Mentale Modelle und Misskonzepte - Theoretische Betrachtungen und ihre Bedeutung in der Schulphysik

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

2. Das Gedächtnis
2.1. Mögliche Einteilungen
2.2. Semantische Netzwerke

3. Mentale Modelle

3.1. Eigenschaften
3.2. Mentale Modellbildung
3.2.1. Allgemeine Ansätze
3.2.2. Der Ansatz von de Kleer und Brown
3.2.3. Der Ansatz von Forbus und Gentner
3.3. Beispiele und Erklärungsversuche
3.3.1. Freier Fall in der Natur
3.3.2. Atommodelle

4. (Miss)Konzepte
4.1. Entstehung
4.1.1. Alltagserfahrungen und Alltagsvorstellungen
4.1.2. Intuitive Physik
4.2. Anwendung und Erklärungsversuch

5. (Miss)Konzepte in der Schule
5.1. Vorverständnis
5.2. Umgang mit (Miss)Konzepten in der Schule
5.3. Schlussbemerkung

6. Literaturliste

1. Einleitung

In dieser Hausarbeit werde ich mich mit mentalen Modellen und Misskonzepten von Schülerinnen und Schülern in der Physik beschäftigen. Als erstes werden mentale Modelle allgemein vorgestellt und verschiedene Ansätze deren Bildung erklärt. Misskonzepte sind den mentalen Modellen sehr ähnlich, werden hier aber getrennt behandelt. Die Grenze ist nicht streng zu sehen, sondern fließend. Es wird anhand von Beispielen versucht, Ursachen und Erklärungen für falsche mentale Modelle und Misskonzepte zu finden. Als meist angewandtes und erforschtes Misskonzept wird speziell auf den straight-down belief, der mit der Impetustheorie erklärt wird, eingegangen.

Mentale Modelle und Misskonzepte sind Teil unseres Allgemeinwissens und unserer Alltagser-fahrungen und -vorstellungen. Wenn in der Schule im Physikunterricht zu einem Gebiet neues Wissen vermittelt werden soll, in dem die Lernenden schon Vorkenntnisse besitzen, ist es wichtig dieses einzubeziehen und nicht zu ignorieren. Wie Vorwissen richtig integriert werden kann und Physik dadurch lebensnaher und interessanter werden kann, wird im letzten Kapitel vorgestellt. Mit der Hausarbeit soll eine Verbindung zwischen psychologischen und physik-didaktischen Ansätzen im Bereich mentaler Modelle hergestellt werden.

2. Das Gedächtnis

2.1. Mögliche Einteilungen

Das ,,Gedächtnis ist die geistige Fähigkeit, Erfahrungen zu speichern und später zu reproduzieren oder wiederzuerkennen"¹. Mentale Modelle sind ein ganz bestimmter Teil unseres Gedächtnisses. Eine mögliche Unterteilung des Gedächtnisses veranschaulicht, wo mentalen Modelle und Konzepte angeordnet sind.² Im Bild 1 ist die Einteilung schematisch gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Gedächtnis ist in drei Systeme unterteilt: Sensorisches Gedächtnis, Kurzzeitgedächtnis und Langzeitgedächtnis.³ Letzteres speichert alle von außen kommenden und intern entstandenen Informationen, wie beispielsweise kreative Gedanken, Werte und Meinungen. Man unterscheidet das Langzeitgedächtnis je nach Typ der Informationen in prozedurales und deklaratives Gedächtnis. Das deklarative Gedächtnis wird auch Faktenwissen genannt und gliedert sich in semantisches und episodisches Wissen auf.⁴ Teil des episodischen Wissens sind persönliche Erfahrungen und die Autobiographie, sie verfügen über eine Ort - und eine Zeitmarkierung. Das semantische Wissen ist unser Weltwissen, es stellt das persönliche Lexikon eines jeden Menschen da und beinhaltet das eigentliche Bedeutungswissen. Zwischen semantischen und episodischen Wissen kann man keine harte Grenze ziehen. Dies wird deutlich, wenn man die Strukturierung des semantischen Wissens beachtet. Man unterscheidet in Einfache und Komplexe Organisation des Wissens. Die einfache Organisation sind entweder Objektkonzepte (wie Hund, Stuhl, Baum) oder teilweise Relationale Konzepte (wie laufen oder arbeiten) und heißen auch Propositionen⁵. Zur Komplexen Organisation gehören ebenfalls Relationale Konzepte oder Ereignisse und Wissensstrukturen. Beispiele für Wissensstrukturen sind Skripts, Schemata oder mentale Modelle. Sie stellen sowohl Propositionen als auch Wissensstrukturen da, denn sie beinhalten meistens eine Orts- oder Raumkomponente. So haben wir zum Beispiel unter Skript gespeichert, wie wir uns bei einem Restaurantbesuch zu verhalten haben. Schemata repräsentieren Konzepte in Form von Oberbegriffen und sind Wissenseinheiten, die Vorannahmen über Gegenstände, Menschen und Situationen und der Art ihrer Beziehung enthalten. Damit sind Skripts auch Teil des episodischen Gedächtnisses.

Seel nimmt in seinem Buch ,,Weltwissen und mentale Modelle" eine andere Einteilung von Wissen vor, in der er die mentalen Modelle einordnet. Grundlegend ist dabei die Aussage:,,Jedes Wissen muss, um Wissen zu sein, irgendwie begründet sein, sonst handelt es sich um eine Vermutung oder einen Glauben".⁶ Das Wissen des Menschen ist empirisch oder rational begründet. Erfahrungen werden in synthetischen Sätzen ausgedrückt (z.B. ,,Raubtiere sind gefährliche Tiere".) und stellen das enzyklopädische Wissen dar. Dieses ist potentiell unendlich und inkonsistent, denn jeder synthetische Satz kann einem anderen widersprechen. Kohärentes Wissen entsteht erst durch das Verschränken von synthetischen Sätzen, so dass Inkonsistenzen korrigiert und eliminiert werden. Dann kann auf das kohärente enzyklopädischen Wissen schlussfolgerndes Denken angewendet werden und sich das semantische Wissen herausbilden. Dieses wird als endlich aufgefasst und in analytischen Sätzen ausgedrückt, wie ,,Ein Junggeselle ist nicht verheiratet". Eine weitere Wissensart ist nach Sperber⁷ das symbolische Wissen. Es ist dem enzyklopädischen sehr ähnlich, weil es auch in synthetischen Sätzen ausgedrückt wird. Aber es ist nicht kohärent, Sätze können sich direkt oder durch Verflechtungen widersprechen. Symbolisches Wissen wird an keinem empirischen Kriterium gemessen und ist für die "Konstruktion kognitiver Artefakte wie mentale Modelle von entscheidender Bedeutung".⁸ Werden synthetische Sätze in Anführungszeichen gesetzt, bezieht sich der Inhalt auf Vorstellungen von der Welt. Mentale Modelle sind genau dies, Vorstellungen, Bilder von der Welt, von Ereignissen und von Systemen.

2.2. Semantische Netzwerke

Nachdem wir Informationen wahrgenommen haben, werden diese an einem bestimmten ,,Ort" im Gedächtnis gespeichert. Anderson benennt netzwerkartige Repräsentationen als Hilfsmittel der Enkodierung. Menschen speichern die Informationen über verschiedene Kategorien, wie Kanarienvogel, Rotkehlchen oder Fisch in Netzwerkstrukturen.⁹ Ein Beispiel für ein Netzwerk ist im Bild 2 dargestellt. Die Häufigkeit, mit der ein bestimmter Sachverhalt mit einem anderen in Verbindung gebracht wird, spielt eine große Rolle für die Dichte der Speicherung. So wird bei Apfel viel schneller essbar als braune Kerne abgerufen. Obwohl essbar eigentlich bei einer übergeordneten Ebene z.B. Nahrungsmittel gespeichert sein könnten.

