Fachdidaktik Physik:1.4.1. Phasenstruktur und Basismodellehans-otto.carmesin.org/images/script1/12Phasenstruktur2012.pdf · Fachdidaktik Physik:1.4.1. Phasenstruktur und Basismodelle

Fachdidaktik Physik:1.4.1. Phasenstruktur undBasismodelle

Hans-Otto CarmesinGymnasium Athenaeum Stade, Studienseminar Stade

[email protected]

4. April 2012

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 21.1 Kette funktionaler Zeitintervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Handlungskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Wissenschaftliche Fundierung und padagogische Freiheit . . . . . . . . . . . . 2

2 Einfaches Grundschema 3

3 Problemlosen und Entdeckenlassen 33.1 Voraussetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 Phasenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.3 Basismodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.4 Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.4.1 Konzeptwechsel und kognitiver Konflikt . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.5 Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4 Erarbeitende Lehrverfahren 84.1 Voraussetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.2 Phasenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.3 Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5 Darbietende Lehrverfahren 145.1 Voraussetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145.2 Phasenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

6 Basismodell Eigenerfahrung 18

7 Merkmale einer guten Phasenstruktur 18

1

8 Aufgaben 21

9 Zusammenfassung 22

1 Einleitung

Wir gliedern die Unterrichtsstunde in Phasen. Diese Phasen erfullen verschiedene Aufgabezugleich:

1.1 Kette funktionaler Zeitintervalle

Phasen schaffen eine fur die SuS gewohnte und durchschaubare Struktur. Sie sorgen dafur,dass die wesentlichen Schritte des Lernprozesses vorkommen. Denn im Lernprozess soll eineFragehaltung entwickelt werden, Antworten sollen aus dem Unterricht erwachsen und im Un-terricht gepruft werden, Ergebnisse sollen gesichert, reflektiert, angewendet und transferiertwerden (s. Kircher u. a. (2001)). Die SuS konnen ihre Aufmerksamkeit auf die aktuelle Pha-se und somit auf das im Lernprozess gerade Wesentliche zu konzentrieren; das ist sinnvoll,denn neurowissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass die insgesamt verfugbare Aufmerksam-keit ungefahr konstant ist (s. Spitzer (2009)). Auch steigert eine klare Struktur den Lernerfolg(s. Hattie (2009) und Meyer (2003))

Die Phasen zeigen den SuS, welches Rollenverhalten gerade angemessen ist. Denn im Unter-richt entwickeln sich die Schulerinnen und Schuler idealerweise vom Lernenden zum Lehrenden,beispielsweise im Schulervortrag, und von der Fremdbestimmung zur Selbstbestimmung, bei-spielsweise beim Problemlosen (s. Meyer (1994)). Solche grundlegenden Rollenwechsel in einergroßen Lerngruppe erfordern von jedem ein sehr variables Verhalten, das zudem jederzeit derjeweiligen fachlichen Fragestellung und der individuellen Kompetenz angepasst werden muss,damit alle SuS einen erfolgreichen Lernprozess erleben.

Die Abfolge der Phasen einer Unterrichtsstunde nennen wir die Phasenstruktur. Jede Phasesoll eine Funktion erfullen. Eine Phasenstruktur ist daher eine Kette funktionaler Zeitin-tervalle.

1.2 Handlungskette

Etwas konkreter werden auch Handlungsketten fur Unterrichtsstunden vorgeschlagen. Bei-spielsweise werden ideale Handlungsketten fur prototypische Lernprozesse vorgeschlagen (s.Trendel u. a. (2007); Draxler (2006)). Solche idealen Handlungsketten nennt man Basismo-delle. In manchen empirischen Studien wird Physikunterricht aufgezeichnet und auf solcheHandlungsketten hin analysiert. Dabei findet man fur den Physikunterricht drei wesentlicheBasismodelle (s. Trendel u. a. (2007); Draxler (2005)). Bei der Unterrichtsplanung konnen wirdiese als zusatzliche bewahrte Handlungsstruktur nutzen.

Hans-Otto Carmesin 2

1.3 Wissenschaftliche Fundierung und padagogische Freiheit

Die Phasenstrukturen werden in Bezug auf ihre Lernwirksamkeit bewertet. Diese wird empi-risch durch umfangreiche weltweit durchgefuhrte Metaanalysen bestimmt (s. Hattie (2009),Marzano (1998), Haußler u. a. (1998)). Die Basismodelle wurden zudem direkt empirisch ana-lysiert (s. Trendel u. a. (2007); Draxler (2006)).

