Was schwimmt und was sinkt 2

Datum: 17. Juni 2009 Autor: Valle83 Kommentare: 0

Zusätzliche Informationen:

Was schwimmt und was sinkt 2

Thema der Unterrichtsreihe:

„Schwimmen und Sinken“

Thema der Unterrichtsstunde:

„Was schwimmt und was sinkt 2“ - Planung und Durchführung verschiedener Experimente zur Schwimmfähigkeit unterschiedlicher Gegenstände, um zuvor aufgestellte Hypothesen zu überprüfen.

Ziel der Unterrichtsstunde:

Die Schüler lernen, durch handlungsorientiertes Experimentieren eigene Hypothesen bezüglich der Schwimmeigenschaft von Gegenständen zu überprüfen und in schriftlicher sowie zeichnerischer Form zu protokollieren.

1 Aufbau der Unterrichtsreihe

1. Was schwimmt und was sinkt? – Kinder entdecken durch freies Experimentieren schwimmende und sinkende Gegenstände und stellen Vermutungen auf.
2. „Was schwimmt und was sinkt 2“ – Planung und Durchführung verschiedener Experimente zur Schwimmfähigkeit unterschiedlicher Gegenstände, um zuvor aufgestellte Hypothesen zu überprüfen.
3. Wir bauen ein Floß aus verschiedenen Materialien
4. „Was passiert mit dem Wasser, wenn etwas eingetaucht wird?“
5. „Warum steigt das Wasser bei verschiedenen Gegenständen unterschiedlich hoch?“ – Versuche zur Verdrängung

2 Situation der Lerngruppe

2.1 Allgemeine Lernvoraussetzungen

Die „XXX– Klasse“ (Jahrgangsstufe 1) der Friedrich-List-Schule in Köln besuchen zurzeit insgesamt 15 Kinder. Die Klasse setzt sich aus 5 Mädchen und 10 Jungen zusammen. Alle Kinder dieser Klasse sind ausländischer Herkunft. Die Mehrheit der Schüler und Schülerinnen ist zwar in Deutschland geboren und aufgewachsen, hat aber heterogene sprachliche Barrieren und Verständnisschwierigkeiten. Dies ist sicherlich sowohl auf die mehrsprachige Erziehung als auch auf mangelhafte Deutschkenntnisse der Eltern zurückzuführen.
Das Leistungsniveau der Klasse ist heterogen und teilt sich in 3 leistungsstarke (XY, XY, XY) und 2 leistungsschwache (XY, XY) Schüler sowie ein Mittelfeld, bestehend aus 10 Kindern auf. Bei Antonio wurde ein Antrag auf AO-SF gestellt. Sowohl Antonio, als auch Christian besuchen sehr unregelmäßig die Schule, was spürbare Nachteile mit sich bringt. Sie werden mehrmals die Woche aus dem „normalen Unterricht“ herausgenommen, zur individuellen Förderung.
Die Schüler und Schülerinnen arbeiten an Gruppentischen, zu je vier Kindern. Diese Sitzordnung besteht in dieser Klasse bei jeder Unterrichtsform.
Das Sozialverhalten kann als gut bezeichnet werden. Die Klasse beteiligt sich insgesamt interessiert und aktiv am Unterrichtsgeschehen und zeigt gegenüber der Lehrperson ein diszipliniertes sowie motiviertes Arbeitsverhalten.
Zu den vertrauten Arbeitsformen in der Klasse gehören Einzel- und Partnerarbeit sowie Sitzkreis.

2.2 Lernvoraussetzung in Bezug auf die Stunde

Die Schüler und Schülerinnen dieser Klasse sind zwar mit der Arbeitsform Gruppenarbeit bereits vertraut, haben aber nicht so oft die Möglichkeit gehabt in Gruppen zu arbeiten.
Das Durchführen von Versuchen ist der Klasse aus der vorherigen Stunde bereits bekannt und es kann somit vorausgesetzt werden, dass die Schüler Phänomene beobachten und mit ihren eigenen Worten beschreiben können.
Die Schüler sind in der Lage sowohl kurze Texte eigenständig zu lesen, als auch ihre Ergebnisse in die Tabelle eigenständig einzutragen bzw. ihre eigenen Gedanken in Worte zu fassen und aufzuschreiben.
Da die Kinder sich in der vorherigen Stunde mit dem Thema „Schwimmen und Sinken“ an der freien Experimentierstation beschäftigt haben, ist davon auszugehen, dass die Kinder ergänzend zu ihren vorhandenen Alltagsvorstellungen neue Erfahrungen bezüglich der Schwimmeigenschaft von Gegenständen gemacht haben.
Durch die Sammlung der Kinderthesen am 26.05.08 kann vorausgesetzt werden, dass von den Schülern bereits eigene Behauptungen und Erklärungen für die beobachteten „Schwimmphänomene“ gemacht wurden. In der geplanten Unterrichtseinheit kann somit auf diese Vorkenntnisse und Vorerfahrungen aufgebaut und angeknüpft werden.

