Astronomie: Willkommen im Fachportal

In dieser Unterrichtseinheit wird anschaulich gezeigt, dass die Struktur aller Schwingungen in den meisten Fällen sehr gut mit der von mechanischen Schwingungen verglichen werden kann. Egal, ob es sich um Feder- oder Pendelschwingungen, Wasserwellen oder elektromagnetische Schwingungen handelt – sie folgen alle den gleichen Abläufen. Ausgehend von Grundkenntnissen zu den Gesetzmäßigkeiten, mit denen der Kondensator und die Spule im elektrischen Stromkreis beschrieben werden, soll ein einfacher elektromagnetischer Schwingkreis mit einem harmonischen mechanischen Federpendel verglichen werden. Die entsprechenden Zusammenhänge werden mithilfe von Zeichnungen grafisch dargestellt und anschließend mathematisch anhand der zugehörigen Gleichungen ausgewertet. So kann sehr anschaulich gezeigt werden, dass beide Schwingungsarten strukturell identischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Mit dieser Unterrichtseinheit werden den Lernenden die Gesetze und Zusammenhänge zwischen den einzelnen physikalischen Teilbereichen – wie etwa zwischen Mechanik und elektrischem Stromkreis – vorgestellt. Eine tiefergreifende Auseinandersetzung mit dieser Thematik bleibt auf jeden Fall der Kursphase der Sekundarstufe II vorbehalten. Die Aufgaben werden in Einzel- und Gruppenarbeit erledigt, um auch die Teamarbeit zu fördern. Die Darstellung der Vorgänge wird grafisch auf einem Arbeitsblatt dargestellt, außerdem werden zur Veranschaulichung praktische Versuche im Unterricht durchgeführt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die vielfältigen Zusammenhänge von mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen. können die für die Beschreibung beider Schwingungen notwendigen Gleichungen herleiten. kennen die Gemeinsamkeiten beider Schwingungsarten und können die unterschiedlichen Größen der jeweiligen Schwingungen miteinander vergleichen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.

Diese Unterrichtseinheit befasst sich mit Schwingungsvorgängen, die in ihrer Vielfalt zahlreiche, zum Teil komplexe physikalische Abläufe in den verschiedensten Bereichen bestimmen. Dennoch lassen sich die grundsätzlichen Gesetzmäßigkeiten sehr gut anhand der relativ einfach nachvollziehbaren Herleitungen bei mechanischen Schwingungen – beispielsweise bei Federschwingungen – ableiten. Ausgehend von den bereits bekannten Versuchen zu Federdehnungen, die mit dem Hooke'schen Gesetz beschrieben werden können, werden die Lernenden durch weitere einfache Versuche mit den Grundbedingungen für eine so bezeichnete harmonische mechanische Schwingung bekannt gemacht. Mit etwas Geschick wird den Schülerinnen und Schülern am Versuch (Projektion einer Kreisbewegung an eine Wand) vorgeführt, wie sich eine Federschwingung mit den Gesetzmäßigkeiten der gleichförmigen Kreisbewegung überlagert und damit exakt beschreiben lässt. Schwingungen sind in fast allen Bereichen der Natur und natürlich der Technik vorhanden. Man unterscheidet dabei in erster Linie zwischen periodischen und nicht periodischen Schwingungen gedämpften, ungedämpften und aperiodischen Schwingungen freien und erzwungenen Schwingungen. Am naheliegendsten zur Herleitung von Gesetzen, die Schwingungen beschreiben, sind die Abläufe bei der harmonischen mechanischen Schwingung, weil sie von der Anforderung für die Lernenden gut nachvollziehbar sind . Vorkenntnisse Die physikalischen Vorkenntnisse von Lernenden dürften eher eingeschränkt sein – am ehesten könnte das Beschreiben des Hin- und Herschwingens bei einer Kinderschaukel als Einstiegsüberlegung für die Grundvoraussetzungen von Schwingungen dienen. Didaktische Analyse Die in nahezu allen Bereichen der Physik vorkommenden Schwingungsvorgänge sind für Schülerinnen und Schüler zunächst nur schwer nachvollziehbar, weil sie nicht so einfach und direkt beobachtbar sind, wie bei der harmonischen mechanischen Schwingung – dennoch lassen sich gerade durch diese einfachen Versuche die Grundlagen für die in der Sekundarstufe II in anderen Bereichen zu besprechenden Schwingungen der Physik legen. Methodische Analyse Mithilfe der Herleitung der Gesetzmäßigkeiten aus dem Zusammenhang zwischen gleichförmiger Kreisbewegung und harmonischer Schwingungsbewegung sowie der durch die Auswertung erkennbaren Sinusschwingung lässt sich auch das Verständnis für die Ausbreitung von Schwingungen in Form von Wellen gut vorbereiten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Voraussetzungen für das Auftreten von mechanischen Schwingungen beschreiben und erläutern. kennen die verschiedenen Arten von Schwingungen und deren Zusammenhang mit den grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der mechanischen Schwingung. können die Formeln zur Beschreibung von mechanischen Schwingungen anwenden und auch deren Abhängigkeiten von der Zeit berechnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbstständig Fakten und Hintergründe im Internet. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit werden zwei beispielhafte Zusammenstöße von einem Geschoss mit einer ruhenden Kugel vorgestellt. Wurfbewegungen lassen sich in vielfältiger Form beobachten. Eine besondere Bedeutung kommt Wurfbewegungen zu, bei denen zwei Körper zusammenstoßen und anschließend jeder für sich oder beide gemeinsam auf einer Wurfbahn weiterfliegen. Im ersten Fall handelt es sich dann um einen elastischen Stoß, im zweiten Fall spricht man von einem unelastischen Stoß. In beiden Fällen tauschen die Stoßpartner kinetische Energien und Impulse aus, wobei es aber auf die Art des Stoßes ankommt, ob dabei Energie- und Impulserhaltungssatz gelten. Im ersten Beispiel soll das Geschoss mit hoher Geschwindigkeit in eine ruhende Kugel eindringen und steckenbleiben – anschließend erfolgt ein gemeinsamer waagrechter Flug beider Körper. Im zweiten Beispiel soll das Geschoss schräg von unten auf die Kugel treffen und diese vollständig durchdringen, sodass beide Körper auf getrennten Flugbahnen weiterfliegen. Im Anschluss werden beide Beispiele unter Einbeziehung von Energie- und Impulserhaltungssatz genau ausgewertet. Energie- und Impulserhaltung beim waagrechten und schiefen Wurf Den Lernenden wird bei diesem Thema sehr schnell klar werden, dass Wurfbewegungen unter Einbeziehung von Energie und Impuls und den zugehörigen Erhaltungssätzen durchaus anspruchsvoll werden können in Hinblick auf die physikalischen und mathematischen Gesetzmäßigkeiten. Sie sehen aber auch, dass man große Fortschritte machen kann in der Anwendung von Formeln und Gleichungen, wenn man sich einem solchen – teilweise etwas komplexen Thema – intensiv widmet, nicht zuletzt auch in Hinblick auf andere Gebiete der Physik. Vorkenntnisse Vorkenntnisse sind aufgrund bekannter Wurfbewegungen natürlich vorhanden. Die zunächst einfach aussehenden Abläufe werden aber schnell komplizierter, da ja sich überlagernde Bewegungen zusätzlich mit Energie- und Impulserhaltung zu kombinieren sind. Didaktische Analyse Bei der Behandlung von Zusammenstößen von Körpern allgemein oder mit anschließenden Wurfbewegungen wird deutlich, welche enormen Energieverluste – je nach Aufgabenstellung – auftreten können. Dabei sind weitere Verluste durch Luftwiderstand und Haftreibung wegen der am Gymnasium zu schwierigen Berechnungen noch gar nicht einbezogen. Methodische Analyse Durch die Abhängigkeit von unterschiedlichen physikalischen Zusammenhängen kann man beim Thema Wurfbewegungen die Schülerinnen und Schüler gut darauf vorbereiten und hinführen, dass in der Physik oft verschiedene Abläufe gleichzeitig betrachtet werden müssen. Man muss allerdings aufpassen, dass man den Schwierigkeitsgrad der Aufgabenstellung nicht überzieht. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Energieverluste bei unterschiedlichen Formen des Zusammenstoßes beschreiben und erläutern. kennen die Zusammenhänge von mechanischen Wurfbewegungen mit anderen Bereichen der Physik. wissen, wie man die Gleichungen der Stoßgesetze (Energie und Impuls) im Fall von Wurfbewegungen anwendet. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Wurfbewegungen lassen sich in vielfältiger Form – zum Beispiel beim Werfen eines Balles – nachvollziehen. Dabei muss unterschieden werden, in welcher Form der Ball geworfen wird: So kann man ihn senkrecht nach oben werfen oder ihn einfach aus der Hand senkrecht nach unten auf den Boden fallen lassen. In den meisten Fällen wird man den Ball aber schräg nach oben werfen, sodass ihn ein Partner oder eine Partnerin fangen kann. Man beobachtet dabei, dass die dabei entstehende Flugbahn davon abhängig ist, unter welchem Winkel und mit welcher Geschwindigkeit man den Ball abgeworfen hat.Bei der Besprechung von Wurfbewegungen kann man anhand von einfachen und bekannten Beispielen den Lernenden leicht verständlich machen, wie es zu einer Wurfbewegung kommt. Für die Erläuterung und Herleitung der physikalischen Gleichungen von Wurfbewegungen ist es dabei wichtig, den Unterschied zwischen einer eindimensionalen Bewegung (senkrechter Wurf und freier Fall) und der zweidimensionalen Bewegung beim schiefen Wurf schräg nach oben oder unten herauszuarbeiten. Wurfbewegungen und ihre physikalischen Gesetzmäßigkeiten Wurfbewegungen sind ein Thema, zu dem die Schülerinnen und Schüler zunächst anhand von relativ einfachen Zusammenhängen gut hingeführt werden können. Dadurch werden die für die verschiedenen Wurfbewegungen herzuleitenden Formeln verständlich und damit nachvollziehbar. Erst bei etwas komplexeren Aufgabenstellungen sind etwas anspruchsvollere mathematische Kenntnisse erforderlich, um die Gesetze an die Gegebenheiten anzupassen. Vorkenntnisse Vorkenntnisse sind bei diesem Thema auf jeden Fall