Bei aller wissenschaftlicher Fundierung bleibt Ihre padagogische Freiheit bestehen: Sie er-stellen Unterrichtsentwurfe (s. Kultusministerium (2010a), §7, 4.7), hierbei konnen Sie bei-spielsweise das Skript zur Anregung und Arbeitsentlastung nutzen (s. Kultusministerium (2010b),Anlage 5.2.3). Sie fuhren den Unterricht in lebendiger und authentischer Weise durch. Dabeibeachten gehen Sie nicht nur auf den Mainstream ein, sondern ebenso auf individuelle Be-sonderheiten. Auch handeln Sie flexibel sowie situationsgerecht und geben Orientierung (s.Kultusministerium (2010b), Anlage 5.1.1 und 5.1.2).

2 Einfaches Grundschema

Jedem Lernprozess konnen drei Hauptphasen zugeordnet werden (s. Kircher u. a. (2001)):

1. Einstiegsphase

• Motivation: Das Thema ist fur SuS bedeutsam. SuS zeigen Interesse. (s. Hattie(2009))

• Problembewusstsein und Zielorientierung: Leitfrage (s. Hattie (2009))

2. Erarbeitungsphase: Kompetenzentwicklung: SuS eignen sich relevante Fahigkeitenan. (s. Chrost u. a. (2007), Chrost u. a. (2009))

3. Schlussphase (s. Hattie (2009))

• Ergebnissicherung: SuS formulieren eine Antwort

• Festigung: SuS wenden neue Fahigkeiten an

• Kontrolle: SuS zeigen ihre neue Kompetenz

3 Problemlosen und Entdeckenlassen

Problemlosende und entdeckenlassende Lehrverfahren sind besonders lernwirksam (s. Hattie(2009)). Sie werden im Detail in einer eigenen Fachsitzung dargestellt. Ein Beispiel zeigt dieStunde zur Entdeckung von Elektronenbeugung, s. u.


Abbildung 1: Lernbarrieren: Die SuS sollen die Lernbarriere relativ selbststandig uberwindenkonnen und diese zugleich als Herausforderung empfinden. In diesem Sinne ist eine Barrieremittlerer Schwierigkeit wesentlich.

3.1 Voraussetzung

Ein problemlosendes oder entdeckenlassendes Lehrverfahren ist nur dann geeignet, wenn dasThema eine herausfordernde Lernbarriere bietet. Auch muss diese Lernbarriere so gering sein,dass die SuS diese weitgehend selbststandig uberwinden konnen.

3.2 Phasenstruktur

Diese Lehrverfahren legen eine typische Phasenstruktur nahe (s. Kircher u. a. (2001); Leisen(2007)), so besteht ein Schema nach Roth aus folgenden Phasen:

1. Problemstellung: (Stufe der Motivation) Die SuS erkennen das Problemfeld und stellendie Leitfrage.

2. Problemanalyse: (Stufe der Schwierigkeiten) Die Schuler stellen Vermutungen auf undplanen Uberprufungen.

3. Losung: (Stufe der Losung) Die SuS fuhren verschiedene Uberprufungen durch.

4. Sicherung: (Stufe des Tuns und Ausfuhrens) Die SuS formulieren Ergebnisse und beant-worten diverse Lernkontrollen. Passend zum Verfahren erfolgt diese Sicherung in großerSelbststandigkeit der SuS, beispielsweise durch einen Vortrag einer Schulergruppe.

5. Erprobung, Reflexion, Transfer: (Stufe des Behaltens und Einubens, des Bereitstel-lens sowie der Ubertragung und Integration des Gelernten)

3.3 Basismodell

Eines der Basismodelle stellt das Problemlosen dar. Hierbei sind die folgenden Handlungs-schritte vorgesehen (s. Draxler (2006)):

1. Schuler entdecken ein Hier- und Jetzt-Problem in ihrem Erfahrungsbereich oder Leh-rer(innen) vermitteln ein Problem.


2. Sie formulieren daraus ein Problem, bestehend aus den Ausgangsbedingungen und einemanzustrebenden Ziel, die Mittel (Losungswege) sind unbekannt.

3. Schuler machen Losungsvorschlage.

4. Prufung, ob die vorgeschlagenen Losungswege bei den Ausgangsbedingungen zielfuhrendsind, sonst weitere Planung

5. Anwendung des Losungsweges auf neue Probleme (ahnlichen) Typs, Analyse der Ubertragbarkeitoder Verallgemeinerbarkeit des gewahlten Losungsweges, abstrakte Verallgemeinerungetc.

3.4 Varianten

Stammt das Problem nicht aus dem Erfahrungs- oder Interessenbereich der SuS, so sprechenwir von entdeckenlassendem Lernen. Sie konnen eine Vielzahl von Lernbarrieren arrangierenBeispiel sind (s. Aebli (1997)):

• Lucke: Sie konnen ein Problem arrangieren, bei dem Ihren SuS eine Erklarung, eineVersuchsskizze, eine Begrundung, eine Herleitung, eine Formel, ein Messverfahren oderdergleichen mehr fehlt.

