohl die Idee und Begründung der Auswahl einer jeden Station, als auch dessen Beschreibung dargestellt werden. Eine kurze Reflexion zur Station selbst soll ebenfalls stattfinden, um etwaige und spezifische Eigenheiten (Vor- und Nachteile, Schwierigkeiten et cetera) darzustellen, welche jedoch gesondert zur Gesamtreflexion in Punkt III. zu sehen ist.

II.I Station 1: Magie im Wasserglas

Bei dieser Station sollte den Schülern veranschaulicht werden, dass es sich bei Tönen und allem was hörbar ist, um Wellen (Schwingungen) handelt. Die Schüler lasen die Geschichte (siehe Anhang) und sollten mit den ihnen gegebenen Mitteln (siehe Abbildung 1) versuchen, den Zaubertrick zu imitieren. Sie schlugen die Stimmgabel an und tauchten sie mit den Zinken in das Wasser. Es sind Wasserwellen zu erkennen. Nun war es ihre Aufgabe, die physikalisch korrekte Erklärung zu erschließen. Hierbei kann es sich ausschließlich um die zweite Antwort handeln. Die Schüler verstehen durch das Experiment, dass das Anschlagen der Stimmgabel deren Zinken in Bewegung (Schwingung) versetzt. Diese ist mit dem bloßen Auge kaum erkennbar, da die Frequenz der Schwingung sehr hoch (zumindest in Bezug auf die Wahrnehmung des menschlichen Auges) ist. (Es wurde eine Stimmgabel mit 440 Hz verwendet, was einer Anzahl von 440 Schwingungen pro Sekunde und dem Kammerton a entspricht). Wird die Stimmgabel allerdings in das Wasser gehalten, ist zu erkennen, dass sich die Schwingung der Zinken auf das sie umgebene Medium ausbreitet. Im Wasser sind Wellen erkennbar. Demzufolge ist zu erschließen, dass es sich bei dem Ton, den die Stimmgabel an der Luft hervorruft, ebenfalls um Schwingungen/Wellen handelt. Die Zinken der Stimmgabel übertragen ihre (gedämpfte) Schwingung auf das sie umgebene Medium. Im Wasser sind Wellen zu beobachten, in der Luft ist ein Ton zu hören. Aufgrund der Tatsache, dass Schüler zwischen Klasse sieben bis zehn den Versuch durchführten und das Thema mechanischer Schwingungen und Wellen erstmals in Klasse 10 im Lehrplan auftaucht[7], wurde in der Erklärung des Phänomens darauf verzichtet, von der Frequenz oder anderen Fachwörtern zu sprechen, sondern es wurde das Wort „vibriert“ genutzt.

Die Schüler konnten also ausprobieren und feststellen, dass dies tatsächlich der Fall ist. In einzelnen Gesprächen der betreuenden Studenten wurde bei einigen leistungsstarken Schülern auch die Erklärung mittels der Frequenz der Stimmgabeln, der Schwingungsdauer und der Einheit Hertz eingeführt, was sich jedoch als problematisch, bei den „normalen Schülern“, heraus stellte, weil die Schüler zwar das Wort Frequenz bereits kannten, jedoch die Einführung einer ihnen unbekannten Größe innerhalb von einigen wenigen Minuten und ohne Tafel oder ähnlichem nur zum Teil nachvollziehen konnten, sodass sich herausstellte, dass die Formulierung treffend gewählt wurde und es sich als positiv erwies, nicht über die Fachsprache zu vermitteln, da dies später in der Schule geschehen kann.

Allgemein wurde der Versuch nahezu von allen Schülern angenommen und auch die physikalisch korrekte Erklärung erschlossen. Die Schüler verstanden, dass es die Schwingung der Zinken ist, welche den Ton erzeugt und dass die Luft diese Schwingung in Form von Wellen als Ton überträgt und hörbar macht. An dieser Station gab es keinerlei Probleme, außer eventuell einiger Jungen aus den niedrigeren Klassenstufen, die es zumeist kaum abwarten konnten mit dem Wasser herum zu spritzen und der Stimmgabel zu spielen. Allerdings konnte mit wenigen ruhigen Worten auch bei diesen Schülern erreicht werden, dass diese den Versuch ernsthaft durchführten und die korrekte Erklärung erschlossen. Dieses Experiment war ein voller Erfolg, vor allem aufgrund seiner Anschaulichkeit.