3 Begründung von Thema und Ziel unter Berücksichtigung von Richtlinien und Lehrplan

Groblernziel: In dieser Stunde sollen die Kinder ihre Vermutungen bezüglich der Schwimmfähigkeit unterschiedlicher Gegenstände überprüfen. Sie sollen durch Beobachten und Experimentieren alltägliche Gegenstände der jeweiligen Eigenschaft „schwimmt“ oder „sinkt“ zuordnen können, sowie Gemeinsamkeiten und Unterschiede dieser Gegenstände beschreiben können.
Kognitive Lernziele:
Die Schüler sollen lernen, durch handlungsorientiertes Experimentieren eigene Hypothesen bezüglich der Schwimmeigenschaft von Gegenständen zu formulieren, selbstständig Versuche durchzuführen, zu beobachten und auszuwerten und eigene Beobachtungen in schriftlicher sowie zeichnerischer Form zu protokollieren.
Sozial-affektive Lernziele:

Die Schüler sollen lernen, innerhalb einer Gruppe zu arbeiten und sich mit den Gruppenmitgliedern abzusprechen, sich gegenseitig bei Problemen zu unterstützen, selbstständig einen Arbeitsauftrag/ Arbeitsblatt zu bearbeiten und sich mit Anderen über ihre Ergebnisse und Beobachtungen auszutauschen und diese zu diskutieren

Das Arbeiten innerhalb der Gruppe und die damit verbundene Kommunikation bewirkt zudem eine Förderung der sozialen Kompetenz innerhalb der Lerngruppe. Mädchen und Jungen lernen dabei sowohl auf sachlicher als auch auf einer sozialen Ebene miteinander umzugehen. Laut Rahmenplan wird der Erwerb dieser Qualifikation als „Mit anderen umgehen“ beschrieben.
Durch das Beobachten und Analysieren der Schwimmeigenschaften von Gegenständen soll sowohl das kritische als auch das problemlösende Denken gefördert werden.
Das Beobachten von schwimmenden und sinkenden Gegenständen in Experimenten steht stellvertretend für die Schulung von Aufmerksamkeit und Wahrnehmungsfähigkeit.
Es ist wichtig, dass die Schüler und Schülerinnen ihre Umwelt aufmerksam wahrzunehmen und auf diese Weise ihre Sinne schulen, sowie Phänomene erkennen und hinterfragen. Diese Eigenschaft trägt zu einer soliden Grund- und Allgemeinbildung bei, auf die in ihrem späteren Bildungsweg aufgebaut werden kann.
Die Kinder werden also durch genaues Beobachten und Experimentieren dazu motiviert ihre Umwelt neugierig und interessiert wahrzunehmen und eigene begründete Urteile zu entwickeln.[1]

4 Sachbezogene Überlegungen

Inhalt der heutigen Stunde ist die experimentelle Untersuchung der Schwimmfähigkeit verschiedener Gegenstände in Anlehnung an die von den Schülern bereits gebildeten Hypothesen zu diesem Thema.

Um das Schwimmverhalten verschiedener Gegenstände zu beschreiben, lässt sich der Erklärungsansatz über die Dichte wählen oder die Erläuterung des Wechselspiels zwischen Auftriebs- und Gewichtskraft.
Beide Erklärungsansätze hängen eng miteinander zusammen und stehen in einem direkten logischen Zusammenhang. Die Erklärung des Wechselspiels zwischen Auftriebs- und Gewichtskraft ist die umfassendere Variante und wird nun im Folgenden beschrieben.
Wird ein beliebiger Gegenstand in Wasser eingetaucht, so übt das Wasser auf den Gegenstand eine Kraft aus, die nach oben gerichtet ist. Diese, der Schwerkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft, die ein in eine Flüssigkeit eintauchender Körper erfährt, nennt man Auftriebskraft.
Je mehr Wasser ein Gegenstand beim Eintauchen verdrängt, desto größer ist die Kraft, mit der das Wasser gegen den Gegenstand drückt bzw. desto größer ist die Auftriebskraft.

Hier gilt der Satz von Archimedes[2]1:
Die Auftriebskraft ist so groß wie die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit.

Testet man nun beliebige Gegenstände auf ihre Schwimmfähigkeit, stehen sich immer zwei Kräfte gegenüber: Zum Einen die Gewichtskraft des Gegenstandes (FG), die ihn nach unten „zieht“, zum Anderen die Auftriebskraft (FA), die in die entgegengesetzte Richtung, d.h. nach oben wirkt.