• Kognitiver Konflikt: Sie konnen eine Beobachtung arrangieren, die Ihre SuS mit ihremaktuellen Konzept, dem sogenannten Basiskonzept, nicht erklaren konnen. Daraufhinentwickeln ihre SuS mit Ihnen ein neues umfassenderes Konzept.

• Unnotig komplizierte Vorstellungen oder Verfahren: Gerade in der Physik ent-wickeln Anfanger zunachst eine Vielzahl von Vorstellungen, die sich durch Strukturgleich-heiten oder Gemeinsamkeiten zusammenfassen und vereinfachen lassen.

3.4.1 Konzeptwechsel und kognitiver Konflikt

Eines der Basismodelle betrifft den Konzeptwechsel. Beispiele zeigen die Stunde zur Ent-deckung der Elektronenbeugung und die Stunde zur Entdeckung des Fotoeffekts, s. u. BeimKonzeptwechsel sind die folgenden Handlungsschritte vorgesehen (s. Draxler (2006)):

1. Verunsicherung des Lernenden in seinen Denkmustern, Desaquilibration von bestehendenStrukturen

2. Allmahliches Auflosen der bestehenden kognitiven Strukturen, Erkennen wichtiger neuerElemente, Relativierung der bestehenden Position und Pendeln zwischen verschiedenenMeinungen, Losungsansatzen und Begrundungsweisen.

3. Integration der neuen Elemente, Anderung von Wertigkeiten und Relationen, dadurchTransformation oder Abbau der alten Elemente.

4. Erprobung und Festigung der neuen Struktur durch deren Transfer auf andere Gebiete.


Ein weiteres Basismodell betrifft die Konzeptbildung. Dabei sind die folgenden Handlungs-schritte vorgesehen (s. Trendel u. a. (2007)):

1. Bewusstmachen des Wissens

2. Durcharbeiten eines prototypischen Musters

3. Darstellen der wesentlichen Merkmale und Prinzipien

4. Aktiver Umgang mit neuem Konzept

5. Vernetzung mit bekanntem Wissen

3.5 Abgrenzung

Beim entdeckenden Lernen wird den SuS Lernmaterial zur Verfugung gestellt. Die SuS findenselbst Fragestellungen heraus und beantworten diese. Dieses Lehrverfahren ist nicht besonderslernwirksam (s. Hattie (2009), Haußler u. a. (1998)).


Dr. Hans-Otto Carmesin Stade 2010

Kurzentwurf für eine Physikstunde Athenaeum PH EN 11

Thema der Unterrichtssequenz: Materiewellen

Entdeckung der Welleneigenschaft von Elektronen

Didaktik: Stundenlernziel: Die SuS können die Wellennatur von Elektronen begründen.

Inhaltliche Aspekte Verhaltensaspekte dazu

Lernvoraussetzung: Beugung von

Röntgenstrahlen

Erläutern

Lernvoraussetzung: Bragg-Bedingung Erläutern, Anwenden

Lernvoraussetzung: Pulvermethode Erläutern, Anwenden

Teillernziel: Wellennatur von Elektronen Begründen

Teillernziel: Wellenlänge von Elektronen Bestimmen

Methodik: Dominantes Lehrverfahren: Entdeckenlassend

Zeit Didaktische Erläuterungen Methodische Erläuterungen Sozialform

5 Hinführung: DE Beschreiben LSG

7 Problemstellung: Leitfrage Entwickeln LSG

15 Analyse: Ideen SuS schlagen vor MuG

35 Lösung: Auswertung GA

40 Sicherung: s.u. SV, Reflexion, Deutung SV

45 Konsolidierung: r für andere U HA: berechnen EA

Geplanter TA Wie erzeugt der Elektronenstrahl diese Ringe?

Beobachtung: Am Schirm entstehen konzentrische Ringe.

Deutung: Die Elektronen verhalten sich hier wie Wellen, die an der Graphitfolie gebeugt

werden. Denn die Ringe sehen genauso aus, wie die Beugungsringe bei der Beugung von

Röntgenstrahlen nach der Pulvermethode.

Messwerte: Die Radien sind r1 = 1,7 cm und

r2 = 2,9 cm, bei UA = 2,9 kV.

Netzebenenabstand: d1 = 0,213 nm & d2 = 0,123 nm

Auswertung: = ?

Geplante Schülerfolie: 2 d sin () = n mit n = 1 = 2 d sin (0,5arctan[r/s])

= 25,9 pm für r1 = 25,3 pm für r2

s = 139 mm

2

Graphitfolie

r

~

+ –

Anode

Graphit

UH

UA

Schirm


4 Erarbeitende Lehrverfahren

4.1 Voraussetzung

Wenn ein problemlosendes oder entdeckenlassendes Lehrverfahren ungeeignet ist, weil das The-ma keine herausfordernde Lernbarriere bietet oder weil die SuS die Lernbarriere nicht weitge-hend selbststandig uberwinden konnen, dann kann sich ein direkteres Lehrverfahren an-bieten. Hierbei ist fur die Lernwirksamkeit wichtig, dass die Lehrkraft klare sowie zielfuhrendeHinweise gibt und dass die SuS auf der Grundlage dieser Hilfen aktiv geeignete und anspruchs-volle Fragestellungen bearbeiten (s. Hattie (2009), Haußler u. a. (1998)). Mogliche direktereLehrverfahren sind erarbeitende Lehrverfahren.

