Evaluation einer Experimentieranordnung zur Thematik Licht und Schatten mit dem Schwerpunkt Kernschatten und Halbschatten


Bachelorarbeit, 2020

42 Seiten, Note: 1,6


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Anhangsverzeichnis

1. Einleitung

2. Darstellung der existierenden Experimentieranordnung

3. Theoretische Erarbeitung der Naturphänomene Licht und Schatten
3.1 Was ist Licht?
3.2 Das sichtbare Licht
3.3 Was ist Schatten?
3.3.1 Die Entstehung von Kernschatten und Halbschatten
3.3.2 Mondfinsternis und Sonnenfinsternis als Beispiele für Kernschatten und Halbschatten
3.4 Die Entstehung von Tag und Nacht

4 Didaktische Erarbeitung der Naturphänomene Licht und Schatten
4.1 Klärung der experimentellen Methode
4.1.1 Die Phasen eines Experiments
4.1.2 Einführung der experimentellen Methode im Sachunterricht
4.2 Aussagen des Perspektivrahmens Sachunterricht zur Anwendung der experimentellen Methode
4.3 Aussagen des Rahmenlehrplans Berlin-Brandenburg zur Anwendung der experimentellen Methode

5. Evaluation der Experimentieranordnung zum Phänomenkreis Licht und Schatten
5.1 Die Methode der Evaluation
5.2 Darstellung der Kriterien
5.3 Evaluation der Experimentieranordnung
5.3.1 Berücksichtigung der fachlichen Inhalte
5.3.2 Berücksichtigung der didaktischen Inhalte
5.3.3 Berücksichtigung der methodischen Inhalte
5.4 Optimierungsvorschläge

6. Fazit

7. Literaturverzeichnis

8. Anhang

Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1: Die Mondfinsternis

Abbildung 2: Die Sonnenfinsternis

Abbildung 3: Das elektromagnetische Spektrum

Abbildung 4: Die Mondbahn

Abbildung 5: Das Tellurium

Abbildung 6: Selbstgebautes Tellurium

Anhangsverzeichnis:

Anhang 1: Alte Experimentieranordnung

Anhang 2: Das elektromagnetische Spektrum

Anhang 3: Die Mondbahn

Anhang 4: Neue Experimentieranordnung

Anhang 5: Das Tellurium

Anhang 6: Liste an benötigten Materialien

1. Einleitung

Sowohl Licht, als auch Schatten, sind Phänomene der Natur, mit denen Menschen alltäglich konfrontiert werden. Vor allem für Kinder kann die Frage sehr spannend sein, was genau Licht und Schatten überhaupt sind und wie diese Phänomene entstehen.

Damit Lehrkräfte ihren Schülerinnen und Schülern solche Fragen möglichst fachlich konkret und didaktisch angemessen beantworten können, benötigen sie eine entsprechende Vorbereitung im Studium. Eine Art der Vermittlung bietet hierbei das Experiment, als explizit für den Sachunterricht ausgewiesen Arbeitsweise. Durch verschiedene Experimente kann der Phänomenkreis Licht und Schatten handlungsorientiert und lebensnah im Sachunterricht an die Schülerinnen und Schüler herangebracht werden. Doch wie kann dieser Phänomenkreis systematisch mit der experimentellen Methode erarbeitet werden?

Das Ziel dieser Bachelorarbeit besteht darin, den Phänomenkreis Licht und Schatten (mit dem inhaltlichen Schwerpunkt Kernschatten und Halbschatten) aus fachwissenschaftlicher Sicht darzulegen und eine vorhandene Experimentieranordnung anhand inhaltlicher und fachdidaktischer Kriterien zu evaluieren und zu optimieren. Entsprechend sollen folgenden Fragen geklärt werden:

Erste Frage: Was ist unter dem Experimentieren als Arbeitsweise des Sachunterricht zu verstehen? Zweite Frage: Was ist eine Evaluation? Dritte Frage: Inwiefern berücksichtig die Experimentieranordnung die fachlichen Aspekte? Vierte Frage: Sind die Aufgabenstellungen der Experimentieranordnung geeignet, um die Studierenden im Experimentieren zu schulen?

Es wird herausgefunden, welche Aspekte des Phänomens die Materialien bereits darstellen und welche Verbesserungen gefunden werden müssen, damit die Studierenden einfach und effektiv mit einer solchen Anordnung experimentieren können. Dafür wird die Bachelorarbeit in drei Hauptteile untergliedert.

Zunächst wird eine theoretische Erarbeitung vorgenommen, in der die Phänomene Licht und Schatten (fokussiert auf Kernschatten und Halbschatten) aus fachwissenschaftlicher Sicht dargelegt werden.

