Na­tur­wis­sen­schaft­li­che Ar­beits­wei­se

Im Bil­dungs­stan­dard steht bei den Fach­me­tho­den:

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen die na­tur­wis­sen­schaft­li­che Ar­beits­wei­se Hy­po­the­se, Vor­her­sa­ge, Über­prü­fung im Ex­pe­ri­ment, Be­wer­tung, ... an­wen­den und re­flek­tie­ren

Will man den Un­ter­richt im Sinne der na­tur­wis­sen­schaft­li­che Ar­beits­wei­se or­ga­ni­sie­ren, so be­ginnt die Stun­de z.B. mit einer Ziel­for­mu­lie­rung (... so offen wie mög­lich und so kon­kret wie not­wen­dig...). Die Klas­se und der Leh­rer füh­ren einen Dia­log und for­mu­lie­ren Hy­po­the­sen; hier­bei len­ken die Schü­le­rin­nen und Schü­ler den Un­ter­richt ... Sack­gas­sen sind zu­läs­sig, in die­ser Phase gibt es keine fal­schen Hy­po­the­sen , die der Leh­rer aus­son­dert, um mög­lichst schnell sein Un­ter­richts­ziel zu er­rei­chen. Die dis­ku­tier­ten Hy­po­the­sen füh­ren zu Vor­her­sa­gen, die im Ex­pe­ri­ment über­prüft wer­den kön­nen. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wis­sen, dass im Ex­pe­ri­ment ihre Vor­her­sa­gen fal­si­fi­ziert oder ve­ri­fi­ziert wer­den. Sie wis­sen, dass im Falle einer Fal­si­fi­zie­rung ihrer Vor­her­sa­ge, die zu Grun­de lie­gen­de Hy­po­the­se falsch war - UND sie wis­sen, dass bei einer Ve­ri­fi­zie­rung ihrer Vor­her­sa­gen noch lange kein Be­weis vor­liegt, dass damit nur das Ver­trau­en in diese Hy­po­the­se ge­stärkt wird ...

Ex­pe­ri­ment und Prä­sen­ta­ti­on

Im Ide­al­fall wer­den diese Ex­pe­ri­men­te zur Über­prü­fung der Hy­po­the­sen in einer Phy­sik­samm­lung vor­han­den sein und even­tu­ell in Team­ar­beit von den Schü­le­rin­nen und Schü­lern selbst­stän­dig aus­ge­führt ¹ - Feh­ler dis­ku­tiert, eine Do­ku­men­ta­ti­on ver­fasst und die Er­geb­nis­se der Klas­se mit mehr oder we­ni­ger neuen Me­di­en prä­sen­tiert . ²

Si­mu­la­to­ren

Bei ei­ni­gen The­men­stel­lun­gen sind Schul­ex­pe­ri­men­te prin­zi­pi­ell nicht mög­lich (z.B. Ex­pe­ri­men­te der Raum­fahrt), fi­nan­zi­ell nicht er­schwing­lich oder ge­fähr­lich (z.B. Ex­pe­ri­men­te im Be­reich der Kern­phy­sik). Bei die­sen Rand­be­din­gun­gen grei­fen an­de­re Mög­lich­kei­ten - so z.B. könn­ten die Schü­le­rin­nen und Schü­ler im In­ter­net nach Er­geb­nis­sen selbst su­chen, Ex­per­ten be­fra­gen ³ oder die Lehr­kraft lie­fert den Ab­schluss die­ser Ar­beits­ket­te in einem Leh­rer­re­fe­rat - ODER die Schü­le­rin­nen und Schü­ler grei­fen zu einem Si­mu­la­ti­ons­pro­gramm .

Re­chen-Si­mu­la­to­ren

Bei der Ver­wen­dung eines Si­mu­la­tors kann man zwei Va­ri­an­ten un­ter­schei­den. - so ge­nann­te Re­chen-Si­mu­la­to­ren und Re­al­ex­pe­ri­ment-Si­mu­la­to­ren . Ein Re­chen-Si­mu­la­tor be­rech­net seine Bild­schirm­aus­ga­be auf der Basis des Na­tur­ge­set­zes , das er dar­stel­len will. Diese Art von Si­mu­la­tor hat im bes­ten Falle - und der ist lei­der nicht immer er­füllt - den Cha­rak­ter einer Ver­an­schau­li­chung. Es soll­te deut­lich wer­den, dass ein Si­mu­la­tor die­ser Art in kei­nem Fall zur Ver­trau­ens­bil­dung be­züg­lich einer Hy­po­the­se bei­tra­gen kann. Nur die Tat­sa­che, dass ein Ver­lag viel Geld in­ves­tiert hat, um die­sen Si­mu­la­tor zu pro­gram­mie­ren und der Um­stand, dass der Phy­sik­leh­rer die­sen Si­mu­la­tor für teu­res Geld er­wor­ben hat und im Un­ter­richt ein­setzt, führt zu einem ge­wis­sen Ver­trau­ens­be­weis - mehr aber auch nicht.

