Messkompetenz im naturwissenschaftlichen Unterricht

Messkompetenz imMesskompetenz imMesskompetenz imMesskompetenz im naturwissenschaftlichen Unterrichtnaturwissenschaftlichen Unterrichtnaturwissenschaftlichen Unterrichtnaturwissenschaftlichen Unterricht

DiplomarbeitDiplomarbeitDiplomarbeitDiplomarbeit zur Erlangung des akademischen Grades eines Magisters der

Naturwissenschaften an der Karl-Franzens-Universität Graz

vorgelegt von

Markus LENDLMarkus LENDLMarkus LENDLMarkus LENDL am Institut für Physik

Begutachter: Ao. Univ.-Prof. Dr. Leopold Mathelitsch

Graz, 2013

KurzfassungKurzfassungKurzfassungKurzfassung Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit kompetenzorientiertem Unterricht auf Basis des Kompetenzmodells NAWI 8 für den naturwissenschaftlichen Unterricht. Der Schwer-punkt dieser Arbeit liegt in der Messkompetenz. Diese ist Teil der experimentellen Kompe-tenz. Ausgehend von theoretischen Aspekten des Messens wird auf Basis dreier Modelle und einer Schulbuchanalyse ein eigenes Modell zur Erlangung der Messkompetenz entwi-ckelt. Im Rahmen von IMST wurden im Schuljahr 2011/2012 Unterrichtsprojekte durchgeführt, welche gezielt die Messkompetenz steigern sollten. Eine Analyse der Projektanträge und der Endberichte ergab, dass die Messkompetenz schrittweise und durch variierende Aufga-benstellungen gefördert werden kann. Um Lehrer und Lehrerinnen im Rahmen des Physik-unterrichts bei der Förderung dieser Kompetenz zu unterstützen, werden in dieser Arbeit einige Beispiele dazu adaptiert und vorgestellt. AbstractAbstractAbstractAbstract This thesis deals with skill-based teaching, which is based on the competence-model “NAWI 8” for teaching science. The thesis focuses on competence in conducting measurements, which is a part of experimental competence. Starting from the theoretical sequence of measuring, a model for achieving competence in conducting measurements, which is based on three models and an analysis of school books, is devised. In 2011/2012 various schools applied for IMST in order to take part in a teaching project which particularly focused on improving the pupils’ competencies in conducting measure-ments. An analysis of project proposals and final reports showed that the competence in conducting measurements can be improved step by step by setting diversified tasks. The thesis contains many adapted examples of how physics teachers could improve their pupils’ competencies and thus it can be used as supportive material for teaching science.

Ehrenwörtliche ErklärungEhrenwörtliche ErklärungEhrenwörtliche ErklärungEhrenwörtliche Erklärung Hiermit erkläre ich ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst habe. Ich habe nur die in der Bibliographie angegebenen Quellen ver-wendet und die aus ihnen wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kennt-lich gemacht. Die Arbeit wurde noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht. Graz, 2013 Markus Lendl

DanksagungDanksagungDanksagungDanksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Menschen bedanken, die mir beim Verfassen die-ser Diplomarbeit geholfen haben und die mich beim Einschlagen meines Lebensweges in-spiriert haben. Ein herzliches Dankeschön… ... an Professor Leopold Mathelitsch, Dr. Gerhard Rath und an das Team des regionalen Fachdidaktikzentrums für Physik für die tolle Betreuung. … an Fr. Christine Oschina und an Hr. Christian Dorninger, die mir bei meinen Recherchen Informationen zukommen ließen. … an die Projektteilnehmenden der IMST-Projekte „Messen“ des Schuljahres 2011/2012. Eure Projekte bilden die Basis dieser Diplomarbeit und waren Ausgangslage meiner For-schung. … an Gudrun Freidl, Sandra Sturmbauer und Christian Maderthoner. Nicht nur während des Studiums hielten wir zusammen, sondern halfen uns auch gegenseitig beim Verfassen die-ses Diplomarbeitszyklus. … an meine Eltern, Großeltern und alle anderen Verwandten und Freunde, die mich nicht nur finanziell, sondern auch emotional unterstützten. … an Michaela Slamnig. Du warst diejenige, die mir in der 7. und 8. Schulstufe im Rahmen deiner Nachhilfestunden über die ersten mathematischen Hürden half. Ohne dich hätte ich mich bestimmt nie für dieses Fach begeistern können. … an Silke Maier. Dein Unterricht inspirierte mich für meinen beruflichen Werdegang. Du hast die Vorbildfunktion eines Lehrers also vollauf erfüllt ;-) … an Sandra Tilli (geborene Pfingstl, liebevoll „F. C.“) für das Korrekturlesen dieser Arbeit und für eine gute Freundin, die ich während meiner Zeit als Nachhilfelehrer gewinnen konnte.

InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis Einleitung ..................................................................................................................................................................... 7

1. IMST, Kompetenzen, Bildungsstandards ............................................................................................. 9

1.1. Bildungsstandards .............................................................................................................................. 9

1.1.1. Entwicklung von Bildungsstandards ..................................................................................... 9

1.1.2. Definition der Bildungsstandards ........................................................................................ 10

1.1.3. Funktion der Bildungsstandards .......................................................................................... 10

1.1.4. Evaluierung von Bildungsstandards ................................................................................... 11

1.1.5. Standardüberprüfungen ........................................................................................................... 12

1.2. Kompetenzen und Kompetenzmodelle ................................................................................... 13

1.2.1. Kompetenz ..................................................................................................................................... 13

1.2.2. Kompetenzorientierter Unterricht ...................................................................................... 14

1.2.3. Kompetenzmodelle ..................................................................................................................... 15

1.3. IMST ....................................................................................................................................................... 17

1.3.1. Grundidee und historischer Überblick ............................................................................... 17

1.3.2. IMST (2010 – 2012) ................................................................................................................... 21

1.3.3. Längerfristige Planungen ......................................................................................................... 24

1.4. Themenprogramme ......................................................................................................................... 27

1.5. Entwicklung des Kompetenzmodells NAWI 8 ...................................................................... 30

1.5.1. Die Theorie dahinter .................................................................................................................. 30

1.5.2. Das Kompetenzmodell NAWI 8 ............................................................................................. 31

2. Messkompetenz ........................................................................................................................................... 34

2.1. Theorie des Messvorgangs ........................................................................................................... 34

2.2. Experimentelle Kompetenz .......................................................................................................... 38

2.2.1. Das SDDS-Modell ......................................................................................................................... 38

2.2.2. Das Spinnenmodell ..................................................................................................................... 42

2.2.3. Erweitertes Modell experimenteller Kompetenzen ..................................................... 45

2.2.4. Experimentelle Kompetenz bei SchülerInnen ................................................................. 47

2.2.5. Zusammenfassung ...................................................................................................................... 50

2.3. Ein Modell zur Messkompetenz.................................................................................................. 50

2.3.1. Entwicklungstheoretischer Hintergrund .......................................................................... 51

2.3.2. Schulbuchanalyse ........................................................................................................................ 54

2.3.3. Ein Kompetenzmodell für das Messen ............................................................................... 59

3. IMST Projekte „Messen“ 2011/2012 .................................................................................................. 63

3.1. Physikunterricht in der Freiarbeit ............................................................................................ 64

3.2. MPh4 – Mathematik und Physik koordiniert kompetenzorientiert unterrichten . 72

3.3. Zusammenfassung ........................................................................................................................... 79

4. Beispielsammlung - Messen ................................................................................................................... 80

5. Zusammenfassung ................................................................................................................................... 118

Literaturverzeichnis .......................................................................................................................................... 119

Internetquellen .............................................................................................................................................. 119

Printquellen und persönliche Mitteilungen ....................................................................................... 123

Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................................................... 128

Anhang .................................................................................................................................................................... 130

Anhang A - NAWI 8 ....................................................................................................................................... 130

Anhang B - IMST Projekte 2011/2012 ................................................................................................. 134

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EinleitungEinleitungEinleitungEinleitung Als ich zu studieren begann, erkannte ich während meiner ersten pädagogischen und fach-didaktischen Lehrveranstaltungen sofort, dass sich die Aufgaben der Lehrkräfte in naher Zukunft verändern werden: Begriffe wie „Kompetenz“, „kompetenzorientierter Unterricht“ oder „Bildungsstandards“ hatte ich während meiner Schullaufbahn noch nie gehört, aber deren Inhalte gaben genau das wieder, was eine angehende Lehrkraft in Zukunft zu tun ha-ben wird. Diese Diplomarbeit erlaubte es mir tiefer in die Materie einzutauchen, um mich so bestmöglich für meinen Beruf vorzubereiten.

Diese Arbeit ist Teil eines vierteiligen Diplomarbeitszyklus zu Kompetenzen im na-turwissenschaftlichen Unterricht. Dieser umfasst Untersuchungen zur Bewertungskompe-tenz (Sturmbauer, 2013), zur Beobachtungskompetenz (Böck, 2013), zur Sprachkompetenz (Freidl, 2013) und zur Messkompetenz, welche in dieser Diplomarbeit behandelt wird.

Das erste Kapitel „IMST, Kompetenzen, Bildungsstandards“ beschäftigt sich mit dem theoretischen Hintergrundwissen, bezüglich der Einführung der Bildungsstandards. Ausge-hend von Begriffsbestimmungen zu Kompetenz und Standards wird diskutiert, wie sich Bildungsstandards auf den kompetenzorientierten Unterricht auswirken. Weiters wird das Projekt IMST vorgestellt, welches Unterrichtsprojekte in sogenannten Themenprogrammen fördert, in denen es gezielt um eine Kompetenzentwicklung bei den Lernenden geht.

Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Messkompetenz, die ein Teilbereich der ex-perimentellen Kompetenz ist. Im Zuge dessen werden drei Modelle zur experimentellen Kompetenz auf die Rolle der Messkompetenz hin untersucht und ausgehend vom theoreti-schen Hintergrund des Messens und einer Schulbuchanalyse ein eigenes Modell zur Mess-kompetenz vorgestellt.

Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit zwei Unterrichtsprojekten, die im IMST-Themenprogramm „Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unter-richt“ durchgeführt wurden und die sich als Ziel eine Förderung der Messkompetenz ge-steckt hatten. Diesbezüglich wollte ich herausfinden,

• wie diese Projekte abgelaufen sind, • wie sich die Schwerpunktsetzung im Projektverlauf, vom Antrag bis zum Endbe-

richt, verändert hat, • wie die Messkompetenz von den Projektteilnehmenden verstanden wurde, • welche Methode(n) zur Förderung der Messkompetenz eingesetzt wurde(n) und

abschließend,

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• ob diese tatsächlich erfolgreich war(en) bzw. was man vielleicht ändern könn-te/sollte.

Der vierte Teil beinhaltet eine Sammlung von Beispielen, die gezielt die Messkompetenz fördern. Diese sind mit einem didaktischen Kommentar versehen, der die Zuordnung der Schulstufe, die Einschätzung der Kompetenzstufe im Kompetenzmodell der Naturwissen-schaften für die 8. Schulstufe und das Level der Messkompetenzförderung basierend auf meinem dargestellten Modell liefert.

Mit dieser Arbeit möchte ich engagierte Lehrkräfte ansprechen und angehende Lehre-rinnen und Lehrer dabei unterstützen, wie sie Jugendlichen die Naturwissenschaften in eine für sie ansprechende Form bringen, im Speziellen die für die Physik zutreffenden Teilpunk-te des Experimentierens und Messens.

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1.1.1.1. IMST, Kompetenzen, BildungsstandardsIMST, Kompetenzen, BildungsstandardsIMST, Kompetenzen, BildungsstandardsIMST, Kompetenzen, Bildungsstandards 1.1. Bildungsstandards 1.1.1. Entwicklung von Bildungsstandards Studien, wie PISA (PPPProgramme of IIIInternational SSSStudent AAAAssessment), zeigten, dass mehr als 20% der österreichischen SchülerInnen nach der 9. Schulstufe erhebliche Schwierigkeiten besitzen Texte sinnerfassend zu lesen, einfache mathematische Probleme zu lösen oder na-turwissenschaftliche Phänomene zu verstehen. Und das, obwohl man von Österreich erwar-tet hätte, einer der Spitzenreiter in Sachen Bildung zu sein. Auch PolitikerInnen konnten diese Ergebnisse nicht ignorieren, wirken sich doch diese mangelnden Fähigkeiten am Ar-beitsmarkt und vielem mehr aus (Breit et al, 2012, S. 4). Der grundlegende Gedanke, dem das Forschen an neuen Modellen und Strategien zugrunde liegt, ist also mehr Verbindlichkeit seitens der LehrerInnenschaft, diese nachhaltigen und grundlegenden Fähigkeiten bei den Lernenden sicherzustellen. Bereits in den 1990er Jahren gab es die ersten Gedanken in Richtung Bildungsstandards (BiSt). Es wurde eine Arbeitsgruppe mit der Ausschreibung eines Modells zur Verbesserung der Situation beauftragt. Die ersten Entwürfe der Arbeitsgruppe wurden dann zwei Jahre später an 18 Pilotschulen in der 8. Schulstufe getestet. In den Folgejahren wurden die ersten Modelle mit Aufgabenbeispielen versehen, die an den Pilotschulen zur Kompetenztestung verwendet wurden. Durch das Engagement der Lehrkräfte an den Pilotschulen und dem ministeriellen ExpertInnenteam wurden die BiSt immer weiterentwickelt (Thaler, 2009, S. 32-33). Hinzufügend möchte ich erwähnen, dass das BIFIE (BBBBundesiiiinstitut ffffür Bildungsfor-schung, IIIInnovation & EEEEntwicklung des österreichischen Schulwesens) eine sehr engagierte Instanz bei der Unterstützung dieses Projektes ist (Breit et al, 2012, S.3) und auch die Über-prüfung der BiSt durchführt (Breit et al, 2012, S.16). In diesen Pilotphasen kam es zu vielen Neuerungen und Verbesserungen. Im Jahr 2008 wurden die BiSt schließlich gesetzlich verordnet, was auch eine Änderung des Schulunter-richtsgesetzes (SchuG) mit sich brachte. Dieser Verordnung unterlagen die 4. Schulstufen in den Fächern Deutsch/Lesen/Schreiben und Mathematik sowie die 8. Schulstufen in Deutsch, (erste) lebende Fremdsprache (Englisch) und Mathematik. Seit 1. Jänner 2009 ist diese Verordnung in Kraft getreten und somit auch die Einführung der BiSt an Volks- und Hauptschulen sowie AHS und andere Schultypen (aktuell natürlich auch NMS) erfolgt (Tha-ler, 2009, S. 34).

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1.1.2. Definition der Bildungsstandards Mit der oben genannten Gesetzesänderung wurde nicht nur die Grundlage der BiSt gelegt, sondern auch gleich eine Definition dieser mitgeliefert. So heißt es laut §2 des betreffenden Gesetzblattes: „Im Sinne dieser Verordnung sind Bildungsstandards konkret formulierte Lernergebnisse in den einzelnen oder den in fachlichen Zusammenhang stehenden Pflicht-gegenständen, die sich aus den Lehrplänen […] ableiten lassen. Diese basieren auf grundle-genden Kompetenzen, über die die Schülerinnen und Schüler bis zum Ende der jeweiligen Schulstufe in der Regel verfügen sollen.“(Bundesgesetzblatt für die Republik Österreich, II/2009). In diesem Sinn sind die BiSt also als „Can-Do-Statements“, welche in Form von Kompetenzen auftreten, formuliert, die bis zum Abschließen einer bestimmten Schulstufe erreicht werden müssen. Auch der Begriff „Kompetenz“ wird in diesem Bundesgesetzblatt definiert. Es handelt sich dabei um längerfristige kognitive Fähigkeiten und Fertigkeiten mit aufbauendem Charakter (Bundesgesetzblatt für die Republik Österreich, II/2009). So lauten die BiSt für Mathematik der 8. Schulstufe zum Beispiel, dass die Schülerinnen und Schüler elementare Rechenopera-tionen (+,-,∏, /, Æ, ◊) mit konkreten Zahlen und Größen durchführen sowie Maßeinheiten umrechnen können (Bildungsstandards für Mathematik 8. Schulstufe, S. 3). Die folgenden Abschnitte widmen sich weiter den BiSt, bevor ich näher auf Kompetenzen und Kompetenzmodelle eingehen werde. 1.1.3. Funktion der Bildungsstandards Die Stellung von Schule und Lernen durchläuft gerade einen drastischen Veränderungspro-zess. Es geht weniger um vorhandenes Wissen, sondern mehr um Nachhaltigkeit. In diesem Zuge ist Schule mehr denn je als aktiver Prozess zu verstehen. Lehrkräfte nehmen dabei die Rolle von EntwicklungsbegleiterInnen ein, die die Lernenden gemäß ihrer Persönlichkeit, Interessen und Begabungen fördern (Bildungsstandards, 2012, S. 4). Zentrales Ziel, um diese Nachhaltigkeit zu gewährleisten, ist der Erwerb von Kompetenzen. Somit erfüllen die BiSt zugleich eine Orientierungsfunktion, die festlegt, welche Kompeten-zen SchülerInnen an den Schnittstellen des Schulsystems erreicht haben sollen. Das Ganze geschieht dann im Sinne des „lebenslangen Lernens“ (Bildungsstandards, 2012, S. 5). Dar-über hinaus bieten sie Lehrkräften eine klare Zielorientierung, da der Fokus auf Lernergeb-nisse (im Sinne der Kompetenzen) gerichtet ist (Thaler, 2009, S. 11).