Die Organisation von Fakten im semantischen Gedächtnis scheint nach drei Prinzipien zu erfolgen:

,,1. Wenn man einer Information über ein Konzept häufig begegnet, wird diese zusammen mit dem Konzept gespeichert, auch wenn sie aus einem übergeordneten Konzept abgeleitet werden könnte.
2. Je häufiger man einer Tatsache über ein Konzept begegnet, desto stärker wird sie mit dem Konzept assoziiert. Und je stärker die Fakten mit Konzepten assoziiert sind, desto schneller werden entsprechende Aussagen verifiziert.
3. Es dauert relativ lange, Aussagen über Tatsachen zu verifizieren, die nicht direkt bei einem Konzept gespeichert sind, sondern die zuerst abgeleitet werden müssen."¹⁰

Es hat also die Verbindungsstärke, als auch der Abstand zwischen den Konzepten und Tatsachen einen Einfluss auf die Abrufzeit.

3. Mentale Modelle

3.1. Merkmale und Anwendung

Eine umfassende Theorie zu den Mentalen Modellen stammt von Johnson-Laird¹¹. Seine grundlegende Aussage ist, dass Menschen sich interne Modelle von der äußeren und inneren Realität aufbauen. Damit wird ihnen ermöglicht, ,,Inferenzen zu ziehen, Vorhersagen zu machen, Phänomene zu verstehen, Entscheidungen über Handlungen zu treffen und ihre Ausführung zu überwachen sowie [...] Ereignisse stellvertretend zu erfahren".¹²

Seel unterscheidet in Alltagsmodelle und wissenschaftliche Modelle. Wissenschaftliche Modelle sind zum Beispiel ein Globus oder ein Atommodell. Alltagsmodelle werden in der einschlägigen Literatur meist als mentale Modelle bezeichnet. Sie sind aus wissenschaftlicher Sicht häufig falsch. Ein Beispiel ist die Vorstellung, wie beim Fußball ein Ball, der als Eckball in den Strafraum geflogen kommt, getroffen werden muss, damit er gerade aus Richtung Tor fliegt. Ein weiteres wäre die Vorstellung vom Funktionieren eines Heizungsthermostat. Ich möchte in dieser Hausarbeit nicht zwischen wissenschaftlichen Modell und Alltagsmodell unterscheiden, und beide als mentale Modelle bezeichnen, weil sie es nach der Definitionen Johnson-Lairds beide sind. Johnson-Laird unterscheidet bei der Modellbildung zwischen Experten und Nicht-Experten (Novizen). Aber beiden ist gleich, dass das mentale Modelle eine visionelle Vorstellung zu dem entsprechenden Sachverhalt impliziert wird. Der Experte wird strukurelle und funktionelle Aspekte in den Vordergrund stellen. Der

Novize hingegen eher oberflächliche Eigenschaften, wie Farbe oder Form. So wird ein Experte in seinem mentalen Modell zum Atomaufbau einen weit komplexeren Inhalt haben, als ein Novize. Dennoch sind es beides mentale Modelle. Mentale Modelle sind nicht nur Ausdrucksformen subjektiver Weltauffassung und Teil der Wissensrepräsentation, sondern auch Teil der Heuristik, also Hilfsmittel zum Finden neuer Tatsachen aufgrund von Vermutungen, Analogien, Generalisierungen und Gedankenexperimenten¹³. Form und Inhalt der Modelle sind auf Absichten und Ziele des Modellschaffenden abgestimmt, so dass sie ihren Zweck am besten erfüllen können. Das besondere vieler mentaler Modelle ist, dass sie trotz ihrer teilweise falschen Theorie robust und stabil sind. Dies liegt u.a. daran, dass die Benutzer mit dem mentalen Modell unter den Bedingungen des Alltags ,,genausoviel nützliche Vorhersagen"¹⁴ treffen können, wie mit korrekten Rückkopplungstheorien. Außerdem macht der ,,subjektive Erklärungswert"¹⁵ das mentale Modell einleuchtend und damit stabil gegenüber ,,gelerntem" Wissen.

Mentale Modelle sind als ,,kognitive Artefakte"¹⁶, eine Konstruktion im Bereich des Denkens, Wahrnehmens und Vorstellens zu verstehen. Zum einen haben wir beispielsweise bei dem mentalen Modell des Aufbau des Atoms¹⁷ vor unserem geistigen Auge einen festen Kern und um ihn fliegen kleine runde Kugeln, die Elektronen. Die bedeutungsbasierenden Wissensrepräsentation speichert, dass der Kern positiv geladen ist, die Elektronen negativ, dass diese vom Kern angezogen werden, sich dennoch auf Bahnen bewegen und so weiter.

3.2. Mentale Modellbildung

3.2.1. Allgemeine Ansätze

Dank mentaler Modelle ist es dem Menschen möglich Verhalten dynamischer Systeme vor dem geistigen Auge zu simulieren, z.B. die Flugbahn eines Körpers. Dies geschieht vor allem mit Hilfe von Schlussfolgerungsprozessen. In diesen wird aufgrund früherer Erfahrungen aus ähnlichen Situationen eine befriedigende Erklärung für ein bestimmtes Phänomen oder die Lösung eines Problems ge- bzw. erfunden. Der Modellschaffende passt das jeweilige Modell in Form und Inhalt an sein Problem an. Es ist zweckorientiert und hat die Absicht die Welt plausibel zu machen.

Der Proband bildet seine logischen Schlüsse auf der Basis von Induktionen und Analogien.¹⁸ Voraussetzung dafür ist, dass er erkennt, dass die Situation- oder Problemstellung einer früheren entspricht und dann sein Wissen aus dieser früheren Problemstellung nutzt, um ein Verständnis der augenblicklichen Situation zu erreichen. Außer der Analogiebildung, der wichtigsten Grundlage zur Bildung mentaler Modelle, gibt es noch drei weitere Eigenschaften, die die Modellbildung auszeichnen. Durch die immer wieder neu gebildeteten mentalen Modellen erfolgt eine permanente Aktualisierung des Wissens. Diese Modelle sind intentional und der Auslöser zu deren Bildung kann sowohl durch internale als auch externale Aktivierungsanlässe erfolgen. Die vierte Eigenschaft ist, dass der Modellschaffende sich und anderen seine kognitive Konstruktion vergegenwärtigt. Mentale Modelle sind also nichts Unterbewusstes, obwohl es meist schwer fällt, ein mentales Modell plausibel einem anderen zu erklären. Gerade Modelle des Alltags¹⁹, werden selbst für die konstruierende Person virulent, wenn sie aufgefordert wird, eine explizite Erklärung für die Handhabung des Modells in Technik und Physik zu geben.

3.2.2. Der Ansatz von de Kleer und Brown

De Kleer und Brown²⁰ haben sich ebenso wie Forbus und Gentner²¹ speziell mit dem Aufbau und Erwerb mentaler Modelle in der qualitativen Physik beschäftigt. Nach dem Ansatz von De Kleer und Brown wird die Funktionsweise physikalischer Systemen in mentalen Modellen qualitativ erklärt und beschrieben. Dafür machen sie die grundlegende Annahme, dass das physikalische Wissen im Zusammenhang mit qualitativen Größen, wie hoch, tief, schnell, langsam oder an und aus gespeichert ist.

Soll mit Hilfe einer mentale Simulation Wissen über die Funktionsweise einer physikalischen Vorrichtung erlangt werden, muss man den Aufbau der Vorrichtung, die einzelnen Komponenten der Vorrichtung kennen. De Kleer und Brown sprechen von der topologischen Struktur. Für jede der einzelnen Komponenten lässt sich ein Komponentenmodell beschreiben. Bei einer elektrischen Klingel besteht die topologische Struktur aus den Komponenten Schalter, Klingel und elektrische Leitungen. Der Schalter kann an- oder ausgeschaltet sein, durch die Leitungen fließt Strom oder nicht und die Klingel gibt einen Ton ab oder ist leise. Der Modellschaffende simuliert nacheinander, wie sich die Komponenten verhalten könnten (qualitative Simulation) und kann so in einem

Schlussfolgerungsprozess auf die funktionalen Eigenschafen das Gesamtsystems schließen. Darum sprechen De Kleer und Brown von einem kausalen mentalen Modell. Dieses soll frei von Widersprüchen sein, d.h. zwei verschiedene Systeme dürfen nicht bei gleichen Eigenschaften (Komponentenzuständen) auf verschiedene Werte schließen lassen. Kausale Modelle sollen korrespondent sein. Das heißt, dass durch mentale Simulation abgeleitete Verhalten eines Systems muss dem beobachtbarem gleich sein. Als drittes wird die Robustheit der Modelle angeführt. Das Modell muss auch in anderen Situationen mit Erfolg angewendet werden können, die Vorhersagen müssen auch hier mit dem Beobachtbaren übereinstimmen. Nur dann wird ein mentales Modell fest gespeichert und immer wieder zum Problemlösen angewandt. Stößt man bei der Anwendung eines Kausalmodells auf einen Widerspruch, wird versucht diesen durch Einbringen externalen Wissens auszuräumen und das Modell und dessen qualitativen Eigenschaften erneut anzupassen.