Nach der Erläuterung der fachwissenschaftlichen Perspektive, folgt der zweite Hauptteil dieser Arbeit. Hierbei wird der Blick auf die didaktische Perspektive gerichtet. Der Fokus liegt zunächst in der Klärung der experimentellen Methode und wie Kinder im Sachunterricht effektiv an die Arbeitsweise des Experimentierens herangeführt werden können. Anschließend wird dargestellt, welche Aussagen der Perspektivrahmen Sachunterricht und der Rahmenlehrplan Berlin und Brandenburg zur experimentellen Methode treffen, um die Bedeutung für den Sachunterricht zu verdeutlichen.

Im dritten Hauptteil der Bachelorarbeit wird zunächst dargelegt, was unter der Methode der Evaluation zu verstehen ist. Anschließend wird die Experimentieranordnung zum Phänomenkreis Licht und Schatten (fokussiert auf Kernschatten und Halbschatten) evaluiert. Hierbei wird dargestellt, ob die Aufgabenstellungen die fachlichen Inhalte berücksichtigen. Danach erfolgt eine curriculare Analyse, bei welcher analysiert wird, inwiefern die zum Phänomenkreis gestellten Aufgaben mit den Aussagen des Perspektivrahmens und des Rahmenlehrplans übereinstimmen. Bei der darauffolgenden methodischen Evaluation wird beurteilt, ob die gestellten Aufgaben zum Phänomenkreis dazu beitragen, das Experimentieren zu schulen und ob die enthaltenen Materialien die Funktion der Experimente abdecken können.

Zum Schluss werden auf der Grundlage der Evaluation Optimierungsvorschläge dargestellt. Es werden mögliche neue Aufgabenstellungen präsentiert, sowie eine Liste mit Materialien und Kosten, die für die Anschaffung einer optimierten Box notwendig wären.

2. Darstellung der existierenden Experimentieranordnung

Die Experimentieranordnung, die im Folgenden im Fokus steht, findet ihren Einsatz an der Universität im Bereich Sachunterricht. Im Seminar Naturphänomene werden verschiedene Experimentieranordnungen an die Studierenden herangebracht, um sie mit den vielfältigen Themengebieten im Bereich der Naturphänomene vertraut zu machen und um sie auf das Durchführen von Experimenten in der Schule vorzubereiten. Wie in der Einleitung bereits herausgestellt wurde, wird anhand der hier vorgestellten Experimentieranordnung das Naturphänomen Licht und Schatten erarbeitet (siehe Anhang 1 S. 34). Da dieses Themengebiet viele Aspekte aufweist, konzentriert sich diese Anordnung auf den Bereich Schatten, wobei besonders die Phänomene Kernschatten und Halbschatten in den Fokus gestellt werden. Als Ausgangspunkt für die Behandlung dieses Phänomenkreises werden verschiedene Beispielfragen vorgestellt: „Weshalb wird es Tag und Nacht?“; Was ist Dunkelheit?“; „Warum ist der Schatten nicht greifbar?“ und „Warum kommt der Mond immer mit mir mit, nicht aber die Straßenlaterne?“. Zu diesen Fragen werden Anwendungsbeispiele angegeben, wie beispielsweise eine Sonnenuhr. Damit die Studierenden die Experimentieranordnung bearbeiten können, sollen sie sich im Vorfeld einiges an Hintergrundwissen aneignen. Hierzu bekommen sie die Aufgabe, sich mit der Entstehung eines Schattens und dem Definieren der Begriffe Halbschatten und Kernschatten auseinanderzusetzen. Im Seminar werden diese Fragen gemeinsam besprochen, sodass die Studierenden die Experimentieranordnung mit ausreichend Hintergrundwissen bearbeiten können. Die Aufgabenstellungen sehen wie folgt aus:

1. Stellen Sie verschiedene Schattenbilder her (Bilder ausschneiden).
2. Erzeugen Sie Halbschatten und einen Kernschatten durch Beleuchtung eines Gegenstands mit zwei Taschenlampen.
3. Demonstrieren und erklären Sie die Entstehung von Tag und Nacht, mit und ohne das astronomische Modell.
4. Demonstrieren und erklären Sie am astronomischen Modell die Entstehung der Jahreszeiten (beachten Sie die Lage der Ekliptik zur Äquatorebene).
5. Demonstrieren Sie an einem Modell das Phänomen der Mondfinsternis.

Die hierfür benötigten Materialien befinden sich entweder in einer dazugehörigen Box oder werden vom Lehrenden zur Verfügung gestellt. Ob all diese Aufgaben wirklich die Methode des Experimentierens schulen, oder ob andere Anforderungen gestellt werden müssten, wird in einem späteren Abschnitt erörtert.