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Weiters präzisieren sie den Lehrplan, was sich wieder in der Orientierungshilfe widerspie-gelt. Außerdem ermöglichen sie einen ständigen Soll/Ist-Vergleich, sodass jede(r) Lernende immer individuell betreut werden kann. Wie jedoch der konkrete Unterricht aufgebaut sein soll, ist der Lehrkraft selbst überlassen; die BiSt legen das nicht fest (Breit et al, 2012 S. 5). Außerdem sollen die BiSt die Qualitätsentwicklung im Bildungswesen erleichtern, indem immer wiederkehrende Standardüberprüfungen durchgeführt werden sollen. Meiner Mei-nung nach weicht das allerdings wieder vom oben gezeigten Individualismus ab, da letzt-endlich wieder Jede(r) mit Jede(m) verglichen wird. Jedenfalls will das BIFIE diese Ergeb-nisse evaluieren und daraus Schlüsse über das Entwicklungspotential der Schule ziehen. Da die BiSt mittlerweile gesetzlich verankert sind, ist jede Lehrkraft verpflichtet, sie im Unter-richt zu berücksichtigen und zu inkludieren (Thaler, 2009, S.11). 1.1.4. Evaluierung von Bildungsstandards Die Austestung mit Hilfe von Aufgabenstellungen dient nicht nur zur Kontrolle, ob gewisse Kompetenzen erreicht wurden oder nicht, sie dienen auch dem kontinuierlichen Verbesse-rungsprozess der schulischen Leistungen. Somit wird es dem Schulwesen selbst ermöglicht sich weiterzuentwickeln und einen Qualitätsanspruch in Sachen Bildung abzuliefern, der auch gesetzlich verankert ist (Breit et al, 2012, S. 12). Das BIFIE hat diesbezüglich einen Qualitätszyklus vorgeschlagen, welcher in Abbildung 1.1 dargestellt wird. Die ersten beiden Komponenten, „Überprüfung“ und „Rückmeldung“, wer-den vom BIFIE selbst übernommen (Breit et al, 2012, S. 16). Dieser Kreislauf wird auch „Schulqualität Allgemeinbildung“ (SQA) genannt und soll für bestmögliche Lernbedingun-gen sorgen (Bildungsstandards, 2012, S. 7).

Abbildung 1.1: Qualitätszyklus. Aus: Breit et al, 2012, S. 16Abbildung 1.1: Qualitätszyklus. Aus: Breit et al, 2012, S. 16Abbildung 1.1: Qualitätszyklus. Aus: Breit et al, 2012, S. 16Abbildung 1.1: Qualitätszyklus. Aus: Breit et al, 2012, S. 16

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Die vom BIFIE ermittelten Ergebnisse des IST-Zustandes werden nach der Überprüfungs-phase Lehrkräften, SchulleiterInnen sowie der Schulaufsicht zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt, die diese analysieren und reflektieren. Somit können Maßnahmen zur Verbesserung ergriffen und neue Ziele gesteckt werden (Breit et al, 2012, S. 15). Die Aufgabenbereiche des BIFIE umfassen allerdings mehr als bisher dargestellt. So steht es auch bei der Erstellung von Kompetenzmodellen beratend zur Seite und begleitet das Schul-system bei allen Instanzen der Einführung der BiSt. Wie bereits dargestellt, fallen das Erstel-len von Aufgabenbeispielen und das Durchführen der Standardüberprüfungen auch in das Aufgabengebiet. Außerdem ist es für die Erstellung des nationalen Bildungsberichts und die Beratung von BildungspolitikerInnen zuständig (Breit et al, 2012 S. 3). 1.1.5. Standardüberprüfungen Im Frühjahr 2009 wurde mit der Datenerhebung begonnen: Etwa zur gleichen Zeit, wie die BiSt Gesetz wurden, mussten bereits erste Überprüfungen durchgeführt werden, um Aus-gangsmaterial zu erhalten. Dies sollte im späteren Verlauf dazu dienen, die Wirksamkeit der Einführung der BiSt zu bestätigen. Diese „Baseline-Testungen“ fanden an 204 Schulen der ersten Sekundarstufe und ein Jahr später an 267 Volksschulen statt (Breit et al, 2012, S. 17). Seit dem Schuljahr 2011/12 finden flächendeckende Überprüfungen statt. Diese werden an

• „alle Schüler/innen der 4. und der 8. Schulstufe, • an allen öffentlichen sowie an privaten Schulen • mit gesetzlich geregelten Schulartbezeichnungen (Volksschule, Volksschuloberstufe, Hauptschule, allgemein bildende höhere Schule) und Öffentlichkeitsrecht“ (Breit et al, 2012, S. 17)

durchgeführt. Laut Verordnung der BiSt sind diese Überprüfungen in einem Drei-Jahres-Zyklus durchzuführen (Bundesgesetzblatt für die Republik Österreich, II/2009). Dabei ist zu beachten, dass trotzdem jedes Jahr eine Überprüfung stattfindet, da man jedes Fach se-parat prüft (Breit et al, 2012, S. 19). Um ein vergleichbares Ergebnis zu erhalten, müssen möglichst die gleichen Rahmenbedin-gungen herrschen. Dadurch finden Testungen einheitlich am selben Tag gegen Ende des Schuljahres statt. Die Ergebnisse sollten dann Mitte Dezember vorliegen. Aufgrund dersel-ben Rahmenbedingung für alle Lernenden sind Inhalt, Ablauf, Instruktionen und zeitliche Begrenzungen einheitlich festgelegt und werden von einer dafür geschulten Person koordi-niert (Breit et al, 2012, S. 21). Weitere Informationen zum Thema „Bildungsstandards“ fin-det man im Kapitel 1 der Diplomarbeit von Sandra Sturmbauer (Sturmbauer, 2013).

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1.2. Kompetenzen und Kompetenzmodelle 1.2.1. Kompetenz Es werden zahlreiche Definitionen für diesen Begriff verwendet. Um den Begriff der Kompe-tenz jedoch bildungspolitisch zu verwenden, muss er zunächst klar definiert sein (Klieme et al, 2007, S. 72). Die Gesetzesverordnung zur Einführung der BiSt liefert gleich eine Definition mit: „Im Sinne der Verordnung sind Kompetenzen längerfristig verfügbare kognitive Fähigkeiten und Fer-tigkeiten, die von Lernenden entwickelt werden und die sie befähigen, Aufgaben in variab-len Situationen erfolgreich und verantwortungsbewusst zu lösen und die damit verbundene motivationale und soziale Bereitschaft zu zeigen.“(Bundesgesetzblatt für die Republik Ös-terreich, II/2009). Bezugspunkt dieser Definition war der Erziehungswissenschaftler und Psychologe Franz Weinert. Seiner Definition nach sind ein fachbezogenes Gedächtnis, auto-matisierte Fähigkeiten und ein umfangreiches Wissen gleichwertig zu motivationalen und handlungsbezogenen Komponenten. Man sollte allgemein in der Lage sein Problemsituatio-nen zu erkennen und Problemstellungen mit diesen Fähigkeiten und Fertigkeiten zu lösen und jene auch immer wieder zu erweitern. Dabei dürfen soziale und verantwortungsgerech-te Aspekte nicht außer Acht gelassen werden. Nach Weinert gliedert sich die Ausprägung einer Kompetenz in sieben Teile: Können, Handeln, Verstehen, Wissen, Erfahrung, Motivati-on und Fähigkeit. Geht man von dieser Kompetenzdefinition aus, müssen diese Facetten auch in den BiSt zu finden sein (Klieme et al, 2007, S. 72-73). Durch die Kompetenzdefinition von Weinert ergibt sich zwangsläufig, dass Kompetenztests so gestaltet sein müssen, dass sie die gesamte Breite einer Kompetenz – eben jene sieben Facetten – erfassen können (Klieme et al, 2007, S. 74). Allerdings ist es schwierig einen mo-tivationalen oder sozialen Aspekt zu testen, da diese immer situationsabhängig sind. Bei naturwissenschaftlichen Fächern stellt sich zum Beispiel die Frage, ob man das praktische Ausüben von Experimenten vernachlässigen soll, da es in standardisierten Tests nicht überprüft werden kann (Thaler. 2009, S. 21). Für mich persönlich stellt das Experiment im Unterricht einen wichtigen Faktor dar, da anhand des Versuchs viele Kompetenzen geschult, aber auch getestet werden können. In dieser Diplomarbeit wird vor allem Wert auf die Messkompetenz gelegt. Diese Kompetenz kann nur mittels Experimenten angeeignet wer-den (vgl. Kapitel 2). Sandra Sturmbauer schlägt in ihrer Diplomarbeit über Bewertungs-kompetenz vor, dass gewisse Testungen ein ganzes Schuljahr dauern könnten. Allerdings würde das gegen eine Standardisierung sprechen, da so der subjektive LehrerInnen-

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Eindruck zu Tage kommt. Für mich ist Standardisierung ohnehin zweischneidig: Einerseits soll ein einheitliches Ziel verfolgt werden und andererseits soll man auf die einzelnen Fä-higkeiten der Lernenden eingehen und sie dort fördern, wo ihre Talente liegen. Weinerts Konzept findet man auch im pädagogisch-psychologischen Diskurs wieder. Hier werden Kompetenzen als fächerübergreifende Schlüsselqualifikationen angesehen, wie zum Beispiel Methoden-, Personal- oder Textkompetenz. Dieser Kompetenzbegriff ist dadurch weniger fachspezifisch und wurde bei der Entwicklung der BiSt nicht verwendet. Trotzdem sind fächerübergreifende Qualifikationen auch im schulischen Raum wichtig (Klieme et al, 2007, S. 75). Ein bedeutendes Beispiel dafür ist die Lesekompetenz. Bereits in der Volks-schule werden die ersten Grundzüge, was sinnerfassendes Lesen betrifft, gelegt und im Lau-fe der schulischen Karriere immer weiter ausgebaut. Ist es aber Lernenden nicht möglich zum Beispiel eine physikalische oder mathematische Aufgabenstellung zu lesen, dann ist auch deren Lösung wohl kaum möglich. Dennoch ersetzen fächerübergreifende Kompeten-zen nicht die fachlichen. Außerdem können fächerübergreifende Kompetenzen nur durch stark ausgeprägte fachliche Kompetenzen entwickelt werden (Klieme et al, 2007, S. 75). Man kann Kompetenzen auch als Verbindung von Wissen und Können interpretieren, denn Kompetenz ist mehr als Wissen, aber ohne Wissen ist die beste Kompetenz nutzlos (Sche-cker, S. 4). Ergebnisse der Gehirnforschung zeigen, dass für Wissen und Können unter-schiedliche Gehirnteile beansprucht werden. Wissen entsteht durch Lernen; Können durch Üben (Weiss, 2010). Der Kompetenzbegriff kann sehr treffend formuliert werden: „Kompe-tenz = Wissen + Können + Handeln + handelnder Umgang mit Wissen“(Studienseminar, S. 5). 1.2.2. Kompetenzorientierter Unterricht Wann unterrichtet man kompetenzorientiert? Eine Antwort lautet: „Eine Kompetenzent-wicklung, im Sinne eines langfristig und systematisch angelegten und ggf. individuellen Entwicklungsprozesses findet damit nicht, oder bestenfalls bloß beiläufig statt. Eine konse-quente Kompetenzorientierung erfordert nämlich die Strukturierung des Unterrichts ent-lang der Kompetenzentwicklung. Kompetenzen sind nicht ein Nebenprodukt des Unter-richts, sondern dessen „Längsfäden“ im Geflecht des Lernens. Die Kompetenzentwicklung setzt beim Kompetenz orientierten Unterricht nicht erst in der Stunde an, sondern ist der Unterrichtsstunde vor und nachgängig.“ (Studienseminar, S.2). Das bedeutet, dass man als LehrerIn die nötigen Hintergrundinformationen über Kompetenzen besitzen muss. Das

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vorhin beschriebene Verhältnis zwischen Wissen und Können muss Einfluss in der Unter-richtsplanung haben, sodass der Schwerpunkt des Fachwissens wegfällt (Thaler, 2009, S.20). Um den Unterricht gezielt auf einen Kompetenzerwerb zu gestalten, möchte ich nun ein paar Kriterien zum Kompetenzerwerb auflisten:

• Unterrichtsplanung aus der Sicht der Lernenden durchführen. Dabei ergibt sich ein Lernpfad:

• Die persönlichen Erfahrungen der Lernenden spielt eine Rolle. • Die verwendeten Materialien und Tests sollen möglichst viele der genannten Facet-

ten beinhalten. • Der soziale Hintergrund, in dem Lernprozesse stattfinden, wird beachtet (Klieme et

al, 2007, S.79). • Die Lehrkräfte fungieren als MentorInnen und geben Rückmeldungen zum Kompe-

tenzerwerb. • Die Verantwortung der Lernenden nimmt zu: Sie erzeugen ihre „Lernprodukte“

selbst. • Das „Fehlermachen“ MUSS erlaubt sein, denn nur so lernt man dazu. • Die Lehrkräfte fungieren mehr denn je als Vorbilder (Sormann, 2011, S. 32).

1.2.3. Kompetenzmodelle Kompetenzmodelle bieten eine Struktur der BiSt für einen Unterrichtsgegenstand. Dabei bilden fachliche, fachdidaktische und fertigungsbezogene Teilbereiche den Grundstock (Bundesgesetzblatt für die Republik Österreich, II/2009). Gesetzlich gesehen handelt es sich bei einem Kompetenzmodell um „prozessorientierte Modellvorstellungen über den Erwerb

Problemstellung entdecken

Vorstellung und Verbindung zum

Vorwissen herstellen

Informationen einholen und auf

die Problemstellung

übertragen

Lösungsweg aufzeigen

Abbildung 1.2: Unterrichtsabfolge aAbbildung 1.2: Unterrichtsabfolge aAbbildung 1.2: Unterrichtsabfolge aAbbildung 1.2: Unterrichtsabfolge aus Sicht der Lernenden (nach Sormann, 2011, S.32)us Sicht der Lernenden (nach Sormann, 2011, S.32)us Sicht der Lernenden (nach Sormann, 2011, S.32)us Sicht der Lernenden (nach Sormann, 2011, S.32)

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von fachbezogenen und fächerübergreifenden Kompetenzen“(Bundesgesetzblatt für die Republik Österreich, II/2009). Eine zentrale Aufgabe von Kompetenzmodellen ist die Vermittlung von abstrakten und qua-litativen Bildungszielen zu konkreten Aufgabenstellungen. Damit soll einerseits gewährleis-tet sein, dass man als Lehrkraft nicht den Überblick verliert (man kreiert also ein System, in das man Kompetenzen einordnen kann). Andererseits dienen die Modelle somit als Brücke. Außerdem können die Bildungsziele erwartete Lernergebnisse in einer Schulstufe be-schreiben und helfen beim Gestalten von Testverfahren. Ein kleines Manko herrscht zurzeit noch im österreichischen Bildungssystem: Es liegen nämlich nur Modelle für bestimmte Lernbereiche bzw. Unterrichtsfächer vor (Klieme et al, 2007, S. 71). So deckt das Kompe-tenzmodell für Naturwissenschaften der 8. Schulstufe (NAWI 8) die Fächer Physik, Biologie und Chemie ab (Rath, 2010, S.3). Die oben genannten Modelle gelten allerdings nur in Österreich. Es liegen im gesamten deutschsprachigen Raum andere Modelle vor. Das liegt daran, dass die grundlegende Defini-tion der BiSt in allen Ländern nur teilweise gleich ist. In der Schweiz hat man sich im Gegen-satz zu Österreich und Deutschland für Mindeststandards (und nicht für Regelstandards) entschieden. Weitere Informationen zum Thema „Kompetenzen und Kompetenzmodelle“ findet man im Kapitel 1 der Diplomarbeit von Sandra Sturmbauer (Sturmbauer, 2013).

