Josef Leisen. Jahrgang: Klassen Visualisierung durch den Wechsel der Darstellungsformen

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1 VI SUA I:'I., Haben Sie sih shon einmal bewusst gemaht, wie viele Darstellungsformen Sie in Ihrem naturwissenshaftlihen, aber auh im sonstigen Unterriht eigentlih verwenden? Sie werden erstaunt sein, wie viele es sind. Sie werden außerdem erstaunt sein, wie viele Möglihkeiten sih daraus zur Visualisierung ergeben, und zwar niht aus Zwang heraus, sondern auf der Hand liegend. Josef Leisen Institution: Studienseminar für Gymnasien in Koblenz (Rheinland-Pfalz) Jahrgang: Klassen 5-1 Fah: Stihworte: Naturwissenshaften, Physik, alle Fäher Visualisierung, Verbalisierung, Darstellungsform, Gegenstand, Bild, Sprahe, Symbol Visualisierung durh den Wehsel der Darstellungsformen Abbildung 1: Systematik der Darstellungsformen Der (naturwissenshaftlihe) Unterriht ist voller Darstellungsformen Gesetz v = a *t Durhforsten Sie einige Ihrer Unterrihtsstunden einfah einmal auf die verwendeten Darstel- lungsformen. Die systematishe Zusammenstellung in der Abbildung 1 zeigt Ihnen zum einen die wihtigsten Darstellungsformen und zum anderen, dass diese auf vershiedenen Abstraktionsniveaus liegen. Formel H,Q s =,5*at 2 H 2 S 4 Struktur- Tabelle Graph Karte diagramm ~ Em 1=: J21 ' ' - 8o.7fffll!ml Sprahe Beriht Mindmap Begriffsnetz p V~= X b : '""~ ' ~.;;) I u ~ _.,J '2P~.:;.. ~ Bild Skizze Filmleiste Video B ~ w _,/ ~( Gegenstand Experiment Hand lung Modell 1!{ ;:r;t Lj.~.:'i Die gegenständlihe Darstellung ist konkret und handgreiflih. Gegenstände, Experimente und Handlungen sind häufig genutzte Formen der Darstellung im experimentellen Unterriht. Die bildliehe Darstellung bedient sih der Bildsprahe. Die Darstellung erfolgt in Fotos, Bildern, Filmleisten, Zeihnungen, Skizzen usw. In der sprahlihen Darstellung sind e eine bevorzugte Darstellungsform. Aber auh sprahlih und grafish orientierte Darstellungen wie Mindmaps, Gliederungen und Begriffsnetze gehören dieser Ebene an, wenn sie viele sprahlihe Anteile enthalten. Niht nur der geshriebene, sondern auh das gesprohene Wort gehört auf diese Ebene. Die symbolishe Darstellung nutzt abstrakte Symbolisierungsformen wie Strukturdiagramm, Flussdiagramm, Graph, Tabelle usw. Der Umgang mit der Symbolsprahe verlangt vom Lerner ein beahtlihes Abstraktionsvermögen. Die abstrakteste Darstellung eines Sahverhaltes findet auf der mathematishen Ebene statt. Kann ih diese ~ Darstellungsformen id methodish nutzen? ) ::J ~ Zunähst muss betont werden, ~ dass die Darstellungsformen zum 34 Praxis Shu le 5-1, Heft 5/27

