Entwurf zum Unterrichtsbesuch im Modul Physik Fachdidaktik und Modul EBB1. Thema der Unterrichtseinheit: Mondphasen, Finsternisse, Jahreszeiten

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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 und Modul EBB1 Thema der Unterrichtseinheit: Mondphasen, Finsternisse, Jahreszeiten innerhalb des Oberthemas Optik Thema der Unterrichtsstunde: Entstehung der Jahreszeiten Fach: Physik Klasse: 6G2, 18 Schüler-16 Mädchen und 2 Jungen Schule: Henry-Benrath-Schule Am Seebach Friedberg (Hessen) Raum: NW 10 (Treffen vorher im Lehrerzimmer) Datum: Zeit: 7:55-8:40 Ausbilder Physik: Herr Sach Ausbilderin EBB1: Frau Gritschke Schulleiterin: Frau Wesemann

2 Analyse der Lerngruppe Die Lerngruppe 6G2, also 6. Klasse Gymnasium, hat dieses Halbjahr das erste Mal Physik. Normalerweise soll in der 6. Klasse eine Stunde Physik unterrichtet werden. Da aber an der Henry-Benrath-Schule (HBS) die Doppelstundenregel hat, wird Physik nur im zweiten Halbjahr Doppelstündig unterrichtet. Die Lerngruppe besteht aus 16 Jungen und 8 Mädchen. Die Disziplin lässt manchmal zu wünschen übrig, so dass es ab und zu zwischendurch etwas laut wird. Mit dem Leisezeichen und Strichen an der Tafel für die Androhung von Hausaufgaben nach dem dritten Strich habe ich aber ganz gute Erfahrungen gemacht. 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. Gut beteiligen sich auch noch Antonio, Vigo, Christopher, Luca, Daniel, Vincent, Lukas, Tayfur, Nick, Isabel und Eileen. Vigo und Luca, sowie manchmal auch Daniel und Vincent haben aber oft das Problem, dass sie abgelenkt sind. Mittelmäßig beteiligen sich Kim, Emre, André, Hannah, Paul und ab und zu noch Juliane. Wenig bis gar nichts und teilweise nur, wenn man sie auffordert, sagen Julien, Karin, Melanie und Niklas. Analyse der Raumsituation Normalerweise findet der Unterricht in NW 4 statt. Dieser Raum verfügt nur über ein Starboard, dessen Möglichkeiten ich so gut es geht umfassend nutze, welches aber den 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. 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. Kurzer Überblick zum Lernstand Der Lehrplan in der Klasse 6 sieht die Themen Physik als Naturwissenschaft, Optik 1, Magnetismus und Wärmelehre 1 vor. Zuerst habe ich mit den Schülern gesammelt, welche verschiedenen Gebiete der Physik sie bereits kennen und welche es gibt. Dann beschäftigten wir uns mit dem Beobachten und Messen. Dabei haben die Schüler zum Beispiel die Dicke einer Buchseite bestimmt. Es folgte ein Wasserglas und Büroklammerexperiment zur Oberflächenspannung des Wassers. Diese wurde dann mit dem eingeführten Teilchenmodell der Materie erklärt. Wir haben besprochen, warum die Wasseroberfläche eben ist, und uns dann weiter mit dem Luftdruck beschäftigt. Die Schüler haben den Versuch mit dem von einem Bierdeckel verschlossenen umgedrehten Bierglas gemacht, sowie wurde die