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Im Folgenden soll das Projekt IMST (IIIInnovationen MMMMachen SSSSchule TTTTop) näher betrachtet werden. Dabei möchte ich speziell die Projektphase von 2010 bis 2012 hervorheben, da die evaluierten Projekte in diesen Zeitraum fallen. Anschließend wird es einen Ausblick auf die geplante Projektphase 2013 bis 2015 geben. 1.3. IMST 1.3.1. Grundidee und historischer Überblick Ausschlaggebend für das Projekt war das schlechte Abschneiden der österreichischen Schü-lerInnen bei PISA, TIMSS und weiteren Untersuchungen zum mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht und den Lesefertigkeiten. Nicht nur die fachlichen Leis-tungen waren enttäuschend, sondern auch die Einstellung und das Interesse zum generellen Unterricht. Das Bundesministerium für Unterricht, Kunst und Kultur (BMUKK) sah dadurch Österreichs Wettbewerbsfähigkeit in Hinblick auf Bildung, Kultur, Wissenschaft und Wirt-schaft gefährdet. Systematisch wollte man durch Innovationen in Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Deutsch und Technik (MINDT; wobei Deutsch erst 2010 als Unter-richtsfach mit einfloss) dem Szenario entgegen wirken. So startete 1998 das Projekt IMST in Klagenfurt. Ursprünglich stand IMST für „IIIInnovations in MMMMathematics, SSSScience and TTTTechno-logy Teaching“, wurde aber durch die bereits erwähnte Hinzunahme von Deutsch umge-tauft. Träger von IMST ist das Institut für Unterrichts- und Schulentwicklung (IUS) an der Alpen-Adria-Universität Klagenfurt (Was ist IMST?). Das Ministerium fungiert als überge-ordnete Instanz als Steuergruppe (Auftraggeber). Wesentlich sind auch die externe Bera-tung von ExpertInnen und einem Kuratorium, welches über Projekt- und Netzwerkförde-rung entscheidet. Diese drei Instanzen sind eng mit der IMST-Leitung in Klagenfurt ver-knüpft, welche alle organisatorischen Abläufe hinsichtlich Themen- und Netzwerkpro-gramme koordiniert. In Abbildung 1.3 wird diese Struktur verdeutlicht:

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Analyseprojekt IMST (1998 Analyseprojekt IMST (1998 Analyseprojekt IMST (1998 Analyseprojekt IMST (1998 –––– 1999) zur Analyse der TIMSS1999) zur Analyse der TIMSS1999) zur Analyse der TIMSS1999) zur Analyse der TIMSS----Ergebnisse in der SekundarErgebnisse in der SekundarErgebnisse in der SekundarErgebnisse in der Sekundarstufestufestufestufe IIIIIIII Diese Analyse zeigte, dass Veränderungen nicht nur auf regionaler Ebene, sondern auch auf nationaler Ebene angesetzt werden mussten. So fehlte es zum Beispiel an Experten im Be-reich Fachdidaktik. Bereits Vorhandenes wurde dagegen nur wenig ausgenützt. Diese Prob-lematik weitete sich somit auf eine unangemessene Weiter- und vor allem Ausbildung der Lehrkräfte aus. Außerdem ist eine ausreichende Unterstützung der Schulen dadurch nur geringfügig gegeben (Was ist IMST? & Krainer, 2009, S. 1). Entwicklungsprojekt IMST² (2000 Entwicklungsprojekt IMST² (2000 Entwicklungsprojekt IMST² (2000 Entwicklungsprojekt IMST² (2000 –––– 2004) auf der 2004) auf der 2004) auf der 2004) auf der Sekundarstufe II als Reaktion auf die daSekundarstufe II als Reaktion auf die daSekundarstufe II als Reaktion auf die daSekundarstufe II als Reaktion auf die dar-r-r-r-gestellten Probleme und Befundegestellten Probleme und Befundegestellten Probleme und Befundegestellten Probleme und Befunde In dieser Phase begann man interessierten Schulen und Lehrkräften zu helfen. Dabei sollte es zu einer Qualitätsverbesserung im Mathematik-, Naturwissenschafts- und Informatikun-terricht kommen. Um das Fehlen von fachdidaktischen ExpertInnen auszugleichen, musste teilweise auf ausländische Unterstützung zurückgegriffen werden. Man schaffte es, die An-

Abbildung 1Abbildung 1Abbildung 1Abbildung 1.3.3.3.3: Struktur von IMST. Aus: Krainer 2009, S. 12: Struktur von IMST. Aus: Krainer 2009, S. 12: Struktur von IMST. Aus: Krainer 2009, S. 12: Struktur von IMST. Aus: Krainer 2009, S. 12

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zahl der beteiligten Schulen von 34 auf 62 pro Jahr zu erhöhen. Es wurde ein Wissenschafts- und Praxisbeirat eingerichtet und auf struktureller Ebene ein nachhaltiges Unterstützungs-system (Projekt IMST²) vorgelegt (Was ist IMST? & Krainer, 2009, S. 1). Unterstützungssystem IMST3 (in zwei Phasen 2004 Unterstützungssystem IMST3 (in zwei Phasen 2004 Unterstützungssystem IMST3 (in zwei Phasen 2004 Unterstützungssystem IMST3 (in zwei Phasen 2004 –––– 2006 und 2007 2006 und 2007 2006 und 2007 2006 und 2007 –––– 2009) auf Basis der 2009) auf Basis der 2009) auf Basis der 2009) auf Basis der erfolerfolerfolerfolgreichen Projektumsetzung und des vorgeschlagenen Unterstützungssystemsgreichen Projektumsetzung und des vorgeschlagenen Unterstützungssystemsgreichen Projektumsetzung und des vorgeschlagenen Unterstützungssystemsgreichen Projektumsetzung und des vorgeschlagenen Unterstützungssystems In diesen Phasen wurde IMST auch auf die Primarstufe ausgeweitet und in der gesamten Sekundarstufe verankert. Das Fach Deutsch wurde hinzugenommen. Zusammenfassend wird die Aktivität und die Zielsetzung von IMST3 in einem Katalog mit sieben Maßnahmen dargestellt (Müller, 2010, S. 1 -2 & Was ist IMST? & Sormann, 2011, S. 35-36)

• Aufwertung der FachkoordinatorInnen an den Schulen

Derzeit noch nicht umgesetzt.

• Aufwertung der ArbeitsgemeinschaftsleiterInnen bzw. MultiplikatorInnen

Im Zuge dessen wurde ein Universitätslehrgang „Fachbezogenes Bildungsmanagement“ eingerichtet (inzwischen gibt es bereits beinahe 100 AbsolventInnen).

• Einrichtung Regionaler Zentren für Fachdidaktik und Schulentwicklung

Inzwischen wurden 18 Regionale Fachdidaktikzentren an verschiedensten Universitäten und Pädagogischen Hochschulen gegründet.

• Einrichtung neuer bzw. Aufwertung bestehender Regionaler Netzwerke

Um die regionale Bildungsstruktur optimal zu fördern und den Mathematik-, Informatik-, Naturwissenschafts-, Deutsch- und Technikunterricht (MINDT–Fächer) zu stärken, wurden in allen Bundesländern regionale Netzwerke eingerichtet. Außerdem wurde der Ausbau von fünf Bezirksnetzwerken in Oberösterreich, Salzburg und der Steiermark unterstützt. „Mit allen Regionalen Netzwerken von IMST wurde ein Vertrag mit dem jeweiligen Landes- bzw. Stadtschulrat abgeschlossen, in dem sich die Schulbehörde verpflichtet hat, mindestens ebenso viel in die Weiterentwicklung des MINDT-Unterrichts einzubringen wie Mittel von IMST einfließen.“ (Krainer, 2009, S. 2) Die Netzwerke arbeiten eng mit Universitäten, Päda-gogischen Hochschulen und Fachdidaktikzentren im jeweiligen Bundesland zusammen. Verbreitung und Bekanntheit ist IMST sehr wichtig. So geben 58% der SchulleiterInnen an,

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IMST zu kennen, und 83% kennen den IMST-Newsletter (Krainer, 2009, S.3). Außerdem sollen Universitäten und Pädagogische Hochschulen weiter und besser vernetzt werden.

• Einrichtung österreichischer Kompetenzzentren für Fachdidaktik

In diesem Kontext wurden in Klagenfurt und Wien insgesamt sechs Austrian Educational Competence Centers (AECC) gegründet. Die AECC wirkten unter anderem bei Projekten wie den Bildungsstandards und der neuen Reifeprüfung mit. Dennoch sind die Personalressour-cen noch deutlich zu gering, was auch auf das Fehlen von MultiplikatorInnen begründet wird.

• Einrichtung eines Fonds für Unterrichts- und Schulentwicklung

Seit 2004 wurden 861 Schul- und Unterrichtsprojekte begleitet und durchgeführt. „Die in-haltlichen und formalen Anforderungen an diese Projekte sind anspruchsvoll und zielen darauf ab, über das konkrete Projekt hinaus der jeweiligen Schule einen schulentwicklungs-bezogenen Impuls zu geben.“ (Krainer, 2009, S. 3) Zunächst muss ein Projektantrag gestellt werden, in dem Kriterien, Ressourcen und Maßnahmen enthalten sind. Ein qualifiziertes Team entscheidet dann über eine Beschließung oder Ablehnung. Jedes Projekt wird von einem ExpertInnenteam betreut und endet mit einem Projektbericht. Dieser hat qualitativ sehr hochwertig zu sein, da er auch im Internet (IMST-Wiki https://www.imst.ac.at/imst-wiki/index.php/Hauptseite) veröffentlicht wird, wo sich wiederum andere Lehrkräfte An-regungen und Material für guten Unterricht besorgen sollen/können. „Die Ergebnisse der Evaluation des IMST-Fonds (Hanfstingl et al., 2009) zeigen auf, dass diejenigen Schü-ler/innen, die einen (durch IMST beeinflussten) Unterricht erleben, eine signifikant positi-vere Einstellung zu den betroffenen Fächern haben“ (Krainer, 2009, S.3). Auch die betref-fenden Lehrkräfte gaben an, dass sich ihre Kompetenz und Handlungsfähigkeit verbessert habe.

• Einrichtung eines Instituts für Unterrichts- und Schulentwicklung

Im August 2004 wurde im Zuge dieser Projektphase das Interuniversitäre Institut für For-schung und Fortbildung an der Alpen-Adria-Universität Klagenfurt in das Institut für Unter-richts- und Schulentwicklung (IUS) umgewandelt. Damit bildete das IUS das erste AECC und somit den Ausgangspunkt der weiteren IMST-Projektphasen (Chronologie des Instituts).

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1.3.2. IMST (2010 – 2012) ZieleZieleZieleZiele Das übergeordnete Ziel soll weiter in seiner alten Form verfolgt werden: ein qualitativ hochwertiger MINDT-Unterricht, der nicht nur die fachliche und die methodische Kompe-tenz der Lernenden fördert, sondern auch eine positive Einstellung zu den genannten Fä-chern hervorbringt. Aktives Mitgestalten wird groß geschrieben. Um dies zu gewährleisten, müssen bereits verankerte Strukturen weiterentwickelt und ausgebaut werden. Dazu zäh-len die Regionalen sowie Nationalen Netzwerke, die AECCs und Fachdidaktikzentren sowie die Zusammenarbeit der Universitäten mit den Pädagogischen Hochschulen. Letzteres soll vor allem die Aus- und Weiterbildung von Lehrkräften verbessern. Diese Verbesserungen werden somit als Projektziel gesehen. Ausgangspunkte sind dabei die Themenprogramme, da sie eine vertiefende Auseinandersetzung mit den MINDT-Fächern beinhalten. Die dadurch erhaltene Aufmerksamkeit dient wiederum als Steigerung für den Bekanntheits-grad und die Verbreitung (Krainer, 2009, S. 4-5) Zielebenen und InterventionsstrategieZielebenen und InterventionsstrategieZielebenen und InterventionsstrategieZielebenen und Interventionsstrategie Zentral für IMST ist die Zusammenarbeit und Betreuung von Lehrkräften, die sich selbst und damit ihren Unterricht verbessern wollen. So werden 5500 Lernende pro Jahr direkt mit Innovationsprojekten angesprochen. Es wird davon ausgegangen, dass somit 10000 Lernende zumindest indirekt erreicht werden. Dies soll sich positiv auf die Einstellung und Motivation gegenüber der MINDT-Fächer auswirken, was Hand in Hand mit den fachlichen und methodischen Kompetenzen eine verbesserte Handlungsentscheidung hervorbringt (Zielebene SchülerInnen). Ähnlich ist die Zielebene der LehrerInnen formuliert: Die Einstel-lung zum jeweiligen Fach betreffend fordert eine erhöhte Gendersensibilität. So schreibt das IUS im Arbeitskonzept des IMST-Gendernetzwerks: „Viele sollen daher in einem ersten Schritt dazu angehalten werden, ihren Widerstand gegen die Beschäftigung mit Genderfra-gen abzubauen.“ (IMST Gendernetzwerk Arbeitskonzept 2010 – 2012, 2010, S.2) Mädchen und Buben sollen gleichermaßen, aber individuell innerhalb ihrer Interessen gefördert werden. Dazu muss eine hohe fachliche, didaktische und soziale Kompetenz seitens der Lehrkraft vorhanden sein. Dies begünstigt die methodische Kompetenz, sodass der Unter-richt schülerorientiert durchgeführt wird. Die Aufgabe der lokalen, regionalen bzw. überre-gionalen Zielebene kann mit den Worten: „mehr Lehrkräfte ansprechen und Metho-den/Maßnahmen verbreiten“ gut zusammengefasst werden (Krainer, 2009, S.5).

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Seit 2010 gilt die Steuerstruktur, wie sie in Abbildung 1.3 dargestellt wird. Die Zusammen-arbeit der Themenprogramme mit den Netzwerken ist gut erkennbar. Eine genauere Auf-schlüsselung ist in Abbildung 1.4 zu sehen. „Die Themenprogramme widmen sich aktuellen bildungspraktisch, -wissenschaftlich und –politisch relevanten Herausforderungen und werden (in einem Ausschreiben) von den Programmträgern eingebracht.“ (Krainer, 2009, S.6) Die Weiterentwicklung und Verbreitung von Erkenntnissen ist für IMST zentral. Hier kommen die Netzwerke – zusammengefasst im Netzwerkprogramm – zu tragen.

Der Masterplan wird wieder erkennbar: Die Projektteilnehmenden dienen als Multiplikato-ren für die Verbreitung der Qualitätsverbesserung im Unterricht. Als weitere Zielebenen können durchaus die Schnittstellen zwischen einzelnen Schultypen, Schulstufen bzw. schulischen Bildungsstätten angesehen werden. Die Proble-matik ist die, dass die jeweils höhere Instanz die untere für Wissenslücken verantwortlich macht. Eine unterschiedliche Ausbildung der Lehrkräfte an den Universitäten und den Pä-

Abbildung 1.4: Zusammenspiel von Themenprogrammen und Netzwerkprogramm. Aus: KrainAbbildung 1.4: Zusammenspiel von Themenprogrammen und Netzwerkprogramm. Aus: KrainAbbildung 1.4: Zusammenspiel von Themenprogrammen und Netzwerkprogramm. Aus: KrainAbbildung 1.4: Zusammenspiel von Themenprogrammen und Netzwerkprogramm. Aus: Krainer, 2009, S.7er, 2009, S.7er, 2009, S.7er, 2009, S.7

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dagogischen Hochschulen verschärft die Problematik noch mehr. IMST bemüht sich hier Brücken zu schlagen. Im Zuge dessen wurde das Projekt ja auch auf die gesamte Sekundar-stufe und Primarstufe erweitert. So werden Teilnehmende unterschiedlichster Schultypen angesprochen und wichtige Kooperationen geknüpft (Krainer, 2009, S. 5-8). AufgabenAufgabenAufgabenAufgaben IMST geht von einer konkreten theoretischen Annahme aus: Jede Lehrkraft wird als Experte von Unterricht und Schule angesehen. Demnach wird der Unterricht systematisch reflek-tiert und weiterentwickelt – ganz im Sinne der Aktionsforschung (Krainer, 2009, S. 8-9). Allerdings zeigen Projekte, wie IMST, den Lehrkräften u.a. erst auf, dass man selbst die Initi-ative ergreifen muss. Würde die Annahme stimmen und jede Lehrkraft würde im Sinne der Aktionsforschung Selbstreflexion betreiben, dann müssten keine Projekte zur Qualitätsver-besserung gefördert werden (wo ja wieder andere ExpertInnen den „SchulexpertInnen“ bei Rat und Tat zur Seite stehen und die Reflexion u.a. im Abschlussbericht eines Projektes ge-fordert wird). Die Qualitätsverbesserung wäre, unter der Voraussetzung man nimmt die Ergebnisse der Reflexion ernst und beschäftigt sich konstruktiv damit, somit ein Selbstläu-fer. Die beschriebene Qualitätsentwicklung im Unterricht und die Verbreitung der Maß-nahmen sind zentrale Aufgaben von IMST. Die Projektphase 2010 – 2012 unterscheidet zwischen acht Aufgabenstellungen:

• Qualitätsentwicklung

Durch die Förderung von Projekten in den Themenprogrammen regt IMST zur Qualitäts-entwicklung an.

• Qualitätssicherung

Beginnend mit der Begutachtung der Projektanträge, begleitende Projektberatung, Selbst- und Fremdevaluation, soll der Qualitätsmaßstab immer auf hohem Level bleiben.

