Ein Unterrichtskonzept auf Basis des Elektronengasmodells

Die Vorstellung vieler Schülerinnen und Schüler in der Sek. I von elektrischen Stromkreisen ist maßgeblich vom elektrischen Strombegriff geprägt, während die Spannung von vielen lediglich als Eigenschaft oder Bestandteil des Stroms wahrgenommen wird. Das Elektronengasmodell versucht den Schülern ein qualitatives Verständnis der Grundgrößen „Stromstärke“, „Widerstand“ und insbesondere der „Spannung“ zu vermitteln. Hierzu baut es auf den Erfolgen von Potenzialansätzen auf und setzt das elektrische Potenzial mit einem in Leitern herrschenden elektrischen Druck gleich. Aus didaktischer Sicht besteht die Hoffnung dabei darin, den elektrischen Druck mit dem intuitiven Luftdruckkonzept der Lernenden zu verknüpfen und die Spannung so als elektrischen Druckunterschied einzuführen. Aufbauend auf mit Hilfe von Akzeptanzbefragungen gewonnen Erkenntnissen wurde ein neues Unterrichtskonzept inklusive passender Unterrichtsmaterialien für die Sek. I entwickelt, bei dem die elektrische Spannung eine zentrale Rolle spielt und noch vor dem Stromstärke- oder Widerstandsbegriff als elektrischer Druckunterschied eingeführt wird. Im Folgenden sollen die Grundzüge dieses Unterrichtskonzepts dargelegt und dessen geplante Evaluation in der Schulpraxis vorgestellt werden.

Das Elektronengasmodell aus Sicht der Lehrkräfte

Im Rahmen einer Design-Based-Research-Studie (DBR) unterrichteten 14 Lehrkräfte aus dem Frankfurter Raum ihre Klassen nach einem Unterrichtskonzept auf Basis des Elektronengasmodells. Die Grundidee dieses Unterrichtskonzepts für die Sekundarstufe I, das aufbauend auf Erkenntnissen aus Teaching Experiments entwickelt wurde, besteht darin, das elektrische Potenzial mit dem Luftdruck bzw. einem „elektrischen Druck“ im Leiter zu vergleichen und die elektrische Spannung so als „elektrischen Druckunterschied“ einzuführen.In der Studie wurde ein für DBR-Projekte typischer multiperspektivischer Ansatz („Triangulation“) verfolgt, der neben einer quantitativen auch eine qualitative Evaluation des Unterrichtskonzepts vorsieht. Hierzu wurden im vorliegenden Fall die schulpraktischen Erfahrungen der Lehrkräfte mit dem neuen Unterrichtskonzept erhoben. Dabei zeigte sich, dass die Lehrkräfte dem Unterrichtskonzept grundsätzlich eine hohe Lernförderlichkeit bescheinigen, jedoch insbesondere in Bezug auf die Erklärung von Reihenschaltungen mit Hilfe von Übergangszuständen noch Verbesserungsbedarf sehen. Insgesamt 12 der 14 Lehrkräfte geben an, auch in Zukunft auf Grundlage des Elektronengasmodells unterrichten zu wollen