vorhanden, weil alle Lernenden mit dem Werfen von Bällen oder Steinen am Wasser vertraut sein dürften. Anhand der dabei entstehenden Flugbahnen sollte es auch gut möglich sein, die entsprechenden und sich teilweise überlagernden physikalischen Gesetze den Lernenden verständlich zu machen. Didaktische Analyse Das Besondere an Wurfbewegungen ist deren Abhängigkeit von Anfangsgeschwindigkeit und Abwurfwinkel in Zusammenhang mit der stets wirkenden Gravitationskraft auf das jeweilige Flugobjekt. Das können Bälle, Steine oder auch Raketen sein. Sobald sie nach dem Abschuss sich selbst überlassen sind, entsteht eine sogenannte ballistische Flugbahn, die sich – in der Realität unter Einbeziehung der Luftreibung – exakt berechnen lässt. Methodische Analyse Bei der Besprechung der Gesetzmäßigkeiten von Wurfbewegungen lassen sich aufgrund der dabei wirkenden Überlappungen verschiedener Bewegungen auch Zusammenhänge mit anderen Bereichen der Physik – etwa der Elektrizitätslehre bei der Bewegung von freien Elektronen – herstellen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die sich teilweise überlappenden Abläufe bei Wurfbewegungen beschreiben und erklären. wissen, wie man die Formeln bei unterschiedlichen Wurfbewegungen herleitet und anwendet. kennen die Zusammenhänge von mechanischen Wurfbewegungen mit anderen Bereichen der Physik. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vertiefen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Im Rahmen dieser Unterrichtseinheit erlernen die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit der Augmented-Reality (AR)-Applikation "PUMA : Spannungslabor" und nutzen diese für die Arbeit in Kleingruppen. In zwei Experimenten werden die Applikation beziehungsweise die in der Applikation dargestellten didaktischen Modelle der Elektrizität genutzt, um anhand der Modelle zu argumentieren und Hypothesen für den Experimentierprozess zu generieren. Die Unterrichtseinheit ist in drei Unterrichtsstunden gegliedert. Im Verlauf der ersten Unterrichtsstunde wird die AR-Applikation "PUMA : Spannungslabor" von der Lehrkraft im Rahmen eines Demonstrationsexperiments genutzt, um die Darstellung der didaktischen Modelle "Elektronengasmodell", "Rutschenmodell" und "Stäbchenmodell" mit den Schülerinnen und Schülern zu erarbeiten. Die Lehrkraft erklärt und demonstriert den richtigen Umgang mit der Applikation. Im Rahmen der folgenden zwei Unterrichtsstunden erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen in Experimenten die Gesetzmäßigkeiten zur Stromstärke und Spannung bei Parallel- bzw. Reihenschaltungen. In den Experimentierphasen "Hypothesen formulieren" und "Ergebnisse mit der Ausgangshypothese vergleichen" nutzen die Schülerinnen und Schüler dabei die Applikation "PUMA : Spannungslabor" zur Unterstützung der Argumentation mit didaktischen Modellen. Kurzbeschreibung der Applikation "PUMA : Spannungslabor" Die Applikation überblendet einen Stromkreis mit Darstellungen der Leitungselektronen (in Form kleiner weißer Kugeln) und Visualisierungen des elektrischen Potentials. Die Darstellung des elektrischen Potentials kann gemäß des Elektronengasmodells (in Form einer Färbung der Leiterbahnen entsprechend des elektrischen Potentials), gemäß des Stäbchenmodells (in Form einer Anhebung der Leiterbahnendarstellung entsprechend des elektrischen Potentials) oder gemäß des Rutschenmodells (durch zur Anhebung der Leiterbahnen zusätzlichen Einblendung der sich bewegenden Leitungselektronen) erfolgen. Für den Einsatz der Applikation wird ein Experimentierset ELEKTRIK 1 der Firma MEKRUPHY benötigt. Neben den bereits beschriebenen Darstellungen können außerdem Messdaten der elektrischen Grundgrößen (Spannung, Stromstärke, elektrischer Widerstand) an den Bauteilen eingeblendet werden und für eine qualitative Interpretation des elektrischen Widerstands kann eine Visualisierung der Darstellung der Interaktion von Leitungselektronen und Materie auf Teilcheneben gemäß des Drude-Modells des elektrischen Widerstands eingeblendet werden. Für die beschriebene Unterrichtseinheit werden die Darstellungen der Leitungselektronen und der Modelle der elektrischen Potentiale benötigt. In der Applikation ist ein Tutorial mit Videos implementiert, welches Lehrkräfte in ihrer ersten Nutzung anleiten kann. Weitere Informationen und eine Möglichkeit zum Download der Applikation finden Sie über den Link am Ende dieser Seite. Relevanz des Themas Die jüngere fachdidaktische Forschung zur Elektrizitätslehre der Sekundarstufe I hat festgestellt, dass viele Schülerinnen und Schüler den Unterricht mit teils stark prävalenten fehlerhaften Vorstellungen zum Stromkreis verlassen (etwa die Stromverbrauchsvorstellung, unzureichende Trennung der Konzepte von Spannung und Stromstärke oder fehlendes Systemdenken beim Betrachten eines Stromkreises). Durch die explizite