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Mechanik unterrichten Tipps aus der Fachdidaktik
Univ.-Prof. Dr. Martin Hopf
Universität Wien Österreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik
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Das typische Problem der Unterrichtsvorbereitung
• Morgen geht’s los• Wie soll ich es machen?• Welche Geräte habe ich in der Sammlung?• Wie machen es die Kolleg/innen?• Welches Schulbuch ist vorhanden?
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Besser:
• Was ist mein Ziel?
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Einzelarbeit
• Was ist mein Ziel für den Mechanikunterricht?
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Unser Ziel
• Verständnis der Newtonschen Mechanik• In kleinerem Umfang:
– Methodenreicher Unterricht
– Interessensorientierter Unterricht
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Das Problem
• Mechanik ist wirklich schwierig!
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Schülervorstellungen
• Schülerinnen und Schüler kommen mit stabilen Vorstellungen in den Unterricht.
• Diese Vorstellungen sind oft nicht mit physikalischen Vorstellungen vereinbar.
• Physikunterricht muss diese Vorstellungen berücksichtigen!
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Gruppenarbeit
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Ein Körper bewegt sich auf der dargestellten Bahn. Dabei wächst seine Schnelligkeit auf dem halbkreisförmigen Teil der Bahn gleichmäßig von 10 m/s auf 12 m/s an. Berechnen Sie für diesen Abschnitt der Bewegunga) die Durchschnittsgeschwindigkeit undb) die Durchschnittsbeschleunigung.(Setzen Sie der Einfachheit halber
= 22/7)(Lösung: 7 m/s nach unten bzw. 77 m/s² nach links)
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Kattmann, Duit, Gropengießer & Komorek, 1998
Ausweg: Didaktische Rekonstruktion
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Aber:
• Praktisch nicht von einzelnen Lehrpersonen zu leisten;• Fertige, als wirksam nachgewiesene
Unterrichtskonzeptionen zu:– Optik
– Wärmelehre
– Elektrizitätslehre mit Potential
– Elektrizitätslehre mit Energie
– Quantenphysik
– Mechanik
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Mechanikunterricht
• Lehrplanänderung in Bayern: Verschiebung der Newtonschen Mechanik von 11. Klasse in 7. Jahrgangsstufe
• Lehrkräfte (und Schulbuchautoren) waren stark ge- (über?) fordert;
• Klar definierte Problemstellung an Physikdidaktik: Wie sollen wir das machen?
• Daher: Ideale Gelegenheit für eine größere Entwicklungs- und Forschungsarbeit
• Material ist leicht übertragbar auf andere Klassen
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Traditionelle Sachstruktur
• Geschwindigkeit v = x/t• Beschleunigung a = v/t• Kraft• Trägheit• Kräftegleichgewicht• F = ma• Wechselwirkungsprinzip• Gravitation und Fallbeschleunigung• Hookesches Gesetz• Kräfteaddition und -zerlegung
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Alternative: Dynamischer Zugang zur Mechanik
• 2D - Betrachtung der Geschwindigkeit von Anfang an• Dynamischer Einstieg in die Mechanik• Verwendung der Kraftstoßgleichung
• Allgemeine Rahmenvorstellung: „Von nichts kommt nichts…“ bzw. „Ohne Einwirkung keine Änderung…“
Einwirkung auf die Bewegung führt zu Änderung in der Geschwindigkeit
F t m v
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Materialentwicklung
• Schülertext• Experimente• Videoaufnahmen (auch in Superzeitlupe)
• Videoanalysen • Simulation• Arbeitsblätter
Einführung in
die Mechanik
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Wie setze ich das in Unterricht um?
• Vorschlag fürs erste Mal: Unterrichten Sie es so, wie es in unserem Schülertext vorgesehen ist. (Grundsätzlich rate ich von diesem Vorgehen aber ab!!!)