2 originären naturwissenshaftlihen Arbeiten gehören. So werden beispielsweise Experimente in einer Versuhsskizze dargestellt und in einem beshrieben. Die Ergebnisse werden in einer Tabelle notiert und anshließend grafish dargestellt. Induktiv wird ein Gesetz abgeleitet und mathematish formuliert. Anshließend wird das Ergebnis an Beispielen verbalisiert und die neuen Begriffe werden zum Abshluss in einem Begriffsnetz dargestellt. Dabei wird eine ganze Palette von Darstellungsformen genutzt. Auf der einen Seite wird das Lernen dadurh ershwert, weil gerade die abstrakten Darstellungsformen den Lernern shwerfallen, für einen anspruhsvollen Unterriht aber unverzihtbar sind. Auf der anderen Seite erleihtern die vershiedenen Darstellungsformen das Verstehen, weil der Sahverhalt mehrfah und untershiedlih angegangen wird. Der Wehsel der Darstellungsformen ist also ein Element naturwissenshaftlihen Arbeitensund gleihzeitig eine Quelle des Verstehens, die methodish genutzt werden sollte. Und welhe Rolle spielt dabei die Visualisierung? Als Visualisierung kann man jeden Wehsel in visuelle Darstellungsformen verstehen, also solhe mit gegenständlihen, bildhaften und symbolishen Elementen. Danah ist das Symbolisieren ein Teil des Visualisierens, nämlih auf hoher abstrakter Ebene. Die Visualisierung soll das Verstehen abstrakter, komplexer und komplizierter Sahverhalte und Zusammenhänge erleihtern. Ein Sahverhalt wird nämlih leihter und besser verstanden, wenn er von vershiedenen Formen der Darstellung heraus angegangen wird. Die Visualisierung kann sowohl eine Erhöhung als auh eine Erniedrigung der Abstraktionsstufe zur Folge haben. Meistens jedoh handelt es sih bei der Visualisierung um einen Wehsel von der verbalen in eine visuelle Darstellungsform. So spriht der Chemiker: Zwei Shwefeldroxrd molekule.. reag1eren 'Vanadinpentoxid als k'ntnlv:ntor bei 45 zu....und... [V 2 5 (g)1 45 o 2S2(g) + Üz(g) Q Q \ ~,f;~"\)~ \ Reaktion smd Ih 1 gosform1g brauhe e1nen Katalysator, sonst Es rnussen nrht~ ~'-. /~ zwei ShwefeldioXIdmoleküle sein. Es können auh zwei Mole sein, oder. Abbildung 2: Verbalisierung einer symbolishen Darstellung läuft die Reaktion nur sehr langsam ob. Und wie ist dabei das Verhältnis von Visualisierung und Verbalisierung? In Sahtexten dienen visualisierende Elemente dazu, das Verständnis zu fördern. Verbal dargestellte Sahverhalte werden durh Fotos, Bilder, Skizzen, Diagramme, Tabellen, Graphen usw. erläutert, illustriert, ergänzt, wiederholt, belegt, kommentiert, hervorgehoben, mit Vorwissen assoziiert usw. Danah ist die Visualisierung eine ergänzende Beigabe, die das Verständnis fördert. Wie viel Verbalisierung brauht umgekehrt die Visualisierung? Symbolishe Darstellungen, beispielsweise eine hemishe Reaktionsgleihung, werden im Unterriht begleitend verbalisiert, aber in den seltensten Fällen shriftlih notiert. Sprehblasen und Denkblasen sind ein ungeeignetes Instrument, flühtige Verbalisierungen festzuhalten (siehe Abbildung 2). Im Grunde fordern alle Visualisierungen zur Verbalisierung heraus. Der Weg der Visualisierung ist keine Einbahnstraße, er muss auh zurükführen. Wer im Unterriht visualisiert, muss auh verbalisieren - und umgekehrt. In dem nahfolgenden Beispiel aus dem Physikunterriht der Klassenstufe 8 oder 9 werden vershiedene Formen der Visualisierung und das Verhältnis zur Verbalisierung dargestellt. Ein Beispiel zum Visualisieren und Verbalisieren zeigt es In einem Physikbuh (vgl. Literatur) wird das Gesetz des Arhimedes folgendermaßen formuliert: Das