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

Das Thema «Magnetismus» in der Primarschule (Klassenstufen 5 bis 6) 01.04.2014 1

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

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. 01.04.2014 3

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 4 3 10% korrekt 90% falsch Wason-Selection-Task: Kein Transfer zwischen Situationen mit formal isomorpher Struktur 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 4 3 10% 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

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

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

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

Wie lässt sich der Aufbau intelligenten Wissens unterstützen? Schülervorstellungen kennen und nutzen kognitiv aktivierende Unterrichtseinstiege geistige Repräsentationswerkzeuge nutzen 01.04.2014 9

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?

Expertise im Schachspiel 15

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. 01.04.2014 16

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. 01.04.2014 17

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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. 01.04.2014 21

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. 22 01.04.2014

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. 23 01.04.2014

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. 01.04.2014 24

Schülervorstellungen zum Magnetismus Grösse des Magneten ist für die Stärke der Anziehung ausschlaggebend (wg. grösserer Oberfläche) 01.04.2014 25

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

Newtons Pendel veranschaulicht die Impuls- und Energieerhaltung.

Kommen die Kugeln gleichzeitig ins Ziel?

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), 207 217. 32

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

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

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

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

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

Umgestaltung des Begriffswissens: Von Oberflächenmerkmalen zu abstrakten Merkmalen

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

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

Friedrich-Unterrichtsmaterialien Klassenstufe 5 bis 6 Magnetismus 01.04.2014 43

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

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

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?

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

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 01.04.2014 49

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 01.04.2014 50

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 01.04.2014 51

Permanentmagneten (Ferromagnetismus) 01.04.2014 52

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. 01.04.2014 53

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 01.04.2014 54

Sequenz 1: Was wir schon über Magneten wissen 01.04.2014 55

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? 01.04.2014 56

Arbeitsblätter für die Gruppe A (wenig Vorwissen über Magneten) 01.04.2014 57

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Arbeitsblätter für die Gruppe B (viel Vorwissen über Magneten) 01.04.2014 74

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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. 01.04.2014 87

Lernziele von Sequenz 1 Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden verschiedene Magnetformen und benennen diese. 01.04.2014 88

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. 01.04.2014 89

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. 01.04.2014 90

Sequenz 2: Magneten wirken durch etwas hindurch 01.04.2014 91

Sequenz 3: Magneten wirken durch etwas hindurch Das Magnetfeld Anziehung unterschiedlicher Magneten Fragestellungen und Vermutungen Abschwächung der Wirkung eines Magneten Das faire Experiment 01.04.2014 92

Das Magnetfeld 01.04.2014 93

Das Magnetfeld 01.04.2014 94

Anziehung unterschiedlicher Magneten Fragestellungen und Vermutungen 01.04.2014 95

Abschwächung der Wirkung eines Magneten Das faire Experiment 01.04.2014 96

Sequenz 3: Die Ausrichtung von Magneten 01.04.2014 101

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) 01.04.2014 102

Die Ausrichtung drehbar gelagerter Magneten Vergleich mit Kompassnadel 01.04.2014 103

Geografische und magnetische Pole 01.04.2014 107

Geografische und magnetische Pole 01.04.2014 108

Die Geschichte des Magnetismus Vertiefung zur Missweisung (Deklination) 01.04.2014 109

Das Modell der Elementarmagneten Sequenz 4 01.04.2014 113

Warum bleibt die Klammer dort hängen? 01.04.2014 114

Wie kann man (selber) Magneten herstellen? Wie kann man Gegenstände aus Eisen magnetisieren? Wie kann man sich vorstellen, was dabei passiert? 01.04.2014 115

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S N 01.04.2014 117

3 1 2 5 4 01.04.2014 118

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S N 01.04.2014 120

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Weitere Modelle für Elementarmagneten: Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=e-m9i8gr1rg 123 01.04.2014

Weitere Modelle für Elementarmagneten: Quelle: http://www.supra-lernplattform.de/index.php/lernfeld-natur-undtechnik/magnetismus/magnetismus-methodische-variante-a-einfuehrende-instruktion?start=7 01.04.2014 124

Weitere Modelle für Elementarmagneten: Magnetnadeln Quelle: http://gfs.khmeyberg.de/0910/0910klasse6cph/0910unterrichtphysik6cmagnetismus.html 01.04.2014 125

Was passiert, wenn man einen Magneten teilt? 01.04.2014 126

Was passiert, wenn man einen Magneten teilt? 01.04.2014 127

Was passiert, wenn man einen Magneten teilt? ((Vorname Nachname)) 01.04.2014 128

S N S N 01.04.2014 129

Was passiert, wenn man einen Magneten teilt? Wie kann man sich die Anordnung der Elementarmagneten im zerteilten magnetisierten Draht vorstellen? 01.04.2014 130

Was passiert, wenn man einen Magneten teilt? S N S N S N S N 01.04.2014 131

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Arbeit mit den Versuchskarten S N S N ((Vorname achname)) 01.04.2014 133

Arbeit mit den Versuchskarten ((Vorname achname)) 01.04.2014 134

Arbeit mit den Versuchskarten 01.04.2014 135

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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 01.04.2014 149

Prozessbezogene Lernziele Sequenz 4 Die Schülerinnen und Schüler erklären Beobachtungen durch Modelle benennen Grenzen von Modellen 01.04.2014 150

Woher kommen eigentlich Magneten? Quelle: www.magnete.de 01.04.2014 151

Irreführende Darstellung: Plus- und Minuspol, «motivierte» Elementarmagnete Quelle ( Löwenzahn ): http://www.youtube.com/watch?v=xvi5z-rst28 01.04.2014 153

Weitere Modelle für Elementarmagneten: Weisssche Bezirke Quelle: http://gfs.khmeyberg.de/0910/0910klasse6cph/0910unterrichtphysik6cmagnetismus.html 01.04.2014 154

Weitere Modelle für Elementarmagneten: Computersimulation Quelle: http://gfs.khmeyberg.de/0910/0910klasse6cph/0910unterrichtphysik6cmagnetismus.html 01.04.2014 155

Der Elektromotor Sequenz 5 01.04.2014 156

Hintergrund: Elektromagnetismus Quelle: http://quatschtronauten.wordpress.com 01.04.2014 157

Hintergrund: Elektromagnetismus Elektromagnet Elektromotor Generator 01.04.2014 158

Was ist eine Spule? xxx 01.04.2014 159

Versuche mit der Spule 01.04.2014 160

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Versuchsaufbau «Elektromagnet» 01.04.2014 162

Experimentieren mit dem Elektromagneten 01.04.2014 163

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. 01.04.2014 165

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. 01.04.2014 168

Vorteile von Elektromagneten Welchen Vorteil hat es, bei einem Schrottkran einen Elektromagneten einzusetzen und nicht einen «normalen» Magneten? 01.04.2014 170

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Versuchsaufbau Elektromotor Schritt 1: 01.04.2014 172

Versuchsaufbau Elektromotor Schritt 1: ein Elektromagnet ein Magnet zieht die stromdurchflossene Spule an (bzw. stösst sie ab) ((Vorname Nachname)) 01.04.2014 173

Versuchsaufbau Elektromotor Schritt 2: Permanentmagnet fixieren Neodym- Magnet in Knetmasse fixieren Nordpol nach oben 01.04.2014 174

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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 01.04.2014 176

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Quelle: http://www.werken-technik.de 01.04.2014 178

Quelle: http://www.ulfkonrad.de/physik/geraete/motor.htm 01.04.2014 179

Elektromagnete im Haushalt 01.04.2014 180

Elektromotoren im Haushalt 01.04.2014 181