Das Thema «Magnetismus» in der Primarschule (Klassenstufen 5 bis 6)

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1 Das Thema «Magnetismus» in der Primarschule (Klassenstufen 5 bis 6)

2 Die vier physikalischen Grundkräfte Gravitation Elektromagnetismus schwache Wechselwirkung (schwache Kernkraft) starke Wechselwirkung (starke Kernkraft) 2

3 Die vier physikalischen Grundkräfte Einzeln oder in Kombination sind die vier fundamentalen Wechselwirkungen verantwortlich für sämtliche bekannten physikalischen Prozesse, seien es Prozesse zwischen Elementarteilchen oder zwischen Materie und Feldern in makroskopischen Ausmaßen, sei es auf der Erde, in Sternen oder im Weltraum

4 Welche Karten muss man umdrehen, um folgende Regel zu überprüfen: Wenn auf einer Seite der Karte ein Vokal steht, muss auf der anderen Seite eine gerade Zahl stehen. A B % korrekt 90% falsch Wason-Selection-Task: Kein Transfer zwischen Situationen mit formal isomorpher Struktur 4

5 Welche Karten muss man umdrehen, um folgende Regel zu überprüfen: Wenn auf einer Seite der Karte ein Vokal steht, muss auf der anderen Seite eine gerade Zahl stehen. A B % korrekt 90% falsch Wessen Getränk bzw. wessen Alter muss die Polizei überprüfen, um die Einhaltung des Jugendschutzgesetzes in der Disko zu gewährleisten: Wenn man Bier bestellt, muss man mindestens 16 Jahre alt sein. Peter trinkt Bier Rolf trinkt Rivella Bernd 17 Jahre Klaus 15 Jahre 5 100% korrekt

6 Wissenstransfer Wissenstransfer: Die Übertragung von Gelerntem auf neue Situationen. Voraussetzung für Transfer: Erkennen gemeinsamer Elemente in Lern- und Anwendungssituation Die menschliche Kognition ist wesentlich bereichsspezifisch. Ein spontaner Wissenstransfer zwischen verschiedenen Inhaltsbereichen findet nicht statt. 6

7 Intelligentes Wissen ist nach abstrakten Kriterien geordnet, die den Wissenstransfer erleichtern.

8 Intelligentes Wissen ist nach abstrakten Kriterien geordnet, die den Wissenstransfer erleichtern. In allen drei Fällen wird mechanische Energie gespeichert.

9 Wie lässt sich der Aufbau intelligenten Wissens unterstützen? Schülervorstellungen kennen und nutzen kognitiv aktivierende Unterrichtseinstiege geistige Repräsentationswerkzeuge nutzen

10 Wie lässt sich der Aufbau intelligenten Wissens unterstützen? Schülervorstellungen kennen und nutzen kognitiv aktivierende Unterrichtseinstiege geistige Repräsentationswerkzeuge nutzen

11 Hans baute ein Boot. Urs liess einen Drachen steigen. Lutz ass einen Apfel. Beat ging über das Dach. Jochen versteckte ein Ei. Dominik setzte das Segel. Peter schrieb ein Drama. Viktor drückte den Schalter.

12 Wer ass einen Apfel? Wer versteckte ein Ei? Wer liess einen Drachen steigen? Wer ging über das Dach? Wer drückte den Schalter? Wer setzte das Segel? Wer baute ein Boot? Wer schrieb das Drama?

13 Noah baute ein Boot. Benjamin Franklin liess einen Drachen steigen. Adam ass einen Apfel. Der Weihnachtsmann ging über das Dach. Der Osterhase versteckte ein Ei. Christoph Kolumbus setzte das Segel. William Shakespeare schrieb ein Drama. Thomas Edison drückte den Schalter.

14 Wer ass einen Apfel? Wer versteckte ein Ei? Wer liess einen Drachen steigen? Wer ging über das Dach? Wer drückte den Schalter? Wer setzte das Segel? Wer baute ein Boot? Wer schrieb das Drama?