4.2 Phasenstruktur

Zum aufgebend erarbeitenden Lehrverfahren wird folgendes Schema vorgeschlagen (s. Horn(2009)):

1. Einstieg

2. Entwicklung der Stundenfrage

3. Erarbeitung der Aufgabenstellungen

4. Sicherung

5. Konsolidierung

6. Ausstieg

4.3 Varianten

Beim aufgebend erarbeitenden Lehrverfahren erfolgt die Erarbeitung, Phase drei, im Rah-men eines Arbeitsauftrags. Dieses Lehrverfahren ist fur Anfanger besonders einfach, da dieLehrkraft der Unterrichtsstunde mit Hilfe von vorbereiteten Arbeitsauftragen, Arbeitsblattern,Webquests und dergleichen mehr bereits im Vorfeld eine Struktur geben kann. Wenn dieseStruktur stimmig ist, so ist die Lehrkraft in der Stunde entlastet und kann sich auf starker aufAspekte der eigenen Ausbildung konzentrieren. Ein Beispiel zeigt die Stunde zur Analyse vonMateriewellen, s. u. Dieses Lehrverfahren ist besonders wichtig und wird in einer Fachsitzungzur Aufgabenkultur intensiv behandelt.

Beim fragend erarbeitenden oder interaktiv erarbeitenden Lehrverfahren erfolgt dieErarbeitung, Phase drei, im Unterrichtsgesprach, ansonsten sind die Phasen gleich. Ein Beispielzeigt die Stunde zur Entdeckung des Fotoeffekts, s. u.




Thema der Unterrichtssequenz: Materiewellen

Entdeckung der Beugung von Neutronen, Atomen und Fullerenen

Didaktik: SLZ: Die SuS sollen die Beugung von Materie analysieren können.


LV: Elektronenwelle Erläutern, Analysieren

LV: Neutronen, Atome, Atomgruppen Erläutern

TLZ: Versuche mit Materiewellen Auswerten, Deuten

TLZ: Beobachtbarkeit von Materiewellen Analysieren

Methodik: Dominantes Lehrverfahren: Aufgebend erarbeitend


5 Einstieg: Elektronenbeugung, Ball DE, Beschreiben, Deuten LSG

7 Entwicklung der Stundenfrage: Leitfrage LSG

15 Erarbeitung 1: Vermutungen Entwickeln MuG, LSG

30 Erarbeitung: Wellenlängen Bestimmen, themendifferenziert,

AB 1

GA

40 Sicherung: s.u. SV, Reflexion SV

45 Konsolidierung: AB 2 HA EA

Geplanter TA

Kann man auch einen Ball beugen?

Vermutungen: Nein, das hätte man gesehen

Ja, man muss nur genau genug beobachten

Nein, das geht nur im Mikrokosmos, z. B. mit Neutronen

Je leichter das Objekt, desto größer ist die Wellenlänge.

Je langsamer das Objekt, desto größer ist die Wellenlänge.

Hätte der Ball die Geschwindigkeit null, so müsste er eine große Wellenlänge haben, das

müsste man merken.

Kontrolle: Wir analysieren Wellenlängen und Geschwindigkeiten von gebeugten Objekten

des Mikrokosmos.

Wir analysieren die Wellenlänge eines Balls. M = 100 g, v = 10-10

m/s

Neutron Heliumatom C60-Molekül Ball

v in m/s 3740 1601 210 10

λ 106 pm 62 pm 2,5 pm 6,626∙10-23

m

Ergebnisse:

Massive Objekte im Mikrokosmos haben relativ große Wellenlängen. Daher ist deren

Beugung praktisch beobachtbar.

Massive Alltagsgegenstände haben sehr kleine Wellenlängen, da sie praktisch nie ganz in

Ruhe sind.

Wären Alltagsgegenstände ganz in Ruhe, so wäre deren Wellenlänge sehr groß und man

müsste sie leicht beugen können.