3.2.3. Der Ansatz von Forbus und Gentner

Das Stufenmodell von Forbus und Gentner besteht aus vier aufeinander aufbauenden Modellen. Das erste Modell sind die prototypischen Erfahrungen. Sie werden unbewusst gemacht und stellen einfache mentale Modelle von physikalischen Gebieten dar. Es werden

Erfahrungen gemacht und diese je nach wahrgenommenen Ähnlichkeiten in Klassen eingeteilt. So entstehen Prototypen, in denen Merkmale von Objekte wie auch deren Anordnung eine Rolle spielen. Diese Prototypen sind für die weitere Verarbeitung von Erfahrung ein wichtige Grundlage und den Schemata und Skripten ähnlich. Diese speichern auch unter einer bestimmten Kategorie eine allgemein typische Norm. Prototypischen Erfahrungen sind beispielsweise die Beobachtungen, dass jeder Gegenstand nach unten fällt oder warmes Wasser sich abkühlt.

Die zweite Stufe sind die Ursachen-Annahmen. Für die gemachten und als Prototypen gespeicherten Erfahrungen wird eine Ursache, ein Grund angenommen und auf diesem Wege vereinfacht erklärt. Die Annahmen sind meist ,,binäre Beziehungen zwischen zwei Variablen"²² und oftmals einfach und nicht schlüssig wie ,,Große Gegenstände sind schwerer" oder ,,Kleinere Gegenstände klingen höher, wenn man sie anschlägt". Mit Hilfe der Ursachen-Annahmen kann der Umfang des zu speichernden Wissens verringert werden. Denn eine Eigenschaft scheint eine andere zu bedingen und diese muss nicht extra gespeichert werden. Außerdem werden die Annahmen bei Heuristiken zum logischen Schließen verwendet. Wenn mehrere Ursachen-Annahmen miteinander verbunden werden, können sie die Grundlage für umfassendere Theorien bilden, z.B. ,,Wenn größere Gegenstände schwerer sind, dann fallen sie auch schneller zu Boden, weil schwerer Dinge eben schneller fallen als leichte." Dies verdeutlicht, wie die Theorienbildung in einem Teilgebiet vorgenommen werden könnte. Aufgrund von Verbindungen zwischen einzelnen Gebieten und Anwenden von erlernten Wissen, wie ,,Alle Gegenstände fallen gleich schnell, weil die Erdbeschleunigung eine Naturkons-tante ist", werden falsche Ursachen-Annahmen korrigiert und neue gebildet. Wenn zu den Ursachen-Annahmen auch Prozesse zur Beschreibung der Veränderungen hinzukommen, entsteht eine naive physikalische Theorie. Sie beinhaltet auch Eigenschaften, die nicht direkt sichtbar sind oder neue Beziehungen, die zur Beschreibung nötig sind. So muss bei dem obigen Beispiel bekannt sein, dass die Erdbeschleunigung immer 9,81 m/s² ist, was man aber nur im ,,organisierten" Experiment beobachten kann. Der Lernende muss Tatsachen, Axiome und

Eigenschaften von Gegenständen akzeptieren, die nicht direkt sichtbar sind. Mit einer naiven physikalischen Theorie können frühere Fehlschlüsse korrigiert werden. Beim Schließen per exclusionem können auch Fehler entstehen, denn Schlussfolgerungen werden ohne explizites Lehrbuch-Physikwissen angestellt. Beim Aufstellen einer Theorie ist es vor allem schwierig, Formulierungen für die Beschreibung der Prozesse zu finden. Denn unwichtige Aussagen, die aus den Stufen der prototypischen Erfahrungen und Ursachen- Annahmen stammen, müssen vernachlässigt werden, damit die Theorie knapp und schlüssig wird.

Der Weg von der naiven physikalischen Theorie zum Expertenwissen, vom Qualitativen zum Quantitativen wird mit der Mathematik vollzogen. Mit Hilfe des mathematischen Rahmens ist der Lernende in der Lage Vorhersagen zu machen und Verallgemeinerungen aufzustellen. Dazu kommen noch Regeln, die nicht nur besagen, ob ein Verhalten möglich ist oder nicht, sondern auch wie wahrscheinlich es ist. So müssen unwahrscheinliche Verhaltensmöglichkeiten ignoriert werden und mögliches Verhalten, dass oftmals als prototypische Erfahrung gemacht wurde, als generelle Regel verstanden werden. Bei dem Stufenmodell von Forbus und Gentner entwickelt sich das Wissen vom Konkreten zu Abstrakten und der Lernende entwickelt die Fähigkeit mentale Modelle zu konstruieren, die auf Vorstellungen über physikalische Prozesse aufbauen. Außerdem ist charakteristisch bei ihrem Modell, dass eine Weiterentwicklung von Stufe zu Stufe vor allem durch Vergleichen und Übertragen zwischen gespeicherten und neuen Wissen realisiert wird. Die Struktur-Abbildungstheorie sieht den Vergleich als die grundlegenden Eigenschaft zum Wissenserwerb mittels mentaler Modelle an. Strukturen aus einem Basisbereich werden nach bestimmten Regeln in ein Zielbereich übernommen. Die Theorie beinhaltet vier mögliche Arten des Vergleichs²³ zwischen den beiden Gegenstandsbereichen. Als erstes die tatsächliche Ähnlichkeit, bei der eine große Zahl an Objekteigenschaften vom Basisbereich in den Zielbereich übernommen werden. Dies ist relativ einfach und wird vor allem von Kindern und Novizen im jeweiligen Gebiet leicht erkannt und angewendet. Etwas schwerer ist die Analogie, bei der nur die Relationen zwischen den Objekteigenschaften von einen Bereich in den anderen übernommen werden. Die dritte Vergleichsmöglichkeit stellt das Gegenteil der Analogie da. Sie heißt bloßer Anschein und die Objekte der einzelnen Bereiche stimmen nur von den Eigenschaften her überein aber nicht in ihren Relationen. Dieser Vergleich ist meistens leicht zu vollziehen, aber wenig aussagekräftig. Die letzte und schwierigste Vergleichsmöglichkeit ist die abstrakte Abbildung oder Abstraktion. Hier liegt als Basisbereich eine abstrakte Beziehungsstruktur wie ein allgemeines Gesetz vor. Diese wird auf eine wahrgenommene Beziehungsstruktur übertragen, eine Regel auf eine bestimmte Situation angewendet, wie es beispielsweise in der Mathematik häufig geschieht.

Welcher Vergleich zum Wissenserwerb verwendet wird, hängt davon ab, welcher in der jeweiligen Situation zugänglich ist. Eventuell wird einer der Vergleichsarten gar nicht als Lösungsweg wahrgenommen. Das hängt immer mit der Vertrautheit des Basisbereiches ab. Je besser man die Regeln oder ein Gesetz kennt, je mehr man es verinnerlicht hat, desto leichter fällt einem eine Analogiebildung oder eine Abstraktion.

3.3. Beispiele und Erklärungsversuche

In den vorangegangenen Punkten wurden schon ab und an Beispiele aus der Physik eingestreut. Hier sollen nochmals einige mentale Modelle vor allem von Schülerinnen und Schülern dargestellt werden. Dies sind teilweise unkorrekte Modelle, die aber in ihrer Anwendung zur gewünschten Lösung führen können und daher auch oft beibehalten werden.

