Luft und Luftdruck. Eine Einführung in die KiNT-Unterrichtsmaterialien. Ralph Schumacher

Luft und Luftdruck Eine Einführung in die KiNT-Unterrichtsmaterialien Ralph Schumacher

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.

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?

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.

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?

Die Bedeutung des Wissens für das Können Expertise = domänenspezifische Leistung Experten-Novizen-Paradigma: Vergleich von Experten vs. Novizen (z.t. kombiniert mit IQ hoch vs. niedrig) - ein Experte bringt auf einem bestimmten Gebiet stabil herausragende Leistungen (z.b. Bundesligaschachspieler) - ein Novize ist (eher) neu innerhalb eines Gebiets (aber kein Laie, z.b. Anfänger oder Hobbyschachspieler) 6

Fußball-Studie Schneider, W., Körkel, J., & Weinert, F. E. (1989). Domain-Specific Knowledge and Memory Performance: A Comparison of High- and Low- Aptitude Children. Journal of Educational Psychology, 81, 306 312. 800 Versuchspersonen Aufgabe: aus einem Text über Fußball möglichst viele Informationen im Gedächtnis zu behalten 7

Begabung vs. Wissen Wissenspsychologie und Expertiseforschung: Wissen ist wichtiger als Intelligenz/Begabung ( weiche Expertise Hypothese) 40 35 Free recall score 30 25 20 15 10 5 0 IQ lower IQ higher IQ lower IQ higher wenn Wissen erworben wurde, ist Intelligenz/Begabung irrelevant ( harte Expertise Hypothese; umstritten! ) Novizen Experten 8

Expertise im Schachspiel 9

Expertise im Schachspiel Kinderstudie Schach: Expertenkinder besser als Novizen-Erwachsene 10

Die Gedächtnisleistung hängt (fast) ausschliesslich von der Wissensorganisation ab: Neue Information muss an bestehende angebunden werden. Geringer Einfluss von Strategiewissen, starker Einfluss von Alzheimer und anderen Gehirnkrankheiten. Es gibt keinen unspezifischen Transfer (weder durch Latein, noch durch Schach oder Musik). Nicht mangelnde Motivation, sondern fehlendes Wissen als Ursache für schlechte Merkleistung (Information geht durch die Maschen). 11

Fazit: Eine überdurchschnittliche Intelligenz, wenn sie eingesetzt wird, kann in jedem Stadium des Lernens und der Expertise Vorteile bringen. Aber es gibt durchaus Möglichkeiten, eine geringere Intelligenz durch gezieltes Üben und den Erwerb von Wissen zu kompensieren. Grenzen der Kompensierbarkeit (z.b. Inhaltsgebiete wie theoretische Physik) Vorteile überdurchschnittlicher Intelligenz beim Aufbau einer Wissensbasis 12

Worin unterscheiden sich Kinder und Erwachsene? Das heisst, was entwickelt sich? Jean Piaget: Kinder bis 12 Jahren denken anders: Mangelnde Abstraktionsfähigkeit Zentrierung Mangelnde Reversibilität Mangelnde Perspektivübernahme

Drei Berge - Aufgabe

False-Belief-Task

Wissenschaftliches Denken: Hypothesen testen

Piagets zentrale Annahmen widerlegt Vereinfachte Versionen der Aufgaben konnten gelöst werden Stufenmodell inadäquat

Worin unterscheiden sich Kinder und Erwachsene? Das heisst, was entwickelt sich? Piaget: Abstraktionsfähigkeit (besser Denken) Alternative Theorie: besser wissen

Warum naturwissenschaftlicher Unterricht in der Primarschule? Interessensentwicklung Lernmotivation / Fähigkeitsselbstkonzept (Kompetenzerleben) Aufbau von Begriffswissen: Intelligentes Wissen als Lernziel Vermeidung von Misskonzepten / Fehlvorstellungen Vorbereitung wissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen

Umgestaltung des Begriffswissens: Von Oberflächenmerkmalen zu abstrakten Merkmalen

Intelligentes Wissen als Lernziel Flexibel einsetzbares Wissen, das den Transfer des Gelernten auf neue Fälle ermöglicht Intelligente Wissensorganisation nach problemlösungsrelevanten Kriterien (anstatt nach Oberflächenmerkmalen) Abstraktes Begriffswissen Vielfältige relevante Wissensbezüge z.b. zu technischen Realisierungen naturwissenschaftlicher Prinzipien

Umgestaltung des Begriffswissens: Von Oberflächenmerkmalen zu abstrakten Merkmalen

Umgestaltung des Begriffswissen: Gewicht ist nicht das, was sich schwer anfühlt, sondern was sich messen lässt. 26

Intelligentes Wissen als Lernziel Flexibel einsetzbares Wissen, das den Transfer des Gelernten auf neue Fälle ermöglicht Intelligente Wissensorganisation nach problemlösungsrelevanten Kriterien (anstatt nach Oberflächenmerkmalen) Abstraktes Begriffswissen Vielfältige relevante Wissensbezüge z.b. zu technischen Realisierungen naturwissenschaftlicher Prinzipien

Abstraktes Begriffswissen: Speicherung von Energie

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

(1) Schülervorstellungen Um die Wissensvermittlung im Unterricht optimal gestalten zu können, müssen Lehrpersonen Folgendes wissen: (1) Welche Anforderungen an das Vorwissen der Lernenden sind mit bestimmten Lernzielen verbunden (Konzepte, Organisation der Wissensbasis)? (2) Wie ist das Vorwissen der Lernenden tatsächlich beschaffen? Welche Missverständnisse und Fehler sind zu erwarten, wenn sie mit diesem Wissen bestimmte Aufgaben zu bewältigen versuchen? (3) Worin besteht das Lernziel? Wie sollte die Organisation der Wissensbasis nach Erreichen des Lernziels beschaffen sein?