Akzeptanzbefragung zum Elektronengasmodell

Lernenden gelingt es in der Sek I häufig nicht, ein adäquates Verständnis vom Spannungskonzept zu entwickeln. Das Elektronengasmodell versucht auf Erfolgen von Potenzialansätzen aufzubauen, indem das elektrische Potenzial mit dem elektrischen Druck gleichgesetzt wird. Aus didaktischer Sicht besteht die Hoffnung dabei darin, die Vorstellung vom elektrischen Druck mit Alltagserfahrungen zum Luftdruck (z.B. Luftpumpen, Spritzen und Fahrradreifen) zu verknüpfen und die Spannung den Schülern so als Druckunterschied verständlich zu machen.Im Rahmen einer Akzeptanzbefragung mit neun Schülern einer sechsten Gymnasialklasse vor deren ersten Elektrizitätslehreunterricht wurde u.a. untersucht, inwiefern das Modell und seine Visualisierungen von Schülern akzeptiert werden. Dabei zeigte sich, dass das Elektronengasmodell und die mit ihm verbundene Atom- und Druckvorstellung von den Schülern weitgehend angenommen und verstanden werden. Insbesondere bringen Schüler aufgrund ihrer Alltagserfahrungen bereits ein für das Elektronengasmodell ausreichendes Luftdruckverständnis mit und können dieses erfolgreich auf den im Modell in Stromkreisen herrschenden elektrischen Druck übertragen. Infolgedessen gelang es den meisten Schüler bereits nach verhältnismäßig kurzer Zeit ein vom elektrischen Strom unabhängiges Spannungskonzept im Sinne eines elektrischen Druckunterschieds zu entwickeln. Von vier vorgestellten Visualisierungsformen des elektrischen Drucks haben sich zwei, nämlich die Punktedichtedarstellung und die Farbdarstellung, als intuitiv verständlich erwiesen.

Das Elektronengasmodell aus Sicht der Lehrkräfte

Im Rahmen einer Design-Based-Research-Studie (DBR) unterrichteten 14 Lehrkräfte aus dem Frankfurter Raum ihre Klassen nach einem Unterrichtskonzept auf Basis des Elektronengasmodells. Die Grundidee dieses Unterrichtskonzepts für die Sekundarstufe I, das aufbauend auf Erkenntnissen aus Teaching Experiments entwickelt wurde, besteht darin, das elektrische Potenzial mit dem Luftdruck bzw. einem „elektrischen Druck“ im Leiter zu vergleichen und die elektrische Spannung so als „elektrischen Druckunterschied“ einzuführen.In der Studie wurde ein für DBR-Projekte typischer multiperspektivischer Ansatz („Triangulation“) verfolgt, der neben einer quantitativen auch eine qualitative Evaluation des Unterrichtskonzepts vorsieht. Hierzu wurden im vorliegenden Fall die schulpraktischen Erfahrungen der Lehrkräfte mit dem neuen Unterrichtskonzept erhoben. Dabei zeigte sich, dass die Lehrkräfte dem Unterrichtskonzept grundsätzlich eine hohe Lernförderlichkeit bescheinigen, jedoch insbesondere in Bezug auf die Erklärung von Reihenschaltungen mit Hilfe von Übergangszuständen noch Verbesserungsbedarf sehen. Insgesamt 12 der 14 Lehrkräfte geben an, auch in Zukunft auf Grundlage des Elektronengasmodells unterrichten zu wollen

Akzeptanzbefragung zum Elektronengasmodell

Lernenden gelingt es in der Sek I häufig nicht, ein adäquates Verständnis vom Spannungskonzept zu entwickeln. Das Elektronengasmodell versucht auf Erfolgen von Potenzialansätzen aufzubauen, indem das elektrische Potenzial mit dem elektrischen Druck gleichgesetzt wird. Aus didaktischer Sicht besteht die Hoffnung dabei darin, die Vorstellung vom elektrischen Druck mit Alltagserfahrungen zum Luftdruck (z.B. Luftpumpen, Spritzen und Fahrradreifen) zu verknüpfen und die Spannung den Schülern so als Druckunterschied verständlich zu machen.Im Rahmen einer Akzeptanzbefragung mit neun Schülern einer sechsten Gymnasialklasse vor deren ersten Elektrizitätslehreunterricht wurde u.a. untersucht, inwiefern das Modell und seine Visualisierungen von Schülern akzeptiert werden. Dabei zeigte sich, dass das Elektronengasmodell und die mit ihm verbundene Atom- und Druckvorstellung von den Schülern weitgehend angenommen und verstanden werden. Insbesondere bringen Schüler aufgrund ihrer Alltagserfahrungen bereits ein für das Elektronengasmodell ausreichendes Luftdruckverständnis mit und können dieses erfolgreich auf den im Modell in Stromkreisen herrschenden elektrischen Druck übertragen. Infolgedessen gelang es den meisten Schüler bereits nach verhältnismäßig kurzer Zeit ein vom elektrischen Strom unabhängiges Spannungskonzept im Sinne eines elektrischen Druckunterschieds zu entwickeln. Von vier vorgestellten Visualisierungsformen des elektrischen Drucks haben sich zwei, nämlich die Punktedichtedarstellung und die Farbdarstellung, als intuitiv verständlich erwiesen.

