Im Rahmen eines Promotionsprojektes zur Aufbereitung moderner Physik wurden zu
den beiden speziellen Themenbereichen der Nichtlinearen Physik (Granulare
Materie & Strukturbildung) bereits eine explorative Expertenbefragung (N=27)
und eine Bedarfsanalyse unter Lehrkräften (N=108) durchgeführt. Auf Basis der
Befunde wird nun ein Experimentierset für die Schule entwickelt. Dabei wird
die theoretische Rahmung durch eine Didaktische Rekonstruktion gestellt, wobei
die Arbeitsweise dem Ansatz des Design-based Research folgt. In diesem Beitrag
sollen erste Einblicke in die laufende schulische Erprobung gegeben werden und
Elemente des Experimentiersets vorgestellt werden

Haupt, Joachim S.

Nordmeier, Volkhard

Institutional Repository of the Freie Universität Berlin

Joachim S. Haupt Volkhard Nordmeier Freie Universität Berlin  Experimentierset für die Schule: Granulare Materie & Strukturbildung   Im Rahmen eines Projektes zur Aufbereitung moderner Physik wurden zwei spezielle The-menbereiche der Nichtlinearen Physik, Granulare Materie und Strukturbildung, ausge-wählt. Im Vorlauf der Entwicklungsarbeit wurde einerseits eine explorative Expertenbefra-gung (Fachwissenschaftler_innen) unter Beteiligung von 27 Expert_innen durchgeführt (Haupt & Nordmeier, 2012), die das Ziel hatte das Themenfeld fachlich aufzuklären. Ande-rerseits wurde eine Bedarfsanalyse unter Lehrkräften durchgeführt und die Antworten von 108 Lehrer_innen ausgewertet (Haupt & Nordmeier, 2014). Auf Basis dieser Ergebnisse wurden weitere Entwicklungsschritte vorgenommen, die in eine didaktischen Rekonstrukti-on münden sollen (Kattmann et al., 1997), mit dem Ziel, ein Experimentierset für den Ein-satz im Physikunterricht zu entwickeln. In diesem Beitrag wird ein Experiment aus dem Themenfeld Granulare Materie vorgestellt, der „Granulare Greifer“. In der Vergangenheit zeigte sich, dass es ein starkes Defizit zwischen Forschungsstand in der Fachdidaktik und Umsetzung der Erkenntnisse und Entwicklungen in der (schulischen) Lehre gibt (Prediger et al., 2013, S. 19ff). Da Wissenschaft aus sich selbst heraus den Auf-trag hat, auch dafür Sorge zu tragen, dass Forschungsergebnisse veröffentlicht und vermittelt werden, wurde hier ein Entwicklungsansatz gewählt, der bereits zu Beginn der Entwick-lungsarbeit die Zielgruppe mit einbezieht, um so auf ihre Bedürfnisse eingehen zu können: also die Lehrer_innen bzw. die Akteure, die im Schulalltag die Entscheidungen für den Ablauf des Unterrichts treffen und z. B. die entwickelten Experimente tatsächlich einsetzen werden.  Ein Element des Experimentiersets: der Granulare Greifer Bei dem sog. Granularen Greifer handelt sich um einen einfachen Freihandversuch der auf dem Phänomen der Dilatanz beruht. Dilatanz beschreibt das Verhalten von Granularer Mate-rie bei einer Formveränderung: Wenn die Form von Granularer Materie verändert wird, vergrößert sich das zugehörige Volumen. Wenn aber das Volumen begrenzt ist (z. B. durch eine Vakuumverpackung, d. h. eine luftdichte Verpackung, die unter Unterdruck gesetzt wird), dann widersteht die Granulare Materie eine Verformung (Reynolds, 1885, S. 470). Aus dem Alltag ist dieses Verhalten vom vakuumverpackten Kaffee bekannt. Flüssigkeiten lassen sich dagegen beliebig verformen, ohne Änderung des Volumens. Eine einfache Erklä-rung für die Dilatanz kann in einem zweidimensionalen Modell gegeben werden (Weber, 2006, S. 8ff). Dabei wird idealisiert die dichteste Kugelpackung (minimales Volumen) ange-nommen und sobald man diese durch Verformung verändert, vergrößern sich die Zwischen-räume zwischen den Teilchen. Folglich vergrößert sich auch das Volumen, das durch die äußere Begrenzung des Granularen Mediums beschrieben wird. Die Dilatanz erklärt auch die Wirkungsweise eines Granularen Greifers (s. Abb. 