Westfälische-Wilhelms-Universität Münster Fachbereich Physik Institut für Technik und ihre Didaktik SS 2009 Erstgutachter: Prof. Dr. Christian Hein Zweitgutachterin: Dr. Martina Schramm

Masterarbeit im Lernbereich Naturwissenschaften - Leitfach Technik -

Elektrische Energie im Unterricht der Grundschule – Konzeption, Erprobung und Reflexion einer Unterrichtseinheit Electrical energy as a subject of teaching in primary school – Design, test and reflection of a lecture series

Timo Fiebig 331348 Agnes-Miegel-Str. 28 48653 Coesfeld 02541-82113 [email protected] MA of Ed (G) 8. Fachsemester

Inhaltsverzeichnis

1.

Einleitung

1

1.1 Relevanz der Arbeit

1

1.2 Zielstellung und Methodologie

2

1.3 Ergebnisform

3

2.

4

Hauptteil

Der theoretische Teil:

4

Die Entwicklung einer Unterrichtseinheit zum Thema „Strom“

4

2.1 Das Thema „Strom“ im Grundschullehrplan

4

2.2 Lernziele und Struktur der Unterrichtsreihe

4

2.3 Fachliche Grundlagen der Elektrotechnik und ihre didaktische Reduktion

7

Der praktische Teil:

17

Die Erprobung der Unterrichtseinheit in der Grundschule

17

2.4 Die Beschreibung der Lernausgangslage

17

2.5 Anmerkungen zur Durchführung der Unterrichtseinheit

18

2.6 Der Vergleich der Präkonzepte mit den Postkonzepten

39

2.7 Die Reflexion der Unterrichtseinheit

52

3.

Abschluss und Fazit

55

4.

Literatur- und Abbildungsverzeichnis

57

5.

Anhang

58

5.1 Kurzentwurf der Einheit

59

5.2 Arbeitsblätter

85

5.3 Abbildungen zur Erläuterung des fachlichen Inhalts

106

5.4 Die Versuche

107

5.5 Fotos aus der Unterrichtsreihe

116

5.6 Zwei exemplarische Forschermappen

119

5.7 Materialliste

163

5.8 Stromdiplom

164

1. Einleitung 1.1 Relevanz der Arbeit Ein paar einleitende Fragen zu Beginn: Was ist Strom? Was ist Spannung? Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, damit ein Strom fließt? Was ist ein Kurzschluss? Warum sagen wir, die Batterien seien „leer“? Sind sie tatsächlich leer? Wie funktioniert die Leuchtdiode? Welche Aufgabe hat ein Kondensator in einer elektronischen Schaltung? Wie arbeitet ein Elektromotor? Was passiert in einem Summer, wenn er von einem Strom durchflossen wird? Haben Sie auch nur die Hälfte dieser Fragen beantworten können, so gelten Sie wahrlich schon als einer, der sich mit Technik und besonders in der Elektrotechnik auszukennen scheint. Ist dies nicht der Fall, so sollte Ihnen das jetzt aber auch kein Kopfzerbrechen bereiten. Trotzdem sei provokativ gefragt: Wie würde unser Leben ohne die Entdeckung des Stroms aussehen? Schaut man sich auch nur in seinem eigenen Haushalt um und versucht die Gegenstände aufzuzählen, die nie entwickelt worden wären, so erscheint es doch besser, von der anderen Seite anzufangen, und vielmehr darüber nachzudenken, was im eigenen Haushalt überhaupt ohne Strom funktioniert und auch ohne denselbigen gebraucht oder hergestellt werden kann. Und da bleibt bei weitem nicht viel. Wir leben nun einmal in einer technisierten Welt, die sich ständig und vor allen Dingen immer schneller weiterentwickelt. Den Wandel haben wir miterlebt und werden ihn auch noch weiter mitverfolgen können. Technik begleitet uns und das schon von Geburt an. Auch unsere Kinder wachsen also von Beginn ihres Lebens an in einer Welt auf, in der sie mit dem Phänomen „Strom“ frühzeitig und fortwährend konfrontiert werden. Dies hat auch die Schule erkannt und als Thema des Sachunterrichts der Grundschule bereits „Elektrizität“ in den Lehrplan aufgenommen. Gerne scheint dieser Themenkomplex jedoch nicht unterrichtet zu werden. Erfahrungen aus dem Schulalltag zeigen, dass viele LehrerInnen doch eher Respekt vor und im gewissen Maße auch Unsicherheit bei der Behandlung des Themas „Strom“ im Unterricht haben. Aus diesem Grunde findet man eher wenige komplette Unterrichtsreihen, die gezielte Anregungen für die Gestaltung der Unterrichtsstunden geben und auch fachliche Unklarheiten abzubauen versuchen. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine solche Reihe konzipiert und im Sachunterricht der Klasse 4 erprobt werden. Dies soll jedoch nicht auf konventionelle Weise geschehen, sondern einige Änderungen gegenüber bisher 1

durchgeführten und vorgestellten Unterrichtseinheiten zum Thema „Strom“ beinhalten, wie in der folgenden Zielstellung deutlich wird. 1.2 Zielstellung und Methodologie Möchte man als Lehrkraft ein für sich neues Thema an seine Schüler1 vermitteln, begibt man sich zunächst einmal selbst auf die Suche nach Unterrichtsreihen von Kollegen und versucht sich auch die fachlichen Hintergründe anzueignen. Ohne eine gewisse Sicherheit in der Theorie des Sachverhaltes könnte man in der Praxis Probleme bei der fachdidaktischen Vermittlung bekommen. Ideenanregungen und Anleitungen sind also beim Aufbau einer Unterrichtsreihe von entscheidender Bedeutung. Dabei muss es aber für die Lehrkraft nicht nur darum gehen, einfach das zu wiederholen, was andere bereits vorgemacht haben, sondern vielmehr kritisch zu durchleuchten, ob nicht noch Änderungen oder Ergänzungen sinnvoll erscheinen. Genau diese Schritte sind im Vorfeld dieser Arbeit gegangen worden. Das Ziel war die Entwicklung einer Unterrichtsreihe zum Thema „Strom“ im Sachunterricht der Grundschule, die auch als Anregung für andere Lehrkräfte dienen soll und, in Form dieser Arbeit, als Lehrerhandreichung vorgelegt wird. Die Unterrichtseinheit soll jedoch im inhaltlichen Bereich tiefer gehen, als es bis jetzt jeder andere Unterrichtsvorschlag zu diesem Thema angestrebt hat. Aus diesem Grund beinhaltet sie das „Wagnis“, den Spannungsbegriff und auch elektronische Bauteile wie den Elektromotor, den Kondensator, den Summer, den Widerstand und auch die Leuchtdiode bereits in der Grundschule einzuführen. Der Lehrplan schließt ihre Behandlung nicht aus. Dies wird zu Beginn des theoretischen Teils gezeigt. Im Anschluss wird dann die Unterrichtseinheit in ihrer Gesamtheit und mit den angestrebten Grobzielen vorgestellt. Es folgt ein Abschnitt, in dem didaktisch reduziert die fachlichen Grundlagen für die Umsetzung des Themas dargestellt werden. Hier werden nicht nur die Funktionen der elektronischen Bauteile beschrieben, sondern auch fachliche Informationen zu den Begriffen „Spannung“ und „Strom“ bereitgestellt. Ob und inwieweit ihre Einführung und Erarbeitung sinnvoll erscheint, wird hier auch diskutiert. Im praktischen Teil dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie das Thema „Strom“ umgesetzt werden kann. Für die Einführung der Begriffe „Strom“ und „Spannung“ und solcher Bauelemente wie Kondensator, LED, Summer, Elektromotor und Widerstand steht keine 1

Im Laufe dieser Arbeit wird oft nur das Wort Schüler oder das Wort Schülerinnen benutzt. Gemeint sind aber in der Regel immer beide Geschlechter.

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primarstufenspezifische Fachliteratur zur Verfügung. Aus diesem Grund stellt die Arbeit aus der Praxis gewonnene Verbesserungsvorschläge und Hinweise für eine solche Einführung zur Verfügung. Sie sollen als Hilfe für Lehrkräfte dienen, um ihnen ein sicheres Handeln im Unterricht möglich zu machen. Wie das „Experiment“ der Einführung des Spannungsbegriffes und die Arbeit mit den diversen, bereits genannten Bauteilen geglückt ist, soll anhand der Darstellung und des Vergleiches der Prä- und Postkonzepte der Kinder einer vierten Klasse reflektiert werden. Hier wird beschrieben, wie der Unterricht die Vorstellungen der Schüler zu Spannung und Stromfluss verändert haben könnte. Für jede Lehrkraft, die das Thema „Strom“ im Unterricht der Grundschule behandeln möchte, sollten gerade die vor dem Unterricht vorhandenen Konzepte von Relevanz sein. Einen generellen Überblick über die Häufigkeit bestimmter, auch durch den Umgang mit Strom im Alltag entstandener Sichtweisen der Kinder, liefert diese Arbeit. Wie auf sie reagiert werden kann, wird bei der Beschreibung der Unterrichtseinheit erwähnt. Im Fazit wird noch einmal reflektierend auf die Entwicklung, die Durchführung und die Reflexion der Unterrichtseinheit zurückgeblickt. Die Ergebnisse werden in die Diskussion um die frühe Einführung der Begriffe „elektrische Spannung“ und „elektrische Energie“ eingeordnet.

1.3 Ergebnisform Diese Arbeit liefert Ergebnisse in unterschiedlicher Form. Zum einen enthält sie den Entwurf der Unterrichtseinheit, der durch praktische Erfahrungen verbessert wurde. Arbeitet man jedoch nicht mit der Unterrichtsvorlage, bietet schon der dargestellte Vergleich der Prä- und Postkonzepte der Kinder für jede Lehrkraft einen Einblick in Erklärungsansätze und Denkweisen der Kinder, auf die es sich in diesem Unterricht einzustellen und auf die es einzugehen gilt. Generell soll diese Arbeit als Handreichung für jeden Grundschullehrer dienen. Sie hilft bei der Planung einer eigenen Einheit, verweist auf mögliche Probleme bei ihrer Durchführung und erläutert, wie diesen vorgebeugt oder entgegnet werden kann.

3

2. Hauptteil

Der theoretische Teil: Die Entwicklung einer Unterrichtseinheit zum Thema „Strom“

2.1 Das Thema „Strom“ im Grundschullehrplan Elektrizitätslehre ist in den Schulen NRWs ein Thema des Sachunterrichtes. Im Teilbereich „Natur und Leben“ ist sie als verbindlicher Unterrichtsgegenstand im Lehrplan verortet. Allerdings lassen die Stichworte „Stromkreise herstellen und dabei Sicherheitsaspekte beachten“2 eine große Offenheit in der Behandlung des Themas. In der Regel umfasst es aber das Aufbauen einfacher Stromkreise. Es wird mit Glühlampen und Schaltern, die meist auch selbst hergestellt werden, gearbeitet. Aus diesen Bauteilen werden die Reihen- und Parallelschaltung aufgebaut. Sie sind die auch im Haushalt dominierenden Schaltungen und lassen sich sehr gut unterscheiden. Als wesentliches Element werden auch die Begriffe „Leiter“ und „Nichtleiter“ eingeführt. Die Schüler überprüfen hier meist selbst die Leitfähigkeit unterschiedlicher Gegenstände. Die Kinder werden sehr häufig auch mit den Wirkungen des Stromes konfrontiert. Neben der ihnen bekannten Lichtwirkung lernen sie auch die Wärmewirkung anhand der Glühlampe und die magnetische Wirkung anhand eines selbst gebauten Elektromagnets kennen.

2.2 Lernziele und Struktur der Unterrichtsreihe Einen weitergehenden Unterrichtsvorschlag macht diese Arbeit. Die wesentlichen Elemente eines oben dargestellten Unterrichts sind zwar noch vorhanden, jedoch wird viel tiefer in die Thematik eingedrungen. Als ein grundlegendes Lernziel gilt hier die Begeisterung der Schüler für den Stoff. Dafür muss die Relevanz des Themas für ihr eigenes Leben deutlich werden. Die Kinder müssen erkennen, dass Strom ein ihnen allgegenwärtiges Phänomen ist. In der heutigen Zeit ist er aus unserer Umwelt nicht mehr wegzudenken. In der Unterrichtseinheit wird zudem ein tiefer gehendes Verständnis der Begriffe „Strom“ und „Spannung“ angestrebt. Sie sollen unterschieden und ihr Zusammenhang erkannt 2

Richtlinien und Lehrpläne zur Erprobung für die Grundschule in NRW. S. 60

4

werden. Es bleibt also nicht nur beim Aufbau von Stromkreisen aus Kabeln, Glühlampen und Schaltern. Es geht auch um die Verortung von Spannung und Strom in denselbigen. Deshalb müssen die Kinder auch erkennen, unter welchen Bedingungen ein Strom fließt. Sie sollen Bauelemente der Stromkreise richtig benennen und ihre Funktionen erkennen. Dabei unterscheiden sie zwischen Energiequelle, Leiter und Verbraucher. Diese Fachbegriffe

werden

gemeinsam

bearbeitet,

so

dass

Fehlkonzepte

wie

die

Verbrauchsvorstellung abgebaut werden. Die Schüler sollen während des Unterrichts befähigt werden, Fehlerquellen in Stromkreisen ausfindig zu machen und zu korrigieren. Leiter und Nichtleiter werden von den Kindern selbst gefunden. Sie sollen aber ebenso davor gewarnt werden, dass eine Kombination von Nichtleitern durchaus auch den Strom leiten kann. Die Kinder lernen auch die Gefahren eines Kurzschlusses kennen. Durch die Behandlung der LED, des Widerstandes, des Kondensators, des Summers und des Elektromotors werden die Stromrichtung und die Wirkungen Licht, Bewegung und Wärme thematisiert. Es werden auch Schaltungen präsentiert, die für die Schüler im Kern nicht durchschaubar sind, ihr Sinn aber erkannt werden kann. Dies motiviert für eine nähere Auseinandersetzung mit dem Thema, denn viele Kinder wollen das verstehen, was für sie im Dunkeln bleibt. Selbst werden von den Schülern auch die Reihen- und Parallelschaltung aufgebaut und auf ihre Eignung für den Einsatz im Haushalt geprüft. Die dargestellten Lernziele sollen durch eine sequenzielle Unterrichtseinheit erreicht werden. Zum Beginn jeder Stunde wird jeweils eine Reflexionsphase des zuletzt Gelernten stattfinden.

Am

Ende

werden

die

Ergebnisse

immer

in

Form

eines

Forschertagebucheintrages gesichert. Den motivierenden Einstieg liefert die Präsentation eines Puppenhauses mit elektronischer Verschaltung (siehe Anhang, S. 116). An ihm werden Einsatzmöglichkeiten des Stromes im Haushalt verdeutlicht. In dieser ersten Doppelstunde sollen die Schüler daraufhin ihren eigenen Umgang mit Strom reflektieren. Auf einem Arbeitsblatt veranschaulichen sie, wie ein Haushalt ohne die Entdeckung des Stromes aussehe. Außerdem halten die Kinder hier auch fest, wie wichtig ihnen Strom ist. Die zweite Sequenz des Unterrichtsentwurfes beschäftigt sich mit den Bedingungen eines Stromflusses. In einer ersten Doppelstunde bringen die Schüler mit ausgewähltem Material selbst eine Glühlampe zum Leuchten und begründen rückblickend ihre Vorgehensweise. Am Ende können sie beschreiben, welche Bauteile nötig sind und welche Funktionen sie erfüllen. Angehängt wird eine Einzelstunde, in der forschend Leiter und Nichtleiter von den Kindern ausfindig gemacht werden. Durch einen Lehrerversuch mit Wasser, Salz und 5

Salzwasser wird verdeutlicht, dass auch bei Nichtleitern unter Umständen Vorsicht geboten ist. Im dritten Teil des Unterrichtes werden dann die Begriffe „Spannung“ und „Strom“ behandelt. Es wird dabei von den Alltagsbegriffen von Spannung ausgegangen. Diesen Spannungsbegriffen ist gemein, dass sie einen Zustand darstellen und eine Bewegung zur Folge haben. Nach einer Übertragung auf den Stromkreis, in dem die elektrische Spannung und der Strom verortet werden sollen, probieren die Schüler unterschiedliche Batterien aus. Hier soll der Zusammenhang mit dem Stromfluss weiter verdeutlicht werden. Dies nimmt eine weitere Doppelstunde in der Einheit ein. Sie wird durch weitere 45 Minuten ergänzt. In diesen wird von der Lehrkraft ein Analogieversuch zur Funktionsweise einer Batterie demonstriert. Zwei ungleich hohe Wasserstände gleichen sich hier in zwei Glassäulen aus. Diese repräsentieren die Pole der Batterie, die Wasserteilchen können analog zu den elektrischen Teilchen angesehen werden. Der Wasserdruck ist vergleichbar mit der Spannung, ebenso wie der Wasserfluss dem Stromfluss entspricht. Die Erkenntnisse werden auf drei Plakaten festgehalten. Sie zeigen eine „volle“, eine „halb volle“ und eine „leere“ Batterie. Der Strom und die Spannung werden mit Hilfe der als Punkte gezeichneten elektrischen Teilchen dargestellt. In der ersten Doppelstunde der vierten Sequenz werden zunächst die LED und der Widerstand eingeführt. Die Schüler erkennen deren Funktion und konstruieren mit ihnen auf einem Steckbrett dann selbst eine Reihenschaltung. In zwei weiteren Stunden wird dann auch die Parallelschaltung gesteckt. Reihen- und Parallelschaltungen werden zusätzlich aber auch noch mit Glühlampen und Schaltern realisiert. So kann jeweils der Ausfall einer Glühlampe simuliert und die Bedeutung der beiden Schaltungen für den Haushalt aufgezeigt werden. Im fünften Teilbereich des Unterrichts folgt eine Stationsarbeit zum Kondensator, Summer, Elektromotor, Widerstand und zur Glühlampe. Die Schüler werden dadurch mit den Wirkungen des Stroms vertraut. Die Versuche müssen aufgrund ihrer Dauer über zwei Doppelstunden verteilt werden. Zum Abschluss kann dann Rückbezug auf das Puppenhaus genommen werden. Der komplette Unterrichtskurzentwurf befindet sich im Anhang (S. 59).

6

2.3 Die fachlichen Grundlagen und ihre didaktische Reduktion In diesem Abschnitt sind nur die fachlichen Informationen didaktisch reduziert dargestellt, die man für den Unterricht benötigt. Weitergehendes Expertenwissen und weitere Fachbegriffe wurden hier ausgeklammert. Das bedeutet, dass auch die Bauteile nur in ihren Funktionen, nicht aber in ihrem exakten inhaltlichen Aufbau, beschrieben sind. Als Abschluss folgt eine Diskussion über den Sinn der Einführung des Spannungsbegriffes und der Bauteile wie Leuchtdiode, Widerstand, Summer, Elektromotor und Kondensator in der Grundschule. Es erscheint sinnvoll mit dem wichtigsten Begriff, der „Spannung“, zu beginnen, da sie einem Stromfluss vorausgeht, wie im Folgenden gezeigt wird. Erst danach wird Spannung mit den Begriffen „Strom“ und „Widerstand“ verbunden. Um den Begriff der „Spannung“ angemessen beschreiben zu können, muss man sich zunächst des Teilchenmodells bedienen. Dieses besagt, dass jeder Festkörper, jede Flüssigkeit und jedes Gas aus kleinsten Teilchen, den Atomen, besteht. Das Atom jedes Elementes ist dabei aus elektrischen Teilchen aufgebaut. Im Kern befinden sich die positiv geladenen Protonen und die elektrisch neutralen Neutronen. In der Hülle bewegen sich um ihn herum die negativ geladenen Elektronen. Da die Beträge der Ladung eines Protons und eines Elektrons gleich groß sind und jedes Atom in der Regel eine gleiche Anzahl dieser beiden Teilchenarten besitzt, erscheint jedes Atom nach außen hin elektrisch neutral. Bei Bindung von Atomen zum Aufbau von Elementen und Stoffen, kommt es aber unter den Atomen zu gegenseitiger Abgabe und Aufnahme oder zur Freigabe von Elektronen. Je nach Bindungsart stehen nun also elektrische Ladungsträger im Stoff selbst zur Verfügung. Zum einen wären das die „freien“ Elektronen. Dies ist bei der Metallbindung der Fall. In jedem Metall befinden sich solche frei beweglichen Ladungsträger. Außerdem werden normale Atome bei Abgabe eines Elektrons zu einem positiven Ladungsträger, dem so genannten Anion. Bei Aufnahme eines Elektrons ist das Atom nach außen hin negativ geladen und wird Kation genannt. Kationen und Anionen ziehen sich an. Diese Anziehungskräfte sorgen für den Zusammenhalt des aus den beiden Elementen entstandenen Stoffes. Man nennt dies eine Ionenbindung. Sie tritt bei der Verbindung von einem Metall und einem Nichtmetall auf. Nach außen hin ist der entstandene Stoff immer noch elektrisch neutral, da sich die Ladungen der Ionen ausgleichen.

7

Werden nun positive und negative Ladungen getrennt, so entsteht eine elektrische Spannung. Das heißt, dass der Begriff „Spannung“ nur den Zustand dieser Trennung von unterschiedlichen Ladungen beschreibt. In der Natur ist es nun aber so, dass es zum Ausgleich ungleicher Zustände kommen muss. Deshalb wird die Temperatur des heißen Kaffees in einem 25° Celsius warmen Raum bald knapp über der vorherigen Raumtemperatur liegen. Die unterschiedlichen Temperaturen haben sich in diesem Beispiel quasi ausgeglichen. Das gesamte „System“ hat nun überall die gleiche Temperatur. Ein weiteres Beispiel für sich natürlich ausgleichende Zustände wäre Wasser in einem U-förmigen zylindrischen Gefäß. Schüttet man in eine Seite Wasser hinein, so erhält man auf beiden Seiten gleich hohe Wassersäulen. Wiederholt man den Vorgang, kommt es wieder zu einem Ausgleich. Der Pegel der, durch das Zugießen von Wasser, zunächst höheren Wassersäule sinkt und der Pegel der anderen Säule steigt, bis beide Wasserstände wieder die gleiche Höhe erreicht haben. Für Ladungen ist der Normalzustand eine elektrische Neutralität, die nur erreicht wird, wenn die positiven und negativen Teilchen wieder vereinigt werden und sich somit ihre Ladungen ausgleichen. Aus diesem Grund wirkt auf die elektrischen Teilchen eine „treibende Kraft, die [eine] Ladungsbewegung verursacht“3. Man sagt, es ist ein elektrisches Feld zwischen den getrennten Ladungen entstanden. Im Allgemeinen wird die Spannung häufig als „elektrischer Ausdruck der auf die Ladungsträger wirkenden Kraft“4 beschrieben. Vereinfacht kann man aber sagen, dass sie der Zustand einer ungleichen Verteilung von gleichen Ladungsträgern ist. Nichts anderes geschieht zum Beispiel in einer Spannungsquelle. Die positiven Ladungsträger werden künstlich zum Pluspol bewegt. Dort sind nun mehr dieser Teilchen als am Minuspol. Da nun positive Ladungen überwiegen, ist der Pluspol also positiv geladen. Der Minuspol hat einen Überschuss an negativen Ladungen, an Elektronen, und ist deshalb negativ geladen. Durch die Verbindung der beiden Pole kann es zum Ausgleich der Anzahl gleicher Ladungsträger an den Polen kommen. Dieser Ausgleich entsteht durch die gerichtete Bewegung der elektrischen Ladungsträger von Pol zu Pol, welche mit dem Begriff „Strom“ bezeichnet wird5. „Strom“ kann nur „in einem geschlossenen Kreislauf“6 fließen, wenn die Pole der Spannungsquelle über einen elektrischen Leiter miteinander verbunden sind. Unabdingbar ist es nun, nochmals den

3

Kories, Ralf: Taschenbuch der Elektrotechnik. S. 8 Hagmann, Gert: Grundlagen der Elektrotechnik. S. 12 5 Vgl. Kories, Ralf: Taschenbuch der Elektronik. S. 1 6 Hagmann, Gert: Grundlagen der Elektrotechnik. S. 8 4

8

Leiterbegriff zu erläutern, um dann endgültig die Beziehung vom Spannungs- und Strombegriff erschließen zu können. Elektrische Leiter sind solche Stoffe, in denen sich freie Ladungsträger befinden. Unter den Elementen sind dies alle Metalle, da, durch die spezielle Verbindung der Metallatome untereinander, „freie“ Elektronen zur Verfügung stehen. Als einziges Nichtmetall unter den Elementen ist auch Kohlenstoff ein guter elektrischer Leiter. Ebenso sind alle Stoffe, die sich durch eine Ionenbindung auszeichnen, in Kombination mit Wasser meist gute Leiter. Hierzu zählen zum Beispiel die Salze. Ihre Ionenbindung beruht auf der Anziehung der unterschiedlichen

Ladungen von Kationen und Anionen. Wasser löst diese

Verbindung auf, so dass die positiven und negativen Ionen als „freie“ Ladungsträger vorliegen. „Legt man nun an einen elektrischen Leiter eine Spannung, so fließt ein Strom“7. Da nun überall im Leiter elektrische Ladungsträger vorhanden sind, werden diese im elektrischen Feld zu dem Pol beschleunigt, an dem ein ‚Mangel’ vorliegt. Das bedeutet, dass die Elektronen- bzw. Ladungsträgerbewegung überall im Stromkreis gleichzeitig im Augenblick des Schließens des Stromkreises beginnt8. Die Wirkung des Stromflusses „breitet sich somit mit Lichtgeschwindigkeit aus“7. Deshalb leuchtet eine Lampe sofort. Die tatsächliche „Strömungsgeschwindigkeit ist in der Regel (aber) gering und liegt oft unterhalb von 1 mm/s.“ Wie groß der Strom ist, gibt die elektrische Stromstärke, also die Ladungsmenge an, die in einem bestimmten Zeitabschnitt den Leiterquerschnitt durchfließt. „Enthält ein Leiter sowohl positive als auch negative bewegliche Ladungsträger, so bewegen sich die beiden Ladungsträgerarten (bei passenden Bedingungen für einen Stromfluss) in entgegengesetzte Richtungen.“9 Stromfluss ist also immer gerichtet, man unterscheidet aber zwischen der technischen Stromrichtung (von + zu -) und der physikalischen Stromrichtung (von – zu +). Blickt man nun auf die Begriffe „Spannung“ und „Strom“ zurück, so findet man folgende Beziehung: Spannung ist der Zustand von getrennten Ladungen an zwei Orten. Werden diese Orte durch einen Leiter verbunden, so kommt es zu einer Bewegung von Ladungsträgern, um einen Ausgleich dieses ungleichen Zustandes herzustellen. Diese Bewegung wird als Strom bezeichnet. Sind die unterschiedlichen Ladungen an den Polen ausgeglichen, so liegt weder Spannung noch Stromfluss vor. 7

Kories, Ralf: Taschenbuch der Elektronik. S. 55 Hagmann, Gert: Grundlagen der Elektrotechnik. S. 11 9 Hagmann, Gert: Grundlagen der Elektrotechnik. S. 9 8

9

Unabdingbar für einen Stromfluss ist nun also der Zustand der Spannung. Das ist uns auch aus dem Alltag bekannt. Da auch den Kindern die folgenden Alltagsbeispiele bekannt sind, erscheint es sinnvoll, sich im Unterricht von diesen Erfahrungen heraus an die Begriffe „Spannung“ und „Strom“ heranzubegeben. Um ein Gewicht oder alleine unseren Körper zu bewegen, brauchen wir (Muskel-)Spannung. Ähnlich ist es bei einer durch einen Film oder ein Buch ausgelösten Anspannung. Man ist ‚wie erstarrt’. Erst beim Lösen der Anspannung kann man sich wieder ‚frei bewegen’. Auch hier folgt also auf Spannung eine Bewegung. Ein weiteres Beispiel aus dem Alltag ist das Bogenschießen. Mit der Spannung des Bogens bestimmt der Schütze die Geschwindigkeit des Pfeils beim Abschuss und beeinflusst damit die „Stärke“ seiner Bewegung. Dieses Beispiel illustriert den folgenden Zusammenhang zwischen Spannung und Strom: Je größer die Spannung, desto größer der Strom. Der Strom (I) ist tatsächlich proportional zur Spannung (U). Der Proportionalitätsfaktor ist dabei der elektrische Widerstand (R), der dem Strom durch den Leiter oder das angeschlossene Gerät entgegengebracht wird. Je besser nun ein Leiter des elektrischen Stromes ist, desto weniger Widerstand übt er auf den Stromfluss aus. Und je kleiner der Widerstand ist, desto größer ist auch der Strom im Bezug auf die Spannung. Das drückt das Ohm’sche Gesetz aus: I =

U . Hieran kann man R

erkennen, wie die Spannung und die Leitfähigkeit der Verbindung zwischen Plus- und Minuspol den Strom beeinflussen. Wird U größer und R bleibt konstant, dann wird ein Strom größerer Stärke fließen. Vergrößert sich dagegen bei konstanter Spannung der Widerstand, so verringert sich die Stromstärke. Widerstände als Bauelemente sind also Bauelemente, die Ströme begrenzen. Jedes elektronische Gerät und jeder elektrische Leiter ist im Stromkreis solch ein Widerstand. Entgegen der Fehlvorstellung ist dabei aber der Stromfluss überall im Stromkreis gleich groß und wird nicht erst nach dem Durchfließen des Widerstandes kleiner. Verbindet man jedoch den Plus- und den Minuspol direkt mit einem guten Leiter, so ist dieser Widerstand sehr klein. Es kommt zu einem Kurzschluss (siehe Anhang, S. 107). Die Folgen eines Kurzschlusses sind dabei direkt aus dem Ohm’schen Gesetz abzulesen. Aufgrund des kleinen

Widerstandes

erreicht

der

Strom

einen

Maximalwert,

den

Anfangskurzschlussstrom. Dieser besteht nur wenige Millisekunden, danach schwächt er sich zu einem Dauerkurzschlussstrom ab. Im Haushalt springt bei einem Kurzschluss die Sicherung heraus. Sie reagiert auf den zu hohen Stromfluss zu Beginn und unterbricht den Stromkreis. Fehlt diese Schutzvorrichtung, so heizen sich die Leiter bei einem Kurzschluss stark auf. Es kann zu einem Kabelbrand kommen. Da die elektrischen Teile bei einer 10

kurzgeschlossenen Batterie fast ungehindert fließen können, ist eine kurze „Lebensdauer“ der Batterie die Folge. Die oben angesprochene Gefahr des Kabelbrandes ist durch eine wichtige Wirkung des Stromes zu erklären. Jeder von einem Strom durchflossene Leiter und jedes elektrische Gerät erwärmt sich im Laufe seiner Betriebszeit. Entgegen der häufigen Annahme „entsteht die Wärme nicht durch Reibung, sondern durch den Austausch der Elektronen zwischen den Atomen beim Stromfluss. Die dadurch entstehende Schwingung der Atome und Moleküle des Metalls nehmen wir als Wärmeentwicklung wahr.“10 Ganz bewusst wird diese Wärmewirkung in vielen Haushaltsgeräten wie dem Fön, dem Bügeleisen oder dem Elektroherd eingesetzt. Ein dünner Draht aus einer Metalllegierung wird von Strömen durchflossen. Dabei erhitzt er sich auf Temperaturen von über 850°C11. Die Wärmeentwicklung hängt sowohl von der Stärke des Stromes, von der Dicke des Leiters, als auch von dessen spezifischem Widerstand ab. Je größer der Strom und der Widerstand, desto wärmer wird der Leiter oder das Gerät. Zwischen entstehender Wärme und der Dicke des Leiters besteht eine antiproportionale Beziehung. Es gilt: Je dünner, desto wärmer. Durch die systematische Verkleinerung des Leiterquerschnittes und ein geschicktes Wendeln von Wolframdrähten kommt es zu der wohl bekanntesten Wirkung des Stromes. Durch die starke Erhitzung in den sehr dünnen Drähten erreicht die Metalllegierung Temperaturen von bis zu 2600°C12. Diese so genannte Weißglut nehmen wir als Lichtwirkung wahr. Auf die Thematisierung der chemischen und der magnetischen Wirkung wird prinzipiell in der entworfenen Unterrichtseinheit verzichtet. Die Magnetwirkung ist zwar die entscheidende Wirkung für das Drehen des Elektromotors, dennoch wird auch in den fachlichen Grundlagen nun nicht weiter auf dessen Funktionsweise eingegangen. Wichtig für die Lehrkraft ist nur, dass sich je nach Anschluss von Plus- und Minuspol an die Kontakte des Elektromotors dessen Drehrichtung ändert. Durch Aufsetzen eines Propellers kann diese Richtungsänderung deutlich gemacht werden. Dazu bringt man den Motor zuerst zum Drehen. Löst man einen Kontakt nun von der Spannungsquelle, läuft der Motor langsam aus. Man kann nun die Drehrichtung erkennen. Die magnetische Wirkung des Stromes wird im Unterricht nicht erwähnt. Wichtig ist hier die Umwandlung der elektrischen Energie in eine Bewegung (siehe Anhang, S. 112 und 117 unten).