3. Theoretische Erarbeitung der Naturphänomene Licht und Schatten

Die Naturphänomene Licht und Schatten gelten als Phänomene, mit denen sich die Menschen schon seit der Antike auseinandersetzen. Die Wissenschaft benötigte viele Jahrhunderte, bis sie diese Phänomene entschlüsseln und Fragen zur Entstehung und Ausbreitung beantworten konnte. In der Physik werden Licht und Schatten dem Bereich der Optik zugeordnet. Der Begriff Optik stammt aus dem griechischen und kann grob übersetzt werden mit: zum Sehen gehörend (vgl. Roth & Stahl 2019, S.4). „Die Optik nennt man auch die Lehre vom Licht. Sie beschäftigt sich vornehmlich mit der Ausbreitung von Licht (Roth & Stahl 2019, S.4). Da der gesamte Inhalt der Optik einen sehr großen Umfang einnimmt, wird eine Eingrenzung auf die Eigenschaften und Ausbreitung von Licht vorgenommen. Um Verwirrungen auszuschließen, muss an dieser Stelle bereits darauf hingewiesen werden, dass Licht und Schatten in einer Abhängigkeit zueinander stehen. In dieser Arbeit wird der Fokus auf das Naturphänomen Schatten (Kernschatten und Halbschatten) gelegt, dennoch kann auf eine Erläuterung des Phänomens Licht nicht verzichtet werden, da Schatten nicht ohne Licht existieren kann. Im Folgenden wird der Fokus auf das Modell der Strahlen- und Wellenoptik gelegt.

3.1 Was ist Licht?

Licht ist eine elektromagnetische Welle und besteht somit aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich gegenseitig erzeugen und sich so im Raum (Medium) durch Schwingungen ausbreiten (vgl. Tipler et. al 2019, S.1030). Die Ausbreitung dieser Wellen erfolgt stets gradlinig von einer bestimmten Lichtquelle (natürliche Lichtquelle oder künstliche Lichtquelle) ausgehend. Die gradlinige Ausbreitung wird häufig auch als Ausbreitung durch Strahlen bezeichnet, wodurch der Gebrauch der Bezeichnung Lichtstrahlen legitimiert werden kann (vgl. Tipler et. al 2019, S.1031). Die Lichtquelle bezeichnet dabei den Ursprung der Lichtstrahlen. Diese kann, wie oben bereits erwähnt, natürlich sein oder künstlich. So ist die Sonne die wohl bekannteste natürliche Lichtquelle der Erde. Unter künstlichen Lichtquellen wiederum versteht man Lampen oder Kerzen. Die natürlichen und künstlichen Lichtquellen erzeugen selbstständig Licht. Es gibt allerdings auch sichtbare Gegenstände, die das Licht einfach reflektieren, wodurch sie als indirekte Lichtquelle bezeichnet werden können (vgl. Lück & Köster 2006, S.2). Von diesen Quellen aus breitet sich das Licht in alle möglichen Richtungen aus, wobei es auch auf das menschliche Auge trifft.

3.2 Das sichtbare Licht

Damit das Licht von der Lichtquelle ausgehend den Weg in das menschliche Auge findet, durchdringt es teilweise ein Medium. In diesem Zusammenhang wird zwischen einem durchsichtigen Medium (z.B. Luft), einem undurchsichtigen Medium (z.B. eine Metallplatte) und einem durchscheinenden Medium unterschieden (vgl. Roth & Stahl 2019, S.7). Da sich Licht durch verschiedene Medien hinweg ausbreitet, nehmen hier die physikalischen Gesetzte der Reflexion, Absorption und Brechung eine wichtige Rolle ein. Wie im oberen Teil bereits erwähnt, werden alle sichtbaren Gegenstände von einer direkten Lichtquelle, wie zum Beispiel der Sonne oder einer Lampe, angestrahlt. Bei der Reflexion trifft das Licht auf die Grenzfläche von zwei verschiedenen Medien, wobei das Licht zunächst vollkommen durch das Medium absorbiert wird und anschließend ein Teil dieses Lichts zurückgeworfen wird (vgl. Tipler et. al 2019, S.103). Der Einfallswinkel des Lichts ist dabei genauso groß, wie der Ausfallswinkel. Aus diesem Grund gelangt das Licht vom Gegenstand aus in das menschliche Auge, wodurch er sichtbar wird. Das einfachste Beispiel hierfür ist Licht, das auf einen Spiegel trifft, von diesem reflektiert wird und in das Auge fällt. Bei der Brechung hingegen fällt das Licht nicht senkrecht auf die Grenzfläche, wodurch die durchgelassenen Strahlen nicht dieselbe Richtung haben, wie die einfallenden Strahlen (vgl. Tipler et. al 2019, S.103). Diesen Effekt kann man durchaus bei Strahlen beobachten, die von der Luft auf Glas treffen. Durch den physikalischen Vorgang der Absorption kommt es allerdings dazu, dass Licht von einem undurchsichtigen Medium absorbiert wird, dass heißt, die Strahlen kommen nicht hindurch (vgl. Tipler et. al 2019, S.103). Dadurch ist es nicht möglich diese Strahlen zu sehen.