• Weiterentwicklung der Infrastruktur

Die Kooperation zwischen Universitäten und Pädagogischen Hochschulen wird durch die Verankerung der Themenprogramme (vgl. Fachdidaktikzentrum für Physik an der Universi-tät Graz, an der Pädagogische Hochschule Steiermark und der Kirchlichen Pädagogischen Hochschule Graz) gefördert. Die Regionalen – und damit auch die Nationalen – Netzwerke werden verstärkt und ausgebaut.

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• Wissenschaftlicher Erkenntnisgewinn

Die Erkenntnisse aus SchülerInnen- und LehrerInnenbefragungen werden aufgearbeitet und dem Projekt zur Verfügung gestellt. So soll z.B. auch diese Diplomarbeit eine begleitfor-schende Ressource für IMST sein.

• Bildungssystemberatung

Die Ergebnisse und Erkenntnisse, die IMST liefert, werden dazu verwendet, das BMUKK und andere Institutionen zu beraten.

• Förderung der Chancengleichheit

Das IMST Gender Netzwerk soll das Bewusstsein der Geschlechterdifferenz fördern und in den Projekten dazu beitragen, eine langfristige Chancengleichheit zu liefern.

• Förderung von wissenschaftlichem Nachwuchs

IMST unterstützt akademische Arbeiten (Diplom-, Master-, Bakkalaureatsarbeit, Dissertati-on) im Bereich der Fachdidaktik.

• Verbreitung in der Öffentlichkeit

Im Punkt der Öffentlichkeitsarbeit geht es darum, die Inhalte nach innen und außen zu tra-gen (z.B.: IMST-Homepage, IMST-Newsletter, IMST-Tagung). Zusammenfassend kann also davon gesprochen werden, dass das Ziel eines qualitativen und ansprechenden MINDT-Unterrichts durch Innovationen und Kommunikation erreicht wer-den soll (Krainer, 2009, S. 9-10). 1.3.3. Längerfristige Planungen Die beschriebene Projektphase endete am 31. Dezember 2012, wird jedoch erst 2013 mit der Abgabe aller relevanten Berichte an den Auftraggeber abgeschlossen. Um die guten An-sätze weiter zu verfolgen, soll die Projektlänge bis 2020 ausgedehnt werden. Damit sollte die Phase 2010 – 2012 nur die erste von vier jeweils dreijährigen Projektphasen bilden. Dabei hat man sich als Ziel gesetzt, dass der Anteil an Schulen, die an IMST Programmen teilnehmen, auf 20% ansteigen soll und 7000 LehrerInnen an IMST-Veranstaltungen mit-wirken. Vor Ende jeder Projektphase wird es Evaluierungen geben. Gründe für eine Weiter-führung bis 2020 sind zum Beispiel eben jene angestrebten 20%, da sich Netzwerk- und Themenprogramm erst langfristig etablieren und entwickeln. Weitere Gründe sind die ge-planten Modelle einer gemeinsamen LehrerInnenausbildung, die eine intensive Kooperation

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von Universitäten mit Pädagogischen Hochschulen verlangt. Außerdem wird der Junglehre-rInnenanteil in den nächsten Jahren (Pensionierungswelle) stark ansteigen. IMST sieht in diesen jungen Lehrkräften sehr viel Potential, die aber nur durch Erfahrungsaustausch und durch aktives Mitwirken dem Qualitätsanspruch genügen können (Krainer, 2009, S. 14-15). KonzeptplaKonzeptplaKonzeptplaKonzeptplan für IMST 2013 n für IMST 2013 n für IMST 2013 n für IMST 2013 –––– 2015201520152015 (Den folgenden Abschnitt habe ich aus folgender Quelle entnommen: Konzept für MINDT-Initiative IMST unter besonderer Berücksichtigung der bildungspolitischen Maßnahmen zur Qualitätsentwicklung im österreichischen Schulwesen (Initiativen SQA, QIBB) 2013 – 2015, V 1.2., S. 1-7) AllgemeinesAllgemeinesAllgemeinesAllgemeines Eine weitere Stärkung der Innovationskultur ist von hoher Wichtigkeit, da auch das BMUKK Maßnahmen zur Bildungsreform in die Wege geleitet hat (Bildungsstandards, neue Reife-prüfung, Neue Mittelschule etc.). Das IUS schlug im Zuge dessen dem BMUKK im April und Mai 2011 ein Vier-Säulen Konzept vor, welches (1) Qualifizierung, (2) Unterstützung, (3) Vernetzung und Steuerung und (4) Evaluierung und Begleitforschung beinhaltet. Wieder steht die Stärkung des MINDT-Unterrichts an den österreichischen Schulen im Vorder-grund. Die theoretischen Annahmen und Prinzipien unterscheiden sich kaum von jenen in der Phase 2010 – 2012, die ich bereits in 1.3.2. zusammengefasst habe. Auf Basis dessen will man sich verstärkt folgenden Aktivitäten widmen:

• Regionale Netzwerke • Themenprogramme • RFDZ/RECC • Qualitätssicherung und Begleitforschung • Gender und Diversität • Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit

Im Folgenden wird auf diese Punkte näher eingegangen: GeplanteGeplanteGeplanteGeplante Maßnahmen Maßnahmen Maßnahmen Maßnahmen von IMST 2013 von IMST 2013 von IMST 2013 von IMST 2013 –––– 2015201520152015 NetzwerkeNetzwerkeNetzwerkeNetzwerke Im Großen und Ganzen kann man sagen, dass sich die Zielauslegung hier nicht wirklich ver-ändert hat. Bestehende Netzwerke sollen verankert werden und neue hinzukommen. Insbe-sondere will man eine verstärkte Kooperation mit den Themenprogrammen (vgl. Abbildung 1.3). Im Fokus steht aber auch eine Weiterentwicklung des kompetenzorientierten Unter-

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richts, vor allem bei jenen Fächern, in denen bereits die Bildungsstandards (BiSt-Fächer) eingeführt wurden (Mathematik, Englisch, Deutsch). Außerdem möchte man mehr mit Partnern aus der Wirtschaft, mit Bildungsteams und zivilen Institutionen zusammenarbei-ten. Das gute Know-How der innovativen Praxis soll bestmöglich – und in gewohnter Weise – verbreitet werden. Wieder stehen das IMST-Wiki und die Newsletter im Vordergrund. ThemenprogrammeThemenprogrammeThemenprogrammeThemenprogramme Auch das Konzept der Themenprogramme wird übernommen. Ziel ist es wieder, dass fach-bezogene innovative Projekte an Schulen gefördert werden. Besonderer Schwerpunkt wird allerdings eine fachliche Ausrichtung hin zum kompetenzorientierten Unterricht und den Bildungsstandards sein. Man möchte auch verstärkt Qualifikationsarbeiten von Universitä-ten und Pädagogischen Hochschulen mit einfließen lassen. In vier Themenprogrammen lassen sich insgesamt 80 Projekte fördern, die von einem Expertenteam aus PraktikerInnen und WissenschaftlerInnen betreut werden. Ausbau der RFDZsAusbau der RFDZsAusbau der RFDZsAusbau der RFDZs Die bestehenden Fachdidaktikzentren sollen qualitativ verbessert werden. In Analogie zu den AECCs werden sie künftig RECC (RRRRegional EEEEducational CCCCompetence CCCCenter) heißen. Die Zentren bekommen daher ein Qualitätssiegel, welches sie zu erfüllen haben. „Ziel ist der Auf- und Ausbau von RECCs für die MINDT-Fächer bis 2020 nach Maßgabe zusätzlicher Mittel durch das BMUKK. Folgende Schritte können angestrebt werden:

• 2013: Weiterentwicklung der bestehenden RFDZ zu RECCs (19) • 2014: Ausschreibung neuer REECs durch das BMUKK in Kooperation mit IMST • 2015: Beginn der Einrichtung von zusätzlichen RECCs zu einem Ausbaustand von insgesamt 54 RECCs für die Fächer Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften – Biologie, Physik, Chemie, Deutsch in neun Regionen • bis 2020: Ausbau auf weitere Fächer“

(Konzept für MINDT-Initiative IMST unter besonderer Berücksichtigung der bildungspoliti-schen Maßnahmen zur Qualitätsentwicklung im österreichischen Schulwesen (Initiativen SQA, QIBB) 2013 – 2015, V 1.2., S. 4) Die Aufgabengebiete dieser RECCs sind u.a. fachdidaktische Forschung, Bildungsplanung, Aus- und Weiterbildung, strukturelle Kooperation mit der Schulpraxis, der Schulbehörde, den Netzwerken und den Themenprogrammen sowie eine Verbreitung der fachlichen Ex-pertise.

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Qualitätssicherung und BegleitforschungQualitätssicherung und BegleitforschungQualitätssicherung und BegleitforschungQualitätssicherung und Begleitforschung Wie bereits erwähnt ist IMST die Qualitätssicherung sehr wichtig. Nichts desto trotz kann dieser hohe Anspruch mit den gegebenen finanziellen Möglichkeiten nur gering ausge-schöpft werden. Darum fördert IMST im Zuge der Themenprogramme und der darin lau-fenden Projekte die Selbstevaluation im Sinne der Aktionsforschung. Dabei wird ein Evalua-tionszyklus hergestellt, der von der Selbst- bis zur Fremdevaluation ansetzt. Die Begleitfor-schung wird nun gezielter durchgeführt. So werden Forschungsarbeiten Bestandteil des Vertrages, den das IUS mit den mit einbezogenen Institutionen aufgesetzt hat. Gender und DiversitätGender und DiversitätGender und DiversitätGender und Diversität Zusätzlich zum bestehenden Gender-Konzept möchte man die Gender-Themengebiete auch mit einer Diversitätsdimension ausstatten. Dabei wird neben einem geschlechterspezifi-schen Unterricht auch auf soziale, religiöse und ethnische Hintergründe eingegangen. Man möchte die Mitgestaltenden besser sensibilisieren und bessere Berührungspunkte und Zu-gänge zum bestehenden Gender-Netzwerk schaffen, welches natürlich auch weiter ausge-baut werden soll. Anmerkung: Auffallend ist, dass dieses Kapitel im Konzeptplan einen gänzlich ande-ren stilistischen Schreibstil aufweist. Kommunikation und ÖffentlichkeitsarbeitKommunikation und ÖffentlichkeitsarbeitKommunikation und ÖffentlichkeitsarbeitKommunikation und Öffentlichkeitsarbeit Wie bereits oben angesprochen, will man hier auf Bewährtes zurückgreifen. So ist ein halb-jährlich erscheinender IMST-Newsletter geplant, der aktuelle bildungspolitische Themen aufgreift. Außerdem will man auf intensiven Erfahrungsaustausch bei Tagungen und bei der Verleihung des IMST-Awards zurückgreifen. Um zielgruppenrelevant (LehrerInnen) zu fun-gieren, ist die qualitative Gestaltung, Aufrechterhaltung und Weiterentwicklung der IMST-Webseite und des IMST-Wikis notwendig. 1.4. Themenprogramme Seit 2010 werden in den Themenprogrammen Unterrichts- und Schulprojekte gefördert. Dabei will man verstärkt auf inhaltliche Schwerpunkte setzen (Krainer, 2009, S. 6). Somit will man die Fächer Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Deutsch aufbauen, aber auch jene mit naturwissenschaftlich-technischen Inhalten (Ausschreibung Themen-programme, S. 1).

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„Die Themenprogramme widmen sich aktuellen bildungspraktisch, -wissenschaftlich und –politisch relevanten Herausforderungen und werden (in einem Ausschreibungsverfahren) von den Programmträgern eingebracht. Die Themen können sowohl pädagogischer als auch fachdidaktischer Natur sein – eine Verknüpfung der beiden Ebenen erfolgt in jedem Pro-gramm.“(Krainer, 2009, S. 6). Dabei können Projekte von einzelnen Lehrpersonen, LehrerInnenteams und/oder FachdidaktikerInnen im Rahmen von fünf themenbezogenen Programmen, die im Folgen-den näher erörtert werden, eingereicht und gefördert werden. Die eingereichten Projekte werden dann nach festgelegten Kriterien bewertet und ca. 20 pro Programm davon tatsäch-lich ausgewählt. Dabei werden die, ProjektnehmerInnen, während der gesamten Pro-jektphase von einem qualifizierten Team unterstützt. Diese Betreuung findet hauptsächlich im Rahmen von Workshops statt. Außerdem werden genehmigte Projekte mit einer finanzi-ellen Summe von 1.500€ zusätzlich gefördert. Dieser Betrag kann für Sachkosten, Fahrtkos-ten, Werkleistungen etc. verwendet werden, inkludiert aber auch bereits das Honorar für das Verfassen des Projektberichtes (Allgemeine Informationen Themenprogramme). Aktu-ell gibt es fünf Themenprogramme:

• Kompetenzorientiertes Lernen mit digitalen Medien • Informatik kreativ unterrichten • Kompetent durch praktische Arbeit • Lesen und Schreiben • Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich in Bezug auf meine Forschungsfrage unter anderem auch mit der Frage, wie die Umsetzung des Kompetenzmodells im Schulalltag realisiert wird. Dazu habe ich IMST-Projekte, die im Themenprogramm „Kompetenzen im mathemati-schen und naturwissenschaftlichen Unterricht“ durchgeführt wurden, evaluiert. Aus diesem Grund werde ich nur dieses Themenprogramm näher ausführen. Eine nähere Beschreibung aller Themenprogramme finden Sie im Kapitel 1 der Diplomarbeit von Gudrun Freidl (Freidl, 2013). Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht:Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht:Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht:Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht: „Kompetenzen, Standards und Grundbildung gewinnen zunehmend an Wichtigkeit im Un-terricht aller Schulstufen und Schularten. Ein entsprechender Unterricht orientiert sich an dem, was Schülerinnen und Schüler nachhaltig wissen und können sollen.“(Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht, S. 2). Dabei unterstützt dieses Themenprogramm vor allem den Sachunterricht, Mathematik in der Volksschule und Ma-

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thematik und Naturwissenschaften in Hauptschulen, Neuen Mittelschulen, Allgemeinbil-denden höheren Schulen und Berufsbildenden mittleren und höheren Schulen. Vor allem stehen dabei folgende Fragen im Vordergrund:

• Wie wird kompetenzorientierter Unterricht entwickelt und erprobt? • Wie sehen Aufgaben zur Kompetenzförderung und deren Testung aus? • Welche Kompetenzen werden erworben? • Wie sehen gemeinsame Kompetenzen in Mathematik und den naturwissenschaftli-chen Fächern aus? • Welche Wechselwirkung gibt es zwischen fachlicher und sprachlicher Kompetenz?

(Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht, S. 2) Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichKompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichKompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichKompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht en Unterricht en Unterricht en Unterricht –––– Projekte im Projekte im Projekte im Projekte im Schuljahr 2011/2012Schuljahr 2011/2012Schuljahr 2011/2012Schuljahr 2011/2012 Das Themenprogramm „Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht“ fördert Projekte, in denen Lehrkräfte das Kompetenzmodell NAWI 8 im Unter-richt umsetzen, sodass es zu einem Kompetenzzuwachs und -erwerb ihrer SchülerInnen kommt. Den Projekten wurden vier Kompetenzbereiche zugeordnet, welche in diesem Diplomar-beitszyklus bearbeitet werden. Diese sind … … Beobachtungskompetenz (Böck, 2013), … Bewertungskompetenz (Sturmbauer, 2013), … Sprachkompetenz (Freidl, 2013), … und Messkompetenz, welche in meiner Diplomarbeit betrachtet wird. Mit Hilfe dieser Projekte soll später geklärt werden, wie LehrerInnen das Kompetenzmodell im Unterricht umsetzen, wo Schwierigkeiten auftreten und wie man gezielt diesen Proble-men begegnen kann, um die jeweilige Kompetenz zu fördern. Nachfolgend sind jene Projekte aufgelistet, die sich mit dem Messen beschäftigen. Eine ge-naue Analyse finden Sie in einem späteren Abschnitt dieser Arbeit (Kapitel 3).