10

Deisler, Sabrina: Der Strom macht’s. S. 23 Stiegler, Leonard: Physik für die Sekundarstufe I. Berlin 2005. S. 148 12 Deisler, Sabrina: Der Strom macht’s. S. 24 11

11

Ein Summer arbeitet mit einem Effekt, der hier auch nicht didaktisch reduziert dargestellt wird. Im Unterricht wird nur festgehalten, dass er aus Strom ein Geräusch machen kann. Dies gelingt aber nur beim Anschluss seines Plus- und Minuspols an den jeweils entsprechenden Pol der Spannungsquelle (siehe Anhang, S. 112). Ebenso ist es auch bei der Leuchtdiode oder kurz LED. Auch sie funktioniert nur bei der richtigen Polung. Ihr langes Bein muss dabei am Pluspol, ihr kurzes Bein am Minuspol angeschlossen werden. Damit kann mit dem Summer, dem Elektromotor und der LED sehr schön gezeigt werden, dass Strom immer gerichtet ist. Ebenso wie die Glühlampe wandelt eine Leuchtdiode die elektrische Energie in Licht um. Es gibt aber zwei Unterschiede, die beachtet werden sollten. Beide können an den Strom-Spannungs-Kennlinien (siehe Anhang, S. 105) der beiden Bauteile abgelesen werden. Während bei der Glühlampe die angelegte Spannung und der Stromfluss, und damit ihre Leuchtkraft, näherungsweise proportional sind, hat die LED eine sehr steile Kennlinie. Das bedeutet, dass bei niedrigen Spannungen an der LED bereits große Ströme fließen. Es ist also notwendig, immer einen Vorwiderstand mit in den Stromkreis zu schalten, da sonst die LED Schaden nimmt. Wie wir vom Widerstand als Bauteil bereits wissen, ist der Strom dann überall im Stromkreis begrenzt, so dass der Begriff Vorwiderstand missverständlich sein kann. Er muss nicht zwingend vor die LED geschaltet werden. Er kann auch dahinter platziert werden. Aufgrund der steilen Kennlinie der LED ist es außerdem sehr schwierig, den proportionalen Zusammenhang von Spannung und fließendem Strom anhand ihrer Leuchtkraft aufzuzeigen. Hierfür sollte also besser die Glühlampe benutzt werden. Das letzte im Unterricht eingesetzte Bauteil ist der Kondensator. Didaktisch reduziert ist er vergleichbar mit einer Batterie. Er besteht in der Regel aus zwei Metallplatten, zwischen denen sich ein nicht leitender Stoff befindet. Wird der Kondensator in Reihe an eine Batterie angeschlossen, fließen die Ladungsträger unterschiedlicher Ladung auf die jeweiligen Platten, so dass zwischen diesen eine Spannung und somit ein elektrisches Feld entsteht. Somit ist der Kondensator nun selbst eine Spannungsquelle. Entfernt man ihn nun von der Batterie und verbindet man seine beiden Pole nun richtig mit einer LED mit Vorwiderstand, so beginnt diese für kurze Zeit zu leuchten, bis alle Ladungen auf den Platten des Kondensators sich ausgeglichen haben. Thematisiert werden soll mit diesem Bauteil die Möglichkeit, Strom oder besser gesagt elektrische Teilchen kurzfristig speichern und somit auch eine LED verzögert ausschalten zu können. Um diesen Effekt zu zeigen, muss der Kondensator parallel zu einer LED geschaltet werden. Dann leuchtet die LED und der Kondensator wird geladen. Entfernt man nun die Batterie aus dem Steckbrett, 12

entlädt er sich. Das äußert sich darin, dass die LED je nach Kapazität des Kondensators noch einen Moment leuchtet und erst nach einiger Zeit erlischt (siehe Anhang, S. 111). Im Unterricht wird die Funktion einer Batterie genau durch dieselbe didaktische Reduktion wie beim Kondensator beschrieben. Auf Plakaten (siehe Anhang, S. 117) wird verdeutlicht, dass es zu einer Bewegung der elektrischen Teilchen vom Pluspol zum Minuspol kommt und somit bei einem vollzogenen Ausgleich der Teilchenmengen an den Polen, die Batterie keinen Strom mehr „liefert“. Dennoch ist sie aber nicht „leer“, da die Anzahl der elektrischen Teilchen in ihr gleich groß geblieben ist. Die Schaltungen mit den Leuchtdioden, dem Summer, dem Widerstand und den Kondensatoren werden auf einem Steckbrett aufgebaut. Die Funktionsweise dieses Brettes ist im Anhang beschrieben (S. 108). Dort befinden sich auch Fotos von allen relevanten Schaltungen. Ein wichtiger fachlicher Aspekt wäre noch die Beschreibung von Reihen- und Parallelschaltung zweier Glühlampen (siehe Anhang, S. 110) beziehungsweise zweier LEDs (siehe Anhang, S. 109) und der Folgen des Ausfalls eines „Verbrauchers“. Da bei der Reihenschaltung die Bauteile hintereinander in denselben Stromkreis geschaltet sind, erlischt beim Ausfall einer Glühlampe auch die zweite, weil der Stromkreis unterbrochen wird. Bei der Parallelschaltung kann die zweite Lampe weiterleuchten, da sie mit dem Plus- und Minuspol der Spannungsquelle verbunden bleibt. Hier gibt es quasi zwei Stromkreise, durch die der Strom fließt. Da im Unterricht von den Schülern sowohl Reihen- und Parallelschaltungen mit Glühlampen und LEDs aufzubauen sind, sollte vielleicht noch folgende wichtige Bemerkung gemacht werden: Benutzt man Glühlampen, so kann den Kindern auffallen, dass diese in der Reihenschaltung nicht so hell leuchten wie in der Parallelschaltung (siehe Anhang, S. 110 und S. 115). Die Erklärung für diese Beobachtung gibt das Ohm’sche Gesetz. Durch das Hintereinanderschalten der Glühlampen bei der Reihenschaltung haben sich ihre Widerstände addiert. Durch den neu entstandenen Widerstand gilt nach der Formel I =

U , dass der Gesamtstrom sich circa R

halbiert hat, da R nun ungefähr doppelt so groß ist. Bei der Parallelschaltung ist es so, dass an beiden Glühlampen die gleiche Spannung anliegt und der Stromfluss, ebenso wie die Leuchtkraft auch, vom Widerstand des Bauteils abhängig ist. Da es sich bei den beiden Verbrauchern hier um denselben Widerstand handelt, leuchten beide Lampen gleich hell und zwar genau so hell, wie eine Glühlampe im einfachen Stromkreis.

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Die fachlichen Grundlagen sind nun ausreichend dargelegt. Aber kann man von Grundschülern erwarten, den Spannungsbegriff und die Bauteile wie Leuchtdiode, Widerstand, Kondensator, Summer und Elektromotor verstehen zu können? Nur wenige Autoren haben sich bis jetzt mit dieser Thematik auseinandergesetzt. So erscheint es notwendig auch auf Literatur für die Sekundarstufe I und auf diverse Internetquellen zurückzugreifen. Die Antworten fallen jedoch alle ähnlich aus. Der Spannungsbegriff sei in der Grundschule noch nicht einführbar. Berufen wird sich hier oft auf die Empirie. „Die Vermittlung des Spannungsbegriffs in der Schule ist schwierig und oft nicht von Erfolg gekrönt, wie empirische Untersuchungen belegen. Viele SS unterscheiden z.B. nicht zwischen Stromstärke und Spannung.“13 Die Schwierigkeit sei die notwendige Einführung des Teilchenmodells. Möller verzichtet in ihrem Themenheft deshalb „bewusst auf die tiefere Bearbeitung der Begriffe ‚Spannung’ und ‚Ladung’“, da dieses Modell oder bestimmte Analogiemodelle nach ihrer „Erfahrung zu Fehlvorstellungen“ führen würden.14 Dem entspricht auch Roland Duit, der auch für die Sekundarstufe I „große Schwierigkeiten“ bei der Anwendung konstatiert.15 Eine Befragung von Schülern dieser Altersstufen ergab, dass Spannung und Strom von diesen gar nicht getrennt würden. Das läge aber nicht an der Verwechslung der Begriffe, sondern an einem „fehlenden Konzept für ‚Spannung’ (und für ‚Strom’).16 Spannung werde in der Regel als Eigenschaft des elektrischen Stromes und nicht als seine Ursache angesehen. Versucht man nun also in der Grundschule den Begriff „Spannung“ zu vermeiden oder lediglich als Voltzahl auf den Batterien einzuführen, so widerspricht man zwei elementaren Zielen vom Sachunterricht. In ihm geht es nicht nur um die „Verbesserung der Kompetenz der Schüler zur Bewältigung ihrer kindlichen Lebenswirklichkeit“17, sondern vielmehr um die „Propädeutik im Hinblick auf den Physikunterricht in der Sekundarstufe“16. Denn das, was in der Grundschule erworben wird, ist in der Sekundarstufe I noch von Relevanz. Es ist also die Aufgabe des Sachunterrichts, Grundvorstellungen aufzubauen, die dann auf der weiterführenden Schule „so differenziert und ergänzt (werden können), dass möglichst kein Umlernen der Physik erfordert wird“18. Versäumt man dies, so können gerade „Alltagsvorstelllungen über den elektrischen Stromkreis […] Lernhindernisse während der ganzen Schulzeit“17 sein, „wenn 13

http://www.physik.uni-regensburg.de/didaktik/gem_Mat/ELehre/el_Spannung_Info.pdf S. 1 Vgl. Möller, Kornelia: Klasse(n)Kisten für den Sachunterricht. Themenheft Elektrischer Strom. S. 5 15 http://www.brgkepler.at/~rath/pl_an/teilchenmodell07/duit_teilchenmodell.pdf S. 1 16 http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~wilhelm/Vortraege/RLFB.pdf S. 15 17 Stork, Elke; Wiesner, Hartmut: Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre im Sachunterricht. S. 218 18 http://sinus-transfer.uni-bayreuth.de/fileadmin/MaterialienIPN/G5_gesetzt.pdf S. 26 14

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sie nicht schon in der Grundschule durch angemessene physikalische Vorstellungen ersetzt werden“17. Gerade für den Spannungsbegriff ist dies notwendig. Schließlich stellt er den zentralen Begriff in der Elektrizitätslehre dar, denn er ist die Ursache für einen Stromfluss. Dennoch wird Unterricht zum Thema „Strom“ oft nur auf die Begriffe beschränkt, „die von den Kindern beobachtet und ausprobiert werden können“19. Begriffe wie „Spannung“ seien „eher fraglich, da sie ein großes abstraktes Denkvermögen erfordern“18. Dadurch erscheine es vor allen Dingen schwierig, Spannung durch Versuche zu veranschaulichen20. Dem soll mit dieser Arbeit deutlich widersprochen werden. Verständlicherweise ist der Spannungsbegriff sicherlich im Grundschulalter nicht leicht zu erlernen. Dennoch würde man die Kinder unterschätzen, wenn man aus diesem Grund auf seine Behandlung verzichten würde. Schließlich besitzen viele von ihnen einen Vorbegriff zur Spannung oder haben zumindest Vorerfahrungen mit Batterien gesammelt. Sie haben also oft selbst schon die Voltzahlen auf den Batterien gelesen und haben erlebt, dass manche Geräte mehr Batterien benötigen als andere. Im Unterricht wäre also ein wichtiger Versuch zur Spannung die Verwendung von Batterien unterschiedlicher Größe und „Stärke“. Durch ihn kann eine Beziehung zwischen der Voltzahl auf der Batterie und der Leuchtstärke der Glühlampe hergestellt werden. Eine höhere Spannung verursacht offensichtlich einen größeren Stromfluss. Bleibt es jedoch nur bei dieser Elementarisierung, so besteht die Gefahr eines Gleichsetzens der beiden Begriffe. Aus diesem Grund ist es notwendig, ihren Zusammenhang tiefer gehend zu thematisieren und dies nicht als Vorziehen von der Physik der Sekundarstufe I in die Primarstufe zu verstehen21. Aufgrund der Bedeutsamkeit des Spannungsbegriffes

erscheint

es

vielmehr

sinnvoll

„das

Elektronenmodell

im

20

Sachunterricht der Grundschule einzuführen“ . Es ist „sachlich relevant“ und kann zudem „verhindern, dass Grundschülerinnen und Grundschüler im Sachunterricht inadäquate Alltagsvorstellungen über den elektrischen Stromkreis entwickeln“20. Deswegen wird in der Unterrichtsreihe eine weitergehende Elementarisierung von Spannung als die oben angeführte verwendet. Spannung ist demnach ein „Elektronen(dichte)unterschied“22. Dabei ist nicht wirklich von Elektronen, sondern vielmehr von elektrischen Teilchen, die Rede. Ihre Einführung geschieht parallel zu einem Analogieversuch mit Wasser (siehe Anhang, S. 113). Durch zwei über einen Hahn miteinander verbundene zylindrische Säulen, die mit Wasser gefüllt werden, wird hier die Funktionsweise der Batterie verdeutlicht. Bei

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Deisler, Sabrina: Der Strom macht’s. S. 30 http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~wilhelm/klausur/Stromkreis.pdf S. 4 21 http://sinus-transfer.uni-bayreuth.de/fileadmin/MaterialienIPN/G5_gesetzt.pdf S. 26 22 http://www.physik.uni-regensburg.de/didaktik/gem_Mat/ELehre/el_Spannung_Info.pdf S. 3 20

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geschlossenem Hahn ist ein Unterschied der Wasserpegel möglich. Hier besteht durch den höheren Wasserdruck in einer Säule eine Spannung, die sich beim Öffnen des Hahns im Ausgleich der Wassersäulenhöhen äußert. Sind also zu Βeginn des Versuches mehr Wasserteilchen in der ersten als in der zweiten Säule, so sind in der „vollen“ Batterie mehr elektrische Teilchen an ihrem Pluspol als an ihrem Minuspol. Beim Schließen des Stromkreises gleicht sich diese Anzahl an Teilchen aus. Dann ist die Batterie „leer“. Es besteht keine Spannung mehr und auch Strom kann nicht mehr fließen. Dieser Versuch scheint geeignet, den Begriff „Spannung“ einzuführen und vom Strombegriff zu differenzieren. Spannung ist hier mit dem Wasserdruck zu vergleichen und kann auch als „Kraft, die Elektronen im Leiter bewegt“21 elementarisiert werden. Der veranschaulichte Ausgleich von elektrischen Teilchen hat hier noch einen weiteren Vorteil. Er illustriert eine feste Fließrichtung des Stromes und wirkt somit Zweiführungsvorstellungen entgegen. Die Kinder sollten also erkennen, dass der Strom nicht durch beide Kabel der Batterie zur Lampe fließt und dort „verbraucht“ wird. An dieser Stelle soll festgehalten werden, dass die Thematisierung der Spannung nicht jedem Grundschüler klar und verständlich sein wird. Der Erfolg des Unterrichtes wird dennoch gewährleistet sein. Schließlich ist es ein utopisches Ziel, anzunehmen, dass alle vermittelten Konzepte von den Kindern übernommen werden. Vielmehr gelingt durch die Einführung eine Differenzierung innerhalb der Schülerschaft, die bei jedem Schüler unterschiedliche Lernfortschritte bewirkt. Stärker profitieren könnten hier die stärkeren Schüler, die vielleicht schon die Beziehung zwischen Spannung und Stromfluss adäquat beschreiben können. Dennoch wird auch bei den anderen Schülern schon eine gute Basis geschaffen, wenn ihnen zunächst klar wird, dass Spannung und Stromfluss nicht dasselbe ist. Ebenso wie der Spannungsbegriff können aber auch die Bauteile Widerstand, Leuchtdiode, Kondensator, Summer und Elektromotor in der Grundschule eingeführt werden. Da sie nur als Blackbox eingeführt werden, gelten sie nicht als neuer Lernstoff. Ihre Funktionsweisen sollen also nicht erklärt werden. Vielmehr führt ihr Einsatz im Unterricht zu hilfreichen Beobachtungen, die Kinder im Experiment machen können. Mit der Leuchtdiode, dem Summer und dem Elektromotor zusammen mit der Glühlampe können die Wirkungen Licht, Wärme, Bewegung und Tonerzeugung des Stromes von den Kindern wahrgenommen werden. Außerdem ist beim Anschließen der Bauteile auch oft auf die richtige Polung zu achten.

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Der Widerstand und der Kondensator eröffnen zudem Möglichkeiten auf den Stromfluss Einfluss zu nehmen. Strom kann durch sie begrenzt oder „gespeichert“ werden. Auch komplizierte Schaltungen mit diesen Bauteilen können von den Kindern anhand ihrer Funktion beschrieben werden, auch wenn der inhaltliche Aufbau nicht zu 100% verstanden werden kann. Vielmehr macht diese Darstellung dann Lust auf mehr und kann Kinder motivieren, sich weiter mit dem Thema „Strom“ auseinanderzusetzen.

Der praktische Teil: Die Erprobung der Unterrichtseinheit in der Grundschule

2.4 Die Beschreibung der Lernausgangslage Die Unterrichtseinheit wird aufgrund der Komplexität mit einer vierten Klasse durchgeführt. Die Schülerzusammensetzung ist sehr heterogen, weil durch Wiederholer oder Klassenwechsler immer wieder neue Schüler zum Kern der Klasse gestoßen sind. Die Kinder sind im Umgang miteinander aber meist nett und freundlich zueinander. Die Alterspanne beträgt aufgrund dreier Sitzenbleiber fast zwei Jahre. Dabei sind es Fe., ein Wiederholer und L., der Jüngste der Klasse, die im Unterricht immer wieder störend auffallen. Vom Sachunterricht kennen die Kinder sowohl die Stations- und die Forscherarbeit. Sie sitzen oft im Sitz- oder Theaterkreis, für den auch feste Gesprächsregeln gelten. Partnerarbeit funktioniert in der Regel gut, dürfen aber selbst Partner gewählt werden, bleiben oft D. und R. übrig. D. sei hier nochmals besonders hervor gehoben, da ihre Forschermappe im Anhang zu finden ist (S. 142). Aufgrund einer Erkrankung, dem so genannten Träumersyndrom, ist sie bei Arbeitsaufträgen sehr langsam. Dies kann auch an ihren Verschriftlichungen im Unterricht gesehen werden. Auch Gruppenarbeit gestaltet sich innerhalb der Klasse manchmal aufgrund gewisser Antipathien schwierig. Gerade L. und S. ziehen sich hier häufiger aus der Gruppe zurück. Für die Themen des Sachunterrichtes sind die Schüler aber immer zu begeistern. Im Hinblick auf die durchzuführende Lerneinheit bleibt noch zu erwähnen, dass es zwei LRS- Kinder und sieben Kinder mit Migrationshintergrund in der Klasse gibt. Bei drei der zuletzt Genannten sind Schwierigkeiten beim Verständnis von Arbeitsaufträgen und beim schriftlichen Ausdrücken von Gedanken zu erwarten. 17

Kurz müssen nun auch die in den Einzelinterviews befragten Schüler beschrieben werden. S. ist türkischer Abstammung, spricht aber genau wie seine Mutter schon gut Deutsch. Oft fehlen ihm aber die genauen Begriffe, die Zusammenhänge erfasst er jedoch gut. Mündlich bringt er somit seine Leistung, aber er ist nachlässig und oberflächlich, was Verschriftlichungen angeht. Im Sachunterricht steht er deshalb auf der Note 4. K.’s Familie kommt aus Sri Lanka. Zu Hause wird kein Deutsch gesprochen. K. ist aber sehr fleißig, aufgeschlossen und gut integriert. Sie macht alles mit, hat jedoch sprachliche Defizite. Das zeigt sich besonders in der schriftlichen Realisation von Gedanken. Auf dem Halbjahreszeugnis erhielt K. eine 3. F. ist gerade bei naturwissenschaftlichen Themen sehr motiviert und weiß auch viel. Deshalb ist er mündlich meist gut, arbeitet aber schriftlich sehr oberflächlich. Insgesamt steht er deshalb im Sachunterricht nur 3. Im Moment macht er eine schwierige familiäre Phase durch, die seine ausgeprägte Emotionalität wieder verstärkt zum Vorschein hat treten lassen. Diese äußert sich vereinzelt in Wutentladungen. M. ist ein im Sachunterricht sehr interessierter Schüler, den man meistens fragen kann. Er hat auch keine Scheu, von sich aus seine Ideen zu äußern. Deshalb ist er mündlich sehr gut. Manchmal macht er gerade im Schriftlichen kleine Fehler oder arbeitet zu oberflächlich. Dennoch steht auf seinem Halbjahreszeugnis eine 1. Auch P. ist eine Einserkandidatin. Sie ist sehr fleißig und macht alles mit. Im Unterricht beteiligt sie sich sehr gut. Bemerkenswert ist, dass sie sich auch Hintergrundinformationen zu Inhalten besorgt.

2.5 Anmerkungen zur Durchführung der Unterrichtseinheit Im Folgenden wird ein erprobter Unterrichtsentwurf für eine Reihe zum Thema „Strom“ vorgestellt. Die sich in der Praxis dargestellten Probleme wurden überdacht und Vorschläge zur Ausbesserung der Einheit gewonnen. Die Vorstellung folgt dem Verlauf der Sequenzen im Unterricht. Der Kurzentwurf befindet sich im Anhang der Arbeit. Außerdem sind im Anhang auch zwei Realisierungen der gesamten Forschermappe von einer leistungsstärkeren und einer leistungsschwächeren Schülerin inklusive aller bearbeiteten Arbeitszettel enthalten (siehe Anhang, S. 142). Die Lernziele der Einheit und die zeitliche Planung sind im Kurzentwurf nachzulesen (siehe Anhang, S. 59).

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1. Sequenz: Eine Welt ohne Strom

Im ersten Teil des Unterrichts geht es zunächst um die Aktivierung der Schüler. Sie sollen für das Thema begeistert werden, indem ihnen seine Relevanz für ihren Alltag aufgezeigt wird. Ganz konkret geschieht dies durch ein eigens konstruiertes Puppenhaus, das elektronische Schaltungen enthält. Die im Unterricht benutzten Materialien wie LEDs, Kondensatoren, Elektromotoren, Widerstände und Summer finden sich alle in diesen Schaltungen wieder, schließlich ist die Einheit grundsätzlich aus der Motivation entstanden, dieses Puppenhaus als Unterrichtsmittel einzusetzen. Da nun jedoch dieses Puppenhaus ein Unikat darstellt, soll es hier nur kurz beschrieben werden. Denn im Unterricht hat es dann doch (noch) nicht den erhofften Einsatz gefunden. Trotzdem werden nun kurz die Schaltungen des Hauses vorgestellt. Jedes der fünf Einzelzimmer verfügt über eine Beleuchtung, die aus parallel geschalteten LEDs mit Vorwiderstand und einem Schalter aufgebaut ist. Ohne Schalter kann sie auch von den Kindern auf dem Steckbrett konstruiert werden. Im Wohnzimmer des Hauses ist parallel zu den LEDs noch ein Kondensator geschaltet. Dieser bewirkt eine verzögerte Ausschaltung des Lichtes. Der Elektromotor im Kinderzimmer fungiert als Deckenventilator. Die Klingel besteht aus einem Summer und einem Taster. All diese Schaltungen sind elementar und könnten auch durch die Schüler aufgebaut werden. Zusätzlich befinden sich aber noch zwei Schaltungen im Haus, die durch Grundschüler unmöglich verstanden werden können. Zum einen gibt es in der Küche eine Alarmanlage, die ein- und ausgeschaltet werden kann. Bei Öffnung der Fenster schlägt ein Summer Alarm. Außerdem befindet sich im Treppenhaus eine Treppenhausschaltung. Sie lässt die LEDs eine bestimmte Zeit leuchten. Wesentlichen Anteil an dieser Zeitschaltuhr haben auch Kondensatoren, die in der Schaltung von den Kindern auch gesehen werden können. Das Haus stellt den Alltagsbezug zu den Bauteilen her. Auch wenn die Kinder nicht alle Schaltungen erklären können, so wird ihnen doch vorgestellt, was durch Kombinationen der Bauteile für Funktionen erreicht werden können. Als motivierender Einstieg bietet es sich an, solche Schaltungen zu präsentieren. Das muss nicht gleich in Form eines Puppenhauses geschehen. Es können auch Konstruktionen auf einem Steckbrett oder ähnliches sein.23 Das zunächst vorliegende Unverständnis bei den Schülern weckt ihre Neugierde an den Schaltungen und die Lust, sie verstehen zu wollen.

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Die Lehrkraft kann parallel geschaltete LEDs auf dem Steckbrett, die über einen Schalter eingeschaltet werden präsentieren. Ebenso gut kann aber auch eine Parallelschaltung von LEDs und Summer präsentiert werden, in der Licht und Ton einzeln über einen Schalter einzuschalten sind. Auch die verzögerte Ausschaltung mit Hilfe eines Kondensators bietet sich an.

