Das Denken in Modellen fördern ein Unterrichtsbeispiel zur Entwicklung von Teilchenvorstellungen

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1 Das Denken in Modellen fördern ein Unterrichtsbeispiel zur Entwicklung von Teilchenvorstellungen Von Silke Mikelskis-Seifert und Antje Leisner Schwierigkeiten beim Lernen an und mit Modellen Für die Erkenntnisgewinnung sowohl im Forschungsprozess als auch beim Lernen von Naturwissenschaften sind Modelle und die damit verbundene Modellbildung von zentraler Bedeutung. Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass Modelle zu einem wichtigen Bestandteil von Lehrplänen, Curricula und Schulbüchern gehören. Ohne ein tiefergehendes Verständnis für den Modellcharakter naturwissenschaftlicher Theorien ist ein angemessenes Verstehen dieser Wissenschaften nicht möglich. Viele Untersuchungen zeigen jedoch, dass ein solches Verständnis für die Modellbildung auch nach langjährigem Unterricht sehr zu wünschen übrig lässt. In den Schülervorstellungen ist z.b. ein verwirrendes Modell-Realitäts-Gemisch zu finden, bei dem zwischen verschiedenen Modellvorstellungen, zwischen jeweils erlaubten und unerlaubten Visualisierungen und Sprechweisen nicht mehr unterschieden wird [1]. Ursache hierfür scheint ein unreflektiertes Umgehen mit Modellen im Schulalltag zu sein Die Schülerinnen und Schüler werden offenbar dazu geführt, Modelle nicht als mögliche Denkalternativen sondern als verbesserte Wahrheiten anzusehen. Was lernen Schülerinnen und Schüler über die Mikrowelt? Ergebnisse empirischer Untersuchungen zeigen, dass die Mehrheit der Schülerinnen und Schüler kein angemessenes Verständnis für die prinzipielle Andersartigkeit des Mikrokosmos aufbaut [2]. Beispielsweise wird der Übergang zur Mikrowelt bei vielen Schülern von makroskopischen (aus der Erfahrungswelt stammenden) Denkweisen bestimmt. Das heißt, die Schülerinnen und Schüler übertragen makroskopische Eigenschaften in einer unangemessenen Weise auf die Objekte der Mikrowelt ([3], [4]). Problematische Schulbuchdarstellungen in Wort und Bild erschweren zusätzlich das Lernen von Modellen, wie eine Analyse von Physik- und Chemiebücher der Sekundarstufe I zeigt [5]. Es erstaunt daher nicht, dass Schülerinnen und Schüler Teilchen teilweise mit Atomen identifiziert häufig auf der gleichen Realitätsstufe wie Bücher oder Autos sehen. Ein Unterricht über Teilchenmodelle als Antwort auf die Probleme mit der Mikrowelt Eine ausführliche Diskussion und Reflexion über die Kennzeichen der Erfahrungswelt und der Modellwelt (der physikalischen Welt) soll dazu beitragen, den Schwierigkeiten beim Lehren und Lernen der Teilchenstruktur zu begegnen. Unser Unterricht über die Teilchenmodelle ist duch die folgenden Aspekte gekennzeichnet: 1) die bewusste und dauerhafte Unterscheidung von Erfahrungs- und Modellwelt; 2) die Betonung des hypothetischen Charakters der konstruierten Modelle; 3) die Nutzung sowie kritische Bewertung alternativer Modellierungen. Zum Lernen über Modelle 1

2 Schlüsselideen sind: : Diskussion und Reflexion über die Natur der (Teilchen)Modelle sowie über die vorgenommenen Modellierungen; Veranschaulichung des bewussten Konstruierens der (Teilchen)Modelle für die Beschreibung und Deutung submikroskopischer Phänomene; Prüfung von Modellannahmen auf deren Tragfähigkeit und gegebenenfalls das Verwerfen ungeeigneter Modellannahmen bzw. das Aufzeigen der Modellgrenzen; systematische Trennung zwischen der Betrachtung in der Erfahrungswelt und der Modellwelt. Der Unterricht über Teilchenmodelle ist in Form eines sogenannten