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Überblick
• Beschreibung von Bewegungen• Tempo • Geschwindigkeit als gerichtete Größe• Zusatzgeschwindigkeit • Die Newtonsche Bewegungsgleichung:
– Je größer die Einwirkung, desto größer
– Je länger die Einwirkung, desto größer
– Je größer die Masse, desto kleiner • Zusammen: • Wechselwirkungsprinzip•Kraftarten (Gravitation, Reibung)•Kräfteaddition, - gleichgewicht
) vΔ (
vΔ
vΔ
vΔ
F t m v
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Beschreibung von Bewegungen
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Stroboskopbilder
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Tempo und Geschwindigkeit
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Zusatzgeschwindigkeit
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Beispiele
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Dann erst: 1D-Bewegungen
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Einwirkung/Kraft
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Einwirkungsdauer
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Masse
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Alles zusammen: Newtonsche Bewegungsgleichung
F t m v
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Wechselwirkungsprinzip
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Kraftarten
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Geschichte der Idee
• Immer wieder vorgeschlagen (Jung 1972, 1981)• Entwicklung für Unterricht (Wiesner, Engelhardt, 1983)• Weiterentwicklung unter verschiedenen Aspekten
(Wodzinski 1996, Rincke 2008, Schüller 2007 u.v.m.)
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Vergleichende Studie
Forschungsfragen:• Wie beurteilen Lehrkräfte das Mechanikkonzept?• Wie realisieren Lehrkräfte das Mechanikkonzept?• Wie verstehen Jugendliche das Mechanikkonzept?• Inwiefern beeinflusst die Gesamtintervention die
kognitiven und nicht-kognitiven Variablen der Lernenden im Bereich der Newtonschen Mechanik (nachhaltig)?
• Inwiefern gibt es einen Zusammenhang zwischen der Akzeptanz des Mechanikkonzeptes durch die Lehrkräfte und dem Lernfortschritt der Schülerinnen und Schüler?
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Qualitative Ergebnisse
• Lehrkräfte orientieren sich an den jeweiligen Lehrbüchern;• Lehrkräfte sind mit dem neuen Konzept sehr zufrieden und
wollen auch zukünftig so unterrichten;• Umgang mit der Pfeilnotation bei der Geschwindigkeit bereitet
den Lernenden keine Schwierigkeit.• Der Zusammenhang zwischen Kraft, Masse, Einwirkdauer und
Zusatzgeschwindigkeit wurde von fast allen interviewten Schüler/innen verstanden.
• Quantitative Konstruktionen von Zusatz- und Endgeschwindigkeit können die Hälfte der Schüler/innen durchführen.
• Interviewte Schüler/innen verwenden die Bewegungsgleichung zur Argumentation.
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2 Items zum zweidimensional-dynamischen Konzept:
Höchst signifikanterUnterschied
mit großerEffektstärke (d=1,30)
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2 Items zum traditionellen Konzept:
Kein signifikanterUnterschied
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13 Items zum Grundverständnis
Höchst signifikanterUnterschied
mit mittlererEffektstärke (d=.56)
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• Kaum Unterschiede bei:– Drittes newtonsches Axiom
– Senkrechter Wurf nach oben
• Größte Unterschiede bei:– Geschwindigkeit als Ortsänderung
– Superposition von Geschwindigkeiten
– Richtung von Kräften für Bewegungsänderung
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Individuelle Lehrkräfte
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Interaktionseffekt zwischen Gruppe und Geschlecht
• In Kontroll- und Treatmentgruppe sind die Jungen den Mädchen in Vorwissen hoch bzw. höchst signifikant überlegen.
• Unterschiede bleiben in der Kontrollgruppe bestehen oder wachsen.
• In Treatmentgruppe nach Unterricht keine signifikanten Unterschiede.
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Nutzen
• Empirisch als wirksam nachgewiesenes Material:– Schülertext– Experimentiervorschläge– Handreichungen
• Vielleicht mittelfristig: Aufnahme in Lehrpläne usw.• Alles Material online verfügbar:
http://thomas-wilhelm.net
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Ausführlicher in:
Verena Tobias:Newton‘sche Mechanik im Anfangsunterricht. Die Wirksamkeit einer Einführung über zweidimensionale Dynamik auf das Lehren und Lernen. Studien zum Physik- und Chemielernen, Band 105, Logos-Verlag, Berlin, 2010
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Univ.-Prof. Dr. Martin HopfÖsterreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der PhysikPorzellangasse 4/2/2, 1090 Wien, Österreich