Entwurf zum Unterrichtsbesuch im Modul Physik Fachdidaktik. Thema der Unterrichtseinheit: Reflexion an Spiegeln (Optik II)

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1 Dr. rer. nat. Frank Morherr Lehrer im Vorbereitungsdienst am Studienseminar III für Gymnasien in Oberursel Entwurf zum Unterrichtsbesuch im Modul Physik Fachdidaktik Thema der Unterrichtseinheit: Reflexion an Spiegeln (Optik II) Thema der Unterrichtsstunde: Wie groß muss ein Spiegel mindestens sein, damit ich mich von Kopf bis Fuß darin spiegeln kann? Wo muss er hängen? Fach: Physik Klasse: 7G2, 6 Schülerinnen und 15 Schüler Schule: Henry-Benrath-Schule Am Seebach Friedberg (Hessen) Raum: NW 4 (Treffen vorher im Lehrerzimmer gegen 8:35) Datum: Zeit: 8:45-9:30 Ausbilder Physik: Herr Sach Schulleiterin: Frau Wesemann

2 Analyse der Lerngruppe Die Lerngruppe 7G2, also 7. Klasse Gymnasium, unterrichte von Anfang an seit 2. Halbjahr 6. Klasse in Physik. Ich unterrichte die Klasse montags in der ersten Stunde und freitags in der zweiten Stunde. Die Lerngruppe besteht aus 21 Schülern und Schülerinnen, 15 Jungen und 6 Mädchen. Es gibt einige Disziplinschwierigkeiten in der Klasse, so dass es ab und zu zwischendurch etwas laut wird. Mit dem Leisezeichen und nach Namen differenzierten Strichen an der Tafel für Zusatzaufgaben nach dem dritten Strich habe ich aber ganz gute Erfahrungen gemacht. Dies ist die fünfte Stunde in diesem Halbjahr. Am leistungsstärksten ist Max, den ich in der Regel auch erst zum Schluss dran nehme, weil er aufgrund seines Vorwissens von Zuhause in der Regel bereits die richtige Antwort kennt. Sein Vater programmiert CNC-Maschinen und ich denke, dass er da auch entsprechend gefördert wird. Gleich danach kommt Vladislav. Vladislav verfügt über ein seinem Alter entsprechend gutes physikalisches Grundwissen, Max weit darüber hinaus. Gut beteiligen sich auch noch Antonio, Kim, Christopher, Lukas, Tayfur, Nick, Isabel und Eileen. Mittelmäßig beteiligen sich Vigo, Luca, Daniel, Vincent, Lukas, Emre, Paul und ab und zu noch Juliane. Luca, sowie in letzter Zeit auch Daniel und Vincent haben aber oft das Problem, dass sie abgelenkt sind. Wenig bis gar nichts und teilweise nur, wenn man sie auffordert, sagen Julien, Karin, Melanie und Niklas und Leon, der erst seit diesem Jahr in der Klasse ist. Die Arbeit mit den Schülern im lehrerzentrierten Unterricht ist momentan, vielleicht auch aufgrund der altersgemäßen Entwicklung nicht ganz optimal. Die Lerngruppe schafft es häufig nicht, über einen längeren Zeitraum ruhig und aufmerksam dem Unterricht zu folgen. Um für mehr Aufmerksamkeit zu sorgen und die Lerngruppe mehr im Blick zu haben, bin ich im lehrerzentrierten Unterricht dazu übergegangen, einzelne Texte zu diktieren oder formulieren zu lassen, ohne sie an das Starboard zu schreiben. Dadurch vermeide ich auch Nachfragen, falls Schüler einzelne Wörter nicht lesen können. Bei der selbständigen Bearbeitung von Arbeitsblättern und bei Schülerexperimenten sind sie aber engagierter. Daher versuche ich, durch die Variation unterschiedlicher Phasen den Unterricht abwechslungsreicher zu gestalten. Auch das gegenseitige Zuhören kann noch immens verbessert werden. Vornehmlich Luca, Daniel, und Vincent hören oft nicht zu, wenn ein anderer Schüler oder Schülerin etwas sagt und ich fordere Sie dann oft auf, es nochmals zu wiederholen, damit sie lernen, aufmerksam zu sein. Teilweise setze ich Schüler und Schülerinnen um, wenn sie sich stark gegenseitig ablenken.

