In einer Schulbuchanalyse wurde in sieben gängigen Schulbüchern der Anteil an Abbildungen untersucht, welche astronomische Beobachtungen und authentische Beobachtungsergebnisse darstellen. Gerade der Anteil an quantitativen Beobachtungsergebnissen ist dabei in allen Büchern verschwindend gering. Diese Tatsache wird im Rahmen theoretischer Überlegungen über die Bedeutung der Beobachtung für den astronomischen Erkenntnisprozess und für den Astronomie-Unterricht diskutiert. Am Beispiel des zweiten keplerschen Gesetzes wird die Einbeziehung astronomischer Beobachtungsdaten in den Oberstufenunterricht exemplarisch aufgezeigt

Völker, Stefan

PhyDid - Physik und Didaktik in Schule und Hochschule (E-Journal, FU Berlin)

Didaktik der Physik   Frühjahrstagung – Wuppertal 2015  1 Die Rolle der Beobachtung im Astronomieunterricht  - Eine Schulbuchanalyse -  Stefan Völker * * AG Fachdidaktik der Physik und Astronomie, Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena  stefan.voelker@uni-jena.de  Kurzfassung In einer Schulbuchanalyse wurde in sieben gängigen Schulbüchern der Anteil an Abbildungen  untersucht, welche astronomische Beobachtungen und authentische Beobachtungsergebnisse dar-stellen. Gerade der Anteil an quantitativen Beobachtungsergebnissen ist dabei in allen Büchern verschwindend gering. Diese Tatsache wird im Rahmen theoretischer Überlegungen über die  Bedeutung der Beobachtung für den astronomischen Erkenntnisprozess und für den Astronomie-unterricht diskutiert. Am Beispiel des zweiten keplerschen Gesetzes wird die Einbeziehung astro-nomischer Beobachtungsdaten in den Oberstufenunterricht exemplarisch aufgezeigt.  1. Experiment und Beobachtung im naturwissen-schaftlichen Erkenntnisprozess Der naturwissenschaftliche Erkenntnisprozess wird häufig als eine Art Kreislauf mit den zentralen  Bestandteilen Experiment, Theorie und Hypothese dargestellt (vgl. z.B. [1]). Darin spielt das Experi-ment eine wesentliche Rolle. Nachfolgend soll dis-kutiert werden, ob auch astronomische Beobachtun-gen diese Funktion erfüllen können – trotz des of-fensichtlichen Unterschieds, dass eine zielgerichtete Einflussnahme auf die zu untersuchende Objekte in der Astronomie nicht möglich ist. Nachfolgendes Zitat zeigt beispielhaft die Wahrnehmung dieses Unterschieds in der Fachwelt: „Several years ago, there were claims of detected emission above 100 TeV from X-Ray binaries such as Cygnus X-3 and Hercules X-1. However, obser-vations with current, more sensitive arrays have not revealed any further evidence. This does not imply that the earlier observations were incorrect – this is an observational (as opposed to an experimental) science.” [2, Hervorhebungen S.Völker]  Die Rolle der Beobachtung lässt sich in der Wissen-schaftstheorie von Karl Popper begründen. Dieser formuliert vier Kriterien einer guten Theorie [3], nämlich:  Falsifizierbarkeit,  Beschränkungen an Beobachtung und Ex-periment,  Einfachheit und Präzision, sowie  Gewagtheit der Vorhersagen. Diese Kriterien können von astronomischen Theo-rien erfüllt werden. Ein Beispiel ist das Eddington-Limit. Es sagt eine obere Massengrenze für Sterne voraus und setzt damit Beschränkungen an die  Beobachtung, denn schwerere Sterne sollten nicht zu beobachten sein. Hier zeigt sich auch gleichzeitig die Falsifizierbarkeit, bereits die Beobachtung eines Sterns oberhalb der Massengrenze würde die Theo-rie widerlegen. Dass astronomische Theorien  gewagte Prognosen ermöglichen, hat sich in der Vergangenheit bereits mehrfach gezeigt, z.B. wurde