• Physikunterricht in der Freiarbeit (Projekt-ID: 724) • MPh4 – Mathematik und Physik in der 4. Klasse AHS koordiniert und kompetenzori-entiert unterrichten (Projekt-ID: 726) • Elektrizität und Elektronik. Vom physikalischen Experiment zur Anwendung an selbstgebauten Werkstücken (Projekt-ID: 645) • Physikalische Experimente in Schwerelosigkeit (Projekt-ID: 712) • Experimentieren nach dem Kompetenzmodell. Vergleich der Entwicklung zwischen drei Schulstufen (Projekt-ID: 749)

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1.5. Entwicklung des Kompetenzmodells NAWI 8 1.5.1. Die Theorie dahinter Die sich gerade entwickelnden BiSt für Naturwissenschaften arbeiten in Österreich mit ei-nem normativen Kompetenzmodell. Das sind Modelle, die einen Soll-Zustand – also die zu erreichenden Kompetenzen – beschreiben (Thaler, 2009, S. 23). Wie bereits erwähnt, wer-den unter „naturwissenschaftliche Fächer“ die Fächer Physik, Chemie und Biologie zusam-mengefasst. Die Grundidee des Modells basiert auf Richard Bybees Modell der Scientific Literacy (Bybee). Dieses geht von keinen Inhalts- und Kompetenzbereichen aus, definiert jedoch vier Stufen einer naturwissenschaftlichen Grundbildung:

• Nominale Stufe: Hier werden naturwissenschaftliche Inhalte mit Begriffen aus dem Alltag vermischt. Dadurch werden sie teilweise falsch verwendet und nicht richtig verstanden. • Korrekte Verwendung von Begriffen, Konzepten und Formalismen. • Konzeptionelle und prozedurale Stufe: Zentrale naturwissenschaftliche Ideen wer-den verstanden und in Beziehung zueinander gesehen und gesetzt. • Multidimensionale Stufe: Das Wissen, Verständnis, die Methodik und die Möglich-keiten von Naturwissenschaften werden nicht nur für naturwissenschaftliche Anlie-gen genutzt, sondern es sollen auch ihre Sinnhaftigkeit und Grenzen reflektiert wer-den.

Dieses Modell wurde auch bei den PISA-Testungen in abgeänderter Form verwendet: Die vierte Stufe wurde komplett weggelassen und die zweite und dritte noch feiner unterteilt. Dadurch verfügt es über fünf Komponenten, die auf vier Kompetenzstufen des naturwissen-schaftlichen Denkens bezogen werden (Rath, 2010, S.2):

• Naturwissenschaftliche Fragestellungen erkennen können. • Mit Statistiken, Zahlen, usw. hantieren können. • Argumentieren und begründen können. • Naturwissenschaftliche Konzepte anwenden können (Thaler, 2009, S.24).

Es ergibt sich somit ein zweidimensionales Modell, das aus den fünf Komponenten nach Bybee und den oben genannten Stufen des naturwissenschaftlichen Denkens besteht. Weil jedoch auch der fachspezifische Aspekt vorhanden sein soll, muss es eine Erweiterung auf eine dritte Dimension geben (Weiglhofer et al, 2007, S. 4).

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Der Entschluss, die drei naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächer in den Handlungsdi-mensionen zusammenzulegen, beruht auf der Tatsache, dass sich die Arbeitsweisen nicht drastisch unterscheiden (Weiglhofer et al, 2007, S.4). In der Inhaltsdimension ergeben sich zwangsläufig Unterschiede. Dabei spiegelt das Anforderungsniveau das Ausmaß der Selbstständigkeit wider: Es reicht von Reproduzieren (N1) über eine teilweise vorhandene Selbstständigkeit (N2), bis hin zur kompletten Selbstständigkeit (N3). Die inhaltliche Dimension variiert mit den Unterrichts-fächern, während die Handlungsdimension unabhängig von den Inhalten ein breites Spekt-rum der oben beschriebenen naturwissenschaftlichen Grundbildung enthält (Rath, 2010, S.3). Abbildung 1.5 zeigt das Kompetenzmodell NAWI 8 in seiner vorläufigen Endversion, wie es das BIFI 2011 veröffentlicht hat. 1.5.2. Das Kompetenzmodell NAWI 8

HandlungsdimensionHandlungsdimensionHandlungsdimensionHandlungsdimension Hier findet man drei Handlungskompetenzen, die sich detailliert jeweils in vier Unterkate-gorien aufteilen. Dabei werden sie als „Ich kann“-Statements formuliert: „WWWWissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommunizieren Ich kann einzeln oder im Team …

Abbildung 1.5: Kompetenzmodell NAWI 8. Aus: BIFIE, 2011, S.1Abbildung 1.5: Kompetenzmodell NAWI 8. Aus: BIFIE, 2011, S.1Abbildung 1.5: Kompetenzmodell NAWI 8. Aus: BIFIE, 2011, S.1Abbildung 1.5: Kompetenzmodell NAWI 8. Aus: BIFIE, 2011, S.1

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• W 1 Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik beschreiben und be-nennen • W 2 aus unterschiedlichen Medien und Quellen fachspezifische Informationen ent-nehmen • W 3 Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik in verschiedenen Formen (Grafik, Tabelle, Bild, Diagramm …) darstellen, erklären und adressatengerecht kommunizieren • W 4 die Auswirkungen von Vorgängen in Natur, Umwelt und Technik auf die Um-welt und Lebenswelt erfassen und beschreiben

EEEErkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpretieren Ich kann einzeln oder im Team … • E 1 zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Beobachtungen machen oder Messungen durchführen und diese beschreiben • E 2 zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Fragen stellen und Vermutungen aufstellen • E 3 zu Fragestellungen eine passende Untersuchung oder ein Experiment planen, durchführen und protokollieren • E 4 Daten und Ergebnisse von Untersuchungen analysieren (ordnen, vergleichen, Abhängigkeiten feststellen) und interpretieren

SSSSchlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln Ich kann einzeln oder im Team … • S 1 Daten, Fakten und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen aus naturwissenschaft-licher Sicht bewerten und Schlüsse daraus ziehen • S 2 Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftli-chen Erkenntnissen für mich persönlich und für die Gesellschaft erkennen, um ver-antwortungsbewusst zu handeln • S 3 die Bedeutung von Naturwissenschaft und Technik für verschiedene Berufsfel-der erfassen, um diese Kenntnis bei der Wahl meines weiteren Bildungsweges zu verwenden • S 4 fachlich korrekt und folgerichtig argumentieren und naturwissenschaftliche von nicht-naturwissenschaftlichen Argumentationen und Fragestellungen unterschei-den“ (BIFIE, 2011, S. 2).

AnforderungsdimensionAnforderungsdimensionAnforderungsdimensionAnforderungsdimension Hier werden die Anforderungsniveaus nach dem Grad der Selbstständigkeit eingeteilt:

• N1: N1: N1: N1: Ausgehend von Anleitungen werden naturwissenschaftliche Phänomene aus Na-tur, Umwelt und Technik mit einfacher Sprache beschrieben und mit einfachsten Mitteln untersucht. • N2:N2:N2:N2: Hier findet eine Kombination aus Reproduzieren und Selbstständigkeit statt. Sachverhalte aus Natur, Umwelt und Technik können nun mit einfacher Fachspra-che und Formeln beschrieben werden.

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• N3:N3:N3:N3: Komplexe Verbindungen aus naturwissenschaftlichen, technischen und um-weltbezogenen Sachverhalten können hergestellt und Konzepte eigenständig ge-nutzt werden (BIFIE, 2011, S. 2-3). InhaltsdimensionInhaltsdimensionInhaltsdimensionInhaltsdimension Hier erfolgt die Einteilung in jeweils fünf Kategorien, welche jeweils wieder unterteilt wer-den können (Details siehe Anhang):

• BiologieBiologieBiologieBiologie: B1: B1: B1: B1: Planet Erde, B2:B2:B2:B2: Ökosystem, B3: B3: B3: B3: Organismen, B4: B4: B4: B4: Organe, B5: B5: B5: B5: Zelle • ChemieChemieChemieChemie: C1: C1: C1: C1: Aufbauprinzipien der Materie, C2: C2: C2: C2: Einteilung und Eigenschaften der Stoffe, C3: C3: C3: C3: Grundmuster chemischer Reaktionen, C4: C4: C4: C4: Rohstoffquellen und ihre ver-antwortungsvolle Nutzung, C5: C5: C5: C5: Biochemie und Gesundheitserziehung • PhysikPhysikPhysikPhysik: P1: P1: P1: P1: Mechanik, P2: P2: P2: P2: Elektrizität und Magnetismus, P3: P3: P3: P3: Wärmelehre, P4:P4:P4:P4: Optik, P5: P5: P5: P5: Aufbau der Materie (BIFIE, 2011, S.3-5)

Ziel in der Unterstufe ist es eine nachhaltige Grundlegung zu schaffen. Die Themen werden in der Oberstufe vertieft, und es können sogar welche hinzukommen (Weiglhofer et al, 2007, S.10). Weitere Informationen zum Thema „Kompetenzmodell NAWI 8“ findet man im Kapitel 1 der Diplomarbeit von Sandra Sturmbauer (Sturmbauer, 2013).

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2.2.2.2. MesskompetenzMesskompetenzMesskompetenzMesskompetenz Die Basis meiner Überlegungen in diesem Kapitel ist das Kompetenzmodell für Naturwis-senschaften der 8. Schulstufe (NAWI 8) (Kompetenzmodell Naturwissenschaften 8. Schul-stufe). Darin findet man als Lehrkraft kognitive Eigenschaften, die sich die Lernenden im Zuge ihrer schulischen Laufbahn im naturwissenschaftlichen Unterricht aneignen sollen. Die einzelnen Handlungsdimensionen weisen einen starken qualitativen Charakter auf, weswegen die Umsetzung im Unterricht oft nicht so eindeutig ist, wie man es sich als Lehre-rIn wünscht. Ich selbst habe diese Erfahrung im Laufe meines Studiums im Rahmen des Schulpraktischen Seminars gemacht. Damals wurde ein kompetenzorientierter Projekttag an einer Grazer Schule geplant. Einzelne Stationen wurden mit Hilfe des Modells entwickelt. Eine Evaluierung am Ende ergab, dass die Kinder oft andere Kompetenzbereiche abgedeckt sahen, als wir Studierende es taten. Dennoch ist es möglich, einzelne Unterrichtsaspekte herauszunehmen und sie einem Kompetenzbereich zuzuordnen. 2.1. Theorie des Messvorgangs Die Aktivität „Messen“ ist eine wichtige Komponente des experimentellen Physikunter-richts. Dabei ist es das Ziel eine quantitative Aussage über eine physikalische Größe zu er-halten. „Das Messprinzip erlaubt es, anstelle der Messgröße eine andere Größe zu messen, um aus ihrem Wert eindeutig den der Messgröße zu ermitteln. Es beruht auf einer immer wieder herstellbaren physikalischen Erscheinung (Phänomen, Effekt) mit bekannter Ge-setzmäßigkeit zwischen der Messgröße und der anderen Größe.“ (DIN-Norm). So die deut-sche DIN 1319-1:1995; Nr. 2.2, in der das Messprinzip definiert ist (in Österreich in der OENORM M 1330). Das Messen, obgleich es nun mit technischen Hilfsmitteln durchgeführt wird oder nicht, hat jedoch einen viel banaleren Ursprung, als man vielleicht glauben mag. „Ein Gegen-stand erscheint uns nicht gleich groß, wenn wir ihn in der Nähe und wenn wir ihn in der Ferne sehen. Und er erscheint uns gerade, wenn wir ihn außerhalb des Wassers, und ge-krümmt, wenn wir ihn im Wasser sehen. Wir sind vielen solchen Sinnestäuschungen ausge-setzt. Die besten Mittel dagegen sind Messen, Zählen und Wägen. Dadurch wird die Herr-schaft der Sinne über uns beseitigt. Wir richten uns nicht mehr nach dem sinnlichen Ein-druck der Größe, der Zahl, des Gewichts der Gegenstände, sondern berechnen, messen und wägen sie. Das ist Sache der Denkkraft in uns. Und es ist der Teil, der sich auf das Messen

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und Berechnen verlässt, die edelste Kraft unserer Seele.“ (Lührs, 1989, S. 4). Dieses Zitat stammte ursprünglich von Sokrates. Damit geht es weit in das antike Griechenland zurück, was bedeutet, dass man sich bereits damals Gedanken über Messen und Messungen ge-macht hat. Eine Messung liefert „objektive“ Daten. Wie diese gewertet werden obliegt einzig dem Menschen und seiner Interpretation. So schildert Lührs „Die Waage der Baleks“ (Böll, 1952) von Heinrich Böll (1916-1979), in der es um Kaufleute (die Baleks) und deren mit Schnörkeln und Gold verzierter Waage geht, die in der ganzen Umgebung die einzig vor-kommende Waage war. Alle Leute waren immer gespannt, wie viel Geld sie denn für ge-sammelte Pilze und Kräuter bekommen würden. Dafür wurde eben jene Waage verwendet. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Waage um fünfeinhalb Deka zu wenig maß, doch die Macht der Baleks war zu groß und der Entdecker dieses Missstandes musste mitsamt seiner Familie das Dorf verlassen (Lührs, 1989, S. 4). Ob nun willentlich oder nicht, Fakt ist: Der durch die Messung erhaltene Messwert weicht vom „realen Wert“ ab (Messfehler, Rahmenbedingungen). Aus diesem Grund ist das Ange-ben von Abweichungen wichtig. Nur mit Angabe der Abweichungen ist das Messergebnis vollständig. Im Rahmen der Schulphysik wird diesem Aspekt mit der Angabe von Mittelwert und Standardabweichung meist Genüge getan, da für eine Fehlerfortpflanzungsrechnung höhere mathematische Kenntnisse nötig sind. Allerdings sollte auf die Ursache von Fehlern hingewiesen werden: Systematische Fehler entstehen zum Beispiel durch fehlerbehaftete bzw. nicht ordentlich kalibrierte Messgeräte und beeinflussen den Messwert in eine ten-denzielle Richtung. Zufällige (statistische) Fehler entstehen durch zufällige Störeinflüsse; etwa durch das subjektive Ablesen einer Skala (Surnev, 2008). Ein Messwert besteht aus einem Zahlenwert und der jeweiligen (Maß-)Einheit. Diese ist entweder eine der sieben SI-Einheiten (Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol, Candela) oder eine davon abgeleitete Größe (zum Beispiel: Kubikmeter für das Volumen oder Meter pro Sekunde für die Geschwindigkeit). Zu den SI-Einheiten möchte ich hier nur anmerken, dass sie international vereinbart und national gesetzlich festgelegte Normungen sind. Dabei ist man bemüht immer exaktere und genauere Definitionen zu finden. So ist zum Beispiel ein Meter die „Länge der Strecke, die vom Licht im Vakuum innerhalb eines Zeitin-tervalls von 1/299792458 Sekunde zurückgelegt wird“ (SI-Einheiten), wobei sich die Defi-nition des Kilogramms noch immer auf die Masse des Prototyps in Paris bezieht (die neue Definition wird vermutlich auf der Anzahl von Kohlenstoff-Atomen oder Wismut-Ionen hin-beruhen).

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Historisch betrachtet war es Galilei, der die Methode des Messens einer Wandlung unterzog. Er lehnte nämlich unbewiesene Theorien über den Aufbau der Welt ab und strebte stattdes-sen nach Erkenntnissen, „die aus messender Beobachtung abgeleitet oder durch die mes-sende Erfahrung bestätigt“ (Tröpfler & Bruhn, 1976, S. 68) werden. Erst später durch Newton und Huygens ging deutlich hervor, dass durch diese Methode einem physikalischen Begriff ein mathematischer Charakter verliehen wurde (Tröpfler & Bruhn, 1976, S. 68-69). Beim Messen geht man wie folgt vor:

1. Festlegung der MessaufgabeFestlegung der MessaufgabeFestlegung der MessaufgabeFestlegung der Messaufgabe: Man muss sich im Klaren sein, welche Messgröße an welchem Objekt gemessen wird.

2. Maßeinheit wählenMaßeinheit wählenMaßeinheit wählenMaßeinheit wählen: In der Regel gibt man das Ergebnis seiner Messung in SI-Einheiten beziehungsweise in einer SI-abgeleiteten Einheit an. Entscheidungen über das Verwenden von Zehnerpotenzen sind zu treffen. Manche Messgrößen sind auch dimensionslos; zum Beispiel die Brechzahl.

3. RandbediRandbediRandbediRandbedingungen überlegenngungen überlegenngungen überlegenngungen überlegen: Dazu zählen zum Beispiel magnetische Eigenschaften, die Umgebungstemperatur, an welchem Werkstoff gemessen wird etc. Gegebenen-falls sind diese mit zu protokollieren, da eine Messung immer und überall nachvoll-ziehbar sein muss.

4. Wahl des MWahl des MWahl des MWahl des Messgerätesessgerätesessgerätesessgerätes: Ausgehend von der Messaufgabe wird unter Berücksichti-gung des Messprinzips ein Verfahren entwickelt, wie man den Wert seiner Messgrö-ße erhalten kann. Dazu zählt auch das Angeben von Formeln, mit welchen man Messgrößen bestimmen kann, für die keine Messgeräte zur Verfügung stehen.

5. Einrichten des MessgerätesEinrichten des MessgerätesEinrichten des MessgerätesEinrichten des Messgerätes: Hier wird sorgfältiges Arbeiten verlangt, da eine Be-schädigung des Messgerätes zum Einen für Abweichungen des Messergebnisses verantwortlich sein kann (systematische Fehler) und zum Anderen eventuell teure Reparatur- und/oder Kalibrierungskosten entstehen können.

6. Festlegung des MessablaufsFestlegung des MessablaufsFestlegung des MessablaufsFestlegung des Messablaufs: Örtliche und zeitliche Abfolge der Messung (mit ein-schließenden Wiederholungen) sind unter Berücksichtigung der Randbedingungen festzulegen.