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Im Unterricht werden die Schaltungen zunächst ausprobiert und ihre Funktionen durch die Schüler beschrieben. Danach sollte die Notwendigkeit des Stromes kurz thematisiert werden. Da durch die Lehrkraft nur einzelne Beispielschaltungen präsentiert worden sind, können die Schüler nun selbst Situationen nennen, in denen sie täglich Strom im Haushalt benötigen. Man erfasst hier nicht nur wichtige Präkonzepte und Vorerfahrungen, auf die man später zurückgreifen kann, sondern regt auch eine Reflexion des Umganges mit Strom an. Um den Schülern die Bedeutung des Stromes noch deutlicher zu machen, wird nun mit ihnen das Szenario „Eine Welt ohne Strom“ entworfen. Dazu bearbeiten die Kinder drei Arbeitsblätter. Auf dem ersten befindet sich der Querschnitt eines Hauses. Hier sollen alle elektrischen Geräte durch die Kinder ausfindig gemacht und eingekreist werden. Diese Geräte finden sie auch auf dem nächsten Blatt zusammen mit ihren nicht-elektrischen Alternativen wieder. Zunächst sollen die „Stromverbraucher“ ausgeschnitten werden. Sie können auf dem dritten Arbeitsblatt dann in die linke Spalte einer Tabelle („Diese Geräte kann ich ohne Strom nicht gebrauchen.“) geklebt werden. In einer Eins-zu-eins Zuordnung können dann in die rechte Spalte genau die Gegenstände geklebt werden, die man „als Ersatz benutzen“ kann. Anstatt den Fernseher einzuschalten, kann man zum Beispiel die Zeitung lesen. In den zwei Forschermappen im Anhang sieht man die ursprüngliche Form der Arbeitsblätter. Aufgrund der Erfahrungen im Unterricht, wurden folgende Verbesserungen vorgenommen: 1. Das Arbeitsblatt wurde dreigeteilt. Das erste zeigt nur das Haus, das zweite ist nur zum Ausschneiden der Gegenstände. Auf dem letzten Arbeitsblatt kann dann die Tabelle beklebt werden (siehe Anhang, ab S. 85). 2. Die Anzahl der exemplarischen Gegenstände wurde minimiert. Wichtig ist bei ihrer Auswahl, dass in jedem Zimmer ein elektrisches Gerät zu finden ist, um zu zeigen, dass Strom überall im Haus genutzt wird. Außerdem sollte auch mindestens ein Gebrauchsgegenstand dabei sein, der über Batterien oder einen Akku betrieben wird, um thematisieren zu können, dass auch solche Geräte ohne die Erfindung des Stromes niemals zu nutzen wären. Die Minimierung der Gegenstände spart Zeit. Sie können nun größer dargestellt und somit besser ausgeschnitten werden. 3. Eine klarere Eins-zu-eins Zuordnung konnte durch die Reduzierung der dargestellten Geräte erreicht werden. Im Unterricht wurde zum Beispiel der Ball nicht unbedingt als Ersatz für die elektrische Eisenbahn angesehen, weil keine gemeinsame Funktion, wie zum Beispiel beim Wäschetrockner und Wäscheständer, zu erkennen war. 20

4. Zur besseren Sortierung der Forschermappe am Abschluss der Reihe wurden die Arbeitsblätter mit Seitennummern versehen. Nach der Einzelarbeit kommen die Kinder wieder im Sitzkreis zusammen. Eine größere laminierte Abbildung des Hauses wird an der Tafel befestigt (siehe Anhang, S. 116). Daneben werden auch die, ebenfalls laminierten, alternativen Geräte mit doppelseitigem Klebeband an die Tafel geklebt. Die ohne Strom nicht mehr zu gebrauchenden Gegenstände können also von den Schülern durch ihre Alternativen überklebt werden. Als Endprodukt steht nachher das Haus ohne Strom als Diskussionsanlass. Die Bedeutung des Stromes, auch für die elektronische Steuerung von Heizungs- und Wasseranlagen, sollte hier nochmals deutlich von der Lehrkraft betont werden. Nach dem Klassengespräch wird den Kindern die Funktion der Forschermappe vorgestellt. Die Kinder heften ihre ersten Arbeitszettel ein und beantworten die Frage „Wie wichtig ist dir Strom?“ schriftlich. Sie dient zur Reflexion der Unterrichtsstunde. Deshalb sollten am Ende noch zwei Antworten von Schülern vorgetragen werden. Zur weiteren Motivation wird den Schülern ganz am Ende der Stunde dann das Stromdiplom, das sie bei guter Mitarbeit erhalten werden, präsentiert. Es ist auch im Anhang zu finden (S. 164)

2. Sequenz: Wann fließt ein Strom? Teil 1

Zunächst sollte das Thema dieser Sequenz fachgerecht korrigiert werden. Das Fragewort „wann“ zielt auf Zeitpunkte, in denen ein Strom fließt, ab. Deswegen sollte man besser danach fragen, was man braucht, damit ein Strom fließen kann. Zu Beginn der Doppelstunde werden zunächst die Ergebnisse der letzten Sequenz reflektiert. Es lesen also einzelne Schüler vor, wie wichtig ihnen Strom ist. Dies geschieht im Sitzkreis, in dem dann Bedingungen für einen Stromfluss von den Schülern genannt und auf Tonpapierstreifen vom Lehrer festgehalten werden. Dies ist notwendig, da hier wieder die Alltagsvorstellungen der Kinder zu Tage treten. Sie gilt es im Laufe des Unterrichtes zu widerlegen. Wichtig ist es also, sie zunächst zu kennen. Auf die Fragestellung „Wann fließt ein Strom?“ nannten die Kinder im durchgeführten Unterricht außerdem wichtige Begriffe, die es aufzugreifen gibt. Genannt wurden der „Stromkreislauf“, der „Verbraucher“ und das „Leiten“ des Stromes. Auch die „Erzeugung“ des Stroms kann von Relevanz sein. Dominierend war aber die Vorstellung vom Einschalten eines Gerätes oder die Verbindung von Stecker und Steckdose.

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Jede neue Idee sollte hier zunächst vom Lehrer in Stichworten auf Tonpapierstreifen notiert werden. Dopplungen oder ähnliche Aussagen können zu einer Vermutung zusammengefasst werden. Im Anschluss können den Kindern elektronische Bauteile vorgestellt werden. Es gilt in dieser Sequenz, die vier wichtigen Bedingungen eines Stromflusses zu erarbeiten: 1. Man braucht eine Energiequelle. 2. Man braucht einen „Verbraucher“. 3. Man braucht einen geschlossenen Stromkreis. 4. Man braucht leitende Verbindungen. Aufgrund der knappen zeitlichen Planung im durchgeführten Unterricht wurde aber eine Zweiteilung vorgenommen. Den Leitern und Nichtleitern kommt ein eigener Teil der Sequenz zu. Um nun die Begriffe Energiequelle, „Verbraucher“ und Stromkreis einzuführen, bietet es sich an, den Kindern zunächst möglichst wenige Bauteile zu geben. Es reicht, ihnen eine Glühlampe, eine Lampenfassung, Krokodilklemmen und einen Batteriekasten mit Batterien zur Verfügung zu stellen. Dadurch wird gerade bei den schwächeren Schülern eine Unsicherheit bei der Auswahl der Materialien vermieden. Ihr Ziel soll es sein, eine Glühlampe zum Leuchten zu bringen. Durch die geplante Partnerarbeit sind Beratungen und Hilfestellungen untereinander möglich. Jedes Kind kommt auf diese Art und Weise zu Erfolgserlebnissen. Um ein Chaos beim Verteilen der Bauteile zu vermeiden, bietet es sich an, sie vorne auszulegen. Sie werden bereits im Sitzkreis vorgestellt. An die Tafel wird dann die benötigte Anzahl der Bauteile geschrieben. Zur Differenzierung können leistungsstärkeren Kindern, die schnell fertig sind, weiterführende Aufgaben gegeben werden. Sie sollen nun möglichst wenige der Materialien benutzen. Dabei werden sie feststellen, dass sie die Lampenfassung und die Krokodilklemmen weglassen können. Sollten sie auch damit schnell fertig sein, können die Abisolierzange, Schraubendreher, Lüsterklemmen und normale Kabel zur Verfügung gestellt werden. Die Kinder sollen dann mit diesen Bauteilen eine Lampe zum Leuchten bringen. Sie bringen ihre Konstruktionen nach Beendigung der Partnerarbeit in den Sitzkreis mit. Zusammen werden die notwendigen Bauteile für das Leuchten einer Lampe und damit das Fließen eines Stromes genannt. Die Schüler beschreiben ihren Stromkreis und begründen ihre

Entscheidungen.

Die

Leistungsstarken 22

können

dann

ergänzen,

dass

die

Lampenfassung und die Krokodilklemmen nicht zu den notwendigen Bauteilen gehören. Reduziert werden die Bauteile also auf die Glühbirne und die Batterien. Benannt werden können letztere als die Energiequelle, die den Strom liefert. Die Glühbirne kann als „Verbraucher“ bezeichnet werden. Zu nennen ist auch die leitende Verbindung zwischen den Bauteilen. Im Übrigen kann hier schon gefragt werden, ob der Strom wirklich verbraucht wird. Der Verbrauchsvorstellung selbst kann aber am besten durch die Unterscheidung von Spannung und Stromfluss in der 3. Sequenz entgegengewirkt werden. Wichtig erscheint aber, die Fehlvorstellungen der Kinder widerlegen zu können. Dazu gehören Einleiter- und Zweiführungsvorstellungen. Viele Schüler vermuten im Vorfeld, dass ein Kabel als Verbindung zwischen Batterie und Glühlampe für einen Stromfluss ausreicht oder nehmen an, dass durch beide Kabel von der Batterie zur Glühlampe Strom fließt. Folgende Schaltungen sollte der Lehrer mit den Materialien noch einmal aufbauen und sich Erklärungen für ein Leuchten oder Nichtleuchten geben lassen: 1. Einleiterverbindung zwischen Batterie und Glühlampe. 2. Einen einfachen Stromkreis. 3. Einen offenen Stromkreis. 4. Einen Kurzschluss. Wichtig ist hierbei immer, den Stromfluss durch die Kinder mit dem Finger nachzeichnen zu lassen. Einige Kinder werden annehmen, dass durch ein Kabel (1.) nicht genug Strom zur Lampe fließen kann, durch zwei jedoch schon (2.). In der durchgeführten Unterrichtsstunde wurde jedoch die Idee genannt, dass der Strom durch das rote Kabel zur Lampe fließe und durch das

schwarze

Kabel

wieder

in

die

Batterie

gelange.

Dadurch

wurde

dem

Zweiführungskonzept relativ schnell die Grundlage entzogen. Erschüttert werden kann diese Vorstellung aber auch durch den Aufbau unterschiedlicher offener Stromkreise (3.). Präsentiert man nur die Batterie, vermuten die Kinder noch keinen Stromfluss. Steckt man sie aber in einen Batteriekasten, sagen Kinder mit einer Zweiführungsvorstellung, dass der Strom bis zum Ende der Kabel fließe. Präsentiert werden sollte nun ein offener Stromkreis, in dem an der Lampe zwei Krokodilklemmen angeschlossen sind, von diesen aber nur eine mit einem Kabel des Batteriekastens verbunden ist (siehe Anhang, S. 106). Flöße nun der Strom bis zum Ende der Kabel, dann müsste die Lampe eigentlich leuchten. Das wird sie bei der Demonstration aber nicht tun. Durch das Schließen des Stromkreises und ein Nachfahrenlassen des Stromes durch ein Kind sollte verdeutlicht werden, dass ein Stromkreis gebraucht wird. 23

Manche Kinder hatten auch die Vorstellung, der Strom würde in die Luft fließen. Im Unterricht wurde dies durch einen Langzeitversuch geprüft. Die Kinder konnten sagen, dass bei der Richtigkeit ihrer Theorie die Batterie schnell leer gehen würde. Also wurde zunächst eine Lampe mit einer Batterie im Batteriekasten zum Leuchten gebracht und dann auf das Fensterbrett gelegt. Am Ende der Reihe wurde die Helligkeit der Lampe durch das Anschließen derselben Batterie verglichen. Da die Lampe genau so hell leuchtete, wurde klar, dass kein Strom in die Luft fließt (siehe Anhang, S. 106). Präsentiert werden sollte auch eine Kurzschlussschaltung. Die einfachste wäre ein einfacher Stromkreis, indem man mit einer dritten Krokodilklemme den Plus- direkt mit dem Minuspol verbindet (siehe Anhang, S. 107). Die zunächst leuchtende Lampe erlischt dann. Macht kein Schüler hier einen Stromfluss von Plus- nach Minus aus, sollte der Lehrer auf jeden Fall die Nachteile dieses Kurzschlusses nennen: 1. Es fließt (zunächst) ein großer Strom. 2. Die Batterie ist schnell „leer“. 3. Der fließende Strom kann nicht genutzt werden. Eine Demonstration eines Kurzschlusses sollte im weiteren Verlauf der Reihe noch einmal folgen. Im durchgeführten Unterricht geschah er durch einen Zufall, blieb den Kindern aber im Gedächtnis. Die Folge war das Qualmen und Schmelzen eines kurzgeschlossenen Batteriekastens durch das starke Erhitzen der Batterien (siehe Anhang, S. 107). Auf dem Arbeitsblatt „Was braucht man, damit ein Strom fließt?“ können die Kinder am Ende der Stunde aufschreiben, dass eine Energiequelle, ein Verbraucher und ein geschlossener Stromkreis für einen Stromfluss notwendig sind und auch festhalten, welche Materialien sie bei ihrem Stromkreis benutzt haben. Die vierte Bedingung des Leitens des Stromes wird zunächst offen gelassen und im zweiten Teil der Sequenz dann ergänzt.

2. Sequenz: Wann fließt ein Strom? Teil 2

Zu Beginn dieser Einzelstunde wird kurz wiederholt, dass man für einen Stromfluss eine Energiequelle, einen „Verbraucher“ und einen geschlossenen Stromkreis braucht. Dann präsentiert man den Schülern einen offenen Stromkreis bestehend aus einem vollen Batteriekasten, einer Lampe und drei Krokodilklemmen. Zwischen zwei von diesen öffnet man ihn und schließt ihn einmal durch Holz und einmal durch Metall (siehe Anhang, S. 106). Man kann als Lehrkraft anführen, dass alle drei Bedingungen erfüllt sind und davon ausgehen, dass die Kinder das Leiten des Stromes als vierte Bedingung nennen werden. Selbst Kindern, die diesen Begriff noch nicht von sich aus benutzen, ist klar, dass Holz den 24

Stromkreis nicht so schließen kann, dass eine Lampe leuchtet. Vermutungen solcher Art sollten auch im ersten Teil der Sequenz schon erwähnt, aber zurückgestellt worden sein. Die Kinder dürfen sich im Anschluss in Partnerarbeit auch Materialien zum Aufbau eines offenen Stromkreises nehmen und alle Materialien im Klassenraum auf ihre Leitfähigkeit überprüfen. Nimmt man Materialien aus einer Klassenkiste oder zum Beispiel aus dem CVK-Kasten (siehe Anhang, S. 115), so ist es erforderlich, vorher zusammen festzustellen, um welche Materialien es sich handelt. Danach bekommt jeder Schüler das Arbeitsblatt „Bei welchen Gegenständen leuchtet die Lampe?“. Hier hält er in der Tabelle Leiter und Nichtleiter fest. In einem Sitzkreis werden die Ergebnisse dann zusammengetragen. Bemerkenswerte Ergebnisse, wie das Leiten von einer Bleistiftmine oder die anscheinend unterschiedliche Leitfähigkeit einer Batterie je nach „Polung“, können hier besprochen werden. Zusammen erarbeitet man dann auch die Begriffe „Leiter“, „Nichtleiter“ und „Isolator“. Während Leiter den Stromfluss ermöglichen, ver- oder behindern Nichtleiter oder Isolatoren ihn. Am Ende der Stunde sollten die Kinder die notwendige Leitfähigkeit der benutzten Materialien als wichtige Bedingung für einen Stromfluss auf dem Arbeitsblatt „Was braucht man, damit ein Strom fließt?“ ergänzen.

3. Sequenz: Was ist Spannung? Was ist Strom? Teil 1

Wie die vorherige Sequenz, so sollte auch diese Sequenz mit einer Reflexion des vorher Besprochenen beginnen. Möglichst anschaulich sollte deswegen in einem Sitzkreis nochmals auf alle vier Bedingungen für einen Stromfluss eingegangen werden. Zu jeder Bedingung sollte von der Lehrkraft eine Schaltung dargeboten werden. Es ist dann an den Schülern zu erklären, warum in dieser Schaltung kein oder ein Strom fließen kann. Gezeigt werden sollten jeweils eine Schaltung ohne Energiequelle, ein offener Stromkreis, ein mit einem Nichtleiter geschlossener Stromkreis und eine Schaltung ohne Verbraucher. Bei der letzteren handelt es sich um einen Kurzschluss. Dieser sollte mit seinen Gefahren nochmals kurz thematisiert werden. Die Ergebnisse der letzten Stunde können von der Lehrkraft schon vor der Stunde auf ein Plakat geschrieben werden und dies dann an der Tafel befestigt werden (siehe Anhang, S. 116). Nach der Reflexionsphase werden als stummer Impuls in die Mitte des Kreises zwei laminierte Warnschilder gelegt. Sie sind vollkommen identisch, nur der Text unter ihnen unterscheidet sich durch ein Wort. Beim zweiten Schild steht anstatt „Starkstrom! Lebensgefahr!“ „Hochspannung! Lebensgefahr!“ (siehe Anhang, S. 117). Die meisten Kinder der Klasse werden solche Schilder bereits gesehen haben und von sich aus ihre 25

Erfahrungen mit ihnen mitteilen. Sie sind ihnen unter anderem von Weidezäunen bekannt. Den Schülern ist auch bewusst, dass sie vor Stromschlägen warnen. In dieser ersten Phase des Unterrichts fragt die Lehrerin die Kinder nun nach einer Erklärung für die beiden unterschiedlichen Begriffe „Hochspannung“ und „Starkstrom“. Sie stellt in den Raum, dass es doch einfacher wäre, nur einen der beiden zu benutzen. Die Schüler werden nun versuchen, die Begriffe zu differenzieren. Im durchgeführten Unterricht schien aber kein Kind über einen Vorbegriff zur elektrischen Spannung zu verfügen. Alle formulierten Unterschiede beschränkten sich auf die unterschiedlich große Gefahr. Hochspannung wäre weniger gefährlich als Starkstrom, man würde jedoch trotzdem sterben können. Hochspannung ist den Kindern nicht bekannt. Sehr wohl können sie aber zum Begriff „Spannung“ etwas aus ihrem Alltagsleben erzählen. Sie kennen sowohl spannende Bücher, als auch Fletschen und das Bogenschießen. Anhand der letzteren beiden kann man sehr schön den Zusammenhang zwischen einer Spannung und einer Bewegung verdeutlichen. Je mehr man den Bogen oder die Fletsche spannt, desto weiter wird der Pfeil oder der Stein geschossen. Auf spannende Bücher oder Filme sollte nicht näher eingegangen werden, weil die Kinder hier den Zusammenhang zwischen Spannung und einer anschließenden Bewegung nicht erfassen können. Anschaulicher ist da schon die Muskelspannung. Auch diese ist den Kindern bekannt. Demonstriert werden kann nun das Hochheben einer Hantel oder eines anderen schweren Gegenstandes, wie zum Beispiel auch das Hochschieben der Tafel. Auch die Startposition des 50 Meter-Laufes bei den Bundesjugendspielen wäre eine Alltagssituation, in der die Kinder ihre Muskeln anspannen, um eine (schnellere) Bewegung zu erreichen. Ist der Zusammenhang zwischen der Notwendigkeit einer Spannung für eine Bewegung deutlich genannt worden, so sollte den Kindern nun wieder ein Stromkreis und die beiden laminierten Warnschilder gezeigt werden. Zunächst wird betont, dass Strom fließt. Strom ist damit auch eine Bewegung. Die Aufgabe der Schüler ist es nun Spannung und Strom im offenen und im geschlossenen Stromkreis zu verorten. Ihre Vermutungen können auf Tonpapierstreifen festgehalten werden. Im durchgeführten Unterricht befand sich laut den Schülern im offenen Stromkreis Spannung im roten Kabel und Strom im schwarzen Kabel. Im geschlossenen Stromkreis wurde Spannung in der Lampe vermutet. Der Strom wurde richtigerweise den Kabeln zugeordnet und auch festgehalten, dass er sich bewege. 26

Diese Vermutungen sollen nun anhand eines Versuches kontrolliert werden. Die Kinder bringen dabei eine Glühlampe mit Batterien unterschiedlicher Voltzahl zum Leuchten und erkennen die Unterschiede in der Helligkeit der Lampe. Sie sollen jedoch zunächst vermuten, was beim Einsatz der unterschiedlichen Batterien geschieht und erst dann ausprobieren. Aus diesem Grunde ist das in den Forscherheften zu findende, erste Arbeitsblatt „Was ist Spannung? Was ist Strom?“ geändert worden. Aufgrund der ersten Arbeitsanweisung hatten die Schüler sofort gebaut, ohne die Voltzahlen der Batterien zu notieren. Deshalb erscheint das folgende Vorgehen geschickter zu sein: 1. Noch im Sitzkreis wird den Kindern gesagt, dass sich die Spannung im Stromkreis in den Batterien, beziehungsweise in der Energiequelle, befinde. Ausgedrückt werde sie durch Zahlen. Zwei unterschiedliche Batterien können nun einem Schüler gereicht werden. Er liest die Zahlen vor und nennt dabei höchstwahrscheinlich auch das V, das dahinter steht. Schon hier weist die Lehrkraft auf diese Abkürzung für die Spannungseinheit Volt hin. Das ist nochmals auf dem neuen Arbeitsblatt schriftlich festgehalten. 2. Damit bekommen die Kinder nun zunächst die Aufgabe, sich ein Arbeitsblatt zu nehmen und sich auf ihre Plätze zu setzen. Die Aufgaben werden vorgelesen, damit alle Kinder wissen, was sie tun sollen. 3. Dann holen sich die Kinder zunächst die Batterien von vorne aus der Klasse, halten in Partnerarbeit alle Voltzahlen der Batterien auf dem Blatt fest und vermuten, was passiert, wenn sie eine Glühlampe mit den unterschiedlichen Batterien zum Leuchten bringen. 4. Erst danach dürfen die Schülerpaare nach vorne kommen und sich die für einen Stromkreis notwendigen Bauteile abholen. Nach den durchgeführten Versuchen notieren sie ihre Beobachtungen und können auch eine Erklärung formulieren. Wichtig ist für die Lehrkraft, diese Gruppenarbeit rechtzeitig vor dem Ende der Doppelstunde zu beenden, da auch noch aufgeräumt werden muss. Die Ergebnisse der Stunde sollten dann festgehalten werden: 1. Je höher die Voltzahl auf der Batterie, desto heller leuchtet die Lampe. Hier sollte auf jeden Fall besprochen werden, dass dann natürlich der Strom auch größer ist. Damit wäre der Zusammenhang zwischen der elektrischen Spannung und dem Stromfluss hergestellt. 2. Die Kinder können auch vermuten, dass das Benutzen von mehr Batterien ein helleres Leuchten der Lampe zur Folge hat. Am Beispiel von vier AA-Mignon-Batterien mit

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insgesamt 6 V und der Blockbatterie mit alleine 9 V kann diese Vermutung widerlegt werden. 3. Da die Glühlampen meist nur für 3,5 Volt oder 4,5 Volt geeignet sind, kann es passieren, dass Glühlampen durchbrennen beziehungsweise schwarz werden. Bei Bedarf kann anhand dessen erwähnt werden, dass Geräte niemals mit einer höheren Spannung, als für sie vorgesehen, betrieben werden dürfen. Im Unterricht schaffte es eine Jungengruppe so viele Batterien in Reihe zu schalten, dass sie auf eine Voltzahl von 21 kamen. Kommt keiner der Schüler auf diese Idee, so sollte ruhig die Lehrkraft eine Glühlampe so überlasten, dass sie durchbrennt. Sollten aus Zeitgründen nicht alle Schüler die Erklärung auf dem Arbeitsblatt notiert haben, so kann dies als Hausaufgabe aufgegeben werden.

3. Sequenz: Was ist Spannung? Was ist Strom? Teil 2

Zur weiteren Verdeutlichung des in der vorherigen Doppelstunde entdeckten Zusammenhangs zwischen Spannung und Strom, wird in einer weiteren Einzelstunde ein Teilchenmodell eingeführt. Es soll besser beschreiben, dass die beiden Begriffe nicht das Gleiche bezeichnen. Dies geschieht anschaulich durch einen Analogieversuch mit Wasser. Von der Lehrkraft sind deswegen gewisse Vorbereitungen zu treffen: 1. Der Wasserausgleichsversuch ist bereits auf dem Pult aufgebaut. Eine genaue Beschreibung befindet sich im Anhang der Arbeit (siehe Anhang, S. 113). 2. An der Tafel hängen bereits drei identische Plakate, auf die jeweils eine Abbildung einer Batterie und am besten der Querschnitt einer Glühlampe darüber abgebildet sind (siehe Anhang, S. 117). Die Einzelstunde beginnt mit einem Klassengespräch. Die Kinder sollten dazu alle auf ihren Plätzen sitzen, so dass sie das Pult und die Tafel sehen können. Die Schüler werden gebeten, ihre Forscherhefte und eine AA-Mignon-Batterie herauszuholen. In der Reflexionsphase zu Beginn werden nun die wichtigen Hinweise bei der Arbeit mit Batterien besprochen. Dabei zielt die Lehrkraft auf die Nennung der Polung und der Voltzahl ab. Sie werden für die Verdeutlichung von Spannung und Strom im Analogieversuch wichtig sein. Die Lehrerin lässt sich von den Schülern erklären, wie die Batterien richtig in den Batteriekasten eingelegt werden müssen und führt dann die Begriffe Plus- und Minuspol ein. Auf die Plakate schreibt er dann in die Batterien jeweils den Pluspol in rot und den Minuspol in schwarz ein. Im ersten Plakat notiert er zudem die Spannung der Batterie von 1,5 Volt. 28

Es wird zum Analogieversuch übergeleitet. Die Lehrkraft erklärt, dass sie mit diesem Versuch die Funktionsweise der Batterie erklären möchte. Dazu werden bei geschlossenem Hahn beide Chromatographiesäulen zunächst ungleichmäßig mit Wasser gefüllt und dieses mit der Indikatorflüssigkeit blau gefärbt. Man kann nun die Kinder ruhig vermuten lassen, was beim Öffnen des Hahnes passiert. Vielleicht kennt ein Schüler das Ergebnis schon. Dann demonstriert er den Ausgleich der Wasserpegel. Hilfreich ist es, wenn ein Kind bereits den Wasserdruck als Ursache für diesen Ausgleich nennt. Er ist mit der Spannung in der Batterie zu vergleichen. Nach der ersten Demonstration des Versuches schließt die Lehrkraft den Hahn wieder und füllt erneut eine Säule mit Wasser. Das sich darbietende Bild der ungleichen Wasserhöhen nutzt er als Analogie für eine „volle“ Batterie. Ebenso wie in der einen Wassersäule mehr Wasserteilchen als in der anderen sind, so seien auch am Pluspol der Batterie mehr elektrische Teilchen als an ihrem Minuspol. In die Batterie auf dem ersten Plakat wird nun exemplarisch eine gerade Anzahl von roten Punkten am Pluspol eingezeichnet. Auch auf die Wassersäulen wird mit Folienstiften danach ein + und ein – Zeichen geschrieben. Den Schülern wird danach eine AA-Mignon-Batterie gezeigt und festgestellt, dass noch kein Strom fließt. Dies würde sich auch nicht ändern, wenn man sie nun in einen Batteriekasten einlege. Im Unterricht war diese Annahme jedoch bei den Schülern noch nicht gefestigt. Im ersten Plakat werden die Verbindungen vom Pluspol und Minuspol zur Glühlampe hin gezeichnet. Sie berühren sie dabei aber nicht. Als Überschrift wird „‚Volle’ Batterie“ ergänzt. Analog werden jetzt auch die anderen Plakate bearbeitet. Zunächst wird immer auf den Wasserausgleichsversuch hingewiesen. Für das zweite Plakat wird hier der Hahn kurz geöffnet und dann wieder geschlossen. Die Wasserpegel haben sich nun von ihrer Höhe her ein wenig angenähert, sind aber noch längst nicht ausgeglichen. Im Bezug auf die Batterie können die Kinder formulieren, dass nun schon elektrische Teilchen am Minuspol seien. In die Zeichnung werden die Kabel von der Batterie von der Lehrkraft und auf Anweisung der Schüler an die Glühlampe24 eingezeichnet. An den Pluspol der Batterie zeichnet die Lehrerin die Hälfte der roten Punkte ein. Mindestens ein Teilchen soll auf dem Weg zur Glühlampe sein, eins sollte sich gerade durch deren Draht bewegen, ein anderes sich im Kabel zum Minuspol der Batterie befinden. Diese Teilchen werden mit einem Bewegungspfeil in Richtung Minuspol versehen. Der Rest der Teilchen wird am Minuspol der Batterie eingezeichnet. 24

Das eine Kabel wird an das Gewinde gezeichnet, das andere an den metallenen Fußkontakt am unteren Ende der Glühlampe.