3 Analyse der Raumsituation Normalerweise findet der Unterricht in NW 4 statt. Dieser Raum verfügt über ein Starboard, dessen Möglichkeiten ich so gut es geht umfassend nutze, mit dem es aber öfters auch Probleme gibt. Nachteil hat, dass es sich normalerweise irgendwann aufhängt und dann ohne das ganze System neu zu starten nur umständlich mit dem Computer zu bedienen ist. Außerdem hole ich gerade in der Optik gerne Schüler nach vorne an die Tafel um Strahlen, Schatten und andere Dinge einzuzeichnen, und das ist mit dem Starboard so gut wie nicht möglich, da es sich beim Zeichnen von Schülern normalerweise aufhängt und es auch schwierig ist, gerade Linien zu ziehen. Das geht entweder nur mit dem umständlich zu suchen und zu bedienendem eingebauten Lineal, oder mit dem Intelligent-Pen, wo dann das Problem ist, dass das Starboard bei mehreren Strichen es oft falsch versteht und einem die projizierte Folie verschiebt. Die gezeichnete Linie ist dann auch als Vektorgraphik nur umständlich über das Menü zu löschen. Leider gibt es aufgrund der Funktionsweise des Starboards nicht die Möglichkeit, mit einem Tafellineal zu zeichnen. Da es mit dem Starboard öfters Probleme gibt, wurde seit kurzem noch ein Whiteboard installiert. Das ist sehr von Vorteil, hat aber den kleinen Nachteil, dass es aufgrund der Raumsituation an der Seitenwand angebracht ist, und damit hinter dem Rücken einiger Schüler. Ein weiterer Nachteil des Raumes NW 4 für Optik-Experimente ist, dass er sich nicht voll verdunkeln lässt. Erstens gibt es nur die Metalljalousien, die auch im geschlossenen Zustand noch Licht hindurch lassen, zweitens befindet sich an der Fensterfront eine Tür als Notausgang, die keine Jalousie besitzt. Daher ist es seit dem Neubau der Naturwissenschaften an der Henry-Benrath-Schule üblich, für die Optik-Unterrichtseinheit einen der innenliegenden fensterlosen Chemieräume zu nutzen. Diese besitzen bis auf einen auch ein Starboard, aber zusätzlich noch eine Tafel bzw. ein normales Whiteboard besitzen. Da ich in dieser Unterrichtsstunde aber keine Verdunklung benötige, bleibe ich in NW 4. Kurzer Überblick zum Lernstand Der Lehrplan in der Klasse 7 sieht die Themen Wärmelehre 2, Optik 2 und Elektrizitätslehre vor. Am Übergang von der 6 zur 7 wird die Wärmelehre komplett, also zusammen mit der Wärmelehre 1 aus der 6 an einem Stück behandelt. Somit habe ich das erste Halbjahr in der 7 komplett Wärmelehre unterrichtet. Zu Beginn des zweiten Halbjahres habe ich mit der Optik 2 begonnen, in der es um die in der Optik 1 noch nicht behandelten Themen Spiegelung und