3.3.1. Freier Fall in der Natur

Eine Bleikugel fällt schneller auf den Boden als eine Papierkugel. Der Lernende hat von klein auf die Erfahrung gemacht, dass schwere Gegenstände, die meist auch klein und kompakt waren, schneller auf die Erde fielen, als leichte, flächenmäßig größere Gegenstände. Ein Blatt fällt langsamer zu Boden als eine Kastanie. Das Kind erkennt als wichtigsten Unterschied zwischen Blatt und Kastanie, dass das Blatt leichter ist. Es verallgemeinert seine Erfahrungen zu der Annahme: ,,Schwere Dinge fallen schneller als leichte". Erst später lernt es, dass der Schluss unzulässig war und das beobachtete unterschiedliche Fallen andere Gründe hat. Dann wird es seine Theorie ändern, aber die prototypischen Erfahrungen können jeden Tag neu gemacht werden. Dadurch wird das Verfestigen der richtigen Theorie behindert und es bleibt schneller abrufbar, dass eine Kastanie eher den Boden erreicht, als das Blatt. Dadurch haben viele Menschen beiden Theorien gespeichert. Zum einen wissen sie, dass schwere Gegenstände nicht schneller fallen als leichte, zum anderen bleibt die

Tatsachenbeobachtung als Erfahrung im Gedächtnis. Im Beispiel des freien Falls, wird die wissenschaftliche Theorie mit Hilfe der

Formeln:[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ; und [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]gespeichert.

Aus diesen Formeln und [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] leitet sich durch äquivalente Umformungen [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] her und mit dem entscheidenden Wissen, dass

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]ergibt sich daraus .[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Der Lernende kann also aus diesen

Formeln ableiten, dass die Zeit, die ein Körper beim freien Fall benötigt, nur vom Weg und nicht von der Masse abhängt. Im Alltag allerdings wird er diese Überlegungen nicht erst vornehmen, da es sinnvoller ist die Alltagstheorie anzuwenden.

Nach Wilkening und Lamsfuß²⁴ ist perzeptuelles (wahrnehmungsbasiertes) Wissen separat vom verbal-kognitven

Wissen (wissensbasiert) gespeichert. Beide Repräsentationsebenen hängen in der intuitiven Alltagsphysik wenig zusammen und treten kaum in Interaktion. Das eine Wissen kann dem anderen widersprechen, dennoch sind sie fest gespeichert und können nur schwer geändert werden. So haben selbst Studierende der Physik zwei Ansichten, wenn es darum geht, die Bahn eines Steins zu beschreiben, der von einem laufenden Menschen losgelassen wird. Zum einen ihr perzeptuelles, intuitives Wissen, das ihnen sagt, der Stein fällt gerade auf die Erde. Zum anderen wissen sie aus kognitiven Schlüssen, dass die Bahn des Steins eine Kurve beschreibt. Dennoch bleibt das perzeptuelle Wissen, dass aus physikalischer Sicht falsch ist, gespeichert und wird jedes Mal sogar schneller abgerufen. Erfahrungswissen speichert sich wesentlich stärker ein und dichter beim Konzept, als erlerntes Wissen. Dies lässt sich auch mit semantischen Netzwerken erklären. Bei Stein rufen wir als erstes schwer und fällt nach unten ab. Hierarchisch höher ist Gegenstand und leblos gespeichert. Dies wird aber erst beim näheren Nachdenken abgerufen, ebenfalls wie die Einschränkungen. Das mögliche Netzwerk ist im Bild 3 dargestellt.

3.3.2. Atommodelle

Bevor in der Schule gelernt wird, wie ein Atom aufgebaut ist, hat man nur wage Vorstellungen bzw. keine davon. Die Schülerinnen und Schüler haben auf dem Gebiet der Atommodelle keine Vorkenntnisse, bevor sie dies in der Schule vermittelt bekommen. Dort wird sehr einleuchtend das rutherfordsche Modell eingeführt. Dieses Modell wird von vielen als plausibel und einfach verstanden und entsprechend stark gespeichert. Lernt man nun in der höheren Schule oder beim Studium die aus wissenschaftlicher Sicht korrektere quantenmechanische Theorie zum Aufbau von Atomen, behält man das rutherfordsche dennoch als erstes Atommodell enkodiert. Denn viele Fragen in Bezug zum Atomaufbau kann man mit dem Modell auch im Studium befriedigend klären. Erst in der Atom- und Kernphysik muss man sich von dem einfachen Modell trennen und das komplexere anwenden. Dies klappt in der Regel auch ohne Probleme. Aber wird ein Student danach gefragt, wie ein Atom aufgebaut ist, würde er intuitiv erst einmal das rutherfordsche Modell aus seinem Gedächtnis abrufen. Erst wenn er es im Kopf prüft, fällt ihm auf, dass dies in manchen Situationen wissenschaftlich inkorrekt ist.

Das kann man mit verschiedenen Ansätzen erklären. Ein mögliches semantisches Netzwerk zu der Kategorie Atom könnte folgendermaßen aufgebaut sein. (Bild 4)

Damit liegen einige Eigenschaften des rutherfordschen Modells direkt am Begriff Atom. Weitere, speziellere Informationen sind unter den unterschiedlichen Modellen gespeichert. Die quantenmechanischen Überlegungen befinden sich nicht unmittelbar bei dem Begriff Atom, sondern erst bei dem Begriff Quantenmechanisches Modell. Denn die ersteren wurden schon wesentlich häufiger mit dem Konzept in Verbindung gebracht als die der Quantenphysik. Daher antwortet auch ein Studierender bei einer allgemeinen Frage nach dem Aufbau der Atome mit dem rutherfordschen Modell. Außerdem scheinen dies einleuchtender und besser vorstellbar zu sein. Denn mit ihm wird immer die Vorstellung von der Erde und den kreisenden Himmelskörpern verbunden. Diese Vorstellung ist im Gegensatz zur Quantenphysik nachvollziehbar, da einfache Analogien gebildet werden können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Die Analogie zwischen dem Sonnensystem und der Atomstruktur (nach Gentner, 1983)²⁵

In der Quantenphysik spielen die schwer verständliche Theorie der Unschärferelation und Statistiken zu den Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen

(Schrödingergleichung) eine wichtige Rolle. Die quantenmechanische Theorie zum Atomaufbau ist kein Modell, sondern er komplexes Gebilde aus Physik und Mathematik. Dies ist abstrakt und lässt sich nur schwer speichern und abrufen. Dadurch ist das rutherfordsche Atommodell viel fester und naher am Konzept Atom gespeichert als die quantenmechanische Theorie.

4. Misskonzepte

4.1. Entstehung

Mit Hilfe von richtigen wie auch falschen Konzepten können mentale Modelle erklärt werden. Bei fehlerhaften Konzepten spricht die Forschung dann von Misskonzepten. Dennoch kann man mit einem Misskonzept zu einer Erkenntnis gelangen, die im Alltag angewendet richtig ist und seinen Zweck erfüllt. Aber nicht nur mentale Modelle werden mit Konzepten erklärt, sondern auch Beobachtungen und Erfahrungen. Manchmal sind auch mentale Modelle Teil der Konzepte. Beide Begriffe hängen also dicht miteinander zusammen und lassen sich nur schwer voneinander trennen.

4.1.1. Alltagserfahrungen und Alltagsvorstellungen

Ähnlich wie zu der mentalen Modellbildung gibt es verschiedene Theorien, wie Konzepte gebildet werden. Nach Mc Closkey²⁶ entstehen aus den täglichen Alltagserfahrungen die Alltagsvorstellungen. Diese werden im Laufe der Zeit in vielfältiger Art und Weise angewendet und aufeinander bezogen, so dass sie eine zusammenhängende Alltagstheorie bilden.