Workshop-Ansatzes angelegt, der durch ein geführtes, jedoch entdeckendes Lernen gekennzeichnet ist. Das Ziel dabei ist, den Schülerinnen und Schülern bei der Entwicklung von Ideen zu helfen. Ausgehend von eigenen Erfahrungen und Beobachtungen werden sie über Arbeitsaufträge geleitet, physikalische Vorhersagen zu treffen, Vorgänge zu beschreiben und zu deuten sowie die Ergebnisse unter dem Gesichtspunkt der Vorhersagen zu interpretieren. Der Unterricht ist wie folgt gegliedert: Einführung: Zur Sensibilisierung auf die Modellproblematik lernen die Schülerinnen und Schüler zum Beispiel anhand selbstgebastelter Alltagsmodelle (wie z. B. Handy, Globus, Schiff aus Lego-Bausteinen usw.) die Eigenschaften von Modellen allgemein kennen. Durch verschiedene Black-Box-Experimente erleben sie den Modellierungsprozess und werden in die wissenschaftliche Modellbildung eingeführt. Übergang in die Mikrowelt: In dieser Phase werden Schülervorstellungen im submikroskopischen Bereich gesammelt, die beiden Betrachtungsweisen (Erfahrungs- und Modellwelt) eingeführt und Lehrer- und Schüleräußerungen in den zwei Welten lokalisiert. Lernen an Stationen: Durch Arbeitsblätter geführt, werden verschiedenen Phänomene in den beiden Welten untersucht und gedeutet Diffusion, Kristallisation, Verdunstung und Volumenzunahme durch Erwärmen. Reflexion: Nachdenken über die vorgenommene Modellierung physikalischer Phänomene und Anwendung des erlernten Wissens auf das Dichtekonzepte sowie die Klärung der Aggregatzustände. Ausgewählte Phasen des Unterrichts über die Teilchenmodelle Einführung Begriff Modell ausgehend von Alltagserfahrungen der Schülerinnen und Schüler erarbeiten; grundlegende Merkmale von Modellen an bekannten Beispielen kennen lernen; Vergleich Original und Modell. Folgende Modelleigenschaften werden erarbeitet: 1. Mit einem Modell kann man sich ein Original veranschaulichen und erklären (Ersatzobjekt). 2. Ein Modell ist eine Vereinfachung des Originals. 2

3 Das Modell kann kleiner oder größer sein als das Original. Das Modell kann Merkmale besitzen, die das Original nicht hat. Dem Modell können Merkmale fehlen, die das Original hat. 3. Ein Modell wird gebaut, um einen bestimmten Zweck zu erfüllen. Abbildung 1: Ausgewählte, von den Schülern hergestellte Modelle Anhand von selbstgebastelten Modellen (u.a. zu Dingen des Alltags) wird mit den Schülern über ihre Modellvorstellungen diskutiert. Die geäußerten Vorstellungen werden dann in Gruppen eingeteilt und nach Modellarten geordnet. Dabei wird die Vielfältigkeit des Wortes Modell deutlich. Daran schließt sich ein Vergleich von Alltagsmodellen und von bereits bekannten Modellen aus anderen Unterrichtsfächern an. Ein Black-Box-Experiment zum Modellverständnis soll klären helfen, mit welchen Methoden man zu Vorstellungen einer der Anschauung nicht zugänglicher Wirklichkeit kommt. In einer geschwärzter Schachtel sind Wände eingeklebt, in ihr bewegt sich eine Kugel (siehe Abbildung 2). Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau der Schachtel durch Hin- und Herrollen der Kugel erkunden und ihr Ergebnis auf eine Folie zeichnen. Die Lösungen Abbildung 2: Innenstruktur der Black-Box werden auf dem OH-Projektor vergleichend betrachtet. Dass bei derselben Wirklichkeit verschiedene Modellkonstrukteure zu unterschiedlichen Lösungen kommen, verblüfft die Schülerinnen und Schüler. Die ist aber der entscheidende Punkt in der anschließenden Diskussion über den begrenzten Aussagewert von Modellen und die Notwendigkeit, mit neuen, erweiterten Methoden zu neuen Erkenntnissen zu gelangen [6]. Übergang in die Mikrowelt 3