3 Hühnertränke besprochen. Weiter ging es mit dem Magdeburger-Halbkugel-Experiment sowie Experimenten mit der Vakuumglocke. Hier wurde ein Luftballon, ein Schokokuss und eine Klingel unter die Vakuumglocke gestellt. Des Weiteren wurde das Gewicht der Luft mit dem üblichen Experiment unter der Vakuumglocke demonstriert und dann mittels eines Video-Experiments von der Sendung mit der Maus das Gewicht und die Dichte der Luft bestimmt. Dann habe ich mit der Optik begonnen und es wurde mit einem Experiment erarbeitet, dass man Licht nur sehen kann, wenn es ins Auge fällt, und dass man einen Lichtstrahl nur sehen kann, wenn das Licht an Teilchen gestreut wird und ins Auge fällt. Außerdem wurde erarbeitet, dass sich Licht geradlinig ausbreitet. Ich habe dann mit den Schülern die Bildentstehung bei der Lochkamera besprochen und was bei zu großem Loch geschieht. In der letzten Stunde haben wir Schatten, Halbschatten und Kernschatten erarbeitet und die Schüler konnten ein Arbeitsblatt hierzu bearbeiten. Nun kommt die Anwendung auf Himmelsphänomene. Dazu müssen in der nächsten Stunde erst die Mondphasen erarbeitet werden, bevor wir uns dann um die Anwendung von Halb- und Kernschatten bei der Entstehung von Mond- und Sonnenfinsternissen beschäftigen. Diese Stunde bildet mit der Entstehung der Jahreszeiten den Einstieg in diese Himmelsphänomene. Bei dieser Diskussion spielt die Bewegung der Erde um die Sonne eine wesentliche Rolle gespielt und auch die Neigung der Erdachse ist von Belang. Die Auswirkungen dieser beiden Dinge zu erkennen und in Zusammenhang mit den ihnen bekannten alltäglichen Phänomenen zu bringen ist das Ziel der heutigen Stunde. Dabei geht es um die Beantwortung der Fragen: Wie entstehen die Jahreszeiten? Warum ist es im Winter kälter als im Sommer? Warum sind die Tage im Winter kürzer als im Sommer? Kommentierung des geplanten Unterrichtsverlauf (siehe Tabelle) Die zentralen Fragen sind: Woher kommen die Jahreszeiten? Wieso ist es im Sommer wärmer als im Winter? Wieso ist es im Sommer länger hell? Zuerst werde ich die Schüler fragen, ob Sie wissen, welches Ereignis am Dienstag, den (in den letzten Jahren war es immer der ) war. Wenn keiner darauf kommt gebe ich das Stichwort Frühlingsanfang/ Tag- und Nachtgleiche. Ich erzähle eine Geschichte, dass solche Ereignisse, Tag- und Nachtgleiche in alten Kulturen sehr wichtig waren, wie auch die Sommersonnenwende. Auf dem Starboard zeige ich ein Bild von Stonehenge. Nun kann man die Schüler fragen, welche Phänomene sie noch von Winter und Sommer kennen. Die Hoffnung ist die, dass jemand auf die unterschiedliche Tageslänge kommt. Die Schüler erkennen am Globus und an Ihnen ausgeteilten Styropor-Kugeln mit Achse, die sie vor der Lichtquelle drehen können, dass es an der Schiefe der Erdachse liegt. Die Frage, wieso es im Sommer eigentlich wärmer ist als im Winter beantworten die meisten Schüler mit der Ansicht, dass die Erde im Sommer näher an der Sonne sei. Auch diese Fehlvorstellung soll in dieser Stunde korrigiert werden. Um die Schuler zum nachdenken anzuregen, zeichne ich eine Erdbahnellipse an das Whiteboard, und zwar so, dass die Erde zweimal nahe bei der Sonne ist, mit der Frage, ob dann zweimal Sommer wäre. Dann werde ich das Arbeitsblatt austeilen, welches ich zusammen mit den Schülern behandeln will. Darauf sind die Erde und die Sonne in vier verschiedenen Stellungen abgebildet. Nachdem ich das erste Bild a) an die Tafel gezeichnet habe, frage ich die Schüler, wo denn hier Tag und wo Nacht auf der Erde ist. Von den Antworten abhängend werde ich einen oder mehrere Schüler an die Tafel holen, um Tag und Nacht einzuzeichnen. Wichtig ist hierbei, dass die Schüler erkennen, dass die Tag- und Nachtseite nicht durch die Erdachse getrennt ist, sondern durch die senkrecht stehende Tag- Nachtgrenze (welche mit der Erdachse einen Winkel von 23,5 einschließt). Daraufhin werde ich einen Schüler an die Tafel rufen, um den Äquator einzuzeichnen. Hierbei ist es wichtig zu erkennen, dass dieser nicht senkrecht zur Tag-Nachtgrenze liegt, sondern senkrecht zur Erdachse.

