Wir kommen dem Geheimnis der schwarzen Kiste auf die Spur

Datum: 19. Mai 2009 Autor: malcomxyz Kommentare: 0

Zusätzliche Informationen:

Wir kommen dem Geheimnis der schwarzen Kiste auf die Spur - Schattenbildung mit zwei Lichtquellen

1. Begründung der Unterrichtseinheit und Stellung der Stunde

In der Unterrichtseinheit „ Optik 1 - Ausbreitung des Lichtes““ kann an vielfältige Vorfahrungen der Schüler1 angeknüpft werden, da die Schüler täglich mit optischen Phänomenen konfrontiert werden. In ihrem Alltag machen sie aber keine differenzierten Erfahrungen mit Lichterscheinungen, so dass diese Phänomene im Physikunterricht aufgearbeitet werden müssen. Als dabei anzustrebende Form des Lernens soll bei dieser Unterrichtseinheit das experimentierende und konstruierende Handeln mit möglichst vielen Sinnen im Vordergrund stehen, das eine hohe Schüleraktivität erfordert. Da die Schüler erst wenige Physikstunden hatten, müssen die Schüler erst langsam an Schülerexperimente heran geführt werden. Im Folgenden ist der Aufbau der Unterrichtseinheit „Optik 1 – Ausbreitung des Lichtes zu finden“:

1. Stunde: Regeln im Physikunterricht
Hauptlernziel: Die Schüler erarbeiten Regeln für den Physikunterricht, indem sie eine Gruppenarbeit durchführen.

2-5. Stunde: Lichtquellen – Ausbreitung des Lichtes
Hauptlernziel: Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich ein Grundverständnis von der Modellvorstellung der Lichtausbreitung, indem verschiedene Experimente und Bilder gedeutet und Strahlengänge gezeichnet werden.

6. Stunde: Die Schattenbildung mit einer Lichtquelle
Hauptlernziel: Die Schüler erarbeiten die Begriffe Schattenbild und Schattenraum, indem sie den Lichtstrahlenverlauf bei der Bildung des Schattens einzeichnen.

7. Stunde: Die Schattenbildung mit zwei Lichtquellen
Hauptlernziel: Die Schüler untersuchen problemorientiert die Schattenbildung zweier Lichtquellen, indem sie Schülerversuche durchführen.

8.-9. Stunde: Schatten im Weltraum
Hauptlernziel: Die Schüler sollen mithilfe von Demonstrationsversuchen das
Zustandekommen von Mondphasen sowie von Sonnen- und Mondfinsternis erarbeiten und an entsprechenden Bildern einzeichnen

10.-11 Stunde: Wiederholung und Test

1. Sofern keine Notwendigkeit in einer geschlechtlichen Differenzierung besteht, wird im Folgenden stellvertretend für beide Geschlechter der Begriff „Schüler“ verwendet.

