Seminar Grundlagen der Fachdidaktik B2 SS Simon Fröhling Staatsexamen Herbst 2006 Thema Nr.3. Sammellinsen

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1 Seminar Grundlagen der Fachdidaktik B2 SS 2008 Simon Fröhling Staatsexamen Herbst 2006 Thema Nr.3 Sammellinsen 1) Erläutern Sie aus fachdidaktischer Perspektive den Problembereich "Alltagskonzepte und Fehlvorstellungen"! Gehen Sie dabei auf Entstehung und Auswirkungen ein! Inwieweit sind sie für die Unterrichtsgestaltung relevant? 2) Über die physikalischen Aspekte von "Licht und Sehen" bestehen vielfaltige Alltagskonzepte. Beschreiben Sie drei typische Vorstellungen! Diskutieren Sie, inwieweit diese Vorstellungen Lernschwierigkeiten bereiten können! 3) Innerhalb einer Unterrichtseinheit sollen Schülerlinnen Eigenschaften von Sammellinsen erarbeiten. Konzipieren Sie dazu Aufgabenstellungen rur drei Lernstationen! Geben Sie jeweils Lernziele und schulartgemäße Ergebnisformulierungen an! 4) Beschreiben Sie aus physikalischer Sicht den Aufbau und die Funktionsweise des s! Erläutern Sie unter Zuhilfenahme von "Strahlengängen" die Korrekturwirkung von Brillen für Kurz bzw. Weitsichtige!

2 1) Erläutern Sie aus fachdidaktischer Perspektive den Problembereich "Alltagskonzepte und Fehlvorstellungen"! Gehen Sie dabei auf Entstehung und Auswirkungen ein! Inwieweit sind sie für die Unterrichtsgestaltung relevant? Die Schüler kommen in der Regel, nicht ohne gewisse Vorerfahrungen oder teilweise gestreute, unvollständige Vorkenntnisse in den naturwissenschaftlichen Unterricht. Sie haben bereits eigene Vorstellungen und Erklärungen zu physikalischen Phänomen und Begriffen, die entstehen, wenn sie versuchen ihre Alltagserfahrungen und Erlebnisse zu erklären. Diese Alltagsvorstellungen werden dabei nicht nur vom Schüler selbst, sondern auch durch dessen Umfeld (Eltern, Freunde, Geschwister, Erzieher, Medien, etc.) geprägt. Solche Vorbelastungen werden in der fachdidaktischen Literatur als Alltagskonzepte, Schülervorstellungen oder Präkonzepte bezeichnet. Derartige Präkonzepte sind oft in ihrem Ansatz richtig und genügen dem Schüler um sich seine Welt zu erklären und in ihr zu handeln. Sie werden oft ohne Reflektion auf neue Sachverhalte übertragen (z.b dampfendes Wasser = Rauch). 1 Diese fest verankerten Vorstellungen legen Schüler jedoch nicht einfach mit einsetzen des Physikunterrichts ab, sondern verharren bei diesen, da der Mensch, zum einen möglichst wenig von seinen Ansichten abweichen möchte und es ihm wesentlich schwerer fällt bereits vorhandenes Wissen um zu lernen, als neues Wissen zu erlernen, zum anderen die Vorstellungen vom Schüler oft unbewusst bzw. nicht reflektiert und ohne zu denken angewandt werden. Der Lehrer muss bei der Planung seines Unterrichts, die möglichen Schülervorstellungen berücksichtigen, sie identifizieren und ihnen entgegen wirken. Werden falsche Präkonzepte nicht erkannt oder beseitigt, entwickeln sich sog. Fehlvorstellungen oder Misskonzepte. Außerdem kann es beim Versuch Schülervorstellungen auszuschalten, zu einer Kompartmentalisierung (Wissen besteht aus verschiedenen, separat gehaltenen, nicht-verknüpften Teilen) dieser Vorstellungen kommen. Für den Unterricht kann dies bedeuten, dass der Schüler hier zwar das erlernte Wissen wiedergibt, im Alltag jedoch in sein altes Konzept zurückfällt. 2 Des weiteren muss man sich darüber im klaren sein, dass der Schüler den Großteil seiner Zeit nicht im Physikunterricht verbringt, sondern in seiner Alltagsumgebung und somit dem Einfluss von Alltagsvorstellungen wesentlich mehr ausgesetzt ist, als dem physikalisch Korrekten Denken im Untericht. Aus diesen Gründen ist es nicht einfach gegen Schülervorstellungen vorzugehen. Auch existiert kein allgemein gültiges Konzept um Fehlvorstellungen zu beseitigen. Möglichkeiten gegen diese vorzugehen währen z.b das erzeugen eines kognitiven Konflikts, Überbrückungsstrategieen oder eine Selbstreflexion des Schülers mit hilfe von Arbeitsblättern. 1 [Web] 2 [Wil]