Di Sassa²⁷ geht zwar davon aus, dass Alltagserfahrungen die Grundlage für Alltagsvorstellungen bilden. Aber eine zusammenhängende Theorie hält er für unwahrscheinlich und spricht statt dessen von Konstruktionen unvollständiger und nur lose verknüpfter Wissenselemente, den ,,phänomenologischen Primitiven". Dies sind einfache Abstraktionen für konkrete Alltagserfahrungen, die die Schülerinnen und Schüler für selbstverständlich halten. Daher müssen diese auch nicht erklärt werden, ähnlich wie Axiome. Beispielsweise die Aussagen: ,,Die Bewegung eines Körpers bedarf einer Kraft", ,,Heiße Gegenstände kühlen sich ab". Die phänomenologischen Primitive haben Ähnlichkeiten mit einzelnen Stufen des Modells von Forbus und Gentner. Die prototypischen Erfahrungen, die als Gesetzmäßigkeit über Ursachen-Annahmen in naiven physikalischen Theorien verarbeitet und repräsentiert werden, sind vom Prinzip her auch phänomenologische Primitive.

Carey und Chi²⁸ stellen die Ontologie von Alltagserfahrungen in den Mittelpunkt ihrer Modelle zum Problemlösen in der Physik. Danach betrachten Jugendliche wissenschaftliche Konzepte vor dem Hintergrund ihrer Alltagserfahrungen. Beispielsweise vergleichen sie das Konzept Kraft vor dem Hintergrund Materie. Sie ziehen Parallelen und kommen zu dem Resultat, dass Kräfte gespeichert, verbraucht und übertragen werden können.

4.1.2. Intuitive Physik

Der bedeutende Entwicklungspsychologe Piaget erkannte früh den Wert der intuitiven Physik für das Studium des Psychischen. Je nach Stand der kognitiven Entwicklung verändert sich das intuitive physikalische Wissen bis zum Erwachsenenalter²⁹. Es ist somit interessanter Bestandteil der Entwicklungspsychologie. Piagets zentrale These besagt, dass Misskonzepte die notwendigen Vorläufer zum Erreichen höherer Stufen darstellen. Sie sind die notwendige Folge genereller, inhaltsübergreifender Beschränkungen der kognitiven Struktur, die je nach Entwicklungsabschnitt gegeben ist. Damit begründet er Misskonzepte bei Kindern mit ihrer kindlichen Denkfähigkeit, die beschränkter sei, als bei Erwachsenen. Laut Shepard³⁰ besitzen vor allem Jugendliche im Gegensatz zu Vorschulkindern und Erwachsenen mehr Misskonzepte. Darum spricht er von einem U-Trend. Durch evolutionäre Selektionsprozesse werden unbewusst bestimmte Bewegungsprozesse richtig gespeichert. Kleinkinder können auf ihre physikalische Intuition, die noch nicht mit theoretischen Wissen vermischt ist, unbewusst zurückgreifen. Erst später, etwa im Jugendalter wird durch bewusste Reflexion der eigenen Wahrnehmung die biologisch vorprogrammierte Intuition außer Kraft gesetzt. Mit zunehmenden Alter wächst die Reflexion und es werden Theorien gebildet. Dadurch können Bewegungsprobleme wieder korrekt gelöst werden. Shepards These erklärt, warum Kleinkinder und Erwachsene eher in der Lage sind, Bewegungen richtig vorauszusagen. Diese These besagt demzufolge auch, dass die Beurteilung von Bewegungsproblemen von vorhandenen Wissen und vom kognitive Enwicklungsstand abhängig ist.

Kaiser, Profitt und Anderson³¹ widersprechen dieser These aufgrund von Versuchen mit Fünft-Klässlern. Sie sprechen von einer linear zunehmenden Häufigkeit der richtigen Antworten mit dem Alter und der allmählichen Annäherung kindlicher Vorstellungen an die der Erwachsenen, eventuell sogar an falsche. Kaiser, Profitt & Mc Closkey³² untersuchen die Antworten von Kindern (4/5 Jahre und 10/12 Jahre) und von Erwachsenen in Abhängigkeit der Fragestellung. So werden Flugbahnen von Gegenständen aus bewegten Systemen (z.B. Flugzeug, Sessellift) sowohl von Kindergartenkindern wie von Mittelklässlern nur zu 10 bis 20 Prozent richtig beantwortet. Bezieht sich das gleiche Problem auf ein festes System (z.B. Abschuss von Rampe, Tisch) kommen nur 9 Prozent der Vier- und Fünfjährigen auf eine richtige Lösung, aber 50 Prozent der älteren Kinder. Wilkening und Lamsfuß erklären diese Versuche mit der Hypothese, dass in Bewegungssituationen aufgrund der Bezugssystemtäuschung an den straight-down belief festgehalten wird. Der straight-down belief ist eine naive These, dass alle Gegenstände, wenn sie losgelassen werden, senkrecht zu Boden fallen. Diese These wird von Kleinkindern bei allen Situationen angewendet, bis sie durch wiederholte Wahrnehmungserfahrungen für falsch empfunden wird. Dies geschieht vor allem bei nicht bewegten Systemen.

Wilkening und Lamsfuß begründen ihre Ansicht mit der Zentrierungshypothese von Piaget. Danach können Kinder im Vorschulalter (vor Erreichen des konkret-operatorischen Stadiums) noch nicht zwei Bewegungskomponenten richtig integrieren. Sie beachten bei Bewegungsproblemen meist nur die dominante Komponente. Dies ist die Schwerkraft, so entstehen Misskonzepte, wie der straight-down belief. Dennoch erklärt die These nicht, warum auch Erwachsene noch über Misskonzepte verfügen. Außerdem zeigen Wilkening und Lamsfuß³³ eine Abhängigkeit der Lösung von der Aufgabenstellung und dem Kontext. Die Kognition der Kinder zu einem bestimmten Sachverhalt ist auf die konkreten

Rahmenbedingungen abgestimmt. So entstehen verschiedene Aussagen zu einem Sachverhalt je nach dem, ob der Proband selbst handeln muss oder nur urteilen. Bei Handlungsbedingungen muss eine ganz bestimmte Aufgabe sensumotorisch gelöst werden. Dies wird in allen Altersgruppen aufgrund der praktisch perfekten Wissensstruktur meist korrekt gelöst, wobei inverse Beziehungen richtig erkannt werden.

Gelingt es nicht die Aufgabe zu lösen, wird bei einer Wiederholung der Aufgabe immer wieder der gleiche Fehler gemacht. Denn das implizite Wissen ist ein fester Bestandteil des auf der sensomotorischen Ebene verfügbaren Repertoires.³⁴ Muss der Proband bei dem selben Problem nur vorhersagen, wie sich ein Gegenstand verhalten wird, ignoriert er meist einen Fakt und reduziert das zweidimensionale Problem auf ein eindimensionales. Inverse Beziehungen werden gar in direkte umgewandelt. Daher gehen Wilkening und Lamsfuß davon aus, dass perzeptuell-motorisches Wissen seperat von verbal-kognitiven Konzepten gespeichert sind.

4.2. Anwendung und Erklärungsversuch

Konzepte sind meistens nicht sofort abrufbar, wie das Atommodell, sondern kommen erst durch Fragen und Experimentieren zum Vorschein. Manche werden erst dann aufgestellt, wenn der Lernende nach einer Erklärung für sein Ergebnis gefragt wird. Erstaunlicher Weise stellen viele Menschen ähnliche oder gleiche Konzepte auf, wenn es beispielsweise darum geht, das Flugverhalten von Gegenständen vorherzusagen beziehungsweise hinterher zu erklären. Konzepte kommen zu tage, wenn Schüler aufgefordert werden, beim Lösen der Sachaufgaben jeden Schritt zu erklären und zu begründen. Mc Closkey³⁵ und andere³⁶ fanden immer wieder, dass nicht nur Kinder und Jugendliche annehmen, dass in einem bewegten Körper stets eine Kraft in Richtung seiner Bewegung wirkt. Diese Alltagsvorstellung hat Ähnlichkeiten mit dem Konzept des Impetus, das im 6. Jahrhundert von dem griechischen Gelehrten Philoponus diskutiert und im 14. Jahrhundert vom französischen Philosophen Jean Buridan entwickelt wurde³⁷.