Um herauszufinden, wann Licht für den Menschen sichtbar ist, muss der Blick hin zur Wellenoptik gerichtet werden. Betrachtet man die elektromagnetischen Wellen etwas genauer, so lässt sich neben der gradlinigen Ausbreitung feststellen, dass diese Wellen auf verschiedenen Wellenlängen schwingen (vgl. Kilian & Aschemeier 2012, S.43). Die Wellenlänge X beschreibt den kleinsten Abstand zweier Punkte in einer Phase der Schwingung und wird grundsätzlich in Meter (m) angegeben. Der sichtbare Bereich wird allerdings durch die Einheit Nanometer (nm) beschrieben, da die Wellenlänge in diesem Bereich sehr klein ist. In einem elektromagnetischen Spektrum sind alle möglichen Wellenlängen zusammengefasst, mit denen elektromagnetische Wellen schwingen können (siehe Anhang 2, S.35). Für den Menschen ist nur ein kleiner Teil dieser Wellen sichtbar. „Der sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums [...] erstreckt sich in etwa über den Wellenlängenbereich von 400 nm (violettes Licht) bis 800 nm (rotes Licht). Nur diesen Bereich kann unser Auge wahrnehmen.“ (Roth & Stahl 2019, S.4). In diesem Bereich strahlt die Sonne besonders intensiv. Die Wellenlängenbereiche, die darüber oder darunter liegen, können vom menschlichen Auge nicht erfasst werden, da die Sonne in diesen Bereichen nicht so intensiv strahlt.

3.3 Was ist Schatten?

Die Entstehung eines Schattens ist immer abhängig vom Licht. Sobald Lichtstrahlen auf einen undurchsichtigen Gegenstand treffen, werden sie von diesem nicht hindurchgelassen. Hinter dem Gegenstand entsteht dadurch ein dunkler Raum, den man als Schatten bezeichnet. „Die Entstehung des Schattens lässt sich damit erklären, dass die auf den Schattengeber auftreffenden Strahlen aufgehalten werden und ein der Querschnittsform des Schattengebers entsprechendes Loch ins Licht reißen.“ (Schlichting 2006, S.3). Ein Schatten bildet somit den dunklen Umriss eines angeleuchteten Gegenstandes, da das Licht an der äußersten Kante dessen vorbei fällt. Die Schattenbegrenzung erscheint dabei immer gradlinig, was mit der gradlinigen Ausbreitung des Lichts zu erklären ist (vgl. Barth et al. 2018, S.119). Wie groß beziehungsweise klein der Schatten ist, hängt davon ab, wie weit die Lichtquelle entfernt ist. Es gilt, je ferner die Lichtquelle vom Gegenstand ist, desto kleiner erscheint der Schatten (vgl. Schlichting 2006, S.3). Wird ein Gegenstand von mehr als nur einer Lichtquelle angeleuchtet, so kann es dazu kommen, dass mehrere Schatten entstehen. Dabei können sich die Schatten überlappen, oder in eine andere Richtung zeigen. Dies ist abhängig davon, aus welcher Richtung die Lichtquelle strahlt und wie weit die Lichtquellen voneinander entfernt sind.

3.3.1 Die Entstehung von Kernschatten und Halbschatten

Doch nicht nur nicht die Ausdehnung eines Schattens kann unterschiedlich sein, sondern auch der Grad der Dunkelheit. Man unterscheidet hierbei zwischen dem sogenannten Kern- und Halbschatten. Beide Schattenformen entstehen durch die Beleuchtung eines undurchsichtigen Gegenstandes mit zwei Lichtquellen, die dicht aneinander stehen. Hinter dem angeleuchteten Gegenstand kommt es zu einer Überlappung der zwei Schatten, die von den Lichtquellen erzeugt werden. Im Bereich der Überlappung gelangt kein Licht. Dieser Raum ist aus diesem Grund besonders dunkel (vgl. Roth & Stahl 2019, S. 15). Er wird Kernschatten genannt. Es gibt allerdings auch Bereiche hinter dem Gegenstand, die von einer der beiden Lichtquellen angestrahlt wird. Diesen Raum nennt man Halbschatten. Vom Halbschatten aus ist es demnach möglich einen Teil des ausgestrahlten Lichts zu erkennen. Im Kernschatten wiederum ist keine der beiden Lichtquellen sichtbar.

3.3.2 Mondfinsternis und Sonnenfinsternis als Beispiele für Kernschatten und Halbschatten

Phänomene wie eine Mond- oder Sonnenfinsternis lassen sich immer wieder am Himmel beobachten. Für die Menschen sind solche Ereignisse nicht nur faszinierend, sondern sie eignen sich auch als Demonstration für die Entstehung von Kernschatten und Halbschatten.