2. Didaktische Strukturanalyse

2.1 Lernbedingungen

2.1.1 Allgemeine Lernbedingungen

In der Klasse 7xx unterrichte ich seit August 2008 eigenverantwortlich eine Stunde Physik die Woche. Die Lerngruppe besteht aus 9 Jungen und 7 Mädchen im Alter von 12 - 13 Jahren. Die Jugendlichen befinden sich in unterschiedlichen Phasen ihrer Pubertät, wobei einige Mädchen schon weiter entwickelt sind als die Jungen jedoch einige der Jungen noch recht kindlich wirken Insgesamt herrscht zwischen den Schülern ein positives Arbeitsklima, die Schüler akzeptieren mich als Lehrkraft. Das Sozialverhalten ist insgesamt als gut einzuschätzen, die Schüler akzeptieren einander, gehen freundlich miteinander um und helfen sich gegenseitig. Ausnahmen sind hierbei Jonas R. und Eike, die sich anfangs gegenseitig abgelenkt haben. Durch eine neue Sitzordnung hat sich dies aber gebessert. Besonders positiv ist die aktive Mitarbeit vieler Mädchen zu erwähnen. In der Lernbereitschaft und Leistungsfähigkeit der Schüler ließen sich bisher einige Unterschiede innerhalb der Klasse feststellen. Zu den leistungsstärkeren Schülern gehören xxxx, xxx, xxx, xxxxund xxx, Diese Schüler leisten gute Beiträge im Unterricht und arbeiten kontinuierlich mit. xxxx und xxxx arbeiten sehr gut mit und bringt die Lerngruppe durch gute Äußerungen voran. Gelegentlich sind diese Schüler aber auch unruhig, insbesondere xxx, muss zur Ruhe ermahnt werden xxx, xxx, xxxxxx, xxxxx und xxxl bilden das breite mittlere Leistungsfeld. Die Mitarbeit der genannten Schüler ist durchwachsen. Eike und Sonja arbeiten regelmäßig mit, auch wenn manchmal ihre Beträge nicht passend sind. Zu den Schülern mit weniger guten Lernvoraussetzungen gehören xxxxx. und xxxxx Alle beteiligen sich sehr wenig mit mündlichen Beiträgen, aber sie können dennoch dem Unterrichtsgeschehen folgen, da sie bei der direkten Ansprache meistens eine Antwort geben können. Deswegen versuche ich diese Schüler durch die direkte Ansprache mehr in das Unterrichtsgeschehen zu integrieren. Bei Demonstrationsversuchen wähle ich bewusst einen dieser Schüler als Assistenten aus, um sie zu ermutigen sich mehr am Unterrichtsgeschehen zu beteiligen.

2.1.2 Spezielle Lernvoraussetzungen

In dieser Stunde liegt der fachliche Schwerpunkt bei dem Erarbeiten des Schattenbildes mit zwei Lichtquellen. Die Schüler haben in der Vorstunde mithilfe eines Demonstrationsversuchs bereits den Lichtstrahlenverlauf sowie die Fachbegriffe Lichtquelle, Schirm, Lichtstrahlen, Körper, Schattenbild und Schattenraum erarbeitet. Neben den fachlichen Inhalten liegt ein methodischer Schwerpunkt dieser Unterrichtsstunde in der selbstständigen Erarbeitung und Organisation des Lernprozesses, indem Schülerversuche durchgeführt werden. Bisher haben die Schüler mit meiner Unterstützung Schülerversuche in Partner- und Gruppenarbeit durchgeführt, so dass sie bereits erste Erfahrungen sammeln konnten, was das selbstständige Arbeiten betrifft. Natürlich bedarf es im Anfangsunterricht einer ständigen und regelmäßigen Wiederholung von Schülerversuchen, damit sich diese wissenschaftliche Methode bei den Schülern festigt. Daher kann nicht vorhergesagt werden, wie gut sie mit dieser Lernsituation umgehen, wie viel Zeit benötigt wird und wie produktiv die Erkenntnisse beim Experimentieren sein werden.
Das Präsentieren wurde bereits in anderen Unterrichtsfächern eingeübt. Dabei zeigte sich, dass einige Schüler noch Probleme hatten vor der Gruppe zu sprechen.

2.2 Lerngegenstandsbearbeitung

2.2.1 Sachanalyse

Ein Schatten ist ein Raum, der begrenzt ist durch eine von der Lichtquelle abgewandten Seite eines lichtundurchlässigen Körpers. Dieser Raum wird auch als Schattenraum („Raum ohne Licht“) bezeichnet (vgl. Abb. 1). Das durch den Körper und der Lichtquelle erzeugte Projektionsbild kann auf einen weiteren Gegenstand treffen (vgl. Muckenfuß, 2008, S. 21). Auf diesem Gegenstand entsteht ein zweidimensionales Abbild des Körpers (vgl. Abb.1), das als Schattenbild bezeichnet wird. Je nach Anzahl der Lichtquellen wird
zwischen mehrere verschiedenen Schatten unterschieden (vgl. Abb. 2). Der Kernschatten ist der dunkelste Raum Bereich des Schattens. Der Halbschatten ist die Fläche, die nicht das volle Licht der Umgebung erhält. Erst die Existenz von mindestens zwei Lichtquellen kann Kernschatten- und Halbschattenflächen erzeugen (vgl. ebd., S. 22).