Schülervorstellungen Was schwimmt was sinkt? Schwere und gelochte Gegenstände sinken. Kleine, leichte und flache Gegenstände schwimmen. Nur solche Dinge schwimmen, in denen Luft enthalten ist. Alle Gegenstände aus Holz schwimmen. Alle Gegenstände aus Stein gehen unter.

Schülervorstellungen Was passiert mit dem Wasser, wenn ich etwas eintauche? Je schwerer ein Gegenstand ist, desto mehr Wasser verdrängt er, auch wenn die Gegenstände gleich gross sind. Beispiel: Eine schwere Kugel verdrängt mehr Wasser als eine leichte Kugel, obwohl beide Kugeln gleich gross sind. Das Wasser will zurück an seinen Platz.

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

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

Lernen aus konstruktivistischer Sicht Lernen als aktiver und konstruktiver Prozess Lernen als Verändern von Präkonzepten Anschlussfähige und nicht-anschlussfähige Schülervorstellungen Kognitiv aktivierende Lernformen Lernerfolge diagnostizieren

Ziele beim Lernen naturwissenschaftlicher Themen in der Primarschule Freude am Nachdenken über Phänomene aus Natur und Technik Selbstvertrauen entwickeln, etwas herausfinden und verstehen zu können die Bereitschaft entwickeln, sich auf forschendes Lernen einzulassen und Herausforderungen im Denken anzunehmen die Fähigkeit entwickeln, über naturwissenschaftlich-technische Fragen zu kommunizieren beginnen, ein Verständnis von wissenschaftlichem Arbeiten und von Experimenten aufzubauen

Schülervorstellungen Luft nimmt keinen Platz ein, weil man sie nicht sieht. Luft ist nur da, wenn der Wind weht. Luft wiegt nichts, weil man sie nicht fühlen kann. Luft will nach oben, d.h. sie hat ein negatives Gewicht. Luft / das Vakuum saugt: Die Luft / das Vakuum saugt den Saughaken an, so dass dieser nicht von der Wand fällt. Luftdruck ist immer von oben nach unten gerichtet.

Schülervorstellungen Luft enthält Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Man spürt einen Widerstand, wenn man sich z.b. mit einer Pappe durch die Luft bewegt ( Gegenwind ). Luft kann Dinge in Bewegung setzen.

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

Gesprächsführung im Unterricht Sinnliche Wahrnehmung unterstützen: Kannst Du sehen, was passiert, wenn Du das Glas unter Wasser drückst? Was spürst Du, wenn Du den Luftballon in der Flasche aufblasen willst?

Gesprächsführung im Unterricht Erklärungen einfordern: Wie kommt es, dass wir einen Widerstand spüren, wenn wir mit der Pappe laufen? Wie kommt es, dass sich die Windmühlenflügel drehen, wenn der Wind weht?

Gesprächsführung im Unterricht Widersprüche herausstellen: Du sagst, Luft wiegt nichts. Urs hat gesagt, Luft ist auch ein bisschen schwer, auch wenn man das gar nicht spürt. Wie können wir das überprüfen?

Gesprächsführung im Unterricht Übertragung anregen: Hast Du schon einmal woanders gesehen, dass erwärmte Luft etwas in Bewegung versetzt? Warum haben Rennautos ein solches Aussehen?

Gesprächsführung im Unterricht Beweise einfordern: Stimmt es, dass ein Vakuum Lebensmittel haltbarer macht? Oder ist das nur ein Versprechen der Werbung? Wie könnten wir das überprüfen?

Gesprächsführung im Unterricht Erkennen von Zusammenhängen und Regeln anregen: Wenn die Luft in der Flasche erwärmt wird, dann (braucht sie mehr Platz als vorher.)

Gesprächsführung im Unterricht Ideen hervorheben: Sabine hat da gerade eine ganz neue Idee. Sie sagt, dass die Luft nun (nach dem Abpumpen mit der Vakuumpumpe) nicht mehr so stark drücken kann wie vorher. Was meint Ihr dazu?

Gesprächsführung im Unterricht Grenzen von Vorstellungen aufzeigen: Du sagst, dass das Glas leer ist. Warum kann denn dann kein Wasser in das Glas laufen, wenn ich es unter Wasser drücke? Du sagst, dass die Luft nichts ist. Worauf liegen wir denn bei einer Luftmatratze?