3 2) Über die physikalischen Aspekte von "Licht und Sehen" bestehen vielfältige Alltagskonzepte. Beschreiben Sie drei typische Vorstellungen! Diskutieren Sie, inwieweit diese Vorstellungen Lernschwierigkeiten bereiten können! Die Gruppe der jährigen hat in der Regel die Vorstellung eines Lichtbades. Licht macht hell und wird zum Sehen benötigt. Die Verbindung Lichtquelle Objekt spielt hier keine Rolle. Dies bereitet insbesondere bei der Vorstellung der Schattenbildung Schwierigkeiten. Objekt Lichtquelle Abbildung 1 Gruppe der 10-11jährigen Bei den jährigen herrscht die Vorstellung vor, dass der Lichtstrahl von einer Quelle zum beleuchteten Objekt strahlt. Es fehlt jedoch noch die Vorstellung, dass Licht am beleuchteten Objekt reflektiert oder absorbiert wird. Objekt Lichtquelle Abbildung 2 Gruppe der jährigen

4 Eine weitere Fehlvorstellung aus dieser Altersgruppe ist die Idee des Sehstrahls, der vom zum Objekt führt (man kann nur Sehn wenn man hinschaut). Objekt Lichtquelle Abbildung 3 Gruppe der jährigen (Sehstrahl) Die Schüler kommen häufig nicht von selbst zu der Einsicht, das Licht von Gegenständen teilweise absorbiert und gestreut wird. Bezüglich des Sehens besteht kein unterschied zwischen einem leuchtendem oder einem beleuchtetem Körper. Objekt Lichtquelle Abbildung 4 physikischer Sehvorgang Diese Präkonzepte können beispielsweise beim Verstehen des Sehvorgangs hinderlich sein, da bei den oben beschriebenen Konzepten die Sender- Empfängervorstellung als physikalische Grundlage des Sehens nicht vorhanden ist. Eine Lichtquelle strahlt Licht ab. Dieses fällt auf einen Körper, welcher das Licht reflektiert. Dadurch sendet dieser Körper nun selbst Licht aus. Fällt von diesem, vom Körper abgestrahlten Licht, nun ein teil ins, entsteht dort auf der Netzhaut ein Bild des beleuchteten Gegenstandes. Erst wenn Schüler zu der Erkenntnis kommen, dass Licht vom beleuchteten Körper zum gelangt, sind sie auch in der Lage strahlengeometrische Modelle, zur Erklärung des Sehvorgangs, zu verstehen. Wenn der Sehvorgang von den Schülern nicht begriffen wird, entstehen weitere Schwierigkeiten in optischen Bereichen, wie etwa bei der Schattenbildung, Reflexionsgesetz.

5 3) Innerhalb einer Unterrichtseinheit sollen Schüler/innen Eigenschaften von Sammellinsen erarbeiten. Konzipieren Sie dazu Aufgabenstellungen für drei Lernstationen! Geben Sie jeweils Lernziele und schulartgemäße Ergebnisformulierungen an! 1. Eigenschaften der Sammellinse Ziel: Brennweite und Brennpunkt sollen als Eigenschaften einer Sammellinse kennen gelernt werden. Es soll erkannt werden, dass Die Sammellinse das Licht zur optischen Achse hin bricht. Mit einer Lupe kann man das Sonnenlicht (annähernd parallele Lichtstrahlen) auf einen kleinen Punkt fokussieren um z.b. ein Blattpapier zu entzünden. In diesem Versuch wollen wir nachweisen, dass parallel einfallendes Licht durch eine Sammellinse in einem bestimmten Punkt gebündelt wird. Materialien: Netzgerät, bikonvexe Modellkörper, Experimentierlampe, Kabelbox, Blende mit Schlitzen, Tisch Versuchsdurchführung: Es sollen mehrere parallele Lichtstrahlen auf eine Sammellinse fallen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Strahlen parallel zur optischen Achse Verlaufen. Wie verhalten sich die Strahlen nach der Linse? (Antwort: Sie werden zur Optischenachse hin gebrochen und schneiden sich in einem Punkt) Markiere den Schnittpunkt der Strahlen mit F1. Anschließend wird die Lampe auf die andere Seite der Linse gestellt und die Strahlen ebenfalls parallel zur optischen Achse ausgerichtet. Markiere den Schnittpunkt der Strahlen jetzt mit F2. Was kann man feststellen? (Antwort: Der Abstand beider Brennpunkte zur Linse ist identisch)

