SINUS-Transfer Grundschule
NATURWISSENSCHAFTEN
Modul G 3: Schülervorstellungen aufgreifen – grundlegende Ideen entwickeln
Reinhard Demuth Karen Rieck
Kiel, im September 2004
Schülervorstellungen aufgreifen – grundlegende Ideen entwickeln Basismodul G 3
Reinhard Demuth und Karen Rieck
Vorbemerkung
Das Gutachten zur „Weiterentwicklung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts an Grundschulen“ hat drei Basismodule benannt, die für die erste Phase der Programmarbeit an allen teilnehmenden Schulen die inhaltliche und methodische Arbeit bestimmen werden. Wir konzentrieren uns in unseren Ausführungen auf die Thematik
„Schülervorstellungen aufgreifen – grundlegende Ideen entwickeln“, möchten jedoch schon zu Beginn herausstellen, dass ein sehr enger Zusammenhang zu den beiden anderen Basismodulen besteht (bzw. hergestellt werden muss). So ist Basismodul G 1
„Gute Aufgaben“ nicht sinnvoll zu bearbeiten, wenn nicht die methodischen Voraussetzungen (Basismodul G 2) und inhaltlichen Aspekte (Basismodul G 3) konsistent entwickelt werden.
Ausgangslage
Die TIMS- und PISA-Studie (Baumert et al. 1997, 2001) belegen eindeutig den unbefriedigenden Leistungsstand der Schülerinnen und Schüler deutscher Schulen am Ende der Sekundarstufe.
Auf die TIMS-Studie reagierten Bund und Länder mit der Einrichtung eines BLK- Modellversuchsprogramms zur „Steigerung der Effizienz des Mathematisch- Naturwissenschaftlichen Unterrichts (SINUS)“. Grundlage für dieses Programm ist eine von Erziehungswissenschaftlern und Fachdidaktikern erstellte Expertise, welche den Sachstand der naturwissenschaftlichen Bildung in der Schule erhebt und gleichzeitig einen Therapievorschlag für die festgestellten Defizite macht (BLK 1997). Als einer der zentralen, defizitären Bereiche benennt die Expertise den Bereich des systematischen, aufbauenden Wissenserwerbs, der Grundlage für Weiterlernen in der Fachdomäne wie
für die Übertragung der Wissenstatbestände auf komplexere Fragestellungen ist (BLK 1997, S. 71 f. und S. 78 f.). Folgt man dieser Argumentation, muss man auch den Unterricht in der Grundschule unter der Perspektive eines Lernens über die gesamte Schulzeit (ggf. über die ganze Lebensspanne) betrachten und die Forderung erheben, dass der Unterricht bereits hier für möglichst alle Schülerinnen und Schülern gute kognitive und motivationale Voraussetzungen für einen weiterführenden (Fach-) Unterricht schafft.
Die IGLU-Studie (Bos et al. 2003) bestätigte die befürchteten deutlichen Leistungsdefizite aus dem Grundschulunterricht nicht; dennoch lassen auch die Befunde von IGLU-E in Verbindung mit zahlreichen anderen Forschungsergebnissen zur Entwicklung von mathematischen und naturwissenschaftlichen Kompetenzen weit reichenden Handlungsbedarf auch im Grundschulbereich erkennen. Diesem soll mit dem BLK-Programm SINUS-Transfer-Grundschule entsprochen werden. Die hierfür erstellte Expertise (BLK 2004) identifiziert als eines der zentralen Handlungsfelder ebenfalls den Bereich „grundlegende Ideen entwickeln“.
Sachunterricht in der Grundschule
In Deutschland werden in der Grundschule naturwissenschaftsbezogene Themen im Rahmen des Sachunterrichts behandelt; die Naturwissenschaften sind dort ein Thema neben anderen. Entsprechend weist der vor drei Jahren entwickelte Perspektivrahmen der GDSU (2002) fünf Handlungsfelder aus, die als sozial- und kulturwissenschaftliches Lernen, raumbezogenes Lernen, naturbezogenes Lernen, technisches Lernen und historisches Lernen beschrieben werden.
Im Perspektivrahmen werden zwar die klassischen Felder des Sachunterrichts aufgenommen. Nicht mehr übernommen wurde eine frühere Sichtweise, wonach der Unterricht in der Grundschule ein weitestgehend eigenständiger, abgegrenzter Bereich darstelle und seine Anschlussfähigkeit keine prioritäre Bedeutung besitze. Als Aufgabenbereich wird klar beschreiben: „Die Aufgabenbereiche des Sachunterrichts, die im vorliegenden Papier als Perspektiven bezeichnet werden, konstituieren sich in Bezug auf Inhalte und Verfahren einerseits aus dem Blickwinkel des Kindes, … andererseits als Perspektiven auf die Wissenschaften und das kulturell bedeutsame
Wissen, wozu zum Beispiel auch die Erarbeitung grundlegender Wissensbestände und elementarer Verfahren gehört. Ein Kerncurriculum für den Sachunterricht muss – bei vorhandenen Freiräumen für situatives und individuelles Lernen – in allen fünf Perspektiven des Sachunterrichts anschlussfähiges inhalts- wie methodenbezogenes Wissen vermitteln. Damit ist Sachunterricht ein zugleich bildungs- als auch übergangsrelevantes Fach.“ (GDSU 2002, S. 2)
Damit ist sehr klar ausgesagt: Wenn der Sachunterricht darauf abzielt, die Wahrnehmung, das Verständnis und das Erschließen der natürlichen, der technisch gestalteten, der kulturellen und sozialen Umwelt zu entwickeln, dann müssen die in ihm vermittelten Kenntnisse und Einstellungen eine taugliche Basis für das Weiterlernen und die weitere Interessenentwicklung darstellen.
Hier setzt auch unmittelbar die Expertise zu „SINUS-Transfer Grundschule“ an (BLK 2004, S. 10): „Die internationale Diskussion über (naturwissenschaftliche) Grundbildung im Sinne von „Scientific Literacy“, über Struktur- und Entwicklungsmodelle für die aufzubauenden Kompetenzen findet in Deutschland erst allmählich ihren Niederschlag. Wenn man in der Grundschule ernsthaft das naturwissenschaftliche Verständnis und Interesse von Kindern anregen und fördern will, wird man sich jedoch an entsprechenden Konzeptionen orientieren müssen. (…) Unter dieser Rahmenvorstellung zielt der naturwissenschaftliche Unterricht (im Kontext des Sachunterrichts) an Grundschulen auf die Entwicklung eines grundlegenden konzeptuellen Wissens und Verständnisses, das naturwissenschaftlichen Leitideen zugeordnet werden kann. In den Blickpunkt rücken wenige zentrale Konzepte, die auf die Erfahrungswelt der Kinder bezogen werden können, zugleich aber anschlussfähig sind für nachfolgendes Lernen.“
Lernen und Verstehen
TIMSS und PISA haben nicht nur Defizite im Niveau der Kenntnisse bei Schülerinnen und Schülern am Ende der Sekundarstufe I beschrieben. Sie haben auch aufgezeigt, wie groß die Unterschiede in der Leistungsfähigkeit der Schülerinnen und Schüler sind.
Leistungsdefizite beeinträchtigen das weitere Lernen nachhaltig. Wir können heute sicher feststellen, dass das, was jemand bereits weiß und kann, entscheidend ist für
seinen weiteren Lernerfolg. Oder anders ausgedrückt: Das Vorwissen ist der wichtigste Prädikator für den weiteren Lernerfolg.