der Planet Neptun zuerst theoretisch vorhergesagt und dann entdeckt. Weitere waren u.a. die Existenz von Neutronensternen, die Feinstruktur der kosmi-schen Hintergrundstrahlung oder die Lichtablenkung am Sonnenrand bzw. allgemein der Gravitations-linseneffekt. Im Rahmen der Wissenschaftstheorie Poppers kann die Beobachtung die Funktion des Experiments im naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozess einneh-men, d.h. sie kann der Prüfstein, aber auch Quelle der Inspiration für neue Hypothesen sein. Zum Bei-spiel fungierte die astronomische Beobachtung als Testexperiment (vgl. [4]) im langwierigen Streit zwischen geo- und heliozentrischem Weltbild. Die-ser ist durch die Beobachtung der Fixsternparallaxe entscheidbar. Diese Beobachtung stellt somit ein „experimentum crucis“ dar, welches eine der beiden Theorien falsifiziert. Technische Restriktionen kön-nen ein Testexperiment (zunächst) aber verhindern. So war die Beobachtung der Fixsternparallaxe zu Zeiten von Kopernikus, Galilei und Kepler technisch noch nicht möglich.  Auch heute findet man dies in allen Bereichen der Physik. Beispielsweise wurde die Existenz des Higgs-Teilchens bereits Mitte der 1960er Jahre vor-hergesagt, konnte aber mit den zu diesem Zeitpunkt bestehenden Beschleunigern nicht überprüft bzw. widerlegt werden. Erst der Neubau des Large-Hadron-Colliders (LHC) am Cern in der Schweiz eröffnete die Möglichkeit für ein Testexperiment. Völker 2 Die dargelegten Beispiele zeigen die große Bedeu-tung der Beobachtung für den Erkenntnisprozess der Astronomie. Im Popper’schen Sinne kann dadurch das Experiment gleichwertig ersetzt werden. Diese Einstellung wird auch von vielen professionellen Astronomen vertreten. Wie in [5] gezeigt wird, las-sen sich in zahlreichen fachlichen Veröffentlichun-gen direkte und indirekte Bezüge zu den Arbeiten Poppers finden.  2. Experiment und Beobachtung im Unterricht Im Physik-Unterricht wird nachweislich viel expe-rimentiert (Ergebnis einer Videostudie [6]) und man wird auf dieser Weise der vielfältigen Funktion des Experiments für den Unterricht [7] und seiner Wich-tigkeit im Erkenntnisprozess gerecht. Dies ist im Astronomie-Unterricht nicht der Fall, eigene  Beobachtungen sind die Ausnahme. U. Backhaus [8] weist auf spezifische Probleme bei der Behandlung astronomischer Themen im Unterricht hin:  „Die Untersuchungsgegenstände sind so weit entfernt und von so großen Ausmaßen, dass im Allgemeinen naturwissenschaftli-che Experimente, also die gezielte Manipu-lation der untersuchten Objekte nicht mög-lich und die Menschen deshalb auf die  Rolle passiver Beobachter beschränkt sind.   Diese Beobachtungen können zum größten Teil nur nachts (also nicht zur Schulzeit) und mit komplexen Geräten (Teleskopen, Spektrometern, Raumsonden, Beschleuni-gern usw.) durchgeführt werden.  Fast alle astronomischen Vorgänge laufen sehr langsam ab. Sie erfordern einen sehr langen Atem bei der Beobachtung und Auf-zeichnung oder sehr indirekte Schlüsse, um ihrer Dynamik auf die Spur zu kommen.“ [8, Hervorhebungen S.Völker] Dies zeigt die Schwierigkeiten eigener astronomi-scher Beobachtungen auf. Da aber, wie eingangs diskutiert, die Beobachtung für den astronomischen Erkenntnisprozess eine vergleichbar wesentliche Rolle spielt wie das Experiment für die Physik, muss die Beobachtung in anderer Form in den Unterricht eingebettet werden. Eine Möglichkeit hierzu sind Abbildungen in Schulbüchern. Ob dies der Fall ist, soll die nachfolgend vorgestellte Analyse zeigen.  3.  