So z.B. kann ein Re­chen­si­mu­la­tor für Ein­zelp­ho­to­nen­ex­pe­ri­men­te am Dop­pel­spalt, der die In­ter­fe­renz­mus­ter bei ver­schie­de­nem Spalt­ab­stand und Ein­zel­spalt­grö­ße be­rech­net und ani­miert dar­stellt, die kom­ple­xen Zu­sam­men­hän­ge ver­deut­li­chen und damit eine me­tho­di­sche Hil­fe­stel­lung sein, auch wenn er nicht mehr zeigt, als die Ge­set­ze her­ge­ben, nach denen er pro­gram­miert wurde. Seine Stär­ke liegt in die­sem Fall in der dy­na­mi­schen Dar­stel­lung ver­bal ge­bo­te­nen Zu­sam­men­hän­ge und sta­ti­scher Bil­der .

Re­al­ex­pe­ri­ment-Si­mu­la­to­ren

Re­al­ex­pe­ri­ment-Si­mu­la­to­ren be­rech­nen ihre Bild­schirm­aus­ga­ben nicht auf der Basis eines Ge­set­zes, das sie ver­an­schau­li­chen wol­len, son­dern sie be­ste­hen im Prin­zip aus einer Samm­lung von Pho­to­gra­phi­en eines Re­al­ex­pe­ri­ments, die auf dem Com­pu­ter nur schnell und be­die­nungs­freund­li­che dar­ge­stellt wer­den. So z.B. lie­fert ein Re­al­ex­pe­ri­ment-Si­mu­la­tor für Ein­zelp­ho­to­nen­ex­pe­ri­men­te bei dem oben an­ge­spro­che­nen Dop­pel­spalt eine Reihe von Pho­to­gra­phi­en eines Re­al­ex­pe­ri­ments und hat damit min­des­tens die Aus­sa­ge­kraft eines Schul­buchs, in dem diese In­ter­fe­renz­mus­ter ab­ge­bil­det sind und kann daher ge­wis­se As­pek­te der Ve­ri­fi­ka­ti­on bei Vor­her­sa­gen in der na­tur­wis­sen­schaft­li­chen Schluss­ket­te ab­de­cken. Diese Re­al­ex­pe­ri­ment-Si­mu­la­to­ren wir­ken zudem - wenn sie gut pro­gram­miert sind - mo­ti­vie­rend und an­schau­lich.

Mo­dell­bil­dungs­sys­te­me

Im Bil­dungs­stan­dard steht bei den Fach­me­tho­den:

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen ein Mo­dell er­stel­len, mit einer ge­eig­ne­ten Soft­ware be­ar­bei­ten und die be­rech­ne­ten Er­geb­nis­se re­flek­tie­ren

Der Bil­dungs­stan­dard ver­langt ver­pflich­tend den Ein­satz der so­ge­nann­te Mo­dell­bil­dungs­sys­te­me , die in der Phase der Hy­po­the­sen­bil­dung eine wich­ti­ge Rolle spie­len kön­nen. Wenn die Ziel­set­zung des Un­ter­richts z.B. die Be­hand­lung einer har­mo­ni­schen Schwin­gung ist, wird man die Dif­fe­ren­zi­al­glei­chung der Me­cha­nik (F = m⋅ds ² /dt ² ) mit der Rück­stell­kraft (F = -D⋅s) ver­bin­den und die re­sul­tie­ren­de Dif­fe­ren­zi­al­glei­chung ge­schlos­sen lösen. Im Re­al­ex­pe­ri­ment stel­len die Schü­le­rin­nen und Schü­ler schnell fest, dass so­wohl die Dämp­fung als auch die Ab­hän­gig­keit der Pe­ri­ode von der Am­pli­tu­de in die­ser ge­schlos­se­nen Lö­sung des Ide­al­falls nicht ent­hal­ten ist. Sie kön­nen in die­ser Mo­dell­bil­dungs­soft­ware die­sen Re­al­fall, den sie mit der Schul­ma­the­ma­tik nicht mehr ge­schlos­sen lösen kön­nen, mo­del­lie­ren , die Pa­ra­me­ter am Re­al­ex­pe­ri­ment ei­chen und die Er­geb­nis­se des Mo­dell­bil­dungs­sys­tems mit dem Re­al­ex­pe­ri­ment ver­glei­chen. Die Be­to­nung der Re­fle­xi­on der Mo­del­lie­rung und der Pass­ge­nau­ig­keit hat hier­bei einen be­son­de­ren Stel­len­wert. ⁴ Vor allem bei kom­ple­xen Pro­blem­stel­lun­gen haben sich diese Mo­dell­bil­dungs­sys­te­me gut be­währt. ⁵