4 Reflexion geht. In den ersten zwei Stunden haben wir weißes Papier, schwarzes Papier, eine matte Metallfolie und eine Spiegel angestrahlt und gesehen, dass das weiße Papier am hellsten erscheint, der Spiegel am dunkelsten, sofern man nicht in den reflektierten Strahl schaut. Wir haben uns über den Unterschied zwischen Reflexion und Streuung unterhalten und geklärt, warum manche Flächen streuen und andere spiegeln. In der dritten Unterrichtsstunde haben die Schüler und Schülerinnen mittels eines Experimentes das Reflexionsgesetz entdeckt. Auf dem als Hausaufgabe ausgegebenen Arbeitsblatt haben die Schülerinnen und Schüler die Anwendung des Reflexionsgesetzes und das Einzeichnen des Lots geübt, indem Sie zu einfallenden Strahlen die reflektierten Strahlen konstruiert haben. Es war auch eine Doppelreflexion an einem Winkelspiegel dabei, wo die Schüler erkennen konnten, dass ein- und ausfallender Strahl parallel sind. Als wichtige Anwendung haben die Schülerinnen und Schüler das Katzenauge beim Fahrrad entdeckt. Das Arbeitsblatt wurde in der vierten Stunde besprochen und die Schüler haben entdeckt, wie man den Strahlengang des ein- und ausfallenden Strahls finden kann, und damit auch das Reflexionsgesetz erfüllen kann, wenn der Strahl nicht vorgegeben ist, nämlich dadurch, dass man ein virtuelles Spiegelbild auf die andere Seite des Spiegels zeichnet und dann einfach nur Verbindungsgeraden ziehen muss, die einem den richtigen Auftreffpunkt des einfallenden Strahls auf dem Spiegel zeigen. Damit haben die Schüler und Schülerinnen alle Voraussetzungen, um das Spiegelproblem zu lösen. Allgemeine didaktische Überlegungen Die Fragestellung: Wie groß muss ein Spiegel mindestens sein, damit man sich von Kopf bis Fuß darin spiegeln kann? Wie hängt die Größe von der Entfernung ab? (siehe [8] Band 1), findet sich in fast jedem Schulbuch über Optik und gilt schon quasi als zentrales Experiment. Dies erklärt sich nicht nur durch den Lebensweltbezug, sondern auch in der erstaunlichen Antwort. Mit Spiegeln kommen Schüler und Schülerinnen jeden Tag in Berührung, sei es zuhause oder in Kaufhäusern. In Kaufhäusern haben sie sich vielleicht schon mal gefragt, warum ist der Spiegel so groß, oder: Wieso sehe ich mich ganz, auch wenn der Spiegel nicht zum Boden reicht. Auch Kaufhäuser müssen sich darüber Gedanken machen, wie groß Sie die Spiegel machen und wohin sie sie platzieren. Wenn man die Antwort auf die eingangs gestellte Frage zum ersten Mal hört, ist man verwundert: Man benötigt einen Spiegel, mit der Länge der halben Körpergröße, unabhängig von der Entfernung (siehe [8] Band 1). Dies widerspricht zunächst der Intuition. Die meisten Leute

5 meinen, das Spiegelbild wird kleiner, wenn man weiter weg geht (wohl, weil es kleiner erscheint). Daher meinen die meisten Leute, man muss nur weit genug vom Spiegel weggehen, dann würde man sich irgendwann schon ganz sehen. Wenn dies nicht gelingt, meinen die meisten Leute, ich muss näher rangehen, damit ich auch auf die Füße schauen kann. Aber das Spiegelbild ist widerspenstig, es tritt auch näher ran. Die Antwort ist also nicht sofort ersichtlich und irritiert. Gerade deswegen ist es wichtig, diese Fragestellung zu behandeln, und es ist eine gute Übung für das Reflexionsgesetz und seine Bedeutung. Didaktische Überlegungen zur Unterrichtsstunde In vielen Bereichen der Physik ist es wichtig, an die Alltagserfahrung der Schüler anzuknüpfen: Problemorientiertes Unterrichten, unterrichten von den Phänomenen her. Als Eingangsproblem möchte ich mein Bad neu fliesen. Dazu möchte ich unter anderem Spiegelkacheln verwenden. Die Frage, die sich mir nun stellt, ich möchte wissen, wie groß muss ich die Spiegelkacheln wählen, dass ich mein Gesicht vollständig sehen kann, und wie viele Spiegelkacheln muss ich an anderer Stelle zusammensetzen, damit ich mich ganz sehen kann. Da Spiegelkacheln teuer sind, möchte ich natürlich so wenig wie möglich verbrauchen. Die Frage ist also, wie groß muss ein rechteckiger Spiegel sein, damit ich mich ganz sehe, und wo muss ich ihn aufhängen? Damit die Schüler durch den folgenden Arbeitsauftrag einen Aha-Effekt erleben, stelle ich erst mal die Frage in den Raum, wovon es abhängen könnte, ob ich mich ganz im Spiegel sehe. Ich bin mir ziemlich sicher, dass abgesehen von der Größe des Spiegels einige Schüler mit der Entfernung zum Spiegel argumentieren werden. Falls keine adäquaten Ideen von den Schülern kommen, werfe ich folgende Fragestellung an das Starboard, siehe analog [15], und mache eine Umfrage: Welche Größe muss ein Planspiegel mindestens haben, damit Du dich ganz in ihm betrachten kannst? a) ein Viertel deiner Größe b) die Hälfte deiner Größe c) drei Viertel deiner Größe d) deine volle Größe e) das hängt davon ab, wie weit entfernt man steht. (Mit gezeigt ist ein Bild von Magritte, in dem eine nicht mögliche Situation gezeigt es, in dem das Spiegelbild einem Mann, der in den Spiegel schaut, den Rücken zudreht (fachübergreifender Bezug zur Kunst).

