Mechanik II: Bewegungen
Diese Unterrichtseinheit befasst sich mit den zentralen Themen der Dynamik. Dabei geht es darum, unter Bezug auf die physikalischen Konzepte von Kraft, Masse und Trägheit zu erklären, wie Fall-, Wurf- und Kreisbewegungen zustande kommen. Diese Einheit schliesst an die MINT-Unterrichtseinheit „Grundkonzepte der Mechanik“ an, kann aber auch unabhängig von ihr unterrichtet werden.
Im Einzelnen werden beispielsweise folgende Fragestellungen thematisiert:
- Warum fallen alle Körper im Vakuum gleich schnell?
- Wie werden Bewegungen vom Luftwiderstand beeinflusst?
- Welche Faktoren müssen bei Wurfbewegungen berücksichtigt werden?
- Auf welcher Bahn bewegt sich ein Körper, der aus einem Flugzeug fällt?
- Welche Kräfte wirken auf mich, wenn ich mit einem Kettenkarussell fahre?
- Wie schnell muss ein Auto sein, um durch einen Looping fahren zu können?
- Warum muss man sich beim Motorradfahren in der Kurve nach innen legen?
- Warum sind die Astronauten in der Raumstation ISS schwerelos?
- Warum bewegen sich die Planeten nicht auf perfekten Kreisbahnen?
Wie alle MINT-Unterrichtseinheiten zeichnet sich auch diese Einheit durch den Einsatz kognitiv aktivierender Lernformen aus, die sich in empirischen Vergleichsstudien als besonders lernwirksam erwiesen haben. Ein Beispiel ist der folgende Unterrichtseinstieg zum Unabhängigkeitsprinzip, der die Schülerinnen und Schüler dazu anregen soll, vor der Präsentation dieses Prinzips ihr Vorwissen zu aktivieren und zu versuchen, dieses Prinzip selber zu finden.
Der unten abgebildete Wurfapparat setzt die beiden Kugeln gleichzeitig in Bewegung. Während die rechte Kugel horizontal abgeworfen wird, fällt die linke Kugel senkrecht nach unten. Vor dem Versuch glauben die meisten Schülerinnen und Schüler, dass die senkrecht fallende Kugel vor der horizontal abgeworfenen auf dem Boden auftrifft, weil sie einen kürzeren Weg zurückzulegen hat. Beide Kugeln treffen aber gleichzeitig auf dem Boden auf. Die Schülerinnen und Schüler bemerken bei diesem Experiment, dass ihnen das Wissen noch fehlt, dass sich Bewegungen aus zwei voneinander unabhängigen Komponenten zusammensetzen.
Mit dem folgenden Modellvergleich erhalten die Schülerinnen und Schüler den Auftrag, selber zu begründen, welche Kräfte bei einer Kreisbewegung wirken. Dazu werden ihnen zwei Modelle präsentiert, die den Sachverhalt erklären sollen. Modell 1 geht davon aus, dass aufgrund der Wechsewirkung zwischen Hand und Tennisball die Kraft auf den Ball nach innen ins Kreiszentrum wirkt. Modell 2 repräsentiert eine gängige Alltagsvorstellung und geht fälschlich davon aus, dass auf den Ball eine Fliehkraft nach aussen wirkt und die Kraft der Hand den Ball im Gleichgewicht hält. Durch diesen Modellvergleich sollen die Schülerinnen und Schüler sich die Vorteile des korrekten Modells 1 vergegenwärtigen. Solche Modellvergleiche haben sich in der Lernforschung als überaus lernwirksam erwiesen.
Der Schwachpunkt von Modell 2 liegt darin, dass es nicht erklären kann, woher die Kraft F2 auf den Ball kommt. Dies wird insbesondere dann deutlich, wenn der Ball losgelassen wird, wie die Abbildung unten zeigt.
Mit dieser Unterrichtseinheit sollen die Schülerinnen und Schüler lernen, Fall-, Wurf- und Kreisbewegungen physikalisch korrekt zu beschreiben, zu erklären und zu berechnen. Mit diesen Themen befassen sich drei von vier Kapiteln dieser Unterrichtseinheit. Im vierten Kapitel wird auf die historische Entwicklung unseres astronomischen Weltbildes eingegangen. Damit soll das Gelernte an konkreten Beispielen vertieft werden. Zudem wird damit dem allgemeinbildenden Aspekt des Physikunterrichts Rechnung getragen.