Zudem kann die­ser Ein­satz­be­reich die phy­si­ka­li­sche In­tui­ti­on schu­len. ⁶ Vor allem wenn die Mo­dell­bil­dung ein Dia­gramm lie­fert, bei dem die In­ter­pre­ta­ti­on nicht tri­vi­al ist. ⁷

Auf diese Mo­dell­bil­dungs­sys­te­me wird an an­de­rer Stel­le noch aus­führ­lich ein­ge­gan­gen

→ siehe Ver­zeich­nis Mo­dell­bil­dungs-Sys­te­me

Si­mu­la­ti­ons-Mo­del­le

Wenn der zu un­ter­su­chen­de Ge­gen­stand al­lei­ne wegen sei­ner Di­men­si­on (Aus­ma­ßes) dem Ex­pe­ri­ment nicht mehr zu­gäng­lich ist, be­steht die Mög­lich­keit eines Mo­del­l­ex­pe­ri­ments an einer ver­klei­ner­ten Aus­füh­rung . So z.B. kann man die Flug­ei­gen­schaf­ten von Flug­zeu­gen, Ra­ke­ten oder UBoo­ten in rea­len Ex­pe­ri­men­ten nur mit hohem fi­nan­zi­el­len Auf­wand di­rekt un­ter­su­chen - wenn das über­haupt mög­lich ist. Eine Al­ter­na­ti­ve be­steht nun darin, von die­sem gro­ßen Ob­jek­te ein klei­nes Mo­dell her­zu­stel­len und die Ex­pe­ri­men­te stell­ver­tre­tend an die­sem klei­nen Mo­dell aus­zu­füh­ren.

Bei die­sen Mo­dell-Ex­pe­ri­men­ten lau­tet die erste Frage: Wel­che Aus­sa­ge­kraft haben die Mess­er­geb­nis­se in den Mo­dell-Ex­pe­ri­men­ten für das große Mo­dell. Wenn die Mes­sung der Auf­triebs­kraft am Mo­dell-Ex­pe­ri­ment z.B. einen Wert von 100 N lie­fert, wel­che Auf­triebs­kraft er­fährt dann das Ori­gi­nal. Wel­chen der Maß­stabs­fak­to­ren zwi­schen dem Mo­dell und dem Ori­gi­nal spielt hier­bei eine Rolle - der Maß­stabs­fak­tor Mas­sen­ver­hält­nis - der Maß­stabs­fak­tor Vo­lu­men­ver­hält­nis - der Maß­stabs­fak­tor Ober­flä­chen­ver­hält­nis - oder ge­nügt das Län­gen- und Brei­ten­ver­hält­nis.

Und die zwei­te Frage spielt eben­falls eine er­heb­li­che - wie muss ich die Rand­be­din­gun­gen beim Mo­dell ge­stal­ten, damit über­haupt si­gni­fi­kan­te Aus­sa­gen auf das Ori­gi­nal mög­lich sind? Spielt z.B. die Luft­strö­mung bei einem Mo­dell-Ex­pe­ri­ment im Wind­ka­nal im Ver­gleich zur Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit beim Ori­gi­nal in der Luft eine Rolle?

Dass diese Frage - z.B. bei der Ae­ro­dy­na­mik - eine große Rolle spielt, er­kennt man an fol­gen­den Schü­ler­fra­gen:

• Warum kön­nen viele der In­sek­ten flie­gen?
• Warum kann eine Amei­se aus einem Hoch­haus fal­len, ohne dass ihr etwas pas­siert?
• Warum kann sich der Staub in der Luft hal­ten und fällt nicht zu Boden?
• Warum sehen Pa­pier­flie­ger ganz an­ders aus als rich­ti­ge Flie­ger ?
• Warum ver­hal­ten sich Mo­dell­flie­ger an­ders als rich­ti­ge Flie­ger ?