6 Mit dem Hinweis, dass wir das vielleicht gemeinsam herausbekommen können, erkläre ich, was beim vorbereiteten Arbeitvertrag zu tun ist. Dies wird noch mit einem Bild auf dem Starbord illustriert. Die Schüler und Schülerinnen werden in Zweiergruppen aufgeteilt. Jede Gruppe bekommt eine Spiegelkachel und einen Eddingstift. Zuerst hält einer den Spiegel und der andere macht ein Auge zu und malt seinen Gesichtsumriss auf den Spiegel. Dann sollen die Schüler und Schülerinnen untersuchen, was passiert, was mit der Größe des Spiegelbildes passiert, wenn sie sich voneinander entfernen oder aufeinander zu bewegen. Ziel ist es zu erkennen, dass das Spiegelbild des Gesichtes immer gleich groß ist und immer genau in den Umriss passt. Im nächsten Schritt misst der Schüler, der den Spiegel gehalten hat, das Gesicht seines Partners und das auf dem Spiegel, und trägt die Werte in das Arbeitsblatt ein. Wenn Zeit ist und die Schüler Lust haben, kann das ganze auch noch umgekehrt geschehen. Die Schülerinnen und Schüler sollen erkennen, dass der Umriss des Gesichtes immer halb so lang ist wie das Gesicht und zwar unabhängig von der Entfernung. Warum das so ist, sollen die Schülerinnen und Schüler an einem Bild zeichnerisch rausfinden, wo das Gesicht verschiedene Abstände vom Spiegel hat. Dasselbe sollen Sie dann noch mal mit dem ganzen Körper probieren. Die Sicherungsphase besteht daraus, dass ich die Schülerinnen und Schüler nach ihrem Ergebnis frage, was Sie rausbekommen haben und in einem Demonstrationsexperiment mit zwei etwa gleich große Schülerinnen oder Schüler sich als Bild und Spiegelbild gegenüberstellen, mit Schnüren die Lichtstrahlen darstellen und man dann an den Überkreuzungspunkten sieht, wie groß der Spiegel sein muss. Wenn der mitgebrachte Spiegel die richtige Größe hat, kann man es direkt demonstrieren (Bild aus [4]). Stundenziele und Kompetenzen (Didaktischer Schwerpunkt) Die Schüler und Schülerinnen sollen lernen, in Zweiergruppen zu experimentieren und sich zu unterstützen erkennen, dass die Größe des Spiegelbild von der Entfernung unabhängig ist, und dies mittels des Reflexionsgesetzes begründe können eine Idee dazu entwickeln, wie man dieses herausfinden kann.

7 die Anwendung des Reflexionsgesetzes üben Die Erkenntnis, dass ihr Gesicht doppelt so lang (und breit) ist wie das Umrissbild auf dem Spiegel, proportional auf ihren gesamten Körper und den dafür benötigten Spiegel übertragen Die Situation richtig zeichnen können, sowohl nur mit dem Gesicht, als auch mit dem ganzen Körper Anhand der Zeichnung ablesen können, wie lang der Spiegel sein muss und wie hoch er hängen muss. Geplanter Tabellarischer Verlauf: Siehe unten. Bild für das Starboard: Welche Größe muss ein Planspiegel mindestens haben, damit Du dich ganz in ihm betrachten kannst? a) ein Viertel deiner Größe b) die Hälfte deiner Größe c) drei Viertel deiner Größe d) deine volle Größe e) das hängt davon ab, wie weit entfernt man steht. [16] [15]

8 Arbeitsauftrag zur Versuchsdurchführung: Wie groß muss ein Spiegel mindestens sein, damit ich mich von Kopf bis Fuß darin spiegeln kann? Wo muss er hängen? Der Einfachheit halber experimentieren wir mit einer Spiegelkachel fürs Gesicht und schließen dann auf den ganzen Körper (pars pro toto, wie der Lateiner sagen würde: Ein Teil [steht] für das Ganze.) 1. Bildet Zweiergruppen mit je einer Spiegelkachel und einem Stift. Einer hält die Spiegelkachel hoch, so dass der andere sein Gesicht vollständig sieht. Dieser zeichnet die Umrisse seines Gesichtes mit dem Stift auf die Spiegelkachel 2. Haltet die Spiegelkachel näher dran und weiter weg. Passt das Gesicht irgendwann nicht mehr in den Umriss? Oder wird es kleiner? Antwort: 3. Miss die Größe (Länge) des Gesichtsumrisses auf dem Spiegel und die tatsächliche Größe des Gesichtes deines Partners. Wir verhalten sich die beiden Größen zueinander? Antwort: 4. Überlege dir mittels der folgenden beiden Zeichnungen, warum dass so ist. Zeichne die Lichtstrahlen ein (sie müssen ins Auge fallen!) und beachte das Reflexionsgesetz. Wie groß muss der Spiegel mindestens sein? 5. Übertrage das Ganze auf den ganzen Körper (Spiegelbild einzeichnen, ebenfalls Lichtstrahlen einzeichnen, Reflexionsgesetz beachten):

