1. Phase: Modell-Begriff und Methode der Modellbildung
1- 2 Stunde: Praktikum
Vorbereitung
Das Praktikum und die Auswertungsblätter befinden sich editierbar in der Datei 01_cgp_Einstiegspraktikum.odt
In den folgenden Dateien sind die Seiten jeweils entsprechend der Druckmenge zusammengefasst:
Die Datei 01_cgp_jeder_schueler.pdf (Seite 1+2, 11,12) muss für jeden Schüler ausgedruckt werden.
Die Datei 01_cgp_versuche.pdf (Seiten 3 – 10) soll in Gruppengröße ausgedruckt werden. Hierbei ist auf die auf Grund des Tauschs der Materialien auf die maximale Gruppengröße zu achten.
Durchführung
Auf Seite 1 ist die Vorgehensweise beim Versuch und der darauf folgenden Rekonstruktion der Messwerte erklärt.
Um den Stundenanfang zu entlasten kann man auch das kurze Erklärvideo 01_cgp_Arbeitsauftrag_zu_den_Versuchen.mp4 zur Vorgehensweise zeigen. Während die Schüler den Erklärfilm anschauen kann man das Praktikum und die Arbeitsblätter im Klassenraum verteilen. Zur Lösung der Frage 5) auf den Versuchsblättern sind die Begriffe Approximation und Extrapolation nötig, welche auf Seite 11 in Dokument 01_cgp_Einstiegspraktikum.odt erklärt werden.
Hinweis
Es ist zu erwarten, die Gruppen sehr unterschiedlich schnell arbeiten. Aus diesem Grund könnte man die Aufgabenblätter vor der Weitergabe kopieren. Ist dann eine Gruppe bereits mit ihrer Rekonstruktion fertig, kann Sie auch noch einen weiteren Versuch auswerten. Die abgeschnittenen Tabellen mit den Messwerte sollte der Lehrer / die Lehrerin auf zwei DinA4 Blätter kleben, damit diese Messwerte für die spätere Verwendung vorhanden sind, z.B. zur Rekonstuktion der Messwerte mit Geogebra in Stunde 6 zur Vorbereitung des Arbeitsblattes 05_cgp_geogebra_arbeitsauftrag.odt
Sind von allen Gruppen alle Messwerte rekonstruiert beginnt die dritte Phase.
Dritte Stunde
Die Schüler stellen ihre Ergebnisse der Rekonstruktion vor. Die Ergebnisse werden in der Tabelle (01_cgp_Einstiegspraktikum.odt Seite 12) von jedem Schüler eigenständig mitgeschrieben.
Anschließend sollen z.B. in Partnerarbeit allgemeine Aussagen getroffen werden, welche man an den Versuchsergebnissen erkennen kann. Eine Leitlinie hierzu sind die Fragen 1. bis 6. von Seite 11 in Dokument 01_cgp_Einstiegspraktikum.odt.
Das Ergebnis sollte dann im Plenum gesichert werden.
Eine mögliche Sicherung könnte der Tafelaufschrieb in Dokument 02_cgp_tafel_vorhersage_von_messwerten.odt darstellen.
Eine Hausaufgabe könnte die in Dokument 03_cgp_ha_zur_kurvenanpassung.odt gestellte sein, die Lösung befindet sich im Ordner 04_loesungen.
Didaktische Überlegungen bei der Versuchsauswahl
Das Ergebnis der Versuche sollte bisher möglichst nicht aus dem Physikunterricht bekannt sein. Dies trifft möglicherweise nicht bei Versuch 2 zu, wenn im Physik-Eingangsunterricht das Kapitel 3.2.1 Denk- und Arbeitsweisen der Physik mit einem Praktikum zum Fadenpendel begonnen wurde und dann das Federpendel entweder als Analogie oder Differenzierung gemacht wurde. In diesem Fall findet man auf Seite 13 weitere Versuchsideen.
Es sind Versuche dabei, welche durch ein Modell sehr gut beschrieben werden können und deren Werte gut zu approximieren und extrapolieren sind.
Versuch 1 (Hebel) stellt einen linearen Zusammenhang dar, welcher in ähnlicher Weise in Stunde 6 als Erklärungsbeispiel für die Bedienung von Geogebra verwendet wird.