Grundlegend für diese Entstehung ist die Beleuchtung der Erde und des Mondes durch die Sonne. Es wird immer genau eine Hälfte der Planeten durch die Sonne angestrahlt. Die Erde bewegt sich dabei in einer Bahn um die Sonne, welche Ekliptik gennant wird. Eine komplette Rotation dauert in der Regel 365,25 Tage. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Rotation des Mondes um die Erde (siehe Anhang 3, S.35). Dieser rotiert allerdings nicht exakt auf der Erdbahn, sondern um etwa 5° geneigt (vgl. Hanslmeier 2015, S.51). Dennoch gibt es zwei sogenannte Knotenpunkte, an denen sich die Mondbahn und die Erdbahn schneiden. Bis der Mond einmal komplett um die Erde rotiert ist, vergehen in etwa 29 Tage. Innerhalb dieser Rotation verändert der Mond seine relative Stellung zur Sonne, sodass immer unterschiedlich große Teile der zur Erde zugewandten Seite beleuchtet werden (vgl. Kuphal 2013, S. 95). Von der Erde aus sieht man allerdings immer nur die gleiche Hemisphäre des Mondes. Die unterschiedlichen Phasen der Beleuchtung werden als Mondphasen bezeichnet. In der ersten Phase steht der Mond zwischen der Erde und der Sonne. Der sogenannte Neumond zeigt mit der unbeleuchteten Seite zur Erde. Dadurch erscheint er auf der Erde sehr dunkel. Im Verlauf der Phasen nimmt der Mond an Helligkeit zu. Circa ein bis drei Tage nach dem Neumond wird eine schmale Sichel am Nachthimmel sichtbar (vgl. Kuphal 2013, S.97). Der Mond steht nun nicht mehr komplett zwischen der Erde und der Sonne, sodass er seitlich angestrahlt wird. In der nächsten Phase, dem zunehmenden Halbmond (etwa sieben Tage nach dem Neumond), steht der Mond in einem 90° Winkel östlich zur Sonne. Anders gesagt, wird nun eine Hälfte des Mondes auf der Erde sichtbar. Steht der Mond direkt hinter der Erde und somit gegenüber der Sonne, wird er komplett beleuchtet und dadurch als Vollmond bezeichnet. Diese Phase ist nach etwa 15 Tagen erreicht. Dass der Mond komplett beleuchtet wird, obwohl er hinter der Erde steht, kann durch die geneigte Mondbahn erklärt werden. In den darauffolgenden beiden Phasen nimmt der Mond wieder an Helligkeit ab. Als abnehmender Halbmond steht der Mond nach 22 Tagen in einem 90° Winkel westlich zur Sonne, wodurch wiederholt nur eine Hälfte der zur Erde geneigten Hemisphäre gesehen werden kann (vgl. Kuphal 2013, S.98). In der letzten Phase eines Mondzyklus zeigt sich noch einmal eine Mondsichel, bevor der Mond für vier bis fünf Tage komplett unsichtbar wird (vgl. Kuphal 2013, S.98). Der Zyklus beginnt dann wiederholt mit einem Neumond.

In Bezug auf eine Mond- und Sonnenfinsternis nehmen der Vollmond beziehungsweise der Neumond eine entscheidende Rolle ein. Eine Mondfinsternis entsteht nämlich nur dann, wenn die Phase des Vollmondes auf einem der Knotenpunkte stattfindet. Das bedeutet, dass die Mondbahn und die Erdbahn sich schneiden und der Mond sich aus diesem Grund im Kernschatten der Erde befindet, wie in Abbildung 1 zu erkennen ist. Er wird demnach von keinem Sonnenlicht angestrahlt, sondern ist dunkel. Allerdings erscheint der Mond bei einer Mondfinsternis dunkelrot, weil das Sonnenlicht durch die Erdatmosphäre gestreut wird (vgl. Hanslmeier 2015, S.53).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 Die Mondfinsternis. Die roten Striche markieren den Bereich des Kernschattens. Die blauen Striche den Bereich des Halbschattens. Quelle: Hausmeier 2015, S.55

Bei einer Sonnenfinsternis hingegen gewinnt die Phase des Neumondes an Wichtigkeit. Entsteht ein Neumond genau dann, wenn die Mondbahn sich einem Knotenpunkt nähert, schiebt sich der Mond direkt zwischen die Sonne und die Erde. Ein kleiner Ausschnitt der Erde liegt in diesem Fall im Kernschattenbereich des Mondes. Innerhalb dieses Bereiches ist es von der Erde aus nicht möglich, die Sonne zu sehen. Sie erscheint komplett dunkel. Der Schattenbereich wandert durch die Erdrotation weiter, sodass die Sonnenfinsternis von verschiedenen Standorten aus beobachten werden kann (vgl. Hanslmeier 2015, S.52). Es gibt allerdings auch einen Bereich des Halbschattens, in dem nur ein Teil der Sonne durch den Mond verdeckt wird. In Abbildung 2 ist dieser Bereich gut zu erkennen. Diesen Teil nennt man partielle Sonnenfinsternis.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 Im Kernschatten (rote Striche) kann man eine totale Sonnenfinsternis beobachten. Im Halbschatten (blaue Striche) kann man eine partielle Sonnenfinsternis beobachten.