Im Mittelpunkt des Unterrichts steht das Verständnis der physikalischen Konzepte. Beispielsweise wird ausführlich darauf eingegangen, warum es bei Kreisbewegungen nicht zutreffend ist, eine eigenständige Fliehkraft anzunehmen. Ebenso wird am Beispiel der Schwerelosigkeit der Astronauten in der Raumstation ISS grosser Wert darauf gelegt, dass die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass diese Schwerelosigkeit nicht dadurch zustande kommt, dass die Gravitation der Erde aufgrund der grossen Entfernung in der Raumstation nicht mehr wirksam ist. Ein gutes Verständnis der physikalischen Konzepte ist die Grundlage, auf der anschliessend Formeln eingeführt und Berechnungen eingeübt werden.
In diesen Unterrichtsmaterialien kommen besonders lernwirksame kognitiv aktivierende Lernformen zum Einsatz. Am Beispiel der Unterrichtseinheit „Grundkonzepte der Mechanik“ konnten wir bereits belegen, dass diese Lernformen herkömmlichem Unterricht überlegen sind:
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.
Die Schülerinnen und Schüler, die mit unseren MINT-Materialien gearbeitet haben, hatten ein besseres konzeptuelles Verständnis und bessere Rechenfähigkeiten als die Schülerinnen und Schüler, die herkömmlichen Unterricht erhalten haben. Zudem haben gerade die überdurchschnittlich intelligenten Schülerinnen besonders stark vom Unterricht mit unseren Materialien profitiert.
Weitere Informationen zu diesen Lernformen finden Sie hier.
Zentrale Themenbereiche
Die Unterrichtseinheit besteht aus vier Kapiteln bzw. Sequenzen mit insgesamt 12 Lektionen und zusätzlichen Aufträgen zum forschenden Lernen:
1. Fall- und Wurfbewegungen
Lektion 1: Fallgesetze
Lektion 2: Wurfbewegungen
Lektion 3: Luftwiderstand
2. Kreisbewegungen
Lektion 4: Zentripetalkraft
Lektion 5: Kurvenfahrten
Lektion 6: Looping-Bahnen
3. Bewegungen im Weltall
Lektion 7: Die Schwerkraft
Lektion 8: Planeten- und Satellitenbewegungen
Lektion 9: Schwerelosigkeit
4. Die Entwicklung des astronomischen Weltbildes
Lektion 10: Antike Vorstellungen zur Bewegung von Himmelskörpern
Lektion 11: Galilei, Kepler und Newton
Lektion 12: Moderne Vorstellungen
5. Aufträge zum forschenden Lernen
Eine Übersicht über die Schwerpunkte dieser Unterrichtseinheit finden Sie auch in folgender externe SeiteOnline-Präsentation.
Aufeinander abgestimmte und gut strukturierte Arbeitsblätter führen die Schülerinnen und Schüler durch den Unterricht. Sehen Sie sich Ausschnitte einiger dieser Arbeitsblätter zum Thema genauer an:
Beispiele von Arbeitsblättern in dieser externe SeiteOnline Präsentation.
Weiter Elemente des Unterrichts
- Zu jeder Sequenz gibt es zudem ein Aufgabenblatt mit ausführlich kommentierten Lösungen. Die Aufgaben und Lösungen können online zugänglich gemacht werden und erlauben es den Schülerinnen und Schülern selbständig in ihrem eigenen Rhytmus an den besprochenen Themen zu arbeiten.
- Ein weiteres, nützliches Element des Unterrichts sind sorgfältig erarbeitete Lesetexte, anhand derer sich die Schülerinnen und Schüler gewisse Aspekte eines Themas durch eigene Lektüre erarbeiten können. Dadurch bleibt mehr Zeit für die Diskussion in der Klasse. Ausserdem eignen sich die Lesetexte auch für - die Lehrpersonen entlastende - Unterrichtsformen wie Peer Instruction oder Flipped Classroom.
- Anleitungen zu Selbsterklärungen und metakognitivem Training ermöglichen eine lernwirksame Nachbearbeitung der behandelten Inhalte. Die Überlegenheit dieser Methoden gegenüber herkömmlichem Lernen wurde in empirischen Studien belegt.
- Mithilfe der Vor- und Nachtests können Sie sich ein genaues Bild des Vorwissens und des Lernfortschritts Ihrer Schülerinnen und Schüler machen. Sie erhalten daraus auch wichtige Hinweise über die Lernwirksamkeit Ihres eigenen Unterrichts. Wenn Sie wollen, werten wir die Tests gerne für Sie aus.