Geplante Schülerfolien

Lösung zur Neutronenbeugung

Diamant: Ablenkwinkel 2 = 30° = 15° 2 d sin = = 106 pm

Aluminium: Ablenkwinkel 2 = 26° = 13° 2 d sin = = 106 pm

p = h/ = mv v = h/(m) = 3740 m/s

Lösung zur Beugung von Heliumatomen

d = 100 nm; n=10 bei α = 6,2 mrad

Maxima: sin α = n/d

= 0,1 ∙ d sin α = 62 pm

p = mv = h/;

m = 4∙1,67∙10-27

kg

v = h/(m) = 1600,9 m/s

Lösung zur Beugung von Fullerenen

Berechung mit v: m = 720∙1,67∙10-27

kg = h/p = h/(m∙v) = 2,6 pm

Beugung: tan α = 0,03 mm/1,25m ≈ sin α

d = 100 nm; n=1

Maxima bei Beugung am Liniengitter: sin α = n/d = d∙sinα = 2,4 pm

Mittelwert: = 2,5 pm

Lösung zur denkbaren Beugung eines Balls

Masse m = 100 g, v = 10-10

m/s

p = mv = h/ = h/(m∙v) = 6,626∙10-23

m

x

e

He-Quelle

Gitter


Arbeitsblatt, PH 11 eA, Dr. Carmesin 2010

Aufgabe 1: Beugung von Neutronen

Neutronen wurden an Diamant- sowie Aluminiumpulver gebeugt. Die Intensität wurde für

verschiedene Ablenkwinkel aufgetragen.

a) Der größte Netzebenenabstand beträgt bei Aluminium 236 pm und bei Diamant 205

pm. Bestimmen Sie die Wellenlänge der Neutronen.

b) Bestimmen Sie die Geschwindigkeit der Neutronen.

Aufgabe 2: Beugung von Heliumatomen

Beugung eines Strahls aus Heliumatomen an einem Liniengitter mit 100 nm Spaltabstand

nach Schöllkopf und Toennies 1996.

a) Erläutern Sie den zugrunde liegenden Versuch!

b) Bestimmen Sie die Wellenlänge und Geschwindigkeit der Heliumatome!


Aufgabe 3: Beugung von Fullerenen

Bei Fullerenen vom Typ C60 handelt es sich um Moleküle, die aus 60 Kohlenstoffatomen

bestehen. Das Molekül C60 hat eine Masse von 720 atomaren Einheiten und weist eine

Struktur auf, die mit der eines Fußballs, bestehend aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken,

identisch ist.

Ein Molekülstrahl aus C60 wurde 1999 von Zeilinger und seinen Mitarbeitern in

einem Ofen bei einer Temperatur von ca. 600 °C extrahiert, durch ein Doppelschlitzsystem

kollimiert, dahinter auf ein Gitter gerichtet, an dem der Gitter gebeugt und schließlich mittels

Ionisierung der gestreuten "Bälle" indirekt nachgewiesen. Der aus dem Ofen extrahierte

Molekülstrahl hat eine mittlere Geschwindigkeit von ca. 210 m/s.

Bestimmen Sie die Wellenlänge

a) aus der Geschwindigkeit,

b) aus der beobachteten Beugung.




Thema der Unterrichtseinheit: Photonen

Entdeckung des Fotoeffekts bei der Vakuumfotozelle

Didaktik: SLZ: Die SuS sollen den Fotoeffekt elektronisch deuten können.


LV: Elektron, Strom, Spannung, Widerstand Erläutern, Anwenden

LV: Wellenmodell des Lichts Erläutern, Anwenden

TLZ: Photoeffekt Beschreiben

TLZ: Stromstärke Bestimmen

TLZ: Zusammenhang Stromstärke – Farbe -

Beleuchtungsstärke

Ermitteln

Methodik: Dominantes Lehrverfahren: Fragend erarbeitend


3 Hinführung: CCD-Kamera DE Fotozelle LSG

6 Entwicklung der Stundenfrage: Leitfrage LSG

20 Erarbeitung: DE, Messung von U, I-

Bestimmung, elektronische Deutung

Experimentieren, Auswerten,

Zusammenhang ermitteln

SSG

25 Sicherung: s.u. SV, Reflexion SV

30 Konsolidierung: Skizzieren der Elektronenbewegung EA

Geplanter TA

Wie können wir aus Licht Elektrizität erzeugen?

Entdeckung: 1839, Alexandre Edmond

Funktionsweise

Licht trifft auf die Metallschicht.

Dabei wird ein Elektron aus dem Metall gelöst.

Dieses kommt zufällig zur Drahtschlaufe.

Die Ladung fließt durch das Messgerät

zurück zur Metallfolie.

I = U/R = 1 mV/1 M = 1 nA

Ergebnis: Licht kann Elektronen aus einem Metall lösen. U

Licht

R = 1 M


5 Darbietende Lehrverfahren

5.1 Voraussetzung

Wenn ein problemlosendes oder entdeckenlassendes Lehrverfahren ungeeignet ist, weil das The-ma keine herausfordernde Lernbarriere bietet oder weil die SuS die Lernbarriere nicht weitge-hend selbststandig uberwinden konnen, dann kann sich ein direkteres Lehrverfahren an-bieten. Hierbei ist fur die Lernwirksamkeit wichtig, dass die Lehrkraft klare sowie zielfuhrendeHinweise gibt und dass die SuS auf der Grundlage dieser Hilfen aktiv geeignete und anspruchs-volle Fragestellungen bearbeiten (s. Hattie (2009), Haußler u. a. (1998)). Mogliche direktereLehrverfahren sind darbietende oder expositorische Lehrverfahren. Details werden in einer ei-genen Fachsitzung hierzu behandelt.