15 Expertise im Schachspiel 15

16 Schülervorstellungen kennen und nutzen o Die Magneten ziehen sich an. o Die Magneten stossen sich ab. o Die Magneten ziehen sich an. o Die Magneten stossen sich ab

17 Schülervorstellungen kennen und nutzen o Das Eisenstück und der Magnet ziehen sich an. o Das Eisenstück und der Magnet stossen sich ab. o Das Eisenstück und der Magnet ziehen sich an. o Das Eisenstück und der Magnet stossen sich ab

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21 Schülervorstellungen zum Magnetismus Anziehung von Magneten bekannt / Abstossung von Magneten häufig noch nicht bekannt Mögliche Fehlvorstellung: Es gibt zwei Arten von Magneten solche, die sich abstossen, und solche, die sich anziehen

22 Schülervorstellungen zum Magnetismus Häufig wird nicht zwischen Eisen und Metall unterschieden. Die Aussage, dass Eisen von Magneten angezogen wird, kann daher leicht in der Weise missverstanden werden, dass alle Metalle von Magneten angezogen werden. Dass nicht jedes Metall von Magneten angezogen wird, setzt also voraus, dass die Kinder wissen, dass der Begriff Metall als Oberbegriff verschiedene Metallsorten beinhaltet, von denen Eisen nur eine ist

23 Schülervorstellungen zum Magnetismus Bei Schulmagneten werden häufig beide Hälften farbig markiert. Missverständnis: ein Pol bezeichnet jeweils eine Hälfte des Magneten Dies steht im Widerspruch zu der Charakterisierung der Pole als Stellen stärkster Anziehung

24 Schülervorstellungen zum Magnetismus Verwechslung von Plus- und Minus-Pol (Elektrizitätslehre) mit Nord- und Südpol von Magneten Annahme einer räumlich begrenzten Reichweite von Magneten: Die Wirkung von Magneten endet abrupt bei einer bestimmten unsichtbaren Grenze

25 Schülervorstellungen zum Magnetismus Grösse des Magneten ist für die Stärke der Anziehung ausschlaggebend (wg. grösserer Oberfläche)

26 Wie lässt sich der Aufbau intelligenten Wissens unterstützen? Schülervorstellungen kennen und nutzen kognitiv aktivierende Unterrichtseinstiege geistige Repräsentationswerkzeuge nutzen

27 Wie können wir die Schülerinnen und Schüler besser auf das Lernen vorbereiten?

28 Newtons Pendel veranschaulicht die Impuls- und Energieerhaltung.

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30 Kommen die Kugeln gleichzeitig ins Ziel?

31 Wie lässt sich der Aufbau intelligenten Wissens unterstützen? Schülervorstellungen kennen und nutzen kognitiv aktivierende Unterrichtseinstiege geistige Repräsentationswerkzeuge nutzen

32 Die Balkenwaage als Repräsentationswerkzeug Hardy, I., Schneider, M., Jonen, A., Stern, E., & Möller, K. (2005). Fostering Diagrammatic Reasoning in Science Education. Swiss Journal of Psychology, 64 (3),

33 Versuchspersonen: 100 Drittklässler (Durchschnittsalter: 8 Jahre) Schwierigkeit der Schüler mit dem Konzept der Dichte Volumen und Masse werden von ihnen noch nicht als zwei verschiedene Eigenschaften berücksichtigt Hypothese: Die Balkenwaage unterstützt als Repräsentationswerkzeug den Wissenstransfer im Umgang mit linearen Graphen, weil sie den Schülern hilft, verschiedene physikalische Größen wie Masse und Volumen unabhängig voneinander zu repräsentieren. 33

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36 (Geheimmaterial: Größe 2, Gewicht 400) Wird das Geheimmaterial sinken oder schwimmen? 36

37 Warum naturwissenschaftlicher Unterricht in der Primarschule? Interessensentwicklung Lernmotivation / Fähigkeitsselbstkonzept (Kompetenzerleben) Aufbau von Begriffswissen Vermeidung von Misskonzepten / Fehlvorstellungen Vorbereitung wissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen Förderung sprachlicher Kompetenzen

38 1) Fragestellung formulieren 2) Hypothesen aufstellen 3) Versuch darstellen 4) Beobachtungen beschreiben 5) Versuch interpretieren und ggf. Hypothesen revidieren