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Die Kinder lernen durch diese Analogie die technische Stromrichtung von + nach – und nicht die später im Unterricht der Sekundarstufe thematisierte physikalische Stromrichtung von – nach +. Dies erscheint sinnvoll, da es für die Kinder plausibler sein wird, da ein + Zeichen mit mehr Teilchen assoziiert wird. Wichtig ist vorrangig, dass sie den Stromfluss als eine gerichtete Bewegung begreifen. Die Lampe wird mit gelben Strahlen versehen. In diesem Moment leuchtet sie. Beim Wasserausgleichsversuch wird nun der Hahn wieder geöffnet. Er bleibt solange offen, bis die Höhen der Wassersäulen gleich sind. Ebenso wie das Wasser nicht mehr fließt, egal ob man den Hahn öffnet oder schließt, kann auch bei der Batterie kein Strom mehr fließen, wenn keine Spannung mehr vorhanden ist. Dies kann im dritten Plakat durch das Einzeichnen von gleich vielen roten Punkten am Plus- und Minuspol der Batterie verdeutlicht werden. Es erhält die Überschrift „‚leere’ Batterie“. Zusammenfassend werden nun auf den Plakaten markante Merksätze notiert. Im Unterricht waren es die folgenden: Erstes Plakat: Am + Pol sind mehr elektrische Teile als am – Pol. Das ist Spannung. Zweites Plakat: Die elektrischen Teile strömen von + nach -. Das ist Strom. Drittes Plakat: Am + Pol sind genau so viele Teile wie am – Pol. Möchte man am Ende der Stunde zur Reflexion einen Lückentext ausfüllen lassen, so wie es im durchgeführten Unterricht geschehen ist, so bietet es sich an, die Sätze vorher zu formulieren. Schöner wäre es, von den Schülern Vorschläge zu sammeln und diese adäquat anzupassen. Dann könnte man als Reflexionsaufgabe offene Fragen stellen, auf die die Schüler antworten

könnten.

Dies

erfordert

von

den

Schülern

nämlich

eine

tiefere

Auseinandersetzung mit ihren Vorstellungen von Spannung und Strom, als es beim Ausfüllen eines Lückentextes der Fall ist. Bevor diese Reflexion stattfindet, kann im Unterricht nochmals ein Bezug zum Alltagswissen der Kinder zum Wort „Spannung“ hergestellt werden. Dazu bedient sich die Lehrkraft eines Fitnessbandes, das sie an die Türklinke knotet. Je nachdem wie stark sie es spannt, verändert sich die Geschwindigkeit der Bewegung des Bandes zur Tür hin, wenn sie es loslässt. Danach ist weder eine Spannung noch eine Bewegung des Bandes zu sehen. Es hängt schlaff an der Klinke. Genauso gut ist auch bei einer „leeren“ Batterie ohne Spannung kein Stromfluss mehr möglich.

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4. Sequenz: Die Reihen- und Parallelschaltung Teil 1

In diesem Teil des Unterrichtes werden, zusammen mit dem Steckbrett, die Leuchtdioden und die Widerstände vorgestellt. Damit dies für die ganze Klasse geschehen kann, ist es wichtig, dass die Lehrkraft im Vorfeld der Doppelstunde einige Vorbereitungen trifft. Im durchgeführten Unterricht half eine spezielle Tischkamera, die mit einem Beamer verbunden wurde. Somit konnte der Lehrer, am Pult sitzend, die Schaltungen unter dieser Kamera aufbauen, während die Kinder alles durch die Projektion an der Wand mitverfolgen konnten (siehe Anhang, S. 115). Da nicht jede Schule eine solche Tischkamera besitzt, soll hier noch eine Alternativlösung vorgeschlagen sein. Durch ein AV-Kabel kann ein Camcorder auf einem Stativ mit einem Fernseher verbunden werden. Auf diesem kann dann das Kamerabild gesehen werden. Neben dem Aufbau der Tischkamera für die Vorstellung der Bauteile, muss die Lehrerin aber noch weitere Vorbereitungen treffen. Jedes Schülerpaar bekommt ab dieser Unterrichtssequenz einen eigenen Materialbeutel, mit dem es bis zum Ende der Reihe verantwortungsvoll umgehen soll. Die Schüler bekommen ein Steckbrett, zwei Leuchtdioden einer Farbe, zwei passende (Vor-)Widerstände und vier Steckbrücken, zwei kurze und zwei lange. Die kleinen Bauteile kann man am besten in alten Fotodöschen verstauen. Diese kann man auf Anfrage in jedem Fotogeschäft erhalten. Zusammen mit dem Steckbrett kann man den Kindern dann die Materialien, in zum Beispiel wieder verschließbaren Gefrierbeuteln, aushändigen. Außerdem soll in dieser Doppelstunde in die Arbeit der Forscher eingeführt werden. Deswegen wäre es günstig, als Lehrkraft auch ein passendes Plakat vorzubereiten (siehe Anhang, S. 116). Auf ihm soll der Dreischritt der wissenschaftlichen Arbeitsweise dargestellt sein. Im durchgeführten Unterrichtet wurde diese folgendermaßen vorgestellt: Ein guter Forscher… 1. …vermutet zuerst. 2. …führt dann den Versuch durch und beobachtet genau. 3. …versucht zu erklären. Dieser Weg erscheint günstig, weil die Kinder mit den Vermutungen ihre Präkonzepte formulieren und bei den Versuchen oft mit ihnen widersprechenden Beobachtungen konfrontiert werden. Ihre bisherige Erklärung könnte verworfen und eine neue akzeptiert werden. Zu Beginn dieser Doppelstunde werden zunächst jedoch die Begriffe „Spannung“ und „Strom“

nochmals

aufgegriffen.

Dazu 31

lesen

am

Besten

zwei

Kinder

ihre

Forscherbucheinträge vom zweiten Arbeitsblatt „Was ist Spannung? Was ist Strom?“ vor, ehe ein weiterer Schüler mündlich die Begriffe beschreibt. Deutlich sollte hier der Zusammenhang werden. Spannung ist ein Zustand der mengenmäßigen Ungleichheit von elektrischen Teilen. Strom ist die Bewegung dieser Teilchen, um diesen Unterschied auszugleichen. Nach dieser Reflexionsphase wird den Schülern das Steckbrett und die Art und Weise, eine Leuchtdiode auf ihm zum Leuchten zu bringen, erklärt. Die Erklärung und ein Bild dieser Schaltung sind im Anhang zu finden (S. 108). Diese Schaltung sollen die Kinder vor der Durchführung des ersten Versuches reproduzieren. Die Bauteile werden den Schülern unter der Kamera gezeigt und mit ihren Bezeichnungen an die Tafel geschrieben. Hier wird auch die Anzahl der im Materialbeutel vorhandenen Bauteile notiert. Nach der Einführung in die Forscherarbeit sollte auch noch einmal besprochen werden, wie sich die Schüler bei Fragen während der Arbeit am Versuch zu verhalten haben. Sie sollen aufzeigen und nicht in die Klasse rufen, weil es sonst sehr unruhig im Klassenraum wird. Nun können die Kinder nach vorne kommen und sich jeweils das Arbeitsblatt „Lass die Leuchtdioden leuchten – Versuch 1: Wie bringe ich eine Leuchtdiode zum Leuchten?“ und zu zweit einen Materialbeutel abholen. Sie erfüllen nun die erste Aufgabe auf dem Zettel und bauen die vom Lehrer gezeigte Schaltung nach. Dies dauert ungefähr 10 Minuten. Drei Schwierigkeiten können hierbei auftreten: 1. Die Funktionsweise des Steckbrettes ist noch nicht ganz verinnerlicht. 2. Der Vorwiderstand wird nicht benutzt. Die LED leuchtet dann unnatürlich hell. In der Vorstellung sollte auf die Wichtigkeit des Widerstandes hingewiesen werden. Am Besten wird auch gezeigt, wie das Licht der LED sich verändert, wenn kein Widerstand in den Stromkreis geschaltet ist. 3. Die LED wird von den Steckplätzen richtig, aber mit falscher Polung, in den Stromkreis eingesteckt. Deshalb muss nicht jede LED leuchten, wenn der erste Zettel dann zusammen bearbeitet werden soll. Dieser dritte „Fehler“ kann und wird in der gemeinsamen Bearbeitung behoben. Unter der Tischkamera zeigt die Lehrkraft die Schaltung. Sie lässt die Schüler vermuten, was bei einer Umpolung der LED geschehen wird. Jeder schreibt seine Vermutung auf das Arbeitsblatt. Danach werden unterschiedliche Hypothesen vorgetragen. Die Beobachtung bei der anschließenden Demonstration fixieren die Kinder dann, ebenso wie die Erklärung auch, schriftlich auf ihrem Blatt. Die Polung der LED sollte thematisiert 32

werden. Wie sie „richtig“ in das Steckbrett gesteckt werden muss, ist an ihren unterschiedlich langen Beinen zu erkennen. Das lange Bein muss in Richtung des Pluspols zeigen. Eine Eselsbrücke hilft. Aus + wird ein langer Strich (--), wenn man das Zeichen ändert, - ist schon ein kurzer Strich. Sollte ein Bein abbrechen, so gibt es am Kopf der LED eine flache Seite. Diese muss in Richtung des Minuspols zeigen. Verdeutlicht wird das durch die Umpolung der Batterie. Viele Kinder vermuten hier richtig, dass die LED, die vorher leuchtete, dies nun nicht mehr tut. Ihre Begründung ist allerdings häufig auch die, dass der Pluspol der Batterie ja nun im Minuspol des Steckbrettes stecke. Dies sei der Grund der erloschenen LED. Deshalb ist es wichtig, nochmals zu demonstrieren, dass diese nun bei ihrer Umpolung wieder leuchten wird. Durch das gemeinsame Bearbeiten des ersten Versuches haben die Kinder das Vorgehen in der Stationsarbeit kennen gelernt und können nun selbstständig an Versuchen arbeiten. Im alten Unterrichtsentwurf sollten noch drei weitere Versuche in der gleichen Doppelstunde durchgeführt werden. Das war zeitlich viel zu knapp geplant. Es erscheint deshalb sinnvoll die Bearbeitung der Reihen- und Parallelschaltung auf zwei Doppelstunden auszuweiten. In der ersten Doppelstunde soll nun nur noch die Reihenschaltung mit den LEDs von allen Schülern bearbeitet werden. Dies erscheint aus folgenden Gründen sinnvoll: 1. Es bleibt genug Zeit für die Schüler die Schaltung aufzubauen und den Versuch durchzuführen. Auch die Besprechung kann dann am Ende der Stunde ohne Hektik gelingen. 2. Die Reihenschaltung ist die Schaltung, die Kinder intuitiv bauen, wenn sie zwei Lampen zum Leuchten bringen sollen. Ausgehend von ihr kann in der nächsten Stunde dann der Unterschied zur Parallelschaltung aufgezeigt werden. 3. Im durchgeführten Unterricht kam es durch die bewusst fast gleich gewählte Formulierung auf den Arbeitsblättern zur Verwechslung von Reihen- und Parallelschaltung. Dies kann nun nicht mehr geschehen. Auch die Aufgabenstellungen sind einfacher formuliert worden. In der Reflexionsphase konstruiert ein Schüler die Reihenschaltung unter der Tischkamera. Die Ergebnisse aus dem Forscherheft werden besprochen. Als Alltagsbezug kann dann noch die Christbaumbeleuchtung besprochen beziehungsweise vorgestellt werden. Die Besonderheiten einer LED und der Reihenschaltung können auf einem Plakat festgehalten werden. 33

4. Sequenz: Die Reihen- und Parallelschaltung Teil 2

Für diese Sequenz muss zunächst wieder die Tischkamera aufgebaut sein. Außerdem wäre es für die Abschlussbesprechung gut, wenn die Lehrerin bereits eine Reihenschaltung und eine Parallelschaltung mit zwei Schaltern und zwei Glühlampen vorbereitet hätte. Diese können dann nach der Stunde auch auf das Fensterbrett gestellt werden (siehe Anhang, S. 110 und 115). Zu Beginn der Doppelstunde wird die „richtige“ Verschaltung einer LED auf dem Steckbrett unter der Tischkamera präsentiert. Hier sollte von der Lehrkraft auf jeden Fall gezeigt werden, dass der so genannte Vorwiderstand auch mit der LED getauscht werden kann und die LED trotzdem genau so hell leuchtet. Danach beginnt sofort eine Stationsarbeit. Günstig ist es vorher schon Gruppentische zusammen zu schieben. Das kann aber auch in der Stunde geschehen. Den Schülern wird die Gruppenarbeit erläutert. Insgesamt sollen drei Versuche durchgeführt werden. Die Arbeitszettel liegen jeweils vorne aus, ebenso wie ein Laufzettel, auf dem die zu bearbeitenden Stationen stehen. Nach jedem durchgeführten Versuch sollen die Schüler mit diesem Zettel zur Lehrkraft kommen und ihr Arbeitsblatt vorzeigen. Dann erhalten sie einen Stempel oder eine Unterschrift und beginnen mit dem nächsten Experiment. Insgesamt wurde die Stationsarbeit im Vergleich zum tatsächlich durchgeführten Unterricht geändert: 1. Die Parallelschaltung ist als Versuch geblieben. Ihr Text wurde aber vereinfacht und ähnelt immer noch den Formulierungen auf dem Arbeitsblatt zur Reihenschaltung. Dies soll den Schülern zeigen, dass man mit den gleichen Bauteilen zwei verschiedene Schaltungen aufbauen kann. 2. Dies zeigen auch die Versuche 4 und 5. Bei ihnen sind den Kindern jeweils Vorgaben gegeben, die einmal durch den Aufbau einer Parallelschaltung und einmal durch den Aufbau einer Reihenschaltung mit Glühlampen erfüllt werden. Diese Versuche dienen der Festigung des Gelernten und erfordern auch den Einsatz von Schaltern. Deshalb kann durch sie ein besserer Alltagsbezug zu den Schaltungen im Haushalt hergestellt werden. 3. Bei den Versuchen 4 und 5 sollen die Schüler ihre Schaltungen skizzieren und somit eigene Zeichen für die Bauteile finden. Außerdem sollen sie auch den Stromfluss einzeichnen. Das verfestigt, dass es eine Stromflussrichtung gibt und lässt die Parallelschaltung und die Reihenschaltung besser verstehen. 34

Rechtzeitig vor dem Ende der Stunde sollte zur Abschlussbesprechung übergeleitet werden. Hier werden zunächst die Reihen- und Parallelschaltungen mit den LEDs thematisiert. Besonderer Wert sollte auf den „Ausfall“ einer LED gelegt werden. Wenn eine LED aus dem Stromkreis entfernt wurde, kann dann der Stromverlauf von den Kindern unter der Tischkamera mit dem Finger nachgezeichnet werden. Sie sollten erkennen, dass bei der Reihenschaltung der Stromkreis unterbrochen wurde, während bei der Parallelschaltung der Strom noch einen Weg zum Fließen hat. Die Besonderheiten dieser Schaltung hält man auf einem Plakat fest. Anschließend sollte auch bei der Besprechung der Reihen- und Parallelschaltung mit den Glühlampen der Stromverlauf gezeigt werden. Der Bezug zum Alltag im Haushalt kann dadurch geschehen, dass die Lehrerin eine Glühlampe als Lampe und die andere als Fernseher benennt. Bei der Reihenschaltung wäre es ungünstig, auch die Lampe einschalten zu müssen, um fernsehen zu können. Bei der Parallelschaltung kann man dagegen die Geräte auch einzeln ein- und ausschalten. Ein weiteres interessantes und vor allen Dingen im Klassenzimmer vorhandenes Alltagsbeispiel nannte ein Schüler im durchgeführten Unterricht. Er bemerkte, dass die Neonröhren an der Decke auch parallel, aber teils auch in Reihe geschaltet seien. Beim Drücken eines Schalters gingen immer zwei Neonröhren an. Sie seien in Reihe geschaltet. Da man über einen zweiten Lichtschalter zwei weitere Neonröhren anmachen könne, seien diese parallel zu den beiden anderen geschaltet. Am Ende der Doppelstunde sollte noch Zeit für den Reflexionsbogen der Sequenz übrig sein. Auch dieser ist in seinen Formulierungen verbessert worden, antworteten doch einige Schüler auf die Aussage „Ich weiß etwas über die Reihenschaltung:“ einfach mit einem „Ja“ oder „Nein“.

5. Sequenz: Wir lernen neue Bauteile kennen

Diese Sequenz führt den Summer, den Elektromotor und den Kondensator zusätzlich zu den schon kennen gelernten LEDs und Widerständen ein. Durch sie kann man die Wirkungen des Stromes verdeutlichen. Im durchgeführten Unterricht geschah dies, weil im Puppenhausmodell diese Bauteile in den Schaltungen auftauchten. Für diese Sequenz sollte auch die Tischkamera aufgebaut sein. Auch wichtig sind vorbereitete Schaltungen sowohl für die Anfangsphase des Unterrichts und auch für ihren Abschluss. Welche Schaltungen sich hier anbieten, wird im Folgenden erwähnt.

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Zu Beginn der Stunde sollte die Reflexionsphase zur Reihen- und Parallelschaltung relativ kurz gehalten werden. Ein Vorlesen vom Reflexionsbogen und die Verdeutlichung des Stromflusses bei der Entfernung eines Verbrauchers reichen für die Wiederholung vollkommen aus. Dies kann an der von der Lehrkraft vorbereiteten Reihen- und Parallelschaltung geschehen. Danach können unter der Tischkamera die weiteren Bauteile vorgestellt werden. Sind sie benannt, so kann man ein laminiertes Foto mit der Bezeichnung des Bauteils mit Magneten an die Tafel heften. Es wird zur Stationsarbeit übergeleitet. Sie umfasst fünf Versuche und ist damit relativ lang. Es empfiehlt sich, auf sie insgesamt drei Stunden zu verwenden, um auch genug Zeit für die Abschlussbesprechung zu haben. Die Arbeitsanweisungen auf den Arbeitszetteln wurden, so gut es ging, vereinfacht. Beim Versuch 1 zum Widerstand bereiteten vor allen Dingen die auszufüllenden Ohmwerte in der Tabelle Probleme. Deshalb sind diese auf dem neuen Arbeitsblatt vorgegeben. Es sollten möglichst nur drei Widerstände zum Ausprobieren zur Verfügung stehen. Sie sollten so gewählt sein, dass klare Unterschiede in der Helligkeit der LED zu beobachten sind. Günstig ist bei 4,5V die Abstufung 5,6kΩ, 3kΩ und 1kΩ (oder 1,1kΩ). Um die Unterschiede in der Helligkeit auszumachen, sollten die Kinder nicht von der Seite, sondern lieber von oben auf die LEDs schauen. Für die Abschlussbesprechung bietet es sich als Lehrkraft an, einen Versuch vorzubereiten. In diesem sind sechs LEDs parallel geschaltet. Jede hat aber einen anderen Vorwiderstand (100Ω, 1,1kΩ, 3kΩ, 5,6kΩ, 15kΩ und 33kΩ). Deshalb leuchten sie unterschiedlich hell (siehe Anhang, S. 111). Wird diese Schaltung unter der Tischkamera präsentiert, so kann man durch das ständige Anschließen und wieder Entfernen der Batterie, die LEDs blinken lassen. Hiermit kann man verdeutlichen, dass auch die sehr dunkel erscheinenden LEDs leuchten, auch wenn es zunächst nicht so aussehen mag. Versuch 2 zeigt, dass der Kondensator Strom, oder besser gesagt die elektrischen Teilchen, speichern kann. Die Einheit F(arad) für die Kapazität und damit für die Speicherfähigkeit soll nicht thematisiert werden. Es ist sinnvoll, Kondensatoren mit 1000µF und 2200µF zur Verfügung zu stellen. Sie sind unterschiedlich groß und können auch durch die Größe der Zahlen unterschieden werden. Schaltet man sie im einfachen Stromkreis parallel zu einer LED mit Vorwiderstand, so wird der Kondensator geladen. Entfernt man die Batterie dann aus dem Steckbrett, gleicht sich die Spannung zwischen den Polen des Kondensators durch einen Stromfluss durch die LED und den Vorwiderstand aus. Deshalb leuchtet die LED noch einen Moment nach, bevor sie erlischt. Zu beobachten ist, dass bei Kondensatoren 36

größerer Kapazität natürlich auch das Licht länger leuchtet. Schaltet man mehrere Kondensatoren parallel, so kann man diese Zeit noch verlängern. Dies sollte ein Demonstrationsversuch durch die Lehrkraft in der Reflexionsphase sein (siehe Anhang, S. 111). Er schaltet zunächst drei Kondensatoren parallel und lässt die Kinder vermuten, beschreiben und erklären, was passiert. Beim nächsten Mal entfernt er zwei Kondensatoren und lässt die Kinder Hypothesen aufstellen. Dann wiederholt er den Versuch. Die LED wird kürzer leuchten. Benutzt er mehr LEDs so werden diese natürlich kürzer leuchten, als es eine einzelne tut. Der Versuch 3 mit dem Summer ist für die Kinder gut durchzuführen (siehe Anhang, S. 112). Sie erkennen die Pole des Summers und erklären, warum er bei falschem Anschluss nicht summt. Der Pluspol der Batterie könne nicht zum Pluspol des Summers gelangen. Bei den Aufgaben zum Elektromotor in Versuch 4 war aus zwei Gründen die größte Schwierigkeit, die Drehrichtung des Motors zu bestimmen. 1. Das passende Vokabular fehlte. Deswegen sind auf dem neuen Arbeitsblatt die Begriffe „mit dem Uhrzeigersinn“ und „gegen den Uhrzeigersinn“ als Hilfe genannt. 2. Schließt man den Motor an 4,5V an, so dreht dieser sich so schnell, dass man unmöglich sehen kann, in welche Richtung er sich dreht. Deswegen sollte man ihn, während er läuft, von der Batterie trennen und auslaufen lassen. Dann erkennt man seine Drehrichtung. In der Abschlussbesprechung kann dies auch gut unter der Tischkamera gezeigt werden. Versuch 5 mit der Glühlampe ist für die Schüler gut durchzuführen. Im Abschlussgespräch kann man hier die Erfahrung der Kinder, dass elektrische Geräte warm werden, nutzen, um zu zeigen, dass Strom immer Wärme erzeugt. Benutzt man den Beamer, so kann ein Kind dies bestätigen, indem es ihn mit der flachen Hand eine zeitlang berührt. In der Abschlussphase sollen besonders die Wirkungen des Stromes in den Bauteilen besprochen werden. Dazu bieten sich die schon an der Tafel hängenden Fotos mit den Bezeichnungen der Bauteile an. Die Lehrkraft bereitet einfach die fünf Wirkungen ebenso auf laminierten Zettel vor. Sie können dann von den Kindern den Bauteilen passend zugeordnet werden (siehe Anhang, S. 117).

6. Sequenz: Bezug zum Puppenhaus

Im durchgeführten Unterricht war noch eine sechste Sequenz notwendig, da durch eine sehr knappe Zeitplanung nicht alle Arbeitsblätter bearbeitet werden konnten. In dieser Doppelstunde wurden nochmals alle behandelten Themen und die meisten Versuche 37

durchgegangen.

Arbeitet

man

aber

wie

vorgeschlagen,

so

sollte

solch

eine

Reflexionseinheit nicht mehr nötig sein. Dennoch erscheint es sinnvoll, einen Ringschluss zur ersten Stunde herzustellen. Hier wurden den Kindern Schaltungen präsentiert. Diese Schaltungen können nun auf Schülergruppen aufgeteilt werden. In ihrer Gruppe versuchen die Kinder anhand von Leitfragen den Aufbau und die Funktion verstehen und erklären zu können. Bei der Arbeit mit dem Puppenhaus bekommen die Kinder die einzelnen Zimmer, die herausnehmbar sind. Die Schaltungen sind so angebracht, dass die Kinder sie sehen können. Folgenden Leitfragen können vorgegeben werden: 1. Wie fließt der Strom in deiner Schaltung? 2. Sind die Bauteile parallel oder in Reihe geschaltet? Es kann auch eine Kombination aus beiden Schaltungen sein. 3. Wie wirkt der Strom in deiner Schaltung? Was machen die Bauteile mit dem Strom? In Form eines Vortrages kann die Schaltung dann den anderen Schülern erklärt werden. Dies wurde im Unterricht so nicht durchgeführt. Es wäre aber interessant, es auszuprobieren.

Zur Behandlung des Spannungsbegriffs in der Grundschule

Die vorherigen Abschnitte enthalten alle aus der Durchführung des Unterrichts heraus gewonnenen und für notwendig empfundenen Verbesserungen. Natürlich gilt es diese Anmerkungen selbst nochmals in der Praxis umzusetzen, um ihre Wirksamkeit zu bestätigen. Bis jetzt ist aber damit nur eine Verbesserung der Einheit aus subjektiver Sicht vorgenommen worden. Die Frage, ob man denn den Spannungsbegriff nun im Unterricht der Grundschule behandeln kann, ist noch nicht geklärt worden. Auch ob der Einsatz von LED, Widerstand, Kondensator, Summer und Elektromotor sinnvoll ist, wurde noch nicht weiter erläutert. Einen Indikator für den Erfolg der Einführung liefert der Vergleich der Prä- und Postkonzepte, der nun folgt. Danach wird die Unterrichtsreihe reflektiert. Hier soll dann endgültig geklärt werden, ob die Behandlung von Spannung im Unterricht auch praktisch umsetzbar ist.

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2.6 Der Vergleich der Präkonzepte mit den Postkonzepten Präkonzepte sind solche Vorstellungen von Kindern zu einem Themengebiet, die vor der Behandlung des Themas im Unterricht vorliegen. Im Rahmen der durchgeführten Unterrichtsreihe zum Thema „Strom“ wurden auch die Postkonzepte, also die Erklärungsansätze nach dem Unterricht,

erhoben. Es soll nun ein Vergleich dieser

Schülerideen hergestellt werden. Ihre Erfassung geschah auf zwei unterschiedliche Art und Weisen. Es erschien notwendig, neben der Befragung der ganzen Klasse, auch noch einige Schüler genauer zu interviewen. Deshalb wurden zwei Instrumentarien für die Erhebungen der jeweiligen Konzepte eingesetzt. Zum einen sollten die Ideen aller Schüler der Klasse erfasst werden. Hier bot sich ein Fragebogen an, da seine Bearbeitung wenig zeitaufwendig ist und mit der ganzen Klasse zusammen durchgeführt werden kann. Fragen mit unterschiedlichen Antwort- beziehungsweise Ankreuzmöglichkeiten sollten hier vermieden werden, da die Gefahr besteht, dass sie Nichtwissen verschleiern können oder mit Halbwissen beantwortet werden, welches aber nicht begründet oder zumindest nicht näher erläutert werden kann. Aus diesen Gründen fiel die Wahl auf vier offene Fragen, die den behandelten Themenbereich relativ gut abdecken, so dass ein direkter Vergleich von Vorerfahrungen und Gelerntem möglich erschien. Die Bearbeitungszeit betrug gut 15 bis 20 Minuten. Mehr Fragen hätten wahrscheinlich sowohl den zeitlichen Rahmen gesprengt, als auch die ordentliche Bearbeitung einschränken können. Die ersten beiden Antworten der Kinder zeigen, was sie unter den Begriffen „Strom“ und „Spannung“ verstehen. Aufgrund der Offenheit der Frage können hier Vorstellungen von und Erfahrungen mit den Begriffen aufgeschrieben werden. Es folgen die Fragen „Was kann Strom alles machen?“ und „Wann fließt ein Strom?“. Sie zielen zum einen auf die Wirkungen des Stromes ab. Neben den drei Hauptphänomenen Licht, Wärme und Bewegung, kann hier auch genannt werden, dass Strom Töne erzeugen oder auch gespeichert werden kann. Natürlich muss das nicht explizit geschehen, sondern es können auch Alltagserfahrungen beschrieben werden. Zum anderen werden wichtige Bedingungen für einen Stromfluss erfragt. Diese Frage passt zu dem in der zweiten Sequenz inhaltlich Behandelten. Da diese vier Fragen der Präkonzeptbefragung jedoch nicht alle Inhaltsbereiche der durchgeführten

Unterrichtseinheit

abdecken,

wurde

schlussendlich

bei

der

Postkonzeptbefragung den Schülern noch die Möglichkeit gegeben, weitere Dinge aufzuschreiben, die sie aus dem Unterricht behalten haben. Ansonsten sind die Fragen mit 39

denen der Präkonzepterhebung identisch, um eine Vergleichbarkeit der Antworten zu gewährleisten. Beide Fragebögen befinden sich hinten im Forscherheft von T. im Anhang (siehe Anhang, S. 119 und S. 141). Leider gibt es bei einem Fragebogen nicht die Möglichkeit für Nachfragen, so dass man kein vollständiges Bild von den Vorstellungen der Kinder erhalten kann. In einem Gespräch ist dies besser zu erfassen. Aus diesem Grund wurden zwei Schülerinnen und drei Schüler in einzelnen Leitfrageninterviews nach ihren Vorstellungen zum Thema „Strom“ befragt. Dazu wurde ein Fragenleitfaden entwickelt, der auf die ausgearbeitete Unterrichtsreihe zugeschnitten ist. Genau wie diese auch, sind die Fragen in die einzelnen Unterthemen gegliedert worden. Somit wird in diesem Interview zunächst einmal erfasst, ob Kinder bereits mit Strom experimentiert, selbst schon einmal Schaltungen konstruiert oder erste Informationen aus ihrem Umfeld oder aus dem Fernsehen erhalten haben. Dazu werden den Kindern elektrische Bauteile präsentiert und von ihnen benannt. Werden nicht alle gekannt, stellt der Interviewer sie mit ihrer Bezeichnung und Funktion vor. Beigelegte Namenskarten helfen den Kindern im weiteren Verlauf des Interviews immer wieder auf die Bezeichnungen zurückgreifen zu können. Direkt im Anschluss sollen sie dann versuchen, mit Hilfe dieser Gegenstände eine Lampe zum Leuchten zu bringen. Dabei sind sie im Prinzip vollkommen frei, was die Wahl der von ihnen verwendeten Bauteile angeht. Nur bei Unsicherheiten soll hier vom Interviewer geholfen werden. Ähnlich wie bei dem Fragebogen werden dann auch Fragen zur Vorstellung von Strom und Spannung, zu den Wirkungen von Strom und zu den Bedingungen seines Fließens gestellt. Ergänzt sei hier der Bereich „Leiter und Nichtleiter“. Zudem sind natürlich präzisere Nachfragen möglich. Dies ist gerade für die zu untersuchende Frage, ob „Spannung“ in der Grundschule eingeführt werden kann, wichtig. Zum Beispiel kann die Beziehung zwischen Spannung und Strom näher erfragt werden. In der Postkonzeptbefragung ist das Interview noch um einige Fragen erweitert worden. Somit können auch hier die Schüler weitere Erfahrungen mit dem Thema nennen. Da die Interviewleitfäden alleine 40 Seiten umfassen ist auf eine Darstellung im Anhang verzichtet worden.