5.2 Phasenstruktur

Zum expositorisch-deduktiven Lehrverfahren wird folgendes Schema vorgeschlagen (s. Horn(2009)):

1. Einstieg

2. Konzepthilfe 1: Anknupfung und Fragestellung

3. Konzepthilfe 2: Vermittlung von Ankerbegriffen (Advance Organizer) und/oder Regeln

4. Uberprufung

5. Sicherung

6. Ruckgriff und/oder Bestatigung der Regeln

7. Konsolidierung

8. Ausstieg

Wird die Regel nicht in Phase drei vermittelt, sondern in Phase funf abgeleitet, so sprechenwir vom induktiv-expositorischen Verfahren. Ein Beispiel zeigt die Stunde zur Einfuhrung derZeigerdarstellung, s. u.




Thema der Unterrichtssequenz: Antreffwahrscheinlichkeiten

Entdeckung der Proportionalität der Antreffwahrscheinlichkeit zum Quadrat der Amplitude

der Wellenfunktion

Einführung der Zeigerdarstellung

Didaktik: SLZ: Die SuS sollen die Antreffwahrscheinlichkeit mit Zeigern berechnen können.


LV: Überlagerung Erläutern

LV: Wellenfunktion Erläutern, Berechnen

LV: w, s(x); (x) Erläutern

TLZ: Zeigerdarstellung für Amplitude Erläutern

TLZ: Zeigerdarstellung für Amplitude Anwenden auf Doppelspaltversuch

Methodik: Dominantes Lehrverfahren: Expositorisch-deduktiv


5 Einstieg: Fallbeispiel der Vorstunde Wiederholung LSG

10 Anknüpfung und Fragestellung: w

Leitfrage entwickeln LSG

25 Advance Organizer: Beispiel, Wege TA, OHP, Infoblatt LV

45 Überprüfung: Prüfung Vermutung Binnendifferenziert: Graph mit

GTR oder Beweis

GA

60 Sicherung: 2

s.u. SV, OHP, TA, Reflexion SV

80 Festigung: Dreifachspalt Bearbeiten, evtl. auch HA PA

90 Festigung 2: Vierfachspalt HA EA

Geplanter TA

Beispiel der Vorstunde:

Wellenfunktion: 1 = cos(2π[t/T – s/λ])

und 2 = cos(2π[t/T – s/λ] + 2s/)

Wegunterschied: s

Phasen abkürzen: 0 = t∙2π/T – s1∙2π /λ und = 2s/

1 = cos(0) und 2 = cos(0 + )

Überlagerung: = 1 + 2 = cos(0) + cos(0 + )

Wie bestimmen wir 2

ohne Additionstheorem?

Ergebnis:

Zeiger

)sin(

)cos(

0

0

1

Z und

)sin(

)cos(

0

0

2

Z

2

= | Z1 + Z2 |2 unabhängig von 0 wähle 0 = 0

2

= (1+cosΔ)2 + (sinΔ)

2

b

e

2

1

s

Spaltabstand d = 0,09 mm

e = 35 mm

= 0,0005mm


Material für Overlayfolien für den Lehrervortrag

Informationsblatt, PH 12 eA, Dr. Carmesin 2012

GEGEBEN: = cos(0) + cos(0 + )

GESUCHT: Amplitudenquadrat 2

BISHER: Additionstheorem: = 2∙cos(0 + /2) ∙ cos(/2)

Maximum: 2 = 2∙cos(/2)

2 = 4∙[cos(/2)]

2

PROBLEM: Additionstheorem schwierig für Dreifachspalt

NEU: Zeiger

)sin(

)cos(

0

0

1

Z und

)sin(

)cos(

0

0

2

Z

Die Vektorsumme ist

)sin()sin(

)cos()cos(

00

00

21

ZZZ

TRICK: Das Dreieck aus Z1, Z2 und Z dreht sich

mit der Winkelgeschwindigkeit um den Ursprung.

Dabei ist |Z| ist konstant.

2 ist unabhängig von 0.

Wir wählen 0 = 0

sin

cos1Z

2

= |Z|2 = (1+cosΔ)

2 + (sinΔ)

2

PROBE:

1) GTR

2) Herleitung:

Bisher: 2

= 4∙[cos(/2)]2 = 2 + 2 cos (s. Formelsammlung S. 24)

Zeiger: 2

= |Z|2 = (1+cos)

2 + (sin)

2 = 1 + 2cos + (cos)

2 + (sin)

2 = 2 + 2 cos

Z1

x = cos(0t)

0

y = sin(0)

Z2 Z

x = cos()

y = sin()


Geplante Schülerlösung

Dreifachspalt

Spaltabstand d = 0,015 mm; e = 35 mm; = 0,0005mm.