Gleichzeitig zeigte sich, dass auch bei den Schülerinnen und Schülern, die besser abschneiden, die Lernprozesse nicht optimal ablaufen: Sie zeigen Stärken, wenn es um die Lösung von Routineaufgaben geht, Schwächen bei solchen Aufgaben, bei denen konzeptuelles Verständnis und der flexible Umgang mit dem Gelernten gefordert wird.
Schwächen beim Verständnis weisen auf deutliche Mängel des Unterrichts hin.
In der Kognitionsforschung besteht heute Übereinstimmung, dass Wissen grundsätzlich situiert erworben wird. Es ist in diesem speziellen Kontext leicht wieder aktivierbar.
Probleme treten auf, wenn es auf andere Zusammenhänge übertragen und in ihnen angewendet werden soll. Als „überholt“ kann jedenfalls die Vorstellung bezeichnet werden, wonach Lernen in der Übernahme vorgefertigter Wissensbestände besteht, die nicht essentiell auf Vorkenntnissen aufbauen. Vielmehr gewinnt die Vorstellung vom Lernen immer mehr Gewicht, wonach der Lernende sich Wissen erwirbt, in dem neue Wissenselemente aktiv in bestehende Wissensstrukturen eingebaut werden (sog.
„konstruktivistische“ Sicht von Lernen). In der SINUS-Expertise ist dies folgendermaßen umschrieben (BLK 1997): „Verständnisvolles Lernen ist ein aktiver und konstruktiver Aufbau von Wissenssystemen. Dies ist immer ein individueller Konstruktionsprozess, der maßgeblich durch das verfügbare Vorwissen und den dadurch beschriebenen Verständnishorizont beeinflusst wird. Der kumulative Verlauf des Lernens innerhalb eines Wissensbereichs wird unmittelbar durch die Qualität des Vorwissens bestimmt. (…) Fehlendes Wissen, insbesondere Lücken im Bereich des Basiswissens, erschweren jedes weitere Lernen. Derartige Defizite sind insbesondere bei lernschwächeren Personen die größten Hindernisse für befriedigende Lernfortschritte.“
Lernen wird verständnisvoll, wenn es gelingt, zwischen dem vorhandenen Wissen und den Erfahrungen des Lernenden und den neuen Ereignissen und Fakten eine direkte Beziehung herzustellen: Die spezifischen Strukturen der neu zu lernenden Gegenstände werden der vorhandenen Wissensstruktur angepasst bzw. in diese integriert. Dadurch verändert sich auch die vorhandene Struktur. Sie wird erweitert, bzw. in Teilen auch neu strukturiert. Für Verstehensprozesse ist es kennzeichnend, dass Zwischenstufen,
unterschiedliche Grade des Verstehens sich ausbilden, d.h. bisweilen eben nicht alle Elemente einer neuen Struktur „organisch“ in vorhandene integriert werden können, sondern nur Teile, was zum Verstehen eben nur von Teilbereichen führt.
Wie macht es sich bemerkbar, wenn man auf einmal etwas besser versteht als vorher?
Es ist dem Lernenden nun möglich, mehr und andere Bezüge herzustellen, als ihm dies zuvor möglich war, auch andere Anwendungen für sein Wissen zu finden, es eben umfassender nutzen zu können. Dies gelingt nicht von selbst, sondern muss durch spezielle didaktische Maßnahmen unterstützt werden. Ein Beispiel hierfür ist die didaktische Konzeption im Projekt „Chemie im Kontext“ (Parchmann et al. 2001, Bünder, Demuth, Parchmann 2003), das auf zwei Säulen ruht: dem Wissenserwerb in für Schülerinnen und Schüler bedeutsamen Alltagszusammenhängen (den „Kontexten“) und dem Aufbau eines systematischen Wissens orientiert an wenigen zentralen Konzepten (den sog. „Basiskonzepten“). In Chemie im Kontext wird bewusst das Mittel der „Kontextualisierung“ und „Dekontextualisierung“ eingesetzt: Situativ erworbenes Wissen wird in einen größeren Zusammenhang gebracht (auf ein oder mehrere Basiskonzepte bezogen) und dadurch „dekontextualisiert“, andererseits werden Bezüge von den Basiskonzepten zu Phänomenen und Fragestellungen aus dem Alltag hergestellt („Kontextualisierung“). Dieser auf wechselseitig angelegte Impulse ausgerichtete Prozess wird immer wieder ausgelöst und eingesetzt, so dass allmählich die vorhandene Wissensstruktur wie auch ihre Bezüge zu Phänomenen aus dem Alltag verbreitert und vielfältiger nutzbar werden: Lernen wird verständnisvoll.
Basiskonzepte der Chemie
Es gibt in jeder Disziplin eine eingegrenzte Zahl von grundsätzlichen Tatbeständen, von übergeordneten Prinzipien und Gesetzmäßigkeiten, deren Verstehen die Grundlage für verständnisvolles Weiterlernen, für verstehendes Einordnen, für Wiedererkennen, für Problemlösen bildet. Dazu gehören Theorie-, Fakten- und Konzeptwissen auf der einen Seite, Methoden und Prozesswissen auf der anderen Seite. Der Bereich des Methoden- und Prozesswissens wird mit dem Basismodul G 2 „Entdecken, Erforschen, Erklären“
erfasst, Basismodul G 3 „Schülervorstellungen aufgreifen – grundlegende Ideen entwickeln“ erfasst den Bereich des Theorie-, Fakten- und Konzeptwissens. Für diesen Bereich haben wir für das Gebiet der Chemie (Sekundarstufe I und II) sog.
Basiskonzepte beschrieben (Bünder, Demuth, Parchmann 2003), die als „Einsichten und Verständnis zentraler chemischer Begriffe“ bezeichnet werden können. Wir haben dazu eingehend die Frage untersucht, ob sich die für die Schule relevanten Fachinhalte auf eine eingegrenzte Zahl von übergeordneten zentralen Prinzipien oder naturwissenschaftlicher Begriffe zurückführen lassen (AAAS 2001). „Welches sind die Prinzipien, die ein grundlegendes Verständnis über das Verhalten der Materie ermöglichen können?“ Diese Frage können wir heute beantworten. Wir gehen zur Zeit von den folgenden sechs Basiskonzepten für die Chemie aus:
• Stoff-Teilchen-Konzept
• Struktur-Eigenschafts-Konzept
• Donator-Akzeptor-Konzept
• Energie-(Entropie-)Konzept
• Konzept des chemischen Gleichgewichts
• Konzept der Reaktionsgeschwindigkeit
Diese sechs Basiskonzepte halten wir in der Chemie für die essentielle Basis, um verständnisvolles Lernen und Weiterlernen, verstehendes Einordnen wie auch die Durchdringung komplexer Sachverhalte zu ermöglichen.
Mit den Basiskonzepten haben wir die Ankerpunkte für eine gelingende vertikale und horizontale Vernetzung der Wissensinhalte beschrieben.
Basiskonzepte des naturwissenschaftlichen Sachunterrichts
Sollte man Basiskonzepte auch für den naturwissenschaftlichen Sachunterricht entwickeln? Wir meinen ja:
• Die Forderung des Perspektivrahmens (GDSU 2002, S. 2) „…wozu zum Beispiel auch die Erarbeitung grundlegender Wissensbestände und elementarer Verfahren gehört“, kann mit ihnen unmittelbar eingelöst werden.
• Gleiches gilt für den Anspruch des Gutachtens zu SINUS-Transfer Grundschule (BLK 2004, S. 10) „In den Blickpunkt rücken wenige zentrale Konzepte, die auf die Erfahrungswelt der Kinder bezogen werden können, zugleich aber
anschlussfähig sind für nachfolgendes Lernen.“ Hieraus leitet sich unmittelbar die Anforderung ab, derartige zentrale Konzepte auch für den inhaltlichen Bereich des naturwissenschaftlichen Sachunterrichts zu beschreiben.