Vergleich der Prä- und Postkonzepte innerhalb der Klasse

Die erste Frage des Fragebogens „Was ist Strom?“ zielt auf die Vorstellungen der Kinder zum Strom ab. Eigenschaften des Stromes werden hier jedoch in der Präkonzeptbefragung 40

eher selten genannt. Nur zwei Schüler schreiben, dass Strom elektrisch sei, ein weiterer weiß, dass Strom nicht sichtbar ist. Ein Kind kennt bereits die Analogie zum Wasser und schreibt „Strom kann fließen wie Wasser.“ Vielmehr aktiviert die Frage jedoch die Alltagserfahrungen der Mädchen und Jungen. Neunmal wird die vom Strom ausgehende Gefahr genannt. Einige Schüler erwähnen dabei auch die schon gemachte Erfahrung eines Stromschlages. Insgesamt elf Schüler machen sich bewusst, wann sie Strom im Haushalt gebrauchen und nennen elektrische Geräte. Drei von ihnen betonen seine Nützlichkeit. Auch zwei Wirkungen des Stromes werden aufgeschrieben. Ein Schüler nennt das Licht, ein anderer vermutet, dass Strom selbst Strom erzeugen könne. Auch in der Postkonzeptbefragung sind die Alltagsvorstellungen dominanter. Sechs Kinder beschreiben weiterhin die Gefahr bei der Arbeit mit Strom, die durch den im Unterricht entstandenen Kurzschluss auch nochmals bewusst wurde. Achtmal wird aufgeschrieben, dass der Strom elektrische Geräte betreiben kann. Wirksamkeit scheint aber vor allen Dingen die erste Sequenz der Einheit gehabt zu haben. Sechs Schülern ist nun bewusst, dass Strom sehr nützlich ist, eine Schülerin ist sogar der Ansicht, dass man kaum noch auf ihn verzichten könne. Aus der Unterrichtsreihe heraus haben sich aber auch neue Vorstellungen zu den Eigenschaften des Stromes entwickelt. Sechs Kinder beschreiben ihn als Fließen von elektrischen Teilchen von + nach -. Dabei benutzen drei die im Unterricht benutzte Formulierung „Elektrische Teilchen fließen von + nach -. Das ist Strom.“. Vielleicht haben sie vom leider noch in der Klasse hängenden Plakat abgeschrieben. Erfreulich ist aber, dass die anderen drei Schüler das Phänomen mit eigenen Worten beschreiben. Hier scheint ein weitergehendes Verständnis vorzuliegen, denn sie beschreiben Strom als „Ausgleich von elektrischen Teilchen“. Wie dieser Ausgleich aussieht, wird aber nicht festgehalten. Innerhalb der Klasse scheint also die Vorstellung des Stromes als Fließen von Teilchen nur bei wenigen und dann eher leistungsstarken Schülern verinnerlicht zu sein. Vielleicht hätte die Frage „Was stellst du dir unter Strom vor?“ genauere Antworten zur Folge gehabt. Zuletzt wird von drei Schülern jeweils noch eine Wirkung des Stroms genannt. Er sei heiß, schnell und könne Licht erzeugen. Die ersten beiden sind dabei Fehlvorstellungen, die auf den Beobachtungen der Kinder im Unterricht basieren. Die Lampe wird warm und geht beim Anschluss an die Batterie sofort an. „Spannung“ ist nur einigen Kindern vor dem Unterricht bereits ein bekannter Begriff. Hier finden sich aber schon recht deutliche Bezüge zum Strom wieder. Spannung sei gefährlich, da sie Stromschläge erzeugen oder schocken könne. Dieser Ansicht sind acht Schüler. Eine 41

sehr interessante Vorstellung besitzt ein Junge. Er meint, dass Spannung den Strom leiten könne. Damit hat er die Notwendigkeit von Spannung für Strom anscheinend erkannt. Genau andersrum vermutet es ein weiteres Kind. Es hält fest, dass für Spannung Strom benötigt würde. Wichtig gerade im Bezug auf den Unterricht ist aber die Formulierung eines weiteren Jungen. Er beschreibt die aus dem Alltag bekannte Spannung in Gummibändern, Saiteninstrumenten und Kabeln. Konkret wird eine Ursache von Spannung genannt: „Wenn ein Draht elektrisiert ist.“ Die Postkonzepte zeigen, dass die Behandlung des Themas Wirkung gezeigt hat. Alleine zehn Schüler beschreiben Spannung als den Zustand eines Ungleichgewichtes zwischen der Teilchenmenge an den Polen. Zwar wählen fünf Schüler die auf dem Plakat festgehaltene Formulierung „Es sind mehr elektrische Teilchen am + Pol als am – Pol. Das ist Spannung.“ und haben sie wahrscheinlich nur von demselbigen abgeschrieben. Dennoch gelingt es fünf Schülern nun, den Zustand in eigenen Worten zu formulieren. Die „Ungleichheit in der Batterie“ ist ein Beispiel für eine solche Umschreibung. Dreimal wird zusätzlich Spannung auch richtig in der „vollen“ Batterie verortet. Aufgrund des Wasserausgleichsversuchs in der dritten Sequenz stellen zwei Kinder die Analogie zum (Wasser-)Druck her. Dieser müsse ausgeglichen werden oder drücke die elektrischen Teilchen durch die Leitungen. Bei drei Schülern ist es außerdem zu der Einsicht gekommen, dass Spannung für einen Stromfluss notwendig ist. Aus den meist nur vagen oder schlicht weg nicht vorhandenen Vorstellungen vor dem Unterricht sind nun bei einigen Schülern Vorbegriffe von „Spannung“ entstanden, auf denen in der Sekundarstufe aufgebaut werden kann. Meist sind es zwar die leistungsstarken Kinder, die angemessen formulieren, dennoch hat fast jedes Kind Lernfortschritte gemacht, da nun fast alle die Frage „Was ist Spannung?“ für sich beantworten können. Dies war vorher nicht möglich. Dabei ist sechs Kindern immer noch die Gefahr der Spannung präsent. Die bekanntesten Wirkungen von Strom sind vor wie nach dem Unterricht die Lichterzeugung und das Betreiben von elektrischen Geräten. Jeweils 13 Schüler schreiben sie in der Prä- und auch in der Postkonzeptbefragung auf. Die Wirkungen Bewegung, Geräusch und Wärme sind dagegen vor dem Unterricht nur beim Nennen von Alltagserfahrungen zu erkennen. Strom brauche man, um Musik mit dem CD-Player zu hören, etwas zum „fahren oder fligen“ zu bringen und auch fürs Kochen und Heizen. In der Postkonzeptbefragung können dann auch mit Berufung auf die kennengelernten Bauteile wie Summer, Elektromotor und Glühlampe 13 Kinder, und nicht wie vorher sechs, mindestens eine dieser drei Wirkungen benennen. 42

Die dritte Frage „Wann fließt ein Strom?“ ist wie oben erwähnt ungünstig gestellt, dennoch können die Kinder damit etwas anfangen. Das stärkste Präkonzept ist dabei zunächst die gemachte Erfahrung, dass Strom eingeschaltet werden müsse. Das geschehe durch Umlegen eines Schalters oder durch das Einstecken in eine Steckdose. Nur wenige Schüler nennen notwendige Bauteile für einen Stromfluss. Zwei kennen aber bereits den Stromkreis, drei weitere Schüler nennen einzelne Elemente desselbigen, wie Batterie und Kabel. Interessant ist aber die genannte Notwendigkeit eines „Verbrauchers“, der den Strom ja „verbrauchen“ müsse. Nach dem Unterricht ist das Konzept des Einschaltens nicht mehr so stark vertreten. Nur noch sechs der vorher elf Kinder erwähnen diese an sich richtige Bedingung. Deutlicher ist geworden, dass es eines Stromkreises bedarf. Sechs Kinder nennen diesen Begriff. Zehn können auch mit dem „Verbraucher“, den „Kabeln“ und der „Energiequelle“ alle drei notwendigen Bauteile nennen. Mindestens einen dieser Gegenstände zählen acht weitere Schüler auf. Natürlich wählen sie nicht alle die Fachbegriffe, umschreiben aber angemessen oder gebrauchen synonyme Begriffe. Explizit wird zweimal auch noch die kennengelernte Stromrichtung von + nach – genannt. Aus dem Unterricht haben außerdem sechs Kinder behalten, dass Kurzschlüsse zu vermeiden sind. Vier Schüler waren anscheinend überrascht, dass Salzwasser zu den Leitern gehört und haben dieses Ergebnis eines Lehrerversuches aufgeschrieben. Die restlichen Aussagen sind meist Einzelnennungen. Drei Konzepte sollen aber noch dargestellt werden. Zunächst wird einmal erwähnt, dass alle elektrischen Geräte warm werden. Ein anderer Schüler beschreibt, dass die Geräte im Haushalt alle parallel geschaltet seien. Auch im Hinblick auf die Frage nach der Behandlung des Begriffes der „Spannung“ in der Grundschule, ist aber auch diese Vorstellung relevant: „Dass Batterien nicht leer gehen, sondern im Gleichgewicht.“ Der Satz ist zwar nicht vollendet, aber man kann vermuten, dass diese Schülerin verstanden zu haben scheint, dass die Menge der elektrischen Teilchen in der Batterie vorher und nachher gleich groß ist. Insgesamt bleibt festzuhalten, dass gerade die praktische Arbeit der Kinder mit den Materialien wichtig für einen Lernfortschritt ist. Gerade in diesen Sequenzen gewinnen sie Erkenntnisse hinzu. Das sieht man daran, dass im konkreten Falle vor allen Dingen die Bedingungen eines Stromflusses im Gedächtnis geblieben sind. Aber auch der abstrakte Begriff der „Spannung“ ist erstaunlich gut angenommen und reflektiert worden.

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Der Vergleich der Prä- und Postkonzepte in den Einzelinterviews

Begonnen wird hier mit F., einem technisch sehr interessierten Jungen. Im Interview vor dem Unterricht kann er schon viele Bauteile benennen oder ihre Funktion angeben. Strom beschreibt er als „unsichtbar[e]“ und als „Energie aus Wasserenergie und Windenergie“. Er hat eine typische Zweileitungsvorstellung, denn er geht davon aus, dass in der Batterie eine „Art Strom“ sei. Bei der Verbindung beider Kabel des Batteriekastens an einen Verbraucher, fließe durch beide Kabel der Strom zu diesem hin. Bezogen auf die Glühlampe sagt er, dass darin Strom erzeugt würde und dazu gebracht werde, Licht zu machen. Ist nur ein Kabel mit der Lampe verbunden, so komme zu wenig Strom an, um sie leuchten zu lassen. Bei einem offenen Stromkreis geht F. von einem Fließen des Stromes bis zum Ende der Kabel aus. Deshalb fließe beim Schließen des Stromkreises durch ein Holzstück der Strom auch in das Holz hinein, könne sich aber nicht „mit dem anderen Strom verbinden“. Holz leite aus diesem Grunde nicht. Generell besitzt F. ein gutes Leitungskonzept. Er weiß, dass Metall den Strom leiten kann und kennt auch den Begriff Isolation. Sie könne den Strom nicht leiten. Trotzdem verbindet er beim Versuch, eine Glühlampe zum Leuchten zu bringen, die Kabel mit der Isolation der Lampenfassung und scheitert somit zunächst. Sein Leitungskonzept ist aber auch mit der Spannung verbunden. Hochspannungskabel seien „zum Reißen gespannt“. Das verbessere ihre Leitfähigkeit. Für ihn ist damit Spannung keine notwendige Voraussetzung für einen Stromfluss, sie kann ihn aber erleichtern. F. erklärt im Präkonzeptinterview auch, dass man sich an ein Hochspannungskabel hängen könne, ohne einen Stromschlag zu bekommen. Man dürfe nur nicht den Boden gleichzeitig berühren. Neben der Erzeugung von Licht sind die Stromschläge auch eine von F. genannte Wirkung von Strom. Er könne auch „Feuer erzeugen“. So sagt F. voraus, dass das Holzstück bei längerem Kontakt mit den Kabeln zu brennen beginne. Auch beim Kurzschluss bestehe die Gefahr des Feuers. Es springe ein Funken über, wenn man Geräte zu lange anlasse oder etwas Neues anschließe. Im

Postkonzeptinterview

demonstriert

F.

Sicherheit

im

Zusammenbauen

von

Stromkreisen. Er kennt sowohl die vier Bedingungen für einen Stromfluss (Verbraucher, Energiequelle, Leiter, Stromkreis) und kann auch angeben, dass der Strom von Plus nach Minus fließe. Beim offenen Stromkreis glaubt er nach eigener Aussage nicht mehr daran, dass sich der Strom bis zum Ende der Kabel bewege. Häufig leuchten die Lampen bei seinen Schaltungen aber nicht. Sofort kann F. aber mögliche Fehlerquellen angeben und sie mit Hilfe des Interviewers auch aufspüren. Er vergisst häufiger das Abisolieren, obwohl er sagt, dass die Isolation den Strom stoppe. Auch Holz sei ein Nichtleiter, Metall dagegen 44

leite den Strom sehr gut. Dies macht er aber noch stärker als im Interview vor dem Unterricht an der eigenen „Spannung“ des Metalls fest. Spannung scheint ihm zwar eine wichtige Voraussetzung für Strom zu sein. Er hat aber eine von der fachwissenschaftlichen Erklärung abweichende Vorstellung. Strom fließe durch die elektrische Spannung hindurch. Dabei sei auch er elektrisch und auch „ein bisschen“, aber „nicht ganz“ gleich wie Spannung. Den genauen Zusammenhang kann er aber nicht erklären. Auch beschreibt er nicht näher seine Vorstellung von Strom, weiß aber wie er in der Reihen- und Parallelschaltung fließt. F. konstruiert beide Schaltungen und beschreibt, dass er beim Ausfall einer Lampe in der Reihenschaltung nicht mehr fließen könne. Bei der Parallelschaltung spalte er sich allerdings auf, so dass er sich durch beide Lampen bewegt. Aus diesem Grunde seien auch alle elektrischen Geräte im Haushalt parallel geschaltet. Seine Vorstellung vom Kurzschluss ist immer noch das Überspringen eines Funkens „nach einiger Zeit“. Dabei sei das direkte Verbinden von Plus- und Minuspol ein Kurzschluss, den es zu vermeiden gelte. Schwierig fällt es ihm allerdings einen Kurzschluss zu erkennen, wenn zwischen den Polen ein guter Leiter, wie zum Beispiel die Schraube einer Lampenfassung, liegt. Aus dem Unterricht sind F. zusätzlich zu dem ihm bereits bekannten Wirkungen des Stromes die Erhitzung eines Glühdrahtes, das Summen des Summers und die Bewegung des Elektromotors gegenwärtig. Mit Nennung des Blaulichtes stellt er hier auch einen Alltagsbezug her. Im Hinblick auf die relevante Frage dieser Arbeit lässt sich an F.’s Beispiel erkennen, dass sein Konzept von Spannung sich nicht großartig geändert zu haben scheint. Er ist nach wie vor der Ansicht, dass sie den Strom leite. Trotzdem kann man vermuten, dass er ihre Notwendigkeit für einen Stromfluss besser verinnerlicht hat, da er dieses Konzept nun auch auf die elektrischen Leiter wie das Metall ausweitet. Auch scheint die ähnliche Darstellung von Spannung und Strom durch die Teilchen ihn dazu bewogen zu haben, dass die beiden Phänomene „ein bisschen gleich“ seien. Durch die Unterscheidung der Begriffe kann er aber auch sagen, dass sie eben nicht das Gleiche sind. K. ist ein Mädchen, das im Vorfeld des Unterrichts noch nicht viele Erfahrungen mit elektrischen Bauteilen gemacht hat. Sie kann im Interview nur die Batterien und die Glühlampe benennen. Der Rest der Bauteile wird ihr vom Interviewer vorgestellt. Dementsprechend unsicher ist sie bei der Konstruktion eines Stromkreises. Sie kann zwar die Notwendigkeit des Stromes benennen, kann aber zunächst nicht sicher sagen, wo er herkommt. Eine Lampe versucht sie zu Beginn zweimal mit einer Einleiterverbindung zum 45

Leuchten zu bringen. Durch weiteres Ausprobieren schafft sie es im Anschluss einen einfachen Stromkreis zu bauen. Dabei hat sie aber nur ein operationales Verständnis vom Sachverhalt. Wird ihr eine Einleiterverbindung gezeigt, kann sie nicht erklären, warum die Lampe nicht leuchtet, sie aber wieder zum Leuchten bringen. Ähnliches zeigt sich auch bei ihrem Leitungskonzept. Sie kann richtig vorhersagen, bei welchen benutzten Materialien als Überbrückung die Lampe angehen wird. Eine Erklärung oder den Fachbegriff „leiten“ nennt sie aber nicht. Auf Anregung des Interviewers verortet sie beim einfachen Stromkreis den Strom beim Leuchten und auch beim Nichtleuchten der Lampe in der Batterie. Sie ist sich unsicher, ob er aus ihr herauskomme, zeigt dann jedoch, dass sie eine Zweileitungsvorstellung hat. Deshalb fließe ihrer Meinung nach der Strom bei einem offenen Stromkreis auch bis zu den Enden der Kabel. Die Lichtwirkung des Stromes kann sie ohne Hilfe nicht benennen. Auf Nachfrage erwähnt sie aber, dass Strom auch „Heizung machen“ könne. Das Wort „Spannung“ hat K. zwar zu Hause schon mal gehört und sie kennt auch das Warnschild. Dennoch weiß sie nicht, worum es sich bei Spannung handelt. In der Postkonzeptbefragung gelingt es K. sofort, eine Lampe zum Leuchten zu bringen. Zunächst kann sie wieder nur operational begründen, dass es so, wie sie es gebaut habe, funktioniere. Anders als zuvor konstatiert sie aber beim offenen Stromkreis keinen Stromfluss mehr. Der Langzeitversuch mit dem Batteriekasten auf der Fensterbank kann hier ihre Meinung geändert haben. Er lag mehrere Doppelstunden, mit einer Batterie gefüllt, dort, dennoch leuchtete die Lampe beim späteren Ausprobieren genau so hell wie zuvor. Sie weiß, dass man Strom nicht sehen kann. Er befinde sich aber in den Batterien und würde von Plus nach Minus fließen. Die Folge wäre ein langsames Leergehen der Batterie. Eine Batterie sei also neben Kabeln und einer Glühlampe eine notwendige Voraussetzung für einen (sicheren) Stromfluss. Einen Kurzschluss kann K. allerdings nicht erkennen, auch wenn sie zeigen kann, wie der Strom fließt. Auch bei ihren drei Versuchen zwei Lampen zum Leuchten zu bringen, kann sie auch beim Nichtleuchten der Lampen zeigen, dass der Strom im Kreis fließen müsse. Fehler macht sie hier nur mit der Isolation, auch wenn sie weiterhin über ihr im ersten Interview schon gezeigtes Leitungskonzept verfügt. Ihre Schaltungen sind allesamt Reihenschaltungen, sie kann sie aber nicht als solche benennen und auch keine Parallelschaltung bauen. Auch sagt sie zunächst falsch voraus, dass in ihren Schaltungen beim Ausfall einer Lampe die zweite weiterleuchtet. Beim Feststellen des

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Gegenteils und auf Nachfragen des Interviewers kann sie dann aber sagen, dass der Strom nicht durch die leere Fassung fließe. Ihre gewonnene Sicherheit in der Beschreibung des Stromflusses ist wahrscheinlich damit zu erklären, dass im Unterricht immer wieder die Stromrichtung thematisiert wurde. Die Teilchenvorstellung des Stromflusses kann hier unterstützend gewirkt haben. Neben der Lichtwirkung nennt K. wie im Präkonzeptinterview die Heizung, ergänzt aber den Stromschlag und dass Strom auch durch „Wasser kommen“ kann. Diese Vorstellung rührt vom beobachteten Salzwasserversuch her. Das Warnschild vor Hochspannung hat K. nach eigener Aussage schon einmal im Zoo gesehen und weiß, dass es vor Stromschlägen warnt. Sie hat auch schon gesehen, wie jemand solch einen erhalten hat, als er an den Zaun im Zoo gefasst hat. Deshalb weiß sie, dass Hochspannung sehr gefährlich ist. Sie kann aber keine Beziehung zum Strom erkennen. Als einzigen Unterschied nennt sie, dass Starkstrom gefährlicher als Hochspannung sei. M. hat Vorerfahrungen mit dem Thema „Strom“. Sein Vater ist Elektriker. Er kann dadurch zwar viele Bauteile benennen, beim Konstruieren eines Stromkreises tut er sich in der Präkonzeptbefragung aber schwer. Er hat zunächst eine Einleitervorstellung. Sie rührt vielleicht von den ihm bekannten elektrischen Geräten mit einem Kabel her. Er verbindet also einen Pol mit der Glühlampe. Als dies nicht klappt, nennt er die Begriffe Plus- und Minuspol, die er nicht näher beschreiben kann. Sie seien aber „unterschiedliche Sachen“. Kommen sie zusammen, so ergäben sie Strom. Aus dieser Idee folgt M.’s Vorstellung durch direkte Verbindung von Plus- und Minuspol Strom erhalten zu können. Über ein weiteres Kabel „leitet“ er diesen dann zur Lampe. Die Lampe leuchtet aber nicht. Bei der Präsentation der „richtigen“ Schaltung durch den Interviewer entwickelt sich beim M. nun eine Zweileitervorstellung. Von beiden Polen fließe Strom zur Lampe, ein Pol alleine sei aber nicht stark genug, um die Lampe zum Leuchten zu bringen. Aber auch hier fließe Strom. Ebenso wie im offenen Stromkreis, wo er aber dann „in die Luft“ ginge. Seine Vorstellung von Strom ist „ein [unsichtbares] Hilfsmittel, damit wir elektrische Sachen benutzen können“. Seine hauptsächliche Wirkung sei die Lichterzeugung, in der Uhr zum Beispiel, wird er aber auch in „Kraft umgewandelt“. Diese bewege den Zeiger. M. verfügt über ein angemessenes Leitungskonzept. Metall leite. Die Isolation schütze vor einem Stromschlag, weil sie nicht leite.

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Das Warnschild „Hochspannung. Lebensgefahr!“ ist M. von Stromkästen bekannt. Hochspannung ist dabei „ganz viel Strom“ aus „mehrere[n] Batterien“ und kann deshalb gefährlich sein. Genauer beschreiben kann er es nicht. Zu vermuten ist, dass er die Begriffe aber vor dem Unterricht synonym verwendet. Im Postkonzept von M. hat sich diese Vorstellung verändert. Zur Beschreibung von Strom greift er zuerst auf den Begriff der „Spannung“ zurück. Diese liege in einer Batterie ohne Anschluss an ein Gerät vor. Er beschreibt sie aber nicht näher und greift somit auch nicht auf das Teilchenmodell zurück. Da beim Anschluss an einen Verbraucher Strom fließe, vermutet er eine „indirekte Verbindung von Spannung und Strom“. Erst sei es Spannung, „dann verändert sich das nachher auch zu Strom und so“. Ist die Batterie „leer“, so gäbe es weder Spannung noch Stromfluss. Für letzteren kennt er alle notwendigen Bedingungen und benutzt dafür auch die Fachbegriffe „Energiequelle“, „Leiter“ und „Verbraucher“. Den Stromkreis umschreibt er: „Er kann nur fließen, wenn er aus der Energiequelle raus und wieder rein kann.“ Seine Flussrichtung sei die von + zu -. M. besitzt zwar eine Verbrauchsvorstellung, hält aber fest, dass der Strom sich nach dem Durchfließen der Lampe am Minuspol sammle. Das Leuchten der Lampe erklärt sich M. durch die beiden Fehlkonzepte, dass der Strom „schnell“ durch den Draht der Lampe fließe und dieser durch Reibungshitze glühen würden. Wichtig ist jedoch, dass er die Wirkungen von Strom nennen kann. Neben Licht und „Hitze“, kann er die Bewegung und das Geräusch am Elektromotor und am Summer festmachen. Auch den Widerstand, der den Strom verringere, erwähnt er. Sein Leitungskonzept ist nach wie vor angemessen. Mit dem Aufbau der Schaltungen hat M. keine Probleme. Er konstruiert sowohl eine Reihen- als auch eine Parallelschaltung und kennt auch die Bezeichnungen. Richtig kann er auch angeben, was bei einem Lampenausfall jeweils passiert. Zum Schluss entwickelt er noch einen eigenen, auch im Hinblick auf sein Spannungsverständnis, interessanten Versuch. Er nimmt sich zwei Batterien und eine Lampe. Den Pluspol der einen Batterie und den Minuspol der anderen, verbindet er jeweils mit der Lampe. Die Lampe leuchtet nicht. Insgesamt kann festgehalten werden, dass M. ein angemessenes Verständnis von Spannung und Strom aufgebaut hat. Zwar bedient er sich nicht der Teilchenvorstellung, kann aber die Verbindung zwischen beiden Begriffe, wenn auch nur „indirekt“, herstellen. P. ist eine vorher schon als leistungsstark aufgefallene Schülerin, die auch zum Thema „Strom“ schon über angemessene Konzepte verfügt. Im Präkonzeptinterview kennt sie 48

zwar nur die Hälfte der ihr vorgelegten Bauteile, kann aber ohne Schwierigkeiten eine Glühlampe zum Leuchten bringen. Dabei benutzt sie Batterien, „um das Ganze anzutreiben“, Kabel um „das irgendwie weiter[zu]leiten“ und eine Glühlampe, „weil es der Verbraucher ist“. Sie hat also alle Notwendigkeiten für einen Stromfluss bereits erkannt. Den Verbraucher sieht sie als etwas, „was den Strom aus den Batterien verbraucht“. Auf Nachfrage des Interviewers korrigiert sie dann aber ihre Aussage. In den Batterien wäre kein Strom, sondern Energie. Für ihren Fluss bedient sie sich schon einer Kreislaufvorstellung, die an eine Verbrauchsvorstellung gekoppelt ist. Die Energie gehe durch ein Kabel, dabei benennt sie das rote als solches, in die Lampe hinein. Hier könne die Lampe nicht alles verbrauchen. Für P. erscheint es damit notwendig, dass es ein Kabel gebe, das diesen restlichen Strom wieder in die Batterie leite. Strom ist für P. also durch die Lampe umgewandelte Energie. Bei jedem Durchlauf werde die Batterie leerer. Ihr Konzept kann sie auch zur Erklärung des Nichtleuchtens der Lampe bei einer Einleiterverbindung anwenden. Je nachdem welches der beiden Kabel nicht an der Lampe angeschlossen sei, fehle das Kabel für die Zuleitung der Energie oder für die Ableitung des Stroms. Letzteren stellt sie sich wie Wasser vor, weil er auch fließen könne. Er sei jedoch nicht sichtbar. Dementsprechend bedient sie sich auch in ihrem Leitungskonzept dieser Analogie. Sie weiß, welche Materialien den Strom leiten und welche nicht. Ihre Vorstellung ist eine Art Wasserkanal für die Leitung. Tiefer gehende Erklärungen hat sie aber nicht, denn sie kann sich weder vorstellen, dass „der da drüber geht“ noch „dass der da durch geht“. Als zwei Wirkungen des Stroms nennt P. das Licht und die Wärme. Für die Produktion der letzteren brauche man einfach nur einen passenden Verbraucher, wie zum Beispiel eine Herdplatte. Spannung ist P. aus dem Alltag „vom Gefühl her“ bekannt. Sie denkt dabei an spannende Filme oder Bücher. Im Hinblick auf Strom vermutet sie, dass sich „irgendetwas ziemlich schnell“ bewege. „Vielleicht wird Strom oder so durchgeleitet“. Insgesamt hat sie eher eine unkonkrete Vorstellung. Wie die beiden Phänomene zusammenhängen, weiß sie nicht genau. Sie kennt aber die Gefahr des Durchtrennens eines Kabels, weil dann „irgendwas Schlimmes passiert“. Aus dem Unterricht hat P. anscheinend die vorgestellten Modelle übernommen. In der Postkonzeptbefragung bedient sie sich ihrer. Für einen Stromfluss brauche man ihrer Meinung nach eigentlich nur die Spannung in der Batterie. Sie stelle eine „Ungleichung in der Batterie“ dar. Am Pluspol seien mehr elektrische Teilchen als am Minuspol. Strom ist für sie wahrscheinlich auch der Ausgleich dieses Zustandes, da sie bei einer 49