Quelle: Hanslmeier 2015, S. 53

3.4 Die Entstehung von Tag und Nacht

Die Rotation verschiedener Planeten erschafft jedoch nicht nur unterschiedliche Himmelsereignisse, sondern sie ermöglicht eine Einteilung der Zeit in Tag und Nacht. Die Erde rotiert, wie bereits festgestellt, in einer Ellipse um die Sonne. Dabei rotiert die Erde aber auch um sich selbst. Ein Tag kann aus diesem Grund folgendermaßen definiert werden: „Ein Tag ist die Zeit, welche die Erde für eine Umdrehung um ihre eigene Achse benötigt.“ (Hanslmeier 2015, S.27). Die Erdachse ist dabei um ca. 23,5 ° zur Erdbahn geneigt (vgl. Hanslmeier 2015, S.30). Dies hat verschiedene Auswirkungen, unter anderem die Entstehung der vier Jahreszeiten. Bei der Umdrehung der Erde um sich selbst, kommt es allerdings dazu, dass immer nur eine Hälfte des Erdkörpers vom Sonnenlicht angestrahlt wird. Mit anderen Worten, ein Tag beginnt mit der aufgehenden Sonne und endet, wenn diese untergeht. Dieser Vorgang sieht von der Erdoberfläche so aus, als ob die Sonne im Osten aufgeht, im Süden am Höchsten steht (Mittags) und im Westen untergeht. Die Nacht wiederum beginnt, sobald es draußen dunkel wird. Die betroffene Erdhälfte ist in diesem Fall der Sonne abgewandt, sie befindet sich also auf der Schattenseite. Auf der Erde ist es in der Nacht nur dann hell, wenn ein Vollmond am Himmel steht. Ansonsten ist es nachts dunkel. Auffällig ist allerdings, dass es im Sommer draußen länger hell ist, als im Winter. Dieses Phänomen ist auf die geneigte Erdachse zurückzuführen. Während des Sommers ist ein Teil der Erde stärker zur Sonne geneigt, als der andere Teil. Je senkrechter die Sonnenstrahlen auf die Erde treffen, desto wärmer werden die Tage und desto länger sind sie. Im Winter hingegen ist die Erdachse schwächer zur Sonne geneigt, wodurch die Temperaturen sinken und die Tage kürzer erscheinen (vgl. Hanslmeier 2015, S.33). Jedoch sind die Jahreszeiten auf der Nordhalbkugel und der Südhalbkugel aufgrund der geneigten Erdachse unterschiedlich. Sobald auf der Nordhalbkugel Sommer ist, herrscht auf der Südhalbkugel Winter und umgekehrt.

4. Didaktische Erarbeitung der Naturphänomene Licht und Schatten

4.1 Klärung der experimentellen Methode

Das Experimentieren ist eine wissenschaftliche Methode, die vor allem in den Naturwissenschaften angewendet wird, aber auch in anderen wissenschaftlichen Teildisziplinen, wie zum Beispiel den Sozialwissenschaften, ihren Einsatz findet (vgl. Kremer et al. 2019, S.116). Anhand eines Experiments können kausale Zusammenhänge zwischen verschiedenen Variablen untersucht werden. Dabei existiert immer eine unabhängige Variable, die bewusst verändert wird und eine abhängige Variable, die nicht aktiv verändert wird. Das Ziel ist es, einen Zusammenhang zwischen der Ursache und der Wirkung zu finden. Es wird demnach analysiert, wie sich die abhängige Variable verhält, sobald eine unabhängige Variable aktiv manipuliert wird. (vgl. Bruckermann et al. 2017, S.15). „Das Experiment geht dabei über die Beobachtung hinaus, da ein Experimentator künstlich veränderte Bedingungen kontrolliert und absichtsvoll in den Ablauf eingreift.“(Kremer et al. 2019, S.115). Eine wissenschaftliche Beobachtung muss dem zufolge von einem Experiment unterschieden werden, da es innerhalb einer Beobachtung zu keiner aktiven Manipulation von Variablen kommt.

Beim Experimentieren kommt es zu dem auf die Gewinnung neuer Erkenntnisse an und auf das bestätigen von Theorien, wodurch diese Methode auch als Erkenntnismethode bezeichnet werden kann (vgl. Kremer et al. 2019, S.115).