Aufforderung der Nutzung didaktischer Modelle zur Generierung von Hypothesen und Plausibilisierung von Ergebnissen soll eine stärkere Verknüpfung von Fachinhalt und didaktischem Analogie-Modell erreicht werden, was die Vernetzung der Fachinhalte im Gedächtnis unterstützt und zu gefestigteren Wissensstrukturen führen soll. Die Darstellung der Analogie-Modelle der Elektrizität durch Augmented Reality reduziert zusätzlich die mentale Hürde, sich der Modelle bei der Argumentation und Diskussion physikalischer Sachverhalte zu bedienen. Notwendige und förderliche Voraussetzungen Für einen Einsatz der beschriebenen Unterrichtseinheit ist das Vorhandensein eines Klassensatzes des Experimentierkastens ELEKTRIK 1 erforderlich. Die Lehrkraft muss die Kästen im Vorfeld entsprechend der Anleitung in der Applikation "PUMA : Spannungslabor" präparieren. Die Lehrkraft sollte vor Durchführung der ersten Unterrichtsstunde dieser Einheit die Applikation selbst sorgfältig durchgearbeitet haben. Dafür kann die in der Applikation verfügbare Tutorial-Ressource und das Informationsblatt zur Applikation genutzt werden. Für die Schülerinnen und Schüler ist es ideal, wenn die in der Applikation darstellbaren Analogie-Modelle der Elektrizität (Elektronengasmodell, Rutschenmodell, Stäbchenmodell) bereits bekannt sind und im Unterricht eingeführt wurden. Die Applikation kann aber auch ohne vorherige Nutzung der genannten Modelle im Unterricht für die Erarbeitung der Gesetzmäßigkeiten bei Parallel- und Reihenschaltung auf die beschriebene Art und Weise genutzt werden. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten in der Lage sein, die Lernenden im Selbstgesteuerten Lernen unter Verwendung digitaler Technologien unterstützen (3.4 Selbstgesteuertes Lernen). Die Lehrenden sollten gewährleisten, dass die Lernenden für die Präsentation ihrer Ergebnisse die digitalen Medien nutzen, um ihre Argumentationen zu ihren wissenschaftlichen Untersuchungen zu unterstützen (5.3 Aktive Einbindung der Lernenden). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verwenden Analogien und Modellvorstellungen zur Wissensgenerierung. stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler setzen digitale Werkzeuge bedarfsgerecht zur Wissensgenerierung ein. können digitale Umgebungen und Werkzeuge für den Gebrauch anpassen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus. diskutieren Arbeitsergebnisse und Sachverhalte unter physikalischen Gesichtspunkten. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge zur Unterstützung ihrer Kommunikation und Argumentation. stärken ihre Technologiekompetenz im Umgang mit neuer Software durch zielgenaue Nutzung digitaler Werkzeuge. erkennen den Nutzen von digitalen Medien bei der Visualisierung von abstrakten mentalen Modellen.

Die Unterrichtseinheit dient als Experimentierstunde, bei dem die Schülerinnen und Schüler ihr vorhandenes Wissen über einen stromdurchflossenen Leiter und die Lorentzkraft in Verbindung bringen. Ziel der Unterrichtsstunde ist die Formulierung des Ampèreschen Kraftgesetzes.Der Versuch von Oersted zeigt, dass ein stromdurchflossener Leiter ein konzentrisches Magnetfeld um den Leiter herum zur Folge hat. Anhand einer Magnetfeldnadel und deren veränderten Ausrichtung, sobald der Stromkreis geschlossen ist, kann dieses Magnetfeld nachgewiesen werden. Das Wissen über dieses Magnetfeld wird sowohl für das Feldlinienbild einer stromdurchflossenen Spule als auch für die Erklärung einer Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter benötigt. Die AR-Applikation stellt die konzentrischen Felder graphisch im Raum dar. Weitere Informationen und einen Link zum Download finden Sie am Ende dieser Seite. Die Unterrichtseinheit dient als experimentelle Vertiefung des Versuchs von Oersted und ist in drei Teile gegliedert. Nachdem die Schülerinnen und Schüler das Phänomen an einem Leiter feststellen konnten, wird dasselbe Phänomen auf zwei parallele Leiter mit derselben Polung übertragen. Anschließend erörtern die Lernenden den Fall für zwei parallele Leiter mit entgegengesetzter Polung. Zum Schluss der Unterrichtsstunde folgt eine Zusammenfassung, welches das Ampèresche Kraftgesetz wiedergibt. Relevanz des Themas Der elektrische Strom in einem Kabel hat eine magnetische Wirkung auf seine Umgebung. Diese Tatsache dient als Grundlage für Phänomene wie beispielsweise die Lorentzkraft. Durch diese Grundlage findet der Versuch von Oersted in allen Themen des Elektromagnetismus seine Berechtigung. Mit diesem Wissen können Anwendungen – wie Feldlinienbilder von Spulen, grundlegende Induktionsphänomene, Elektromotoren oder ähnliches – erklärt und verstanden werden. Vorkenntnisse Die Funktionsweise (Grundlagen, benötigte Ladungsträger et cetera) eines geschlossenen Stromkreislaufes sollte bekannt sein. Didaktisch-methodische Analyse In dieser Unterrichtseinheit folgen die Lernenden dem Prinzip des entdeckenden Unterrichts. Durch Beobachtung des Ausschlages der Kompassnadel wird auf das Phänomen aufmerksam gemacht. Durch Anwendung auf weitere analoge Versuchsdurchführungen wird das Wissen vertieft, mit Abschluss in einer allgemein gültigen Aussage. Hinweis zum Arbeitsblatt Hier finden Sie Angaben zur Verteilung an die Schülerinnen und Schüler. Dabei kann frei entschieden werden, ob die Lernenden Aufgabenteil 3 bearbeiten. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden benötigen die Kompetenz die richtige digitale Ressource für das Lehren und Lernen zu identifizieren und auszuwählen. Dabei müssen sie das spezifische Lernziel, den Kontext, den pädagogischen Ansatz und die Lerngruppe bei der Auswahl der Ressource berücksichtigen (2.1 Auswahl digitaler Ressourcen). Zusätzlich müssen die Lehrenden die digitalen Geräte richtig im Unterrichtsprozess implementieren, um die Effektivität der Unterrichtsinterventionen zu verbessern (3.1 Lehren). Zusätzlich muss die digitale Technologie richtig eingesetzt werden, um die Zusammenarbeit der Lernenden zu verbessern und zu fördern (3.3 Kollaboratives Lernen). Die Einheit bietet die Möglichkeit, dass Lernende auf unterschiedlichen Ebenen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorankommen und ihre Lernziele verfolgen. Diese Möglichkeit muss durch den Lehrenden durch die digitale Technologie und den Ablauf der Einheit angeboten werden (5.2 Differenzierung und Personalisierung). Durch diese Möglichkeit können die Lernenden sich aktiv und kreativ mit der Thematik auseinandersetzen. Deshalb ist von den Lehrenden gefordert diese Möglichkeit zu nutzen und neue reale Kontexte zu eröffnen, die die Lernenden selbst in praktischen Aktivitäten und wissenschaftlichen Untersuchungen einbeziehen und somit eine aktive Beteiligung der Lernenden an dem komplexen Thema zu erhöhen (5.3 Lernende aktiv einbeziehen). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen den Zusammenhang zwischen Stromfluss und magnetischer Wirkung. fördern ihre experimentelle Kompetenz. kennen die Bedeutung des Ampèreschen Kraftgesetz. Medien- und Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren und Kooperieren, um das Phänomen zu erfassen. setzen ein digitales Werkzeug bedarfsgerecht ein, um das Phänomen zu erklären. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler decken Zusammenhänge auf, indem sie komplexe Systeme analysieren, Hypothesen formulieren und dies aktiv überprüfen. arbeiten zusammen an einem Experiment, sodass sich Gruppendynamiken entwickeln und klare Vereinbarungen getroffen werden müssen. nutzen Fragetechniken und stellen Fragen, um gemeinsam die Ursache des Phänomens zu finden. werden im Umgang mit digitalen Medien geschult. Schwanke, Hagen; Trefzger, Thomas (2022): Entwicklung und Evaluierung der AR-Applikation "Magneto". In: Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP) (Hg.): Unsicherheit als Element von naturwissenschaftsbezogenen Bildungsprozessen. Unter Mitarbeit von Sebastian Habig und Helena van Vorst: Universität Duisburg-Essen; Universität Erlangen-Nürnberg (Band 42). Online verfügbar unter https://www.gdcp-ev.de/wp-content/tb2022/TB2022_572_Schwanke.pdf

In diesen auf Project-Based Learning basierenden Moodle-Kursen untersuchen und erklären Schülerinnen und Schüler interessante und relevante naturwissenschaftliche Phänomene. Bei jeder dieser sogenannten Curriculum Replacement Units (CRU) handelt es sich um eine kontextorientierte, vernetzende, digitale Unterrichtseinheit zum Basiskonzept Energie. Naturwissenschaftlicher Unterricht soll Schülerinnen und Schüler dazu befähigen, naturwissenschaftliche Phänomene zu erklären und Probleme zu lösen. Häufig können Schülerinnen und Schüler jedoch nur auswendig gelerntes, isoliertes Faktenwissen wiedergeben. Für die Erklärung von Phänomenen und die Lösung von Problemen braucht es aber eine vernetzte Wissensbasis, in der Ideen miteinander verknüpft statt isoliert sind. Zentrale Ideen verknüpfen verschiedene Teilbereiche und unterstützen daher den Aufbau einer vernetzten Wissensbasis. Die Betonung von zentralen Ideen für den Aufbau einer vernetzten Wissensbasis findet sich auch in den KMK-Bildungsstandards durch die Einführung von Basiskonzepten wieder. Mithilfe der Basiskonzepte sollen Sachgebiete der Physik stärker miteinander verbunden werden, um kumulatives Lernen zu erleichtern. Eines der Basiskonzepte und zudem eine der zentralen Ideen in Physik ist das Energiekonzept. Es lassen sich insbesondere durch die vielfältigen Manifestationen von Energie, den Energieformen, und deren Umwandlungen ineinander, unterschiedliche Sachgebiete der Physik miteinander verknüpfen. Beispielsweise können in einem elektrischen Stromkreis die Stromstärke und die Temperatur eines stromdurchflossenen Leiters