4 Sensibilisierung der Schüler für die Problematik von Erfahrungs- und Modellwelt; Modellwelt zum Teilchenbegriff In einer Box befinden sich sich verschiedene Gegenstände, ein Stein, eine Holzkugel, eine Styroporplatte, ein Reagenzglas mit Sand, ein Reagenzglas mit Wasser, und ein geschwärztes Reagenzglas mit unbekannter Füllung (siehe Abbildung 3). Die Schülerinnen und Schüler erhalten folgenden Arbeitsauftrag: Nehmt die Gegenstände, die sich in der Box befinden, in die Hand und beschreibt sie. Fertigt dazu eine Tabelle an Ziel dieser Arbeit ist es, die Grenzen unserer Wahrnehmung zu erfahren. Der Stein, die Kugel, die Styroporplatte und der Sand im Reagenzglas sind Gegenstände aus der Erfahrungswelt und lassen sich leicht identifizieren und beschreiben. Schwieriger wird es, wenn man das mit Wasser gefüllte Reagenzglas, betrachtet. Was lässt sich in diesem Fall beobachten? Was wissen wir mit Sicherheit? Es handelt sich hierbei um ein Reagenzglas, das mit einer durchsichtigen Flüssigkeit gefüllt wurde. Um zu entscheiden, welche Flüssigkeit sich im Glas befindet, bedarf es weiterer experimenteller Untersuchungen. Ein noch größeres Problem stellt das geschwärzte Reagenzglas dar. Direkt wahrnehmbar sind nur Geräusche beim Schütteln. Abbildung 3: Gegenstände in der Box Aber was befindet sich im Inneren des Reagenzglases? Im Unterrichtsgespräch wird anhand der Erfahrungen mit den Gegenständen in der Box geklärt, dass die wahrnehmbaren Körper mit Hilfe von Attributen, wie Farbe, Form und Geruch, beschrieben werden können. So sind sie durch ihre spezifischen Eigenschaften identifizierbar. Auf dem Wege zu einem Teilchenmodell wird zunächst das folgende Experiment durchgeführt: Man schüttet 50 ml Wasser in 50 ml reinem Alkohol. Nun erhält man nicht 100ml, sondern 96 ml eines Alkohol-Wasser-Gemisches. In der anschließenden Diskussion wird geklärt, dass sich dieses überraschende Ergebnis mit den üblichen Erfahrungen nicht deuten lässt. Wie im Falle der diskutierten Black-Box (Abbildung 2) und der mit Wasser gefüllten bzw. geschwärzten Reagenzgläser (Abbildung 3) führen nur Modelle zu Deutung weiter. Ein geeignetes Teilchenmodell wird gemeinsam mit den Schülerinnen und Schülern erarbeitet: 1. Alle Stoffe und Körper bestehen aus kleinsten Teilchen. 2. Zwischen den betrachteten Teilchen ist nichts. 3. Die betrachteten Teilchen sind in ständiger Bewegung. 4. Die Teilchen besitzen eine Masse. Als Visualisierung der Modellüberlegungen zur Volumenverringerung beim Mischvorgang von Alkohol und Wasser wird der Versuch Mischen von Mohn und Erbsen verwendet. 4

5 Hierbei ist es notwendig den Modellcharakter explizit zu betonen. Zusammenfassend kann dann festgehalten werden, dass die Beobachtungen aller Phänomene Teil der Erfahrungswelt sind und die Erklärungen mithilfe von Modellen der Modellwelt angehören. Wir setzen zur ständigen Erinnerung das nachfolgende Poster ein. Erfahrungswelt - Die Wirklichkeit Zur Erfahrungswelt zählen wir alle Wahrnehmungen (wie Sehen, Hören, Schmecken, Fühlen, Riechen), die wir direkt erleben können. Modellwelt - Das Ausgedachte Alle Dinge, die wir nicht direkt wahrnehmen können, gehören zur Modellwelt. Dazu gehören: Alle direkten Wahrnehmungen Objekte mit Eigenschaften wie Farbe, Form, Temperatur Dazu gehören: Annahmen Modelle Vereinfachungen Abbildung 4: Poster für die gewünschten Reflexionen über Erfahrungs- und Modellwelt Lernen an Stationen In dieser Phase wird die Klasse in Kleingruppen (drei bis vier Personen pro Gruppe) eingeteilt. Jede Gruppe