Auf dieser Seite haben wir Informationen und Anregungen für Ihren Physik-Unterricht zum Thema Atomphysik zusammengestellt. Ein Remotely Controlled Laboratory (RCL) ist ein über das Internet fernbedienbares Realexperiment. Dieser Artikel ist die Basis aller Lehrer Online-Unterrichtseinheiten zum Einsatz von RCLs. Hier finden Sie grundlegende Informationen zu folgenden Themen: Prinzip von RCLs, allgemeiner und spezifischer Mehrwert von RCLs, Konzeption des RCL-Portals, Überblick zu RCLs auf dem RCL-Portal und Einordnung von RCLs unter den Physikmedien. Wie macht man aus einem MCL ein RCL? Um aus einem von Hand durchgeführten Experiment - einem Manually Controlled Laboratory (MCL) - ein Remotely Controlled Laboratory (RCL) zu machen, müssen Experiment und Experimentator über Schnittstellen zum Internet miteinander verbunden werden (Abb. 1). Experimentseitig wird das MCL mit Sensoren und Aktoren ausgestattet. Aktoren sind meist Schrittmotoren, die das zu bewegende Element - wie beim RCL zum Fotoeffekt die Räder mit Grau- und Farbfiltern (Abb. 1) - sehr genau positionieren. Sensoren sind je nach RCL zum Beispiel Lichtsensoren, Geiger-Müller-Zählrohre, Schalter oder - wie beim Fotoeffekt - eine Fotozelle. Interface Das an einen Computer angeschlossene Interface mit Microcontroller und anpassbarer Sensor/Aktor-Elektronik übernimmt die Steuerung der Datenströme von und zu den Sensoren/Aktoren. Bereits jetzt kann ein Experimentator das RCL lokal vor Ort über ein Terminal-Programm mit dem programmierten Befehlssatz des Microcontrollers bedienen (Nahsteuerung). Ein auf dem Computer installierter Webserver mit Informationen zum RCL auf statischen Webseiten und mit der Bedienung des RCLs auf dynamischen Webseiten ermöglicht den Zugriff auf das RCL über das Internet (Fernsteuerung). Bildübertragung per Webcam Die Interaktivität zwischen dem RCL und dem Experimentator wird durch Videobilder von einer oder zwei Webcams (Beobachtung von Versuchseinstellungen und Versuchsergebnissen) und den dynamischen Webseiten (Auswahlfelder für Versuchseinstellungen, Ein- und Ausgabe von Versuchsdaten) hergestellt. Experimentatorseitig werden lediglich ein Internetzugang und ein Computer mit javafähigem Browser benötigt. Gestaltung von RCLs Die Entwicklung von RCLs ist zeitaufwändig und kostenintensiv. Die Investitionen müssen sich bei einer entsprechenden Gestaltung des RCLs und dem Einsatz der Internettechnologie in einem allgemeinen Mehrwert gegenüber MCLs auszahlen. Dazu werden folgende Aspekte beachtet: Authentizität zum MCL RCLs in der Raumfahrt müssen teilweise vollautomatisiert ablaufen. RCls zum Lernen von Physik müssen dagegen möglichst authentisch in der Durchführung zu einem MCL sein, um den Schülerinnen und Schülern Möglichkeiten und Anknüpfungspunkte für ihr eigenes Lernen zu geben. Dazu gehört, dass das RCL in ähnlicher Weise wie das MCL bedient (zum Beispiel Einschalten von Versuchsgeräten) und auf eine automatisierte Auswertung der Versuchsdaten verzichtet wird. Außer der schriftlichen Versuchsauswertung mit einem Taschenrechner können hierbei Tabellenkalkulationsprogramme und Computeralgebrasysteme genutzt werden (siehe Einordnung von RCLs unter den Physikmedien ). Barrierefreie Zugriffsmöglichkeit Der Zugriff auf die RCLs des RCL-Portals ist jederzeit, weltweit, kostenlos, ohne zusätzliche Software und ohne Anmeldung möglich. Ein Buchungssystem wird zukünftig auch die Reservierung von RCLs bieten (siehe Das RCL-Portal ). Intuitive Bedienbarkeit Die Bedienung der meisten RCLs erfolgt mit wenigen Bedienelementen bei maximaler Interaktivität des Nutzers mit dem RCL (siehe Das RCL-Portal ). Vollständigkeit Mit der Lernumgebung zum RCL kann der Nutzer ohne zeitaufwändige Suche von Informationen das RCL durchführen (siehe Das RCL-Portal ). Nachbaubarkeit Durch Dokumentation und durchgehenden Aufbau des RCLs mit Open-Source-Software ist ein Nachbau durch Schülerinnen und Schüler mit möglichst geringen Kosten möglich (siehe Zusatzinformationen ). Gestaltungsfreiheit Der Aufbau von RCLs bietet große Freiheiten in der Gestaltung der Experimentiermöglichkeiten mit dem RCL (siehe Spezifischer Mehrwert von RCLs ). Vorteile gegenüber MCLs und Kompensation von Nachteilen Ein zu flüchtiger Blick auf RCLs verleitet leicht zu der Aussage, dass eine Zwischenschaltung des Internets zwischen Experimentator und Experiment aufgrund der Distanz zu einem Verlust an Qualität gegenüber dem MCL führt. Das Dokument "vorteile_nachteile_RCL.pdf" informiert in Tabellenform über die Vorteile von RCLs gegenüber MCLs und zeigt, wie Nachteile von RCLs kompensiert beziehungsweise vorteilhaft genutzt werden können. Die Realisation eines RCLs nach dem mechanistischen Schema, die Versuchsdurchführung "irgendeines" Experiments fernbedienbar zu machen, ist wenig Erfolg versprechend, weil die Anforderungen an ein qualitativ hochwertiges RCL sehr komplex sind. Die nachfolgenden Leitfragen stellen die Entscheidung für oder gegen die Umsetzung eines in Planung befindlichen RCLs auf eine rationale Basis. Nur so lässt sich ein Mehrwert