Gesetz des Arehirnedes Durh den Shweredruk erfährt jeder eingetauhte Körper eine nah oben wirkende Auftriebskraft. Sie verringert sheinbar die Gewihtskraft. Die Auftriebskraft hat den gleihen Betrag wie die Gewihtskraft der durh den Körper verdrängten Flüssigkeit. Ohne Visualisierung, ohne Vergegenständlihung, ohne Verbalisierung auf einfaheren Sprahebenen ist dieses Gesetz für Shüler niht versteh bar. gegenständlihen Ebene Auf der gegenständlihen Ebene wird das historishe Experiment von Arehirnedes mit Knete als Gold, einem Holzring als minderwertigem Metall, einer Balkenwaage und einer mit Wasser gefüllten Wanne nahempfunden. 2S3(g) GasfOrmig? Versteh ih niht! Shwefeltrioxid ist doh fest! Aha! Bei 45 "( ist es aber gasförmig! (/) -..., C1l C1 =r.. C1l 2: "' C1l Praxis Shule 5-1, Heft 5/27 35

3 - -- VISU AL! I I' ~ Dies ist die überzeugendste und einfahste Form der Visualisierung (siehe Abbildungen 3a-3e). Bildebene Das Realexperiment kann mittels einer Filmleiste dargestellt und verbalisiert werden (vgl. dazu die Kopiervorlage auf Seite 37). verbalen Ebene Der auf der Kopiervorlage der Seite 38 dargestellte szenishe Dialog verbalisiert das reale Experiment durh Einbindung in eine historishe Erzählung. Die bislang beshriebenen Visualisierungen auf der Gegenstands- und Bildebene waren äußerlih sihtbar. Visualisierungen können aber auh innerlih als Vorstellungsbilder hervorgerufen werden, wie der Dialog an mehreren Beispielen zeigt, zum Beispiel: "Ih stellte ih mir das Stük Seife immer wieder als Goldklumpen vor." In dem Dialog wird eine Geshihte mit physikalishen Inhalten in Gedanken visualisiert. symbolishen Ebene Auf der symbolishen Ebene können mittels des arhimedishen Auftriebskörpers die Experimente zur Einführung der Auftriebskraft inklusive der symbolishen Kraftvektordarstellung durhgeführt werden. Hier werden die entsprehenden Kräfte symbolish visualisiert. Auh diese Darstellung verlangt wieder nah einer Verbalisierung (siehe Abbildung 4). Wie viel Visualisierung brauht der Shüler? Zum Verstehen gibt es erfreuliherweise vershiedene Zugänge, die sih durh die vershiedenen Darstellungsformen eröffnen, und gerade das ist für den Unterriht eine methodishe Chane. Die Antwort auf die Frage, wie viel Visualisierung der Shüler brauht, kann nur lauten: möglihst viel, denn sie eröffnet Lerngelegenheiten auf sehr vershiedenen Niveaus. Eine letzte Empfehlung: Niht nur visualisieren, sondern auh den Weg zurükgehen. LITERATUR Leisen, J.: Wehsel der Darstell ungsformen- Ein Unterrihtsprinzip für alle Fäher. ln: Der Fremdsprahlihe Unterriht Engl ish, H. 78/25, Leisen, J. (H rsg.): Methoden-Handbuh - Deutshsprah iger Fahunterri ht (DFU). Bonn 1999 und 23 Hepp, Rl Krüger, A./Leisen, J. (Hrsg.): Methoden-Werkzeuge. Naturwissenshaften im Unterriht, H /23. Impulse Physik. M ittelstufe. 