Mechanik unterrichten Tipps aus der Fachdidaktik

Transkript

1 Mechanik unterrichten Tipps aus der Fachdidaktik Univ.-Prof. Dr. Martin Hopf Universität Wien Österreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik

2 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?

3 Besser: Was ist mein Ziel?

4 Einzelarbeit Was ist mein Ziel für den Mechanikunterricht?

5 Unser Ziel Verständnis der Newtonschen Mechanik In kleinerem Umfang: Methodenreicher Unterricht Interessensorientierter Unterricht

6 Das Problem Mechanik ist wirklich schwierig!

7 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!

8 Gruppenarbeit

9 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 Bewegung a) die Durchschnittsgeschwindigkeit und b) 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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13 Ausweg: Didaktische Rekonstruktion Kattmann, Duit, Gropengießer & Komorek, 1998

14 Aber: Praktisch nicht von einzelnen Lehrpersonen zu leisten; Fertige, als wirksam nachgewiesene Unterrichtskonzeptionen zu: Optik Wärmelehre Elektrizitätslehre mit Potential Elektrizitätslehre mit Energie Quantenphysik Mechanik

15 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 Entwicklungsund Forschungsarbeit Material ist leicht übertragbar auf andere Klassen

16 Traditionelle Sachstruktur Geschwindigkeit v = x/ t Beschleunigung a = v/ t Kraft Trägheit Kräftegleichgewicht F = ma Wechselwirkungsprinzip Gravitation und Fallbeschleunigung Hookesches Gesetz Kräfteaddition und -zerlegung

17 Alternative: Dynamischer Zugang zur Mechanik 2D - Betrachtung der Geschwindigkeit von Anfang an Dynamischer Einstieg in die Mechanik Verwendung der Kraftstoßgleichung F t m v Allgemeine Rahmenvorstellung: Von nichts kommt nichts bzw. Ohne Einwirkung keine Änderung Einwirkung auf die Bewegung führt zu Änderung in der Geschwindigkeit

18 Materialentwicklung Schülertext Experimente Videoaufnahmen (auch in Superzeitlupe) Videoanalysen Simulation Arbeitsblätter Einführung in die Mechanik

19 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!!!)

20 Überblick Beschreibung von Bewegungen Tempo Geschwindigkeit als gerichtete Größe Zusatzgeschwindigkeit ( Δv ) Die Newtonsche Bewegungsgleichung: Je größer die Einwirkung, desto größer Je länger die Einwirkung, desto größer Je größer die Masse, desto kleiner Zusammen: F t m v Wechselwirkungsprinzip Kraftarten (Gravitation, Reibung) Kräfteaddition, - gleichgewicht Δv Δv Δv

21 Beschreibung von Bewegungen

22 Stroboskopbilder

23 Tempo und Geschwindigkeit

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28 Zusatzgeschwindigkeit

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35 Beispiele

36 Dann erst: 1D-Bewegungen

37 Einwirkung/Kraft

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39 Einwirkungsdauer

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41 Masse

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43 Alles zusammen: Newtonsche Bewegungsgleichung F t m v

44 Wechselwirkungsprinzip

45 Kraftarten

46 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.)

47 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?

48 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.

49 2 Items zum zweidimensional-dynamischen Konzept: Höchst signifikanter Unterschied mit großer Effektstärke (d=1,30)

50 2 Items zum traditionellen Konzept: Kein signifikanter Unterschied

51 13 Items zum Grundverständnis Höchst signifikanter Unterschied mit mittlerer Effektstärke (d=.56)

52 Kaum Unterschiede bei: Drittes newtonsches Axiom Senkrechter Wurf nach oben Größte Unterschiede bei: Geschwindigkeit als Ortsänderung Superposition von Geschwindigkeiten Richtung von Kräften für Bewegungsänderung

53 Individuelle Lehrkräfte

54 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.

55 Nutzen Empirisch als wirksam nachgewiesenes Material: Schülertext Experimentiervorschläge Handreichungen Vielleicht mittelfristig: Aufnahme in Lehrpläne usw. Alles Material online verfügbar:

56 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

57 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Univ.-Prof. Dr. Martin Hopf Österreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik Porzellangasse 4/2/2, 1090 Wien, Österreich