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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch hilft Lehramtsstudierenden, Referendaren und Lehrkräften der Physik besser zu verstehen, was sich hinter Schüleraussagen versteckt. Oft weichen Schülerantworten im Physikunterricht von dem ab, was man als Lehrkraft erwartet oder erhofft. Dahinter stehen Vorstellungen, die von den Alltagserfahrungen der Schülerinnen und Schüler geprägt sind. Für das Unterrichten und das Lernen von Physik ist von zentraler Bedeutung, was die Kinder und Jugendlichen an Vorwissen, Vorstellungen und Denkmustern bereits mitbringen. Auf dieser Grundlage verarbeiten Lernende neue Informationen. Die Autorinnen und Autoren stellen den Erkenntnisstand über Schülervorstellungen zu physikalischen Begriffen dar und stellen Lösungsmöglichkeiten für Probleme im Schulunterricht vor.

In den ersten drei Kapiteln werden die theoretischen Grundlagen sowie Strategien des Umgangs mit Schülervorstellungen bei der Unterrichtsgestaltung erläutert. In zehn folgenden Themenkapiteln werden konkrete Schülervorstellungen vorgestellt, ihre Hintergründe erklärt und Vorschläge gemacht, wie man mit diesem Wissen Lernangebote besser gestalten kann. Die Inhaltsbereiche erstrecken sich vom Anfangsunterricht in der Grundschule bis hin zur gymnasialen Oberstufe. Dazu zählen die Mechanik, Optik, Elektrizitätslehre, Wärmelehre, Quantenphysik und weitere Gebiete sowie allgemeine Vorstellungen über die Physik als Wissenschaft.

Die Leserinnen und Leser werden:

- typische Schülervorstellungen in wichtigen Gebieten der Physik kennen,

- auf Basis dieses Wissens Lernschwierigkeiten bei Schülerinnen und Schülern diagnostizieren können,

- wissen, wie man Lernenden helfen kann, ihre Vorstellungen weiterzuentwickeln,

- wissen, wo man Unterrichtskonzeptionen findet, die Schülervorstellungen berücksichtigen,

- Möglichkeiten kennen, wie man Schülervorstellungen bei der Unterrichtsplanung und -durchführung berücksichtigen kann, und nicht zuletzt

- die eigenen Vorstellungen zu zentralen physikalischen Konzepten fachlich durchdacht haben.

Schülervorstellungen sind auch ein guter Anlass, die grundlegenden Begrifflichkeiten der Physik für sich selbst noch einmal fachlich zu durchdenken. Hierzu regt das vorliegende Lehrbuch mit fachlichen Erläuterungen an.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Schülervorstellungen und Physiklernen

In diesem Übersichts- und Grundlagenkapitel wird dargelegt, wie wichtig Schülervorstellungen für die Unterrichtsgestaltung sind und wie sie das Lernen von Physik beeinflussen. Der fachdidaktische Hintergrund und die Interpretation des Begriffs „Schülervorstellung“ werden diskutiert. Ein weiteres Thema ist die Frage, woher Schülervorstellungen stammen. Abschließend wird die Entwicklung des Forschungsprogramms „Schülervorstellungen“ und dessen Untersuchungsmethoden vorgestellt: Wie gelangt man zu Erkenntnissen über das physikalische Denken von Schülern?
Horst Schecker, Reinders Duit

2. Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen

Im zweiten Grundlagenkapitel wird ein kurzer Überblick über theoretische Grundlagen zum Lernen in der Physik gegeben. Zunächst wird die konstruktivistische Auffassung diskutiert. Darunter versteht man, dass jeder Mensch den Sinn dessen, was gelernt werden soll, selbst konstruieren muss. Danach widmet sich das Kapitel dem Conceptual Change. Damit werden Prozesse beschrieben, bei denen bestehende Wissenssysteme umstrukturiert werden. Im Kapitel werden verschiedene Ansätze zur Beschreibung des Conceptual Change vorgestellt, u.a. der Ansatz, nach dem Schülerinnen und Schüler komplexe Modelle selbst synthetisieren, und der Ansatz eines fragmentierten, d. h. wenig konsistenten Wissens aufseiten der Lernenden. Ebenso wird der Einfluss von Metakognition auf den Conceptual Change erläutert.
Martin Hopf, Thomas Wilhelm

3. Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen

Im dritten Grundlagenkapitel geht es themenunabhängig um grundlegende Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen im Physikunterricht. Dabei wird zwischen Konfliktstrategien für diskontinuierliche Lernwege und Aufbaustrategien für kontinuierliche Lernwege unterschieden. Die Strategien werden begründet und an Beispielen beschrieben. Als generelle Strategie scheinen Aufbaustrategien erfolgreicher zu sein, während kognitive Konflikte zur Vertiefung eingesetzt werden können.
Thomas Wilhelm, Horst Schecker

4. Schülervorstellungen in der Mechanik

Viele Schülerinnen und Schüler besitzen auch nach dem Mechanikunterricht ineinander verwobene Vorstellungen von ‚Kraft‘ als einer universellen Wirkungsfähigkeit mit Elementen von „Kraft haben“, „Kraft übertragen“, „Kraft ausüben“. Viele Lernschwierigkeiten in der Mechanik ergeben sich aus der vermeintlich leichten Erlernbarkeit des Themengebiets: Die Vorgänge und ihre Beschreibungen scheinen aus der Erfahrungswelt bereits gut bekannt zu sein. Geschwindigkeit und Beschleunigung werden z. B. als „schnell/langsam“ bzw. „schneller werden“ verstanden. Das Kapitel behandelt ein breites Spektrum von Schülervorstellungen zur Kinematik und zur Dynamik (Newton’sche Axiome). Es werden zudem schülergemäße Elementarisierungen der Grundkonzepte vorgestellt. Übungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.
Horst Schecker, Thomas Wilhelm

5. Schülervorstellungen zur geometrischen Optik

In diesem Kapitel werden die Schülervorstellungen zur geometrischen Optik erläutert. Es umfasst Vorstellungen zu Licht und dessen Eigenschaften, Vorstellungen zum Sehvorgang bzw. zur Wechselwirkung von Licht mit Materie. Außerdem werden Vorstellungen zu Abbildungsvorgängen und zu Farben erläutert. Übungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.
Claudia Haagen-Schützenhöfer, Martin Hopf

6. Schülervorstellungen zum elektrischen Stromkreis

In diesem Kapitel werden Schülervorstellungen zu elektrischen Gleichstromkreisen dargelegt, die aus einer Spannungsquelle, Kabeln und Widerstandsbauelementen bestehen. Es wird bei Schülervorstellungen in der Primarstufe begonnen und dann werden Vorstellungen zur elektrischen Spannung, zum elektrischen Strom sowie grundsätzliche Denkmuster zu Stromkreisen beschrieben. Übungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.
Thomas Wilhelm, Martin Hopf

7. Schülervorstellungen zu Teilchen und Wärme

Das Kapitel befasst sich im ersten Teil mit Vorstellungen über kleinste Teilchen. Als Bausteinen makroskopischer Körper werden ihnen deren Eigenschaften zugeordnet, z. B. Farbe. Weitere Bereiche sind Vorstellungen über die Bewegung mikroskopischer Teilchen und Überlegungen von Schülern, was sich zwischen den Teilchen befindet. Im zweiten Teil des Kapitels geht es um Schülervorstellungen über den Zusammenhang von Temperatur und Wärme sowie die Vorstellung, manche Stoffe seien von Natur aus warm oder kalt. Grundlegende Konzeptionen eines Unterrichts über Teilchen werden gegenübergestellt. Dabei spielt der Modellaspekt eine wichtige Rolle. Übungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.
Helmut Fischler, Horst Schecker

8. Schülervorstellungen zu Energie und Wärmekraftmaschinen

Schülerinnen und Schüler stellen sich Energie häufig als eine Art Treibstoff vor, der beim Antrieb von Vorgängen verbraucht wird. Physikalisch ist Energie eine abstrakte Erhaltungsgröße. Es ist schwierig, zwischen diesen beiden Aspekten zu vermitteln: Wie anschaulich kann der Energiebegriff im Unterricht behandelt werden, wenn er gleichzeitig fachlich vertretbar bleiben soll? Das Kapitel behandelt Schülervorstellungen zu Energieverbrauch, Energietransfer, Energieformen und Arbeit. Ein weiterer Abschnitt erläutert Vorstellungen zu den Hauptsätzen der Thermodynamik und zu Wirkungsgraden von Wärmekraftmaschinen. Fachliche Erläuterungen nehmen einen größeren Umfang ein. Übungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.
Horst Schecker, Reinders Duit

9. Schülervorstellungen zu Feldern und Wellen

In diesem Kapitel werden die Schülervorstellungen zu Feldern und Wellen vorgestellt. Diskutiert werden Vorstellungen und Schwierigkeiten zu Feldern generell, auch z.B. zu Feldlinienbildern. Vorstellungen zu elektrischen bzw. zu magnetischen Feldern im Speziellen werden im Anschluss erläutert. Der zweite Teil des Kapitels widmet sich Vorstellungen zu Wellen. Dabei gehen wir neben allgemeinen Vorstellungen auch auf Vorstellungen zu Beugung und zu Interferenz ein. Übungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.
Martin Hopf, Thomas Wilhelm