5tuttgart 22, CJ Der Autor Josef Leisen unterrihtete viele Jahre Physik und Mathematik an Shulen in Deutshland und im Ausland. Er ist Leiter des Studienseminars für Gymnasien in Koblenz und Honorarprofessor für Physikdidaktik an der Universität Mainz. Anshrift: Staatlihes Studienseminar Gymnasien, Emii-Shüller-Straße 12, 5668 Koblenz leisen@studienseminar-koblenz.de e ' 6ewiMskruft... A~r~b... / J<ärrr Aufü<Ri.... /s.,.,,chlsl:tnß... { sf,eij> b«re --~ id>t.s-""'ft ~... verrirdn fltt.. t./qssu" Abbildungen 3a-3e: Das Auftriebsexperiment als Realexperiment nah Arehirnedes Abbildung 4: Bildfolge zum Experiment mit dem arhimedishen Auftriebskörper mit den Kräften und Kraftvektoren 36 Praxis Shule 5-1, Heft 5/27

4 l NATURWISSENSCHAFTEN I PHYSIK j COPY Praxis Shule 5-1 Heft 5/27 Das Auftriebsexperiment nah Arehirnedes Filmleiste zur Beshreibung des Realexperiments ;::9 Der König... Der Goldshmied... Die Mishung (Legierung) aus... ~ t.. "J Der Goldshmied... Die Krone....r>:\-~s Quelle: Leisen, 1.. Wehsel der Darstellungsformen-Ein Unterrihtsprinzip für alle Fäher. ln: Der Fremdsprah lihe Unterriht Eng lish, H. 78/25, westermann 37

5 NATURW ISSENSCHAFTEN I PH Y SIK Praxis Shule 5-1 Heft 5/27 Heureka! - Arehirnedes und die Badewanne (Der folgende Dialog zwishen König Hieran II. von Syrakus und Arehirnedes ist erfunden.) König Hieron: Mein lieber Arhimedes. Nun herrshe ih shon seit fast 5 Jahren über unser shönes Sizilien. Erinnerst du dih noh an die Geshihte, als wir den Goldshmied erwishten? s Arhimedes: Ja, ja, ih erinnere mih genau, als wäre es gestern gewesen. Ihr hattet Euh eine neue Krone anfertigen lassen. Wie üblih bekam der Goldshmied das Stük Gold und lieferte eine fertige Krone ab. Eine shöne Krone, das muss ih shon zugeben. Aber man ist misstrauish. Es ist ja 1 bekannt, dass die Goldshmiede von dem Gold immer etwas stehlen und auf dem Shwarzmarkt verkaufen. Aber der war besonders shlau. Die Goldkrone wog ganzgenauso viel, wie Sie ihm als Goldklumpen gaben. Das mahte ihn siher. König Hieron:... zu siher, denn er hat niht mit deiner List 15 gerehnet. Ih gab dir damals den Auftrag, den Kerl zu überführen. Du hast nahgedaht und nahgedaht, nihts fiel dir ein. Du warst sehr verärgert. Und dann plötzlih, in der Badewanne fiel es dir ein. Fast nakt kamst du zum Palast gelaufen und riefst:.,heureka, Heureka!" Die ganze Stadt 2 lief zusammen, zu lustig. Ih denke so gern daran, mein lieber Arhimedes. Wie kamst du bloß auf diese Idee? Du hast es ja auh in deinem Buh.,Über shwimmende Körper" beshrieben, aber ih höre es lieber von dir selbst. Arhimedes: Das war so: Während ih in der Badewanne saß, 25 stellte ih mir das Stük Seife immer wieder als Goldklumpen vor. Ih brah ein Stük davon ab. Ih dahte es mir als das, was der Goldshmied Ihnen stahl. Damit das Gewiht der Krone stimmte, musste er das abgebrohene Stük durh ein anderes Metall ersetzen. 3 König Hieron:... ja, aber wieso sieht man das niht? Arhimedes: Das ist leiht zu verstehen. Das Gold wird mit dem Metall eingeshmolzen, die beiden Metalle vermishen sih so, dass man das niht sieht. König Hieron: Und wie hast du ihm den Betrug nah- 35 gewiesen? Arhimedes: Ih habe mir den Goldklumpen durh das minderwertige Metall ersetzt vorgestellt. Aber Gold ist das shwerste Metall, das wir kennen, das heißt: Gold hat bei gleihem Gewiht ein kleineres Volumen als jedes andere Metall. 