über die Umwandlung von elektrischer in thermische Energie verknüpft werden Die hier zur Verfügung gestellten zehn digitalen Unterrichtseinheiten (CRUs) im Umfang von 4 bis 6 Unterrichtsstunden können zur Verknüpfung von Sachgebieten mithilfe des Basiskonzepts Energie verwendet werden. Die Links und Hinweise zu allen CRUs finden Sie am Ende dieser Seite. Beispiel einer CRU Um die elektrische Energie auf Grundlage der thermischen Energie im Anfangsunterricht der Sekundarstufe I zu vertiefen, wurde für eine der Unterrichtseinheiten die Fragestellung "Warum wird ein Laptop manchmal heiß?" identifiziert. Die Erarbeitungsphase gliedert sich nach den drei Unterfragen: Wo wird ein Laptop heiß? Wann wird ein Laptop heiß? Wie lässt sich die Erhitzung eines Laptops verhindern? Anhand von Experimenten im einfachen Stromkreis und der Erhitzung der stromdurchflossenen Leiter werden unter Einsatz einer Wärmebildkamera die ersten zwei Fragestellungen beantwortet. Zur Beantwortung der dritten Fragestellung werden die zuvor durchgeführten Experimente in Kombination mit einem Wärmerohr durchgeführt und auf diese Weise auf den (thermischen) Energietransport fokussiert. In der Reflexionsphase wird schließlich das Erlernte auf die Erhitzung eines Smartphones transferiert und mögliche Kühlungsmöglichkeiten diskutiert. Die auf dem Ansatz von Project-Based Learning basierenden Unterrichtseinheiten lassen sich in die drei Phasen Einleitung, Erarbeitung und Reflexion zerlegen. Wobei für die Einleitung eine Unterrichts-stunde, für die Erarbeitung zwei bis vier Unterrichtsstunden und für die Reflexion nochmal eine Unterrichtsstunde eingeplant werden sollte. In der Einleitungsphase sollen sich die Schülerinnen und Schüler zunächst noch keine neuen Inhalte erarbeiten, sondern sich insbesondere mit einem Phänomen und einer damit verbundenen Leitfrage beschäftigen. Gleichzeitig dient die Einleitungsphase zur Strukturierung der Unterrichtseinheit entlang der Beantwortung der Leitfrage durch die Entwicklung und Strukturierung von Unterfragen. Jede Erarbeitungsphase einer Unterrichtseinheit beginnt im ersten Schritt mit der Wiederholung der für das Phänomen beziehungsweise die Leitfrage wichtigen Energieformen. Im zweiten Schritt findet auf inhaltlicher Ebene die Vernetzung von Inhalten verschiedener physikalischer Sachgebiete über das Prinzip der Umwandlung zweier Energieformen statt. Im dritten Schritt, der Vertiefung , wird schließlich die Vernetzung durch das Aufgreifen weiterer Energieaspekte (Transfer, Entwertung und Erhaltung) vertieft und verstärkt. Passend zu den drei Schritten in der Erarbeitungsphase werden jeweils drei Unterfragen zur Leitfrage je CRU entwickelt und untersucht. Während die Einleitung der Unterrichtseinheit entsprechend vorstrukturiert ist, sind die Lernaktivitäten in der Erarbeitung bewusst variabel gehalten. Die Wahl der Lernaktivität unterscheidet sich je nach Inhalt, Klassenstufe beziehungsweise der curricularen Vorgabe und der Unterfragen. Zum Abschluss der Unterrichtseinheit werden in einer Reflexionsphase entweder die Leitfrage und die Unterfragen selbstständig durch die Schülerinnen und Schüler beantwortet. Die Schülerinnen und Schüler sollen so die Fragen nacheinander und auf diese Weise kumulativ die Leitfrage. Oder es wird eine Concept Map von den Schülerinnen und Schülern entwickelt, in der die Inhalte der Einheit grafisch von den Schülerinnen und Schülern geordnet und miteinander verbunden werden sollen. Auf diese Weise sollen die Wissensnetzwerke der Schülerinnen und Schüler expliziert und so noch nicht vorhandene Verbindungen zwischen physikalischen Ideen identifiziert werden. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigiCompEdu Modell) Die Lehrenden … … müssen sich die Moodle-Kurse unter dem jeweiligen Link herunterladen und in das Moodle der Schule hochladen. (2.1 Digitale Ressourcen auswählen) … sollten in der Lage sein, die digitale Lernumgebung so in ihren Unterricht einzubetten, dass die Lernenden einen möglichst großen Lerneffekt haben. Sie können dazu unter anderem in den einzelnen Phase der Unterrichtseinheit zwischen verschiedenen Optionen auswählen. Zum Beispiel entscheiden sie je nach Lerngruppe und lokalen Gegebenheiten zwischen Demonstrationsexperiment, Lernendenexperiment oder Video. (2.2 Digitale Ressourcen erstellen und Anpassen). Es wird empfohlen, die jeweilige Einheit wenigstens einmal selbst getestet oder im besten Fall komplett durchlaufen zu haben. Zudem ist ein grundlegendes Verständnis für den Umgang mit dem jeweiligen Endgerät (Computer, Mobiles Device,…) nötig. … sollten gewährleisten, dass allen Lernenden unabhängig von ihrer digitalen Affinität zu den eingesetzten Endgeräten oder von anderen besonderen Bedürfnissen ein Zugang zu der digitalen Lernumgebung ermöglicht wird (5.1 Lerner-Orientierung - Digitale Teilhabe). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler ordnen Alltagsbeispiel darin auftretende Energieformen zu. beschreiben und analysieren Vorgänge in denen Energie umgewandelt wird. analysieren im Sachzusammenhang vorhandene Energieformen und deren Umwandlung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erfassen, speichern und organisieren Daten und Informationen. nutzen digitale Werkzeuge zum Lernen, Arbeiten und Problem lösen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler lösen Probleme, indem sie zum Verständnis von Phänomenen wesentliche Leitfragen entwickeln und diese in Unterfragen aufteilen und beantworten. denken kritisch, in dem sie die Antworten auf die Unterfragen zusammenfassen und hinsichtlich der Phänome und Leitfragen reflektieren. organisieren Wissen, in dem sie verschiedene Teilbereiche der Physik durch zentrale Ideen vernetzen und so eine vernetzte Wissensbasis konstruieren. Fischer, Julian Alexander; Steinmann, Tatjana; Kubsch, Marcus et al.: Die Rettung der Phänomene! Durch Leitfragen sinnstiftendes Lernen initiieren und strukturieren. in: MNU Journal, Jahrgang 74, Nr. 2, 03.2021, S. 140–145. Weßnigk, Susanne; Neumann, Knut; Kerres, Michael: Energie unterrichten über eine digitale Lehr-Lernplattform – Konzeption von Unterrichtseinheiten mit digitalen Medien und Werkzeugen. in: Unterricht Physik 179, 2020, S. 31–36 *Die Hauptenergieform ist die Energieform, die in der letzten Stunde eingeführt wurde. Diese soll mit Bezug zur Bezugsenergieform, die zuvor unterrichtet wurde, vertieft werden.

Messen bedeutet für Schülerinnen und Schüler häufig nur noch einen Wert von einem Display abzulesen. Wie dieser Wert entsteht, bleibt in der Blackbox verborgen. Diese Unterrichtseinheit ist so konzipiert, dass Schülerinnen und Schüler in eine Blackbox hineinsehen, indem sie eigenständig ein Messinstrument bauen: Mit einem Mikrocontroller realisieren sie eine Lichtschranke und führen dann mit dieser eigenständig Experimente durch. Hierbei steht die Vermittlung grundlegender Kenntnisse im Bereich Programmierung und Datenerfassung gleichberechtigt neben der Bearbeitung physikalischer Fragestellungen zum Pendel. Bei physikalischen Messungen kommen heutzutage vor allem digitale Messwerterfassungssysteme zum Einsatz. Ziel der Unterrichtseinheit ist daher, Schülerinnen und Schülern einen Einblick in die Funktionsweise derartiger Systeme zu geben. Konkret sollen sie erlernen, mit einem Arduino eine Lichtschranke zu bauen und diese in Pendelexperimenten einzusetzen. Der Arduino ist ein Mikrocontroller, das heißt ein Kleinstcomputer, der über eine frei verfügbare Software vergleichsweise einfach zu programmieren ist. Der Arduino selbst bietet eine Reihe an Schnittstellen und Sensoren; darüber hinaus können weitere externe Sensoren angeschlossen werden. Damit eignet er sich, anwendungsnahe Steuerungs- und Regelungsaufgaben umzusetzen. Alle Materialien finden Sie unten gebündelt in einer ZIP-Datei zum Download. Die Unterrichtseinheit ist in drei Phasen gegliedert. Zudem kann eine vierte optionale Lernphase genutzt werden. In Phase 1 wird das Ziel der Einheit präsentiert, also die Steuerung einer Lichtschranke in Pendelexperimenten mit dem Arduino. Anschließend erarbeiten die Schülerinnen und Schüler, welche Schritte dazu notwendig sind beziehungsweise welche Fragen auf dem Weg dorthin geklärt werden müssen. Es folgt eine Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit der Programmierung des Arduino (unter anderem Programmstruktur verstehen und verändern). Phase 2 fokussiert dann die Nutzung des Arduino zur Messwerterfassung. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Schritt für Schritt eine Lichtschranke und erarbeiten, welche Signale erfasst werden, wie eine Messung optimiert werden kann und wie die Messwerte gespeichert werden können. In Phase 3 kommt die entwickelte Lichtschranke und die erarbeiteten Erkenntnisse nun in einem klassischen physikalischen Experiment zum Einsatz: In drei Versuchsreihen sollen die Schülerinnen und Schüler den Einfluss von anfänglicher Amplitude, Fadenlänge und Masse eines Fadenpendels auf dessen Periodendauer untersuchen – unter Zuhilfenahme der vorab entwickelten Lichtschranke. Die optionale Phase 4 dient als Sicherungsphase und kann unterschiedlich gestaltet werden. So können beispielsweise die Codes von den Schülerinnen und Schülern kommentiert und miteinander verglichen werden oder es könnten Poster oder Präsentationen erstellt werden, in denen die Schülerinnen und Schüler ihre Vorgehensweisen dem Klassenverband vorstellen. Diese Phase bietet sich auch an, um mit den Schülerinnen und Schülern auf einer motivational-affektiven Ebene zu reflektieren, zum Beispiel welche Aha-Erlebnisse sie hatten oder inwieweit sie Selbstvertrauen in die eigenen Programmierfähigkeiten aufbauen