Ein Unterrichtskonzept auf Basis des Elektronengasmodells

Die Vorstellung vieler Schülerinnen und Schüler in der Sek. I von elektrischen Stromkreisen ist maßgeblich vom elektrischen Strombegriff geprägt, während die Spannung von vielen lediglich als Eigenschaft oder Bestandteil des Stroms wahrgenommen wird. Das Elektronengasmodell versucht den Schülern ein qualitatives Verständnis der Grundgrößen „Stromstärke“, „Widerstand“ und insbesondere der „Spannung“ zu vermitteln. Hierzu baut es auf den Erfolgen von Potenzialansätzen auf und setzt das elektrische Potenzial mit einem in Leitern herrschenden elektrischen Druck gleich. Aus didaktischer Sicht besteht die Hoffnung dabei darin, den elektrischen Druck mit dem intuitiven Luftdruckkonzept der Lernenden zu verknüpfen und die Spannung so als elektrischen Druckunterschied einzuführen. Aufbauend auf mit Hilfe von Akzeptanzbefragungen gewonnen Erkenntnissen wurde ein neues Unterrichtskonzept inklusive passender Unterrichtsmaterialien für die Sek. I entwickelt, bei dem die elektrische Spannung eine zentrale Rolle spielt und noch vor dem Stromstärke- oder Widerstandsbegriff als elektrischer Druckunterschied eingeführt wird. Im Folgenden sollen die Grundzüge dieses Unterrichtskonzepts dargelegt und dessen geplante Evaluation in der Schulpraxis vorgestellt werden.

Fließende Gewässer - nicht nur ein Thema des Biologieunterrichts. Chancen und Herausforderungen des neuen Fächerverbunds BNT

Thematisch setzt sich die im Rahmen des Projekts ,Klasse 6b' aufgezeichnete 90-minütige BNT-Stunde mit dem Fluss als Lebensraum für Fische von der Quelle bis zur Mündung auseinander. Auch wenn der inhaltliche Schwerpunkt der vorlie­genden Unterrichtsstunde klar dem Fach Biologie zuzuordnen ist, wäre innerhalb des Fächerverbunds Biologie, Naturphänomene und Technik (kurz BNT ) auch eine stär­kere fächerübergreifende, integrative Auseinandersetzung mit der Thematik denkbar. Vor diesem Hintergrund soll sich im Folgenden mit der Geschichte des integrierten naturwissenschaftlichen Unterrichts, seinen Chancen und Herausforderungen sowie insbesondere der im Fach BNT angelegten Spannung zwischen Fachlichkeit und Überfachlichkeit auseinandergesetzt werden, bevor schließlich ein alternativer, integ­rativer Zugang zum Stundenthema aufgezeigt wird

Vergleich von Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre in Hessen und Weißrussland

Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre sind bereits lange Gegenstand physikdidaktischer Forschung. Im Rahmen einer Staatsexamensarbeit wurde untersucht, inwieweit typische Schülervorstellungen nach dem Elektrizitätslehreunterricht der gymnasialen Sek. I in Hessen und Weißrussland auftreten. Genutzt wurde hierzu das Testinstrument zum Verständnis der Elektrizitätslehre nach Urban-Woldron, das zu diesem Zweck auch ins Russische übersetzt wurde. Der Test besteht aus 22 Items und ermöglicht eine gezielte Analyse der spezifischen Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten. An der Untersuchung nahmen in Hessen sechs Lehrkräfte mit 154 Schülerinnen und Schülern sowie in Weißrussland vier Lehrkräfte mit 145 Schülerinnen und Schülern teil. Die Ergebnisse der Untersuchung deuten auf erhebliche Unterschiede im Fachwissen der GymnasiastInnen in Hessen und Weißrussland hin, da die SchülerInnen aus Weißrussland bei allen Testitems eine höhere Lösungshäufigkeit als ihre Mitschüler aus Hessen zeigten. Während hessische Schüler im Mittel μHessen= 7,8 Items korrekt beantworten konnten, lag dieser Wert für weißrussische Schüler bei μWeißrussland= 12,9. Die Unterschiede zwischen den beiden Schülergruppen sind hoch signifikant und werfen die Frage auf, wie diese zu erklären sind