7. Durchführen deDurchführen deDurchführen deDurchführen der Messungr Messungr Messungr Messung: Die einzelnen Messwerte, die für die gewünschte Mess-größe benötigt werden, sind nach den Vorschriften des/der Messgeräte(s) zu ermit-teln. Mittelwert und Standardabweichung sind anzugeben (eventuell mittels einer Fehlerfortpflanzungsrechnung, wenn man seine Messgröße durch mathematische Beziehungen von Messwerten und Konstanten erhält).

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8. Berücksichtigung der RandbedingungenBerücksichtigung der RandbedingungenBerücksichtigung der RandbedingungenBerücksichtigung der Randbedingungen: Das erhaltene Ergebnis ist auf Basis der überlegten Randbedingungen zu überprüfen. Systematische Abweichungen sollten spätestens hier korrigiert werden.

9. Angabe des vollständigen MessergebnissesAngabe des vollständigen MessergebnissesAngabe des vollständigen MessergebnissesAngabe des vollständigen Messergebnisses: Das Messergebnis ist mit quantitativer und qualitativer Angabe der Fehler und -grenzen anzugeben, um damit weiterzuar-beiten. Gegebenenfalls sollten Tabellen oder Graphen erstellt werden. Die Interpre-tation gehört nicht mehr zu diesem Punkt und ist damit auch nicht mehr Teil der Messung. (Messung)

„Messen ist eine Tätigkeit, die eng mit dem Experimentieren verbunden ist.“ (Schülerlexi-kon) Ich würde sogar so weit gehen und behaupten, dass das Messen nicht nur Teil eines Experimentes sein kann, sondern im kleinen Maßstab selbst ein Experiment ist. Laut Duden ist ein Experiment nämlich ein „wissenschaftlicher Versuch, durch den etwas entdeckt, be-stätigt oder gezeigt werden soll“ (Duden). So ist zum Beispiel das schlichte Abmessen der eigenen Körpergröße ein wissenschaftlicher Versuch, diese aufzuzeigen/zu entdecken/zu ermitteln. Auch aus „physikdidaktischen Klassikern“ geht diese Gleichheit hervor. So schreibt Wolfgang Bleichroth zum Beispiel: „Experimentieren, speziell Messen, hat eine stark technische Komponente.“ (Bleichroth, 1991, S. 21). Was mit dem Messwert geschieht, ist wie gesagt nicht mehr Teil der Messung, gehört aber sehr wohl noch zum Experimentie-ren. Um nun wieder auf die Messkompetenz zurückzukommen, kann also festgehalten werden, dass sie einen wichtigen Stellenwert in der experimentellen Kompetenz aufweist. Diese Kompetenz lässt sich auch dem NAWI 8 Modell entnehmen. Sie steht zwar nicht expli-zit in diesem Modell, kann jedoch dem gesamten E-Block, in dem es um Erkenntnisgewin-nung geht, und auch teilweise dem S-Block (Schlüsse ziehen) zugeordnet werden (vgl. Kompetenzmodell Naturwissenschaften 8. Schulstufe). Da eine Messung Teil eines Experiments ist, müssen sich auch Messkompetenzen in allge-meine experimentelle Kompetenzen eingliedern. Deshalb möchte ich im Folgenden einen Überblick über die experimentelle Kompetenz liefern. Eine Analyse, welche Kompetenzen im welchen Ausmaß Lernende der Unterstufe beim Experimentieren erwerben, finden Sie detailliert in der Diplomarbeit von Johannes Lugitsch (Lugitsch, 2011).

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2.2. Experimentelle Kompetenz Ziele beim Experimentierunterricht sind die Vermittlung von fachspezifischen Inhalten und der Erwerb naturwissenschaftlicher Arbeitsmethoden. Allerdings zeigen die Befunde von TIMSS, dass am Ende der achten Schulstufe nur etwa zehn bis fünfzehn Prozent der Lernen-den einfache experimentelle Anordnungen verstehen und durchführen können. Um diesen Missstand näher untersuchen zu können, ist es notwendig den Begriff „experimentelle Kompetenz“ aufzuschlüsseln (Hammann, 2004, S. 197-198). Marcus Hammann entwickelte aufbauend auf David Klahrs „Scientific Discovery as Dual Search“ Modell (SDDS-Modell; Kapitel 2.2.1) ein Spinnenmodell, welches die experimentellen Teilkompetenzen aufschlüs-selt (Kapitel 2.2.2). Veronika Maiseyenka, Dennis Nawrath und Horst Schecker erweiterten dieses Modell (Kapitel 2.2.2). Ein weiteres Aufschlüsselungsmodell lieferten Nico Schreiber, Heike Theyßen und Horst Schecker (Kapitel 2.2.3). 2.2.1. Das SDDS-Modell (Dieser Abschnitt folgt dem Artikel „Kompetenzentwicklungsmodelle“ von Marcus Ham-mann: Hammann, 2004, S. 196-202) Nach Klahr gliedert sich die Kompetenz im Wesentlichen auf das Suchen im Hypothesen-Suchraum und Experimentier-Suchraum sowie auf das Analysieren gewonnener Daten. Der Hypothesen-Suchraum bildet dabei die Basis, denn die Hypothesenbildung eines Sach-verhalts ist ein wichtiger Schritt in der Wissensentwicklung. Dabei kann beobachtet wer-den, dass zum Einen in der Primarstufe, aber auch in Teilen der ersten Sekundarstufe, die Präkonzepte überwiegen, und dass zum Anderen eine Schulung im hypothesengeleiteten Experimentieren notwendig ist. Neben dem Aufstellen einer Hypothese wird auch das Prü-fen auf Plausibilität mit einbezogen. Voraussetzung dafür ist aber ein bereits vorhandenes Wissen in der jeweiligen physikalischen Disziplin, die dem Experiment zu Grunde liegt. Hier liegt meiner Meinung nach auch die Schwierigkeit verankert: Einerseits sollen die Schüle-rInnen aus dem Experiment ihr Wissen erweitern, andererseits benötigen sie eben jenes um eine konkrete Hypothese zu formulieren. Experimente müssen daher mit Sorgfalt in den Unterricht einfließen, da es schnell zu einer Überforderung kommen kann. Besonders schwierig ist das Fallenlassen seiner Hypothese beziehungsweise das Suchen nach gänzlich anderen, sollte sich die eigene als falsifiziert herausstellen. Ich denke, dass dieser Sachver-halt auch eine menschliche Komponente in sich trägt, die auch nichts mit naturwissen-

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schaftlichen Arbeiten zu tun hat. In der folgenden Abbildung werden Kompetenzstufen im Hypothesen-Suchraum gezeigt:

Um die aufgestellte(n) Hypothese(n) überprüfen zu können, ist ein geeignetes Experiment notwendig. Die Suche im Experimentier-Suchraum gestaltet sich für Lernende als auch für Lehrende problematisch: Ein Experiment sollte derart durchdacht und ausgeführt werden, dass eindeutige Aussagen in Hinblick auf die Hypothese(n) möglich ist/sind. Dazu muss das gewählte Experiment in der Lage sein, gezielt jene Variablen zu verändern/variieren, die für das zu untersuchende Phänomen verantwortlich sind. Die Lehrkraft muss bei Demonstrati-onsexperimenten also solche aus dem Fundus wählen, die aus SchülerInnensicht überzeu-gend sind. Wichtiger Rahmenfaktor ist dabei auch die Schulstufe, in der das Experiment gezeigt wird, da analog zur Hypothesenformulierung auch der Umgang mit experimentellen Variablen bei den Kindern unterschiedlich ausgeprägt ist (Abbildung 2.2). Dies führt auch schon zu Schwierigkeiten bei SchülerInnenexperimenten. „Insbesondere ist die Neigung der Lernenden zu verzeichnen, beim Planen von Experimenten die Ausprägung mehrerer Vari-ablen ohne System zu verändern, so dass unschlüssige Experimente resultieren.“ (Ham-mann, 2004, S.200). Vor allem sind solche Fragestellungen betroffen, bei denen wenig Vor-wissen wichtig ist (z.B.: Fragestellungen aus dem Alltag). Ausschlaggebend ist, dass nur jene

Abbildung 2.1: Kompetenzstufen bei der Suche im HypothesenAbbildung 2.1: Kompetenzstufen bei der Suche im HypothesenAbbildung 2.1: Kompetenzstufen bei der Suche im HypothesenAbbildung 2.1: Kompetenzstufen bei der Suche im Hypothesen----Suchraum. Aus: Hammann, 2004, Suchraum. Aus: Hammann, 2004, Suchraum. Aus: Hammann, 2004, Suchraum. Aus: Hammann, 2004, S. 200S. 200S. 200S. 200

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Variablen verändert werden, von denen eine ursächliche Wirkung ausgeht/vermutet wird. Die anderen müssen kontrolliert bleiben.

„Ziel der Datenanalyse ist die Bewertung der eingangs aufgestellten Hypothesen.“ (Ham-mann, 2004, S. 201). Und gerade da ergeben sich viele Schwierigkeiten. Zum einen treten logische Unstimmigkeiten beim Interpretieren der Daten auf, was zu Fehlschlüssen führt, zum anderen konnte gezeigt werden, dass Lernende (wie aber auch Erwachsene!) die Nei-gung besitzen Hypothesen zu bestätigen (Klayman). Darunter zählt insbesondere das Igno-rieren von Daten, die im Widerspruch zur eigenen Erwartung stehen. Das Fallenlassen von alten Hypothesen und die Entwicklung einer neuen sind folglich nur schwer möglich. In Abbildung 2.3 wird der Kompetenzverlauf beim Datenanalysieren dargestellt.

Abbildung 2Abbildung 2Abbildung 2Abbildung 2.2.2.2.2: Kompetenzstufen bei der Suche im Experimentier: Kompetenzstufen bei der Suche im Experimentier: Kompetenzstufen bei der Suche im Experimentier: Kompetenzstufen bei der Suche im Experimentier----Suchraum. Aus: HSuchraum. Aus: HSuchraum. Aus: HSuchraum. Aus: Hammann, 2004, S. 201ammann, 2004, S. 201ammann, 2004, S. 201ammann, 2004, S. 201

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Es ist interessant, dass die Worte „Messen“ und „Messkompetenz“ in dieser Analyse gar nicht verwendet werden. Vielmehr wird die experimentelle Kompetenz allgemein aufge-schlüsselt, sodass die gewonnenen Erkenntnisse sowohl in Physik, Chemie oder auch in Biologie einfließen können. So lässt sich sehr gut ableiten, dass die Kinder viele Schwierig-keiten beim Experimentieren aufweisen, weil sie eben den logischen Ablauf eines Experi-ments nicht nachvollziehen können beziehungsweise ihnen dieser im Rahmen des Unter-richts erst beigebracht werden muss. Dasselbe trifft auf das Messen zu: Man kann von den Jugendlichen nicht von vorne herein erwarten, mit Messinstrumenten richtig umzugehen oder das Prozedere einer Messung zu kennen. Aber ein explizites Ziel experimentellen Un-terrichts sollten diese Kompetenzen doch darstellen. Dazu zählt auch die Schwierigkeit von „tatsächlich messbaren“ Größen und von „errechenbaren“ Größen zu unterscheiden und zu erkennen, was aktuell zu messen ist. Wesentlicher Punkt im Experimentier-Suchraum ist der Umgang mit Variablen. Es müssen also die Randbedingungen der Messung klar definiert sein und auch deutlich hervorgehen, was zu messen ist und warum.

Abbildung 2.3: Kompetenzstufen beim Analysieren von Daten. Abbildung 2.3: Kompetenzstufen beim Analysieren von Daten. Abbildung 2.3: Kompetenzstufen beim Analysieren von Daten. Abbildung 2.3: Kompetenzstufen beim Analysieren von Daten. Aus: Hammann, 2004, S. 202Aus: Hammann, 2004, S. 202Aus: Hammann, 2004, S. 202Aus: Hammann, 2004, S. 202

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2.2.2. Das Spinnenmodell (In diesem Abschnitt sind folgende Quellen verwendet worden: Analyse des Experiments (nach Hammann), Maiseyenka et al. (2010), Maiseyenka et al. (2011), Maiseyenka et al.) Eine genauere Aufschlüsselung des im vorigen Kapitel diskutierten Sachverhalts liefert ein Modell von Marcus Hammann. Es unterscheidet, wie in Abbildung 2.4 dargestellt, sieben Teilkompetenzen beim Experimentieren:

Die Vorgangsweise im Unterricht sollte im Uhrzeigersinn folgen, beginnend bei „Fragestel-lung finden“ bis zu „Techniken und Verfahren“. Man erkennt, dass zwischen „Experimente planen“ und „Daten analysieren“ keine weitere Kompetenz vorhanden ist. Die Frage, die sich nach diesem Modell also zwangsläufig stellt, ist: Wie gelangt man zu den Daten, die analy-siert werden sollen? Das Messen und somit die Messkompetenz nehmen explizit keinen Stellenwert ein. Man könnte nun argumentieren, dass diese Tätigkeiten jeweils in „Experi-

Abbildung 2.4: Analyse des Experiments. Aus: Analyse des Experiments (nach Hammann)Abbildung 2.4: Analyse des Experiments. Aus: Analyse des Experiments (nach Hammann)Abbildung 2.4: Analyse des Experiments. Aus: Analyse des Experiments (nach Hammann)Abbildung 2.4: Analyse des Experiments. Aus: Analyse des Experiments (nach Hammann)

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mente planen“ und „Daten analysieren“ inkludiert seien, aber: Eine Planung hat nichts mit einer tatsächlichen Durchführung zu tun und die Analyse von Messwerten (Daten) ist nicht mehr Teil der Messung. Ausgehend von diesem Befund (Maiseyenka et al.) erweiterten Ve-ronika Maiseyenka, Dennis Nawrath und Horst Schecker das Spinnenmodell, wie in Abbil-dung 2.5 dargestellt.

Dieses Modell ist so angelegt, dass Lehrkräfte, aber auch Lernende (zum Beispiel im Rah-men einer Evaluierung) ein Experiment hinsichtlich verschiedener Kompetenzen bewerten können. Dabei sollen pro Kompetenz maximal zwei Punkte vergeben werden (0: unwichtig, 1: bedeutend, 2: sehr wichtig), die dann am jeweiligen Ast eine bestimmte Position einneh-men. Diese Punkte können dann verbunden werden und es entsteht ein „Spinnennetz“, des-sen Fläche proportional zum Kompetenzerwerb ist. Man kann sich das Modell als Excel-Datei herunterladen und das „Netz zeichnen“ dem Computer überlassen (Exceldatei). Nach-folgend werden die einzelnen Dimensionen kurz beschrieben:

Abbildung 2.5: Experimentelle Teilkompetenzen. Aus: Maiseyenka et al., 2011, S. 1Abbildung 2.5: Experimentelle Teilkompetenzen. Aus: Maiseyenka et al., 2011, S. 1Abbildung 2.5: Experimentelle Teilkompetenzen. Aus: Maiseyenka et al., 2011, S. 1Abbildung 2.5: Experimentelle Teilkompetenzen. Aus: Maiseyenka et al., 2011, S. 1

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� Fragestellung entwickeln

Damit soll der Rahmen des Experiments geschaffen werden. Man will ein bisher unbekann-tes Phänomen verstehen lernen. Wichtig ist, dass hier die Beobachtungs- beziehungsweise Messgrößen noch nicht näher definiert werden; es geht hier vorerst um den Bezug zum Phänomen.

� Hypothesen bilden

Auf Basis des vorhandenen theoretischen Wissens soll eine Hypothese formuliert werden. Raten gehört allerdings nicht dazu, da eine Hypothese immer begründet sein muss, was für Lernende eine anspruchsvolle Aufgabe sein kann.

� Experiment planen

Die formulierten Vermutungen bestimmen die Planung des Experiments. Es müssen die benötigten Materialien und die zu bestimmenden physikalischen Größen abgeklärt werden.

� Versuchsanordnung selbst aufbauen und Fehler beseitigen

In diesem Schritt wird die geplante Versuchsversion realisiert und auf Funktionsfähigkeit überprüft. Dabei kann es zu Korrekturen der Planung beziehungsweise zum Ausbessern etwaiger Fehler kommen.

� Beobachten/Messen

„Beim Beobachten geht es um rein phänomenologische Aspekte. Erläuterungen, Einordnun-gen, Erklärungen finden hier nicht statt.“ (Maiseyenka et al, 2010, S. 3) Wichtig ist die Anga-be von Kriterien unter denen beobachtet wird. Messungen dagegen sind quantifizierte Be-obachtungen mit speziellen Anforderungen. Eine davon ist, dass Messungen sorgfältig und mehrfach durchzuführen sind. In dieser Kompetenz findet noch keine Analyse der Beobach-tung/Messung statt.