Die Längeneinheit ist hier immer 1 mm.

GEGEBEN: = cos(0) + cos(0 + )+ cos(0 + 2)

GESUCHT: Amplitudenquadrat 2

s = d∙sin[arctan(b/e)] ≈ d∙b/e = b∙0,000428

= 2s/ = 5,4∙b

Wir wählen 0 = 0

)2sin(sin

)2cos(cos1

Z

2

= |Z|2 = {(cos[-5,4∙b]+1+cos[5,4∙b])

2 + (sin[-5,4∙b] +sin[5,4])

2 }/9 | Symmetrie

2

= |Z|2 = 2(cos[5,4∙b]+1)

2 /9

Dreifachspalt: 2; Berechnung im GTR

Lage des Hauptmaximums

= s = d∙sin[arctan(b/e)] ≈ d∙b/e = b∙0,000428 b = /0,000428 = 1,14 [mm]

b

e

d

s


6 Basismodell Eigenerfahrung

Eines der Basismodelle entwickelt die Eigenerfahrung der SuS weiter zur physikalischen Vorstel-lung (s. Abb. 2). Hierbei sind die folgenden Handlungsschritte vorgesehen (s. Draxler (2006)):

1. Inneres Vorstellen des Handelns im Kontext (Vorbereitung, Ablaufsplanung, Ermittlung).

2. Handeln im Kontext (Herstellen, Verandern, Experimentieren, Suchen und Ordnen etc.)

3. Erste Ausdifferenzierung durch Reflexion des Handlungsweges, des Handlungszieles unddes Handlungssinnes.

4. Generalisierung des Ausdifferenzierungsergebnisses.

5. Ubertragung der Lernkonsequenzen auf großere Zusammenhange, Einstieg in die symbo-lische Reprasentation.

7 Merkmale einer guten Phasenstruktur

• Der Unterrichtsprozess wird fur SuS und Lehrkraft einsichtig.

• Ubereinstimmung der außeren Struktur mit der inneren Sachstruktur. Vorsicht, eine guteaußere Struktur sichert nicht die sachliche Richtigkeit.

• Berucksichtigung der subjektiven Bedurfnisse und Lernvoraussetzungen der SuS, der ob-jektiven Anspruche der Lehraufgabe und der Handlungsmoglichkeiten der Lehrkraft.

• Reduktion der Komplexitat des Unterrichtsprozesses fur die Lehrkraft.

• Das methodische Handeln der Lehrkraft wird zielstrebig sowie transparent und bietetden SuS ein Orientierungsmuster.

• Jede Phase hat eine Funktion, die Lehrkraft geht erst zur nachsten Phase uber, wennalle SuS das Ziel der aktuellen Phase erreicht haben.

• Es gibt zahlreiche Gelegenheiten fur die wichtige anspruchsvolle gedankliche Aktivierungder SuS. Beispiele sind in Gruppenarbeit, binnen- oder themendifferenzierte Phasen,Murmelgesprache und dergleichen mehr.


Abbildung 2: Kurzentwurf zu einer Stunde, bei der die SuS von ihrer Eigenerfahrung zumfallenden Ball ausgehen.


Abbildung 3: Tafelbild und Schulerfolie zur Stunde zum fallenden Ball.


Abbildung 4: Bildfolge der SuS zur Stunde zum fallenden Ball.

8 Aufgaben

1. Analysieren Sie die Stunde zur Elektronenbeugung bezuglich der Handlungsketten zuden Basismodellen Problemlosen und Konzeptwechsel.

2. Analysieren Sie die Stunde zur Entdeckung des Fotoeffekts bezuglich der Handlungskettezum Basismodell Konzeptwechsel.

3. Analysieren Sie die Stunde zum Zeigermodell bezuglich der Phasenstruktur.

4. Analysieren Sie die Stunde zum fallenden Ball bezuglich der Handlungskette zum Basis-modell Eigenerfahrung.

5. Entwerfen Sie eine Stunde zur Einfuhrung der Zentripetalkraft gemaß dem BasismodellEigenerfahrung.

6. Entwerfen Sie eine Stunde zur Einfuhrung der Zentripetalkraft gemaß dem BasismodellKonzeptwechsel.

7. Entwerfen Sie eine Stunde zur Einfuhrung der Zentripetalkraft gemaß dem BasismodellProblemlosen.


9 Zusammenfassung

Wir gliedern die Unterrichtsstunde in eine Kette von Zeitabschnitten oder Phasen, dieden SuS die Zeit geben, die wesentlichen Abschnitte des Lernprozesses erfolgreich zu durch-laufen. Dabei achten wir darauf, dass die Phasen uberschaubar, funktional, lernwirksam undzielfuhrend sind. Auch soll die Phasenstruktur zur Sachstruktur passen.