konnten. Grundsätzlich lässt sich diese Lerneinheit auch einsetzen, um in die Arbeit mit dem Messsystem Laborino einzuführen. Je nach Kenntnisstand der Schülerinnen und Schüler sollten Lehrkräfte darauf vorbereitet sein, grundlegende Begriffe der Programmierung (zum Beispiel Variable, Bibliothek et cetera) zu erläutern beziehungsweise eine entsprechende Unterrichtseinheit vorzuschalten (hier gibt es beispielweise digitale Ressourcen, die in die Grundlagen des Arduino einführen und beispielsweise als vorbereitende Hausaufgabe bearbeitet werden könnten). Um Strategien der Problemlösung zu vermitteln, bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler – sollten sie bei ihrer Programmierung auf Probleme oder Unklarheiten stoßen – eine Internetrecherche durchführen zu lassen. Da die Software des Arduino kostenfrei ist, gibt es einige Foren, in denen Probleme mit Codes diskutiert werden oder auch frei verfügbare Beispielcodes, die die Schülerinnen und Schüler für ihre Zwecke anpassen können. Als physikalischer Anwendungskontext wurde das Fadenpendel gewählt, das ein Standardthema im Physikunterricht darstellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die physikalischen Grundlagen des Fadenpendels bereits behandelt wurden, um den Fokus klar auf das Verständnis der Funktionsweise digitaler Messwerterfassungssysteme legen zu können. Die Materialien zu Phase 3 beinhalten entsprechend eine Infobox zum Wiederauffrischen des Fadenpendels. Es ist davon auszugehen, dass dennoch einige Schülerinnen und Schüler intuitiv von einer Abhängigkeit der Periodendauer mit der anfänglichen Auslenkung beziehungsweise der Masse ausgehen. Dies sollte durch die Lehrkraft entsprechend begleitet werden. Diese Unterrichtseinheit ist – vor allem durch die Länge der einzelnen Phasen – eher für den Einsatz im Rahmen einer Projektwoche geeignet, sodass die Schülerinnen und Schüler sich jeweils einen Tag mit einer Phase auseinandersetzen können. Es ist allerdings auch denkbar, die Aufträge in den vier Phasen jeweils so in kleinere Teile zu splitten, dass sie über mehrere Wochen hinweg in 45- oder 90-Minuten-Einheiten bearbeitet werden können. Durch die Verbindung von Grundlagen der Programmierung mit einem physikalischen Kontext ist darüber hinaus die Einheit geeignet für ein fachübergreifendes Projekt zwischen Physik- und Informatikunterricht. Grundsätzlich können die Aufgaben alle in Einzelarbeit bearbeitet werden. Um jedoch auch soziale Kompetenzen, Teamarbeit und das gemeinsame, kreative Problemlösen zu fördern, bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler in Gruppen arbeiten zu lassen und auch einen Austausch über Gruppen hinweg zuzulassen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Ein zentrales Lernziel für die Schülerinnen und Schüler ist es, Grundlagen der Programmierung kennenzulernen und dabei auch eine eventuell vorhandene Scheu gegenüber informatischen Aufgaben abzubauen. Der Kontext digitaler Messwerterfassungssysteme ermöglicht ihnen darüber hinaus, die Grundlagen derartiger Systeme zu durchdringen. Entsprechend sollten Lehrende für die Durchführung der Einheit selbst Kompetenzen im Bereich der Programmierung (6.3 Erstellung digitaler Inhalte) und des Problemlösens (6.5 Digitales Problemlösen) mitbringen. Sofern diese nicht vorhanden sind, müssten sie im Rahmen von Fortbildungen erworben werden (1.4 Digitale Weiterbildung). Um die Schülerinnen und Schüler angemessen durch die Lerneinheit begleiten zu können, sind pädagogisch-didaktische Kompetenzen nötig, die den einzelnen Schülerinnen und Schülern selbstreguliertes Lernen (3.4 Selbstgesteuertes Lernen) und damit Kompetenzerleben ermöglichen (5.3 Aktive Einbindung der Lernenden), um deren Selbstvertrauen in ihre Programmierfähigkeiten zu stärken, auch wenn diese bislang nur sehr gering ausgeprägt sein sollten (5.2 Differenzierung und Individualisierung). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bauen Versuchsanordnungen auch unter Verwendung von digitalen Messwerterfassungssystemen nach Anleitungen auf, führen Experimente durch und protokollieren ihre Beobachtungen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen und verstehen Funktionsweisen und grundlegende Prinzipien der digitalen Welt. erkennen und formulieren algorithmische Strukturen in genutzten digitalen Tools. planen und verwenden eine strukturierte, algorithmische Sequenz zur Lösung eines Problems. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erwerben Selbstvertrauen bezüglich ihrer Programmierfähigkeiten beziehungsweise bauen Hemmungen gegenüber informatischen oder technischen Aufgabenstellungen ab. arbeiten im Team. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler lösen kreativ Probleme. erlangen grundlegende Kompetenzen zum Aufbau von Technological Literacy. bauen ihre Resilienz in Problemlöseprozessen aus.