II.II Station 2: Die magische Saite

In dieser Station sollte nochmals auf die Tatsache, dass jeder hörbare Ton eine Schwingung/Welle ist und die vorsichtige Einführung und Bedeutung der Frequenz eingegangen werden. Die Schüler sollten die Geschichte mit Holger lesen (siehe Anhang) und sich dann an der Übertragung von Tönen ausprobieren. Hierbei spielt vor allem das Phänomen der Resonanz eine wichtige Rolle. Die Schüler sollten eine Stimmgabel anschlagen (wie in Abbildung 2 (a) zu sehen ist), diese kurz schwingen lassen, dann die angeschlagene Stimmgabel festhalten (die Schwingung abdämpfen, sodass keine Schwingung mehr vorhanden ist) und lauschen, ob sich die Schwingung auf die andere Stimmgabel übertragen hat (Abbildung 2 (b)). Anschließend ging es darum, die richtige Erklärung zu erschließen.

Die physikalische Erklärung für dieses Phänomen ist die Tatsache, dass die Schwingung der angeschlagenen Stimmgabel sich auf die Luft in ihrer Umgebung überträgt und es somit zu Druckschwankungen (Schall) in der Luft kommt. Wenn die Frequenzen der beiden Stimmgabeln die gleiche Hertzzahl besitzt (also die Frequenz die gleiche ist), regt die angeschlagene Stimmgabel nicht nur das menschliche Trommelfell zum Schwingen an (was als Ton hörbar ist), sondern es kommt zur Resonanz bei der zweiten Stimmgabel. Diese wird nun ebenfalls zum Schwingen angeregt und es ist ein Ton hörbar.

Zu dieser Station ist zu sagen, dass sie sich einige Kritiken gefallen lassen musste. Zuerst einmal war es bei einigen Schülern so, dass die Geschichte selbst verhältnismäßig zu lang war. Das bedeutete nicht nur, dass die Lust zu lesen im Gegensatz dazu, einfach die Stimmgabeln zu nehmen und mit diesen zu spielen, relativ gering war, sondern auch, dass manche Schüler, wenn sie die Geschichte beendet hatten, gar nicht mehr genau wussten, welche Ausgangssituation gegeben war oder was denn nun die konkrete Fragestellung war. Dazu trug außerdem bei, dass den Schülern die Abstraktion extrem schwer fiel. Häufig wurde festgestellt, dass die Analogie, dass die Stimmgabeln die unterschiedlichen Instrumente darstellen sollen, nicht eigenständig erschlossen werden konnte. Darauf basierend entstand der nächste Kritikpunkt: Es stellte sich heraus, dass die Station einer Betreuung benötigte (dies ist insofern kritikfähig, weil die Gesamtkonzeption vor sah, dass die Stationen so gestaltet sein sollten, dass die Schüler in Eigenständigkeit fähig sind sie zu durchlaufen und zu lösen), weil die Schüler den Begriff der Frequenz überwiegend nicht kannten. Die Mehrzahl hatte zwar schon etwas davon gehört, konnte jedoch auf Nachfrage keine Beschreibung abgeben. Das bedeutete, dass eine Betreuung nach der eigenständigen Phase der Schüler von Nöten war, um eben dieses Fachwissen zu vermitteln. Häufig wurde, weil die Erklärung der Frequenz nicht auf Anhieb verstanden wurde, eine dritte Stimmgabel mit anderer Frequenz hinzu genommen, um zu verdeutlichen, dass die Resonanz lediglich bei Stimmgabeln gleicher Frequenz stattfindet. Diese „intensive“ Betreuung führte dann dazu, dass die Schüler (geleitet) auf die physikalisch korrekte Erklärung kamen. Es ist jedoch zu bezweifeln, dass 100% der Schüler wirklich verstanden haben, was denn nun die Frequenz und die Resonanz darstellen. Ein weiteres Problem, beruhend auf der Tatsache, dass die Schüler die Frequenz nicht kannten, waren die Erklärungen/Antwortmöglichkeiten. Die baugleiche Form der beiden Stimmmgabeln trug noch dazu bei, denn bis auf einige leistungsstarke Schüler, welche erkannten, dass zum Beispiel die Farbe der Stimmgabeln bei diesem Versuch keine Rolle spielen würde, war es den Schülern nicht möglich, zu entscheiden, ob die erste oder zweite Erklärung die Richtige sei. Dies konnte letztlich nur durch die gesteigerte Betreuung der Station ausgeglichen werden.