Trai­nings­mo­del­le - Si­mu­la­to­ren

Der Bau eines Mo­dell­flug­zeu­ges in einer Pro­jekt­wo­che, im Kern­fach NwT, in einer Ar­beits­ge­mein­schaft oder in einem Se­mi­nar­kurs ist eine über­aus mo­ti­vie­ren­de Un­ter­richts­ein­heit, in der Theo­rie und Pra­xis im bes­ten Sinne Hand in Hand gehen und die Schü­le­rin­nen und Schü­ler mit Si­cher­heit nach­hal­tig ler­nen.

Der kri­ti­sche Punkt be­steht nun darin, dass man ein Mo­dell mit viel Liebe und En­ga­ge­ment ge­baut hat und die­ses Mo­dell in die Luft brin­gen will . Das Pro­blem be­steht wohl darin, dass man die Steu­er­or­ga­ne des Flug­zeu­ges und die Fern­be­die­nung in der Theo­rie per­fekt ver­stan­den hat - dass man aber noch keine Flug­er­fah­rung hat.

In der Rea­li­tät (also im Pi­lo­ten­trai­ning mit rich­ti­gen Flug­zeu­gen) be­steht die Mög­lich­keit, dass der Flug­schü­ler neben einem Pi­lo­ten­aus­bil­der sitzt und in klei­nen un­ge­fähr­li­chen Schrit­ten in die Hand­ha­bung des Flug­ge­rä­tes ein­ge­führt wird.

Eine harm­lo­se und bil­li­ge­re Va­ri­an­te ist die Aus­bil­dung der Flug­schü­ler in einem Flug­si­mu­la­tor. Das ist ein Gerät, in dem das Cock­pit eines Flug­zeu­ges voll­stän­dig nach­ge­baut wird. Die Front­schei­be des Si­mu­la­tors ist eine Lein­wand, auf der dem Flug­schü­ler die Bil­der pro­ji­ziert wer­den, die er im rea­len Flug auch sehen würde. In auf­wen­di­gen Si­mu­la­to­ren wird durch Ma­ni­pu­la­ti­on der Lage der Ka­bi­ne im Raum sogar ein ech­tes kör­per­li­ches Flug­ge­fühl ver­mit­telt.

Im Mo­dell­bau be­ste­hen nun ähn­li­che Mög­lich­kei­ten, um den Ab­sturz des Mo­dells im ers­ten Flug­ver­such zu ver­mei­den. Man re­cher­chiert im In­ter­net, wo der nächs­te Mo­dell­flug­platz eines Mo­dell­flug­ver­eins liegt und nimmt mit die­sem Ver­ein Kon­takt auf. Nach mei­nen Er­fah­run­gen sind die Mit­glie­der in die­sen Ver­ei­nen sehr auf­ge­schlos­sen, den Nach­wuchs beim Ein­flie­gen zu hel­fen. So z.B. kann man eine Schü­ler-Fern­be­die­nung an eine Trai­ner-Fern­be­die­nung per Kabel an­schlie­ßen. Damit hat der Trai­ner in ge­fähr­li­chen Flug­si­tua­tio­nen die Mög­lich­keit hat, das Flug­zeug noch recht­zei­tig ab­zu­fan­gen und einen Ab­sturz zu ver­hin­dern.

Ähn­lich wie bei Groß­flug­zeu­gen gibt es aber auch schon fi­nan­zi­ell bil­li­ge Flug­si­mu­la­to­ren für Mo­dell­flug­zeu­ge. Ea­sy­Fly 3 ⁸ z.B. ist eine Soft­ware, mit der man einen Mini-Flug­si­mu­la­tor auf einem Win­dows­com­pu­ter in­stal­lie­ren kann und mit dem man die in der Theo­rie ver­stan­de­nen Flug­ma­nö­ver in der vir­tu­el­len Pra­xis ein­üben kann. Al­ler­dings soll­te man deut­lich dar­auf hin­wei­sen, dass es immer noch ein gro­ßer Schritt vom Flug­si­mu­la­tor zur Flug­rea­li­tät ist ... das gilt so­wohl für den Mo­dell-Flug-Si­mu­la­tor als auch für die Profi-Aus­bil­dung in der Luft­han­sa. Man kann in einem Flug­si­mu­la­tor sehr viel trai­nie­ren - aber lei­der nicht alles.