Design der Schulbuchanalyse Die Schulbuchanalyse soll das Vorkommen authen-tischer astronomischer Beobachtungen bzw. die Darstellung von Beobachtungsergebnissen in den Abbildungen sieben ausgewählter Schulbücher (vgl. Tabelle 1) untersuchen. Es handelt sich dabei um eine qualitative Partialanalyse, welche den Bestand und nicht die Defizite der Schulbücher untersucht (vgl. [9]). Methodisch orientiert sich die Analyse an der strukturierenden Inhaltsanalyse nach Mayring [10]. Das zugrundeliegende Kategoriesystem besteht aus fünf Kategorien:  Astrofotografie (AF): Fotografische Auf-nahme im visuellen Spektralbereich, die große Bereiche des Himmels zeigt.  Detailaufnahme (DA): Fotografische Auf-nahme, die kleine Winkelbereiche am Himmel zeigt, welche mit einem Teleskop aufgenommen wurde. Diese Kategorie ent-hält außerdem Spektren, im Sinne von Farbverlauf, und All-Sky-Aufnahmen.  Halbquantitatives Beobachtungsergebnis (HB): Beobachtungsergebnisse werden dargestellt, allerdings ohne ausreichende Kennzeichnung der Koordinatenachsen  oder des dargestellten Beobachtungsgegen-standes.  Quantitatives Beobachtungsergebnis (QB): Beobachtungsergebnisse mit ausrei-chender Kennzeichnung der Koordinaten-achsen und des Beobachtungsgegenstandes werden dargestellt.  Schematische Darstellung (SD): Eine ast-ronomische Beobachtung bzw. ein Be-obachtungsergebnis ist durch eine Schema-zeichung ersetzt. Abbildungen, die keinen Bezug zu astronomischen Beobachtungen haben (z.B. die Portraits bedeuten-der Astronomen), werden nicht vom Kategoriesys-tem erfasst. Sie werden dennoch für die Angabe der Gesamtzahl aller Abbildungen eines Schulbuchs gezählt.   Nr. Titel Verlag Einsatz 01 Astronomie – Gymnasiale Oberstufe Duden PAETEC Gymnasiale  Oberstufe 02 Astrophysik C.C. Buchner Gymnasiale Oberstufe 03 Metzler     Physik1 Schroedel Gymnasiale Oberstufe 04 Astronomie – Basiswissen Schule Duden PAETEC Gymnasium (gesamt) 05 Astronomie SI Duden PAETEC Sekundarstufe I 06 Astronomie plus Cornelson Sekundarstufe I 07 Astronomie – Eine prakt. Wissenschaft Duden PAETEC Sekundarstufe I Tab.1: Übersicht der untersuchten Schulbücher                                                           1 Es wurde nur das Kapitel 15 – „Astrophysik“ un-tersucht. Die Rolle der Beobachtung im Astronomie-Unterricht – Eine Schulbuchanalyse 3 4. Ergebnisse und Interpretation der Schulbuch-analyse  Abbildung 1 zeigt die durchschnittliche Anzahl der Abbildungen pro Schulbuchseite. Der Mittelwert aller Bücher liegt bei etwa 1,8 Abbildungen pro Seite. Die Anzahl ist bei den Büchern für die Sekun-darstufe I etwas höher als bei jenen für die gymnasi-ale Oberstufe.    Abb.1: Durchschnittliche Anzahl Abbildungen pro Seite  Abbildung 2 zeigt den Anteil der Abbildungen mit Bezug zur astronomischen Beobachtungen (d.h. die vom Kategoriesystem erfassten Abbildungen)  an der Gesamtzahl der Abbildungen eines Schulbuchs. Dieser liegt einheitlich bei ca. 40%, d.h. zwei von fünf Abbildungen haben einen Bezug zur Beobach-tung. Nur Buch 03 „Metzler Physik“ zeigt einen höheren Anteil. Dies ist allerdings darauf zurückzu-führen, dass astronomische Themen nur ein Kapitel des Buches ausmachen und die behandelten Inhalte stark eingeschränkt sind. Die Gesamtzahl der Abbil-dungen ist zudem deutlich geringer, so dass bereits eine Abbildung mehr oder weniger, welche vom Kategoriesystem erfasst wird, einen großen Einfluss auf die prozentuale Angabe hat.   Abbildung 3 zeigt den Anteil der kategorisierten Abbildungen an der Gesamtzahl der Abbildungen, aufgeschlüsselt nach Kategorie und Schulbuch.  