Mechanik I: Grundkonzepte
Trägheit, Kraft und Wechselwirkung: Schlüsselkonzepte zu einem besseren Verständnis mechanischer Vorgänge.
Das Ziel dieser MINT-Unterrichtseinheit besteht darin, ein nachhaltiges Verständnis der grundlegenden Konzepte der Mechanik aufzubauen. Das Unterrichten der Newtonschen Mechanik ist deshalb so anspruchsvoll, weil viele unserer Alltagsvorstellungen von Kraft und Trägheit zunächst eine hohe Plausibilität haben, obwohl sie mit den wissenschaftlichen Konzepten nicht vereinbar sind.
So verbinden wir im Alltag mit dem Begriff der Kraft oft die Bedeutung der Anstrengung und vermuten, dass eine kleine und leichte Person mehr Kraft aufwenden muss, wenn sie wie links abgebildet gegen die Hände einer grossen und schweren Person drückt, obwohl es sich dabei aus physikalischer Sicht um gleich grosse Wechselwirkungskräfte handelt.
Ein schülergerechter und sinnstiftender Aufbau der Lerninhalte unterstützt durch kognitiv aktivierende Lernformen erleichtert es den Schülerinnen und Schülern, ihre Alltagskonzepte zu überdenken und durch die Newtonschen Konzepte zu ersetzen. Ein gutes Verständnis der Konzepte erleichtert nicht nur den formalen Umgang mit physikalischen Grössen, sondern führt auch zu besseren Transferleistungen. Dies konnte in der folgenden Studie belegt werden, die auch gezeigt hat, dass Mädchen von diesem Unterricht besonders stark profitieren:
Hofer. S., Schumacher, R., Rubin, H., Stern, E. (2018). Enhancing Physics Learning with Cognitively Activating Instruction: A Quasi-Experimental Classroom Intervention Study. Journal of Educational Psychology.
Grosse Sorgfalt wurde in dieser Unterrichtseinheit zum Beispiel auf kognitiv aktivierende Unterrichtseinstiege gelegt. Sie zeigen den Schülerinnen und Schülern ihre Wissensgrenzen auf und ermutigen sie dazu, ihr Wissen zu erweitern oder umzustrukturieren. Als Einstieg in die Lektion zur Trägheit werden die Schülerinnen und Schüler beispielsweise aufgefordert vorherzusagen, wie lange sich die unten abgebildete Euler-Scheibe auf einer glatten Oberfläche drehen wird:
Die meisten Schülerinnen und Schüler sind nach dem Experiment überrascht, wie lange sich die Euler-Scheibe dreht. Sie bemerken dabei, dass sie diese Beobachtung mit ihren Alltagsvorstellungen nicht erklären können. Auf diese Weise werden sie auf die Einführung des physikalischen Begriffs der Trägheit vorbereitet.
Im Folgenden wird an ausgewählten Beispielen gezeigt, wie der Unterricht optimiert werden kann und welche Lernformen dabei zur Anwendung kommen.
Ein gutes Verständnis der mechanischen Grundkonzepte ist die Grundlage für den weiteren Wissensaufbau sowie Freude und Erfolg im Fach Physik. Dabei ist es aber oft schwierig die Schülerinnen und Schüler für diesen elementaren und auch schwierigen Teil der Physik zu begeistern. Mithilfe dieser Lerneinheit werden diese gezielt angeleitet, sich die elementaren Grundkonzepte anhand beobachtbarer Alltagsphänomene durch eigenes Nachdenken und Diskutieren selbst zu erschliessen. Dabei helfen Lernformen, die sich in aktuellen empirischen Studien als besonders lernwirksam erwiesen haben, die häufig ungünstigen Alltagskonzepte zu überwinden. Das durch diese Methode verbesserte Konzeptverständnis erleichtert es den Schülerinnen und Schülern, anschliessend die formale Beschreibung der Sachverhalte mit geringerem Aufwand besser zu verstehen und Problemstellungen leichter zu bewältigen. Erste Untersuchungen haben bereits ergeben, dass Schülerinnen und Schüler, die mit diesem Kurs unterrichtet wurden, neben einem besseren Konzeptverständnis auch signifikant bessere Leistungen im Lösen der Aufgaben erbrachten als die Vergleichsgruppen
Die Unterrichtseinheit besteht aus sechs Sequenzen mit 16 Lektionen. Jede Lektion zeichnet sich durch anregende Unterrichtseinstiege aus und bietet unterschiedliche Vertiefungsmöglichkeiten. Dadurch lässt sich der Einsatz dieser Lerneinheit sowohl dem Vorwissen und den Bedürfnissen der Schülerinnen und Schüler als auch den Anforderungen der Lehrpläne optimal anpassen. Die Sequenzen mit ihren Themenbereichen sind:
- Trägheit und Bewegung Im Alltag versteht man unter Trägheit meist nur die Unlust, sich zu bewegen. Für die Physik ist es aber von zentraler Bedeutung, dass Trägheit umgekehrt auch die Körper in Bewegung hält. Dies wird an vielen Beispielen diskutiert. Aus der Frage, wie sich ein Körper nur aufgrund seiner Trägheit bewegt, wird die Kinematik der gleichförmigen Bewegung abgeleitet.