Beim senkrechten Wurf nach oben wird neben der Gewichtskraft nach unten eine nach oben gerichtete Kraft angenommen. Zu Beginn der Bewegung ist die Kraft nach oben größer als die Gewichtskraft. Im Laufe der Bewegung wird die Kraft verbraucht, bis die Gewichtskraft gleich der Kraft nach oben ist, hier kehrt der Gegenstand um. Dann bewegt er sich nach unten, weil die Gewichtskraft überwiegt. Die Kraft, die nach oben wirkt, wird im Moment des Abschusses vom abschießenden System auf den Körper übertragen. Diese Kraft ist nach Überlegungen der mittelalterlichen Philosophen im Körper gespeichert und verbraucht sich mit der Zeit. Sie wird als Impetus bezeichnet. Mc Closkey hat in mehreren Studien mit Studierenden gezeigt, dass sie die gleichen Vorstellungen von Bewegungen haben, wie sie von mittelalterlichen Theorien beschrieben werden. Die erstaunliche Ähnlichkeit legt für Mc Closkey die Ansicht nahe, dass die Impetustheorie ein natürliches Ergebnis der Erfahrung mit Erdbewegungen ist. Unter diesem Gesichtspunkt scheint der Glauben der Menschen einsichtig, dass für eine Bewegung eine Kraft nötig sei. Bei allen beobachtbaren Bewegungen kommt der bewegte Körper irgendwann zur Ruhe, denn die Kraft, die ihn bewegte, scheint verbraucht zu sein. Die Impetustheorie wird von Kindern, wie von an Erwachsenen angewendet und scheint daher nicht mit beschränkter Denkfähigkeit erklärbar zu sein.

Schwer zu verstehen sei hingegen, dass Menschen Vorstellungen, die augenscheinlich im Widerspruch mit der täglichen Erfahrung stehen, über die Flugbahn von bewegten Objekten entwickeln. Warum glauben viele Menschen mitgeführte Objekte fallen direkt nach unten (straight- down belief), wenn sie losgelassen werden?³⁸ Eine mögliche Antwort ist, dass unter vielen Voraussetzungen die Bewegung des Objekts immer wieder falsch wahrgenommen wird. So nehmen Mc Closkey und Kollegen an, das Objekte, die von einem bewegten Träger losgelassen werden, oft als gerade hinunterfallend wahrgenommen werden. Die falsche Wahrnehmung kann die Ursache für die gleichen falschen Vorstellungen sein. Studien zur Wahrnehmung von Bewegungen haben gezeigt, dass visuelle Illusionen entstehen, wenn ein Objekt nicht im bewegten Bezugssystem gesehen wird. Die Bewegung des Objekts relativ zum bewegten Bezugssystem kann als absolute Bewegung wahrgenommen werden (d.h. als relative Bewegung zu einem festen Bezugspunkt)³⁹.

Wenn Menschen getragende Objekte beobachten bis sie losgelassen werden, erinnern sie sich gewöhnlich nur an den Augenblick, da das Objekt vom Träger losgelassen wird. Daher wird der Träger als Bezugssystem an- bzw. wahrgenommen. In Situationen, in denen die Wirkung des Luftwiderstandes belanglos ist, bewegt sich das fallende Objekt immer senkrecht im Bezug zum Träger. Daher entwickelt sich der straight-down belief. Sieht man das fallende Objekt aber im Bezugssystem Erde, beschreibt seine Bahn eine Kurve.

5. (Miss)Konzepte in der Schule

5.1. Vorverständnis

Alltagserfahrungen und Alltagsvorstellungen werden in Zusammenhang mit der Schule meist als Vorwissen oder Vorverständnis bezeichnet. Nach Niederer umschließt es ,,Laientheorien, Assoziationen und offene Fragen, Sprache und Wortschatz, Interessen und Einstellungen".⁴⁰ Laientheorien sind beispielsweise die naiven physikalischen Theorien, die Forbus und Gentner als dritte Stufe ihres Modells festlegen. In der Alltagssprache verwenden wir Begriffe wie Arbeit, Geschwindigkeit und Wärme und haben dazu ganz bestimmte Assoziationen, die nicht mit der physikalischen Seite übereinstimmen müssen. Durch die Unterschiede von Alltagswissen und schon gelernten physikalischen Wissen stellen sich den Lernenden neue Fragen. Der Schüler hat in der Schule gelernt, dass alle Gegenstände gleich schnell auf die Erde fallen, dennoch beobachtet er fast täglich das Gegenteil. Offene Fragen drängen uns zum Nachdenken, wir wollen eine befriedigende Lösung finden. Aus den persönlichen Interessen der einzelnen Schüler ergibt sich unterschiedliches Vorwissen zu einem Thema. Gerade aus Sport und Spiel sind viele Erfahrungen vorhanden. Viele wissen aus dem jahrelangen Ballspiel genau, wie ein Ball zu schlagen oder zu werfen ist, damit er eine bestimmte Richtung und Geschwindigkeit erhält. Solches Wissen wird auch als intuitives Physikwissen bezeichnet. Das Vorverständnis, das Misskonzepte ebenso beinhaltet wie korrekte Konzepte, wird nach Labudde⁴¹ aus vier Hauptquellen aufgestellt und weiterentwickelt. Die Sinnlichen Erfahrungen wie Wärme, Licht und Bewegung werden von klein auf gemacht. Aus der Alltagssprache sind Redewendungen wie ,,kräftezehrende Arbeit" oder ,,Stromverbrauch senken" bekannt, die die Grundlagen für Vortheorien (Laientheorien) bilden. Das soziale Lernen im täglichen Leben erfolgt in Gesprächen mit anderen Menschen, über die Medien oder durch Bücher lesen und baut ,,Common-Sense-Vorstellungen" auf. Die vierte Quelle des Vorverständnisses ist der Schulunterricht selbst. Es kann passieren, dass Schüler das vermittelte Wissen missverstehen oder in falsche Zusammenhänge bringen. Außerdem wird den Schülern in Physik meist nur ein kleiner Teil aus dem umfangreichen Teilgebiet oder eine vereinfachte Sicht gelehrt. Soll später das Wissen auf dem Gebiet vertieft oder gar richtig gestellt werden, ist dieses Vorwissen oftmals nur schwer zu ,,vergessen".

5.2. Umgang mit (Miss)Konzepten in der Schule

Wird ein Schüler vor die Aufgabe gestellt, eine physikalische Sachaufgabe zu lösen, muss er über qualitatives und quantitatives Wissen, wie über eine Strategie verfügen. Spada hat in seinem wissensbasierten Modell die Konstruktion und Koordination von qualitativen und quantitativen Wissen zum Problemlösen in der Mechanik beschrieben. Nach Spada umfassen Alltagstheorien meist nur Wissen über qualitative Aspekte. Zum erfolgreichen Lösen einer physikalischen Sachaufgabe sind aber stets beide Aspekte nötig. Denn die qualitativ-konzeptuelle Information muss in eine quantitativ- nummerische Information umgewandelt werden. Ein beschriebener physikalischer Sachverhalt muss in eine Formel überführt werden und analog zurück. Nur das gekonnte Zusammenspiel von qualitativen und quantitativen Wissen bringt Erfolg. Anhand seines Modells sagt Spada voraus, dass Schüler die Misskonzepte wie die Impetustheorie beim Lösen berücksichtigen, wahrscheinlich nicht zur richtigen Lösung gelangen werden. Grund dafür ist, dass man qualitative Misskonzepte nicht in quantitative Aspekte umwandeln kann. Spadas empirischen Beobachtungen bestätigten sein Modell. In mehreren empirischen Beobachtungen stellte sich heraus, dass Schülerinnen und Schüler, die mit fehlerhaften Konzepten, wie die Impetustheorie arbeiteten, wesentlich häufig scheiterten. Ihnen ,,fehlte eine Formel", um von ihrer Skizze (qualitativ) zu einer nummerischen Lösung zu gelangen, sie hatten zu viele unbekannte Variablen in ihren Gleichungen.