des realisierten RCLs gegenüber anderen Medien gewährleisten. Leitfragen zum Lehr-Lern-Kontext Ist das Thema des Experiments in der Physik, im Alltag und als Anwendung physikalischer Gesetze bedeutsam? Ist das Thema des Experiments auch Lehrplanthema? Ist das Experiment nicht an Schulen verfügbar (zu teuer)? Wird das Experiment im Unterricht nicht oder nur selten eingesetzt (zu zeitaufwändig, zu kompliziert, zu anspruchsvoll)? Haben Schülerinnen und Schüler Lern- oder Verständnisschwierigkeiten mit dem Thema des Experiments? Ist das Experiment nicht als Schülerversuch durchführbar (zu gefährlich: hohe Spannungen, gefährliche Strahlungen, giftige Substanzen)? Leitfragen zum Experiment Gibt es ausreichende und vielfältige Experimentiermöglichkeiten? Kann eine ausreichende Anzahl quantitativer Messungen durchgeführt werden? Sind über den Standardversuch hinausgehende Messungen möglich? Handelt es sich um ein völlig neues oder von Lehrgeräte-Herstellern nicht lieferbares Experiment? Kann das Experiment als Multi-Use-RCL mit vielen Experimentiermöglichkeiten im Rahmen eines Themengebiets realisiert werden? Leitfragen zur RCL-Realisation Ist der finanzielle und zeitliche Aufwand bei der Realisation durch den Mehrwert des RCLs gerechtfertigt? Ist die Verwendung von Standardkomponenten möglich? Sind alle Versuchsmaterialien beschaffbar oder herstellbar? Ist ein RCL wirklich das geeignete Medium (Simulationen und Messvideos als Alternativen)? Ist das Experiment bis jetzt noch nicht als RCL verfügbar? Können zeitabhängige Versuchsabläufe im Webcam-Bild dargestellt werden (Problem Datenübertragungsrate)? Folgende Punkte sind im Hinblick auf den Erwerb experimenteller Fertigkeiten und Fähigkeiten mit RCLs relevant: Die Anzahl der Experimente, die Schülerinnen und Schüler in Schulen selbst durchführen können, sind durch fehlendes Experimentiermaterial, zu große Klassen, zu hohen zeitlichen Aufwand oder dadurch, dass fast alle Oberstufenexperimente Lehrerdemonstrationsexperimente mit geringen Beteiligungsmöglichkeiten für die Lernende sind, stark begrenzt. Bei RCLs entfällt zwar der Aufbau und die haptische Durchführung des Experiments, was jedoch schneller höhere experimentelle Fähigkeiten in den Fokus rücken lässt. Bei der Nutzung von RCLs als Hausexperimente haben die Schülerinnen und Schüler genügend Zeit, um unbeeinflusst von anderen Lernenden und der Lehrkraft im eigenen Lerntempo experimentelle Fertigkeiten und Fähigkeiten zu üben. Das RCL-Portal zeichnet sich durch die folgenden Eigenschaften aus: Da auf RCLs im Internet weltweit zugegriffen werden kann, sind alle RCLs in englischer und deutscher Sprache, zwei zusätzlich in italienischer und französischer Sprache, verfügbar. Nutzer, die RCLs in ihre Landessprache übersetzen möchten, werden von der AG Didaktik der Physik an der TU Kaiserslautern unterstützt. Der Zugang zum RCL-Portal ist kostenlos und anmeldungsfrei (auch unter einem zukünftigen Buchungsystem). Die technischen Voraussetzungen sind: Ports 8080, 8081 (Windkanal), 8082 (Radioaktivität) und 8083 (Weltpendel Kaisersesch) müssen freigeschaltet sein. Zur Darstellung der Videobilder ist ein Browser mit installierter JRE (kostenloser Download) und mindestens DSL 1000 erforderlich. Zielgruppen des RCL-Portals sind technisch oder naturwissenschaftlich interessierte Laien, Schülerinnen und Schüler sowie Präsenz- oder Fernstudierende. Struktur der RCL-Webseiten Unter dem Hauptmenüpunkt "Labs" findet man die einzelnen RCLs. Nach der Auswahl eines RCLs gelangt man zu dem für alle Experimente einheitlich gestalteten Versuchs-Menü aus Einstieg (Einführung und Zielsetzung), Aufbau (Beschreibung und Daten), Theorie (theoretische Grundlagen und Hinweise zur Versuchsdurchführung), Aufgaben (experimentelle Fragestellungen), Labor (Versuchsdurchführung mit dem RCL), Diskussion (weiterführende Fragestellungen), Material (Versuchsmaterial, didaktisches Material und Literaturhinweise) und Betreuung (Inhaltliche Verantwortung und Versuchsentwickler). Abb. 2 (zum Vergrößern anklicken) zeigt einen Screenshot des RCLs "Windkanal". Struktur der Laborseiten Neben der linken Menüleiste (Abb. 2) werden die Videobilder (maximal zwei) der Webcams sowie die zur Durchführung und Auswertung des Versuchs unmittelbar benötigten Hinweise und Daten angezeigt. Im Bedienfeld rechts daneben kann der Experimentator über Buttons, Auswahllisten, Ein- und Ausgabefelder das RCL steuern. Mit dem Button "RCL RESET" lässt sich bei einer auftretenden Fehlfunktion der Webserver ferngesteuert neu starten. Verfügbarkeit der RCLs Da RCLs Liveexperimente sind, kann immer nur ein Experimentator die Kontrolle über das RCL haben. Ihm steht eine vom RCL abhängige, heruntergezählte Experimentierzeit zwischen zwei und fünf Minuten zur Verfügung (siehe Abb. 2, Bedienfeld oben). Innerhalb dieser Zeit setzt jede Aktion im Bedienfeld die noch verfügbare Experimentierzeit auf den Anfangswert zurück. Damit bleibt das Experiment auch für andere Nutzerinnen und Nutzer verfügbar, die die verbleibende Experimentierzeit angezeigt bekommen und