Einleiterverbindung feststellt, dass kein Strom fließe. Die elektrischen Teile könnten ja nicht von Plus nach Minus kommen. Auch für den offenen Stromkreis konstatiert sie solange keinen Stromfluss, bis die Kabel richtig angeschlossen sind. Sie kennt alle vier notwendigen Bedingungen für einen Stromfluss und benennt sie auch in allgemeiner Form. Strom fließe, wenn „wir einen Leiter haben, einen geschlossenen Stromkreis, eine Energiequelle und einen Verbraucher“. Sie beschreibt ihn noch genauer. Er sei etwas, dass „fließen“ und „Sachen betätigen kann“. Sehen kann man Strom aber nur, wenn er verbraucht werde. Schwer zu sagen ist, ob es sich hierbei um die Verbrauchsvorstellung aus dem Präkonzeptinterview handelt, da P. den Spannungsbegriff nun angemessen verinnerlicht zu haben scheint. Einen Hinweis darauf, dass ihre Verbrauchervorstellung sich gewandelt haben könnte, ist ihre Begründung für das Leuchten der Lampe. Der Strom ginge „so schnell“ durch den Draht und erhitze ihn dadurch. Damit erkennt sie Licht und Wärme als Wirkungen des Stroms. Sie ergänzt auch noch die Töne, die durch einen Summer erzeugt werden können. Einen vorgelegten Kurzschluss erkennt P. nicht. Trotzdem weiß sie, wann es zu einem solchen kommt. Sie nimmt an, dass bei einer direkten Verbindung von Plus und Minus auch ein Strom fließe, dass dies aber ein Kurzschluss sei. Man könne ihn dann nicht sehen, da die „Teilchen sehr schnell durch die Batterie geleitet“ würden, „weil sie nichts antreiben müssen“. Ihr Leitungskonzept ist durch die Begriffe „Leiter“ und „Nichtleiter“ ergänzt worden. Lediglich bei der Reihen- und Parallelschaltung hat P. noch leichte Probleme. Sie baut zwar eine Reihenschaltung und kann richtig erklären, dass beim Ausfall eines Verbrauchers auch der zweite mit ausgeht. Als sie jedoch Schalter ergänzt, sagt sie voraus, dass die Lampen nun ein wenig an blieben, da die Schalter ein wenig speicherten. Hier liegt wahrscheinlich eine Verwechslung mit dem Kondensator vor. P. weiß zwar, dass es eine Parallelschaltung gibt, traut sich aber nicht zu, sie zu konstruieren. Dennoch bleibt festzuhalten, dass durch den Unterricht auch P.’s Konzepte nochmals ausdifferenziert wurden. Sie hat den Spannungs- und auch den Strombegriff anscheinend ausreichend verinnerlicht. S. hat aufgrund seiner sprachlichen Defizite Probleme bei der Benennung der Bauteile, auch wenn er eigentlich schon sehr gut Deutsch spricht. In technischer Hinsicht ist er aber schon vor dem Unterricht relativ fit. Den richtigen Aufbau eines einfachen Stromkreises bekommt er sofort hin. Die Lampe leuchte, weil sie „Akku“ habe. Dieser Begriff ist ihm 50

vielleicht vom Handy aus dem Alltag her bekannt. Der Grund dafür sei die „elektronische“ Batterie, die „Energie oder so was“ habe. Bewirkt werde das Leuchten der Lampe durch den Strom aus den Batterien. Eine genaue Vorstellung von Strom hat S. aber nicht. Somit hat er auch kein festes Konzept für den Stromfluss. Nachdem er erst mit dem Finger einen Kreislauf nachfährt, bedient er sich dann doch der Zweileitervorstellung. Beim offenen Stromkreis vermutet er aber richtig keinen Stromfluss. S.’s Präkonzepte zu den Leitern und Nichtleitern ist angemessen. Der „Schutz“ um die Kabel leite nicht, ebenso wenig wie Holz. Ein Nagel oder die Batterieklemme vermögen dieses, da sie aus Eisen seien. Angemerkt sein sollte, dass S. den Begriff „Leiten“ in seinen Vermutungen nicht nennt. Wirkungen des Stroms kennt er aus dem Alltag viele. Von den selbst im Haushalt genutzten nennt er das Licht, den Fernseher und auch die Musik. „Feuer“ und „Explosionen“ im Zusammenhang mit Strom könnte er schon einmal im Fernseher gesehen haben. Mit seinem Bruder hat S. schon experimentiert und selbst auch schon die unliebsame Erfahrung eines Stromschlages gemacht. Hochspannung ist für S. ein neuer Begriff. Spannung allerdings kennt er aus dem Alltag. Während aber die Spannung von Filmen nichts mit Strom zu tun haben könne, sei das bei der Spannung in Gummibändern anders. Wie genau der Zusammenhang ist, kann er aber nicht sagen. Spannung kann er auch nicht im Stromkreis verorten. Im Interview nach dem Unterricht kann S. nach wie vor schnell und sicher eine Glühlampe zum Leuchten bringen. Auf die Frage nach den Bedingungen eines Stromflusses kann er sich aber immer nur auf den einfachen Stromkreis beziehen und nennt nur die von ihm gebrauchten Bauteile wie Batterie, Kabel und Glühlampe. Er kann es nicht mit den Begriffen Energiequelle, Leiter und Verbraucher verallgemeinern. Was Strom ist, kann er sich immer noch nicht vorstellen, was die Aussage „Strom ist Strom“ zeigt. Allerdings hat er im Hinblick auf den Stromfluss einen Konzeptwechsel vollzogen. Er hat nun eine Kreislaufvorstellung. Erstaunlicherweise betrachtet er aber das schwarze Kabel als das der Zuleitung. Demzufolge fließe bei einem offenen Stromkreis nur bis zum Ende des schwarzen Kabels Strom, wenn es nirgendwo angeschlossen ist. Schließt man den Stromkreis an dieser Stelle mit einem Holzstück, dann fließe der Strom auch nur bis zum Holz. Zur Beschreibung der Leitfähigkeit gebraucht S. nun auch den Begriff „Leiten“. Der „Schutz“ leite ebenso wie Holz nicht. Metall leite dagegen. S. kann auch zwei Lampen zum Leuchten bringen. Er baut eine Parallelschaltung auf, in der er beide Lampen einzeln aus- und anschalten kann. Seine Beschreibung des Stromflusses ist korrekt. Trotzdem vermutet er beim Ausfall einer Lampe, dass die andere 51

nicht mehr leuchten werde. Als er das Gegenteil beobachtet, kann er aber zeigen, wie der Strom nun fließt. Die Parallelschaltung benennt er nicht als solche, aber angemessen als „Doppelkreislauf“. Wirkungen des Stromes hat S. im Haushalt viele beobachtet. Er nennt die Wirkung und jeweils ein dazu passendes Alltagsbeispiel. Strom macht den Ofen heißer, Kälte erzeugt er beim Kühlschrank. Beim Ventilator ist der Strom für das Drehen zuständig. Für den Begriff „Spannung“ ist bei S. kein Fortschritt zum Präkonzept zu erkennen. Er weiß nach wie vor nicht, was Hochspannung bedeutet. Mit dem Warnschild assoziiert er nur die Gefahr. Bei Missachtung könne man sterben. Für S. scheint das dargestellte Teilchenmodell und der Analogieversuch nicht plausibel gewesen zu sein, da bei ihm der Begriff „Spannung“ und auch der des „Stroms“ kaum Vorstellungen hervorruft.

2.7 Die Reflexion der Unterrichtseinheit Bevor der Blick auf den im Unterricht behandelten Spannungsbegriff gelenkt wird, seien im Vorfeld nochmals die Vor- und Nachteile der gesamten Einheit diskutiert. Wichtig ist zunächst, dass der Ausgangspunkt der Thematik die Alltagserfahrungen der Kinder mit dem Phänomen „Strom“ sind. Durch die erste Sequenz und das entworfene Szenario einer Welt ohne Strom können Kinder die Bedeutung des Stroms für ihr Leben erkennen. Auch im Verlaufe der Einheit wird immer wieder auf den Alltag der Kinder zurückgegriffen. Dies ist nicht nur bei der Einführung des Spannungsbegriffs, sondern auch bei der Behandlung der Wirkungen des Stroms, der Fall. Am Ende bildet die letzte Stunde einen Ringschluss. Betrachtete man zu Beginn komplexere Schaltungen, die zunächst nur anhand ihrer Wirkung beschrieben werden konnten, so können die Schüler zum Abschluss schon einzelne Bauteile der Schaltung beschreiben. Dennoch werden den Kindern nicht alle Schaltungen klar. Dies weckt bei einigen von ihnen jedoch mit Sicherheit ihren Wissensdurst und motiviert sie, sich näher mit Strom zu befassen. Denn die Funktionen der eingeführten Bauteile können auch in Zukunft für die Schüler von Relevanz sein, findet man sie doch in vielen elektrischen Geräten bei genauerem Hinsehen wieder. Bedeutsam für einen guten Unterricht ist natürlich auch immer die Vermittlung von Inhalten. Dabei stellt diese Unterrichtseinheit zum Thema „Strom“ alle Grundlagen in einer angemessenen und einfachen Form dar. Auf den in ihr gemachten Erfahrungen und 52

gelernten Inhalten kann in der Sekundarstufe aufgebaut werden. Diese werden von den Schülern

selbstständig

in

einer

eigenverantwortlichen

und

zusätzlich

naturwissenschaftlichen Forscherarbeit erworben. Damit orientiert sich die Einheit an anderen Themen des Sachunterrichts wie „Luft- und Luftdruck“ oder „Schwimmen und Sinken“, die in einer ähnlichen Art und Weise erarbeitet werden und auch in die naturwissenschaftliche Arbeitsweise einführen. Wichtig ist hierfür aber, dass jeder Schüler über Material verfügen sollte, um selbst tätig zu sein. Diese an konkreten Bauteilen gemachten Erfahrungen sind durch keinen noch so guten Frontalunterricht zu ersetzen, da sie eher im Gedächtnis bleiben. Im Umkehrschluss bedeutet dies aber einen hohen Materialaufwand. Die Anschaffung der Arbeitsmaterialien bedeutet für die Schule natürlich einen hohen Kostenpunkt. Wie anhand der Materialliste im Anhang (S. 163) gesehen werden kann, sind die Bauteile zunächst sehr teuer. Und auch der Vorbereitungsaufwand für die einzelnen Stunden durch die Lehrkraft ist nicht immer klein. Es gilt Demonstrations- oder Stationsarbeitsversuche vorzubereiten. Dabei handelt es sich aber um Investitionen, die sich lohnen werden. Die Materialien kann man immer wieder verwenden. Als Zusammenstellung in einer Klassenkiste könnte von jeder Lehrkraft der Schule darauf zugegriffen werden. Dies gilt nicht nur für den Regelunterricht, sondern auch für AGs oder für Projekttage. Ebenso ist der Arbeitsaufwand der Lehrkraft sicherlich ein lohnenswerter. Als Forscher unter Forschern kann man nicht nur den Schülern etwas beibringen, sondern, nicht nur durch die kreativen Einfälle der Kinder, selbst noch etwas dazu lernen. Schwierig erscheint jedoch der hohe Zeitaufwand der Einheit. Ihr Umfang macht es schwierig, sie in den sowieso schon vollen Unterrichtsplan einer Klasse einzubetten. Dennoch kann auch über eine sinnvolle Teilung nachgedacht werden, um das Thema immer noch angemessen behandeln zu können. Die Wirkungen von oder auf Strom könnten durch die Ausklammerung der Bauteile wie Kondensator, Widerstand, Leuchtdiode und Summer auf die wesentlichen Erscheinungen wie Licht, Wärme und Bewegung reduziert werden. Die Reihen- und Parallelschaltung wird dann einfach nur mit Glühlampen realisiert. Wie die einzelne zeitliche Planung der veränderten Einheit im Einzelnen aussieht, ist dann auch von der Klasse und der Lehrkraft abhängig. Ein Teil eines Unterrichtes sollte aber auch die Einführung des Begriffes „Spannung“ in Abgrenzung zu Strom sein. Diese benötigt einen Zugriff auf ein Modell für die Verdeutlichung der beiden Phänomene. In der Einheit wird dabei aber die Arbeit an Modellen sicherlich nicht ausreichend reflektiert. Das Teilchenmodell muss ein 53

unzureichendes bleiben. Aus ihm resultierende Fehlvorstellungen, die den Teilchen Eigenschaften von Gegenständen der Makrowelt zuschreiben, müssen somit akzeptiert und in Kauf genommen werden. Es wird Wert auf den Stromfluss und die Unterscheidung von Spannung und Strom gelegt. Aussagen der Kinder wie „Der Strom ist heiß“ oder die Vorstellung einer schnellen Bewegung der Teilchen, die Reibungshitze zur Folge hat, stehen der Entwicklung angemessener Vorstellungen über die Stromrichtung und der Spannung, als Ursache für den Stromfluss, nicht im Wege. Diese Erkenntnis kann zumindest aus den Postkonzepten nach dem durchgeführten Unterricht gewonnen werden. Der Spannungsbegriff ist erstaunlich gut aufgenommen und verstanden worden. Immerhin zehn Schüler und damit 40% formulieren die vermittelte Vorstellung von einem Mengenunterschied von elektrischen Teilchen zwischen Plus- und Minuspol. Einschränkend muss angebracht werden, dass fünf Schüler die Definition nur von den Plakaten in der Klasse übernommen haben, da ihre Sätze wortwörtlich mit derselbigen übereinstimmen. Trotzdem ist es schon ein Erfolg, wenn die anderen fünf Schüler sich so mit dem neuen Begriff auseinandergesetzt haben, dass sie ihn in eigenen Worten umschreiben können. Bei ihnen handelt es sich meist zwar nur um leistungsstarke Schüler, aber warum sollte man ihnen verwähren das zu lernen, was sie lernen können? Im Zuge einer Differenzierung innerhalb der Klasse kann und sollte der Spannungsbegriff also eingeführt werden. Den leistungsstärkeren Kindern wird er helfen, angemessene Vorstellungen zu entwickeln und auch den anderen Schülern wird er nicht schaden. Ganz im Gegenteil sogar, kann die Verdeutlichung in Form eines Teilchenmodells förderlich sein. Zum einen wird durch den Analogieversuch und die Darstellungen auf den Plakaten die vorher behandelte Stromflussrichtung noch einmal vertieft und gefestigt. Der beobachtete Ausgleich geschah nur in eine Richtung. Kaum ein Schüler besaß am Ende der Stunde noch eine Zweileitungstheorie. Selbst die stille D. konnte in einem Gespräch im Unterricht den Weg des Stromes durch den Stromkreis mit dem Finger nachzeichnen. Betrachtet man ihre Verschriftlichungen in der Forschermappe, so wäre das nicht unbedingt zu erwarten gewesen. Auch sie hat aber etwas aus dem Unterricht mitgenommen. Durch die klare Demonstration eines gerichteten Fließens des Stromes können im gleichen Zuge auch Verbrauchsvorstellungen widerlegt werden. Zwar wird solch ein Konzept sowohl in Prä- und Postkonzepten nur einmal benannt und wurde auch nicht

ausführlich

Zweileitungstheorie

im

Unterricht

zusammen.

diskutiert, Durch

die

dennoch

hängt

Behandlung

es der

oft

mit

Spannung

einer als

unausgeglichenen Zustand und des Stroms als die zum Ausgleich desselbigen führende 54

Bewegung, kann deutlich werden, dass der Strom nicht verbraucht wird. Erfreulich ist, dass eine im Unterricht eher zurückhaltende Schülerin dies behalten hat. Sie beschreibt, dass Batterien nicht wirklich „leer“ gehen. Das widerspricht einer typischen Verbrauchsvorstellung. Nachteilig an der Einführung des Spannungs- und Strombegriffs könnte noch der zeitliche Aufwand sein. Im Unterrichtsentwurf nimmt diese Sequenz drei Stunden ein, da die Bearbeitung sehr ausführlich geschehen sollte. Dies ist aber in Kauf zu nehmen, wenn man wirklich Lernfortschritte erreichen möchte. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die Einführung des Spannungsbegriffs in der Grundschule auch praktisch möglich ist und auch sinnvoll im Rahmen einer Differenzierung sein kann. Aufgrund seiner Abstraktheit ist er aber weitgehend nur von leistungsstärkeren Schülern adäquat zu erfassen. Sollte aus diesem Grund eine Behandlung im normalen Regelunterricht abgelehnt werden, so kann aber zumindest in AGs oder Förderprojekten die Einführung durchgeführt werden.

3. Abschluss und Fazit Unterricht ist nicht nur Planung, sondern auch Umsetzung. Hierbei ist es aber so, dass sich die theoretischen Überlegungen im Vorfeld häufig von den im Unterricht selbst gemachten Erfahrungen unterscheiden. Diese Unterschiede führen dann zu Verbesserungsvorschlägen, die zunächst aber auch wiederum theoretisch bleiben. Mit dieser Arbeit und dem Entwurf einer Unterrichtsreihe zum Thema „Strom“ ist dieser Weg gegangen worden. Die entstandene Lehrerhandreichung kann sowohl die fachlichen Grundlagen als auch Einblicke in kindliche Sichtweisen liefern. Der gegangene Weg ist aber noch nicht am Ende. Zwar wurden viele Fehler ausgemerzt, dennoch sind mit Sicherheit auch weitere Veränderungen möglich. Ideen für diese können durch eine Durchführung der neuen Unterrichtseinheit gewonnen werden. Was den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde, kann aber durch andere (angehende) Lehrer geleistet werden, um eine noch fachgerechtere Bearbeitung des Themas „Strom“ zu ermöglichen. Besonders

die

Behandlung

des

Begriffes

„Spannung“

bietet

ein

spannendes

Forschungsfeld. Entgegen vieler empirischer Untersuchungen ist gezeigt worden, dass Spannung durch einen Versuch anschaulich und damit auch erfolgreich an Grundschüler vermittelt werden kann. Waren es in diesem Fall überwiegend die Leistungsstärkeren von ihnen, so gilt es weitere Wege zu finden, mehr Schüler der Klasse diesen abstrakten Begriff näher zu bringen, damit Lernschwierigkeiten im späteren Alter vermieden werden. 55

Und auch wenn nicht das komplette Verständnis aufgebracht werden sollte, so wurden die Kinder zumindest schon einmal mit der Unterscheidung von Spannung und Stromstärke konfrontiert. Sie wird ihnen auf den weiterführenden Schulen wieder begegnen. Wenn sie sich dann an ihre Grundschulzeit erinnern, werden sie die dort gemachten Erfahrungen und Konzepte weiter ausdifferenzieren können. Die Einführung des Spannungsbegriffs in der Grundschule ist also nicht als Vorziehen von Stoff aus der Sekundarstufe I zu sehen, sondern bildet didaktisch reduziert die Grundlage eines Spiralcurriculums. An diese Elementarisierungen

kann

dann

später

angeknüpft

werden.

Dann

werden

sie

weiterentwickelt, so dass sich für die Schüler ein immer kompletteres Bild des Fachterminus ergibt. Die Ängste der Überforderung sind nicht angemessen. Thematisch gut eingebettet in eine Einheit werden nicht alle Schüler „Spannung“ verstehen, dennoch werden sie Lernfortschritte erzielen. Verbrauchsvorstellungen sind mit dem vorgestellten Modell für die Spannung nicht vereinbar. Allein dieser kognitive Konflikt kann helfen an solchen Fehlvorstellungen zu rütteln. Aus diesem Grund sollten alle Lehrerinnen der Grundschule damit beginnen, durch die Einführung der Spannung die leistungsstärkeren Kinder zu fordern und ihre leistungsschwächeren Schüler zu fördern.

56

4. Literaturverzeichnis und Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis Deisler, Sabrina: Der Strom macht’s. Vorstellungen 9-11jähriger Kinder zum Thema Strom. Kassel 2003 Kories, Ralf; Schmidt-Walter, Heinz: Taschenbuch der Elektrotechnik. 8., erweiterte Auflage. Franfurt am Main 2008 Hagmann, Gert: Grundlagen der Elektrotechnik. 11. korrigierte Auflage. Wiebelsheim 2005 http://www.brgkepler.at/~rath/pl_an/teilchenmodell07/duit_teilchenmodell.pdf (Abgerufen am 11.6.2009 um 13.27 Uhr) http://www.physik.uni-regensburg.de/didaktik/gem_Mat/ELehre/el_Spannung_Info.pdf (Abgerufen am 11.6.2009 um 13.48 Uhr) http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~wilhelm/klausur/Stromkreis.pdf (Abgerufen am 11.6.2009 um 13.30 Uhr) http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~wilhelm/Vortraege/RLFB.pdf (Abgerufen am 11.6.2009 um 13.28 Uhr) http://sinus-transfer.uni-bayreuth.de/fileadmin/MaterialienIPN/G5_gesetzt.pdf (Abgerufen am 11.6.2009 um 11.6. 13.30 Uhr) Möller, Kornelia: Klasse(n)Kisten für den Sachunterricht. Themenheft Elektrischer Strom. Münster 2007 Richtlinien und Lehrpläne zur Erprobung für die Grundschule in Nordrhein-Westfalen – Sachunterricht. 1. Auflage 2003. Stiegler, Leonard: Physik für die Sekundarstufe I. Berlin 2005 Stork, Elke; Wiesner, Hartmut: Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre im Sachunterricht. In: Müller, Rainer [Hrsg.]: Schülervorstellungen in der Physik. 2. unveränd. Aufl. Köln 2007 Abbildungsverzeichnis Strom-Spannungs-Linie der Glühlampe: http://vorsam.uni-ulm.de/Versuche/EM/html/EM083V00.htm (Abgerufen am 11.6.2009 um 13:46 Uhr) Strom-Spannungs-Linie der LED: http://www.nullohm.de/berichte/leddex (Abgerufen am 11.6.2009 um 13.52 Uhr)

57

5. Anhang

58

5.1 Der Unterrichtskurzentwurf 1. Sequenz: Eine Welt ohne Strom (90 Minuten) Zeit/ Phase Einstiegsphase 10 - 15 Minuten

Erarbeitungsphase Erteilung des Arbeitsauftrages 5 - 10 Minuten

Unterrichtsgeschehen - Der L. präsentiert den SuS einige elektronische Schaltungen in mindestens einer Schaltung sollte eins dieser Bauteile auftauchen: Summer, Elektromotor, Kondensator, Widerstand und LED - Genaue Betrachtung der Schaltungen

- L.: „Was ist der Grund dafür, dass es jetzt funktioniert?“ - L.: „Dies sind nur einzelne Beispiele für Strom im Haushalt. Wann gebrauchst du denn Strom, wenn du zu Hause bist? - L.: „Wie würde denn ein Haushalt aussehen, wenn

Erwartetes Schülerverhalten

Lernziele

Arbeits-, Sozial- und Organisationsform

Medien

Theaterkreis

- Einzelne Schüler beschreiben die Effekte der Schaltung - Es werden alle Schaltungen vorgeführt (ein Kind, eine Schaltung, dabei nehmen die Kinder sich, abwechselnd Mädchen/Junge, dran) - Die SuS benennen den Strom als Ursache

- Die SuS sollen detailliert das beschreiben, was sie sehen - Die SuS sollen wesentliche Gesprächsregeln für die folgenden Stunden kennen lernen

- Die SuS nehmen sich gegenseitig dran und erzählen, wann sie Strom im Haushalt benutzen

- Die SuS sollen den eigenen Umgang mit Strom reflektieren - Die SuS sollen die Gesprächregeln einhalten

Vorbereitete Schaltungen Klassengespräch

Theaterkreis Unterrichtsgespräch

59

Arbeitsblatt (AB): Eine Welt ohne Strom

Bearbeiten des Arbeitsauftrages 35 - 40 Minuten

der Strom nie entdeckt worden wäre?“ - Arbeitsauftrag: Eine Welt ohne Strom - L. erklärt das Arbeitsblatt - Ein Hausquerschnitt mit elektrischen Geräten und nicht elektrischen Alternativen Ziel: Tabelle mit elektrischen Geräten in der linken Spalte und den nicht-elektrischen Alternativen zugeordnet in der rechten Spalte

Reflexionsphase 1. Besprechung des AB 15 Minuten

2. Eintrag in das

- Zusammen werden die Ergebnisse der Einzelarbeit besprochen - An der Tafel hängt das vergrößerte AB, mit doppelseitiges Klebeband sind daneben die Ersatzgeräte an der Tafel befestigt Ergebnis: Ein Haus, in dem Vieles, was alltäglich ist, fehlt. - L. stellt das Forschertagebuch vor. L.:

- Die SuS arbeiten einzeln an dem AB - Die SuS kreisen die elektrischen Geräte ein, schneiden diese Gegenstände aus und finden ihre Alternativen

- Die SuS sollen das AB sachgerecht bearbeiten

Stifte Einzelarbeit Klebestift Schere

- Die SuS kommen wieder in einem Theaterkreis zusammen - Die SuS nehmen sich gegenseitig dran und überkleben die Geräte, die ohne Strom nicht funktionieren, mit den Alternativen - Die SuS formulieren die Wichtigkeit des Stroms für ihr Leben - Die SuS notieren ihre Antwort in ihr Forscherheft

60

AB

Laminierter Querschnitt vom Haus Sitzkreis Unterrichtsgespräch - Jede(r) S. entwickelt seine eigene Meinung zur Bedeutung von Strom im Alltag - Die SuS sollen die Bedeutung des Stromes für

Laminierte Geräte und Alternativen Doppelseitiges Klebeband

Forscherbuch Einzelarbeit

Forschertagebuch

ihr Leben erkennen.

„Wie wichtig ist dir Strom?“

10 Minuten

AB: Eine Welt ohne Strom Stifte

61

2. Sequenz: Was brauche ich, damit ein Strom fließt? Teil 1 (90 Minuten) Zeit/ Phase Einstiegsphase: 1. Reflexion: 5 - 10 Minuten

Unterrichtsgeschehen - Es wird kurz der Inhalt der letzten Doppelstunde zusammengefasst (Eine Welt ohne Strom)

- Frage: Was brauche ich, damit 2. Einleitung in ein Strom fließt? das Thema der Vermutungen sammeln und auf Stunde: Tonpapierstreifen schreiben (L. kommentiert nicht, stellt aber 10 - 15 Minuten Verständnisfragen) - Ziel der Unterrichtssequenz: Erarbeitung der folgenden Bedingungen für einen Stromfluss: Man braucht… 1. …eine Energiequelle 2. …einen Verbraucher 3. …einen Stromkreis - Der L. präsentiert folgende Gegenstände: Glühlampe, Lampenfassung, 3 Krokodilklemmen, AABatteriekasten mit 3 Batterien. - An der Tafel werden Bilder mit der Bezeichnung der Bauteile angebracht Erarbeitungsphase - Arbeitsauftrag: Baue aus diesen

Erwartetes Schülerverhalten

Lernziele

- Die SuS kommen in einem Sitzkreis zusammen Zwei Schüler lesen ihren Forschertagebucheintrag vor

- Die SuS sollen das in der Vorstunde Gelernte wiedergeben können

- SuS äußern ihre Vermutungen

- Die SuS sollen Vermutungen klar äußern und falls notwendig umschreiben können

Arbeits-, Sozialund Organisationsform

Medien

Sitzkreis

Forschertagebücher

Klassengespräch

Eddings Tonpapierstreifen Glühlampe

- Die SuS benennen die Teile, die sie sehen.

- Die SuS sollen die Bauteile fachgerecht bezeichnen können

Sitzkreis

Lampenfassung

Klassengespräch

Krokodilklemmen Batteriekasten Bilder der Bauteile mit Bezeichnungen

- Die SuS konstruieren in 62

- Die SuS sollen mit dem

Glühlampen

1. Partnerarbeit

Gegenständen einen einfachen Stromkreis.