Mc Closkey⁴² geht davon aus, dass die von Schülerinnen und Schülern gebildete Alltagstheorie konsistent angewendet wird. Darum muss sie im Unterricht von der wissenschaftlichen Sichtweise abgelöst werden. Dies könne man erreichen, in dem die Lernenden mit den Widersprüchen zwischen Vorhersagen aufgrund ihrer Alltagstheorie und den Vorhersagen mittels wissenschaftlicher Sichtweisen bezüglich eines Experimentes konfrontiert werden.

Nach di Sessa wenden die Lernenden die Phänomenologische Primitive sehr bereitwillig an, um neue Phänomene, die sie im Unterricht vermittelt bekommen, zu erklären. Wissenschaftlichen Sichtweisen ersetzen nicht die Alltagsvorstellungen, sondern werden mit ihrer Hilfe erst erklärt. Dies hat zur Folge, dass sich Alltagstheorien und wissenschaftlichen Theorien ,,unkontrolliert" vermischen. Alltagsvorstellungen können auch nicht durch Bewusstmachen der falschen Annahme ohne weiteres von wissenschaftlichen Sichtweisen abgelöst werden. Sie bilden viel mehr einen Vorläufer für die wissenschaftlichen Prinzipien.

Es reicht nicht aus, den Lernenden durch Experimente zu zeigen, dass ihr Vorverständnis fehlerhaft ist, um dann die korrekte wissenschaftliche Sicht zu präsentieren. Vielmehr müssen sie die neue Theorienbildung Schritt für Schritt gehen können. Die Schülerinnen und Schüler finden in einem vom Lehrenden angeregten Lernprozess die wissenschaftliche Sichtweise. Sie gehen den gleichen Weg wie die Wissenschaftler vor hunderten von Jahren und Erleben somit, dass die Physik eine Wissenschaft ist. Physikwissen ,,erwächst durch die Verfeinerung des Denkens des Alltags"⁴³, und ist nicht einfach da, sondern Gewordenes und Veränderndes. Schülerinnen und Schüler können beispielsweise in historischen Quellen oftmals ihre eigenen Gedanken wiederfinden und damit als ersten Schritt zur neuen Theorie bewerten. Sie erlangen dadurch mehr Vertrauen in ihr eigenes Wissen.

Den Jugendlichen sollte die neue Sichtweise behutsam präsentiert werden. Denn Lernen ist nicht nur ein kognitiver, sondern auch ein affektiver Prozess. Die Schülerinnen und Schüler sollen und müssen sich zum Teil von ihren liebgewordenen vertrauten Ideen, Bildern und Erklärungsmustern verabschieden. Sie sollen sie ,,eintauschen" gegen neue Theorien und Konzepte. Sind ihnen diese nicht plausibel und anschaulich genug, werden sich die Lernenden bewusst oder unbewusst gegen sie sträuben.

Wie aber kann ein Wandlungsprozess von einer alten zu einer neuen Theorie möglich schmerzlos stattfinden? Wie schon oben erwähnt ist das Ziel nicht die Auslöschung der Alltagsvorstellungen, sondern vielmehr deren Eingrenzung und Erklärung aufgrund von wissenschaftlichen Sichtweisen. Die Jugendlichen sollen erfahren in welchen Punkten ihre Alltagstheorie falsch ist, warum und wie sie auf darauf gekommen sind. Außerdem werden die Bedingungen formuliert, in denen entweder Alltagsvorstellungen oder wissenschaftliche Prinzipien in angemessener Art und Weise angewandt werden können.⁴⁴ Das Vorwissen sollte nicht nur eine positive Grundlage zum Weiterdenken darstellen, sondern auch in gegebenen Situationen weiterhin benutzt werden. Labudde⁴⁵ räumt dies nur als Einschränkung gegenüber der konsistenten Anwendung der wissenschaftlichen Sichtweise ein. Ich halte dies aber für durchaus sinnvoll und erstrebenswert. Die naive oder intuitive Physik ist nicht zu eliminieren, da sie sich durch tägliche Alltagserlebnisse immer wieder verfestigt. Es scheint mir wesentlich angebrachter, wenn man weiß, welche Theorie bei welchem Problem am schnellsten zur gewünschten Lösung führt, als stur die meist kompliziertere wissenschaftliche Theorie anzuwenden. Dies ist mit den unterschiedlichen Modellen zur Beschreibung von Licht vergleichbar. Licht wird je nach Problemstellung als Teilchen oder Welle aufgefasst. Beide Modelle haben ihre Lücken und Vorteile. Nur das gekonnte Anwenden des jeweils für die konkrete Fragestellung günstigeren Modells ermöglicht am effektivsten ein Problem zu lösen.

Durch die Integration von Alltagsvorstellungen und (Miss)konzepten in den Unterricht bieten sich umfangreiche Möglichkeiten, den Schülerinnen und Schülern die Physik anschaulicher, spannender und realistischer zu vermitteln. Eine Tatsache, die meines Erachtens noch viel zu oft ignoriert wird. Häufig ist Physik nur ein Rechnen von Aufgaben, bei denen die Lernenden nur quantitativ-nummerisch vorgehen brauchen, um zu einer Lösung zu gelangen. Die qualitative Physik dahinter, mit all ihren Alltagserfahrungen, bleibt außen vor. Schulphysik ist dann trocken und langweilig.

5.3. Schlussbemerkungen

In der Schule haben sehr viele Schülerinnen und Schüler Probleme mit der Physik. Das liegt zum einen daran, dass der Unterricht meist langweilig und lebensfremd ist. Und außerdem liegt es meines Erachtens auch zu einem nicht unerheblichen Teil daran, dass der Lernende während der Zeit immer wieder erfahren muss, dass Wissen aus den vorhergehenden Schuljahren jetzt falsch geworden ist. Die Schulphysik bleibt immer unverständlich, weil man als Schüler die Einfachheit und Systematik der Physik nicht erfährt. Denn man lernt sie sehr ausschnittsweise und chronologisch kennen. Dies zu ändern, ist die große Herausforderung der Physikdidaktik, denn noch immer ist kein Weg gefunden, der die Umbrüche im physikalischen Denken von einem Modell zum anderen erleichtert.

Es wäre zu überlegen, ob der übliche historische Weg weiterhin in der Schulphysik gelehrt werden soll. Den Schülerinnen und Schülern wird bei diesem Weg bewusst Halbwissen oder Falsches gelernt, weil die wissenschaftlich richtige Sicht nicht in den Stoff passt. Die Schulphysik bis zur 10. Klasse ist heute nicht viel anders aufgebaut als vor 80 Jahren, als die Quantenphysik noch in den Kinderschuhen steckte. Mit dem gravierenden Unterschied, dass die Schüler von heute in der 11. Klasse (sofern sie Physik nicht abwählen) erhebliche Schwierigkeiten beim Umdenken des physikalischen Weltbildes (klassisch zu quantenmechanisch) haben. Warum muss daher in den 4 Schuljahren vorher das klassische Weltbild so stark verinnerlicht werden? Sind die Rahmenpläne und Ansätze für den Physikunterricht überholt? Wäre ein Einstieg mit Wahrscheinlichkeiten (Grundlagen der Quantenmechnik) nicht insofern leichter, dass die Schüler nicht ständig neue und verschiedene Modelle lernen müssten. Sie quälen sich mit den neuen Weltbildern, wie es seiner Zeiten die Forscher getan haben. Muss denn das noch sein?

Meines Erachtens ist die Zeit gekommen, die Herangehensweise an Physik in der Schule zu ändern. Wenn die Physik ab der 6. Klasse mit Wahrscheinlichkeiten⁴⁶ beginnt und dann mit Thermodynamik anschließt und später Mechanik, Optik und Elektrodynamik in den Rahmen einordnet, ist der Lernenden damit von anfang an vertraut. Er hat sich immer mit dem gleichen Weltbild beschäftigt, hat die anderen als Vereinfachungen aber nicht widersprüchlich kennengelernt. Daher konnte sich in seinem Gedächtnis ein wesentlich stabileres und kohärentes Netzwerk zur Physik bilden. Und eine Schwierigkeit, die des Umlernens bzw. ,,Umspeicherns" im Physikunterricht wäre vielleicht weitestgehend ausgeräumt.