Haus­ar­beits­be­reich

Für die Vor- oder Nach­be­rei­tung eines Re­al­ex­pe­ri­ments in der Haus­ar­beit oder für eine kurze an­schau­li­che De­mons­tra­ti­on in­ner­halb einer Prä­sen­ta­ti­on gibt es z.T. Ar­gu­men­te, einen Si­mu­la­tor - Re­chen- oder Re­al­ex­pe­ri­ment-Si­mu­la­tor - ein­zu­set­zen.

Lern­soft­ware

Es gibt di­dak­ti­sche An­sät­ze, die den Ein­satz einer Phy­sik-Lern­soft­ware in­ner­halb der Haus­ar­beit im Sinne eines Vo­ka­bel­trai­ners be­für­wor­ten. Wenn diese Soft­ware dar­auf ab­zielt, phy­si­ka­li­sche Fach­me­tho­den zu schu­len, wäre das ein po­si­ti­ver An­satz. Wenn diese Soft­ware aber z.B. nur dazu dient, ir­gend­wel­che Na­tur­ge­set­ze, For­meln usw. aus­wen­dig zu ler­nen, ge­wis­ser­ma­ßen ein­zu­trich­tern , hat diese Art von Lern­soft­ware in­ner­halb der Phy­sik mit Si­cher­heit sehr kurze di­dak­ti­sche Beine .

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1	Na­tur­wis­sen­schaft und Ler­nen - Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen Be­ob­ach­tun­gen und Ex­pe­ri­men­te zum Er­kennt­nis­ge­winn nut­zen Phy­sik als Na­tur­be­trach­tung unter be­stimm­ten As­pek­ten - Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­schei­den zwi­schen Be­ob­ach­tung und phy­si­ka­li­scher Er­klä­rung. Wis­sen, dass na­tur­wis­sen­schaft­li­che Ge­set­ze und Mo­dell­vor­stel­lun­gen Gren­zen haben. Wis­sen, dass dabei zwi­schen un­se­rer Er­fah­rungs­welt und ihrer phy­si­ka­li­schen Be­schrei­bung un­ter­schie­den wer­den muss.
2	Na­tur­wis­sen­schaft und Kom­mu­ni­ka­ti­on - Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen na­tur­wis­sen­schaft­li­che Sach­ver­hal­te be­schrei­ben, ver­an­schau­li­chen und adres­sa­ten­ge­recht prä­sen­tie­ren.
3	Na­tur­wis­sen­schaft und Kom­mu­ni­ka­ti­on - Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen Hilfs­mit­tel und In­for­ma­ti­ons­quel­len wie Le­xi­ka, Fach­zeit­schrif­ten, Ta­bel­len­wer­ke, For­mel­samm­lun­gen, Com­pu­ter­pro­gram­me, In­ter­net ... sach­ge­recht nut­zen.
4	An­wen­dungs­be­zug und ge­sell­schaft­li­che Re­le­vanz der Phy­sik Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ken­nen cha­rak­te­ris­ti­sche Werte der be­han­del­ten phy­si­ka­li­schen Grö­ßen und kön­nen sie für sinn­vol­le phy­si­ka­li­sche Ab­schät­zun­gen an­wen­den.
5	Na­tur­wis­sen­schaft und Ge­sell­schaft - Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen in grö­ße­ren Zu­sam­men­hän­gen den­ken (z.B. in Kreis­läu­fen), Mög­lich­kei­ten und Fol­gen ihres per­sön­li­chen Han­delns er­ken­nen und Kon­se­quen­zen zie­hen (Nach­hal­tig­keit).
6	Phy­sik als ein his­to­risch-dy­na­mi­scher Pro­zess - Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen, wel­che Rolle die In­tui­ti­on in der Phy­sik spielt.
7	For­ma­li­sie­rung und Ma­the­ma­ti­sie­rung in der Phy­sik - Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen den funk­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen phy­si­ka­li­schen Grö­ßen gra­phisch dar­stel­len und Dia­gram­me in­ter­pre­tie­ren.
8	... siehe z.B. http://​www.​ika­rus-​mo­dell­bau.​de

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Mo­del­le ... u. ... Si­mu­la­tio­nen: Her­un­ter­la­den [pdf] [195 KB]