Demonstrationsversuch:
Der Demonstrationsversuch, der zum Einstieg und zur Problematisierung dient, ist wie folgt aufgebaut. In einer „Black Box“ befinden sich zwei Lichtquellen. Für die Schüler ist dies nicht ersichtlich, da die Lichtquellen abgedeckt sind. Vor der „Black Box“ befindet sich ein Holzklotz und ein Schirm auf dem das Schattenbild mit Kern- und Halbschatten gut sichtbar für die Schüler abgebildet wird.

Schülerversuche:
Für die Schülerversuche erhalten die Schüler eine Materialkiste in der sich zwei Kerzen, ein Schirm, ein Holzklotz und eine Streichholzverpackung befinden. Damit die Schüler nicht dazu verleitet werden mit den Streichhölzern zu spielen, befinden sich in der Streichholzverpackung lediglich zwei Streichhölzer. Die Schüler sollen mithilfe der Materialien versuchen das Schattenbild aus dem Demonstrationsversuch nachzubilden. Daraus wird ersichtlich, dass für dieses Schattenbild zwei Lichtquellen zur Verfügung gestellt werden müssen.
Aus der Sachanalyse wird ersichtlich, dass im Rahmen der didaktischen Reduktion auf eine mathematische Beschreibung des Magnetfeldes verzichtet wird (vgl. HKM, S.6).

2.2.2 Didaktische Entscheidungsbegründung

Neben der sachanalytischen Betrachtung der Lerninhalte ist es von großer Bedeutung, das Stundenthema „Wir kommen dem Geheimnis der schwarzen Kiste auf der Spur – Schattenbildung mit zwei Lichtquellen“ zu begründen. Dieses Thema wird im Rahmen der Unterrichtseinheit „Optik 1 – Ausbreitung des Lichtes“ durch den Rahmenlehrplan Hauptschulschule Physik für die achte Jahrgangsstufe legitimiert (vgl. HKM, 1995, S.10). Schatten und Schattenbilder sind Phänomen, die die Schüler schon in frühester Kindheit kennen gelernt haben, ohne zu wissen, was Schatten eigentlich sind. Schatten können bei den Schülern negative Gefühle hervorrufen. Gerade abends wenn Bäume Schatten werfen (durch Straßenlaterne oder Vollmond), der Wind die Äste und Blätter bewegt und die mysteriös wirkenden Schattenbildern im Jugendzimmer der Schüler sichtbar werden, können Ängste hervorgerufen werden. Den Schülern ist nicht bewusst dass es sich bei Schattenbildern lediglich um einen „lichtleeren“ Raum handelt. Durch die Behandlung des Themas im Physikunterricht kann dies den Schülern bewusst werden und ihnen jetzt und zukünftig Ängste nehmen. Mithilfe einfacher Experimente können die Schüler Grundeinsichten in die Schattenbildung erhalten, um im Rahmen des darauf folgenden Themengebietes „Schatten im Weltraum“, exemplarisch nachvollziehen zu können, wie die Mondphasen, sowie die Sonnen- und Mondfinsternis entsteht.