� Daten analysieren

Die gewonnenen Daten sollen grafisch oder tabellarisch aufgearbeitet werden, sodass an-hand der entstehenden Tabellen/Grafiken entsprechende Schlüsse gezogen werden können. Dabei steht vor allem die Fähigkeit der Erstellung eines solchen Schaubildes im Mittelpunkt. Die Analyse von Beobachtungen kann mittels Vergleich von mehreren Beobachtungen er-folgen.

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� Sachgerechte Schlüsse ziehen

Die gewonnenen Ergebnisse werden dann bezugnehmend auf die eingangs aufgestellten Hypothesen interpretiert. Die Jugendlichen sollen dabei ihre eigenen Hypothesen kritisch hinterfragen, überdenken und neue Erkenntnisse gewinnen. Im Gegensatz zu Klahrs Modell ist in dem letzten Modell das Messen stärker vertreten. Zwar kommt das Wort „Messen“ dezidiert nur im Ast „Beobachten/Messen“ vor, allerdings sind einige Aspekte einer Messung auch in anderen Kompetenz-Ästen vertreten: So liegt die Klä-rung, welche physikalischen Größen bestimmt werden müssen, im Bereich „Experiment planen“ und das Zeichnen von Grafiken beziehungsweise Erstellen von Tabellen, findet man unter „Daten analysieren“. Beide Aspekte gehören aber zum eigentlichen Messvorgang (sie-he Kapitel 2.1). Das bedeutet, dass der Messung ein weitaus größerer Kompetenzbereich zugeordnet werden kann, wie es die Beschreibung und Darstellung in diesem Modell zeigt. 2.2.3. Erweitertes Modell experimenteller Kompetenzen (Der folgende Abschnitt bezieht sich auf folgende Quelle: Schreiber et al, 2009, S. 1-2) Ausgehend von Klahrs, Hammanns und weiteren Modellen (Mayer, J.: Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen; Möller, A. et al: Kompetenzniveaus der Erkenntnisge-winnung bei Schülerinnen & Schülern der Sekundarstufe I; Schreiber et al., 2009, S. 2) ent-wickelten die Autoren ein Modell, dass das Durchführen von Experimenten als zentralen und fachbezogenen Teil des Unterrichts betrachtet. Die vorausgehende Zielsetzung und die Schlussfolgerungen werden nicht mehr als zentral betrachtet. In Abbildung 2.6 wird das Modell gezeigt.

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In der Planungsphase verfolgt dieses Modell die Idee, dass von einer idealistischen Vorstel-lung wissenschaftlicher Forschung weggegangen werden muss und der Klärung vorgegebe-ner Fragestellungen durch die Schüler eine ebenso große Bedeutung zugemessen wird wie ein eigenes Untersuchungsziel oder das Aufstellen einer Hypothese. Das spiegelt sich in den ersten Punkten der „Planung“ wieder, wohingegen bei vorigen Modellen nur die Hypothe-sen-Bildung im Vordergrund stand. Die Verlinkung von „Planung“ und „Durchführung“ geschieht hier in der „Versuchs-plan entwerfen“-Phase. Dabei wird die reale Versuchsanordnung inkludiert, weil es sonst zu keiner Durchführung kommen kann. Dieser konkrete Plan wird in der „Durchführung“-Phase verwirklicht. Die Schritte vom Entwurf bis zum funktionstüchtigen Experiment bilden dabei keine Reihenfolge. Oft ist auch ein spiralförmiger Weg bis zum funktionierenden Versuch nötig (wenn es zum Beispiel zu Fehlern beim Aufstellen kommt). Messungen werden in dieser Phase durchgeführt und dokumentiert.

Abbildung 2.6: Modell experimenteller Kompetenz. Aus: Schreiber et al, Abbildung 2.6: Modell experimenteller Kompetenz. Aus: Schreiber et al, Abbildung 2.6: Modell experimenteller Kompetenz. Aus: Schreiber et al, Abbildung 2.6: Modell experimenteller Kompetenz. Aus: Schreiber et al, 2009, S. 22009, S. 22009, S. 22009, S. 2

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„Wenn die Messungen abgeschlossen sind, müssen die Messdaten verarbeitet, interpretiert und schließlich auf die Fragestellung, Erwartung oder Hypothese bezogen werden.“ (Schreiber et al, 2009, S. 3) Dieses Modell liefert nicht nur eine genauere Analyse zu Fragestellungen und Hypothesen-bildung, es bettet das Messen sogar so ein, wie es der eingangs beschriebene Messvorgang verlangt. So ist das Klären der zu messenden (bestimmenden) physikalischen Größen ein Teil des Versuchsplans und das Verarbeiten und Interpretieren der Messdaten wird geson-dert im Überbegriff „Auswertung“ behandelt. Klar geht auch die Differenzierung der Mess-durchführung und -dokumentation hervor. Das Messen und alle damit verbundenen Tätig-keiten nehmen in diesem Modell den Hauptteil der „Durchführung“ und „Auswertung“ ein. Auf Demonstrationsversuche, bei denen etwas beobachtet werden kann, wird allerdings nicht weiter eingegangen. Johannes Lugitsch nutzte dieses Modell in seiner Diplomarbeit, um die Frage, „wel-che Kompetenzen in welchem Ausmaß von SchülerInnen der Unterstufe beim Experimen-tieren im naturwissenschaftlichen Unterricht erreicht werden“, (Lugitsch, 2011, S. 2) zu beantworten. 2.2.4. Experimentelle Kompetenz bei SchülerInnen (Die folgenden Resultate habe ich der Diplomarbeit von Johannes Lugitsch entnommen: Lugitsch, 2011, S. 37, S. 96-100) Im Rahmen seiner Arbeit begleitete Johannes Lugitsch vier IMST-Projekte. Die darin vor-kommenden Experimente wurden gefilmt und anschließend einer Analyse unterzogen. Da-bei wurde die angewendete Zeit pro Kompetenzbereich gemessen. Um die Ausprägung ei-ner Kompetenz zu quantifizieren, verwendete er ein Fünf-Punkte-System: „1 = trifft gar nicht zu 2 = trifft eher nicht zu 3 = trifft teilweise zu 4 = trifft eher zu 5 = trifft voll zu“

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Dabei ist die Zuordnung aus seiner Sicht, also rein subjektiv, erfolgt. Um einen Gesamtbe-fund über seine sieben Hypothesen (ich verzichte hier auf eine Aufzählung, da in dieser Ar-beit nur zwei der sieben Hypothesen relevant sind) zu erhalten, berechnete er bei seinen Messergebnissen den Mittelwert und stellte beide in Korrelation zueinander. Die Abbildun-gen 2.7 und 2.8 zeigen den Mittelwert der aufgewandten Zeit und die Mittelwerte der Ma-ximalwerte der Ausprägungen einer Kompetenz:

Abbildung 2.7: Mittelwert der aufgewandten Zeit pro Kompetenz. Aus: Lugitsch, 2011, S. 96Abbildung 2.7: Mittelwert der aufgewandten Zeit pro Kompetenz. Aus: Lugitsch, 2011, S. 96Abbildung 2.7: Mittelwert der aufgewandten Zeit pro Kompetenz. Aus: Lugitsch, 2011, S. 96Abbildung 2.7: Mittelwert der aufgewandten Zeit pro Kompetenz. Aus: Lugitsch, 2011, S. 96

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Die zwei Hypothesen, auf die ich mich beziehen möchte, lauten mit Befund: „Hypothese 1: Je mehr Zeit SchülerInnen mit einem Bereich verbringen, desto kompetenter zeigen sie sich darin.“ (Lugitsch, 2011, S. 99) Es zeigte sich, dass erst die Gesamtbetrachtung aller Projekte diese Annahme bestätigte (Lugitsch, 2011, S. 99). Allerdings konnten die Untersuchungen nicht zeigen, ob sich die Kompetenz aufgrund der zeitlichen Beschäftigung entwickelte, oder sich aufgrund bereits vorhandener Kompetenzen die Lernenden mit jenen Experimenten, die genau diese Kompe-tenzen fördern, länger beschäftigten. „Hypothese 3: SchülerInnen machen sich wenig bis überhaupt keine Gedanken über Mess-fehler.“ (Lugitsch, 2011, S. 100) Es wurden nur vereinzelt Gedanken zu Messfehlern beobachtet, weswegen die obige Hypo-these als bestätigt betrachtet werden kann (Lugitsch, 2011, S. 100). Aus dem Befund zur Hypothese 1 geht hervor, dass die zeitliche Beschäftigung stark mit dem Niveau der jeweiligen Kompetenz korreliert. Die Abbildung 2.8 macht deutlich, dass für das Messen und Dokumentieren viel Zeit in Anspruch genommen wird. Aus Lugitschs Zu-satz, dass ein Ergebnis erst dann offensichtlich war, als er alle Projekte miteinander ver-

Abbildung 2.8: Mittelwert der Maximalwerte gezeigter Kompetenzen. Aus: Lugitsch, 2011, S. 97Abbildung 2.8: Mittelwert der Maximalwerte gezeigter Kompetenzen. Aus: Lugitsch, 2011, S. 97Abbildung 2.8: Mittelwert der Maximalwerte gezeigter Kompetenzen. Aus: Lugitsch, 2011, S. 97Abbildung 2.8: Mittelwert der Maximalwerte gezeigter Kompetenzen. Aus: Lugitsch, 2011, S. 97

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glich, schließe ich, dass der Erwerb einer experimentellen Kompetenz nicht mit einem ein-zelnen Experiment möglich ist. Man muss anmerken, dass auch die Fächer Biologie und Chemie vertreten waren, sodass dieses Resultat allgemeiner zu sehen ist. Aus dem Befund zu Lugitschs dritter Hypothese leite ich ab, dass für Jugendliche ein Messwert eine absolute und unantastbare Größe ist, an der kein Zweifel besteht. Unter Be-rücksichtigung des ersten Befundes kann man sagen, dass Lehrkräfte auch hier mehr Zeit investieren sollten, damit das Bewusstsein für Messfehler, Abweichungen etc. stärker aus-geprägt wird. Daraus folgt wiederum, dass die aufgewendete Zeit beim Messen (die immer-hin fast zwei Drittel der gesamten Experimentierzeit in Anspruch nimmt, vgl. Abbildung 2.7) rein dazu verwendet wird, um das Messgerät zu bedienen, die Zahlenwerte zu ermit-teln und ein Diagramm/Tabelle zu erstellen. 2.2.5. Zusammenfassung Je detaillierter die Modelle experimenteller Kompetenz sind, desto deutlicher zeigt sich der wichtige Stellenwert der Messkompetenz. Dabei muss für die SchülerInnen der Akt des Messens klar sein, da viele häufig Schwierigkeiten mit dem logischen Ablauf und der allge-meinen Durchführung haben. Man erkennt, dass Teilbereiche einer experimentellen Kom-petenz stärker ausgeprägt sind, wenn mehr Zeit in sie investiert wird und daher ein schrittweiser Aufbau der Kompetenzen notwendig ist und dadurch das Experiment im Un-terricht unabdingbar macht. 2.3. Ein Modell zur Messkompetenz Die drei beschriebenen Modelle zur experimentellen Kompetenz zeigen schon: Das Experi-ment ist für den naturwissenschaftlichen Unterricht, speziell in Physik, ein wichtiges Hilfs-mittel für den Wissenstransfer und den Aufbau von Kompetenzen. Auch in fachdidaktischen Büchern wird immer wieder dieser Bezug hergestellt. Das Messen selbst ist in das Experi-ment eingegliedert, darum „schwebt“ die Messkompetenz eher im Hintergrund und wird als selbstverständlicher Teil des Experimentierens betrachtet. Ein eigenes Konzept zur Mess-kompetenz liegt bisher nicht vor, darum habe ich es mir zur Aufgabe gemacht, einen ersten Schritt in diese Richtung zu tätigen. Bezugnehmend auf die Forschungsfrage, wie denn Lehrkräfte die Messkompetenz im Unterricht umsetzen, ist es daher schwierig die IMST-Projekte mit dem von mir entwickelten Modell zu evaluieren, da die Projekte bereits 2012

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liefen. Dennoch scheint es mir sinnvoll aufzuzeigen, welche Kompetenzen in den Projekten sichtbar sind bzw. umgesetzt wurden. Als Basis für mein Modell verwende ich einerseits den entwicklungstheoretischen Hintergrund des Messens, in Form einer Studie von Piaget, Inhelder und Szeminska, wie sie Hans-Jürgen Lerch in seinem Werk „Grundlagen zur Didak-tik der Physik“ aus dem Jahr 1973 beschreibt, und andererseits eine eigene Schulbuchanaly-se, in der ich ausgewählte Beispiele aufzeigen werde, wie diese Bücher die Messkompetenz fördern möchten. Eine weitere Basis bilden der formelle Ablauf einer Messung und die drei zuvor beschriebenen Modelle zur experimentellen Kompetenz. 2.3.1. Entwicklungstheoretischer Hintergrund Wichtiger Ausgangspunkt zur Messkompetenz ist, dass sie einen aufbauenden Charakter aufweist. Dies konnten Piaget, Inhelder und Szeminska in ihrer Studie gut darstellen. Im Folgenden werde ich nur explizit auf jene Teilaspekte der Studie eingehen, die für diese Diplomarbeit relevant sind. So wurden zum Beispiel die Fragen „Verfügen Kinder über die Vorstellung invarianter Abstände?“ (Lerch, 1973, S. 37) und „Verfügen Kinder über die Vor-stellung invarianter Längen?“ (Lerch, 1973, S. 37) gestellt. Um Antworten auf diese Fragen zu finden, wurden zwei Puppen auf einen Tisch gestellt. Den Kindern (Vpn.) wurde die Fra-ge gestellt, ob diese zwei Puppen einander nah oder fern seien. Danach wurde ein Schirm mit einem Fenster (einmal offen, einmal geschlossen) zwischen die beiden Puppen platziert und dieselbe Frage noch einmal gestellt. Außerdem wurde gefragt, ob sich der Abstand ver-ändert, wenn a) beide Puppen auf gleicher Höhe stehen, b) eine Puppe höher platziert ist, als die andere, und c) wenn eine Puppe größer als die andere ist. Die Ergebnisse fielen bei unterschiedlichen Altersklassen der Vpn. anders aus:

• Kinder unter fünf Jahren: Die Entfernung ist bei gleichbleibender Position der Pup-pen mit und ohne Schirm anders. • Kinder zwischen fünf und sechs: Sie besitzen auch noch keine Ansätze der Abstands-invarianz, die Entfernung ist bei ihnen vor allem von Lage und Größe der Objekte abhängig. • Kinder ab sieben: Sie haben die Abstandsinvarianz verinnerlicht.

Als Kontrollversuch und bezugnehmend auf die Fragestellung der Längeninvarianz wurden zwei gleich lange Stäbe parallel und auf gleicher Höhe nebeneinander gelegt. Anschließend wurde ein Stab nach rechts verschoben und gefragt, ob denn noch immer beide gleich lang seien. Die Ergebnisse dieser Versuchsanordnung zeigten, dass bei den Vpn. ab dem sechs-einhalbten Lebensjahr die Kinder zunehmend die Vorstellung der Längeninvarianz verin-

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nerlichen. Als Konsequenz kann daraus geschlossen werden, dass zu diesem Zeitpunkt die ersten Ansätze einer eindimensionalen Längenmessung mit Referenzlänge (z.B.: Meterstab) gegeben sind. Weitere Versuche mit den Vpn. zeigten, dass eine Messung der Länge erst ab dem achten Lebensjahr möglich ist (Lerch, 1973, S. 37-40). Diese Resultate wurden auf zwei Dimensionen umgesetzt: In einem Rechteck wurde eine Position markiert und die Vpn. mussten in einem zweiten Rechteck, welches deckungs-gleich mit dem ersten gegebenen ist, jedoch etwas nach rechts verschoben war, dieselbe Position markieren, wie in Abbildung 2.9 dargestellt.

Die Ergebnisse zeigten, dass zwei unabhängige Längenmessungen zur genauen Bestimmung der Position des Punktes erst zwischen acht und neun Jahren möglich ist. Das bedeutet, dass in diesem Alter bereits die ersten Erfahrungen mit den Begriffen „Fläche“ und „Flächenin-halt“ gemacht werden. In diesem Rahmen wurde auch das Verständnis der Flächeninvarianz getestet. Dazu wurde ein Rechteck in Quadrate unterteilt und dann neu zusammengesetzt (siehe Abbildung 2.10).