Die Station war, zusammenfassend, kein absoluter Fehlgriff, jedoch ist zu vermuten, dass eben diese den Schülern am geringsten in Erinnerung bleiben wird, weil nicht nur die Geschichte zu lang, die Erklärung zu schwammig, kompliziert und abstrakt, sondern auch die Analogie zu anspruchsvoll zu erschließen war. Zwar zeigten einige der Schüler aus der zehnten Klasse Verständnis, doch bei der Mehrzahl der Schüler aus der siebten Klasse (zum Beispiel) war kein großer Lernerfolg zu beobachten, stattdessen zogen diese es vor, schnell zu nächsten Station weiter zu ziehen, um diese auszuprobieren.

II.III Station 3: Die Wette

In dieser Station ging es für die Schüler darum, den Zusammenhang zwischen Schwingungen, deren Übertragung und dem Schalldruck zu verstehen. Auch hier sollten die Schüler wieder erst einmal die Geschichte um Holger lesen (siehe Anhang) und konnten sich danach ausprobieren. Im Gegensatz zur Abbildung 3 waren in dieser Station zwei verschiedene Aufbauten und Versuchsdurchführungen möglich, die sich in besagter Abbildung vereinen. Den Schülern standen ein Trichter, mit Membran auf der Seite der größeren Öffnung (Luftballonüberzug), mehrere Teelichter, aber auch ein Lautsprecher und ein Subwoofer zur Verfügung. Die Schüler sollten die Analogie zu der Geschichte beziehungsweise der Base-Drum in der Geschichte und dem Prinzip der Druckänderung des Schalls in der Luft und dessen Übertragung erschließen und verstehen. Dazu sollten sie einerseits ausprobieren, welche Methodik am „effektivsten“ ist, um so viele Teelichter wie möglich mit dem Trichter „auszupusten“ und andererseits verstehen, wie die Ausbreitung des Schalls von statten geht.

Der fachliche Hintergrund ist derjenige, dass der Schall sich durch Druckänderungen in der Luft ausbreitet. Schlägt man nun gegen die Membran am Trichter, so entsteht im Trichter ein Überdruck, ein Teil der Luft, welche sich im Trichter befindet, tritt am Ende des Trichters aus und die Teelichter erlöschen. Diese selbstgebaute Anwendung verdeutlicht weiterhin die Funktionsweise eines Lautsprechers. Um nicht nur eine Analogie, sondern auch die Anwendung in der Praxis zu zeigen, wurde dieser Versuch ebenfalls mit einem Lautsprecher und mit einem Subwoofer durchgeführt. Da die Stärke des Schalldrucks von der Lautstärke abhängig ist, konnten die Schüler sehen, dass ein intensiveres Aufschlagen, auf die Membran, einen stärkeren Überdruck erzeugt und eine höhere Anzahl von Teelichtern erlöscht. Analog dazu gilt die Tatsache, dass bei dem Lautsprecher bei höheren Lautstärken sehr viel mehr Teelichter erlöschen, als bei vergleichsweise niedrigen.