• Nicht zuletzt hat sich in der Chemie die Formulierung von Basiskonzepten als sehr fruchtbar und tragfähig erwiesen.
Bei der Entwicklung derartiger „Basiskonzepte“ ist die Orientierung an wichtigen Vorarbeiten und aktuellen Rahmenbedingen sinnvoll und unerlässlich. Wir führen im Folgenden nur eine streng limitierte Auswahl von ihnen auf, die nach unserer Einschätzung von besonderer Wichtigkeit sind:
1. Herzustellen ist zunächst der Bezug zum „Perspektiverahmen der GDSU“ und den inhaltlichen Ausführungen zum „naturbezogenen Lernen“ (GDSU 2002).
2. Unerlässlich und besonders hilfreich sind für unsere Betrachtung die Darlegungen, die in Konkretisierung der „National Science Education Standards“ der USA im AAAS-Atlas (AAAS 2001) zur Struktur der Naturwissenschaft gemacht wurden.
3. Unmittelbar herzustellen sind auch die Bezüge zur Diskussion um die Bildungsstandards und die in diesem Zusammenhang diskutierten Inhaltsbereiche (Klieme, Steinert 2004).
Man kann nicht erwarten, dass angesichts unterschiedlicher Ausgangspositionen, unterschiedlicher Herangehensweisen, verschiedenen Abstraktionsgraden und nicht zuletzt verschiedenen Zielsetzungen eine identische Formulierung für die oben angesprochenen „Basiskonzepte“ zu erwarten wäre. Wir formulieren diese (für den inhaltlichen Bereich) wie folgt:
1. Konzept der Erhaltung 2. Konzept der Energie
3. Konzept der Wechselwirkung
Zunächst beschreiben wir ihre fachwissenschaftliche Basis und gehen danach auf Möglichkeiten der Umsetzung ein; wir wählen dazu eine Darstellung in Anlehnung an den AAAS-Atlas.
Ad 1: Konzept der Erhaltung
1. Erhaltung von Masse und Energie
Es gibt zwei uneingeschränkt gültige Naturgesetze, die auf unserem Planeten gelten: das Naturgesetz von der Erhaltung der Masse, und das von der Erhaltung der Energie. Beide Gesetze gelten nur für abgeschlossene Systeme. In der Physik und Chemie betrachtet man häufig Vorgänge, die sich in einem abgegrenzten Bereich abspielen. Alles, was zu diesem Bereich gehört, bezeichnet man als System, alles, was nicht zu diesem gehört, als Umgebung. Betrachtet man den Planeten Erde, so ist er natürlich nicht abgeschlossen. Das ganze Leben auf der Erde ist auf die Energiezufuhr von außen durch die Sonnenstrahlung angewiesen. Energie wird aber auch von der Erde wieder in den Weltraum abgestrahlt. Die Differenz zwischen beiden ist in verschiedenen Energieträgern gespeichert, welche die Menschen wiederum nutzen können, um bestimmte Dinge „zu tun“ (siehe unten). Da später auf das Konzept der Energie näher eingegangen wird, müssen wir hier nur das Gesetz der Erhaltung der Masse behandeln.
2. „Auf der Welt geht nichts verloren.“
Verglichen mit dem Austausch von Energie zwischen Erde und Weltraum ist der Austausch von Materie verschwindend gering, da durch die Gravitationskraft der Erde einerseits und die Atmosphäre andererseits ein Masseaustausch (über Gasteilchen) nur in sehr geringem Umfang zugelassen wird. Wir können daher vereinfacht davon sprechen, dass alle Materie, die auf der Erde vorhanden ist, auch auf ihr verbleibt. Dies ist eine sehr wichtige Aussage: Man denke nur an die verschiedenen Formen von
„Abfall“ oder andere unerwünschte Stoffe, die entweder als Folge natürlicher Prozesse entstehen oder von uns produziert werden – sie bleiben erhalten und sammeln sich immer mehr an, wenn sie nicht durch natürliche oder vom Menschen künstlich eingeleitete Prozesse (chemische Reaktionen) in weniger bedenkliche Stoffe umgewandelt werden.
3. Der atomare Aufbau der Materie
Nach der Atomtheorie von Leukipp und Demokrit kommt man bei immer weiterer Zerteilung der Materie irgendwann zu kleinsten, nicht mehr weiter teilbaren Teilchen, den Atomen. Diese Theorie beruhte auf rein abstrakten Überlegungen, nicht auf
Experimenten. Die Atomtheorie war und blieb über 2000 Jahr reine Spekulation. Eine erste, experimentelle Bestätigung dieser Theorie lieferte Dalton in den ersten Jahren des 19. Jahrhunderts, als er fand, dass bei unterschiedlichen Massen von miteinander reagierenden Elementen A und B stets ein ganz definiertes Massen-Verhältnis dieser Elemente A und B in einer neuen Verbindung AB (z.B. immer nur 1 : 1 in einer Verbindung X, oder 1 : 2 in einer anderen Verbindung Y) vorliegt – und nicht etwa einmal mehr A, wenn zu Beginn der Reaktion mehr dieses Stoffes eingesetzt worden war. Er folgerte daraus, dass bei chemischen Reaktionen immer kleinste Teilchen (Atome) miteinander reagieren müssen und nur ganze Vielfache davon möglich sind.
Die Atome selbst werden bei der Reaktion nicht verändert. Dies führte zum Postulat, dass alle Materie aus kleinsten Bausteinen, den Atomen, aufgebaut ist. Elemente bestehen aus nur einer Sorte von gleichen Atomen, Verbindungen aus mehreren Atomsorten. Bei einer chemischen Reaktion bleiben die Atome selbst unverändert, jedoch durch die Vielzahl der möglichen Kombinationen zwischen den Atomen der gleichen Sorte wie von unterschiedlichen Sorten sind eine Vielzahl von Verbindungen möglich – heute sind viele Millionen von Verbindungen bekannt und genau definiert.
Es hat danach viele weitere experimentelle Nachweise für die Existenz der Atome gegeben, so dass wir heute sicher wissen, dass alle Materie aus Atomen aufgebaut ist.
4. Atomarer Aufbau der Materie und Erhaltung
Mit dem Bild von Atomen als kleinsten, unveränderlichen Bausteinen der Materie ist ein Zugang zum Verstehen des Verhaltens von Materie gegeben, das von ersten Anfängen der Beschäftigung mit Naturwissenschaften bis in alle Gebiete der modernen Forschung trägt.
Es sollen im Folgenden einige wenige Beispiele benannt werden, die unmittelbar auf den Bereich des Sachunterrichts bezogen werden können; von größter Bedeutung ist dabei der Gesichtspunkt der Erhaltung:
1. Beispiel Wasserkreislauf
2. Beispiel Lösen von Stoffen in Wasser
3. Beispiel Stofftrennung, Herstellen reiner Stoffe
4. Beispiel Verbrennen von Stoffen: hier „verschwindet“ nichts
5. Umweltgesichtspunkt: Bedeutung der Verunreinigung von Medien 6. Umweltgesichtspunkt: Bedeutung der Konzentration
5. Verständnis des Erhaltungskonzepts bei Kindern
Das Verstehen des Erhaltungskonzepts ist für Kinder schwierig. Dazu zeigen Untersuchungen, dass Kinder zunächst die zahlenmäßige Erhaltung einer Größe, dann die Erhaltung der Menge, erst später die der Masse und noch später die des Volumens verstehen. Gleichzeitig ist bekannt, dass die Ergebnisse über den Zeitpunkt des Verstehens dieser Konzepte erheblich variieren - je nachdem mit welchen Beispielen gearbeitet wurde. Anders ausgedrückt: Trotz der erheblichen Verstehensprobleme, die dieses Stoffgebiet mit sich bringt, ist offensichtlich auch Potenzial für eine Optimierung des Lernens gegeben.