KiNT-Unterrichtsmaterialien Luft und Luftdruck Schall was ist das? Schwimmen und Sinken Brücken und was sie stabil macht

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

Fragen zur geplanten 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

Fragen zur geplanten 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?

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

Kooperationsvertrag mit den Lehrpersonen Aufbau der Tests Verlaufsplan zum Einsatz der KiNT-Kisten Einverständniserklärungen der Eltern Elternbrief / Informationen für die Eltern

Übersicht über die Unterrichtsthemen Luft ist nicht nichts (1. und 2. Schuljahr) Warme Luft erforschen (2. und 3. Schuljahr) Luftdruck und Vakuum (3. und 4. Schuljahr)

1. Unterrichtseinheit: Luft ist nicht nichts (1. und 2. Schuljahr) Luft braucht Platz Luft bremst Wind ist bewegte Luft Gepresste Luft

Sequenz 1 Station 1: Die Taucherglocke

Sequenz 1 Station 2: Das U-Boot

Sequenz 1 Station 3: Luft umfüllen

Sequenz 1 Station 4: Luftballon in einer Flasche aufblasen

Sequenz 1 Station 5: Ist der Trichter verstopft?

Sequenz 2: Luft bremst Stationen 1-6

Sequenz 3: Luft bremst Bau eines Fallschirms

Sequenz 4: Luft bremst Bau eines Segelautos

Sequenz 5: Wind ist bewegte Luft Wind kann Dinge vor sich her treiben

Sequenz 7: Gepresste Luft

Lernziele der ersten Unterrichtseinheit Luft ist nicht nichts. Sie nimmt so viel Raum wie möglich ein und füllt diesen vollständig aus. Dabei kann sie andere Stoffe wie z.b. Wasser verdrängen. Luft füllt den gesamten Raum um uns herum aus und bremst Gegenstände, die durch die Luft bewegt werden. Gase wie z.b. Luft kann man zusammendrücken: Man kann entweder ihr Volumen verkleinern (Spritze) oder die Menge des Gases bei gleichem Volumen erhöhen (Fahrradreifen). Da man Gase zusammendrücken kann, kann z.b. gepresste Luft Dinge tragen und bewegen.

2. Unterrichtseinheit: Warme Luft erforschen (2. und 3. Schuljahr) Was passiert mit eingesperrter erwärmter Luft? Warme Luft steigt nach oben Warme Luft steigt auf und treibt an Sauerstoff ist in der Luft wichtig

Sequenz 1: Was passiert mit eingesperrter erwärmter Luft? Station 1

Sequenz 1: Was passiert mit eingesperrter erwärmter Luft? Stationen 5-6

Sequenz 1: Was passiert mit eingesperrter erwärmter Luft? Stationen 7-8

Sequenz 2: Warme Luft steigt nach oben Der Heissluftballon

Sequenz 3: Warme Luft steigt auf und treibt an

Sequenz 4: Sauerstoff in der Luft ist wichtig

Lernziele der zweiten Unterrichtseinheit Warme Luft braucht mehr Platz als kältere Luft und steigt nach oben, wenn sie nicht eingesperrt ist. Eingesperrte warme Luft drückt stärker (gegen die Wände der Flasche und gegen die Münze) als kältere Luft. Bei Verbrennungen wird Luft (Sauerstoff) benötigt.

3. Unterrichtseinheit: Luftdruck und Vakuum (3. und 4. Schuljahr) Hat Luft Gewicht? Das Luftmeer Wir entdecken das Nichts Die Entdeckung des Vakuums durch Otto von Guericke Die Wirkungen des Luftdrucks anhand verschiedener Versuche erfahren Der Luftdruck verändert sich mit der Höhe

Sequenz 1: Hat Luft Gewicht?

Sequenz 2: Das Luftmeer

Sequenz 3: Wir entdecken das Nichts

Sequenz 4: Die Entdeckung des Vakuums durch Otto von Guericke Die Magdeburger Halbkugeln

Sequenz 5: Die Wirkung des Luftdrucks anhand verschiedener Versuche erfahren

Sequenz 5: Die Wirkung des Luftdrucks anhand verschiedener Versuche erfahren Station 1: Plastikflasche

Sequenz 5: Die Wirkung des Luftdrucks anhand verschiedener Versuche erfahren Station 2: Glas am Mund

Sequenz 5: Die Wirkung des Luftdrucks anhand verschiedener Versuche erfahren Station 3: Saughaken

Sequenz 5: Die Wirkung des Luftdrucks anhand verschiedener Versuche erfahren Station 4: Ausgussreiniger

Sequenz 5: Die Wirkung des Luftdrucks anhand verschiedener Versuche erfahren Station 5: Luftballon im Glas

Lernziele der dritten Unterrichtseinheit Wir leben auf dem Grund eines Luftmeeres. In der zusammengepressten Luft herrscht ein Druck. Dieser Druck wird mit der Höhe geringer. Einen luftleeren bzw. luftverdünnten Raum nennen wir ein Vakuum. Im Vakuum herrscht ein geringerer Luftdruck als in dem das Vakuum umgebenden Raum. Man spricht auch von Unterdruck oder von einem relativen Vakuum.

Lernstandsdiagnose

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