die Aktionen des Experimentators im Videobild der Webcam(s) mitverfolgen können. Um in der Lehre das RCL mit Sicherheit verfügbar zu haben, wird zurzeit ein Buchungssystem entwickelt. Auf dem RCL-Portal sind derzeit die RCLs Elektronenbeugung, Lichtgeschwindigkeit, Fotoeffekt, Beugung und Interferenz, U-I-Kennlinen (zwei Varianten), Roboter im Labyrinth, Windkanal, Maut, Heißer Draht, Optische Pinzette, Optische Computertomographie, Radioaktivität, Rutherfordscher Streuversuch und Oszilloskop verfügbar. Eine verbesserte Variante von Beugung und Interferenz, Weltpendel, Optische Fouriertransformation/Ordnung und Unordnung werden bis Ende 2008 verfügbar sein. Der Datei "ueberblick_RCL_portal.pdf" können zu diesen fast 20 RCLs folgende Angaben entnommen werden: Fachgebiet, Zielgruppe und Lehrplanbezug Das RCL ist einem oder mehreren Fachgebieten zugeordnet. Es ist angegeben, ob das RCL in Sekundarstufe I, Sekundarstufe II oder der Universität und ob es im Rahmen der exemplarisch ausgewählten Lehrpläne von Rheinland-Pfalz eingesetzt werden kann. Single- oder Multi-Use-RCL Single-Use-RCLs sind solche, die in einem Themen- oder Fachgebiet der Physik nur einmalig eingesetzt werden. Häufig sind das Experimente zur Bestimmung von Konstanten. Dagegen decken Multi-Use-RCLs inhaltlich mit ihrer Vielfalt an Experimentiermöglichkeiten fast ganze Themengebiete der Physik ab. Motivation/Lernkontext Es ist angegeben, ob das RCL eher in einem anwendungsorientierten, einem alltagsorientierten oder einem innerphysikalisch Kontext eingesetzt werden kann. In den letzten zwei Jahrzehnten sind im Zuge der Entwicklung von Multimedia und Internet zahlreiche "Species" digitaler Medien entwickelt worden (Abb. 3, zum Vergrößern anklicken). Speziell der Vermittlung physikalischer Inhalte dienen Physikmedien wie Simulationen, Realexperimente sowie Informations- und Lehr-/Lernsysteme. Kognitive Werkzeuge entlasten die Lernenden von Routinearbeiten und regen sie gleichzeitig zu einer vertiefenden Informationsverarbeitung an. Unter den Realexperimenten sind RCLs und die digitale Messwerterfassung Live-Experimente, während bei der Videoanalyse, den interaktiven Bildschirmexperimenten (IBEs) und den Messvideos zunächst ein Video des Experiments aufgenommen und dann zeitversetzt das Experiment wiederholt und ausgewertet wird. Mit Live-Experimenten kann der gleiche Versuch beliebig oft wiederholt werden, was insbesondere bei der Gewinnung größerer Datenmengen und von statistischen Aussagen notwendig ist. Während Realexperimente und speziell RCLs der Untersuchung ausgewählter Realitätsbereiche dienen, werden diese mit Simulationen anhand bekannter physikalischer Gesetzmäßigkeiten vom Programmierer (Applets, Physlets und Simulationsprogramme) oder von den Lernenden selbst (Modellbildung) nachgebildet und untersucht. Die Ergänzung von RCLs durch Simulationen ermöglicht die physiktypische Wechselwirkung von Experiment und Theorie. Innerhalb des RCL-Konzepts, das Experiment durch den Verzicht auf eine automatisierte Auswertung möglichst authentisch zum MCL zu gestalten, spielen die kognitiven Werkzeuge Tabellenkalkulation und Computeralgebrasysteme zur Auswertung und Weiterverarbeitung von Versuchsdaten sowie zum Vergleich von experimentellen und theoretischen Daten eine große Rolle. Die Schülerinnen und Schüler sollen Atommodelle kennen. die alpha-, beta und gamma-Strahlung kennen. künstliche Kernumwandlungen kennen. das Aufstellen von Zerfallsgleichungen beherrschen. erkennen, dass der Unterschied zwischen gesteuerter und ungesteuerter Kettenreaktion für die Nutzung der Kernenergie immens wichtig ist. Thema Atomphysik - vom Atommodell zur Kernenergienutzung Autor Jens Tiburski Fach Physik Zielgruppe Klasse 9, Klasse 10 zur Prüfungsvorbereitung Zeitraum 1-3 Stunden, je nach didaktischem Ort Technische Voraussetzungen Computerarbeitsplätze in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit); VRML-Plugin (zum Beispiel BlaxxunContact ), Java , Video-Player (zum Beispiel DivX oder RealOne Player ) Einsatz im Unterricht Der Einsatz der Sammlung von interaktiven Übungen und 3D-Animationen zur Atomphysik sollte unterrichtsbegleitend erfolgen. Nach der Behandlung des jeweiligen Themas im Unterricht (Arbeitsblätter als Word-Dokumente im Download-Paket "atomphysik_materialien.zip") können Übungsphasen im Computerkabinett den Unterricht lebendiger gestalten und zur Binnendifferenzierung genutzt werden. Die Verwendung der 3D-Animationen soll dabei die Anschaulichkeit erhöhen und die Visualisierung der Aufgabenstellung gerade bei den "unsichtbaren" Sachverhalten im submikroskopischen Bereich vereinfachen. Hinweise zur Nutzung der interaktiven Arbeitsblätter In der Klassenstufe 9 hat sich der Einsatz des Beamers bewährt, wenn die Schülerinnen und Schüler die Arbeit mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt waren. Für die Eingaben in die Formularfelder der interaktiven Übungen sollte ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Schreibweise erfolgen. Dies führt zu erhöhter Konzentration und weniger