4 Nun frage ich die Schüler, woran man an der Zeichnung sieht, wo die Tage länger sind. Je nach Antwort kann man hier Schüler an die Tafel holen, um zu klären, wie man sich bewegt, wenn sich die Erde dreht und um die obige Frage zu klären. Jetzt wäre es an der Zeit, die Schüler auf eine Besonderheit bei den Polen aufmerksam zu machen. Die Hoffnung ist hier, dass die Schüler auf Nachfrage hin selber erkennen, dass es an den Polen Gebiete gibt, an denen die Sonne im Sommer niemals unter (Mitternachtssonne) und im Winter niemals auf geht (Polarnacht). Dies sind die Polargebiete und die Schüler müssen sich überlegen, wo ihre Grenzen, die Polarkreise liegen, und diese einzeichnen. Gegebenenfalls kann man hier den Schülern auch auf die Lage der Wendekreise erklären. Nachdem die Schüler alles von der Tafel abgezeichnet haben, gehe ich zu Bild b) des Übungsblattes über. Die Hauptschwierigkeit hieran liegt darin, zu erkennen, dass nun auf dem gesamten Teil der Erdkugel, den man sieht, Tag ist. Indem man die Schüler darauf hinweist, dass das Bild b) ein viertel Jahr nach Bild a) entsteht, sollte es für die Schüler kein Problem sein zu erkennen, wie jetzt die Jahreszeiten verteilt sind. Schwieriger hingegen wird es für die Schüler sein, zu erkennen, dass jetzt Tag und Nacht gleich lang sind. Nachdem die Schüler die Polarkreise eingezeichnet haben, deren Lage sie aus dem Bild darüber entnehmen müssen und die hier auch keine besondere Rolle spielen, werden Sie aufgefordert, selbständig in Analogie die Bilder c) und d) auszufüllen. Hierbei werde ich herumgehen und Hilfestellung geben. Die nächste Frage zielt darauf ab, zu klären, wo es am heißesten auf der Erde ist. Die übliche Antwort Am Äquator ist natürlich falsch, sondern es ist die Stelle, wo die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Erde fallen. Eine Frage die sich anschließt ist, warum es hier am heißesten ist. Die in der Regel von Schülern kommende Antwort ist die, dass dies daran liege, da diese Stelle näher an der Sonne ist. Um diesen Irrtum zu klären, werde ich erwähnen, dass bei uns im Winter die Erde näher an der Sonne steht als im Sommer und es trotzdem im Sommer heißer ist. Hier werde ich einerseits eine Lampe und einen Schirm nehmen, um zu demonstrieren, dass dieselbe Menge Licht sich bei schräg gestelltem Schirm auf eine größere Fläche verteilt, also punktuell die Oberfläche nicht so stark aufheizen kann wie bei senkrechtem Einfall. Um die Vorstellung der Schüler zu verbessern, demonstriere ich das Ganze an einer Figur die ich zuerst in ein schmales Becherglas stelle und dann in eine breite Schale und beides mal mit derselben Menge Wasser übergieße. Bei kleiner Grundfläche des Gefäßes wird sie viel nass, bei großer Grundfläche des Gefäßes weniger. Nun kann ich die Schüler fragen, wo sich das noch bemerkbar macht. Die erwartete Antwort wäre hier am Morgen und am Abend. Nachdem nun die Ursache des heißeren Sommers und des kühleren Winters geklärt ist, kann man nun die Schüler klären lassen, welche Jahreszeiten in diesem Bild auftauchen und wo Sommer und wo Winter ist. Jetzt, wo die Jahreszeiten festgelegt sind, kann alles nochmal zusammengefasst und auf die eingangs gestellten Fragen Bezug genommen werden, die dann geklärt sind. Ziele der Stunde Die Schüler sollen kognitiv: wissen, dass die Neigung der Erdachse zu den Jahreszeiten führt. Erkennen, warum auf der Südhalbkugel eine andere Jahreszeit herrscht als auf der Nordhalbkugel wissen, dass es im Sommer heißer ist, weil die Sonne steiler einfällt.