9 Literaturverzeichnis [1] Hessisches Kultusministerium (Hrsg.) (2010): Lehrplan Physik. Gymnasialer Bildungsgang der Jahrgangsstufen 5G bis 9G und gymnasialer Oberstufe, Wiesbaden. [2] Dorn,Bader: Physik Mittelstufe; Schroedel 1980 [3] Meyer, Schmidt (Hrsg): Physik Gymnasien; Duden Paetec Schulbuchverlag 2010 [4] Appel,Glas,Schröder,Serret: Spektrum Physik 6/7; Schroedel 2006 [5] Breuer, Fösel, Lichtenberger, Liebers: Fokus Physik 6; Cornelsen 2007 [6] Breuer, Fösel, Lichtenberger, Liebers: Fokus Physik 7; Cornelsen 2007 [7] Bresler, Heepmann, Obst, Ramien: Physik Natur und Technik Grundausgabe; Cornelsen 2008 [8] Kramer, Martin: Physik als Abenteuer ;Band 1 u. 2; AVD [9] Meyer, Hilbert: Unterrichtsmethodik I+II (Theorie + Praxisband); Cornelsen Scriptor, Berlin 2005 [10] Meyer, Hilbert: Was ist guter Unterricht; Berlin 2007 [11] Mikelskis, Helmut: Physikdidaktik, Praxishandbuch für die Sekundarstufe I und II; Berlin Cornelsen [12] Mikelskis-Seifert, Rabe: Physikmethodik. Handbuch für die Sekundarstufe I und II; Berlin Cornelsen 2007 [13] Muckenfuß, Heinz: Lernen im sinnstiftenden Kontext. Entwurf einer zeitgemäßen Didaktik des Physikunterrichts; Berlin, Cornelsen 1995 [14] Duit, R.: Der Physikunterricht nach den TIMSS und PISA Schocks, Didaktik der Physik- Frühjahrstagung Kassel, 2006, S [15] Epstein, Lewis C.: Epsteins Physikstunde 450 Aufgaben und Lösungen, Birkhäuser 1989 [16]

10 Geplanter Tabellarischer Unterrichtsverlauf Phase/ Unterrichtsschritte 8:45 Einstieg in die Stunde 8:47 Einstieg in das Thema 8:55 Erarbeitung 9:15 Sammlung und Sicherung 9:28 Sicherung Hausaufgabe 9:30 Ende der Stunde Didaktische Funktion/ Intendierte Kompetenzerweiterung/ Förderaspekte Begrüßung Problemstellung, dadurch Aufmerksamkeit und Interesse auf das Problem lenken. Schüler erarbeiten selbständig die Lösung des Problems, wenden bekanntes an, arbeiten mit dem Partner zusammen Schüler werden aktiviert und behalten das Ergebnis dadurch nachhaltiger im Gedächtnis Schüler ergänzen die Lücken Unterrichtsgeschehen Lehrer stellt Gäste vor Begrüßung der Schüler und der Besucher Problem mit der Größe des Spiegels wird gestellt Problem wird an Schüler gegeben. Meinung der Schüler über die Größe des Spiegels wird erfragt. Umfrage Schüler experimentieren mit den Spiegelkacheln, skizzieren ihre Gesichter auf die Kacheln, bearbeiten das Arbeitsblatt Schüler sammeln ihre Ergebnisse, Schüler werden aktiv und stellen die Situation des Spiegels und Spiegelbildes mit Fäden und Maßbändern und Zollstöcken nach Schüler ergänzen fehlende Lücken auf ihrem Arbeitsblatt Sozialform/ Methode Frontal, Unterrichtsgespräch Frontal Unterrichtsgespräch Partnerarbeit Lehrer-Schüler- Interaktion Einzelarbeit Material Starboard Arbeitsblatt Fäden Zollstöcke, Maßbänder, eventuell Starboard, Whiteboard, Arbeitsblatt

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