2.2.3 Methodische und mediale Konsequenzen

Der Ablauf der Unterrichtstunde basiert auf dem forschend – entwickelnde Unterrichtsverfahren. Im Folgenden werden die jeweiligen Unterrichtsphasen dargestellt. Die Unterrichtstunde beginnt mit einem Demonstrationsversuch, der die Schüler kognitiv aktivieren und neugierig machen soll. Der bereits aufgebaute Versuch ist zum Unterrichtsbeginn noch abgedeckt, so dass die Schüler beim Betreten der Klasse den Versuchsaufbau noch nicht erkennen können. Da es sich um eine relativ kleine Klasse handelt und alle Schüler sich relativ nahe an dem Experimentiertisch befinden gehe ich davon aus, dass jeder Schüler den Versuch bzw. die Auswirkungen deutlich beobachten kann. Alternativ hätten die Schüler sich im Kreis im den Experimentiertisch versammeln können, allerdings wäre dafür zuwenig Platz und es würde unnötige Unruhe entstehen. Der Demonstrationsversuch ist so aufgebaut, dass die Schüler lediglich das sich auf dem Schirm befindliche Schattenbild erkennen können. Dafür wird der Raum leicht abgedunkelt. Die zwei Lichtquellen befinden sich unter einer „Black Box““, so dass sie für die Schüler nicht sichtbar sind. Die Schüler beschreiben zunächst das Schattenbild, so dass für alle ersichtlich wird, dass sich auf dem Schirm zwei „helle Schatten“ und ein dunklere“ Schatten befindet. Die Aufmerksamkeit soll zunächst auf dem Schattenbild liegen. Da es sich die Klasse erst im Anfangsunterricht befindet, werde ich die Problemstellung „Wie könnte ein solches Schattenbild zustande kommen?“ vorgegeben und an der Tafel fixieren. Die Schüler sollen „raten“, was sich unter „Black Box“ verbirgt und dabei kognitiv aktiv werden. Sollten die Schüler nicht aus eigener Kraft Lösungsvorschläge machen können, so werde ich sie mithilfe von verbalen Impulsen dort hinführen („Denkt mal an die letzte Stunde!“; „Wie war das mit den Schatten?“; „Welche Gegenstände benötigt man, um Schatten zu „erzeugen“? usw.). Vermutlich könnten Hypothesen wie „da befinden sich noch weitere Lichtquellen unter der Black Box“, „das sind noch weitere Körper unter der Black Box“ oder „da sind Körper unter der Black Box, die etwas lichtdurchlässig sind“ von den Schülern geäußert werden. Die Hypothesen werden unterhalb der Fragestellung von mir an der Tafel fixiert. Die Vermutungen der Schüler bleiben bis zum Ende der Stunde an der Tafel stehen, um im Rahmen der Abstraktion wieder darauf zurückgreifen zu können.

Die Hypothesen der Schüler sollen in der folgenden Experimentierphase überprüft werden. Bevor die Experimentierphase startet, werden die Schüler auf die Sicherheitsbestimmungen hingewiesen. Im Folgenden wird der Arbeitsauftrag von mir mündlich erläutert. Zusätzlich erhalten die Schüler den Arbeitsauftrag in Form eines Arbeitsblattes (vgl. Anhang, S.12). Die Arbeitsblätter haben fünf verschiedene Farben und auf jedem Arbeitsblatt steht der Name eines Schülers. Mithilfe der Farben finden sich die fünf Arbeitsgruppen zusammen. Die Arbeitsgruppen sind somit vorgegeben, was den Schülern aber wahrscheinlich nicht auffallen wird. Bei der Gruppenzusammensetzung wurde darauf geachtet, dass die Gruppen aus leistungsheterogenen Schülern bestehen, damit sich die Schüler gegenseitig unterstützen können. Alternativ hätten auch homogene Gruppen gebildet werden können, allerdings könnte dies gerade für die schwächeren Schüler nachteilig sein, so dass im schlechtesten Fall keine Ergebnisse aus der Experimentierphase zustande kommen könnten. Gruppenarbeit ist von Vorteil, da sich die Schüler im Anfangsunterricht befinden und beispielsweise Partnerarbeit mehr Interaktivität von den einzelnen Schülern fordern würde. Die Gefahr, dass die Schüler bei der Partnerarbeit überfordert sind, wäre somit größer. Im Gegenzug besteht bei der Gruppenarbeit aber auch die Gefahr, dass sich einige Schüler aus dem Unterrichtsgeschehen zurückziehen. Nachdem die Gruppenfindungsphase abgeschlossen ist, holt ein Schüler je Gruppe selbstständig die Versuchsmaterialien von dem „Lerntisch“, die vorbereitet in einer Kiste zur Verfügung gestellt werden. Dies soll die Eigenständigkeit und das Verantwortungsbewusstsein der Schüler stärken. Im Anschluss beginnen die Schüler mit den Schülerexperimenten. Ich habe mich für Schülerexperimente entschieden, da Schülerexperimente den Schülern einen leichteren Zugang zu physikalischen Themen bieten. Denn die thematischen Inhalte, die die Schüler selbst sehen, selbst erfahren und eine hohe Schüleraktivität fordern, ziehe ich anderen Formen der Wissensvermittlung, wie Demonstrationsversuchen bzw. Lehrerversuchen, vor. Des Weiteren ermuntern Schülerexperimente gerade schwächere Schüler zur Mitarbeit. Die Schüler sollen nach Abschluss der Schülerversuche die Ergebnisse notieren und eine Zeichnung („Bauplan“) zur Anordnung der Experimentiermaterialien zeichnen (vgl. Anhang S. 13). Des Weiteren übertragen die Schüler den „Bauplan“ auf eine Overheadfolie, um den „Bauplan“ in der anschließenden Präsentationsphase vorzustellen. Für die reine Experimentierphase stehen die Schülern etwa fünfzehn Minuten zur Verfügung. Diese Zeitvorgabe wird zusätzlich an der Tafel notiert, so dass sich die Schüler eigenverantwortlich und selbstständig die Zeit einteilen können. Für die schnelleren Schüler steht ein zusätzliches Arbeitsblatt zur Verfügung (vgl. Anhang, S. 17).