Abb.2: Anteil der Abbildungen mit Bezug zur astronomi-schen Beobachtung an der Gesamtzahl der Abbildungen  Auffällig ist der hohe Anteil der Detailaufnahmen, im Mittel ca. 31%. Alle anderen Kategorien kom-men dagegen im Mittel auf weniger als 5%. In den drei Büchern für die gymnasiale Oberstufe (01, 02, 03) ist der Anteil an quantitativen Beobachtungser-gebnissen höher als bei den Büchern für die Sekun-darstufe I.  Bei letzteren spielen diese praktisch keine Rolle. Beobachtungsergebnisse werden, wenn dargestellt, durch Schemazeichnungen (SD) ersetzt.  Detailaufnahmen, z.B. von den Planeten und Mon-den des Sonnensystems sind in den Schulbüchern dominant. Bei den untersuchten Büchern haben im Mittel 4 von 10 Abbildungen einen Bezug zur Be-obachtung, wobei 3 von 10 Abbildungen eine De-tailaufnahme zeigen. Durch den Mangel an quantita-tiven Beobachtungsergebnissen, können die vorhan-denen Abbildungen in Schulbüchern die vielfältige Funktion der Beobachtung im astronomischen Er-kenntnisprozess nicht adäquat wiedergeben. Ebenso kann das Potential der Beobachtung bzw. die Dar-stellung von Beobachtungsergebnissen im Unterricht nicht vollständig genutzt werden.  Nimmt man an, dass die Beobachtung prinzipiell die gleichen Funktionen für den Astronomie-Unterricht haben könnte wie das Experiment (vgl.  [7]) für den Physik-Unterricht, stellt man schnell fest, dass dies in der Praxis kaum möglich sein wird. Mit den in den untersuchten Schulbüchern vorhandenen Abbil-Abb.3: Anteil der kategorisierten Abbildungen an der Gesamtzahl der Abbildungen  Völker 4 dungen kann „ein Phänomen gezeigt“, können „Denkanstöße gegeben“ oder „Schüler motiviert und deren Interesse geweckt“ werden. Viele Funktionen können dagegen nicht erfüllt werden: z.B. „Theore-tische Aussagen prüfen“, „Gesetze quantitativ prü-fen“ oder „naturwissenschaftlich arbeiten“. Diese müssen aber in den Astronomie-Unterricht integriert werden – vor allem in den gymnasialen Oberstufen-Unterricht, wie er in Thüringen oder Bayern angebo-ten wird. Die Schulbücher sind dafür nur bedingt geeignet, denn die Autoren greifen häufig auf sche-matische Darstellungen zurück. In diesen können astronomische Sachverhalte vereinfacht und für den Schüler geeignet aufbereitet werden. Neben der Authentizität geht dabei aber auch ein Teil der über-tragbaren Information verloren. Durch die Idealisie-rung der Abbildungen kann der Schüler z.B. keinen Einblick in die Messgenauigkeit gewinnen. Die elementarisierte Abbildung hat selbstverständlich ihre Berechtigung in Schulbüchern. Unter dem Ge-sichtspunkt, dass eigene quantitative Beobachtungen (im Gegensatz zu quantitativen Experimenten im Physikunterricht) aber nur in Ausnahmefällen im Astronomie-Unterricht möglich sind (vgl. [8]), soll-ten Schülerbücher jedoch nicht gänzlich auf die Darstellung quantitativer Beobachtungsergebnisse verzichten.   Abb.4: Typische schematische Darstellung des Flächen-satzes für einen Planeten des Sonnensystems.   5. Ausblick: Projektarbeit mit astronomischen Beobachtungsdaten  Authentische astronomische Beobachtungsdaten sind zahlreich und leicht zugänglich im Internet vorhanden. Als Beispiele seien hier die ViZieR-Datenbank des Centre de Données astronomiques de Strasbourg, der WDS-Katalog des United States Naval Observatory, oder der PrePrint-Server ar-Xiv.org genannt. Weiterhin verfügen zahlreiche Forschungsprojekte über eigene, öffentlich zugäng-liche Datenarchive, z.B. die beiden Exoplaneten-Missionen CoRoT und Kepler. Diese können im Unterricht im Rahmen von Projektarbeit genutzt werden und so typische schematische Darstellungen wie z.B. jene des zweiten keplerschen Gesetzes (vgl. Abbildung 4) ergänzen. Während in Abbildung 4 die Exzentrizität der Planetenbahn stark überhöht darge-stellt ist, zeigt Abbildung 5 die reale Doppelstern-bahn von γ Virginis.    