Ist die Gewichtskraft also kleiner als die Auftriebskraft (vgl. Holzwürfel; Abb.1), so steigt der Gegenstand an die Wasseroberfläche und schwimmt. Für Gegenstände, die an der Wasseroberfläche schwimmen, gilt, dass die Auftriebskraft und die Gewichtskraft gleich groß sind.
Ist jedoch die Gewichtkraft größer als die Auftriebskraft, so überwiegt die nach unten gerichtete Kraft und der Gegenstand sinkt. In diesem Fall ist also das Gewicht des Gegenstandes größer als das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit (nach Archimedes).
Der Zustand des „Schwebens“ stellt sich ein, sobald der Gegenstand (vgl. Wasserwürfel Abb.1) eine genauso große Menge Wasser verdrängt, wie er selber wiegt. Wasser erfährt somit in Wasser keine Kraft.
Entscheidend für die Schwimmfähigkeit eines Gegenstandes ist also, ob er schwerer oder leichter ist als das Wasser, das er verdrängen kann.

An dieser Stelle ist nun auch der Begriff der „Dichte“ zu klären. Die Dichte berechnet sich aus der Masse und dem Volumen eines Gegenstandes[3]2:

Ist die Dichte des Materials, aus dem der Vollkörper besteht, größer als die von Wasser, wiegt dieser Körper mehr als der „Wasserkörper“ und sein Gewicht ist demnach größer als das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit und der Körper sinkt nach unten.

Betrachten wir nun ein großes, schweres Schiff, so lässt sich dessen Schwimmfähigkeit nicht über die Dichte des Materials erklären. Denn wäre ein Eisenschiff ein Vollkörper, würde es sinken (vgl. Abb. 2/ B).
Damit ein Gegenstand schwimmen kann, muss sich das Kräfteverhältnis immer so einstellen, dass die Auftriebskraft der Gewichtskraft die Waage hält.
Schiffe schwimmen, da sie aufgrund ihrer Formgebung mehr Wasser verdrängen können als ihrem Gewicht entspricht. Auf diese Weise können Schiffe noch mit zusätzlichem Gewicht beladen werden.
In Abbildung 2 [4]3 ist dies modellhaft veranschaulicht. Die Knetkugel aus Bild B verdrängt weniger Wasser als sie selber wiegt; sie sinkt also zu Boden. Formt man nun diese Kugel zu einer Schale bzw. einer bootsähnlichen Form, so ist anhand des höheren Wasserstands (Bild C) zu erkennen, dass mehr Wasser verdrängt wird als durch die Kugel und somit das Material zum Schwimmen gebracht wird.

5 Didaktisch-methodische Entscheidungen

Der Schwerpunkt der heutigen Stunde liegt darin, dass die Kinder die naturwissenschaftliche Phänomene zum Thema „Schwimmen und Sinken“ experimentell entdecken. Dies soll eine qualifikationsorientierte Förderung der Kinder in Bezug auf Beobachten, Forschen, Experimentieren und Untersuchen mit sich bringt.
Zieltransparenz: Es wird an den Unterrichtsstoff der vorherigen Stunde erinnert (durch das Plakat) und angekündigt, dass mit den erarbeiteten Ergebnissen in Gruppen weitergearbeitet wird.
Mögliche Wege der Kinder zu individuellen Auseinandersetzung mit Lerninhalten / der Aufgabe: Jedes Kind erhält zwei DIN A5 Blätter, auf den die zu überprüfende Vermutung und Arbeitsauftrag notiert sind. Die Kinder haben auch die Möglichkeit ihre Beobachtungen entweder schriftlich oder zeichnerisch auf dem AB darzustellen.
Zu erwartende Schwierigkeiten: Da die Kinder noch nicht so oft in Gruppen gearbeitet habe, könnten hier Schwierigkeiten auftreten. Aus diesem Grund wurde mit den Kindern in der vorherigen Stunde über die Regeln, die bei einer Gruppenarbeit zu beachten sind, gesprochen.
Die Kinder werden darauf aufmerksam gemacht, dass sie aufpassen müssen, dass ihre Arbeitsblätter nicht nass werden und sie daher nicht so stark mit dem Wasser spritzen sollen.
Differenzierung: Durch die Gruppenarbeit wird der Arbeitsauftrag von den Kindern selbstständig aufgeteilt. Dies soll zu einer natürlichen Differenzierung führen, indem die Kinder sich mit dem Teil der Aufgabe beschäftigen, den sie sich auch zutrauen.
Lernarrangement: Die erste Gruppe beschäftigt sich mit der These: „Alle Gegenstände, in denen Luft ist, schwimmen“. Die Kinder sollen drei unterschiedlich gefüllte Flaschen auf ihre Schwimmfähigkeit hin untersuchen. Eine Flasche wird zu dreiviertel mit Steinen gefüllt, eine bis zum Rand mit Öl, und die dritte Flasche wird ausschließlich Luft enthalten. Da man bei der gelblichen Flüssigkeit nicht erwarten kann, dass die Kinder wissen, dass Öl in der Flasche ist, werden die Inhalte in großen Buchstaben auf die Flaschen geschrieben.
Bei der ölgefüllten Flasche sollen die Kinder zum Nachdenken animiert werden, da sie schwimmt, obwohl keine Luft in ihr sichtbar ist. Die Steinflasche hingegen enthält nicht nur Steine sondern auch Luft, doch sie sinkt trotzdem zu Boden. Diese Phänomene sollen die Schüler neugierig machen und zu neuer Hypothesenbildung anregen. Die Kinder sollen darauf kommen, dass die Luft nicht allein für das Schwimmen von Gegenständen verantwortlich sein kann. Sie sollen eventuell das Gewicht der Gegenstände für das Schwimmen oder Sinken verantwortlich machen. Diese Hypothese wird dann von der nächsten Gruppe untersucht.