Noch schwieriger für Kinder zu verstehen ist der diskontinuierliche Aufbau der Materie;
doch auch hier gibt es Hinweise darauf, dass Kinder mit Erfolg mit einem
„Denkmodell“: Stoffe bestehen aus kleinen Teilchen arbeiten können.
Ad 2: Konzept der Energie
1. Energie – was ist das eigentlich?
Jedes Fahrzeug braucht einen Treibstoff, um fahren zu können: Autos Benzin, Elektrolokomotiven Elektrizität, Schiffe Schweröl oder Kohle. Auch der Mensch braucht den „Treibstoff“ Nahrungsmittel, um atmen, sprechen und sich fortbewegen zu können. Allen diesen Treibstoffen ist gemeinsam, dass mit ihnen Energie zur Verfügung gestellt wird, ohne die ein Auto oder ein Schiff nicht bewegt werden kann, oder auch die Körperfunktionen des Menschen nicht aufrechterhalten werden können.
Genauso wissen wir, dass wir zum Heizen immer einen bestimmten Brennstoff benötigen: z.B. Holz, Gas, Heizöl, Elektrizität. Auch beim Heizvorgang wird mit den zugeführten Brennstoffen Energie mitgeliefert. Energie ist in ihnen enthalten. Holz, Gas, Heizöl, Elektrizität sind Energieträger.
Aber auch durch die komprimierte Luft des Kompressors kann Energie auf den Presslufthammer übertragen werden, in der Turbine wird Energie von bewegtem Wasser übertragen, im Heizkörper der Zentralheizung vom heißen Wasser auf die Umgebungsluft. Licht überträgt Energie von der Sonne zur Erde. In diesen Beispielen sind bewegtes Wasser und Luft unter Druck sowie warmes Wasser und Licht die Energieträger.
Die Energie tritt dabei in verschiedenen Formen auf, in denen sie in den Energieträgern gespeichert ist:
Tab. 1: Die verschiedenen Formen der Energie
Energieform Beobachtete Beispiele
1. Lageenergie (potentielle Energie)
2. Bewegungsenergie (kinetische Energie) 3. Thermische Energie
4. Strahlungsenergie 5. Chemische Energie 6. Elektrische Energie
Stausee; Gegenstand in bestimmter Höhe über dem Boden
Rollende Kugel, drehender Kreisel Heiße Quellen
Sonne, Blitz, Glühlampe
Erdöl, Kohle, Holz, Wasserstoff Energie in einem Stromkreis
Die Energie kann wie jede andere physikalische Größe gemessen werden. Ihre Maßeinheit ist das Joule (J).
Die Energie, die in bestimmten Stoffen enthalten ist, ist sehr unterschiedlich:
1 kg Benzin enthält ca. 43 000 kJ, 1 kg frisches Holz ca. 8 000 kJ, 1 kg Steinkohle ca. 30 000 kJ, 1 kg Schokolade ca. 20 000 kJ.
Wir sehen gleichzeitig, dass Energie aus ganz unterschiedlichen Quellen entnommen werden kann.
2. Wie kann man Energie der verschiedenen Quellen nützen?
Energie kann in ihrer „gespeicherten Form“ unmittelbar nur in den seltensten Fällen genutzt werden: die „Lageenergie“ des Wassers im Stausee muss über Turbinen in elektrische Energie überführt werden, bevor wir sie als Strom nutzen können. Mit der
„chemischen Energie“ verhält es sich genauso: wir müssen Wachs oder Öl erst
„verbrennen“, um die chemische Energie in Form von Licht oder Wärme nutzen zu können. Die gespeicherte chemische Energie in der Kerze kann einmal als Lichtenergie (zum Beleuchten) oder als thermische Energie (zum Erwärmen) genutzt werden, wenn das Wachs entzündet wird. Beide Energiearten waren in dieser Form aber offensichtlich nicht in der Kerze vorhanden – sie gibt, ohne entzündet zu sein, weder Licht noch Wärme ab.
Auch das Mofa kann nicht unmittelbar durch das Benzin im Tank in Bewegung gesetzt werden: zunächst muss das Benzin verbrannt, dann die thermische Energie auf die Kolben im Motor übertragen werden; danach geben diese ihre Bewegungsenergie auf das Antriebssystem des Mofas weiter.
In der Regel muss man solche Energieumwandlungen vornehmen, wenn man den Energieinhalt der verschiedenen Energieträger nutzen möchte. Die Abbildung 1 zeigt eine typische Energieumwandlungskette.
Abbildung 1: Energieumwandlung zur Stromerzeugung.
Primärenergie (chemisch oder physikalisch gebundene Energie)
→ Umwandlung in kinetische Energie bzw.
Wärme
→ Umwandlung in Energie der Drehbewegung
→ Umwand- lung in Sekundär- energie Potentielle Energie:
Speichersee, Höhenunterschied, Flusslauf
→ Druckleitung → Wasserturbine → Generator → elektrische Energie
Fossile Brennstoffe:
Mineralöl, Kohle, Gase
→ Dampferzeuger → Dampfturbine → Generator → elektrische Energie
→ Brennkammer → Gasturbine → Generator → elektrische Energie
→ Verbrennungs-
motor → Generator → elektrische Energie Kernenergie → Kernreaktor
(und Dampf- erzeugungs- system)
→ Dampfturbine → Generator → elektrische Energie
Bei Energieumwandlungen tritt in der Regel das große Problem auf, dass die gespeicherte Energie nicht vollständig in die gewünschte Energieform umgewandelt werden kann, so dass mit der Energieumwandlung eine Energieentwertung einhergeht.
Diese Frage wird unmittelbar deutlich, wenn man eine brennende Kerze betrachtet: Wir wissen, dass immer Licht und Wärme beim Verbrennen einer Kerze entstehen, gleichgültig ob die Kerze zum Heizen oder zum Beleuchten verwendet wird. Gleiches gilt aber auch für die Glühlampe: Die zugeführte elektrische Energie wird nur zum Teil in Licht umgewandelt, daneben entwickelt sich auch Wärme, die eigentlich gar nicht erwünscht ist.
3. Energie kann nicht erzeugt, jedoch umgewandelt werden
Mitte des 19. Jahrhunderts erkannte man, dass die verschiedenen Energieformen äquivalent sind, zwar ineinander umgewandelt werden können, ihre Größe aber in einem nach außen abgeschlossenen System immer gleich bleibt.
Dies ist der Inhalt des sog. 1. Hauptsatzes der Thermodynamik, der auch als Naturgesetz der Erhaltung der Energie bezeichnet wird:
Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden, sie kann aber weder erzeugt noch vernichtet werden.