untersucht, durch ein Arbeitsblatt geführt, verschiedene Phänomene zum Kristallisieren, zur Diffusion, zum Verdunsten und zur Volumenzunahme einer Flüssigkeit beim Erwärmen und deutet die Beobachtungen in der Modellwelt (Arbeitsblätter zu den einzelnen Stationen sind auf Anfrage bei s.mikelskis@ipn.uni-kiel.de erhältlich). Anschließend erfolgt die Präsentation der Ergebnisse der einzelnen Gruppen und eine ausführliche Diskussion. Dabei wird das Teilchenmodell Schritt für Schritt weiterentwickelt. Welche Ergebnisse erzielte ein Unterricht über Teilchenmodelle? Wir haben den skizzierten Unterricht in einem 8. Schuljahr im Rahmen einer Projektwoche erprobt. Es zeigten sich sehr erfreuliche Veränderungen der Vorstellungen zur Teilchenwelt. Die allgemeinen Überlegungen zur Rolle von Modellen und zum Modellieren scheinen dazu einen wichtigen Beitrag geleistet zu haben. Jedenfalls war den meisten Schülerinnen und Schülern der hypothetische Charakter der Teilchenmodelle nach dem Unterricht bewusst. Nach dem Lernen über Teilchenmodelle verzichten sie auch auf das Übertragen, makroskopischer Denkweisen, wie z. B. von Farbe oder Form, auf die Mikrowelt. Ferner waren sie in der Lage, bei der Modellierung mikroskopischer Phänomene mit Kräften zwischen den Teilchen, einer Teilchenbewegung und Teilchenabständen zu argumentieren. Literatur 5

6 [1] Mikelskis-Seifert, S. (2002). Die Entwicklung von Metakonzepten zur Teilchenvorstellung bei Schülern. Untersuchung eines Unterrichts über Modelle mithilfe eines Systems multipler Repräsentationsebenen. Dissertation, Freie Universität Berlin. [2] Seifert, S.; Fischler, H. (2000). Unterricht über Modelle. Eine neue Konzeption für die Einführung des Teilchenmodells. In: Physik in der Schule 38, 6, [3] Duit, R. (1992). Teilchen- und Atomvorstellungen. In: Fischler, H.: Quantenphysik in der Schule. Kiel: IPN, [4] Fischler, H. (1997). Was versteht man in der Physik unter Teilchen? In: Naturwissenschaften im Unterricht, Physik, Teilchen, 41, 8, [5] Seifert, S.; Fischler, H.; Peuckert, J. (1999): Werden durch Schulbuchdarstellungen der Mikrowelt Fehlvorstellungen induziert? In: Brechel, R. (Hrsg.): Zur Didaktik der Physik und Chemie Vorträge auf der Tagung der Physik / Chemie in Essen. Alsbach/Bergstraße: Leuchtturm Verlag, [6] Schaer, M. (1991). Einführung in den Modellbegriff im Chemieunterricht der Sekundarstufe I. In: Wiebel, K.H. (Hrsg,) Zur Didaktik der Physik und Chemie. Beitragsband zur Tagung in Weingarten 1990 Alsbach/Bergstraße: Leuchtturm-Verlag, Prof. Dr. Silke Mikelskis-Seifert, Juniorprofessorin in der Abteilung Didaktik der Physik des IPN in Kiel Leibniz Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften an der Universität Kiel Olshausenstr Kiel s.mikelskis@ipn.uni-kiel.de Anja Leisner, Doktorandin am Lehrstuhl für Didaktik der Physik der Universität Potsdam Universität Potsdam Institut für Physik Am Neuen Palais Potsdam aleisner@rz.uni-potsdam.de Kurzfassung Silke Mikelskis-Seifert und Antje Leisner Das Denken in Modellen fördern ein Unterrichtsbeispiel zur Entwicklung von Teilchenvorstellungen Es wird über einen Unterrichtsversuch zur Einführung des Teilchenmodells im 8. Schuljahr berichtet, der in allgemeine Überlegungen zur Rolle von Modellen und des Modellierens in der Physik eingebettet ist. Es zeigt sich, dass den Schülerinnen und Schüler in diesem Unterricht der hypothetische Charakter des Teilchenmodells bewusst wird und dass sie Teilchenvorstellungen entwickeln, die eine stabile Basis für die Weiterentwicklung des Modells im anschließenden Unterricht bilden. 6