39 Unterricht gestalten: Das Verändern von Präkonzepten unterstützen Erklärungen von Phänomenen selber entwickeln Eigene Ideen / Vermutungen formulieren und prüfen Erklärungen begründen und Experimente entwickeln Wichtigkeit von Fehlern als Zwischenstufen auf dem Weg zur richtigen Erklärung den eigenen Lernprozess reflektieren Erklärungen auf mehrere Phänomene übertragen

40 Umgestaltung des Begriffswissens: Von Oberflächenmerkmalen zu abstrakten Merkmalen

41 Unterricht gestalten: Das Verändern von Präkonzepten unterstützen Erklärungen von Phänomenen selber entwickeln Eigene Ideen / Vermutungen formulieren und prüfen Erklärungen begründen und Experimente entwickeln Wichtigkeit von Fehlern als Zwischenstufen auf dem Weg zur richtigen Erklärung den eigenen Lernprozess reflektieren Erklärungen auf mehrere Phänomene übertragen

42 KiNT-Unterrichtsmaterialien Klassenstufe 3 bis 4 Luft und Luftdruck Schall was ist das? Schwimmen und Sinken Brücken und was sie stabil macht

43 Friedrich-Unterrichtsmaterialien Klassenstufe 5 bis 6 Magnetismus

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45 Fragen zur Studie Was wird untersucht? 1) Aufbau von Wissen 2) Erwerb von Kompetenzen 3) Interessensentwicklung 4) Lernmotivation

46 Fragen zur Studie Was gemessen? nur Grössen, die durch optimierten Unterricht beeinflusst werden können Wer leitet diese Studie? 1) Prof. Dr. Elsbeth Stern 2) Dr. Ralph Schumacher

47 Fragen zur Studie Was ist eine Längsschnittstudie, und wie sieht die von uns geplante Studie aus? Welche Unterrichtsmaterialien werden in der Primarschule eingesetzt? Wodurch zeichnen sich diese Unterrichtsmaterialien aus?

48 Fragen zur Studie Welche Effekte werden erwartet? Welches Ziel hat diese Studie?

49 spezifische Forschungsfrage in Bezug auf das Thema «Magnetismus»: Profitieren die Kinder, die zuvor den Unterricht mit den vier KiNT-Kisten gehabt haben, anders vom Magnetismus- Unterricht als Kinder, die vorher herkömmlichen Unterricht hatten? Vergleich von zwei Gruppen von Schülerinnen und Schülern

50 Einsatz der Magnetismus-Unterrichtsmaterialien jetzt vor den Sommerferien mit 5. & 6. Klassen später mit den Kindern, die jetzt noch im 3. oder 4. Schuljahr sind und Unterricht mit den vier KiNT-Kisten haben

51 Übersicht über die Unterrichtssequenzen Sequenz 1: Was wir schon über Magneten wissen Sequenz 2: Magneten wirken durch etwas hindurch Sequenz 3: Die Ausrichtung von Magneten Sequenz 4: Das Modell der Elementarmagneten Sequenz 5: Der Elektromotor

52 Permanentmagneten (Ferromagnetismus)

53 Hinweise zur Begriffsverwendung Mehrdeutigkeit von «magnetisch»: verhält sich wie ein Permanentmagnet lässt sich von Magneten anziehen Ein Gegenstand ist magnetisch, wenn er sich wie ein Magnet verhält. Materialien, die von Magneten angezogen werden können, bezeichnen wir im Unterricht als magnetisierbar

54 Hinweise zur Begriffsverwendung Der Begriff Kraft bezeichnet in der Physik die Stärke einer Wechselwirkung also keine Eigenschaft eines Körpers. daher: Vermeidung der Begriffe Magnetkraft oder Kraft eines Magneten stattdessen: Stärke des Magneten / der Anziehung bzw. Abstossung

55 Sequenz 1: Was wir schon über Magneten wissen

56 Sequenz 1: Was wir schon über Magneten wissen Welche Materialien sind magnetisch bzw. magnetisierbar und welche nicht? Welche Magnetformen gibt es und wie heissen sie? Wodurch zeichnen sich Magneten aus und wie können wir Magneten von unmagnetisierten Metallstücken unterscheiden? Wirken Magneten auch über die Distanz?