1). Zur experimentellen Realisierung eines solchen Greifers wird ein Luftballon mit einem Granulat befüllt und über eine zuvor präparierte Spritze1 gestülpt. Im geschlossenen Zustand ist der Luftballon mit Granulat weich und verformbar. Wird die Spritze aufgezogen (wie in Abb. 1 abgebildet) und der Luftballon evakuiert, verhält sich das Granulat im Luftballon plötzlich anders: Es ‚verhärtet‘ sich und wir schwer verformbar. Die Ursache dafür ist die Dilatanz, die sozusagen gegen den Luftdruck arbeitet. Wird der Ballon zuvor um oder an ein Objekt gelegt, so wir das Objekt bei der Evakuierung des Ballons fest umschlossen und es lässt sich 1 Die Spritze wurde vorne glatt geschnitten und es wurden weitere Löcher neben dem Nadelaufsatz gebohrt, so dass die Spritze an der Spitze ein Sieb bildet mit ungefähr sechs Löchern. 501Erschienen in: S. Bernholt (Hrsg.) (2015). Heterogenität und Diversität - Vielfalt der Voraussetzungen im naturwissenschaftlichen Unterricht. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Bremen 2014. Kiel: IPN.mit dem ‚Greifer‘ sogar anheben (Abb. 1). Der Granulare Greifer ist bereits Gegenstand von Fachpublikationen (Brown et al., 2010) und kann im Internet auch in Aktion angeschaut werden (TV, 2013). Eigene Untersuchungen zum Granularen Greifer beschäftigten sich mit einer idealen Befül-lung des Luftballons (Träger, 2014). Dabei wurden zwei Parameter, relative Kompression und die Korngröße, ausgiebig untersucht, mit dem Ergebnis, dass die Korngröße kein be-stimmender Parameter für die Haltekraft ist (die Korngröße skaliert eher zufällig mit der Haltekraft, hier nicht dargestellt). Die relative Kompression des Gra-nulats hat allerdings einen Einfluss auf die Haltekraft (vgl. Abb. 2). Vereinfacht gesagt gilt: Eine stärkere Komprimierbarkeit des Granulats hat größere Haltekräfte zur Folge. Daher eignet sich z. B. Kaffeepulver sehr gut zur Befüllung unseres Granula-ren Greifers.  Dieser Befund hilft auch bei der Erklärung des Phänomens: Zu Be-ginn ist das Granulat locker und leicht beweglich und formt sich leicht an den aufzuhebenden Gegen-stand an. Wenn nun der Luftballon evakuiert wird, verfestigt sich das Granulat durch den Luftdruck. Zu-dem hält die Ballonhülle die Körner     Abb. 1: Freihandversuch Granularer Greifer bestehend aus einem mit Granulat befüllten Luftballon und einer zuvor präparierten 20-ml-Einwegspritze        Abb. 2: Untersuchung zum ‚idealen‘ Granulat für größtmögliche Haltekraft; Dargestellt ist die Haltekraft eines Granularen Greifers, der mit verschiedenen  Materialien befüllt wurde, in Abhängigkeit von der relativen Kompression  (Volumen unter Belastung geteilt durch das Ausgangsvolumen bei Normaldruck). 502an der Außenseite reibungsbedingt zusammen. Es bedarf also größerer Scherkräfte, um die Granulatkörner gegeneinander zu verschieben. So entwickelt der Ballon als Greifer eine bisweilen recht hohe Haltekraft. Ist das verwendete Granulat zusätzlich komprimierbar, sodass es bei der Evakuierung ‚schrumpft‘, ist offensichtlich, dass der Greifer stärker mit dem aufzuhebenden Gegenstand in Kontakt geht und auch die Anpresskraft sich erhöht. Das hat auch zur Folge, dass sogar konvexe Gegenstände ohne Einbuchtungen gehoben werden können (z. B. eine Kugel, die z. B. nur im oberen Drittel im Kontakt mit dem Greifer steht).  