Zahlen und Fakten
Wir wollen nun einmal den Energieerhaltungssatz auf die menschliche Ernährung anwenden. Wenn Energie durch die Nahrung aufgenommen wird, kann mit ihr zweierlei geschehen. Sie kann entweder in Arbeit und Wärme umgesetzt werden, oder sie kann gespeichert werden. Nehmen wir mehr Energie auf als wir verbrauchen, wird diese Energie gespeichert, hauptsächlich in Fett. Verbrauchen wir mehr Energie als wir zuführen, muss dieses Energiedefizit durch Abbau von Fett kompensiert werden. Will man Energiebilanzen aufstellen, kann man von folgenden Größen ausgehen:
1. Bei normaler Belastung benötigt der Mensch ca. 120 J pro Tag für jedes Kilo Körpergewicht; d.h. bei 75 kg ca. 9000 J.
2. Um 1 kg Fett aufzubauen benötigt man etwa 30 000 J.
Damit kann man leicht weitergehende Fragen beantworten:
Wenn man annimmt, jemand wiege 80 kg, so folgt daraus, dass er oder sie nicht mehr als 9500 J aufnehmen darf, soll das Gewicht gehalten werden.
Will man dagegen 1 kg Fett in einer Woche abbauen, dann muss man 30 000 : 7 = 4286 J pro Tag weniger zuführen.
Gleichzeitig gibt der Energieerhaltungssatz aber noch einen zweiten Hinweis, wie man das Gewicht reduzieren kann: durch erhöhten Energieverbrauch, z.B. durch Laufen oder Schwimmen. Um 2000 J zu verbrennen, muss man etwa 7,5 km laufen oder eine Stunde schwimmen.
4. Wenn man Energie nicht erzeugen und vernichten kann, wie kann man sie dann verschwenden?
Genauso wenig wie Masse in unserem System Erde verloren gehen kann, genauso wenig kann Energie „vernichtet“ werden. Für Masse und Energie gilt ein strenges Naturgesetz, welches ihre Erhaltung fordert.
Weshalb kann man dann von „Energieverlusten“ sprechen? Hiervon ist umgangssprachlich die Rede, wenn Energieumwandlungen betrachtet werden, z.B. jene, bei der aus der Verbrennung von Benzin die Fortbewegung eines Autos bewirkt wird,
oder jene, die auftreten, wenn in Kraftwerken aus fossilen Brennstoffen wie Kohle, Öl oder Gas elektrische Energie erzeugt wird.
Die Erklärung hierfür liegt in einer leichten sprachlichen Ungenauigkeit. Im Alltag spricht man von Energieverlust immer dann, wenn eine gespeicherte Energie nicht vollständig in die gewünschte, neue Energieform umgewandelt werden kann. Dies ist bei Energieumwandlungen praktisch immer gegeben, so dass derartige „Verluste“ im Alltag sehr häufig auftreten und allgegenwärtig sind. So ist es völlig unmöglich, eine vorgegebene Menge thermischer Energie vollständig und periodisch in Bewegungsenergie (einer Dampfmaschine o.ä.) umzusetzen. Energieumwandlungen sind immer von derartigen „Verlusten“ begleitet, die beträchtlich sein können. Es ist daher durchaus berechtigt, von einer „Energieentwertung“ zu sprechen.
Es macht daher Sinn, den Prozess der Umwandlung einer Energieform in eine bestimmte andere unter einem Qualitätsaspekt zu betrachten: gesucht wird der Prozess, bei dem die Energieumwandlung in besonders hohem Maß gelingt. Man kennzeichnet diesen Qualitätsaspekt mit dem Wirkungsgrad η; dieser gibt das Verhältnis von gewünschter, neu erzeugter Energie zu eingesetzter bzw. zugeführter Energie an:
neu erzeugte Energie
η = --- eingesetzte (bzw. zugeführte) Energie
Bei einem Wirkungsgrad von 1 würde sämtliche eingesetzte Energie in die gewünschte (erzeugte) Energie überführt, bei einem Wirkungsgrad von 0,1 (d.h. 10%) sind dies nur noch 10% der eingesetzten Energie; 90% der eingesetzten Energie gingen „verloren“, d.h. werden in andere Energieformen als die gewünschte umgewandelt und ggf.
freigesetzt.
In der Abbildung 2 sind Wirkungsgrade für einige wichtige Beispiele angegeben.
Abbildung 2: Wirkungsgrade bei verschiedenen Arten von Energieumwandlungen
5. Übertragung von Wärme
Wärme ist eine wichtige Energieform, die uns aus dem Alltag gut bekannt ist. Wir wissen, dass ein heißer Körper mehr Wärme enthält als ein kalter, doch auch im letzteren ist noch eine bestimmte Wärme vorhanden. Was passiert, wenn man beide Körper sich berühren lässt? Denkbar sich zwei Fälle:
• Der kältere Körper nimmt Wärme vom heißeren auf, die auf den kälteren übergeht. Die Temperatur des ersten Körpers (des zuvor wärmeren) sinkt, die des zweiten steigt an.
• Denkbar ist aber auch, dass Wärme vom kälteren Körper zum wärmeren übergeht. Die Temperatur des ersten Körpers (des zuvor schon wärmeren) steigt noch weiter an, die des zweiten sinkt noch weiter ab.
Ob beide Prozesse möglich sind oder nur einer von beiden, kann man nur mit dem Experiment entscheiden. Viele solcher Experimente zeigten eindeutig: Es geht niemals Wärme von einem kälteren Körper auf einen wärmeren über sondern immer nur umgekehrt wird Wärme von einem Köper höherer Temperatur auf einen solchen mit niedrigerer Temperatur übertragen. Man weiß heute, dass dieses Phänomen auf einem wichtigen Naturgesetz beruht, der Verteilung von Wärme und Materie. Die Entwicklung der Natur hat demnach eine Richtung: Sie strebt danach, die Wärme möglichst gleichmäßig zu verteilen. Gleiches gilt auch für die Materie – geordnete Zustände sind demnach „unnatürlich“, bilden sich niemals von selbst aus, sondern nur
durch Vorgänge, die auf eine Zufuhr von Energie von außen angewiesen sind. Leben – als die hoch komplexe Form der Ordnung der Materie – wäre ohne die kontinuierliche Energiezufuhr von der Sonne nicht möglich.
6. Verstehensschwierigkeiten bei Kindern
Fragt man einen Erwachsenen, was „Energie ist“ – wird man in der Regel keine befriedigende und richtige Antwort erhalten. Kein Wunder: Energie ist schwierig zu verstehen. Dies könnte der Anlass sein, diese Thematik auf die Zeit der Oberstufe des Gymnasiums zu verschieben – was wir nicht befürworten. Angesichts der großen Bedeutung der „Energie“ für das naturwissenschaftliche Verständnis und unser alltägliches Leben möchten wir möglichst früh – altergemäß – Verstehen anbahnen.
Eine schulische Konkretisierung sollte unter dem Oberbegriff stehen: „Mit Energie kann man etwas tun“. Davon abgeleitet werden unmittelbar Stoffe identifiziert werden können, die Energie enthalten („Energieträger“). Die nähere Betrachtung zeigt weiter, dass Energie aus diesen Trägern freigesetzt und genutzt werden kann. Die Betrachtung und Messung des Energieverbrauchs, ggf. des Umfangs der Gewinnung der gewünschten Energieform, kann sich anschließen und führt zu einer tauglichen Basis für ein beginnendes Verständnis der „Naturerscheinung Energie“.
Eine mögliche Konkretisierung ist im Anhang in Anlehnung an den AAAS-Atlas ausgeführt.
Ad 3: Konzept der Wechselwirkung
Das Konzept der Wechselwirkung ermöglicht eine Einsicht in das Prinzip der wechselseitigen Beeinflussung, das fächerübergreifend über die Fächer Biologie, Chemie, Geologie und Physik im naturwissenschaftlichen Sachunterricht von Bedeutung ist. Allgemein spricht man von Wechselwirkung, wenn ein Objekt ein anderes Objekt beeinflusst und dann – im Wechsel – wiederum von diesem beeinflusst wird. Im Alltag und im Unterricht können viele Phänomene auf dieses grundlegende Konzept zurückgeführt werden. Beispielsweise lassen sich die Interaktion von Lebewesen und ihrer Umwelt, die Änderung von Stoffen und deren Eigenschaften,
Prozesse, die die Erde verändern oder Bewegungen und sie verursachende Kräfte auf Wechselwirkungsprozesse zurückführen.