Frusterlebnissen, wenn Fragen inhaltlich richtig, aber infolge falscher Rechtschreibung als falsch beantwortet wurden. Auch Partnerarbeit von Lernenden mit guten Deutschkenntnissen zusammen mit Schülerinnen und Schülern, welchen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), ist hier gut möglich. Technische Hinweise Um die 3D-Modelle öffnen zu können, ist ein VRML-Plugin nötig. Alle animierten GIFs und interaktiven 3D-Animationen der verwendeten Übungen wurden vom Autor der Unterrichtseinheit mithilfe des 3D-CAD-Programmes FluxStudio erzeugt. Dieses Programm ist für die pädagogische Arbeit als Freeware verfügbar (~ ~http://www.sn.schule.de/~ms16l/virtuelle_schule/Projektwoche_2008/index_projekt.htm~~). Die Schülerinnen und Schüler sollen eine zeitgemäße Atomvorstellung kennen. die Entstehung von Licht beschreiben können. Kenntnisse über die geschichtliche Entwicklung von Modellen haben. physikalische Größen darstellen und interpretieren können. den Zusammenhang zwischen Linienspektren und atomaren Übergängen kennen. die Spektralanalyse anwenden und physikalisch erklären können. Thema der Unterrichtseinheit Das Elektronium-Modell Autor Patrick Bronner Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Klasse 10 (Fortsetzung in Sek II möglich) Zeitraum 9 Stunden (mit Lernzirkel zum Thema "Analogie Licht-Schall": 14 Stunden) Technische Voraussetzungen Demonstrationsrechner mit Beamer, kostenlose Plugins Quicktime-Player und Java3D Methoden Lernzirkel, Gruppenarbeit, Kugellager, Gruppenpuzzle, Theaterspiel, Schülerreferat, Lehrervortrag Die Schülerinnen und Schüler sollen die Vorgänge bei der Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium sowie das Ergebnis beschreiben können. das Funktionsprinzip des Magnetfeldkäfigs zum Einschließen des heißen Plasmas am Beispiel der beiden grundlegenden Reaktortypen Stellarator und Tokamak kennenlernen und erklären können. die Gefahren bei der Nutzung der Kernfusion erarbeiten und im Vergleich mit anderen Formen der Energieerzeugung bewerten. die Kernfusion als potenzielle, nahezu unerschöpfliche Energiequelle der Zukunft erkennen. Thema Wann "zündet" die Idee der Kernfusionstechnologie? Autorinnen und Autor Roland Wengenmayr, Dieter Lohmann, Sabina Griffith Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II, nach didaktischer Reduktion auch Klasse 9 und 10 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetanschluss in ausreichender Anzahl (Arbeit in Kleingruppen), Flash-Player (kostenfreier Download) Planung Tabellarischer Verlaufsplan Die Materialien der Unterrichtseinheit sind ein Angebot der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. Auf der Webseite max-wissen.de finden Sie weitere Materialien für den Unterricht und Hintergrundinformationen zu aktuellen Forschungsthemen aus Physik, Chemie, Biologie und Erdkunde. An allen max-wissen-Beiträgen sind Fachwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt: Aktualität und fachliche Richtigkeit sind somit gewährleistet. Ein weiteres Angebot der Gesellschaft ist das Fragen-Portal : Lernende und Lehrpersonen können hier Fragen an Forscherinnen und Forscher stellen. Unterrichtsverlauf und Materialien Fachliche Voraussetzungen, Einbettung des Themas in den Unterricht und der Verlauf der Doppelstunde werden hier skizziert. ITER ? der Weg zu neuer, sauberer Energie Für die Fortführung des Themas im Unterricht finden Sie hier weitere Informationen, Grafiken und Links zur internationalen Fusionsforschungsanlage. Ein Remotely Controlled Laboratoy (RCL) ist ein über das Internet fernbedienbares Realexperiment. Die hier vorgestellte Unterrichtsreihe in der Atomphysik nutzt die mediendidaktischen Eigenschaften des RCLs "Rutherfordscher Streuversuch". Lernende können das an Schulen nur selten vorhandene Demonstrationsexperiment als Hausexperiment durchführen, Messdaten in Gruppen zusammentragen und auswerten. Diese werden mit den Vorhersagen der Atommodelle von Dalton, Thomson und Rutherford verglichen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse aus der Mechanik, Elektrostatik und Radioaktivität zur Erklärung der Streuung von Alpha-Teilchen anwenden. mit dem RCL "Rutherfordscher Streuversuch" die Streuung von Alpha-Teilchen experimentell untersuchen. die Vorhersagen zur Streuung der Alpha-Teilchen nach dem Daltonschen, Thomsonschen und Rutherfordschen Atommodell mit den Messergebnissen vergleichen. Arbeitsergebnisse sachgerecht präsentieren. Thema Entdeckung des Rutherfordschen Atommodells mit dem RCL "Rutherfordscher Streuversuch" Autor Sebastian Gröber Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II, Grundstudium Physik und Chemie Zeitraum 10-15 Unterrichtsstunden, je nach Lerngruppe und Unterrichtszielen Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser Software Zur Auswertung der Messergebnisse: Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) oder Computeralgebrasystem (zum Beispiel (debug link record:lo_unit_subpage:tx_locore_domain_model_unitsubpages:646351) als kostenfreie 30-Tage-Testlizenz) Zur Simulation der Ablenkung von Alpha-Teilchen: Modellbildungsprogramm (zum Beispiel kostenlose Version von Powersim oder Coach 6 Studio MV. Der Rutherfordsche Streuversuch gehört zu den zentralen Versuchen der Physik. Historisch bildet das mit ihm abgeleitete Rutherfordsche Atommodell den Übergang von früheren Atomvorstellungen (antike Atommodelle und Thomsonsches Atommodell) zu unserer heutigen Atomvorstellung, nach der ein Atom aus einem positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Atomhülle besteht. Der Rutherfordsche Streuversuch liefert ebenso die physikalischen Grundlagen für die heutige Standardmethode der elementspezifischen Analyse von Festkörperproben mittels Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS). Damit ist dieser Versuch sowohl allgemeinbildend für Lernende in Schule und Hochschule als auch fachbildend für Studierende der Physik und Chemie. Vorteile und Lernpotentiale des RCL Welche Vorteile hat das RCL gegenüber dem traditionellen Experiment? Welches Lernpotenzial hat der Rutherfordsche Streuversuch? Steckbrief und Materialien zum RCL ?Rutherfordscher Streuversuch? Informationen zum Versuchsaufbau, zu den Experimentiermöglichkeiten und Link zum RCL; kommentierte Materialien der Unterrichtseinheit zum Herunterladen. Die Schülerinnen und Schüler sollen die reibungsbehaftete Bewegung der Öltröpfchen in Luft qualitativ erklären können. das Ziel "Ladungsbestimmung" des Millikan-Versuchs erkennen. möglichst eigenständig die Formel einer Messmethode zur Bestimmung der Öltröpfchenladung herleiten. einzeln oder in Gruppen mit dem RCL "Millikan-Versuch" Messdaten erheben, zusammentragen und in Diagrammen darstellen. die Ladungsquantelung als Hypothese formulieren und bestätigen sowie die Elementarladung bestimmen. Beschießt man ein Plättchen aus Graphit mit beschleunigten Elektronen, dann beobachtet man auf einem Fluoreszenzschirm ein Muster aus konzentrischen Ringen. Das Erstaunliche dabei ist, dass mit dem "Materieteilchen" Elektron von der Struktur her die gleichen Beugungsmuster erzeugt werden wie mit elektromagnetischen Wellen (Röntgenstrahlung). Mit dem RCL "Elektronenbeugung" können Schülerinnen und Schüler dieses Phänomen im Vergleich zum traditionellen Unterricht in einem ersten Schritt eigenständiger und ohne den lenkenden Einfluss der Lehrkraft entdecken und beginnen, es zu verstehen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse zur Röntgenbeugung an polykristallinen Kristallen im Versuch zur Elektronenbeugung anwenden. erkennen, dass Elektronen Welleneigenschaften zugeordnet werden können. ihre Arbeitsergebnisse an der Tafel oder mit einer PowerPoint-Präsentation vorstellen. Thema Elektronenbeugung - das Elektron als Welle Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-3 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser Software Bei der Messung der Ringradien kommen ein Zeichenprogramm (zum Beispiel Paint) und ein Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) zum Einsatz. Die Schülerinnen und Schüler sollen qualitative Experimente zum Fotoeffekt deuten können. Hypothesen zum Zusammenhang zwischen Größen des eingestrahlten Lichts und Größen der ausgelösten Elektronen formulieren. den Zusammenhang zwischen der Energie der Elektronen und der Frequenz beziehungsweise der Intensität des Lichts mit dem RCL "Fotoeffekt" untersuchen. begründet angeben können, welche Versuchsergebnisse zum Fotoeffekt sich im Wellenmodell nicht erklären lassen und wie diese im Fotonenmodell erklärt werden. technisch-physikalische Anwendungen des äußeren und inneren Fotoeffekts kennen lernen. Thema Fotoeffekt und Fotonenmodell des Lichts Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum etwa 4 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder zuhause, javafähiger Browser Software Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel), Computeralgebrasystem ( Maple ) oder spezielles Datenanalyseprogramm (zum Beispiel Origin ) für die Hochschule Wellen- und Fotonenmodell des Lichts sind in ihrer Struktur sehr unterschiedlich: Ist beim Wellenmodell die Lichtenergie über den Raum verteilt, abhängig von der Amplitude und unabhängig von der Frequenz der elektromagnetischen Welle, so ist beim Fotonenmodell die Lichtenergie in einzelnen Fotonen konzentriert und frequenzabhängig. Schülerinnen und Schüler mit dem Fotoeffekt vom Wellen- zum Fotonenmodell zu führen, ist nicht einfach: Anhand eines Versuchs sollen relevante experimentelle Ergebnisse gewonnen und als im Wellenmodell nicht erklärbar erkannt werden. Das Fotonenmodell wird eingeführt und der Fotoeffekt damit erklärt. Die Unterrichtseinheit folgt diesem Weg und versucht die genannten Schritte zum besseren Verständnis für die Lernenden möglichst klar gegeneinander abzugrenzen. Das RCL "Fotoeffekt", eine Tabelle und Aufgaben sind dazu die wichtigsten Medien und Materialien dieser Unterrichtseinheit. Hinweise zum Unterrichtsverlauf und Materialien Lernvoraussetzungen, Unterrichtsverlauf, Steckbrief des RCLs "Fotoeffekt" und Arbeitsmaterialien zur Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Pränatale