6. Literaturliste

Anderson, John R.: Kognitive Psychologie. Eine Einführung.

Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Oxford 1995. 2. Auflage.

Labudde, Peter: Erlebniswelt Physik. Beispiele:

Planung/Durchführung/Auswertung. Unterrichtsmethodische

Gestaltungsmöglichkeiten. Fachdidaktische Zusatzinformationen. Dümmlers Verlag, Bonn 1993.

Lichtfeld, Michael (Hg.): Ideen für den Physikunterricht. Vorträge und Beiträge anlässlich der 84. MNU-Jahreshauptversammlung. Berlin im April 1993. Freie Universität Berlin, Zentralinstitut für Fachdidaktiken, Didaktik der Physik. Zentrale Universitätsdruckerei der Freien Universität Berlin, Berlin 1993.

Mc Closkey, Michael: Intuitive Physics 1983, S.114-122

Plötzner, Rolf und Hans Spada: Inhalt, Struktur und Anwendung von Physikwissen: Eine psychologische Perspektive. in Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften; Jg.4, Heft 2, S.81-100.

Plötzner und Spada zitieren:

Carey, S. (1991). Conceptual change in childhood. Cambridge, MA: MIT Press.

Chi, M. T. H. (1992). Conceptual change across ontolgical

categories: Examples from learning and discovery in science. In

R. Giere (Ed.), Cognitive models of science (pp. 129- 186).

Minneapolis, MN: University on Minnesota Press.

di Sessa, A. A. (1988). Knowledge in pieces. In G. Forman & P.

B. Pufall (Eds.),Contructivism in the computer age (pp. 49-70). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.

Mc Closkey, M. (1983). Naive theories of motion. In D.

Gentner & A. L. Stevens (Eds.), Mental models (pp. 299-324). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.

Seel, Norbert M.: Weltwissen und mentale Modelle. Verlag für Psychologie, Göttingen, Toronto, Zürich 1991.

Seel zitiert:

An der Haiden, U. (1985). Kognitive Selbstreferenz. In G.

Pasternack (Hg.). Erklären, Verstehen, Begründen. (S.59-86). Bremen: Universität (Zentrum der Philosophischen Grundlagen der Wissenschaften, Schriftenreihe Band 1)

Lorenz, K. (1984). Heuristik. In J. Mittelstraß (Hg.)

Enzyklopädie Philosophie und Wissenschaftstheorie. Band 2. (S. 99-100). Mannheim: Bibliographisches Institut. Sarris, V. (1971). Zur Bedeutung von Modellen bei der psychologischen Theoriebildung. Psychologische Beiträge, 13, 328 - 335

Sperber, D. (1975). Über Symbolik. Frankfurt: Suhrkamp.

Spada, (Hg.): Wissenspsychologie, 1983

Spada zitiert:

de Kleer, J., & Brown, J. S. (1983). Assumptions and

ambiguities in mechnistic mental models. In D. Gentner & A. L. Stevens (Eds.), Mental models (pp. 155-190). Hillsdale,

N.J.:Erlbaum.

Forbus, K. D. & Gentner, D. (1986). Learning physical

domians: Towerd a theoretical framework. In R. S. Michalski, J.

G. Carbonell & T. M. Mitchell (Eds.), Machine learning, An

artifical intelligence approach (Vol. 2) (pp. 311-348). Los Altos: Morgan Kaufmann Publishers.

Johnson-Laird, P. N. (1980). Mental models in cognitive science. Cognitive Science 4, 71- 115.

Wilkening Friedrich und Sabina Lamsfuß: (Miß)konzepte der naiven Physik im Entwicklungslauf. in Kognitive Täuschungen. Fehlleistungen und Mechanismen des Urteilens, Denkens und Erinnerns. hrsg. von Hell, Wolfgang, Klaus Fiedler und Gerd Gigerinzer (Hg.): Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Oxford 1993. S. 271-290

Wilkening und Lamsfuß zitieren:

Kaiser, M.K., Profitt, D.R. & Anderson, K. (1985). Judgements of natural and anomalous trajectories in the presence and absence of motion. Journal of Experimental Psychologie: Learning, Memory, and Cognition, 11, 795-803. Kaiser, M.K., Profitt, D.R. & Mc Closkey, M. (1985). The development of beliefs about falling objects. Perception & Psychophysics, 38, 533-539.

Shepard, R.N. (1981). Psychophysical complementarity. In M. Kubovy & J.R. Pomerantz (Eds.), Perceptual organization. Hillsdale, N.J. Erlbaum.

[...]

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¹ Zimbardo, S. 268

² Ich richte mich dabei nach Zimbardo: Psychologie. 1996.

³ Diese Begriffe und folgende werden in sofern nicht näher erläutert, wie sie den Rahmen dieser Hausarbeit sprengen würden. Sie werden aufgeführt, um eine Vollständigkeit zu erreichen.

⁴ Weitere Unterteilung folgt der Seminarmitschrift vom Sommersemster 1998 im Semiar: Kognition und Handeln bei Dr. D. Philipp.

⁵ Proposition ist die kleinste Wissenseinheit, die richtig oder falsch sein kann.

⁶ vgl. An der Haiden 1985, S.62 nach Seel S.11

⁷ vgl. Sperber 1975 nach Seel, S. 12

⁸ Seel, S. 13

⁹ Beispiele aus Anderson: Kognitive Psychologie. 1996. S. 148f.

¹⁰ Anderson, S. 149

¹¹ vgl. Johnson-Laird 1980, 1983 nach Spada S. 146

¹² ebd.

¹³ vgl. Lorenz 1984 und Sarris 1971 nach Seel S.5

¹⁴ vgl. Johnson-Laird, S. 87 nach Spada, S. 147

¹⁵ Seel, S.5

¹⁶ Seel, S. 27

¹⁷ Dies bezieht sich auf das rutherfordsche Modell.

¹⁸ nach Seel, S. 48

¹⁹ Auch als Alltagsvorstellungen bezeichnet.

²⁰ vgl. De Kleer und Brown, 1983 nach Spada, S. 147f.

²¹ vgl. Forbus und Gentner 1986 nach Spada, S. 150f.

²² Spada, S.152

²³ nach Spada, S.151

²⁴ vgl. Wilkening und Lamsfuß, S.283

²⁵ vgl. Anderson, S.241

²⁶ vgl. Mc Closkey 1983, nach Plötzner & Spada, S.84

²⁷ vgl. di Sassa 1988, 1993, nach Plötzner & Spada, S. 85

²⁸ vgl. Carey 1991, Chi 1992, nach Plötzner & Spada, S.85

²⁹ vgl. Wilkening und Lamsfuß, S.272f.

³⁰ vgl. Shepard 1981, 1984 nach Wilkening und Lamsfuß, S.275

³¹ vgl. Kaiser,Profitt & Anderson 1985, nach Wilkening und Lamsfuß, S.276

³² vgl. Kaiser,Profitt & Mc Closkey 1985, nach Wilkening und Lamsfuß, S.276

³³ vgl. Wilkening und Lamsfuß, S.278 f.

³⁴ vgl. Wilkening und Lamsfuß, S.282

³⁵ vgl. Mc Closkey, S. 114 - 122

³⁶ vgl. Plötzner & Spada, S.84

³⁷ vgl. Mc Closkey, S 114A

³⁸ siehe 3.2.1.; Mc Closkey untersuchte diese Tatsache sowohl in Überlegungen wie in Handlungen von Menschen.

³⁹ vgl. Mc Closkey, S. 119

⁴⁰ vgl. Labudde, S. 37

⁴¹ Labudde, S.38

⁴² vgl. Mc Closkey 1983 nach Plötzner & Spada, S. 85

⁴³ Labudde, S. 41

⁴⁴ nach Plötzner & Spada, S.85 ;

⁴⁵ nach Labudde, S.39

⁴⁶ Auch diesen Stoff kann man altersgerecht aufbereiten.