- Masse und Gewicht Masse und Gewicht werden im Alltag meist nicht unterschieden. Weshalb man aber zwischen diesen beiden Grössen unterscheiden muss, ist Thema dieser Sequenz. Aus der Untersuchung der Eigenschaften des Gewichts wird das Konzept der Kraft entwickelt.
- Kraft und Beschleunigung Wenn sich ein kräftefreier Körper gleichförmig bewegt, dann muss eine Kraft zu einer Beschleunigung führen. Wie verändert sich die Geschwindigkeit eines Körpers durch die Einwirkung einer Kraft? Aus dieser Frage wird das Konzept der Beschleunigung abgeleitet und der Zusammenhang zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung diskutiert. Hier wird auch die Kinematik der gleichförmig beschleunigten Bewegung besprochen.
- Gleichgewicht Es gibt Situationen, bei denen Krafteinwirkungen zu keiner Beschleunigung führen. Unter welchen Bedingungen wird ein Körper im Gleichgewicht gehalten? Ist ein gleichförmig bewegter Körper im Gleichgewicht? Hier werden die Konzepte des Kräfteparallelogramms und des Drehmoments besprochen.
- Wechselwirkung Zum Verständnis vieler mechanischer Systeme muss man davon ausgehen, dass Körper gegenseitig Kräfte aufeinander ausüben und dass diese jeweils gleich gross und entgegengesetzt sind. Für die vollständige Analyse muss zudem klar zwischen Wechselwirkungs- und Kompensationskräften unterschieden werden. Auf diese Kompetenz wird in dieser Sequenz besonderer Wert gelegt
- Die Grundgesetze In dieser abschliessenden Sequenz werden die mechanischen Grundgesetze in einen historischen Kontext gestellt und als Newton’sche Axiome benannt. Aspekte, die den Schülerinnen und Schülern erfahrungsgemäss immer wieder Schwierigkeiten bereiten, werden noch einmal vertieft an Schlüsselbeispielen diskutiert.
Beispiele aus unserer Lerneinheit
Aufeinander abgestimmte und gut strukturierte Arbeitsblätter führen die Schülerinnen und Schüler durch den Unterricht. Sehen Sie sich Ausschnitte einiger Arbeitsblätter zum Thema Grundkonzepte der Mechanik genauer an:
externe Seite Probeansicht einiger Arbeitsblätter
Zu jeder Lektion gibt es eine Bildschirmpräsentation welche die Diskussion der Themen in der Klasse erleichtert. Sehen Sie sich hier als Beispiel die Präsentation zur Lektion 9 an, wo es um die Frage geht, welche Wirkung eine konstante Kraft auf einen Körper ausübt:
externe Seite Probeansicht einer lektionsbegleitenden Präsentation
Zu jeder Sequenz gibt es zudem ein Aufgabenblatt mit gut kommentierten Lösungen.
Sehen Sie sich links einen Ausschnitt genauer an.
Eine weitere Hilfe im Unterricht sind sorgfältig erarbeitete Lesetexte, anhand derer sich die Schülerinnen und Schüler gewisse Aspekte eines Themas durch eigene Lektüre erarbeiten. Dadurch bleibt mehr Zeit für die Diskussion in der Klasse.
Ein wichtiges und lernwirksames Element des Unterrichts sind Arbeitsaufträge an die Schülerinnen und Schüler. Sehen Sie sich die folgenden Beispiele zu Selbsterklärungen und zu metakognitivem Training an.
Schliesslich sind Sie auch am Lernfortschritt Ihrer Klassen interessiert. Mithilfe der Vor- und Nachtests können Sie sich ein Bild des Vorwissens und des Lernfortschritts machen. Schauen Sie sich auch dazu noch ein Beispiel an.
Wenn Sie wollen, werten wir gerne diese Tests für Sie aus.
Wie ist es möglich, dass die zwei Gewichte in der Abbildung rechts dieselbe Wirkung haben wie nur ein Gewicht in der Abbildung links?