Die zweite Gruppe untersucht die These: „Alle Gegenstände, die schwer sind, sinken!“ Zur Überprüfung dieser These sollen die Kinder eine große Kerze, kleine Teelichter, ein großes Stück Holz, ein kleines Stück Holz, ein kugelig geformtes Stück Knete, eine Büroklammer und Zahnstocher auf ihre Schwimmfähigkeit hin überprüfen. Die Gegenstände sind so gewählt, dass mindestens jeweils zwei aus demselben Material bestehen und durch ihre unterschiedliche Größe ein unterschiedliches Gewicht besitzen.
Die Kinder sollen zum kritischen Denken angeregt werden, woran es liegen könnte, dass eine große schwere Kerze genauso gut schwimmt wie ein kleines leichtes Teelicht. Daraus soll sich wiederum bei den Schülern ein weiterer Erklärungsansatz für die Schwimmfähigkeit entwickeln. Sie sollen auf die Idee gebracht werden, dass die Gegenstände mit der gleichen Schwimmeigenschaft noch eine weitere Gemeinsamkeit haben – denselben Stoff (Material).

Die dritte Gruppe soll die These: „Alle Gegenstände aus Metall sinken!“ überprüfen. Die Kinder sollen rausfinden, ob man diese Aussage so verallgemeinern darf. Dazu werden zum Experimentieren folgende metallische Gegenstände mit unterschiedlicher Form zur Verfügung stellen: Eine Dose, ein Schlüssel, eine Schraube, ein Metallknopf, eine Metallplatte, ein Flaschendeckel u. a.
Die Auswahl der Gegenstände soll die Schüler auf den Gedanken bringen, dass auch die Form für die Schwimmeigenschaft verantwortlich ist.

In der vierten Gruppe soll der „Knetversuch“ durchgeführt werden. Hier sollen die Kinder ihre Vermutung über die Bedeutung der Form eines Gegenstandes auf enaktiver Ebene festigen.

In der Reflexionsphase präsentieren die Gruppen ihre Ergebnisse, diese werden mithilfe des Tafelbildes bzw. Wasserbeckens veranschaulicht. Durch diese Visualisierung soll die Aufmerksamkeit und besseres Verstehen der Experimente erzielt werden.
Die Kinder können in dieser Phase üben, ihre Arbeitsprozesse zu reflektieren. Dieser Prozess wird durch entsprechende Fragen und Impulse unterstützt.

Mögliche Fragen:
- Was habt ihr gemacht?
- Welche Gegenstände schwimmen bzw. sinken?
- Womit kann das zusammenhängen?
- Was vermutet ihr, warum das so ist?

6 Literaturangaben

- Ministerium für Schule und Weiterbildung Nordrhein-Westfalen Richtlinien und Lehrpläne für die Grundschule NRW. Sachunterricht. Entwurf 2008
- „Formen und Tabelle – für die Sekundarstufe I und II“, F. Becker, G. Boortz, R. Lenertat u. a. S.76
- Dorn, F./ Bader, F. (1980): Physik – Mittelstufe. Hannover: Schroeder Schulbuchverlag, S. 102
- Wodzinski, R. (2005) „Schwimmen und Sinken – Ein anspruchsvolles Thema mit vielen Möglichkeiten“. In: Lück, G./Köster, H.: Naturbezogenes Lernen im Sachunterricht – unbelebte Natur. Braunschweig und Bad Heilbrunn: Klinkhardt-Verlag

Fußnoten:
[1] Ministerium für Schule und Weiterbildung Nordrhein-Westfalen Richtlinien S. 9f
[2] Dorn/Bader, S.102
[3] Formelsammlung, „Formen und Tabellen“, S.76
[4] „Schwimmen und Sinken – Ein anspruchsvolles Thema mit vielen Möglichkeiten“ Wodzinski, 2005, S. 8