Diagnostik" diskutieren die Schülerinnen und Schüler dieses kontroverse Thema. Über eine Internetrecherche und eine Podiumsdiskussion mit Rollenspiel wird das gesellschaftliche und ethische Konfliktpotential der Pränatalen Diagnostik vermittelt.Die Pränatale Diagnostik (PND) ermöglicht bereits während der Schwangerschaft die Diagnose von Schädigungen, Erkrankungen und sogar genetischen Defekten bei ungeborenen Kindern. Die Errungenschaften der modernen Biowissenschaften und der Medizin stellen werdende Eltern bei "positiven" Befunden vor die schwierige (Gewissens-)Entscheidung: Schwangerschaftsabbruch oder nicht?Die für die Unterrichtseinheit veranschlagten zwei Unterrichtsstunden sollten als Einzelstunden abgehalten werden. Die Schülerinnen und Schüler sollten das Thema Sexualkunde bereits durchgenommen haben. Zu Beginn der ersten Stunde wird das bereits vorhandene Wissen der Schülerinnen und Schüler zur Pränatalen Diagnostik zusammengetragen. Danach teilt die Lehrkraft die Arbeitsgruppen ein und ordnet die Arbeitsaufträge zu. Falls genug Zeit vorhanden ist, kann man auch versuchen, die Gruppen ihre Themen selbst wählen zu lassen. Während der Gruppenarbeit sollen die Schülerinnen und Schüler ihre Arbeitsaufträge mithilfe von Internetrecherchen über vorgegebene Links erfüllen. Da diese Aufgabe recht zeitaufwändig ist, sollte die Recherche idealerweise als Hausaufgabe fortgeführt werden können. 1. Stunde: Einführung des Themas und Internetrecherche Hinweise zum Brainstorming, zur Internetrecherche und zu der Bearbeitung der Aufgabenstellungen in Gruppenarbeit. 2. Stunde, Teil I: Präsentation und Podiumsdiskussion Die Diskussion soll auf emotionaler, rationaler und ethischer Ebene fachübergreifend geführt werden (Religion, Politik, Geschichte). 2. Stunde, Teil II: Ergebnissicherung Abstimmung und Fixierung der Ergebnisse auf einer CD-ROM oder einer eigenen Website. Übersicht über die Arbeitsgruppen und Zusammenstellung der Leitfragen für die Recherche. Die Arbeitsblätter können Sie hier einzeln betrachten und herunterladen. Die Schülerinnen und Schüler recherchieren ausgehend von einem Fallbeispiel im Internet in arbeitsteiliger Gruppenarbeit die Standpunkte verschiedener Berufs- und Gesellschaftsgruppen zur Pränatalen Diagnostik mithilfe vorgegebener Links. ihre Ergebnisse im Rahmen einer Podiumsdiskussion mit Rollenspiel präsentieren. entwickeln für eine abschließende Abstimmung einen klaren eigenen Standpunkt zur Pränatalen Diagnostik-Problematik. transformieren die Ergebnisse der Unterrichtseinheit in eine CD-ROM oder eine Website. Die Unterrichtsstunde beginnt mit einem Brainstorming zur Pränatalen Diagnostik. Ausgangspunkt können zum Beispiel folgende Fragenbilden bilden: Was könnt ihr euch unter dem Begriff Pränatale Diagnostik vorstellen? Warum werden solche Untersuchungen durchgeführt? Die Ergebnisse sollen in einem Tafelbild fixiert werden. Die Einführung, für die etwa zehn Minuten zu veranschlagen ist, dient neben der Sammlung von Informationen auch dazu, einen Bezug der Schülerinnen und Schüler zum Thema aufzubauen. Die Schülerinnen und Schüler werden in sechs Gruppen (A bis F) eingeteilt, die die Standpunkte verschiedener gesellschaftlicher und beruflicher Gruppen zur PND recherchieren und diese Gruppen repräsentieren sollen. Die Standpunkte sollen die Schülerinnen und Schüler in der Podiumsdiskussion der zweiten Stunde vertreten. Die verschiedenen Blickrichtungen verschaffen einen Überblick über die Vielschichtigkeit der Thematik und regen eine kontroverse und lebhafte Diskussion an. Die Recherche erfolgt über ausgewählte Links der Gruppenarbeitsblätter. Als Orientierungshilfe für die Recherche enthalten die Arbeitsblätter neben den jeweiligen Links auch Leitfragen. Am Ende der Recherche muss die Arbeitsgruppe eine klare Meinung "ihrer" gesellschaftlichen Gruppe zum Thema PND vertreten und in der Lage sein, "Hanna und Martin" zu beraten. Allgemeine Sachinformationen zur Pränatalen Diagnostik Um allen Schülerinnen und Schüler zu Beginn der Diskussion einen umfassenden fachlichen Einblick in das Thema zu ermöglichen, bearbeitet Gruppe A nicht eine bestimmte gesellschaftliche Rolle oder Gruppe, sondern stellt eine Präsentation zu den Indikationen für die PND und die verschiedenen medizinischen Verfahren zusammen. Die Dokumentation kann in Form von Plakaten, Overhead-Folien oder - wenn ein Beamer zur Verfügung steht - auch als PowerPoint-Präsentation umgesetzt werden. Der Fall "Hanna und Martin" Die Gruppen B bis F erhalten ein Arbeitsblatt mit dem fiktiven Fallbeispiel von Hanna und Martin. Das Paar erwartet ein Kind. Im Rahmen der ersten Routineuntersuchung beim Gynäkologen wurde das im Ultraschallbild transparente Gewebe zwischen der oberen Rückenmuskulatur und der Haut des Fötus (der Nackenfaltenbereich) ausgemessen. Im Allgemeinen ist dieser durchscheinende Bereich zwischen null und zwei Millimeter dick. Die Nackenfalte des ungeborenen Kindes von Hanna und Martin hat jedoch den Grenzwert von drei Millimetern überschritten. Der Gynäkologe erklärt, dass dies auf eine Chromosomenstörung