Abb.5: Doppelsternbahn von γ Virginis [11]  Einige der Beobachtungsdaten sind durch grüne Punkte hervorgehoben. Diese haben den einheitli-chen zeitlichen Abstand von 26 Jahren. Die vom Leitstrahl in diesen Zeitintervallen überstrichenen Flächen können mit der kostenlosen Software Geo-Gebra2 ausgemessen und anschließend verglichen werden (Abbildung 6). Eine detaillierte Projektbe-schreibung findet man online [12] oder in [13].   Abb.6: Auswertung des Flächensatzes für den Doppel-stern γ Virginis Abbildung 6 zeigt gleichzeitig, dass Messfehler auch wichtiger Bestandteil von Beobachtungsgrößen sind. Quantitative Beobachtungsergebnisse erhalten ihren Sinn erst durch die gleichzeitige Angabe der Messunsicherheit. Um deren Entstehung nachvoll-ziehen zu können, ist eine Abbildung, wie jene von γ Virginis (Abb. 5), besser geeignet als eine schema-tische Darstellung (Abb. 4). Weitere Beispiele für Schülerprojekte mit authenti-schen astronomischen Beobachtungsdaten sind in  [12] zusammengestellt.                                                            2 GeoGebra - Dynamic Mathematics for Everyone - http://www.geogebra.org/ Die Rolle der Beobachtung im Astronomie-Unterricht – Eine Schulbuchanalyse 5 6. Literatur [1] Mikelskis-Seifert, Silke; Duit, Reinders (2010): PIKO-Brief Nr. 6 Naturwissenschaftliches Ar-beiten. Url: www.ipn.uni-kiel.de/de/das-ipn/abteilungen/didaktik-der-physik/piko   [2] High-Energy Gamma Ray Astronomy: Milagro detector. In: CERN Courier July/August 1994, S.23-24 [3] Popper, Karl (1994):  Logik der Forschung. 10.Auflage, J.C.B. Mohr, Tübingen [4] Pietschmann, Herbert (1996): Phänomenologie der Naturwissenschaft. Springer-Verlag Berlin, S.119 [5] Sovacool, Benjamin (2005): Falsification and Demarcation in Astronomy and Cosmology. In: Bulletin of Science, Technology & Society, Vol. 25, No. 1, S.53-62  [6] Tesch, Maike; Reinders, Duit (2004): Experi-mentieren im Physikunterricht – Ergebnisse ei-ner Videostudie. In: Zeitschrift für Didaktik der Naturwisseschaften, Jg. 10, S.51-69 [7] Girwidz, Raimund (2009): Medien im Physik-unterricht. In: Kircher E., Girwirdz R., Häuß-ler P. (Hrsg.): Physikdidaktik in Theorie und Praxis, 2. Auflage, Springer-Verlag, S.245-249 [8] Backhaus, Udo (2009): Astronomie im Physik-unterricht. In: Kircher E., Girwirdz R., Häuß-ler P. (Hrsg.): Physikdidaktik in Theorie und Praxis, 2. Auflage, Springer-Verlag, S.509-510 [9] Weinbrenner, Peter (1995): Grundlagen und Methodenprobleme sozialwissenschaftlicher Schulbuchforschung. In: Olechowski, R. (Hrsg.): Schulbuchforschung, Peter Lang Euro-päischer Verlag [10] Mayring, Philipp (2010): Qualitative Inhaltsan-alyse: Grundlagen und Techniken. 11. Auflage, Beltz-Verlag [11] Washington Double Star Catalog maintained at the U.S. Naval Observatory. Url: http://www.usno.navy.mil/USNO/astrometry/optical-IR-prod/wds/WDS [12] http://www.uni-jena.de/didaktik_physik_schuelerprojekte.html [13] Völker, Stefan (2013): Nachweis des Flächen-satzes am Beispiel des visuellen Doppelsterns γ Virginis. In: Astronomie und Raumfahrt im Unterricht Jahrgang?, Heft 5, S.17-19  

Die Rolle der Beobachtung im Astronomie-Unterricht - Eine Schulbuchanalyse -

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