6 In den nächsten zwei Stationen soll erkannt werden, dass Linsen verschiedene Bilder, in Abhängigkeit von der Gegenstandsweite, erzeugen können. 2. Bilder mit der Sammellinse Ein Fotoapparat verkleinert die Wirklichkeit auf ein Bild. In folgendem Versuch wollen wir diesen Vorgang mit Hilfe einer Sammellinse nachahmen. Materialien: 1 optische Bank, Experimentierleuchte, Stativstange, Reiterset, 1 Schirm, 1 Diapositiv, Linse, Netzgerät, Kabel Die Versuchsapparatur wird wie in folgender Skizze aufgebaut: Dia Linse Schirm Lampe Am einen Ende der optischen Bank wird die Lampe angebracht, am anderen der Schirm. Durch Verschieben der Linse kann nun auf dem Schirm ein Bild des Diapositivs erzeugt werden. Die Linse hat die Brennweite f = 100mm. Bewege die Linse solange bis du ein scharfes Bild auf dem Schirm erhältst. Achte darauf, dass der Abstand Dia Linse (Gegenstandsweite g) größer ist als die doppelte Brennweite f der Linse. Hinweis: Stelle die Linse direkt vor den Schirm und bewege sie von diesem weg, bis du ein scharfes Bild erhältst. Wie verhält sich das entstandene Bild für g > 2f? (Antwort: g > 2f verkehrtherum, verkleinert)

7 3. Bilder mit der Sammellinse Ein Diaprojektor wirft ein Großes Bild von einem kleinen Dia an die Wand. In diesem Versuch, wollen wir untersuchen, wie man die Linse in einem solchen Projektor positionieren muss, um ein Vergrößertes Bild zu erhalten. Materialien: 1 optische Bank, Experimentierleuchte, Stativstange, Reiterset, 1 Schirm, 1 Diapositiv, Linse, Netzgerät, Kabel Die Versuchsapparatur wird wie in folgender Skizze aufgebaut: Dia Linse Schirm Lampe Am einen Ende der optischen Bank wird die Lampe angebracht, am anderen der Schirm. Durch Verschieben der Linse kann nun auf dem Schirm ein Bild des Diapositivs erzeugt werden. Die Linse hat die Brennweite f = 100mm. Bewege die Linse solange bis du ein scharfes Bild auf dem Schirm erhältst. Stelle den Abstand Dia - Linse (Gegenstandsweite g) so ein, dass du auf dem Schirm ein vergrößertes Bild erhältst. Hinweis: stelle die Linse erst direkt vor das Dia und bewege sie dann immerweiter von diesem weg, bis du ein scharfes Bild erhältst. Wie muss g gewählt werden? (g<2f)

8 4) Beschreiben Sie aus physikalischer Sicht den Aufbau und die Funktionsweise des s! Erläutern Sie unter Zuhilfenahme von "Strahlengängen" die Korrekturwirkung von Brillen für Kurz bzw. Weitsichtige! Eintreffende Lichtstrahlen werden durch das System Hornhaut Linse auf die Netzhaut fokussiert. Die Netzhaut ist eine Schicht aus Nervenzellen, welche die Bildpunkte empfängt und einen Sinnesreiz an das Gehirn weitergibt. Die Brennweite der Linse, kann durch den Ziliarmuskel verändert werden. So ist dieser beispielsweise Entspannt, wenn das auf einen weit entfernten Gegenstand gerichtet ist. Die Maximale Brennweite, des Systems Hornhaut Linse, beträgt dann ca. 2,5 cm. Je näher der Gegenstand an das rückt, desto stärker wird die Linse durch den Ziliarmuskel gekrümmt, so dass die Brennweite verringert wird. Ein Weitsichtiges fokussiert die von einem nahe gelegenem Gegenstand kommenden Lichtstrahlen in einem Punkt hinter der Netzhaut (oben). Dies kann zum einen daran liegen, dass der Augapfel zu kurz oder die Brechung der Linse nicht Stark genug ist. Eine Sammellinse korrigiert diese Fehlsichtigkeit und die Lichtstrahlen werden auf die Netzhaut fokussiert. 3 Bei einem kurzsichtigen liegt der umgekehrte Vorgang zu Grunde, es fokussiert die einfallenden Lichtstrahlen vor der Netzhaut. Hier wird zur Korrektur eine Konkavlinse benötigt, um den Brennpunkt des Gesamtsystems nach hinten auf die Netzhaut zu verschieben. 4 5 Abbildung 5 Weitsichtigkeit Abbildung 6 Kurzsichtigkeit 3 [Tip] s [Tip] s

9 Quellen: [Web] DR.S.M. Werber, Skript zur Vorlesung Angewandte Fachdidaktik I (Version4.0) [Wil] Dr. T. Wilhelm, Skript zur Vorlesung Einführung in die Fachdidaktik I: Ziele und Inhalte [Tip] Tippler, Mosca, Physik 2. deutsche Auflage ( ) ( )