Unterrichtsverlauf
Vorbemerkungen
Stundenaufteilung
Von den 36 Schulstunden eines Schuljahres für eine Wochenstunde werden 9 Schulstunden für Vertiefung, Übung, Klassenarbeiten und Unterrichtsausfall benötigt. Da Physik innerhalb des Faches IMP in Klasse 10 einstündig unterrichtet wird, stehen
für die Physik somit 27 Stunden zur Verfügung.
In der Stundenverteilung haben wir 14 Stunden für die Unterrichtseinheit 3.3.3.2 Erde und Weltall: Himmelsmechanik und Astrophysik und 13 Stunden für 3.3.3.1 Numerische Verfahren in der Mechanik angesetzt.
Schülerkompetenzen Physik
In der Physik werden die Kinematik und die Dynamik mit beschleunigten Bewegungen rechnerisch erst in Klasse 10 begonnen. Zu Beginn der Klasse 10 fehlen den SuS also die physikalischen Grundlagen für diese Unterrichtseinheit. Eine enge thematische Absprache mit der Physik-Lehrkraft ist daher unabdingbar.
Die vorliegende IMP Einheit ist eine wertvolle und wichtige Ergänzung zum Physikunterricht. In der Physik wird immer idealisiert gearbeitet:
- Die Reibung wird bei Bewegungen in aller Regel vernachlässigt.
- Man betreibt Punkt-Mechanik, d.h. ein Körper wird als ein Punkt betrachtet, in welchem die komplette Masse vereinigt ist. Somit hat der Körper keinen Luftwiderstand und Rotationen existieren nicht.
Für SuS ist dies oft unbefriedigend, da die Annahmen immer von der Realität abweichen. Es werden lediglich Abschätzungen der Einflüsse gemacht.
Hier ist es schön zu erfahren, dass sehr komplexe Zusammenhänge unter der Verwendung der im Physik-Unterricht gemachten Überlegungen modelliert werden können und so die Realität sehr gut beschrieben werden kann.
Schülerkompetenzen Mathematik
Mathematisch sollten für diese Unterrichtseinheit alle Grundlagen vorhanden sein.
Methoden
Die Unterrichtseinheit kann mit den vorliegenden Arbeitsblättern erarbeitet werden. Andere Unterrichtsformen, Schwerpunktsetzungen sind auch möglich.
Damit die Zusammenhänge und Begriffe der Modellbildung von allen gleich verwendet werden, ist eine Begriffsdefinition in der Datei 01_02_nvm_begriffe.
Die Darstellung der Zusammenhänge bei der Bildung eines zeitdiskreten Modells ist mit Hilfe von Flussdiagrammen sinnvoll. Sie ermöglichen die schnelle Kontrolle und sind ein Leitfaden bei der iterativen Umsetzung in einer Tabellenkalkulation.
Es gibt grafische Modellbildungsprogramme, also Programme, welche eine Simulation direkt aus dem Flussdiagramm errechnen können. Unter anderen gibt es die Programme Coach, Powersim Studio, GoldSim, ….
Die Verwendung grafischer Modellbildungsprogramme ist unter der Zielsetzung der schnellen Generierung von Simulationswerten sinnvoll, da die Programmierung mit der Erstellung des Flussdiagramms bereits beendet ist.
Anderseits ist die Verwendung einer Tabellenkalkulation1 unter der Zielsetzung der Vertiefung der Kenntnisse und Handhabung mit Blick auf eine berufliche Zukunft sinnvoll. Ebenso fördert die iterative Umsetzung durch die zeilenweise Programmierung das Verständnis der Zusammenhänge innerhalb des Modells.
Man sollte entsprechend der aktuellen Zielsetzung von Aufgabe zu Aufgabe entsprechend der Didaktik, Methodik und persönlichen Zielsetzung entscheiden und möglichst beides verwenden.
Ist der Grundgedanke und die Vorgehensweise der Modellbildung schon gut gefestigt, kann man auch mit textbasierter Modellbildung arbeiten. Eine solche bietet das open source Projekt Tracker, welches unter Java läuft und somit auf allen Plattformen mit Java Umgebung. Der Schwerpunkt von Tracker ist die Videoanalyse, die Verbindung von Videoanalyse und Modellbildung ist hier also einfach.