Alltagsbezug, Anwendungsszenarien und Ausblick Der Granulare Greifer besticht als Experiment für den Physikunterricht durch folgende idea-le Bedingungen: Es ist preiswert, ungefährlich und lässt sich mit Haushaltsgegenständen durchführen. Zudem erweist sich das Experiment für Schüler_innen als überraschend, wie sich in unseren ersten Erprobungen im Physikunterricht zeigte. Ebenso erscheint das Expe-riment haptisch interessant für die Schüler_innen. Es lässt sich als Freihandversuch durch-führen und bedarf keiner komplizierten experimentellen Aufbauten. Der Granulare Greifer bietet den Schüler_innen einen Lerngegenstand aktueller physikalischer Forschung und lässt sich mit wenigen Vorkenntnissen bereits verstehen. Er bietet verschiedene Alltagsbezüge und Anwendungsszenarien. Das zugrundeliegende Phänomen findet sich bei vakuumverpackten Gütern (z. B. Kaffee, Erdnüsse) wieder. An-wendungen sind zu sehen beim Einsatz durch Rettungsdienste (Vakuum-Matratzen werden zur Stabilisierung von Patienten benutzt), bei der Konstruktion eines Robotergreifers, der verschiedenste auch schwer zu greifende Objekte zerstörungsfrei ohne weitere Sensorik heben kann oder auch in der Architektur beim Bau von Brücken (Maus, 2013). In der weiteren Erarbeitung und Entwicklung sollen im Projekt weitere Experimente aus dem Themenbereich entwickelt und in Schulen erprobt werden um somit eine praxisnahe fachdidaktische Entwicklungsforschung umzusetzen.  Literatur Brown, E., Rodenberg, N., Amend, J., Mozeika, A.; Steltz, E.; Zakin, M. R.; Lipson, H. & Jaeger, H. M. (2010): Universal robotic gripper based on the jamming of granular material. In Proceedings of the Na-tional Academy of Sciences, 107 (44), 18809–18814. http://www.pnas.org/content/early/2010/10/18/100 3250107 (12.11.2013) Kattmann, U., Duit, R., Gropengießer, H. & Komorek, M. (1997): Das Modell der Didaktischen Rekonstruk-tion – Ein Rahmen für naturwissenschaftsdidaktische Forschung und Entwicklung. In Zeitschrift für Di-daktik der Naturwissenschaften, 3 (3), 3–18. ftp://ftp.rz.uni-kiel.de/pub/ipn/zfdn/1997/Heft3/S.3-18_Katt mann_Duit_Gropengiesser_Komorek_97_H3.pdf (10.12.2012) Haupt, J. S. & Nordmeier, V. (2012): Granulare Materie und dissipative Strukturbildung bzw. Selbstorganisa-tion: Kontexte, Theorien und Inhalte der Themen – Ergebnisse eine Expertenbefragung. In PhyDid B – Didaktik der Physik – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung. http://phydid.physik.fu-berlin.de/index.php/ phydid-b/article/download/415/553 (10.09.2014) Haupt, J. S. & Nordmeier, V. (2014): Ergebnisse einer Bedarfsanalyse zur unterrichtlichen Aufbereitung der Nichtlinearen Physik. In PhyDid B – Didaktik der Physik – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung. Maus (2013): Vakuumbrücke – Filme – Sachgeschichten – Die Seite mit der Maus – WDR Fernsehen.  http:// www.wdrmaus.de/sachgeschichten/sachgeschichten/vakuumbruecke.php5 (06.10.2014). Prediger, S., Komorek, M., Fischer, A., Hinz, R., Hußmann, S., Moschner, B., Ralle, B. & Thiele, J. (2013): Der lange Weg zum Unterrichtsdesign: Zur Begründung und Umsetzung fachdidaktischer Forschungs- und Entwicklungsprogramme. In Komorek, M. & Prediger, S. (Hrsg.), Der lange Weg zum Unterrichts-design: Zur Begründung und Umsetzung fachdidaktischer Forschungs- und Entwicklungsprogramme. Münster: Waxmann, 9–24. Reynolds, O. (1885): LVII. On the dilatancy of media composed of rigid particles in contact. With experi-mental illustrations. In Philosophical Magazine Series 5, 20 (127), 469–481. https://getinfo.de/app/download? id=tandf%3adoi~10.1080%252F14786448508627791 (02.10.2014) Träger, F. (2014): Realisierung und Analyse eines granularen Greifers. Bachelorarbeit, Freie Universität Berlin, Didaktik der Physik. TV, N. (2013): Robotic grippers based on granular jamming. https://www.youtube.com/watch?v=txMRGuHp Us8 (04.11.2013) Weber, S. M. (2006): Granulare Materie I, Schüttgut in Ruhe - ein ungewöhnlicher Festkörper. http://www. physikdidaktik.uni-bayreuth.de/projekte/piko/GranulareMaterie1_WeberSM.pdf (21.12.2012). 503

Granulare Materie & Strukturbildung

https://refubium.fu-berlin.de/bitstream/fub188/14230/1/TB2015_501_Haupt.pdf

Granulare Materie & Strukturbildung

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