10. Schülervorstellungen zur Quanten- und Atomphysik

Ähnlich wie man sich in der Mechanik (Kap. 4) von irreführenden Sprach- und Denkmustern bewusst lösen muss, ist es in der Quantenphysik erforderlich, sich mit den klassischen Schülervorstellungen auseinanderzusetzen, um Sprach- und Denkmuster zu entwickeln, die den quantenmechanischen Phänomenen angemessen sind. Das Kapitel behandelt Schülervorstellungen zu Planetenmodellen des Atoms, Ladungswolken, Schalen und Orbitalen, Bahnen und Ortseigenschaft. Im Hinblick auf die Quantenmechanik werden Vorstellungen über Determinismus und Wahrscheinlichkeit, Wellen und Teilchen sowie zur Heisenberg’schen Unbestimmtheitsrelation diskutiert. Übungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen und Testinstrumente runden das Kapitel ab.
Rainer Müller, Horst Schecker

11. Schülervorstellungen zu fortgeschrittenen Themen der Schulphysik

In diesem Kapitel geht es um ein breites Spektrum an Themen der moderneren Physik. Dazu zählen Vorstellungen zu speziellen Themen der Atomphysik, wie z. B. Linienspektren oder elektronische Übergänge im Atom. Es werden Vorstellungen zu Zufall und Wahrscheinlichkeit sowie zur Radioaktivität erläutert. Dazu kommen Vorstellungen zu elektromagnetischer Strahlung wie Infrarot oder Ultraviolett. Ebenso werden Vorstellungen zur Astrophysik und zur Relativitätstheorie vorgestellt. Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen und Testinstrumente runden das Kapitel ab.
Martin Hopf, Horst Schecker

12. Schülervorstellungen im Anfangsunterricht

Es werden Schülervorstellungen zu den Themen des Anfangsunterrichts dargelegt, die nicht bereits in anderen Kapiteln des Buches behandelt werden. Begonnen wird mit dem Unterschied zwischen der naturwissenschaftlichen Perspektive und der Alltagsperspektive in der Betrachtung der Welt. Dann geht es um Vorstellungen zum Schwimmen und Sinken, zur Luft, zur Schattenbildung, zum Schall, zur Temperatur, zum Wetter und zum Wasserkreislauf, zum Magnetismus, zu astronomischen Themen und zur Natur der Naturwissenschaften. Die meisten vorliegenden Untersuchungen beschäftigen sich mit den Vorstellungen von Kindern in den Klassenstufen 2 bis 4. In den Klassenstufen 5 und 6 ist im naturwissenschaftlichen Unterricht bzw. Physikunterricht jedoch mit ähnlichen Vorstellungen wie im Sachunterricht der Grundschule zu rechnen. Übungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.
Rita Wodzinski, Thomas Wilhelm

13. Schülervorstellungen zur Natur der Naturwissenschaften

In Kapitel 13 geht es um Schülervorstellungen zur Natur der Naturwissenschaft (nature of science). Es werden die Quellen solcher Vorstellungen erläutert. Danach wird erläutert, wie sich Schülerinnen und Schüler die Person des Naturwissenschaftlers vorstellen und wie sie den epistemologischen Status naturwissenschaftlichen Wissens einschätzen. Danach werden Vorstellungen zum Experimentieren sowie zur Wissensproduktion in der Naturwissenschaft erläutert. Übungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.
Dietmar Höttecke, Martin Hopf

14. Lösungen der Übungsaufgaben

Viele Kapitel des Buchs enthalten Übungsaufgaben, zu deren Lösung das Wissen über themenbezogene Schülervorstellungen angewendet werden muss. In diesem Kapitel sind Lösungsskizzen zu den Übungsaufgaben zusammengestellt. Die Bezeichnung „Skizzen“ bringt zum Ausdruck, dass die Antworten ausführlicher sein können und dass es nicht immer eine einzig mögliche oder eindeutig richtige Bearbeitung gibt. Die Übungen sollen zum Nachdenken über die jeweiligen Kapitelinhalte anregen. In Lehrveranstaltungen bieten die Aufgaben Anlässe, um ausgewählte Schülervorstellungen zu vertiefen.
Horst Schecker, Thomas Wilhelm, Martin Hopf

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