Das Ziel bei der Umsetzung im Unterricht ist es, das Wechselwirkungskonzept als Deutungshilfe für bestimmte Vorgänge zu nutzen, die auf unterschiedliche Wechselwirkungsereignisse zurückgeführt werden können. Das Konzept der Wechselwirkung wird in drei Kategorien unterteilt:
1. Dinge kann man beeinflussen / Dinge beeinflussen sich gegenseitig: Hier gilt es, Veränderungen, die durch die wechselseitige Beeinflussung zweier oder mehrerer Partner entstanden sind, zu identifizieren.
2. Wechselwirkungen können nah oder fern, groß oder klein, schnell oder langsam, direkt oder indirekt sein: Mit dieser Kategorie soll die Art und Weise, mit der die Wechselwirkung stattfindet bzw. die Partner aufeinander einwirken, näher untersucht werden.
3. Die Erscheinung der Dinge ist von den Umgebungsbedingungen abhängig: In dieser Kategorie sollen die Ursachen, die beispielsweise zu einem bestimmten Aussehen oder einer Stoffeigenschaft geführt haben, bestimmt werden.
Aus dem grundlegenden Konzept der Wechselwirkung lassen sich bei einer weiteren Konkretisierung fachspezifische Konzepte und Begriffe ableiten, die im Unterricht anhand vielfältiger Themen in unterschiedlichen Gebieten verdeutlicht werden können.
1. Dinge kann man beeinflussen / Dinge beeinflussen sich gegenseitig
Nichts auf der Welt bleibt so, wie es ist, alles ist in Bewegung und von Veränderung betroffen. Verschiedene Arten von Bewegungen begegnen uns täglich im Alltag:
Geradeaus-Bewegungen, Zick-Zack- oder Kreisbewegungen sowie verschiedene Schwingungsformen und die Bewegung von Wellen. Ziel ist es, ein qualitatives Verständnis von verschiedenen Bewegungsformen zu bekommen, wofür keine mathematischen Zusammenhänge nötig sind. Beispielsweise ist es für die meisten Schülerinnen und Schüler einleuchtend, dass je stärker sie eine Kugel anstoßen, desto größer die Veränderung der Bewegung der Kugel ist. Ebenso offensichtlich ist es, dass je schwerer die Kugel ist, desto kleiner die Veränderung der Bewegung ist.
Speziell in der Physik lassen sich Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Objekten auf Kräfte zurückführen. Beispielsweise wird ein in die Luft geworfener Ball durch die Anziehungskraft der Erde zurück auf den Boden fallen. Die vergleichsweise kleine Wirkung des Balls auf die Erde ist nicht messbar. Schülerinnen und Schüler fassen unter dem Begriff Kraft meist viele Begriffe zusammen. Begriffe wie Energie, Impuls, Druck, Leistung und Stärke im Zusammenhang mit „jemand ist stark“ werden mit dem Kraftbegriff verbunden. Dabei nehmen Schülerinnen und Schüler an, dass Kraft die Eigenschaft eines bestimmten Objektes ist („das Objekt hat Kraft“, „in dem Objekt steckt Kraft“) anstatt die Kraft als eine Beziehung zwischen verschiedenen Objekten zu erkennen.
Verschiedene Untersuchungen zu Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten in diesem Bereich haben gezeigt, dass es im Wesentlichen drei Verständnisschwierigkeiten gibt:
1.) Eine Fehlvorstellung ist, dass eine anhaltende Bewegung eine andauernde Krafteinwirkung erfordere. Schülerinnen und Schüler glauben, dass eine konstante Geschwindigkeit eine Ursache braucht, die die Geschwindigkeit aufrechterhält. Die Dauer der Bewegung wird als proportional zur wirkenden Kraft angesehen. Wenn ein Körper sich nicht bewegt, dann wirkt auch keine Kraft, und wenn sich der Körper bewegt, dann wirkt eine Kraft in Bewegungsrichtung. Die konträre Vorstellung, dass es einer Kraft bedarf, um die Bewegung eines Objektes zu verändern, wird nicht angenommen. Auch entspricht es nicht der Alltagserfahrung, dass ein Körper in Bewegung diese immer weiter beibehalten würde, wenn nicht eine Kraft auf das Objekt einwirkt – wir kennen doch den rollenden Ball, der „von selbst“ langsamer wird.
2.) Ein weiteres Problem liegt darin, dass Schülerinnen und Schüler aller Altersgruppen dazu neigen, in den Kategorien „Etwas bewegt sich“ bzw. „Etwas bewegt sich nicht“ zu argumentieren. Bewegung wird immer in einem Zusammenhang mit Kraft gesehen, ruhende Gegenstände hingegen nicht. Ein Ziel besteht darin, diese beiden Kategorien aufzuweiten in weitere, wie zum Beispiel „bewegt sich gleichmäßig“,
„wird schneller“, „wird langsamer“. Durch die detailliertere Beschreibung verschiedener Bewegungen soll der Zusammenhang zwischen Kraft und
Beschleunigung verdeutlicht werden, denn in der Alltagssprache werden diese Begriffe oft nicht in einer naturwissenschaftlich angemessenen Bedeutung verwendet.
3.) Das Prinzip „Kraft gleich Gegenkraft“ ist nicht besonders eingängig. Die Vorstellung, ein Buch, das auf einem Tisch liegt, drücke mit einer Kraft auf den Tisch, ist noch einsichtig. Aber dass der Tisch mit einer gleich großen Kraft auf das Buch wirkt, erscheint unwahrscheinlich. Es ist schwer einzusehen, dass alle Wechselwirkungen einhergehen mit gleich großen Kräften, die auf die wechselwirkenden Gegenstände in entgegengesetzte Richtung wirken. Stattdessen erscheint die Vorstellung, dass aktive Gegenstände wie Hände Kräfte ausüben können, passive Gegenstände wie ein Tisch hingegen nicht.
Um diesen Lernschwierigkeiten entgegenzuwirken, sollten Kinder frühzeitig in der Lage sein, bewegte Dinge in ihrer Umgebung zu beobachten und deren Bewegung zu beschreiben. Solche Dinge aus ihrer Umgebung könnten beispielsweise Vögel, Autos, Spielbälle oder auch ihre eigenen Bewegungen sein. Sie sollten Bilder zeichnen, die die Bewegung des beobachteten Objekts darstellen, sich gegebenenfalls Notizen dazu machen und Fragen dazu stellen. Fragen zählen in diesem Stadium mehr als die Antworten. Von Bedeutung sind Fragen wie „Bewegt sich das Objekt geradeaus?“,
„Bewegt es sich schnell oder langsam?“, „Wie kann ich die Bewegung beschreiben?“.
Die Schülerinnen und Schüler sollten verschiedene und vielfältige Erfahrungen sammeln, wie Dinge in Bewegung gesetzt oder zur Ruhe gebracht und wie Bewegungsrichtung oder Geschwindigkeit verändert werden.
Spätestens zum Beginn der Schulzeit lernen Kinder durch das Musikmachen Schwingungen als eine weitere Bewegungsform kennen und als ein Phänomen, das Töne erzeugen kann. Mit Hilfe von Trommeln, Glocken, Saiteninstrumenten oder der eigenen Stimme fühlen die Kinder die Schwingungen der Instrumente, und sie hören die Töne dazu, ohne dass zu diesem Zeitpunkt eine Erklärung notwendig ist.