In diesem Unterrichtsgang werden als Tabellenkalkulation sowohl GeoGebra als auch libreOffice Calc eingesetzt, da beide kostenfreie Software sind (eine Spende zur Unterstützung von GeoGebra und LibreOffice sollte man dennoch in Erwägung ziehen, da sonst längerfristig die Entwicklung und Bereitstellung kostenfreier Software nicht möglich sind).
Am Anfang der Unterrichtseinheit wird GeoGebra verwendet. Hier ist die Tabellenkalkulation fast wie eine klassische Tabellenkalkulation zu bedienen. Der Vorteil gegenüber einer klassischen Tabellenkalkulation ist, dass man bei GeoGebra leicht Schieberegler erzeugen kann, mit welchen man Parameter verändern kann und die Auswirkung direkt am Schaubild sieht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schaubilder einem Diagramm einer Tabellenkalkulation überlegen sind, da die Möglichkeit besteht, diese mathematisch auszuwerten, indem man sie mit Geraden schneidet oder Funktionswerte ausliest. Ebenso sind die Schaubilder leicht auf die eigenen Bedürfnisse anzupassen. Dies erleichtert den Vergleich einer Messung mit der Simulation.
Bei der Verwendung von GeoGebra entstehen jedoch zum Teil (noch) Probleme mit der Bezeichnung von Zellen und den Bezügen. Ebenso hatte ich Probleme bei der Verwendung von Namen für Zellen. Auch das Verschieben von Tabelleninhalten, wenn man etwas vergessen hat und Platz benötigt, hat mir Probleme bereitet. Des weiteren lief das Programm ab mehreren hundert Zeilen nicht mehr performant und ist teilweise abgestürzt. Dies hat mich dazu bewegt, für größere Modellbildungen, bei welchen es nur um die Simulation geht, eine klassische Tabellenkalkulation zu verwenden.
Bei der grafischen Modellbildung laufen zwei Programme sehr stabil: Coach und Powersim Studio. Für Powersim gibt es eine kostenfreie Version: „Powersim Studio Express“, deren Funktionsumfang im schulischen Bereich mehr als ausreicht. Die Bedienoberfläche bietet unzählige Möglichkeiten. Hierdurch können Anfänger Schwierigkeiten bei der Bedienung haben, da die Software extrem mächtig und die Menüführung englisch ist. Eine weitere grafische Modellbildung ist GoldSim, ein ebenfalls extrem mächtiges Tool. Eine academic licence ist kostenfrei. Das Programm konnte ich nicht mehr testen, da ich den Tipp hierzu erst kurz vor Fertigstellung der Materialien bekommen habe. Coach hat leider keine kostenfreie Version, ist aber durch einen geringeren Funktionsumfang deutlich einfacher zu bedienen.
Für die Entwicklung dieses Unterrichtsganges habe ich mich aus den genannten Gründen für die Verwendung von Coach entschieden. Demzufolge wird bei den Flussdiagrammen die Symbolik von Coach verwendet. Die Symbolik von Powersim und Coach sind sich aus naheliegenden Gründen sehr ähnlich, wie man am Beispiel der Abkühlung sehen kann:
Für die Videoanalyse gibt es ebenfalls viele Möglichkeiten: So gibt es die kostenfreien Programme Tracker und Viana, letzteres auch für Tablets. Kostenpflichtig ist die Videoanalyse von Coach, welche jedoch als einzige Software eine Perspektivkorrektur anbietet, was bei ungünstigen Kamerapositionen bessere Messergebnisse liefert, da man z.B. eine seitliche Aufnahmeposition durch die Perspektivkorrektur kompensieren kann. Leider ist die Bedienung nicht intuitiv, es gibt aber viele Lehrvideos und Übungsdateien direkt im Programm.
Die gewählten Programme sind keine abschließende Empfehlung. Der Unterrichtsgang lässt sich mit allen Programmen in gleicher bzw. ähnlicher Weise durchführen. Soweit es mir möglich war, sind mehrere Programmalternativen genannt und ausgearbeitet.
1 Die Verwendung einer Tabellenkalkulation wurde z.B. bereits in Klassenstufe 9 im Modul Computergestützte Physik gelernt und geübt und wird in Klassenstufe 10 im Modul Funktionen im Sachkontext ebenso geübt.
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