Schülervorstellungen und Physikunterricht : ein Lehrbuch für Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis

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. Vorwort 5 Autoren 8 Inhaltsverzeichnis 9 1 Schülervorstellungen und Physiklernen 14 1.1 Warum Schülervorstellungen für den Unterricht so wichtig sind 15 1.2 Schülervorstellungen und Unterrichtsgestaltung 17 1.3 Zum Begriff „Schülervorstellung“ 22 1.4 Woher die Schülervorstellungen stammen 25 1.5 Forschung zu Schülervorstellungen 27 1.5.1 Entwicklung der Forschung 27 1.5.2 Untersuchungsmethoden 28 1.6 Ausblick 31 1.7 Literatur zur Vertiefung 31 1.8 Literatur 32 2 Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen 35 2.1 Einführung 36 2.2 Konstruktivismus 36 2.3 Konzepte 38 2.4 Conceptual Change 40 2.4.1 Konzeptwechsel als Umstrukturierung des Wissens 40 2.4.2 Synthetische Modelle der Konzeptentwicklung 41 2.4.3 Knowledge in Pieces – fragmentiertes Wissen 45 2.5 Metakognition und Conceptual Change 46 2.6 Conceptual Change und Physiklernen 47 2.7 Literatur zur Vertiefung 48 2.8 Literatur 49 3 Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen 50 3.1 Grundsätzliches 51 3.2 Konfliktstrategien für diskontinuierliche Lernwege 53 3.2.1 Kognitive Konflikte 53 3.2.2 Mögliche Probleme des Vorgehens 60 3.3 Aufbaustrategien für einen kontinuierlichen Lernweg 61 3.3.1 Die Idee des Aufbaus 61 3.3.2 Beispiele für Aufbaustrategien 65 3.4 Thematisieren von Schülervorstellungen 67 3.5 Literatur 71 4 Schülervorstellungen in der Mechanik 73 4.1 Einführung 74 4.2 Vorstellungen zur Kinematik 75 4.3 Vorstellungen zur Dynamik 80 4.4 Unterrichtskonzeptionen 90 4.5 Testinstrumente 92 4.6 Literatur zur Vertiefung 93 4.7 Übungen 94 4.8 Literatur 96 5 Schülervorstellungen zur geometrischen Optik 99 5.1 Einführung 100 5.2 Schülervorstellungen 101 5.2.1 Vorstellungen zu Licht und dessen Eigenschaften 102 5.2.2 Vorstellungen zum Sehvorgang 106 5.2.3 Vorstellungen zur Wechselwirkung von Licht und Materie 108 5.2.4 Vorstellungen zu Abbildungsvorgängen 110 5.2.5 Vorstellungen zu Farben 116 5.3 Unterrichtskonzeptionen 118 5.4 Testinstrumente 119 5.5 Literatur zur Vertiefung 120 5.6 Übungen 121 5.7 Literatur 122 6 Schülervorstellungen zum elektrischen Stromkreis 125 6.1 Einführung 126 6.2 Schülervorstellungen 126 6.2.1 Vorstellungen im Anfangsunterricht 126 6.2.2 Vorstellungen im Kontext der Spannung 128 6.2.3 Vorstellungen zum Strom als Brennstoff 132 6.2.4 Grundlegende Denkmuster 137 6.2.5 Weitere Lernschwierigkeiten 140 6.3 Unterrichtskonzeptionen 141 6.4 Testinstrumente 142 6.5 Literatur zur Vertiefung 143 6.6 Übungen 144 6.7 Literatur 146 7 Schülervorstellungen zu Teilchen und Wärme 149 7.1 Einführung 150 7.2 Vorstellungen zu Teilchen 150 7.3 Vorstellungen zu Temperatur und Wärme 159 7.4 Herausforderungen beim Unterricht zum Teilchenmodell 162 7.5 Unterrichtskonzeptionen 165 7.6 Testinstrumente 166 7.7 Literatur zur Vertiefung 167 7.8 Übungen 168 7.9 Literatur 169 8 Schülervorstellungen zu Energie und Wärmekraftmaschinen 172 8.1 Einführung 173 8.2 Vorstellungen zur Energie 173 8.2.1 Energie als mengenartige Größe 173 8.2.2 Energieverbrauch 175 8.2.3 Energieformen und Arbeit 180 8.3 Vorstellungen zu Wärmekraftmaschinen 183 8.4 Unterrichtskonzeptionen 186 8.5 Testinstrumente 187 8.6 Literatur zur Vertiefung 187 8.7 Übungen 188 8.8 Literatur 190 9 Schülervorstellungen zu Feldern und Wellen 193 9.1 Einführung 194 9.2 Vorstellungen zu Feldern 194 9.2.1 Grundvorstellungen zu Feldern 195 9.2.2 Elektrisches Feld 200 9.2.3 Magnetisches Feld 201 9.3 Vorstellungen zu Wellen 203 9.3.1 Grundvorstellungen zu Wellen 203 9.3.2 Beugung und Interferenz 208 9.4 Unterrichtskonzeptionen 212 9.5 Testinstrumente 213 9.6 Literatur zur Vertiefung 213 9.7 Übungen 214 9.8 Literatur 215 10 Schülervorstellungen zur Quanten- und Atomphysik 217 10.1 Einleitung 218 10.2 Vorstellungen zum Aufbau von Atomen 219 10.2.1 Planetenmodell des Atoms 219 10.2.2 Ladungswolken, Schalen, Orbitale 