hinweisen könnte und bietet dem Paar eine weiterführende Diagnostik an. Nun überlegen Hanna und Martin, ob weitere vorgeburtliche Untersuchungen durchgeführt werden sollen. Jede Gruppe erarbeitet nun die Hintergründe des Fallbeispiels aus der Perspektive eines Mediziners, von Eltern eines behinderten Kindes, eines Kirchenvertreters, eines Juristen und von Hanna und Martin. Um die Qualität der Diskussionsphase (2. Unterrichtsstunde) zu optimieren und den anderen Gruppen das Nachlesen von Informationen in den Originalquellen zu ermöglichen, werden die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, den recherchierten Aussagen und Zahlen genaue Quellenangaben anzufügen. Der sorgfältige Umgang mit Quellenangaben wird für weitere wissenschaftliche Arbeiten und Projekte immer wieder benötigt und soll geübt und gefestigt werden. Indem die Quellen dokumentiert werden, können insbesondere extreme Aussagen in einen gesellschaftlichen Kontext gebracht und so besser nachvollzogen und bewertet werden. In der Podiumsdiskussion begibt sich aus den Gruppen A bis E je eine Schülerin oder ein Schüler auf das Podium. Aus Gruppe F tun dies zwei Schülerinnen und Schüler, die in der Diskussion die Rollen von Hanna und Martin übernehmen. Diese stoßen die Diskussion mit Fragen an die Expertinnen oder Experten beziehungsweise Freundinnen oder Freunde an und agieren so als Moderierende. Falls nötig, bringen sie durch weitere Fragen neue Impulse in das Geschehen ein. Die restlichen Schülerinnen und Schüler bilden das Publikum. Sie folgen der Diskussion ihrer Mitschülerinnen und Mitschüler, sind aber auch angehalten, sich aktiv daran zu beteiligen, wobei jedoch keine Rollen vertreten werden müssen. Die Lehrkraft sollte so wenig wie möglich in die Diskussion eingreifen. Erst wenn diese abschweift oder sich zu sehr von der zu klärenden Frage entfernt, sollte eingegriffen werden. Dies kann die Lehrperson unterstützen, indem sie "Hanna und Martin" vor der Diskussion Karten mit Leitfragen aushändigt. So können die Moderatoren selbst die Diskussion wieder in die richtige Bahn leiten. Emotionale Diskussion Die emotionale Diskussion verläuft aus der Betroffenheitsperspektive. Bei dieser Diskussionsform wird ein starker Bezug auf sich selbst genommen und aus der eigenen Betroffenheit heraus argumentiert. Besonders aus den Erkenntnissen des emotionalen Lernens ist diese Diskussionsform geeignet, ein aktives und "hitziges" Gespräch in Gang zu bringen. Rationale Perspektive Die rationale Diskussion konzentriert sich auf Zahlen und Fakten. Im Vordergrund der Gesprächsführung steht die distanzierte Vorstellung der jeweiligen Sichtweisen. Die rationale Perspektive eignet sich insbesondere zur Diskussion von konkreten Fragestellungen wie beispielsweise der Aussagekraft der Nackenfaltenuntersuchung. Aus der rationalen Perspektive kann die Distanz zu dem strittigen Thema gewahrt bleiben. Ethische Ebene Die ethische Diskussion setzt sich mit Fragestellungen auseinander, die eine starke Selbstreflexion und sozialkritisches Denken erfordern. Bei der Podiumsdiskussion sollte auf der ethischen Ebene der Nutzen der PND geklärt werden: Wer profitiert von der Untersuchung? Das Kind oder die Mutter? Eine PND ist sinnvoll und aus medizinischer Perspektive geboten, wenn dadurch die Erkrankung oder die Behinderung des Kindes intrauterin behandelt oder rechtzeitig für eine postnatale Therapie vorgesorgt werden kann. Häufig zeichnen sich aber keine Therapiemöglichkeiten für das Kind ab. In diesen Fällen wird das ungeborene Kind dem Risiko eines diagnostischen Eingriffs ausgesetzt, wobei die einzige Konsequenz aus dem Befund eine Entscheidung über die Fortsetzung oder den Abbruch der Schwangerschaft ist. Für die werdenden Eltern ist das Ergebnis der PND ein Informationsgewinn, der Sorgen und Befürchtungen ausräumen kann. Ist das Untersuchungsergebnis aber "positiv", muss sich das Paar für oder gegen die Fortsetzung der Schwangerschaft entscheiden. Die ethische Diskussion kann ausgeweitet und in einen anderen Kontext gestellt werden. Beispielsweise könnte die Diskussion unter folgenden Fragestellungen laufen: Was ist Norm und wer legt die Norm fest? Wie gehen wir mit Menschen um, die nicht der Norm entsprechen? Wie werden Behinderte in unserer heutigen Leistungsgesellschaft wahrgenommen? Auf der ethischen Ebene sollte fachübergreifendes Arbeiten stattfinden. Hier bietet sich eine Kooperation der Biologie mit den Fächern Religion / Ethik, Philosophie und Geschichte (NS-Zeit: Euthanasie) an. Auch ein Bezug zu sozialwissenschaftlichen Themen wie Minderheiten (Ausländer) und Minderheitenschutz kann hergestellt werden. Eine Diskussion auf der ethischen Ebene ist in erster Linie für die Projektarbeit in der Sekundarstufe II geeignet. Unabhängig von der Diskussionsebene sollte immer eine kritische Auseinandersetzung mit den verwendeten Quellen erfolgen. Insbesondere einseitige Darstellungsweisen und radikale Aussagen sollten genauer analysiert und immer in ihrem Kontext behandelt werden. Insbesondere bei der gesellschaftlichen Gruppe