Versuch 6 und 7 (Wasserheber) sind exponentielle Zusammenhänge, welche in Phase 3 der gesamten Unterrichtseinheit modelliert werden können.
Versuch 2 (Periodendauer) wird über eine Wurzelfunktion exakt beschrieben.
Es sind Versuche dabei, welche schwer bis überhaupt nicht zu extrapolieren sind.
Versuch 3 (Rollweite) ist schwer zu extrapolieren und Versuch 8 (Gummidehnung) ist überhaupt nicht zu extrapolieren, da das Gummi reißt und man diesen Punkt nicht vorhersagen kann.
In Versuch 3 (Rollweite) hat man stark schwankende Ergebnisse bei einer Versuchswiederholung.
Versuch 2 (Periodendauer) und Versuch 8 (Gummidehnung) zeigt Modellgrenzen auf.
Bei Versuch 2 kann man nicht beliebig hohe Massen vorhersagen, da hier die Feder überdehnt wird und nicht mehr durch das Hooksche Gesetz zu beschreiben ist. Bei kleinen Massen ist die Federmasse nicht mehr zu vernachlässigen und verändert die Messergebnisse.
Bei Versuch 8: Das Gummi sollte in dem genannten Messbereich reißen. Dies ist nicht vorhersagbar.
Zudem ist bei einem Gummi ein Modell nur extrem schwer aufstellbar, da das Gummi eine Hysterese aufweist. Spannt man das Gummi, so kommen andere Werte heraus, wie bei der Entspannung. Zusätzlich liefert die zweite Dehnung des Gummis erneut andere Werte. Hiermit sind die Werte weder vorhersagbar noch reproduzierbar.
Diesen Versuch könnte man am Abschluss der Diskussion zur Verdeutlichung des Modellbegriffes und zur Abgrenzung der Modellgrenzen mit einer Messwerterfassung mit mehreren Spannungs-Entspannungs-Zyklen aufzeichnen und diskutieren.
Versuch 4 hat eine, von vielen Schülern nicht erwartete, maximale Sprunghöhe, da die Fallgeschwindigkeit auf Grund des Luftwiderstandes sich einem Grenzwert nähert.
Viele Versuche sind durch die üblichen Funktionsgleichungen nicht geschlossen modellierbar.
4 Stunde: Begriff des naturwissenschaftlichen Modells
Der Begriff des naturwissenschaftlichen Modells soll auf Grund der in Stunde 1-4 gemachten Erfahrungen fixiert werden.
Als auf die Stunde vorbereitende Hausaufgabe könnten die Schüler im Internet die Verwendung der Begriffe Modell bzw. Model im normalen Sprachgebrauch recherchieren. Die Schüler erkennen hierdurch, dass der Begriff des Modells ein sehr vielseitiger Begriff ist und im naturwissenschaftlichen Gebrauch festgelegt werden muss.
Die Ergebnisse dieser Recherche könnte im Unterricht in in einem kollaborativen Arbeitsblatt (z.B. www.zumpad.de ) von allen Schülern in einem Dokument zusammengefasst und gesichert werden.
Das Ergebnis der Recherche einer Schülerguppe ist in Ordner 07_zusatz in der Datei modell_begriff_schueler_recherche.docx zu finden. Im gleichen Ordner ist in der Datei modell_begriff_google_recherche.odt das Ergebnis einer Google Suche abgespeichert.
Eine mögliche Konkretisierung des naturwissenschaflichen Modells könnte das Dokument 04_cgp_modellbegriff.odt sein.
Seite 1 ist eine Konkretisierung, bei welcher direkt Beispiele genannt werden, Seite 2 ist das gleiche Dokument, jedoch müssten die Schüler hier die Beispiele den Aussagen zuordnen. Eine Lösung der Zuordnung ist direkt mit einem QR Code auf dem Arbeitsblatt bzw. im Ordner 04_loesungen.
An dieser Stelle kann man den Modellbegriff vertiefen, indem man den SuS Artikel zur Künstlichen Intelligenz oder von naturwissenschaftlichen Simulationen gibt und die SuS entscheiden müssen ob man jeweils von naturwissenschaftlichen Modellen sprechen kann. Ebenfalls sind hier GFS möglich.
Unterrichtsgang: Herunterladen [odt][458 KB]
Unterrichtsgang: Herunterladen [pdf][314 KB]
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