Partnerarbeit einen einfachen Stromkreis und bringen die Lampe zum Leuchten

10 Minuten

Partner kommunizieren und diskutieren

Partnerarbeit

- Die SuS sollen die Bauteile richtig miteinander verbinden

Lampenfassungen Krokodilklemmen Batteriekästen

2. Besprechung 20 Minuten

- L. fordert die SuS auf, zu beschreiben, was sie gebaut haben und was ihnen aufgefallen ist - Der L. fragt immer nach, wie der Strom fließt - Die SuS sollten Ideen äußern, wenn nicht: L. baut auf: 1. Stromkreis ohne Batterie 2. Verbindung von der Batterie mit der Glühlampe durch ein Kabel 3. Einen offener Stromkreis 4. Eine Kurzschlussschaltung

Reflexionsphase: 1. Besprechung 20 - 25 Minuten

- Die SuS kommen im Sitzkreis zusammen und bringen jeweils ihre Schaltung mit - Die SuS beschreiben, welche Teile sie benutzt haben, und begründen ihre Entscheidung - Die SuS beschreiben, wie der Strom fließt

- Die SuS korrigieren die Handlungen des Lehrers - Die SuS nennen vielleicht die Begriffe „Verbraucher“ oder „Kurzschluss“ - Die SuS kommen im Sitzkreis zusammen

- Die SuS sollen Kausalzusammenhänge formulieren können

- Die SuS sollen Fehlerquellen und die wichtigen Bedingungen für einen Stromfluss benennen können - Die SuS sollen die Fachbegriffe „Kurzschluss“ und „Verbraucher“ erlernen

Glühlampe Sitzkreis

Krokodilklemmen

Klassengespräch

Batteriekasten

Forschertagebücher

- Durchsprechen der Vorstellungen der Schüler vom Beginn der Stunde

- Die SuS sollen zunächst falsch gemachte Aussagen korrigieren

Festhalten auf einem Plakat:

- Die SuS sollen angemessen

Plakat Eddings

63

formulieren

Was brauche ich damit ein Strom fließt? 2. Eintrag in das Forschertagebuch

- Die SuS tragen die Ergebnisse in ihre Forschertagebücher ein

10 Minuten

Einzelarbeit

Forschertagebücher AB: Was brauche ich, damit ein Strom fließt?

64

2. Sequenz: Was brauche ich, damit ein Strom fließt? Teil 2 (45 Minuten) Zeit/ Phase Einstiegsphase: 1. Reflexion 5 - 10 Minuten

Unterrichtsgeschehen - Es wird kurz der Inhalt der letzten Doppelstunde zusammengefasst (Was brauche ich, damit ein Strom fließt? Teil 1)

Erwartetes Schülerverhalten - Die SuS kommen in einem Sitzkreis zusammen Zwei Schüler lesen ihren Forschertagebucheintrag vor

Lernziele

Arbeits-, Sozial- und Organisationsform

- Die SuS sollen das in der Vorstunde Gelernte wiedergeben können

Medien Forschertagebücher

Sitzkreis Glühlampe Klassengespräch Lampenfassung

- Durch passende Schaltungen kann das Gesagte gezeigt werden

Krokodilklemmen Batteriekasten

2. Einleitung in das Thema der Stunde 5 Minuten

- Der L. präsentiert den SuS einen offenen Stromkreis und deutet an, zwei Kabel so zu verbinden, dass sich nur ihre Isolationen berühren

- Die SuS äußern ihre Vermutungen, ob die Lampe leuchten wird oder nicht

- Die SuS sollen Vermutungen äußern und begründen

Glühlampe Lampenfassung Sitzkreis

- Der gleiche Versuch wird mit Holz und auch mit Metall wiederholt

Krokodilklemmen

Klassengespräch Batteriekasten Holz Metall

65

Erarbeitungsphase Partnerarbeit

Arbeitsauftrag: Finde andere Gegenstände, bei denen es funktioniert oder nicht funktioniert.

10 Minuten

- Die SuS probieren mit einem eigenen offenen Stromkreis aus, welche Gegenstände aus der Klasse leiten und welche nicht leiten

- Die SuS erkennen Gemeinsamkeiten von Leitern

Partnerarbeit

AB: Bei welchen Gegenständen leuchtet die Lampe? Glühlampen Krokodilklemmen Batteriekästen Leiter und Nichtleiter

Reflexionsphase: 1. Besprechung 15 Minuten

- Zusammen wird nach Leitern und Nichtleitern sortiert

- Die SuS formulieren ihre Beobachtungen

- Der Lückentext auf dem AB wird ausgefüllt: Leiter ermöglichen den Stromfluss. Nichtleiter oder Isolatoren behindern den Stromfluss.

- Die SuS sollen Fachbegriffe wie „Leiter“ und „Nichtleiter“ kennen lernen und verwenden können

Offene Stromkreise Leiter und Nichtleiter AB: Bei welchen Gegenständen leuchtet die Lampe? Stifte

2. Eintrag in das Forschertagebuch

- Die SuS tragen die Ergebnisse in ihre

Forschertagebücher

66

5 Minuten

Forschertagebücher ein - Die SuS ergänzen die Leitfähigkeit der Materialien als Bedingung für einen Stromfluss

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Einzelarbeit

AB: Was brauche ich, damit ein Strom fließt?

3. Sequenz: Was ist Spannung? Was ist Strom? Teil 1 (ca. 90 Minuten) Zeit/ Phase Einstiegsphase: 1. Reflexion 15 Minuten

Unterrichtsgeschehen - Es wird kurz der Inhalt der letzten Stunde zusammengefasst (Was brauche ich, damit ein Strom fließt?)

Erwartetes Schülerverhalten - Die SuS kommen in einem Sitzkreis zusammen Ein S. liest seinen Forschertagebucheintrag vor

-Verdeutlichung durch Vorführen der Schaltungen der letzten Doppelstunde

- Die SuS begründen, warum in den Schaltungen kein/ein Strom fließt

Lernziele

Arbeits-, Sozial- und Organisationsform

Medien

Sitzkreis

Forschertagebücher

Klassengespräch Glühlampe Lampenfassung Krokodilklemmen

- Der L. hängt das in der letzten Stunde erarbeitete Plakat an die Tafel oder hat ein eigenes vorbereitet

2. Einleitung in das Thema der Stunde: 25 Minuten

- Stummer Impuls: in die Mitte des Kreises werden zwei laminierte Warnschilder gelegt („Achtung! Starkstrom!“ und „Achtung! Hochspannung!“) - Mögliche Impulsfragen des Lehrers:

Batterie Plakat: Was brauche ich, damit ein Strom fließt? - Die SuS melden sich und nehmen sich gegenseitig dran (abwechselnd Mädchen/Junge) - Die SuS erzählen von ihren Vorerfahrungen - Die SuS reagieren auf die Impulsfragen des L. und nehmen sich gegenseitig

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- Die SuS sollen sich ihrer Vorerfahrungen bewusst werden und sie beschreiben Sitzkreis

Laminiertes Warnschild vor Hochspannung

Klassengespräch Laminiertes Warnschild vor Starkstrom

Erarbeitungsphase:

Wo hast Du solche Schilder schon einmal gesehen? Die Schilder sehen sich ziemlich ähnlich. Haben sie etwas miteinander zu tun? Was ist eigentlich Spannung? Wo hast Du das Wort Spannung denn schon einmal gehört? Was ist eigentlich Strom? Wo hast Du das Wort Strom denn schon einmal gehört? - Es sollte das Gemeinsame herausgestellt werden: Auf Spannung folgt immer eine Art von Bewegung Was ist Strom und Spannung bei elektrischen Geräten? - Präsentation eines einfachen offenen Stromkreises - Wo ist hier Spannung oder Strom? - Wie hängen Spannung und Strom zusammen?

dran

- Die Batterien werden vorne ausgelegt

- Die SuS vermuten was beim Gebrauch

- Die SuS nennen die Muskelspannung und die Spannung in einem Pfeil und Bogen - Die SuS sagen, dass Strom fließen kann

- Die SuS sollen Spannung als Zustand erkennen - Die SuS sollen lernen, dass Strom eine Bewegung ist - Die SuS sollen feststellen, dass auf Spannung eine Art der Bewegung folgt

- Die SuS benennen die einzelnen Teile - Die SuS vermuten - Die SuS verorten die Spannung in der Batterie - Der Stromfluss wird mit dem Finger nachgezeichnet, wenn die Lampe leuchtet

- Die SuS sollen ihre Vorerfahrungen von Spannung und Strom auf die Spannung und den Stromfluss bei elektrischen Geräten übertragen - Die SuS sollen in der Schaltung die Spannung und den Strom „verorten“ - Die SuS sollen Vermutungen anstellen

- Die SuS sollen vermuten

69

AB: Was ist

1. Partnerarbeit 30 Minuten

- Die SuS vermuten erst - Haben sie vermutet, so dürfen sie sich die Materialien für den Bau der einfachen Stromkreise von vorne abholen

unterschiedlicher Batterien passiert - Die SuS bringen eine Glühlampe zum Leuchten und benutzen unterschiedliche Batterien als Spannungsquellen - Die SuS notieren ihre Beobachtungen auf dem AB

- Die SuS sollen die Helligkeiten der Glühlampen vergleichen und Unterschiede feststellen - Sie sollen den Zusammenhang erkennen: je höher die Spannung, desto heller leuchtet die Glühbirne

Partnerarbeit

Spannung? Was ist Strom? Unterschiedliche Batterien (Flachbatterien, 1er, 2er, 3er und 4er AABatterienkasten 9 V Block) Glühlampe Lampenfassung Krokodilklemmen Batteriekästen

Reflexionsphase: Besprechung 15 - 20 Minuten

- Der Versuch wird besprochen Resultat: Je mehr Volt, desto heller leuchten die Lampen.

- Die SuS kommen wieder im Sitzkreis zusammen Sie lesen aus ihrem Forscherbuch vor

- Bei Gelegenheit sollte der Lehrer noch demonstrieren, was passiert, wenn zu viel Volt gebraucht werden

Forschertagebücher Sitzkreis Klassengespräch

- Klar sollte im Bezug auf die Tonpapierstreifen vom

70

Ausgefüllte Tonpapierstreifen vom Anfang der Stunde

Anfang festgehalten werden: Spannung ist in der Batterie. Strom fließt durch die Kabel und die Lampe, wenn die Lampe leuchtet.

71

3. Sequenz: Was ist Spannung? Was ist Strom? Teil 2 (45 Minuten) Zeit/ Phase Einstiegsphase: 1. Reflexion

Unterrichtsgeschehen

Erwartetes Schülerverhalten

- Es wird kurz der Inhalt der letzten Stunde zusammengefasst (Was ist Spannung, was ist Strom? Teil 1)

- Die SuS bemerken, dass die Voltzahl die Helligkeit der Lampe beeinflusst Je mehr Volt desto heller die Lampe

10 Minuten

Lernziele

Arbeits-, Sozialund Organisationsform

- Die SuS sollen das in der Vorstunde Gelernte wiederholen

Aufgebauter Wasserausgleichsversuch

- Auf dem Pult steht bereits der Wasserausgleichsversuch - An der Tafel hängen drei identische Plakate, die je eine Batterie und eine Glühlampe zeigen - Es werden wichtige Hinweise für den Gebrauch von Batterien besprochen wichtig ist die Nennung der Voltzahl und der Polung - Der L. schreibt die Voltzahl und die Polung jeweils in die Batterien auf den Plakaten Erarbeitungsphase: Lehrervortrag

- Die SuS nennen wichtige Hinweise für den Gebrauch der Batterien: - nie zu hohe Voltzahl verwenden - richtige Größe verwenden - richtige Polung beachten - richtige Voltzahl auswählen

- Die SuS reflektieren ihren Umgang mit Batterien im alltäglichen Leben

Medien

Normale Sitzordnung

Drei identische Plakate mit einer Glühlampe und einer Batterie (s. Anhang)

Klassengespräch

Glühlampe Lampenfassung Krokodilklemmen Batterie

- Überleitung zum Analogieversuch er soll den SuS die Funktionsweise einer Batterie

Normale Sitzordnung

72

Aufgebauter Wasserausgleichsversuch

20 - 25 Minuten

näher bringen - Vorbereitung und Beschreibung des Versuches - Die Säulen entsprechen den Polen der Batterie - Das Wasser entspricht den elektrischen Teilen - Der Hahn entspricht dem Schalter des Gerätes - Frage: Was passiert beim Öffnen des Hahns?

- Einmalige Vorführung des Versuches - Erneutes Auffüllen einer Säule Das entspricht der „vollen“ Batterie: Mehr Wasserteilchen in einer Säule als in der anderen. Das Wasser drückt. Mehr elektrische Teilchen an einem Pol als am anderen. Es besteht eine Spannung. Einzeichnen der Punkte in die Batterie des ersten Plakates. Kabel von der Batterie werden eingezeichnet, sind aber nicht mit der Batterie verbunden Überschrift: „Volle“ Batterie

Plakate

- Die SuS vermuten, was passiert - Die SuS sagen richtig voraus und nennen den Wasserdruck als Ursache

Eddings Lehrervortrag

- Die SuS sollen Spannung als Zustand erkennen

- Die SuS beschreiben, was sie sehen

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- Öffnen des Hahns im Versuch, und Schließen, bevor die Säulen ausgeglichen sind - Analogie zur Batterie: - Einige Teilchen sind noch am + Pol, einige auf dem Weg zur Lampe, einige fließen gerade durch die Lampe, einige sind auf dem Weg zum – Pol und einige schon dort. in das Plakat die Teilchen eintragen. Kabel werden mit der Glühlampe verbunden. Einzeichnen, dass die Lampe leuchtet Es ist Spannung und Stromfluss vorhanden

- Die SuS sollen lernen, dass Strom eine Bewegung ist - Die SuS sollen feststellen, dass auf Spannung eine Art der Bewegung folgt

- Die SuS lernen, dass hier Spannung und Stromfluss gleichzeitig vorliegen

- Der Hahn im Versuch wird geöffnet, die Wasserhöhen gleichen sich aus - Analogie zur Batterie: - es sind gleich viele Teilchen am + wie am – Pol - die Batterie ist immer noch mit der Lampe verbunden, diese leuchtet aber nicht mehr Es ist weder Spannung noch Stromfluss vorhanden. - Auf den Plakaten werden zum

- Die SuS lernen, dass es ohne Spannung keinen Stromfluss gibt

- Die SuS machen Vorschläge

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- Die SuS sollen angemessen

Bild passende Sätze notiert - Herstellung des Alltagsbezugs mit einem Gummiband an der Türklinke Je größer die Spannung, desto schneller die Bewegung zur Tür Hängt das Band an der Tür, ist weder Spannung noch Bewegung zu sehen. Reflexionsphase: Eintrag in das Forschertagebuch 10 Minuten 15 Minuten

- Die SuS beschreiben die Analogie

formulieren und auch Fachbegriffe benutzen - Die SuS erkennen die Analogie zum Alltag

- Die SuS bearbeiten das AB „Was ist Spannung? Was ist Strom? II“

Forschertagebuch Einzelarbeit

- Zwei SuS lesen ihre Ergebnisse noch vor

AB: Was ist Spannung? Was ist Strom? II Stifte

75

4. Sequenz: Die Reihen- und Parallelschaltung Teil 1 (90 Minuten) Zeit/ Phase

Unterrichtsgeschehen

Einstiegsphase:

- Kurze Besprechung der vorherigen Einheit 1. kurze Reflexion (Was ist Spannung? Was ist Strom?) 2. Einleitung in das - L. bringt auch noch mal den Thema der Stunde offenen Stromkreis mit Schließen des Stromkreises 15 Minuten Jeweils fragen: Wo ist hier Spannung? Wo ist Strom? - Die Lehrkraft hat den Beamer und die Tischkamera aufgebaut. Diese filmt das Steckbrett auf dem Tisch und ist mit dem Beamer verbunden, so dass die SuS an der Wand das Pult sehen können - Der Lehrer stellt das Steckbrett vor und zeigt, wie man eine LED zum Leuchten bringen kann - Er betont die Wichtigkeit des Vorwiderstandes

Erwartetes Schülerverhalten

Lernziele

- Die SuS sitzen auf ihren regulären Plätzen Ein Schüler liest aus dem Forschertagebuch vor

Arbeits-, Sozialund Organisationsform Normale Sitzordnung Klassengespräch

Medien Forschertagebücher Offener Stromkreis Beamer

- Die SuS verorten Spannung und Strom im Stromkreis

Tischkamera Steckbrett

- Die SuS schauen aufmerksam, was der L. vorne vorstellt, da sie als erste Aufgabe diese Schaltung nachbauen sollen

- Die SuS sollen den Aufbau der Schaltung nachvollziehen und verstehen

LED Lehrervortrag Steckbrücken Vorwiderstand Batteriekasten AB: Lass die Leuchtdioden leuchten! Wie bringe ich

76

Erarbeitungsphase: 1. Partnerarbeit: Nachbauen der Schaltung

- Vorstellung des AB - Je zwei SuS erhalten dann einen eigenen Materialbeutel: 2 LEDs (gleichfarbig), einen Batteriekasten für 3 AABatterien, 4 Steckbrücken, 2 x 1,1 kΩ Vorwiderstände, Steckbrett Vorstellung eines Plakates: „Ein guter Forscher…“ Einführung in die wissenschaftliche Arbeitsweise: Erst vermuten, dann beobachten, dann versuchen zu erklären

eine LED zum Leuchten?

- Die SuS sollen verantwortungsvoll mit dem Material umgehen

Materialbeutel

Lehrervortrag

15 Minuten - Die SuS bringen eine LED auf ihrem Steckbrett zum Leuchten

- Die SuS sollen das Gesehene reproduzieren

Partner-/Einzelarbeit

Plakat: Ein guter Forscher AB: Wie bringe ich eine LED zum Leuchten? Materialbeutel

2. Durchführung des Versuches 1 zur Leuchtdiode 20 Minuten

- Versuchsdurchführung: Zusammen wird Versuch 1 durchgeführt 1. Versuch: Polung der LED Der L. leitet den Versuch und die Aufgaben werden durchgegangen. - die LED Anschlüsse vertauschen - die Batterieanschlüsse vertauschen - den Widerstand und die LED

- Die SuS führen die Anweisungen auf dem AB auf Lehreranregung bei Versuch 1 alle gleichzeitig in Einzelarbeit durch Klassengespräch - Die SuS sollen feststellen, dass die LED und die Batterie richtig verschaltet sein müssen - Die SuS sollen sehen, dass es keine Rolle spielt in welcher Reihenfolge der Widerstand und

77

AB: Schön in einer Reihe Materialbeutel

3. Durchführung des Versuches 2 zur Reihenschaltung 20 Minuten

Reflexionsphase: Versuchsbesprechung 15 Minuten

vertauschen Kurze Besprechung des Verhaltens bei anfallenden Fragen 2. Versuch: Reihenschaltung - LEDs wie auf dem Foto in Reihe schalten - Eine LED entfernen: Was passiert?

die LED geschaltet sind - Die SuS sollen bei Fragen aufzeigen oder zum Lehrer gehen - Die SuS arbeiten zu zweit an jeder Station

- Die SuS erlernen die richtige Schaltung von LEDs

- Die SuS führen die Aufgaben auf dem AB aus

- Die SuS können sehen, dass bei Entfernung einer LED auch die zweite erlischt

- Der Versuch wird gemeinsam besprochen - Die Ergebnisse werden auf einem Plakat festgehalten - Bezug zum Alltag: die Christbaumbeleuchtung

- Die SuS sollen die in der Stunde gemachten Erfahrungen reflektieren und das für sie Wichtige aufschreiben

AB: Schön in einer Reihe Materialbeutel Foto der Reihenschaltung Normale Sitzordnung Klassengespräch

78

Forschertagebücher

4. Sequenz: Die Reihen- und Parallelschaltung Teil 2 (90 Minuten) Zeit/ Phase Einstiegsphase: 1. kurze Reflexion

Unterrichtsgeschehen - Kurze Besprechung der vorherigen Einheit (Die Reihen- und Parallelschaltung Teil I)

Erwartetes Schülerverhalten

Lernziele

Arbeits-, Sozialund Organisationsform

- Die SuS wiederholen das Gelernte der letzten Stunde

Medien Forschertagebücher Beamer

2. Einleitung in das Thema der Stunde - Die Lehrkraft hat den Beamer und die Tischkamera aufgebaut 10 Minuten - Unter der Tischkamera wird eine LED zum Leuchten gebracht und auch die Reihenschaltung konstruiert Die richtige Polung und die Besonderheit der Reihenschaltung soll nochmals genannt werden

Tischkamera Normale Sitzordnung

Steckbrett

Klassengespräch

LED Steckbrücken Vorwiderstand Batteriekasten

Erarbeitungsphase: 1. Stationsarbeit/ Partnerarbeit:

- Die SuS sollen sich an diese Regeln halten

- Die SuS werden in die Verhaltensweisen einer Stationsarbeit eingewiesen (Laufzettel, Verhalten bei Fragen)

Laufzettel

45 Minuten Versuchsdurchführungen: 3. Versuch: Parallelschaltungen von LEDs - LEDs richtig polen und

- Die SuS holen sich die ABs und bearbeiten sie - Nach jeder Station kommen sie nach vorne und lassen sich vom Lehrer eine Unterschrift 79

Stationsarbeit in Partnerarbeit - Die SuS arbeiten selbstständig an einer Aufgabenstellung

AB: Da ist was parallel AB: Die Reihenschaltung

nebeneinander schalten - Eine LED entfernen

auf ihren Laufzetteln geben

4. Versuch: Reihenschaltung von Glühlampen

2. Besprechung 25 Minuten

5. Versuch: Parallelschaltungen von Glühlampen - Alle Versuche werden besprochen - Der L. hat eine Reihen- und eine Parallelschaltung mit Glühlampen vorbereitet In den einzelnen Schaltungen wird der Stromfluss thematisiert

mit Glühlampen AB: Die Parallelschaltung mit Glühlampen

- Die SuS übertragen das bei den LEDs Angewendete auf die Glühlampen

Materialbeutel - Die SuS sagen, was sie bei den Versuchen festgestellt haben

- Die SuS sollen genau beschreiben und die Erklärungen in der Gruppe diskutieren

Forschertagebücher Tischlampe

- Die SuS diskutieren die Ergebnisse

- Die SuS sollen möglichst genau ihre Erklärungen formulieren

- Die Ergebnisse werden auf einem Plakat festgehalten

Normale Sitzordnung Klassengespräch

Beamer Vorbereitete Parallel- und Reihenschaltung Eddings

- L.: „Wie sind die Geräte bei euch zu Hause geschaltet?“ Verdeutlichung an den Schaltungen mit den Glühlampen Reflexionsphase:

- Die SuS versuchen zu erklären, ob die elektrischen Geräte zu Hause parallel oder in Reihe geschaltet sind

- Die SuS erkennen, dass die Parallelschaltung vorteilhafter für den Haushalt als die Reihenschaltung ist

- Die SuS tragen die Ergebnisse in ihre Forschertagebücher ein

- Die SuS sollen die in der Stunde gemachten Erfahrungen reflektieren und das für sie Wichtige aufschreiben

Eintrag in das Forschertagebuch 10 Minuten

80

Plakat

Einzelarbeit

AB: Reflexionsbogen für die Reihen- und Parallelschaltung

5. Sequenz: Wir lernen neue Bauteile kennen. (90 + 45 Minuten) Zeit/ Phase Einstiegsphase: 1. Reflexion 5 Minuten – 10 Minuten

Unterrichtsgeschehen - es wird kurz der Inhalt der letzten Stunde zusammengefasst (Parallel- und Reihenschaltung, Spannung und Strom)

Erwartetes Schülerverhalten

Lernziele

Medien

- Die SuS sitzen im Sitzkreis Ein S. liest seinen Forschertagebucheintrag vor Forschertagebücher

- An den vorbereiteten Parallelund Reihenschaltungen des L. werden Spannung und Stromfluss gezeigt - Die Besonderheiten der Reihenund Parallelschaltung werden kurz erwähnt

- Vorstellung der Bauteile unter 2. Einleitung in das der Tischkamera Thema der Stunde: - Unbekannte Bezeichnungen 10 Minuten stellt der L. vor

Arbeits-, Sozialund Organisationsform

Sitzkreis Tischkamera Klassengespräch Vorbereitete Parallel- und Reihenschaltung - Die SuS nennen Bezeichnungen für die Bauteile

- Die SuS sollen die Bezeichnungen der Bauteile kennen lernen

Tischkamera Widerstand

- Vorbereitete, laminierte Fotos mit den Bezeichnungen der Bauteile können an die Tafel geheftet werden

Normale Sitzordnung

Kondensator

Klassengespräch

Summer Motor Glühbirne

81

Laminierte Namenskarten Magnete Erarbeitungsphase: 1. Ausprobieren der Bauteile

Stationsarbeit: Station 1: Der Widerstand (Ausprobieren unterschiedlicher Widerstände als Vorwiderstand)

75 Minuten

- Die SuS schalten Widerstand und LED in Reihe. Sie können auch zwei oder mehr Widerstände vorschalten

„Widerstand behindert/begrenzt den Stromfluss“ Station 2: Der Kondensator (Ausprobieren unterschiedlicher Kondensatoren für eine verzögerte Ausschaltung) „Ein Kondensator speichert elektrische Teilchen, ähnlich wie eine Batterie.“ Station 3: Der Summer (Richtige Polung beachten) „Strom wird in einen Ton/Töne umgewandelt.“

- Die SuS schalten eine LED mit Vorwiderstand parallel zu Kondensatoren. Sie schließen eine Batterie an und entfernen dann wieder einen Pol der Batterie vom Steckbrett

Laufzettel für die Stationsarbeit

- Die SuS sollen die Funktion der Bauteile erfassen - Großer Widerstand LED leuchtet schwächer - mehrere Widerstände in Reihe LED leuchtet schwächer

AB für jede Station (s. Anhang) Materialbeutel für je zwei Schüler

- Die LED glimmt länger nach, wenn der Kondensator eine größere Kapazität hat (Die Faradzahl auf dem Kondensator ist höher)

10 x 3 kΩ Widerstände Stationsarbeit

- Die SuS schließen einen Summer an den Stromkreis an und polen dann die Anschlüsse von Summer und Batterie um

82

- Der Pluspol der Batterie muss an den Pluspol des Summers, der Minuspol der Batterie an den Minuspol des Summers angeschlossen werden, damit der Summer funktioniert - Die Polung ist wichtig. Strom hat eine Richtung

10 x 5,6 kΩ Widerstände 7 x 1000 µF Kondensatoren 7 x 2200µF Kondensatoren 7 x 6V- Summer

Station 4: Der Elektromotor

- Die SuS schließen den Elektromotor an die Batterie an und polen um

„Ein Elektromotor wandelt Strom (elektrische Energie) in Bewegung(senergie) um“

Station 5: Die Glühlampe

Reflexionsphase: 1. Besprechung 25 Minuten

Glühlampen Lampenfassungen

- Die SuS bringen eine Glühlampe zum Leuchten. Sie untersuchen die Wirkungen der Glühlampe

„Strom (elektrische Energie) wird - Die SuS notieren ihre in Wärme(energie) und in Licht umgewandelt“ Ergebnisse auf ihren ABs - Die Stationsarbeit wird rechtzeitig vorm Ende der ersten Doppelstunde abgebrochen, damit noch genug Zeit für das Aufräumen bleibt - Alle Versuche werden durchgesprochen und bei Bedarf nochmals vorgeführt.

7 x Elektromotoren mit Propellern

- Die Polung des Elektromotors ist für seine eigentliche Funktion nicht wichtig, aber die Drehrichtung ändert sich

- Die SuS kommen im Sitzkreis zusammen - Die SuS formulieren die Wirkungen des Stroms

- Zu jeder Namenskarte wird ein Merksatz aufgeschrieben, der die Funktion des Bauteils beschreibt - Diese Funktionskarten kann auch der L. schon vorbereitet haben - Die Sätze werden ungeordnet an

- Die SuS sollen erkennen, dass die Glühlampe aus dem Strom nicht nur Licht macht, sondern dass Stromfluss auch immer Wärmeverluste nach sich zieht - Die SuS sollen erst vermuten und dann die Experimente durchführen

- Die SuS sollen ihre Beobachtungen exakt beschreiben und die Ergebnisse exakt formulieren - Die SuS sollen den Bauteilen Wirkungen auf oder durch den Strom zuordnen

Krokodilklemmen Flachbatterien

AB zu jedem Versuch Normale Sitzordnung Klassengespräch

Versuchsaufbauten Namenskarten der Bauteile Funktionskarten der Bauteile

83

die Tafel gehängt und sollen von den SuS sortiert werden 2. Eintrag in das Forschertagebuch

- Die SuS tragen die Ergebnisse in ihre Forschertagebücher ein

15 Minuten

84

- Die SuS sollen die in der Stunde gemachten Erfahrungen reflektieren und das für sie Wichtige aufschreiben

Einzelarbeit

AB: Reflexionsbogen für die Bauteile

6. Sequenz: Wir erklären die Schaltungen (90 Minuten) (optional) Zeit/ Phase Einstiegsphase: 1. Reflexion 5 – 10 Minuten

2. Einleitung ist das Thema der Stunde 5 Minuten

Erarbeitungsphase: 1. Gruppenarbeit 40 Minuten

Unterrichtsgeschehen - Der L. hat auf dem Pult die Tischkamera aufgestellt - An der Tafel hängen die Fotos und die Bezeichnungen der Bauteile - Daneben hängen unsortiert die Funktionskarten - Eine Zuordnung von Namenskarten und Funktionskarten dient als Reflexion - Zu Beginn der Einheit wurden den SuS komplexere Schaltungen gezeigt - Diese werden nun wieder unter der Tischkamera präsentiert - Jede Gruppe soll nun eine der Schaltungen erhalten und dazu Fragen beantworten - Mündlich werden ihre Ergebnisse nachher in Form eines Referates vorgestellt - Jede Gruppe hat eine Schaltung - Sie erhält folgende Leitfragen: 1. Wo ist hier Spannung? 2. Wo fließt in eurer Schaltung Strom?