4.1.1 Die Phasen eines Experiments

Für die Durchführung eines Experiments existiert eine konkret festgelegte Schrittfolge, die vom Experimentator stets eingehalten werden muss. So wird gesichert, dass jedes Experiment unter gleichen Voraussetzungen stattfindet und die Vorgehensweise für Außenstehende nachvollziehbarer wird. Der Prozess eines Experiments kann in die fünf Phasen: Fragestellung formulieren, Hypothese aufstellen, Experiment planen, Experiment durchführen und Daten auswerten, unterteilt werden (vgl. Bruckermann et al. 2017, S.16).

Der Grund, weshalb ein Experiment angewendet wird, ist meist ein wissenschaftlicher Hintergrund, der für den Forscher unerklärlich ist, beziehungsweise bestimmte Fragen aufwirft (vgl. Reich 2008, S.7). Es geht demnach um einen Problemlöseprozess. Um zu verdeutlichen was genau untersucht werden soll, wird eine Fragestellung formuliert, in der das kausale Verhältnis zwischen den abhängigen und unabhängigen Variablen bestimmt wird (vgl. Bruckermann et al. 2017, S. 16). Die Fragestellung sollte immer präzise formuliert sein und die wichtigsten Aspekte enthalten. Im Anschluss daran stellt der Forscher bestimmte Hypothesen auf. Diese Hypothesen enthalten mögliche Antworten auf die Fragestellung und werden als Konditionalsätze (z.B. Wenn..., dann...) angegeben. Die Variablen werden nun in einen möglichen Zusammenhang gebracht. Dabei ist es auch möglich, von Gegenhypothesen auszugehen. Wichtig ist jedoch, dass Hypothesen stets durch das eigene Vorwissen oder Theorieangaben begründet werden (vgl. Bruckermann et al. 2017, S.16). Im nächsten Schritt, der Planungsphase, muss der Experimentator eine geeignete Situation finden, in der die Messung der Variablen stattfinden kann (vgl. Reich 2008, S.9). Hierbei muss beachtet werden, welche Materialien benötigt werden, welche räumlichen Voraussetzungen geschaffen werden müssen und wie genau das Experiment ablaufen soll (in Bezug auf Messzeiten und Wiederholungen). Innerhalb der Versuchsplanung sollte aber auch erfasst werden, welche Störfaktoren es als Einflüsse auf die abhängigen Variablen geben könnte (vgl. Kremer et al. 2019, S.119). Diese Erfassung von sogenannten Drittvariablen ist wichtig, um eine Verfälschung der Ergebnisse auszuschließen. Im Anschluss daran wird das Experiment anhand der Versuchsplanung durchgeführt. Die unabhängigen Variablen werden nun systematisch variiert und die Veränderung der abhängigen Variablen beobachtet. Der Forscher dokumentiert seine Ergebnisse und Beobachtungen in Abhängigkeit der Wiederholungen. In der anschließenden Datenauswertung werden die Messergebnisse beschrieben und interpretiert (vgl. Kremer et al. 2019, S. 119). Es wird ein Bezug auf die vorher formulierten Hypothesen genommen, welche nun als wahr oder falsch interpretiert werden können. Der Forscher erhält somit Antworten auf die anfangs gestellten Forscherfragen, welche er nun öffentlich vorstellen kann.

4.1.2 Einführung der experimentellen Methode im Sachunterricht

Der Sachunterricht in der Grundschule greift die Erfahrungen und Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler aus ihrer Lebenswelt auf und wirkt bei der Weiterentwicklung dieser Kompetenzen mit (vgl GDSU 2013, S.9). Durch das Experimentieren im Sachunterricht kann Kindern die Möglichkeit geboten werden, ihre Lebenswelt selbstständig und handelnd zu erkunden. Eine Einführung in dieses methodische Vorgehen ist demnach von großer Bedeutung und muss angemessen stattfinden.