Im Rahmen der Differenzierung biete ich den Schülern verschiedene Hilfen an. Sollten einige Gruppen Probleme haben, die Versuchsmaterialien richtig anzuordnen damit das gewünschte Schattenbild entsteht, so kommen zwei Lernhilfen zum Einsatz. Die erste Lernhilfe enthält den Versuchsaufbau, aber nicht wie die Lichtquellen richtig angeordnet werden müssen, damit das gewünschte Schattenbild entsteht (vgl. Anhang, S. 15). Die zweite Lernhilfe ist der fertige Bauplan. Der Bauplan wird auf dem Tisch ausgebreitet und die Schüler müssen lediglich die Versuchsmaterialien den Zeichen auf dem Bauplan zuordnen (vgl. Anhang, S. 16). Die zweite Lernhilfe kommt nur dann zum Einsatz, wenn die Schüler im Rahmen der Experimentierphase wirklich zu keinem Ergebnis gekommen sind. Dadurch ist gewährleistet, dass jede Gruppe zu einem Ergebnis kommen wird und die Schüler nicht demotiviert werden. Des Weiteren werden insbesondere die schwächeren Schüler durch mich besonders unterstützt. Die schnelleren Gruppen erhalten ein zusätzliches Arbeitsblatt. In der Präsentationsphase erhalten zwei Gruppen die Möglichkeit ihre Ergebnisse zu präsentieren. Die Schüler können dafür die Versuchsmaterialien, den während der Experimentierphase angefertigten „Bauplan“ sowie ihr Arbeitsblatt (Wie seid ihr vorgegangen?; Was habt ihr gemacht?; Was waren eure Beobachtungen?) nutzen.. Es werden absichtlich zwei Gruppen präsentieren, obwohl sich die Ergebnisse überschneiden werden, damit sich die restlichen Schüler durch die Wiederholung die Ergebnisse besser einprägen können. Des Weiteren haben einige Schüler noch Probleme Ergebnisse vor der Gruppe zu präsentieren, so dass hinsichtlich dieser Schüler Rücksicht genommen wird. Die Gruppen, die nicht präsentieren, vergleichen ihre Aufzeichnungen mit den Ergebnissen der Präsentationsgruppen.

In der Vertiefungsphase kommt der „Bauplan“ erneut zum Einsatz. Die Schüler sollen den Strahlenverlauf der beiden Lichtquellen verschiedenfarbig einzeichnen (vgl. Anhang S. 14). An dieser Stelle sind Schwierigkeiten zu erwarten, obwohl der Strahlenverlauf bei einer Lichtquelle bereits bekannt ist. Durch verbale Impulse („Überlegt euch, wie der Strahlenverlauf bei einer Lichtquelle war“; „Zeichnet zunächst nur den Strahlenverlauf für eine Lichtquelle ein“) werden die Schüler den Strahlenverlauf richtig einzeichnen können. Im Anschluss ordnen die Schüler die Fachbegriffe (Lichtquelle, Körper, Schirm, Lichtstrahlen, Halbschatten, Kernschatten) die auf kleinen Folienstücken Stücken stehen, passend zu. Dabei werden die beiden für die Schüler neuen Begriffe Kernschatten und Halbschatten vermutlich zunächst außer Acht gelassen, da die Begriffe unbekannt sind. Durch verbale Impulse („Da liegen noch zwei Begriffe, überlegt, wo wir die noch zuordnen können.“; „Hört mal genau auf das Wort Halbschatten“; „Denkt an den Versuch und überlegt welches Bereich des Schattens zu dem Begriff passen würde.“). Im Anschluss ergänzen die Schüler ihren „Bauplan“ um den Strahlenverlauf und die Fachbegriffe und ein Merksatz wird notiert.