der Kirchenvertreter fällt die grundsätzliche Ablehnung der Abtreibung auf. Eine einseitige Berichterstattung ist auch bei den Standpunkten der Eltern von Kindern mit Down-Syndrom auffällig. Negative Gefühle und Schwierigkeiten werden nicht genannt oder nur marginal behandelt. Die Podiumsdiskussion sollte auf ein klares Ergebnis hinauslaufen, was zur Festigung der Ergebnisse beiträgt. Dazu dient auch die abschließende Abstimmung, in der sich die Schülerinnen und Schüler entscheiden müssen ob sie als Hanna und Martin eine Fruchtwasseruntersuchung oder vergleichbare Untersuchungen durchführen lassen würden oder nicht. ob sie sich für oder gegen ihr Kind entscheiden würden, wenn bei diesem das Down-Syndrom oder eine ähnlich schwerwiegende Behinderung diagnostiziert werden würde. Dabei kann die Abstimmung zur ersten Frage noch per Handzeichen erfolgen. Die zweite Abstimmung, ob das Kind ausgetragen werden soll oder ob sich die Eltern gegen das Kind entscheiden sollten, muss unbedingt anonym über Fragezettel erfolgen. Ziel der Abstimmung ist es, die Schülerinnen und Schüler zu einer persönlichen Stellungsnahme zu bewegen und die aktive Auseinandersetzung mit dem Thema zu fördern. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, sich als Lehrerin oder Lehrer einen eigenen klaren Standpunkt zu bilden. Die persönliche Einstellung darf den Schülerinnen und Schülern jedoch keinesfalls aufdrängt werden. Diese werden jedoch interessiert sein, welche Ansicht die Lehrkraft vertritt. Der persönlichen Meinungsäußerung sollte immer der Hinweis vorausgehen, dass jeder seine individuelle Meinung zum Thema PND finden und vertreten muss. Im Rahmen einer Projektwoche in der Sekundarstufe II können die Ergebnisse der Unterrichtseinheit weiter verwendet und die Inhalte vertieft werden. Eine mögliche Aufgabenstellung wäre die Zusammenstellung eines Kompendiums aus den recherchierten Artikeln. Diese Zusammenfassungen können von den Arbeitsgruppen zusammengestellt und mit einem kurzen persönlichen Kommentar versehen werden. Die Ergebnisse sollten auf CD-ROM gebrannt und so für die gesamte Klasse fixiert werden. Die Hauptaspekte der Podiumsdiskussion werden dabei wiederholt und das Gelernte verfestigt sich. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Erstellung einer gemeinsamen Website, auf der jede Gruppe ihre Ergebnisse veröffentlicht und so einer breiteren Öffentlichkeit, insbesondere anderen Klassen, zur Verfügung stellt. Die Diskussion kann hier in einem Forum fortgeführt werden. Der Ausgangspunkt aller Arbeitsgruppen ist eine E-Mail von Hanna und Martin an einen medizinischen Beratungsservice im Internet. Hallo, wir sind schwanger (natürlich meine Frau) und zwar in der 14. Woche, und sollten uns langsam entscheiden, ob wir eine Fruchtwasseruntersuchung machen sollen oder nicht. Die Nackenfaltenuntersuchung hat ein Risiko von 1 zu 1.557 ergeben, was laut Arzt nicht sehr hoch ist. Die Schwangerschaft verläuft bisher ohne Probleme und die Entwicklung des Kindes ist absolut normal. Nur bleibt immer noch die Frage: Was ist, wenn unser Baby behindert ist? Lohnt sich die Fruchtwasseruntersuchung überhaupt oder ist das Risiko im Verhältnis zu hoch? Was sollen wir tun? Wann werden in der Schwangerschaft vorgeburtliche Untersuchungen durchgeführt? Wie sehen die Kinder zu diesem Zeitpunkt aus? Unter welchen besonderen Umständen werden solche Untersuchungen empfohlen und durchgeführt? Welche Verfahren gibt es? Welche Methoden der PND sind mit welchen Risiken verbunden? Unter welchen Umständen ist das Risiko vertretbar? Würdest du Hanna und Martin zu einer Fruchtwasseruntersuchung raten? Welche rechtlichen Aspekte musst du bei deiner Arbeit mit vorgeburtlichen Untersuchungen einbeziehen? Du hast dich früher bereits einmal für das Leben deines behinderten Kindes entschieden. Würdest du es heute genauso machen? Welche positiven und negativen Erfahrungen hast du mit der Behinderung deines Kindes gemacht? Welche Hilfe ist dir von wem (staatliche Hilfe, Vereine, Freunde) entgegengebracht worden? Welche persönlichen Einschränkungen bringt das Leben mit einem behinderten Kind mit sich? Wozu würdest du Hanna und Martin als Freund oder Freundin raten, wenn durch die PND eine Behinderung festgestellt würde? Was sagt die Kirche zur PND und zur Abtreibung? Welche Argumente bringt die Kirche gegen die Abtreibung? Welche gegen die PND? Welche Hilfe können Betroffene von der Kirche erwarten? Welche rechtlichen Bestimmungen muss man bei vorgeburtlichen Untersuchungen beachten? Welche bekannten juristischen Fälle gibt es? Wie sind die rechtlichen Bestimmungen für Abtreibungen von behinderten Föten nach PND? Welche Bedeutung hat die Nackenfaltenuntersuchung? Was wird bei dieser Untersuchung gemacht? Welche Erfahrungen haben andere Leute in eurer Situation schon gemacht? Welche Fragen bleiben für euch offen, die ihr in der Diskussion stellen könntet? Die folgende Liste enthält die nach Arbeitsgruppen sortierten und auf den Arbeitsblättern vorgegebenen Links, mit denen die SchülerInnen in der Recherchephase arbeiten.