5 wissen, warum die Tage im Sommer länger sind. wissen, dass es eine Polarnacht und eine Mitternachtssonne gibt und wie sie entstehen methodisch: lernen, Eigenschaften und Phänomene an Zeichnungen ablesen. selbständig aus dem Verständnis heraus Dinge auf ähnliche Situationen zu übertragen. Geplanter Tabellarischer Verlauf: Siehe unten. 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] Bresler, Heepmann, Obst, Ramien: Physik Natur und Technik Grundausgabe; Cornelsen 2008 [7] Kramer, Martin: Physik als Abenteuer ;Band 1 u. 2; AVD [8] Meyer, Hilbert: Unterrichtsmethodik I+II (Theorie + Praxisband); Cornelsen Scriptor, Berlin 2005 [9] Meyer, Hilbert: Was ist guter Unterricht; Berlin 2007 [10] Mikelskis, Helmut: Physikdidaktik, Praxishandbuch für die Sekundarstufe I und II; Berlin Cornelsen [11] Mikelskis-Seifert, Rabe: Physikmethodik. Handbuch für die Sekundarstufe I und II; Berlin Cornelsen 2007 [12] Muckenfuß, Heinz: Lernen im sinnstiftenden Kontext. Entwurf einer zeitgemäßen Didaktik des Physikunterrichts; Berlin, Cornelsen 1995 [13] Albrecht, Achim: Lehrerverhalten im erziehenden Unterricht; PÄD. 9/2004 [14] Meyer,Pfiffner,Walter: Ein unterstutzendes Lernklima erzeugen; PÄD 11/07 [15] Helmke: Aktive Lernzeit optimieren: Was wissen wir über effiziente Klassenführung? ; PÄD. 5/07

6 Geplanter Tabellarischer Unterrichtsverlauf Phase/ Unterrichtsschritte 7:55 Einstieg in die Stunde 7:57 Einstieg in das Thema 8:00 Erinnerung an Bekanntes 8:15 Erarbeitungsphase Didaktische Funktion/ Intendierte Kompetenzerweiterung/ Förderaspekte Begrüßung Transparenz Schüler an bekannte Phänomene und Begebenheiten: Jahreszeiten, verschieden lange Tage in Sommer und Winter erinnern Schüler dürfen selber probieren und erfahren Schüler kommen nacheinander an das Whiteboard und zeichnen Äquator; Terminator, Wendekreise, Tag und Nacht und Jahreszeiten Unterrichtsgeschehen Begrüßung der Schüler und der Besucher, Erläuterung des Stundenablaufs Thema der heutigen Stunde: Jahreszeiten Schüler nach Frühlingsanfang fragen und was an dem Tag so besonders ist. Kulte alter Kulturen zur Sonnenwende erzählen, Bild von Stonehenge Schüler Globus zeigen und fragen, wieso der so schief aufgestellt es. Schüler vor einer Lampe selber mit Styroporkugeln auf Achsen und aufgemalten Punkten vor einer Lampe probieren lassen, was passiert, wenn man Sie schief stellt und in unterschiedlichen Lagen dreht Das Arbeitsblatt wird ausgeteilt und das von den Schülern gerade selbst erprobte auf den Zeichnungen des Arbeitsblattes gemeinsam erarbeitet und festgehalten. Ein Bild nach dem anderen Vorgehensweise wie in den Sozialform/ Methode Frontal Frontal Lehrergespräch Frontal Lehrer-Schüler- Gespräch Schüler-Aktivität 8:05 Schülerexperimentierphase Lehrer- Schülerinteraktion Material Whiteboard Starboard, Bild von Stonehenge Styroporkugeln auf Stricknadeln, Arbeitsblatt, Whiteboard

7 8:30 Festigung und Anwendung 8:35 Abschluss/ Sicherung Schüler übertragen das auf dem Arbeitsblatt sichtbare wieder auf die reale Situation Schüler erinnern an die Fragen vom Anfang Aufgreifen des roten Fadens Kommentaren oben: zuerst Winter, dann Frühling, dann Sommer, dann Herbst Schüler sehen, dass es auf den Winkel der einfallenden Sonnenstrahlen ankommt, wie warm es ist, und dass sich dadurch der Sommer vom Winter unterscheidet Abschließende Klärung: Jahreszeiten entstehen durch die Schräg stehende Erdachse Frontal, Lehrer- Schülergespräch Frontal, Lehrer- Schülergespräch Experiment mit Lampe bzw. wassergefüllten Schüsseln Whiteboard

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