In der Phase der Abstraktion werden die Ergebnisse der Unterrichtstunde mit den zu Beginn der Stunde gebildeten Hypothesen verglichen. Das Geheimnis der schwarzen Kiste wird gelüftet, so dass die Schüler deutlich erkennen, welche Hypothese richtig bzw. falsch war. Die falschen Hypothesen werden von der Tafel entfernt. Nach dem Vergleich besteht eine Ausstiegsmöglichkeit, falls Zeitmangel besteht. Die Stunde endet mit der Reflexionsphase, bei der die Schüler wiederholen sollen, welche Inhalte in der Unterrichtstunde behandelt worden sind. Als didaktische Reserve sollen die Schüler Überlegungen äußern, woher sie dieses Schattenbild aus ihrem Alltag kennen.

2.3 Lernziele

Hauptlernziel: Die Schüler sollen die Schattenbildung zweier Lichtquellen problemorientiert untersuchen, indem sie in Gruppenarbeit Schülerversuche durchführen.
Feinlernziele:
a) kognitiver Bereich
Die Schüler sollen…
• die Problemstellung mithilfe verbaler Impulse erkennen, indem sie den Demonstrationsversuch beschreiben.
• Hypothesen zur Schattenbildung äußern, indem sie „raten“, was sich unter der „Black Box“ befinden könnte.
• mithilfe der ihnen zur Verfügung stehenden Materialien das Schattenbild nachbilden, indem sie die Materialien richtig anordnen.
• ihren „Bauplan“ für das Schattenbild präsentieren, indem sie den Overheadprojektor nutzen (nicht alle Schüler!).
• den Strahlenverlauf auf ihrem „Bauplan“ richtig einzeichnen, indem sie auf ihr Vorwissen zurückgreifen (Schattenbildung bei einer Lichtquelle).
• die Fachbegriffe Lichtquelle, Schirm, Körper, Halbschatten und Kernschatten lernen, indem sie sie auf dem „Bauplan“ richtig zuordnen.
• erkennen, welche Vermutung richt/falsch war, indem sie die Versuchsergebnisse mit den Vermutungen vergleichen.

b) sozial-affektiver Bereich
Die Schüler sollen…
• Selbstständigkeit einüben, indem sie die benötigten Materialien eigenständig organisieren.
• sorgsam und sachgerecht mit den Experimentiermaterialien umgehen.
• in ihrer Kooperationsfähigkeit gefördert werden, indem sie sich miteinander besprechen, aufeinander eingehen und sich bei Problemen gegenseitig helfen.

3. Literatur – und Abbildungsverzeichnis

3.1 Literatur

• Hessischen Kultusministerium (Hrsg.): Rahmenlehrplan Physik Hauptschule. Frankfurt/Main 1995.
• Meyer, Hilbert / Jank, Werner: Didaktische Modelle, 5. Auflage, Cornelsen Verlag Scriptor GmbH & Co. KG, Berlin. 2002.
• Muckenfuß, Heinz (Hrsg.): Interaktiv Physik. Cornelson Verlag. Berlin. 2008.
• Schmidkunz, H.; Lindemann, H.: Das Forschend-Entwickelnde Unterrichtsverfahren. Hohenwarsleben. Westarp. 2003.
• Tipler, Paul A: Physik. 1. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag GmbH Heidelberg, Berlin.1994.

3.2 Abbildungen

• Abbildung 1
Schattenbildung bei einer Lichtquelle
aus: Muckenfuß, Bernd: Natur und Technik. Physik für die Sekundarstufe 1. Cornelson Verlag. Berlin. 1987. S.15.

• Abbildung 2
Unterschiedliche Schatten bei zwei Lichtquellen
aus: Muckenfuß, Heinz (Hrsg.): Interaktiv Physik. Cornelson Verlag. Berlin. 2008. S.23.

4. Verlaufsplanung