Diese Station hat die Schüler überwiegend begeistert. Allein die Tatsache mit dem Feuer zu spielen und sich auszuprobieren hat dazu geführt, dass teilweise richtige Wettbewerbe ausgetragen wurden, wer denn die meisten Teelichter auf möglichst geniale Art und Weise mit den gegebenen Mitteln erlöschen könne. Allerdings trug diese Station nicht nur zur Belustigung bei, sondern die Schüler suchten (auch im Gespräch mit den Betreuern) nach einer plausiblen Erklärung für die Wirkungsweise. Als problematisch stellte sich heraus, dass die Schüler die Wirkungsweise eines Lautsprechers noch nicht kannten und diese nicht innerhalb von ein paar Minuten erklärt werden kann, sondern sorgfältig erklärt und eingeführt werden muss. Weiterhin negativ aufgefallen ist, dass die Schüler zum Teil die Geschichte, welche von einigen auch als zu lang empfunden wurde, nicht lesen wollten, da sie die Durchführung des Versuchs kaum abwarten konnten und zumindest dachten sie hätten das Experiment aufgrund der Tatsache verstanden, weil sie wüssten, wie es durchzuführen sei, sodass der physikalischen Erklärung immer noch vom Betreuer Beachtung geschenkt werden musste, damit sich die Schüler (vor allem der niedrigeren Klassenstufen) auch auf das Fachliche konzentrieren. Zwei weitere negative Aspekte sind noch zu erwähnen: Bei den jüngeren Schülern (und vor allem denen, die mit Musikinstrumenten, besonders dem Schlagzeug und dessen Bezeichnungen, nicht besonders bewandert waren), war die Analogie zwischen der Geschichte, der Durchführung des Versuchs und der physikalischen Erklärung nicht dicht/nah genug. Sie hatten Schwierigkeiten, die Erklärungen der Betreuer und das Erschlossene auf die Geschichte zu beziehen und so eine Lösung/Erklärung zu finden/auszuwählen. Diese stellt den zweiten Aspekt dar: Für die Schüler war die Erklärung mit den Luftmolekülen et cetera zu kompliziert. Hin und wieder war zu beobachten, dass die Schüler dazu neigten, sich für die erste Erklärung zu entscheiden, weil diese „so kompliziert klingt und so wissenschaftlich“, unabhängig davon, ob diese verstanden wurde oder werden konnte. Außerdem ist die Tatsache, dass die Luft am dünnen Ende „schnell heraus fliegt“ naheliegend, da dies ja auch zu beobachten war. Hier hätte eine eindeutigere Differenzierung stattfinden müssen.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass die Station mit großem Eifer seitens der Schüler durchgeführt wurde. Der Versuch, einzuschätzen, wie viele der Schüler letztlich die genauen Vorgänge und Erklärungen wirklich durchdrungen haben, bleibt dabei sehr anspruchsvoll. Jedoch konnten die Schüler Erfahrungen und Erkenntnisse aneignen, aufgrund derer zum Beispiel die Funktionsweise eines Lautsprechers, eventuell zu einem späteren Zeitpunkt ihrer Schullaufbahn, leichter verständlich und nachvollziehbar werden wird.

[...]


[1] Vgl. Halliday, D./Resnick, R./Walker, J.: Halliday Physik. 2., überarbeitete und ergänzte Auflage. Weinheim 2009.

[2] Sächsisches Ministerium für Kultus [Hrsg.]: Lehrplan Gymnasium – Physik. Dresden 2007, S. 28.

[3] Ebd., S. 41.

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

[5] Im Folgenden wird „Schülerexperimentierwoche“ mit der Abkürzung SEW geführt.

[6] Verweis auf: http://www.phaeno.de/

[7] Sächsisches Ministerium für Kultus [Hrsg.]: Lehrplan Gymnasium – Physik. Dresden 2007, S. 28.

Ende der Leseprobe aus 36 Seiten

Details

Titel
Experimentieren mit Schülern - Thema Akustik
Untertitel
7 Experimente zum Thema Akustik
Hochschule
Technische Universität Dresden  (Institut für Physik)
Veranstaltung
Schülerexperimentierwoche
Note
2,3
Autor
Jahr
2012
Seiten
36
Katalognummer
V213118
ISBN (eBook)
9783656411079
ISBN (Buch)
9783656411888
Dateigröße
1528 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Schule, Experiment, Schülerexperiment, Didaktik, Akustik, Physik
Arbeit zitieren
Robert Schich (Autor), 2012, Experimentieren mit Schülern - Thema Akustik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/213118

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