Erwartetes Schülerverhalten

Lernziele

Arbeits-, Sozialund Organisationsform

Medien

Tischkamera Beamer Normale Sitzordnung Klassengespräch - Die SuS kommen nach vorne und ordnen den Bauteilen ihre Funktionen zu

- Das in der letzten Stunde Gelernte wird gefestigt

Namens- und Funktionskarten für die Bauteile Magnete

Normale Sitzordnung Lehrervortrag

- Die SuS schauen sich die Schaltung ganz genau an - Sie gehen Frage für Frage durch und beantworten sie 85

- Die SuS müssen in der Gruppe diskutieren - Die SuS müssen das in der Einheit Gelernte für das Lösen einer neuen Aufgabe anwenden

Vorbereitete Schaltungen

Vorbereitete Schaltungen Gruppenarbeit

- Durch die Schaltung wird wieder ein Alltagsbezug hergestellt, da die Schaltungen alle im Haushalt Einsatz finden könnten

3. Sind die Bauteile parallel oder in Reihe geschaltet? (Es kann auch eine Kombination aus beidem sein.) 4. Wie wirkt der Strom in deiner Schaltung/Was machen die Bauteile mit dem Strom?

Zettel mit den Leitfragen

2. Vorstellung 30 Minuten

2. Eintrag in das Forscherbuch

- Jede Gruppe stellt unter der Tischkamera ihre Schaltung kurz anhand der Leitfragen vor

- Die SuS sagen und zeigen, was sie herausgefunden haben

- Die SuS müssen sich klar und genau ausdrücken

Vorbereitete Schaltungen Schülervortrag Tischkamera

- Die SuS schreiben das auf, was sie aus dem Unterricht behalten haben

10 Minuten

86

Beamer AB: Postkonzepte der Kinder

Das weiß ich schon über Strom

Was stellst du dir unter Strom vor?

Was stellst du dir unter elektrischer Spannung vor?

Was kann Strom alles machen?

Was braucht man, damit ein Strom fließt?

1

Eine Welt ohne Strom 1. Kreise die Geräte im Haus ein, die Strom brauchen, damit sie funktionieren. 2. Auf der nächsten Seite findest du diese Geräte wieder. Schneide sie aus und klebe sie in die linke Spalte der Tabelle. 3. Finde zu jedem elektrischen Gerät einen Ersatz, der ohne Strom funktioniert. Schneide auch den Ersatz aus und klebe ihn neben das passende elektrische Gerät in die rechte Spalte der Tabelle.

2

Kühlbox

Fernseher

Brief

Elektrische Zahnbürste

Waschmaschine

Kühlschrank

Kronleuchter Handtuch Zahnbürste

Zeitung

Handsäge

Handy Kreissäge Backofen

Fön

Waschbrett

Gesellschaftsspiel

Kerzenständer Kohle-/Holzofen Spielkonsole

3

Diese Geräte kann ich ohne Strom… …nicht gebrauchen

…als Ersatz benutzen

…nicht gebrauchen

…als Ersatz benutzen

Wie wichtig ist dir Strom?

4

Was brauche ich, damit ein Strom fließt? Es gibt vier Dinge, die ich brauche, damit ein Strom fließen kann: 1.

2.

3.

4.

Diese Gegenstände habe ich für meinen Stromkreis gebraucht:

5

Bei welchen Gegenständen leuchtet die Lampe? Bei diesen Gegenständen…

?

? ...leuchtet die Lampe. Eisenstück

…leuchtet die Lampe nicht. Holzstück

Materialien, bei denen die Lampe leuchtet, nennt man ___________. Sie ________________ den Stromfluss. Materialien, bei denen die Lampe nicht leuchtet, nennt man __________ oder ___________. Sie _________________ den Stromfluss. 6

Was ist Spannung? Was ist Strom?

Volt ist die Einheit für die elektrische Spannung. Die Abkürzung für Volt ist ein großes V. Welche Spannungen haben die Batterien?

_____ V

_____ V

_____ V

_____ V

_____ V

_____ V

Was passiert, wenn du mit den unterschiedlichen Batterien eine Glühlampe anmachst? Vermute!

Schließe nun nacheinander die Batterien an die Glühlampe an. Beobachte die Glühlampe. Was fällt dir auf?

Warum ist das so?

7

Was ist Spannung? Was ist Strom?

Was ist elektrische Spannung?

Was ist Strom?

Was hat elektrische Spannung mit Strom zu tun?

8

Lass die Leuchtdioden leuchten! Versuch 1: Wie bringe ich eine Leuchtdiode zum Leuchten?

1. Bringe mit deinem Partner eine Leuchtdiode auf eurem Steckbrett zum Leuchten. WICHTIG: Denke an den Vorwiderstand! 2. Egal ob die Leuchtdiode jetzt leuchtet oder nicht: Was passiert, wenn du die Anschlüsse der Leuchtdiode vertauscht? Vermute!

Vertausche die Anschlüsse der Leuchtdiode. Was passiert?

Was glaubst du: Warum ist das so?

3. Was passiert jetzt wohl, wenn du die Anschlüsse der Batterie vertauscht? Vermute!

Vertausche nun die Anschlüsse der Batterie. Was passiert?

Was glaubst du: Warum ist das so?

9

Lass die Leuchtdioden leuchten! Versuch 2: Schön in einer Reihe!

1. Bringe mit deinem Partner zwei Leuchtdioden hintereinander, also in einer Reihe, auf eurem Steckbrett zum Leuchten. WICHTIG: Denke an den Vorwiderstand! TIPP: In deiner Klasse hängt noch ein Foto der Reihenschaltung! 2. Wie musst du die Leuchtdioden ins Steckbrett stecken, damit sie beide leuchten? TIPP: Schau dir die Leuchtdioden noch einmal ganz genau an!

3. Bringe beide Leuchtdioden hintereinander zum Leuchten. Was passiert, wenn du nun eine der beiden Leuchtdioden aus dem Steckbrett nimmst? Vermute!

Nimm nun eine Leuchtdiode aus dem Steckbrett. Was passiert?

Was glaubst du: Warum ist das so?

10

Lass die Leuchtdioden leuchten! Versuch 3: Da ist was parallel! 1. Bringe mit deinem Partner zwei Leuchtdioden nebeneinander auf eurem Steckbrett zum Leuchten. WICHTIG: Denke an den Vorwiderstand! TIPP: In deiner Klasse ist ein Foto dieser Parallelschaltung aufgehängt. 2. Wie musst du die Leuchtdioden ins Steckbrett stecken, damit sie beide leuchten? TIPP: Schau dir die Leuchtdioden noch einmal ganz genau an!

3. Bringe beide Leuchtdioden nebeneinander zum Leuchten. Was passiert, wenn du nun eine der beiden Leuchtdioden aus dem Steckbrett nimmst? Vermute!

Nimm nun eine Leuchtdiode aus dem Steckbrett. Was passiert?

Was glaubst du: Warum ist das so?

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Lass die Leuchtdioden leuchten! Versuch 4: Die Reihenschaltung mit Glühlampen Du brauchst:

2 Schalter 2 Glühlampen 2 Lampenfassungen 1 Batteriekasten für 3 Batterien 3 AA-Mignon-Batterien Krokodilklemmen

1. Die beiden Lampen sollen nur dann leuchten, wenn beide Schalter geschlossen sind. Diese Schaltung nennt sich Reihenschaltung. Wie musst du die Bauteile zusammenbauen? 2. Zeichne deine Lösung. Wie hast du die Teile zusammengebaut?

2. Egal ob die Leuchtdioden leuchten oder nicht: Vertausche nun nacheinander die Anschlüsse der Leuchtdioden. Wie müssen die Leuchtdioden gesteckt werden, damit sie beide leuchten? TIPP: Schau dir die Leuchtdioden noch mal ganz genau an!

3. Was passiert, wenn du die Anschlüsse der Batterie vertauscht? Vermute! 3. Zeichne mit einer anderen Farbe den Weg ein, den der Strom nimmt.

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Lass die Leuchtdioden leuchten! Versuch 5: Die Parallelschaltung von Glühlampen Du brauchst:

2 Schalter 2 Glühlampen 2 Lampenfassungen 1 Batteriekasten für 3 Batterien 3 AA-Mignon-Batterien Krokodilklemmen

1. Ein Schalter kann jeweils eine Lampe an- und ausschalten. Diese Schaltung nennt sich Parallelschaltung. Wie musst du die Bauteile zusammenbauen? 2. Zeichne deine Lösung. Wie hast du die Teile zusammengebaut?

2. Egal ob die Leuchtdioden leuchten oder nicht: Vertausche nun nacheinander die Anschlüsse der Leuchtdioden. Wie müssen die Leuchtdioden gesteckt werden, damit sie beide leuchten? TIPP: Schau dir die Leuchtdioden noch mal ganz genau an!

3. Was passiert, wenn du die Anschlüsse der Batterie vertauscht? Vermute! 3. Zeichne mit einer anderen Farbe den Weg ein, den der Strom nimmt.

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Lass die Leuchtdioden leuchten! Das weiß ich nun:

Was ist wichtig, wenn ich Leuchtdioden zum Leuchten bringen möchte?

Was ist das Besondere an der Reihenschaltung?

Was ist das Besondere an der Parallelschaltung?

Sind die elektrischen Geräte zu Hause parallel oder in Reihe geschaltet? Begründe deine Antwort!

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Wir lernen neue Bauteile kennen Versuch 1: Der Widerstand 1. Bringe mit deinem Partner und deinen Materialien eine Leuchtdiode auf dem Steckbrett zum Leuchten. WICHTIG: Denke an den Vorwiderstand! 2. Die Einheit für den Widerstand ist Ohm (Ω). Die Widerstände auf dem Tisch haben unterschiedliche Ohmwerte. Den Ohmwert kannst du an den Farben auf dem Widerstand erkennen: Farben des Widerstandes Braun-Braun-Rot-Gold Orange-Schwarz-Rot-Gold Grün-Blau-Rot-Gold

Ohmwert 1100 Ω 3000 Ω 5600 Ω

3. Was passiert nun, wenn du Widerstände mit größerem Ohmwert benutzt? Vermute!

4. Probiere nun die Widerstände aus! Was passiert?

5. Was glaubst du: Warum ist das so?

6. Was macht der Widerstand mit dem Strom?

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Wir lernen neue Bauteile kennen Versuch 2: Der Kondensator 1. Bringe mit deinem Partner und deinen Materialien eine Leuchtdiode auf dem Steckbrett zum Leuchten. WICHTIG: Denke an den Vorwiderstand! 2. Schalte nun einen Kondensator parallel zur Leuchtdiode. Die beiden Bauteile müssen also nebeneinander geschaltet sein. TIPP: Der Kondensator braucht keinen Vorwiderstand. Es reicht eine Steckbrücke! Was passiert, wenn du nun die Batterieanschlüsse aus dem Steckbrett ziehst? Vermute!

3. Ziehe nun die Batterieanschlüsse aus dem Steckbrett. Was passiert? Achte genau auf die Leuchtdiode!

4. Was glaubst du: Warum ist das so?

5. Was macht der Kondensator mit den elektrischen Teilen?

16

Wir lernen neue Bauteile kennen Versuch 3: Der Summer 1. Versuche mit deinem Partner den Summer richtig in das Steckbrett zu stecken. 2. Egal ob dein Summer funktioniert oder nicht: Was passiert, wenn du die Anschlüsse des Summers vertauscht? Vermute!

Vertausche die Anschlüsse des Summers. Was passiert?

Was glaubst du: Warum ist das so?

Was bewirkt der Strom im Summer?

17

Wir lernen neue Bauteile kennen Versuch 4: Der Elektromotor 1. Versuche mit deinem Partner den Elektromotor mit einer Batterie und zwei Krokodilklemmen zum Drehen zu bringen. 2. Dreht sich der Propeller mit dem Uhrzeigersinn (rechts herum) oder gegen den Uhrzeigersinn (links herum)? TIPP: Entferne ein Kabel vom Motor und lass ihn langsam ausdrehen. Dann kannst du es besser sehen.

3. Was passiert, wenn du die Anschlüsse des Motors vertauscht? Vermute!

4. Vertausche die Anschlüsse des Motors. Was passiert? Beobachte genau! TIPP: Entferne ein Kabel vom Motor und lass ihn langsam ausdrehen. Dann kannst du es besser sehen.

5. Was glaubst du: Warum ist das so?

6. Was bewirkt der Strom im Elektromotor?

18

Wir lernen neue Bauteile kennen Versuch 5: Die Glühlampe! 1. Versuche mit deinem Partner eine Glühlampe mit einer Batterie und zwei Krokodilklemmen zum Leuchten zu bringen.

2. Was passiert nun, wenn du für längere Zeit einen Finger auf die Glühlampe legst? Vermute!

Lege nun einen Finger auf die Glühlampe. Was spürst du?

Was glaubst du: Warum ist das so?

3. Der Strom bewirkt zwei Dinge in der Glühlampe. Welche zwei Dinge sind das?

19

Wir lernen neue Bauteile kennen Wieder was dazu gelernt!

Was macht ein Widerstand mit dem Strom?

Was macht ein Kondensator mit den elektrischen Teilen?

Was bewirkt der Strom im Summer?

Was bewirkt der Strom im Elektromotor?

Was bewirkt der Strom in der Glühlampe?

20

Das weiß ich schon über Strom

Was stellst du dir unter Strom vor?

Was stellst du dir unter elektrischer Spannung vor?

Was kann Strom alles machen?

Was braucht man, damit ein Strom fließt?

Das habe ich aus dem Unterricht zum Thema Strom auch noch behalten:

21

5.3 Abbildungen zur Erläuterung des fachlichen Inhalts

Links sind die Strom-Spannungs-Kennlinien von LEDs abgebildet. Rechts sieht man wie groß der Strom bei Glühfäden in Glühlampen bei einer bestimmten, angelegten Spannung ist. Während bei den LEDs schon bei geringen Spannungen große mA-Werte erreicht werden, ist dies bei den Glühlampen nicht der Fall. Aus diesem Grund braucht es vor einer LED immer einen Vorwiderstand, der den Strom begrenzt. Aufgrund der Steilheit der Strom-Spannungs-Kennlinie der LED können in der Reihenschaltung beim Benutzen von LEDs und sich nur geringfügig unterscheidenden Widerständen kaum Unterschiede in der Helligkeit ausgemacht werden.

106

5.4 Die Versuche

Wie man eine Glühlampe zum Leuchten bringt: Links im einfachen, geschlossenen Stromkreis mit Energiequelle (Batteriekasten mit drei AAMignon-Batterien), Leitern (Krokodilklemmen) und einem „Verbraucher“ (Glühlampe) leuchtet die Glühlampe. Rechts ist der Stromkreis geöffnet worden. Es besteht keine Verbindung zwischen den Krokodilklemmen. Das Licht bleibt aus.

Links: Der Langzeitversuch. Hier fließt kein Strom in die Luft. Die Lampe leuchtet beim ersten Ausprobieren genau so hell wie zum Ende der Unterrichtsreihe. Rechts: Hier wird die Theorie widerlegt, dass Strom bis zum Ende der Kabel fließt, wenn ein Stromkreis geöffnet ist. Wäre dies so, so müsste die Lampe im Bild leuchten. Diese Schaltung eignet sich auch zum Testen der Leitfähigkeit eines Gegenstandes. Dieser muss nur zwischen die schwarze und gelbe Krokodilklemme gehalten werden.

107

Im rechten Bild sieht man eine Kurzschlussschaltung. Links leuchtet die Lampe noch. Durch die direkte Verbindung von + und – Pol durch die gelbe Krokodilklemme ist aber ein Kurzschluss entstanden. Dabei ist es nicht entscheidend, dass die Verbindung kürzer ist, sondern, dass sie dem Strom einen geringeren Widerstand entgegensetzt. Je kleiner der Widerstand, desto größer der Strom. Der Strom „teilt“ sich im gleichen Verhältnis in den Stromkreisen auf, wie sich die Widerstände in diesen verhalten. Ist der Widerstand der gelben Krokodilklemme beispielsweise 1000 kleiner als beim Weg durch zwei Krokodilklemmen und die Lampe, so fließt durch sie ein 1000-mal größerer Strom als durch die Glühlampe Auch durch die Lampe fließt also noch ein geringer Strom, weil auch hier ein Stromkreis besteht. Allerdings ist er so gering, dass er nicht ausreicht, um die Lampe zum Leuchten zu bringen.

Dies ist der im Unterricht entstandene Kurzschluss. Wie man sieht, kam es zur direkten Verbindung von Plus- und Minuspol. Durch die entstandene Hitze verschmolzen die Kabel und auch die Batterien heizten sich stark auf. Das hatte auch Folgen für den Batteriekasten, wie im eingekreisten Teil des Bildes zu sehen ist. Den Qualm und den Geruch von geschmolzenem Plastik bemerkten zuerst die Kinder.

108

Dies ist die Steckplatine Typ IV (12,25 €) aus dem Conrad Sortiment. Die Bauteile werden in die Löcher gesteckt. Die schwarzen Linien zeigen an, welche Steckplätze jeweils miteinander verbunden sind. Zwischen denen der – und + Schiene besteht eine durchgehende Verbindung. In der Mitte des Brettes sind jeweils nur die fünf senkrecht untereinander liegenden miteinander verbunden.

Wie bringe ich eine Leuchtdiode auf dem Steckbrett zum Leuchten? Links leuchtet sie, da sowohl der Widerstandsanschluss, als auch der der LED in der gleichen Fünferreihe, senkrecht untereinander, eingesteckt sind. Rechts befindet sich Widerstand- und LED-Anschluss in unterschiedlichen Fünferreihen, zwischen denen keine Verbindung besteht.

109

Die Parallelschaltung mit LEDs: Links leuchten beide LEDs. Sie sind parallel, also nebeneinander, geschaltet. Es bestehen zwei Stromkreise. Rechts ist der Ausfall einer LED durch ihr Entfernen simuliert worden. Da noch ein Stromkreis besteht, leuchtet die zweite LED weiter.

Die Reihenschaltung mit LEDs: Links leuchten beide LEDs. Sie sind in Reihe geschaltet. Die mittlere LED verbindet die obere und untere Fünferreihe miteinander. Rechts ist der Ausfall einer LED durch ihr Entfernen simuliert worden. Da kein Stromkreis mehr besteht, erlischt auch die zweite LED.

110

Die Reihenschaltung mit Glühlampen: Nur wenn beide Schalter geschlossen sind, leuchten beide Glühlampen. Schon beim Umlegen eines Schalters gehen beide Lampen aus. Im rechten Bild ist der obere Schalter betätigt worden. Die bekannteste Reihenschaltung im Haushalt ist die Christbaumbeleuchtung. Allerdings taucht sie auch bei Sicherheitsschaltungen auf. So haben auch Brotschneidemaschinen zwei Knöpfe, die gleichzeitig gedrückt werden müssen, damit die Maschine schneidet.

Die Parallelschaltung mit Glühlampen: Wenn beide Schalter geschlossen sind, leuchten beide Glühlampen (rechts). Allerdings kann man die Lampen über die Schalter einzeln an- und ausschalten. Die meisten Geräte im Haushalt sind parallel geschaltet. Auch den Schülern wird klar werden, dass der Fernseher ja nicht ausgeht, wenn das Licht im Zimmer ausgeschaltet wird.

111

Dies ist der Widerstandsversuch, den der Lehrer vorführt. Ähnlich können auch die Kinder vorgehen, allerdings nur mit zwei LEDs. Wie im rechten Bild besser zu erkennen ist, leuchten auf jeden Fall die ersten vier LEDs, allerdings mit abnehmender Helligkeit. Verdeutlicht werden kann das im Unterricht, indem man sie blinken lässt.

Hier sieht man den Kondensatorversuch. Schaltet man ihn parallel zu einer LED mit Vorwiderstand und löst dann einen Anschluss der Batterie vom Brett ab, leuchtet die LED kurz weiter. Im Bild rechts wird sie ein wenig länger leuchten, weil zwei Kondensatoren parallel geschaltet sind. Der große Kondensator hat eine Kapazität von 2200 µF, der kleine eine von 1000 µF.

112

Links sehen wir den richtigen Anschluss vom Summer. Hier ist nur die richtige Polung entscheidend. Rechts sehen wir den Aufbau des Ventilatorversuches. Noch sind nicht beide Kabel angeschlossen.

Im linken Bild dreht sich die Luftschraube. Dann sollte der Motor auch festgehalten werden. Im rechten Bild sieht man nochmals den Anschluss. Tauscht man die Kabelanschlüsse, so ändert sich lediglich die Drehrichtung des Motors und damit der Luftschraube.

113

Der Wasserausgleichsversuch Man braucht:

2 Stative 2 Chromatographiesäulen 1 Reagenzglas mit Ansatz 1 Reagenzglas mit Ansatz und Hahn 4 Muffen 4 Klemmen Indikatorflüssigkeit (Methylenblau) Pipetten Ein Stück Schlauch

Der Aufbau:

1. Die Stative werden nebeneinander gestellt. Die vier Muffen werden an den Stativen befestigt. An jedes Stativ wird jeweils auf gleicher Höhe eine Muffe weiter unten und eine weiter oben befestigt. An den Muffen werden die Klemmen befestigt.

2.

Die beiden Reagenzgläser werden durch die Klemmen der unteren Muffen gehalten. Mit dem Stück Schlauch werden ihre Ansätze verbunden. 114

3.

Die Reagenzgläser werden mit Wasser gefüllt. Die Chromatographiesäulen werden auf die Reagenzgläser gesetzt und von den oberen Klemmen gehalten. Vorsicht: Es darf keine Lufteinschlüsse in den Reagenzgläsern geben. Sonst funktioniert der Versuch nicht.

4.

Bei geschlossenem Hahn kann nun in die Chromatographien unterschiedlich viel Wasser gefüllt werden. Es entstehen unterschiedlich hohe Wassersäulen. Durch die Zugabe von ein wenig Indikatorflüssigkeit kann man die Säulen blau färben. So können die Höhen der Säulen besser gesehen werden. So ist der Hahn geschlossen (links). Der Wasserdruck ist nun bei der rechten Säule, da sie höher ist, größer. Mit zunehmender Wassertiefe nimmt analog dazu auch der Wasserdruck zu. Öffnet man nun den Hahn kann sich der Druck und damit die Höhe ausgleichen.

Bild 1 zeigt die „volle“ Batterie. Der Stromkreis ist noch nicht geschlossen, da der Hahn noch nicht offen ist. In Bild 2 und Bild 3 ist der Hahn geöffnet. Der Stromkreis wäre nun geschlossen. Die Wassersäulen sind noch nicht ganz ausgeglichen. Es besteht also sowohl eine Spannung als auch ein Stromfluss. In Bild 4 sind die Säulen ausgeglichen. Daran ändert sich nichts mehr. Es liegt weder Spannung 115 noch Stromfluss vor.

5.5 Fotos aus der Unterrichtsreihe

Das ist der erste Teil der CVK-Experimentierbox zum Thema Strom. Links sieht man Thermometer (oben) und die Leiter und Nichtleiter (unten). Im rechten Bild sind nochmals alle zu testenden Materialien ausgelegt. Außer Gegenständen in der Klasse können die Kinder auch diese auf ihre Leitfähigkeit testen.

Außerdem sind im CVK-Kasten auch enthalten: Schalter, Lampenfassungen, Drähte und Kabel, Batterieklemmen und Schraubenzieher.

Links: Kinder experimentieren mit der Reihen- und Parallelschaltung. Rechts: Die Tischkamera projiziert das Bild des Steckbrettes über den Beamer an die Wand. 116

Links ist das von der Lehrkraft vorbereitete Plakat zum Thema „Was brauche ich, damit ein Strom fließt?“. Alle vier Bedingungen sind jeweils aufgezeigt. Daneben befinden sich jeweils ein Stromkreis, in dem alle Voraussetzungen eines sicheren Stromflusses gegeben sind und ein Stromkreis, in dem die jeweilige Bedingung nicht erfüllt ist. Ist kein „Verbraucher“ vorhanden, so fließt auch ein Strom. Es handelt sich hierbei um einen Kurzschluss, der mit seinen Gefahren kurz erwähnt ist. Rechts sieht man das Plakat „Ein guter Forscher…“, wie es Unterricht Einsatz gefunden hat. Vom Lehrer vorbereitet, zeigt es den Dreischritt der wissenschaftlichen Arbeitsweise. Unterstrichen sind jeweils die wichtigen Schlagworte „Vermuten“, „Beobachten“ und „Erklären“. Das ist das Haus aus der ersten Unterrichtssequenz. Es ist vergrößert und laminiert worden. Mit doppelseitigem Klebeband sind die Alternativen über die elektrischen Geräte geklebt worden. Unten sieht man das vorgestellte Puppenhaus.

117

Durch diese drei Plakate wurden die Begriffe Spannung und Strom erklärt und differenziert. Sinnvoller erscheint es hier aber, einen Querschnitt der Glühlampe anstatt der verwendeten Glühlampe zu benutzen, um genau den Stromfluss durch diese beschreiben zu können.

Zwei, bis auf die Schrift, identische Schilder, die vergrößert und laminiert als stummer Impuls in die Mitte des Sitzkreises gelegt werden können.

Die Schüler experimentieren mit Schaltern, LEDs und dem Summer. Unten rechts sieht man die Namensund Funktionskarten der Bauteile.

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5.6 Zwei exemplarische Forschermappen

T.

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D.

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5.7 Die Materialliste In dieser Liste sind die Materialien für die Schülerversuche aufgeführt. Die Preise richten sich nach den Preisen in den Online-Shops von www.conrad.de und von www.traudl-riess.de. Die Materialien sind für eine Klassengröße von 30 aufgelistet worden. In der zweitletzten Spalte ist die Anzahl pro Schülergruppe, jeweils bestehend aus zwei Kindern, angegeben. In der letzten Spalte sieht man die Kosten für die Materialien bei 30 Schülern inklusive Ersatzmaterial. Materialien für 30 Schüler + Lehrer 16 1er – AA Mignon* Batteriekasten 16 2er – AA Mignon* Batteriekasten 16 3er – AA Mignon Batteriekasten 16 4er – AA Mignon* Batteriekasten 16 Flachbatterie* 16 9V-Block* 16 Batterieclip für 9V-Block 50 Krokodilklemmen 40 LEDs einfarbig (rot, grün, gelb) 16 Steckplatine Typ IV oder 16 Steckplatine Typ II 40 Steckbrücken 100mm 40 Steckbrücken 50mm 40 Widerstände 1,1kΩ 10 Widerstände 3kΩ 10 Widerstände 5,6kΩ 1 Widerstand 100Ω 1 Widerstand 15kΩ 1 Widerstand 33kΩ 7 6V-Summer 7 Solar-Motor Typ B mit Montagesockel 7 Luftschraube Welle 2mm 7 Kondensatoren/Elko 2200µF 7 Kondensatoren/Elko 1000µF 35 Ilu- Fassung E 10** 35 Glühlampen E 10**

Online-Shop Traudl- Riess

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1 1 1 3 2

10,40€ 12€ 2,24€ 13€ 3,20€

1 1 2 2 2 -

196€ o. 127,68€ 21,88€ 21,52€ 1,20€ 0,50€ 0,50€ 1,20€ 1,20€ 1,20€ 10,15€ 9,10€

Pro Stück 0,38€ Pro Stück 0,28€ Pro Stück 0,27€ Pro Stück 0,39€ Pro 10 Stück 0,36€ Pro Stück 0,13€ Pro 10 Stück 0,11€ Pro Stück 0,29€

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Stromdiplom Herzlichen Glückwunsch! Hiermit bekommst du, liebe(r) _______, dein Stromdiplom.

Du hast gezeigt, dass dir beim Thema Strom ein Lichtlein aufgeht. 165

Eidesstattliche Erklärung Ich versichere hiermit, dass ich meine Masterarbeit „Elektrische Energie im Unterricht der Grundschule – Konzeption, Erprobung und Reflektion einer Unterrichtseinheit“

selbstständig und ohne fremde Hilfe angefertigt habe, und dass ich alle von den anderen Autoren wörtlich übernommenen Stellen wie auch die sich an die Gedankengänge anderer Autoren eng anlegenden Ausführungen meiner Arbeit besonders gekennzeichnet und die Quellen zitiert habe. Münster, den _______________

_____________________________

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