220 10.2.3 Bahnen und Ortseigenschaft 221 10.3 Vorstellungen zur Quantenmechanik 221 10.3.1 Determinismus und Wahrscheinlichkeitsdeutung 221 10.3.2 Wellen und Teilchen 223 10.3.3 Potenzialtopf und Quantisierung der Energie 224 10.3.4 Heisenberg’sche Unbestimmtheitsrelation 225 10.4 Unterrichtskonzeptionen 227 10.5 Testinstrumente 228 10.6 Literatur zur Vertiefung 228 10.7 Übungen 229 10.8 Literatur 232 11 Schülervorstellungen zu fortgeschrittenen Themen der Schulphysik 233 11.1 Einführung 234 11.2 Spezielle Themen der Atomphysik 234 11.3 Zufall und Wahrscheinlichkeit 237 11.4 Radioaktivität 239 11.5 Elektromagnetische Strahlung 240 11.6 Astrophysik 245 11.7 Relativitätstheorie 246 11.8 Unterrichtsvorschläge 247 11.9 Testinstrumente 249 11.10 Literatur 249 12 Schülervorstellungen im Anfangsunterricht 251 12.1 Einleitung 252 12.2 Physikalisch sehen und denken lernen 253 12.3 Schülervorstellungen zu physikalischen Themen des Anfangsunterrichts 255 12.3.1 Vorstellungen zum Schwimmen und Sinken 256 12.3.2 Vorstellungen zur Luft 257 12.3.3 Vorstellungen zur Schattenbildung 259 12.3.4 Vorstellungen zum Schall 260 12.3.5 Vorstellungen zur Temperatur 262 12.3.6 Vorstellungen zum Wetter und Wasserkreislauf 263 12.3.7 Vorstellungen zum Magnetismus 264 12.3.8 Vorstellungen zu astronomischen Themen 265 12.3.9 Vorstellungen zur Natur der Naturwissenschaften im Sachunterricht 267 12.4 Unterrichtsvorschläge 269 12.5 Testinstrumente 272 12.6 Literatur zur Vertiefung 273 12.7 Übungen 275 12.8 Literatur 276 13 Schülervorstellungen zur Natur der Naturwissenschaften 279 13.1 Einführung 280 13.2 Quellen von Schülervorstellungen über die Natur der Naturwissenschaften 281 13.3 Vorstellungen zur Person des Naturwissenschaftlers 282 13.4 Vorstellungen zum epistemologischen Status naturwissenschaftlichen Wissens 285 13.5 Vorstellungen vom naturwissenschaftlichen Experimentieren 287 13.6 Vorstellungen zur naturwissenschaftlichen Wissensproduktion 288 13.7 Unterrichtsvorschläge 290 13.8 Testinstrumente 291 13.9 Literatur zur Vertiefung 292 13.10 Übungen 292 13.11 Literatur 293 14 Lösungen der Übungsaufgaben 296 14.1 Mechanik (7 Kap. 4) 297 14.2 Geometrische Optik (7 Kap. 5) 299 14.3 Elektrische Stromkreise (7 Kap. 6) 301 14.4 Teilchen und Wärme (7 Kap. 7) 301 14.5 Energie und Wärmekraftmaschinen (7 Kap. 8) 302 14.6 Felder und Wellen (7 Kap. 9) 302 14.7 Quantenphysik (7 Kap. 10) 303 14.8 Anfangsunterricht (7 Kap. 12) 304 14.9 Natur der Naturwissenschaften (7 Kap. 13) 304 Serviceteil 306 Sachverzeichnis 307 Autorenverzeichnis 310 Front Matter ....Pages I-XV Schülervorstellungen und Physiklernen (Horst Schecker, Reinders Duit)....Pages 1-21 Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen (Martin Hopf, Thomas Wilhelm)....Pages 23-37 Strategien für den Umgang mit Schülervorstellungen (Thomas Wilhelm, Horst Schecker)....Pages 39-61 Schülervorstellungen in der Mechanik (Horst Schecker, Thomas Wilhelm)....Pages 63-88 Schülervorstellungen zur geometrischen Optik (Claudia Haagen-Schützenhöfer, Martin Hopf)....Pages 89-114 Schülervorstellungen zum elektrischen Stromkreis (Thomas Wilhelm, Martin Hopf)....Pages 115-138 Schülervorstellungen zu Teilchen und Wärme (Helmut Fischler, Horst Schecker)....Pages 139-161 Schülervorstellungen zu Energie und Wärmekraftmaschinen (Horst Schecker, Reinders Duit)....Pages 163-183 Schülervorstellungen zu Feldern und Wellen (Martin Hopf, Thomas Wilhelm)....Pages 185-208 Schülervorstellungen zur Quanten- und Atomphysik (Rainer Müller, Horst Schecker)....Pages 209-224 Schülervorstellungen zu fortgeschrittenen Themen der Schulphysik (Martin Hopf, Horst Schecker)....Pages 225-242 Schülervorstellungen im Anfangsunterricht (Rita Wodzinski, Thomas Wilhelm)....Pages 243-270 Schülervorstellungen zur Natur der Naturwissenschaften (Dietmar Höttecke, Martin Hopf)....Pages 271-287 Lösungen der Übungsaufgaben (Horst Schecker, Thomas Wilhelm, Martin Hopf)....Pages 289-298 Back Matter ....Pages 299-307