57 Arbeitsblätter für die Gruppe A (wenig Vorwissen über Magneten)

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74 Arbeitsblätter für die Gruppe B (viel Vorwissen über Magneten)

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87 Lernziele von Sequenz 1 Die Schülerinnen und Schüler geben für verschiedene Materialien an, ob sie von einem Magneten angezogen werden oder nicht und unterscheiden dabei eisenhaltige von nicht eisenhaltigen Materialien. geben Nickel und Kobalt neben Eisen als angezogene Materialien an. nennen Beispiele von Gegenständen aus Eisen, die nicht angezogen werden. geben an, dass Magneten auch über die Distanz wirken

88 Lernziele von Sequenz 1 Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden verschiedene Magnetformen und benennen diese

89 Lernziele von Sequenz 1 Die Schülerinnen und Schüler geben an, dass Magneten nicht an allen Stellen gleich stark anziehen und bezeichnen die Stellen stärkster Anziehung als Pole. geben an, dass die Hälfte, auf der der Nordpol liegt, oft rot (bzw. dunkel) und die Hälfte, auf der der Südpol liegt, oft grün (bzw. hell / gar nicht) markiert ist. bestimmen experimentell die Lage von Polen

90 Lernziele von Sequenz 1 Die Schülerinnen und Schüler formulieren eine Regel, die die wechselseitige Anziehung und Abstossung von Magneten beschreibt. nutzen Kenntnisse über die Eigenschaften von Magneten, um diese von unmagnetisierten Metallstücken zu unterscheiden

91 Sequenz 2: Magneten wirken durch etwas hindurch

92 Sequenz 3: Magneten wirken durch etwas hindurch Das Magnetfeld Anziehung unterschiedlicher Magneten Fragestellungen und Vermutungen Abschwächung der Wirkung eines Magneten Das faire Experiment

93 Das Magnetfeld

94 Das Magnetfeld

95 Anziehung unterschiedlicher Magneten Fragestellungen und Vermutungen

96 Abschwächung der Wirkung eines Magneten Das faire Experiment

97 Abschwächung der Wirkung eines Magneten Das faire Experiment

98 Abschwächung der Wirkung eines Magneten Das faire Experiment

99 Abschwächung der Wirkung eines Magneten Das faire Experiment

100 Abschwächung der Wirkung eines Magneten Das faire Experiment

101 Sequenz 3: Die Ausrichtung von Magneten

102 Sequenz 3: Die Ausrichtung von Magneten Die Ausrichtung drehbar gelagerter Magneten Vergleich mit Kompassnadel Geografische und magnetische Pole Die Geschichte des Magnetismus Vertiefung zur Missweisung (Deklination)

103 Die Ausrichtung drehbar gelagerter Magneten Vergleich mit Kompassnadel

104 Die Ausrichtung drehbar gelagerter Magneten Vergleich mit Kompassnadel

105 Die Ausrichtung drehbar gelagerter Magneten Vergleich mit Kompassnadel

106 Die Ausrichtung drehbar gelagerter Magneten Vergleich mit Kompassnadel

107 Geografische und magnetische Pole

108 Geografische und magnetische Pole

109 Die Geschichte des Magnetismus Vertiefung zur Missweisung (Deklination)

110 Die Geschichte des Magnetismus Vertiefung zur Missweisung (Deklination)

111 Die Geschichte des Magnetismus Vertiefung zur Missweisung (Deklination)

112 Die Geschichte des Magnetismus Vertiefung zur Missweisung (Deklination)

113 Das Modell der Elementarmagneten Sequenz

114 Warum bleibt die Klammer dort hängen?

115 Wie kann man (selber) Magneten herstellen? Wie kann man Gegenstände aus Eisen magnetisieren? Wie kann man sich vorstellen, was dabei passiert?