Die Beschreibung von Bewegungen sollte dann ausgebaut, mehr experimentell und quantitativ werden, um so auch die Methode des Messens zu fördern. Schülerinnen und Schüler sollten in Versuchen den grundlegenden Zusammenhang zwischen
Krafteinwirkung und Veränderung der Bewegung erarbeiten, um sich den Kraftbegriff als ein Stoßen oder Ziehen zwischen verschiedenen Dingen zu vergegenwärtigen.
Schülerinnen und Schüler sollten zu diesem Zeitpunkt unter anderem wissen, dass
− Gegenstände sich auf viele verschiedene Arten bewegen können (geradeaus, im Zick-Zack, im Kreis, vor und zurück, schnell oder langsam),
− um eine Bewegung zu ändern, der Gegenstand festgehalten werden oder man ihm einen Stoß geben muss,
− Dinge, die Töne erzeugen, sich bewegen (schwingen bzw. vibrieren),
− es ganz unterschiedlich sein kann, wie schnell sich Gegenstände bewegen. Einige Dinge sind so langsam, dass sie lange brauchen, um eine kurze Strecke zurückzulegen (wie eine Schnecke beispielsweise). Andere Dinge sind so schnell, dass man sie fast nicht mehr sehen kann,
− Veränderungen der Bewegungsrichtung oder Geschwindigkeit verursacht werden durch Kräfte. Je größer die Kraft ist, desto größer ist die Veränderung der Bewegung und je schwerer der Gegenstand ist, desto geringer ist die Wirkung der Kraft.
2. Wechselwirkungen können nah oder fern, groß oder klein, schnell oder langsam, direkt oder indirekt sein
Die Art und Weise von Wechselwirkungen kann ganz unterschiedlich sein.
Wechselwirkungen unterschiedlichster Art lassen sich in verschiedenen Gebieten der Naturwissenschaften finden. Sie können über eine große Entfernung stattfinden wie beispielsweise bei Satelliten, die durch die Erdanziehungskraft auf einer Bahn um die Erde gehalten werden. Im Gegensatz dazu sind Bewegungen oft Ursache einer Wechselwirkung, die durch direkten Kontakt verursacht wird wie zum Beispiel das Schlagen eines Tennisballs mit einem Schläger. Die Veränderung der Erdoberfläche durch Erosion und Plattentektonik verläuft im Gegensatz zu chemischen Vorgängen in viel größeren zeitlichen und räumlichen Dimensionen.
Untersuchungen über Schülervorstellungen in diesem Zusammenhang haben gezeigt, dass bei Schülerinnen und Schülern häufig die Vorstellung auftritt, dass die Welt schon
immer so war, und dass Veränderungen beispielsweise der Erdoberfläche plötzlich und umfassend aufgetreten sind. In Bezug auf kleine räumliche Dimensionen haben Schülerinnen und Schüler die Vorstellung, dass alles was existiert, aus Materie besteht, eingeschlossen Wärme, Licht und Elektrizität. Im Gegensatz dazu sind sie der Meinung, dass Flüssigkeiten oder Gase keine Materie sind.
Das Ziel dieser Kategorie ist es, einen Überblick über unterschiedliche räumliche und zeitliche Dimensionen zu ermöglichen, in denen das Leben der Kinder stattfindet.
Bereits im Grundschulalter könnten erste Zugänge zu extremen räumlichen Dimensionen wie beispielsweise der Größe von Sternen bzw. der Kleinheit von Atomen angelegt werden. Es erscheint nicht sinnvoll, Kindern diese durchaus abstrakten Inhalte vorzuenthalten, da sie im Alltag ständig Begriffen aus diesen Bereichen in Fernsehsendungen, CD-ROM-Spielen oder Kinderliteratur begegnen. Allerdings kann ein Verständnis über die unterschiedlichen Maßstäbe der astronomischen und atomistischen Phänomene nur über Jahre hinweg erarbeitet werden.
Das Konzept der Wechselwirkung sollte mit Hilfe von Alltagserfahrungen, die im Unterricht aufgegriffen werden, verdeutlicht werden. Diese Herangehensweise kann ein Vorbereiter für ein letztendliches Verständnis über sowohl beobachtbare Himmelsbewegungen (Veränderung und Wiederkehr der Mondphasen) als auch über Veränderung von Stoffen (Aggregatzustände des Wassers) sein und sollte zunächst ausschließlich über das Beobachten und qualitative Beschreiben stattfinden.
Schülerinnen und Schüler sollten zu diesem Zeitpunkt beispielsweise wissen, dass
− Dinge zu Boden fallen, solange sie nicht festgehalten werden.
− Die Erde durch ihre Anziehungskraft alle Dinge zu sich hin zieht ohne sie zu berühren.
− Die Drehung der Erde Tag und Nacht erzeugt.
− Veränderung etwas ist, das vielen Dingen passiert.
− Manche Dinge sich so schnell bzw. so langsam verändern, dass man die Veränderung nicht beobachten kann.
− Tiere und Pflanzen Veränderungen in ihrer Umgebung verursachen.
3. Die Erscheinung der Dinge ist von den Umgebungsbedingungen abhängig
Diese Kategorie betrifft wieder eine Vielzahl von Themen und Gebieten der Naturwissenschaften. Eine ganze Reihe von Phänomenen in diesem Zusammenhang wird später als zyklischer Vorgang erkannt. Beispielsweise kann über einen langen Zeitraum hinweg die tägliche Temperatur gemessen werden. Daraus kann zu den immer wiederkehrenden Jahreszeiten übergeleitet werden, in deren Abhängigkeit sich Veränderungen in der Natur beobachten lassen.
Das Thema Aggregatzustände von Wasser bietet eine weitere wichtige Erfahrung für diese Altersstufe. Das Gefrieren von Wasser zu Eis und das Schmelzen von Eis zu Wasser ohne Gewichtsverlust der Wassermenge kann hier eingeordnet werden. Neben der Beobachtung, dass Wasser sowohl fest als auch flüssig sein kann, ist die Erkenntnis, dass Wasser auch gasförmig sein kann, schwieriger.
Schülerinnen und Schüler sollten zu diesem Zeitpunkt unter anderem wissen, dass
− Manche Ereignisse sich regelmäßig in der Natur wiederholen. (Das Wetter beispielsweise verändert sich zwar täglich, aber die Temperaturen oder die Menge an Niederschlag sind in ein und demselben Monat über Jahre hinweg annähernd gleich.)
− Wasser flüssig oder fest sein kann und von einem Zustand in den anderen umgewandelt werden kann. Wenn Wasser zu Eis wird und anschließend wieder zu Wasser, dann ist die Menge an Wasser dieselbe wie vor dem Gefrieren zu Eis.
− Wasser „verschwindet“, wenn es zu einem Gas in der Luft wird. Aus dem Gas wird wieder Wasser, wenn sich die Luft abkühlt. Nebel und Wolken bestehen aus kleinen Wassertropfen.
− Luft ein Stoff ist, der uns umgibt und einen gewissen Raum einnimmt. Die Bewegung von Luft fühlen wir als Wind.
− Der Mond jede Nacht/Tag etwas anders aussieht. Alle vier Wochen wiederholt sich sein Aussehen.
− Die Erdoberfläche durch Wind, Wasser und Eis geformt wird.
− Beim Mischen zweier verschiedener Materialien ein neues Material entstehen kann, das andere Eigenschaften hat als die beiden Ausgangsmaterialien.