Wir gliedern die Unterrichtsstunde zugleich in eine Handlungskette, die den SuS an-spruchsvolle, fachgerechte und progressive Aktivitaten ermoglichen. Hierbei konnen uns anden bewahrten Basismodellen orientieren.

Ich wunsche Ihnen mit Ihren SuS viele Phasen mit anspruchsvollen Handlungen und groß-artigen Lernerlebnissen, die fortschreitend zu weitreichenden Kompetenzen fuhren.

Literatur

[Aebli 1997] Aebli, Hans: Zwolf Grundformen des Lehrens. 9. Stuttgart : Klett-Cotta, 1997

[Chrost u. a. 2009] Chrost, Gerhard ; Gehmann, Kurt ; Hampe, Ulf ; Heider, Marion ;Mannigel, Nicole ; Marx, Gebhard ; Muller, Jochen ; Rode, Michael ; Schlobinski-Voigt, Ute: Kerncurriculum fur das Gymnasium - gymnasiale Oberstufe, die Gesamtschule- gymnasiale Oberstufe, das Fachgymnasium, das Abendgymnasium, das Kolleg, Physik, Nie-dersachsen. Hannover : Niedersachsisches Kultusministerium, 2009

[Chrost u. a. 2007] Chrost, Gerhard ; Gehrmann, Kurt ; Mundlos, Bernd ; Rode, Michael; Schlobinski-Voigt, Ute: Kerncurriculum fur das Gymnasium, Schuljahrgange 5 - 10,Naturwissenschaften, Niedersachsen. Hannover : Niedersachsisches Kultusministerium, 2007

[Draxler 2006] Draxler, Christina: Facetten professioneller Handlungskompetenz von Physik-und Sachunterrichtslehrerinnen und -lehrern, Universitat Duisburg-Essen, Diss., 2006

[Draxler 2005] Draxler, Dennis: Aufgabendesign und basismodellorientierter Physikunter-richt, Universitat Duisburg-Essen, Diss., 2005

[Hattie 2009] Hattie, John: Visible Learning. London : Routledge, 2009

[Horn 2009] Horn, Wolfgang: Reihenfolge der Planungsschritte fur Unterrichtsstunden. Zu-sammenfassungsblatt, Stade, Studienseminar, 2009

[Haußler u. a. 1998] Haußler, Peter ; Bunder, Wolfgang ; Duit, Reinders ; Graber, Wolf-gang ; Mayer, Jurgen: Perspektiven fur die Unterrichtspraxis. Kiel : IPN, 1998

[Kircher u. a. 2001] Kircher, Ernst ; Girwidz, Raimund ; Haußler, Peter: Physikdidaktik.2. Berlin : Springer, 2001

[Kultusministerium 2010a] Kultusministerium, Niedersachsisches: Durchfuhrung derAPVO-Lehr. Hannover : Niedersachsisches Kultusministerium, 2010


[Kultusministerium 2010b] Kultusministerium, Niedersachsisches: Verordnung uber die Aus-bildung und Prufung von Lehrkraften im Vorbereitungsdienst (APVO-Lehr), Nds. GVBl.,29.7.2010. Hannover : Niedersachsisches Kultusministerium, 2010

[Leisen 2007] Leisen, Josef: Problemorientierter Unterricht und Aufgabenkultur. In:Mikelskis-seifert, Silke (Hrsg.) ; Rabe, Thorid (Hrsg.): Physik Methodik. Berlin : Cor-nelsen Skriptor, 2007

[Marzano 1998] Marzano, Rober J.: A Theory-Based Meta-Analysis of Research on Instruc-tion. Aurora, Colorado : Mid-continent Educational Laboratory, 1998

[Meyer 1994] Meyer, Hilbert: Unterrichtsmethoden I. 6. Berlin : Cornelsen Skriptor, 1994

[Meyer 2003] Meyer, Hilbert: Merkmale guten Unterrichts. In: Padagogik 10 (2003), S. 36–43

[Spitzer 2009] Spitzer, Manfred: Lernen, Gehirnforschung und die Schule des Lebens. 2.Heidelberg : Spektrum, 2009

[Trendel u. a. 2007] Trendel, Georg ; Wackermann, Rainer ; Fischer, Hans E.: Lernprozes-sorientierte Lehrerfortbildung in Physik. In: Zeitschrift fur Didaktik der Naturwissenschaften13 (2007), S. 9–31


Documents

Fachdidaktik Physik:1.4.1. Phasenstruktur und Basismodellehans-otto.carmesin.org/images/script1/12Phasenstruktur2012.pdf · Fachdidaktik Physik:1.4.1. Phasenstruktur und Basismodelle