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117 S N

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120 S N

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123 Weitere Modelle für Elementarmagneten: Quelle:

124 Weitere Modelle für Elementarmagneten: Quelle:

125 Weitere Modelle für Elementarmagneten: Magnetnadeln Quelle:

126 Was passiert, wenn man einen Magneten teilt?

127 Was passiert, wenn man einen Magneten teilt?

128 Was passiert, wenn man einen Magneten teilt? ((Vorname Nachname))

129 S N S N

130 Was passiert, wenn man einen Magneten teilt? Wie kann man sich die Anordnung der Elementarmagneten im zerteilten magnetisierten Draht vorstellen?

131 Was passiert, wenn man einen Magneten teilt? S N S N S N S N

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133 Arbeit mit den Versuchskarten S N S N ((Vorname achname))

134 Arbeit mit den Versuchskarten ((Vorname achname))

135 Arbeit mit den Versuchskarten

136 Arbeit mit den Versuchskarten

137 Arbeit mit den Versuchskarten

138 Arbeit mit den Versuchskarten

139 Arbeit mit den Versuchskarten

140 Arbeit mit den Versuchskarten

141 Arbeit mit den Versuchskarten

142 Arbeit mit den Versuchskarten

143 Arbeit mit den Versuchskarten

144 Arbeit mit den Versuchskarten

145 Arbeit mit den Versuchskarten

146 Arbeit mit den Versuchskarten

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148 Inhaltsbezogene Lernziele Sequenz 4 Die Schülerinnen und Schüler nutzen die Anziehung durch einen Magneten systematisch, um Gegenstände zu identifizieren, die Eisen enthalten beschreiben einfache Verfahren, wie Gegenstände magnetisiert und entmagnetisiert werden können nutzen das Modell der Elementarmagneten, um Beobachtungen zum Magnetismus zu beschreiben

149 Prozessbezogene Lernziele Sequenz 4 Die Schülerinnen und Schüler erklären Beobachtungen durch Modelle benennen Grenzen von Modellen

150 Woher kommen eigentlich Magneten? Quelle:

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152 Irreführende Darstellung: Plus- und Minuspol, «motivierte» Elementarmagnete Quelle ( Löwenzahn ):

153 Weitere Modelle für Elementarmagneten: Weisssche Bezirke Quelle:

154 Weitere Modelle für Elementarmagneten: Computersimulation Quelle:

155 Der Elektromotor Sequenz

156 Hintergrund: Elektromagnetismus Quelle:

157 Hintergrund: Elektromagnetismus Elektromagnet Elektromotor Generator

158 Was ist eine Spule? xxx

159 Versuche mit der Spule

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161 Versuchsaufbau «Elektromagnet»

162 Experimentieren mit dem Elektromagneten

163 Experimentieren mit dem Elektromagneten

164 Experimentieren mit dem Elektromagneten Eine stromdurchflossene Spule zieht genau die Sachen an, die auch von einem Magneten angezogen werden. Sie wird daher auch als Elektromagnet bezeichnet

165 Experimentieren mit dem Elektromagneten

166 Experimentieren mit dem Elektromagneten

167 Experimentieren mit dem Elektromagneten Genau wie der Stabmagnet besitzt die stromdurchflossene Spule zwei Pole, einen Nordpol und einen Südpol. Die Lage der magnetischen Pole hängt davon ab, wie man die Spule an die Batterie anschliesst

168 Experimentieren mit dem Elektromagneten

169 Vorteile von Elektromagneten Welchen Vorteil hat es, bei einem Schrottkran einen Elektromagneten einzusetzen und nicht einen «normalen» Magneten?

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171 Versuchsaufbau Elektromotor Schritt 1:

172 Versuchsaufbau Elektromotor Schritt 1: ein Elektromagnet ein Magnet zieht die stromdurchflossene Spule an (bzw. stösst sie ab) ((Vorname Nachname))

173 Versuchsaufbau Elektromotor Schritt 2: Permanentmagnet fixieren Neodym- Magnet in Knetmasse fixieren Nordpol nach oben

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175 Versuchsaufbau Elektromotor Schritt 3: automatische Strom-Unterbrechung Klebestreifen über die untere Hälfte eines Armes kleben (ca. 20 x 4 mm) falls es nicht funktioniert: - Spule andersherum einlegen - Spule mit dem Finger in Schwung versetzen

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177 Quelle:

178 Quelle:

179 Elektromagnete im Haushalt

180 Elektromotoren im Haushalt