Das Elektronengasmodell in der Sekundarstufe I

Trotz mehrjähriger unterrichtlicher Bemühungen besitzen viele Schüler am Ende der Sekundarstufe I kein ausreichend entwickeltes Verständnis der elementaren Elektrizitätslehre. Insbesondere die Entwicklung eines unabhängigen Spannungsbegriffs stellt Schüler in der Sekundarstufe I vor enorme Schwierigkeiten. Ein Grund hierfür könnte neben der zentralen Stellung des Stromkonzepts auch in der didaktisch unbegründeten Fokussierung auf die Differenzgröße Spannung im traditionellen Unterricht liegen. Im Gegensatz zum Potenzial, das einem Leiterabschnitt lokal zugeordnet werden kann, bezieht sich die elektrische Spannung nämlich immer auf die Differenz zweier Potenzialwerte in einem Stromkreis. Es ist daher naheliegend anzunehmen, dass eine bildhaft-anschauungsorientierte Vorstellung des Potenzials entscheidend zu einem besseren Verständnis elektrischer Stromkreise beitragen kann.Das Elektronengasmodell stellt über die Gleichsetzung des Elektronengasdrucks mit dem elektrischen Potenzial einen vielversprechenden Ansatz dar, eine solche anschauliche Erklärung für das Potenzial zu liefern. Fachlich basiert das Elektronengasmodell auf den physikalischen Eigenschaften der wenig beachteten Oberflächenelektronen in elektrischen Stromkreisen, die im Gegensatz zu Leitungselektronen vor und nach einem Widerstand unterschiedliche Dichten aufweisen. Nach einer Einordnung in bisherige Unterrichtsansätze wird im Artikel daher der fachliche Hintergrund des Elektronengasmodells näher beleuchtet, bevor die für die Schule nötigen didaktischen Elementarisierungen sowie mögliche Stärken und Schwächen des Modells diskutiert werden.

Vergleich von Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre in Hessen und Weißrussland

Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre sind bereits lange Gegenstand physikdidaktischer Forschung. Im Rahmen einer Staatsexamensarbeit wurde untersucht, inwieweit typische Schülervorstellungen nach dem Elektrizitätslehreunterricht der gymnasialen Sek. I in Hessen und Weißrussland auftreten. Genutzt wurde hierzu das Testinstrument zum Verständnis der Elektrizitätslehre nach Urban-Woldron, das zu diesem Zweck auch ins Russische übersetzt wurde. Der Test besteht aus 22 Items und ermöglicht eine gezielte Analyse der spezifischen Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten. An der Untersuchung nahmen in Hessen sechs Lehrkräfte mit 154 Schülerinnen und Schülern sowie in Weißrussland vier Lehrkräfte mit 145 Schülerinnen und Schülern teil. Die Ergebnisse der Untersuchung deuten auf erhebliche Unterschiede im Fachwissen der GymnasiastInnen in Hessen und Weißrussland hin, da die SchülerInnen aus Weißrussland bei allen Testitems eine höhere Lösungshäufigkeit als ihre Mitschüler aus Hessen zeigten. Während hessische Schüler im Mittel μHessen= 7,8 Items korrekt beantworten konnten, lag dieser Wert für weißrussische Schüler bei μWeißrussland= 12,9. Die Unterschiede zwischen den beiden Schülergruppen sind hoch signifikant und werfen die Frage auf, wie diese zu erklären sind