Das Experimentieren findet als naturwissenschaftliche Arbeitsweise seinen Einsatz nicht nur im wissenschaftlichen Bereich, sondern eben auch im schulischen. Dennoch stellt sich die Frage, inwiefern Schülerinnen und Schüler im Grundschulbereich in der Lage sind, ein Experiment durchzuführen. Natürlich gibt es einige Unterschiede zwischen einem wissenschaftlichen Experiment und einem Schulexperiment, die beachtet werden müssen. Innerhalb der Schule geht es bei Experimentieren vor allem darum, die Selbsttätigkeit der Schülerinnen und Schüler zu fördern und sich aktiv mit verschiedenen Naturphänomen auseinanderzusetzen (vgl. Hartinger et al. 2013, S.4). Es ist wichtig, dass Kinder bereits frühzeitig an die Methode des Experimentierens herangeführt werden, um zu gewährleisten, dass sie im Verlauf der Schulzeit verantwortungsvoll und anwendungsgerecht mit dieser umgehen können. Allerdings kommt es immer wieder vor, dass von den Schülerinnen und Schüler Experimente und Versuche gleichrangig behandelt werden. Eine Klärung durch die Lehrkraft ist wichtig, da die unterschiedlichen Methoden auch verschiedene Lern- und Lehrziele verfolgen (vgl. Hartinger et al. 2013, S.4). Das Durchführen von Versuchen bietet sich als Vorstufe für das Experimentieren an. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei das Beobachten und Dokumentieren von Ereignissen, bei denen es schon um den Zusammenhang verschiedener Variablen geht. Jedoch steht bei einem Versuch das Ergebnis meist schon fest, sodass die Schülerinnen und Schüler dieses nur noch erreichen müssen (vgl. Alberts, 2016, S.27). Beim Experimentieren müssen die Kinder jedoch anhand selbst aufgestellter Fragestellungen und Vermutungen einen eigenständigen Weg finden, diese zu überprüfen.

Wie genau man die Schülerinnen und Schüler an die Methode des Experimentierens heranführt, ist jeder Lehrkraft selbst überlassen. Dennoch sollte die Lehrkraft einige Strukturierungshilfen zur Verfügung stellen, um den Kindern den Einstieg in das Experimentieren zu vereinfachen (vgl. Seifert & Wieber 2011, S.8). Die einzelnen Phasen des Experimentierens, die bereits in einem früheren Abschnitt dargestellt wurden, müssen schrittweise von den Schülerinnen und Schüler verinnerlicht werden. Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, die Phasen in der ersten Experimentierstunde zusammen mit den Kindern zu erarbeiten. Zu Beginn empfiehlt es sich außerdem, die Kinder in Gruppen arbeiten zu lassen, damit sie sich gegenseitig unterstützten können.

Kinder begegnen in ihrem Alltag vielen Phänomenen, die für sie sehr spannend sind, welche sie aber nicht immer verstehen. Genau solch ein Phänomen kann als Ausgangspunkt für die Durchführung eines Experiments im Sachunterricht genommen werden. Wichtig ist es, dass die Phänomene oder Sachverhalte aus der direkten Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler stammen, damit sie ihre eigenen Erfahrungen einbringen können (vgl. Reich 2008, S.8). Außerdem muss das Experiment an die Klassenstufe und das Alter der Kinder angepasst sein. Das Ziel ist es, dass die Kinder Fragen und Vermutungen zu diesem Phänomen aufstellen. Für diese Phase ist es wichtig, dass die Lehrkraft zusammen mit den Kindern bespricht, welchem Zweck solche Fragestellungen dienen und wie man diese formuliert. Es bietet sich an, beispielhafte Formulierungen an die Tafel anzubringen, um den Schülerinnen und Schülern eine Orientierung zu bieten. Nachdem eine passende Fragestellung formuliert wurde, befassen sich die Kinder mit dem Aufstellen von Hypothesen beziehungsweise Vermutungen. Für die Lehrkraft ist es ab dieser Stelle wichtig, sich in den Hintergrund zu begeben, um den Problemlöseprozess der Schülerinnen und Schüler nicht zu unterbrechen. Damit wird aber auf keinen Fall ausgeschlossen, Hilfestellungen zu leisten. „Ein Gefühl des Alleingelassenwerdens bringt die Kinder auf ihrem Lernen nicht weiter, zuviel vorzugeben oder vorzumachen führt weg vom eigenständigen Problemlösen.“ (Alberts 2016, S.28). In den ersten Experimentierstunden bietet es sich aber auch hier an, dass die Lehrkraft mit den Schülerinnen und Schülern gemeinsam bespricht, welche Bedeutung hinter dem Begriff Hypothese steht. Die Lehrkraft sollte eine Hypothese als Beispiel vorgeben, sodass die Schülerinnen und Schüler eine Idee bekommen, wie ihre eigene Hypothese aussehen könnte.

[...]

Ende der Leseprobe aus 42 Seiten

Details

Titel
Evaluation einer Experimentieranordnung zur Thematik Licht und Schatten mit dem Schwerpunkt Kernschatten und Halbschatten
Hochschule
Universität Potsdam
Note
1,6
Autor
Jahr
2020
Seiten
42
Katalognummer
V923200
ISBN (eBook)
9783346244857
ISBN (Buch)
9783346244864
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Sachunterricht, Experimentieren Grundschule
Arbeit zitieren
Christin Hennig (Autor), 2020, Evaluation einer Experimentieranordnung zur Thematik Licht und Schatten mit dem Schwerpunkt Kernschatten und Halbschatten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/923200

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