4 Also nimmt das Ersatzmetall ein größeres Volumen ein als das gestohlene Gold. Wenn ih nun beides unter Wasser tauhe, dann ist das Ersatzmetall unter Wasser leihter als das Gold. Sie haben doh bestimmt shon mal beim Baden festgestellt, dass das Wasser beim Tragen hilft: Die Beine und Arme sind 45 unter Wasser leihter als in der Luft, die Seife und alles ist in Wasser leihter. Das Wasser hilft beim Tragen. Das nenne ih,auftrieb'. Je mehr Wasser von dem eingetauhten Gegenstand verdrängt wird, umso größer ist der Auftrieb, also die Hilfe des Wassers beim Tragen. Das ist ein Naturgesetz und so ih habe es in meinem Buh aufgeshrieben. König Hieron: Ah so, ih verstehe. Das Ersatzmetall verdrängt mehr Wasser als der gestohlene Gold klumpen, weil Gold die größte Dihte hat. Arhimedes: Oh, Ihre Majestät beherrshen die Fahaus- 55 drüke: Dihte. Gut, gut! König Hieron : Ja, wenn man ständig mit dir zu tun hat, dann lernt man doh eine Menge. Aber lass mih verstehen, wie der Kerl erwisht wurde. Weil das Ersatzmetall mehr Wasser verdrängt als Gold, hat das Ersatzmetall einen größeren 6 Auftrieb. Deshalb hat das Ersatzmetall unter Wasser ein kleineres Gewiht als der gestohlene Gold klumpen. Dann müsste also beides, an eine Balkenwaage gehalten, in der Luft gleih shwer sein. Wenn es aber beides in die Badewanne eingetauht wird, müsste sih die Waagshale mit 65 der Krone heben. Genau das haben wir dann gemaht. Du erinnerst dih? Arh imedes: Sehr gut! Ihre Majestät hatten ihn in den Festsaal gebeten. Dort hatten Sie eine große Badewanne mit Wasser aufstellen lassen. Auf der rehten Waagshale lag ein 7 Goldklumpen. Er wargenauso shwer wie der, den Sie ihm damals gaben. Der Goldshmied kam herein. Sie fragten ihn, ob er alles Gold in der Krone verarbeitet hätte. Er sagte:.,ja, Eure Majestät, wie könnte ih Sie betrügen! Ih shwöre es bei Zeus." Dann nahmt Ihr die Krone vom Kopf, legtet Sie 75 auf die linke Waagshale und sie kam ins Gleihgewiht... Seht Ihr, Eure Majestät, der Beweis. Ih habe keine Shuld", rief der Goldshmied. König Hieran: Und dann kamst du, senktest die Waage langsam in das Wasser, und sie kam aus dem Gleihgewiht. 8 Das Gesiht des Goldshmieds werde ih nie vergessen. Er hatte es physikalish niht verstanden, aber er verstand, dass wir ihn überführt hatten. Er kannte deine List, deinen genialen Verstand. Lange ist es her. Shöne Zeiten! Wir haben shwere Zeiten vor uns. Mih wird man vergessen, 85 aber von dir wird man auh noh in 2 Jahren reden, von dem großen Arehirnedes von Syrakus. Lexikon: Arehirnedes ( v. Chr.): griehisher Mathematiker, Denker, Erfinder Hieran II ( v. Chr.): König von Sizilien in der Hauptstadt Syrakus Heureka: griehish für:.,ih hab es gefunden!" Auftrieb: der sheinbare Gewihtsverlust in einer Flüssigkeit Dihte: Dihte= MasseNolumen Zeus: griehisher Gott Dialog zwishen Arehirnedes und König Hieran, nah Leisen, J.. Wehsel der Darstellungsformen - Ein Unterrihtsprinzip für alle Fäher. ln: Der Fremdsprahlihe Unterriht English, H. 78/25, S westermann"'