Konkretisierung der Basiskonzepte für den naturwissenschaftlichen Sachunterricht
Ansatzpunkt allen Unterrichts ist die Neugierde und die Wissbegier der Kinder. Die Lehrkräfte an Grundschulen sind Generalisten und zeichnen sich durch ein hoch entwickeltes didaktisches Kompetenzprofil und ein Gespür für Kinder und ihre Bedürfnisse aus. Zum Teil wird mit hoher Kreativität und Phantasie auf die Interessen der Kinder eingegangen. Defizite bei den Lehrkräften liegen – bei Generalisten unumgänglich – im fachlichen Bereich. Wir stellen uns vor, dass die beschriebenen Basiskonzepte einen der „roten Fäden“ markieren sollen, an welchen sich der Unterricht orientiert. Es geht also nicht darum, dass völlig neue Unterrichtsinhalte gewählt und andere und neue Methoden angewandt werden, im Gegenteil: Es geht eigentlich darum, die Lust der Kinder am selbständigen „Erforschen“ zu verbinden mit einem planvollen Heranführen der Kinder an den Wissensbestand der Naturwissenschaften.
Wir haben versucht, mit dem Konzept der Erhaltung, dem Konzept der Energie und dem Konzept der Wechselwirkung hierfür drei grundlegende Konzepte zu beschreiben.
Für diesen Ansatz gibt es keinen unmittelbaren Vorläufer auf den wir uns beziehen könnten. Nun muss der Ansatz ausgestaltet und mit Leben gefüllt werden. Dabei wird es sich sicherlich zeigen, dass Veränderungen noch erforderlich sein werden, um die Sache wirklich rund zu machen. Hierzu benötigen wir Ihre Mithilfe.
Für den ersten Schritt der Bearbeitung der drei oben beschriebenen Basiskonzepte schlagen wir vor, eine Konkretisierung und Operationalisierung in der Art vorzunehmen, wie sie im AAAS-Altlas (AAAS 2001) erfolgte. Dies sei im Anhang für das Basiskonzept Energie ausgeführt.
Literatur
AAAS - American Association for the Advancement of Science. (2001). Atlas of Science Literacy. Project 2061. Washington D.C.
Baumert, J., Lehmann, R. et al. (1997). TIMSS – Mathematisch-naturwissenschaftlicher Unterricht im internationalen Vergleich. Deskriptive Befunde. Opladen. Leske + Budrich.
Baumert, J., Klieme, E., Neubrand, M., Prenzel, M., Schiefele, U., Schneider, W., Stanat, P., Tillmann, K.-J., & Weiß, M. (Hrsg.). (2001). PISA 2000: Basiskompetenzen von Schülerinnen und Schülern im internationalen Vergleich. Opladen: Leske + Budrich.
BLK - Bund-Länder-Kommission für Bildungsplanung und Forschungsförderung.
(1997). Gutachten zur Vorbereitung des Programms „Steigerung der Effizienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts“. Heft 60. Bonn: Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie.
BLK - Bund-Länder-Kommission für Bildungsplanung und Forschungsförderung.
(2004). SINUS-Transfer Grundschule – Weiterentwicklung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts in der Grundschule. Gutachten des Leibniz-Instituts für die Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN) Kiel. Heft 112. Bonn:
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie.
Bos, W. et al. (Hrsg.). (2003). Erste Ergebnisse aus IGLU – Schülerleistungen am Ende der vierten Jahrgangsstufe im internationalen Vergleich. Münster, New York, München, Berlin. Waxmann.
Bünder, W., Demuth, R., Parchmann, I. (2003). Basiskonzepte – welche Konzepte sollen Schüler kennen und nutzen? PdN-ChiS 52 (1), 2.
GDSU – Gesellschaft für Didaktik des Sachunterrichts. (2002). Perspektivrahmen Sachunterricht. Bad Heilbrunn. Klinkhardt Verlag.
Klieme, E., Steinert, B. (2004). Einführung der KMK-Bildungsstandards. MNU 57 (3), 132.
Parchmann, I., Demuth, R., Ralle, B., Paschmann, A., Huntemann, H. (2001). Chemie im Kontext – Begründung und Realisierung eines Lernens in sinnstiftenden Kontexten.
PdN-ChiS 50 (1), 2.
Anhang: Konzept der Energie: „Mit Energie kann man etwas tun.“
Naturwissenschaftliches Verständnis und Lösungsstrategien
In allen Stoffen, mit denen man etwas tun kann, steckt in
irgendeiner Form Energie.
Um Energie nutzen zu können, muss man sie in der
Regel umwandeln.
Wärme geht nie von einem kälteren auf einen wärmeren
Körper über.
Der Wirkungsgrad gibt den Umfang an, in welchem die Energie in die gewünschte Form umgewandelt wurde.
Beginnendes naturwissenschaftliches
Verständnis
In der Kerze steckt Energie, die man in Wärme und Licht
umwandeln kann.
Auch Menschen, Tiere und Pflanzen können Energie
speichern.
Wärme geht von einem wärmeren Körper auf einen
kälteren über.
Elektrische und mechanische Geräte erzeugen Wärme, die man gar nicht benötigt. Bei Energieumwandlungen wird
nicht alle Energie in die gewünschte Form
umgewandelt.
Anwenden naturwissenschaftlicher
Begriffe
Aus der Nahrung erhalten Menschen ihre Energie, die
sie für die Gesundheit und das Wachstum benötigen.
In den verschiedenen Energieträgern ist unterschiedlich viel Energie
gespeichert.
Der Mensch ist durch seine Ernährung in der Lage, sich
zu bewegen, die Köpertemperatur aufrecht zu
erhalten, zu sehen, zu riechen, usw.
Den Energieverbrauch kann man messen.
Anwenden alltagsnaher Begriffe
Jedes Fahrzeug braucht einen Treibstoff, um fahren zu können; Tiere und Menschen
brauchen Nahrung, um Leben zu können.
Beim Mofa wird ein anderer Energieträger genutzt als bei
der Waschmaschine.
Bewegte Luft und bewegtes Wasser können Maschinen
antreiben.
Strom wird verbraucht, um Häuser zu beleuchten.
Einfache Wissensreproduktion
Mit Strom kann man Licht machen und heizen; mit Diesel kann man heizen und
Auto fahren.
Strom kommt aus Kraftwerken; unser Essen
kommt von Pflanzen und Tieren.
Wärme kann aus unterschiedlichen Stoffen
erzeugt werden.
Energie wird verbraucht, um ein Auto zu bewegen.
Mit Energie kann man etwas „tun“.
Energie ist immer an einen Träger gebunden (und dort
gespeichert).
Energie kann aus den Energieträgern freigesetzt
werden.
Energie kann von einer Form in andere umgewandelt werden.
Programmträger: IPN, Kiel
Projektleitung: Prof. Dr. Manfred Prenzel
SINUS-Transfer Grundschule
Projektkoordination am IPN: Dr. Claudia Fischer Tel: 49(0)431 / 880 – 3136
e-mail: cfischer@ipn.uni-kiel.de
in Zusammenarbeit mit dem Zentrum zur Förderung des mathematisch-naturwissenschaftlichen
Unterrichts der Universität Bayreuth (Z-MNU) Leitung: Prof. Dr. Peter Baptist
BLK-Programmkoordination:
Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Schleswig-Holstein (MBWFK) MR Werner Klein (SINUS-Transfer Grundschule)
Das Programm wird von Bund und Ländern gemeinsam gefördert.
http://www.sinus-grundschule.de http://www.ipn.uni-kiel.de