Abbildung 2.9: Versuchsanordnung 1. Aus: Lerch, 1973, S.40Abbildung 2.9: Versuchsanordnung 1. Aus: Lerch, 1973, S.40Abbildung 2.9: Versuchsanordnung 1. Aus: Lerch, 1973, S.40Abbildung 2.9: Versuchsanordnung 1. Aus: Lerch, 1973, S.40

Abbildung 2.10: Versuchsanordnung 2. Aus: Lerch, 1973, S. 41Abbildung 2.10: Versuchsanordnung 2. Aus: Lerch, 1973, S. 41Abbildung 2.10: Versuchsanordnung 2. Aus: Lerch, 1973, S. 41Abbildung 2.10: Versuchsanordnung 2. Aus: Lerch, 1973, S. 41

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Damit wurde gezeigt, dass Kinder unter sechs noch keine Vorstellung einer Flächeninvari-anz besitzen, Kinder zwischen dem sechsten und siebten Lebensjahr ein teilweises Ver-ständnis aufbringen (werden mehr als zwei Quadrate verschoben, ist kein Verständnis vor-handen) und Kinder zwischen sieben und acht die Invarianz verinnerlicht haben. Als wei-terführende Idee wurde den Vpn. ein Quadrat und ein Bleistift zur Verfügung gestellt, mit dem sie ausgewählte Flächen „abmessen“ sollten (siehe Abbildungen 2.11 und 2.12).

Kinder zwischen fünf und sieben Jahren hatten ihre Probleme nur mit dem Parallelogramm und dem Dreieck (Figur Q, Abbildung 2.12), Kinder zwischen sieben und acht haben die gegebene Aufgabenstellung zufriedenstellend bewältigt (Lerch, 1973, S. 40-42). Weitere Untersuchungen wurden mit Würfeln gemacht, um die Volumeninvarianz zu erforschen. Erst zwischen neun und elf Jahren entwickelt sich hierfür ein Verständnis. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass Kinder unter fünf Jahren Zeitdauer und Wegstrecke (Versuche mit sich unterschiedlich schnell bewegenden Puppen und einem Metronom als Zeitreferenz) nicht unterscheiden und dass für Kinder unter sechs Jahren nur der Überholvorgang eine Geschwindigkeitsdifferenz anzeigt (Lerch, 1973, S. 42-45). Zusammengefasst kann man sagen, dass die ersten Grundzüge einer Messkompe-tenz schon sehr früh gelegt werden. Der aufbauende Charakter der Messkompetenz geht

Abbildung 2.11: Versuchsanordnung Abbildung 2.11: Versuchsanordnung Abbildung 2.11: Versuchsanordnung Abbildung 2.11: Versuchsanordnung 3a. Aus: Lerch, 1973, S. 423a. Aus: Lerch, 1973, S. 423a. Aus: Lerch, 1973, S. 423a. Aus: Lerch, 1973, S. 42

Abbildung 2.12: Versuchsanordnung 3b. Aus: Lerch, 1973, S. 42Abbildung 2.12: Versuchsanordnung 3b. Aus: Lerch, 1973, S. 42Abbildung 2.12: Versuchsanordnung 3b. Aus: Lerch, 1973, S. 42Abbildung 2.12: Versuchsanordnung 3b. Aus: Lerch, 1973, S. 42

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deutlich hervor: Ab dem achten Lebensjahr sind Kinder in der Lage Längen mit Referenz-längen zu messen und ab neun entwickelt sich das Bewusstsein einer Volumeninvarianz. 2.3.2. Schulbuchanalyse Wie bereits erwähnt, ist das vorhandene Unterrichtsmaterial eine weitere Basis meines Modelles. Darum habe ich Schulbücher in Bezug auf die Messkompetenz hin analysiert. Da-bei habe ich insgesamt 18 Schulbücher berücksichtigt (Wolfbauer, 1989; Wolfbauer, 1990; Obendrauf, 1990; Moritz, 2003; Moritz, 2004; Gruber, 2006; Putz, 2004; Putz, 2008; Wolf-bauer, 2007, 4. Auflage; Wolfbauer, 2007, 4. Auflage; Deimel, 2002; Schweitzer, 2000; Sexl, 2007, Physik 5; Sexl, 2007, Physik 6; Sexl, 2006; Sexl, 2007, Physik 8; Stäudel, 2002; Stäudel, 2006). Im Weiteren skizziere ich die aussagekräftigsten Beispiele, anhand derer ich mein Modell entwickelt habe. Die Analyse brachte ein Ergebnis zu Tage, mit dem ich im Vorfeld schon gerechnet habe: Die Aufgaben setzen eine Entwicklung der Messkompetenz voraus. Die Aufgabenstel-lungen in der Sekundarstufe 1 sind noch sehr stark geleitet und weisen reproduzierenden Charakter auf, während man von den OberstufenschülerInnen bereits erwartet, dass sie den Messablauf verinnerlicht haben. So reduzieren sich Versuchsanleitungen in der sechsten Klasse (zehnte Schulstufe) nur auf das Wesentliche, der genaue Messvorgang wird bereits vorausgesetzt. Als Beispiel möchte ich hier die Messung der Periodendauer beim Federpen-del aufzeigen: „Auszählen von 20 ganzen Schwingungen und Mittelwert aus mehreren Messungen bilden! 1. Gruppe: Messen Sie die Schwingungsdauer von Pendeln mit unterschiedlich großer Fa-denlänge. 2. Gruppe: Messen Sie die Schwingungsdauer mit unterschiedlichen Massen und unterschiedlich großen Amplituden. Was stellen Sie fest.“ (Sexl & Wessenberg-Raab, 2007, S. 74). Im Gegensatz dazu stelle ich die fünfte Klasse (neunte Schulstufe), wobei es um das Hooke´sche Gesetz geht: „An einer Schraubenfeder hängen wir verschiedene Massen an und messen die Dehnung, wenn das Gleichgewicht eingetreten ist. […] Sammeln Sie die Messergebnisse für mehrere Dehnungen und für mindestens 2 verschieden starke Federn in einem passenden Arbeits-

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blatt. Tragen Sie die Werte zusätzlich in ein Diagramm ein: F = f(x)“ (Sexl & Wessenberg-Raab, 2007, S. 36) Es wird aber auch der rein selbstständige Aspekt eines Experiments bzw. Messvorgangs trainiert, in dem die SchülerInnen selbst herausfinden müssen, welche physikalischen Grö-ßen und Formeln sie benötigen, um eine gegebene Fragestellung zu klären. So zum Beispiel, wenn es um die Messung der örtlichen Fallbeschleunigung mithilfe eines Fadenpendels geht: „Mit dem Fadenpendel kann man verhältnismäßig leicht die örtliche Fallbeschleunigung ermitteln. Wie geht das? Welchen Wert erhalten Sie?“ (Sexl & Wessenberg-Raab, 2007, S. 74) Betrachten wir hier auch ein Beispiel zur Reaktionszeit: „Die Reaktionszeit kann man recht einfach demonstrieren: Ein Schüler hält einen Maßstab am oberen Ende, ein zweiter hält am unteren Ende die Hand bereit zum Zugreifen. Aus dem so leicht zu ermittelnden Fallweg lässt sich die Reaktionszeit bestimmen “ (Schweitzer, Svoboda &Trieb, 2000, S. 28) In Grundlagen der Elektrotechnik 1 lassen sich generell nur Rechenbeispiele finden (Dei-mel, Hasenzagl, Krikava, Ruhswurm & Seisner, 2002). Man erkennt auch, dass Aspekte der Fehlerrechnung und des grafischen/tabellarischen Dokumentierens auftreten. Vorausset-zung, dass man beides beherrscht, ist eine enge Zusammenarbeit von Physik und Mathema-tik, da beide Gegenstände das nötige Fachwissen dazu fördern. Inwieweit die Lernenden der Sekundarstufe 2 ihr Wissen zu diesen Themen umsetzen, kann aus den Aufgabestellungen nicht geschlossen werden. Bereits in der Sekundarstufe 1 wird der Umgang mit diesen Hilfswerkzeugen trainiert. Darum sind dort die Messanleitungen präziser formuliert. Oft geht es auch nur um das reine Ablesen eines Wertes von einer Skala bzw. des Messinstru-mentes. Bezüglich der Bestimmung der Dichte findet man folgende Darstellung in einem „Zweite-Klasse-Buch“:

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Und einen Schritt weiter:

Hier müssen die Lernenden einerseits Fachwissen vorweisen (das Volumen des Steines ist gleich groß wie jenes des verdrängten Wassers) und andererseits den mathematischen Zu-sammenhang von Dichte und Volumen verstanden haben. Nur so ist es nachvollziehbar, dass das Volumen des Steines am Messbecher abgelesen werden kann. Außerdem wird mit der Zusatzfrage, um welchen Stoff es sich handle, das Arbeiten mit Tabellen gefördert. Das Ziel besteht darin mit der ermittelten Dichte in einer Tabelle nachzusehen, welcher Stoff in Frage kommt. Das Hantieren mit Grafiken und Tabellen ist wichtiger Teil der Messkompetenz. Dies zeigen die vielen Beispiele, in denen es um das Herauslesen von Werten aus einer Tabel-le/Grafik oder um das Erstellen/Konstruieren einer solchen geht. Nachfolgend sind drei

Abbildung 2.14: Dichtebestimmung. Aus: Wolfbauer et al,1990, S. 39Abbildung 2.14: Dichtebestimmung. Aus: Wolfbauer et al,1990, S. 39Abbildung 2.14: Dichtebestimmung. Aus: Wolfbauer et al,1990, S. 39Abbildung 2.14: Dichtebestimmung. Aus: Wolfbauer et al,1990, S. 39

Abbildung 2.13: Ableseübung. Aus: Wolfbauer et al,1Abbildung 2.13: Ableseübung. Aus: Wolfbauer et al,1Abbildung 2.13: Ableseübung. Aus: Wolfbauer et al,1Abbildung 2.13: Ableseübung. Aus: Wolfbauer et al,1990, S. 37990, S. 37990, S. 37990, S. 37

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Beispiele angeführt, wie Horst Fürnstahl und Michael Wolfbauer solche Fertigkeiten auf-bauen:

Abbildung 2.15: Temperaturverlauf 1. Aus: Wolfbauer & Fürnstahl, 2007, S. 24Abbildung 2.15: Temperaturverlauf 1. Aus: Wolfbauer & Fürnstahl, 2007, S. 24Abbildung 2.15: Temperaturverlauf 1. Aus: Wolfbauer & Fürnstahl, 2007, S. 24Abbildung 2.15: Temperaturverlauf 1. Aus: Wolfbauer & Fürnstahl, 2007, S. 24


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Leider scheint der Punkt der Fehlerberücksichtigung erst in der Oberstufe auf. Natürlich setzt die Berechnung einer Standardabweichung das Hantieren mit Wurzeln voraus, den-noch ist das Aufsummieren und Dividieren (Mittelwert) durchaus im Bereich des Mögli-chen. Auch die qualitative Betrachtung von Messfehlern tritt nicht auf. So sind in den be-trachteten Büchern sehr viele (SchülerInnen-)Experimente enthalten, bei denen man quali-tativ beschreiben könnte, warum der gemessene Wert sicher nicht der „reale“ ist. So wird es im Beispiel von Abbildung 2.17 darauf ankommen, wo man das Thermometer platziert (wodurch sich die Messwerte unterscheiden werden). Dieser Aspekt des Messens wird also vielleicht gar nicht berücksichtigt oder aber es wird davon ausgegangen, dass die Lehrkraft Eigeninitiative zeigt.


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2.3.3. Ein Kompetenzmodell für das Messen Die zwei zuvor genannten Gründe führten zur Entwicklung des „Thermometer-Modells“. So will ich einerseits aufzeigen, dass Messkompetenz nur schrittweise angeeignet werden kann, und dass andererseits wesentlich mehr Aspekte zu einer Messkompetenz gehören, als „nur“ Messen. Darum unterscheide ich zwischen den Aspekten: „Arbeiten mit Diagrammen“, „Arbeiten mit Tabellen“, „Fehlerbetrachtung“ und „Messvorgang“. Die Schulbuchanalyse und der detaillierte Ablauf einer Messung zeigen, dass diese Aufschlüsselung Sinn macht. Die Kompetenzaspekte weisen mit zunehmender Höhe einen immer stärker werdenden Selbst-ständigkeitscharakter auf. Das bedeutet, dass man von einer erlangten Messkompetenz sprechen kann, wenn man aufgrund einer Aufgabenstellung eigenständig das Bedürfnis entwickelt, eine Beobachtung in Form einer Messung zu präzisieren und diese in geeigneter Form darstellt (Reichel). Bis dieser Status erreicht ist, muss man als Lehrkraft die nötigen Impulse setzen und eine Messkompetenz schrittweise aufbauen. Dies sieht in meinem Mo-dell folgendermaßen aus:

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Abbildung 2.19: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit TabellenAbbildung 2.19: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit TabellenAbbildung 2.19: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit TabellenAbbildung 2.19: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit Tabellen Abbildung 2.18: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit Abbildung 2.18: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit Abbildung 2.18: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit Abbildung 2.18: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit DiagrammenDiagrammenDiagrammenDiagrammen

Abbildung 2.20: Kompetenzaspekt: FehlerbetrachtungAbbildung 2.20: Kompetenzaspekt: FehlerbetrachtungAbbildung 2.20: Kompetenzaspekt: FehlerbetrachtungAbbildung 2.20: Kompetenzaspekt: Fehlerbetrachtung Abbildung 2.21: Kompetenzaspekt: MessvorgangAbbildung 2.21: Kompetenzaspekt: MessvorgangAbbildung 2.21: Kompetenzaspekt: MessvorgangAbbildung 2.21: Kompetenzaspekt: Messvorgang

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Die AspeDie AspeDie AspeDie Aspekkkkte im Detailte im Detailte im Detailte im Detail • „Arbeiten mit Diagrammen“ und „Arbeiten mit Tabellen“

Diese zwei Punkte gehören zum Dokumentieren einer Messung. Ich habe in beiden Fällen dieselben Entwicklungsstufen verwendet, da sich das Arbeitskonzept nicht unterscheidet. Zunächst ist es wichtig, dass man als LernendeR mit einem Diagramm oder einer Tabelle umgehen kann. Dazu zählt im ersten Schritt, dass man Daten aus ihnen herauslesen kann. In den betrachteten Schulbüchern finden sich viele Beispiele dazu (vgl. Kapitel 2.3.2) und auch die Musterbeispiele, die das BIFIE in seinem Aufgabenpool bereitstellt (Aufgabenpool), zei-gen, dass dieser Teilaspekt der Kompetenz sehr wichtig ist. Ist man mit Diagram-men/Tabellen vertraut, kann man in einem weiteren Schritt von den Lernenden fordern, gewonnene Daten in ein vorgegebenes Muster einzutragen. Relevant ist dieses Anforde-rungsniveau vor allem bei den Diagrammen. Dies liegt daran, dass man sich beim Erstellen eines Diagramms zuerst einen passenden Maßstab für die Achsen überlegen muss. Um sol-che Überlegungen zielgerichtet anzustellen, ist sehr viel Erfahrung nötig. Das bedeutet aber nicht, dass man als Lehrkraft immer ein Achsenraster vorgeben muss. Oft reicht auch die bloße Angabe des Achsenmaßstabes aus. Bei den Tabellen wird das Eintragen in ein vorge-gebenes Muster weniger Zeit in Anspruch nehmen, da das Erstellen einer Tabelle weniger Vorüberlegungen mit sich bringt. In beiden Fällen (Diagramm und Tabelle) ist es wichtig, dass die Einheiten zu den physikalischen Größen mit angegeben werden. Die Aspekte „Her-auslesen“ und „in Vorgabe eintragen“ können aber durchaus parallel vermittelt werden. Ich halte es aber für sinnvoller, dass zuerst die Funktionsweise und der Sinn einer Tabel-le/eines Diagramms erarbeitet werden.

• „Fehlerbetrachtung“

Die Schulbuchanalyse ergab, dass der Aspekt der Fehlerbetrachtung erst hauptsächlich in der Oberstufe zum Einsatz kommt. Dennoch halte ich es für sehr wichtig, dass bereits ein Kind aus der Sekundarstufe 1 weiß, dass ein Messwert nicht der „reale“ Wert der physikali-schen Größe ist, und man diesen mit den Messwerkzeugen auch nicht ermitteln kann. Auf-grund der sich erst entwickelnden mathematischen Kenntnisse unterscheide ich in meinem Modell eine qualitative Fehlerangabe von einer quantitativen. Unter einer qualitativen An-gabe von Fehlern und Fehlerquellen verstehe ich, dass man beim Protokollieren eines Expe-riments mögliche Fehlerursachen in eigenen Worten aufschreibt. Dadurch soll nochmals das Bewusstsein, dass der Messwert kein „realer“ Wert ist, geschärft werden. Das Berech-nen eines Mittelwerts kann schon sehr früh erfolgen, da die nötigen Kenntnisse (Addition und Division) bereits in der Volksschule erlernt werden. In der 8. Schulstufe wird man als

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SchülerIn mit dem Lehrsatz des Pythagoras konfrontiert. Spätestens zu diesem Zeitpunkt kennt man die Quadratwurzel. Das bedeutet, dass man ab dieser Schulstufe die Möglichkeit besitzt, die Standardabweichung zu errechnen. Aus diesem Grund habe ich eigene Aufga-benblätter zu diesem Thema in der Beispielsammlung (vgl. Kapitel 4) erstellt. Sobald man mathematisch dazu in der Lage ist, sollte das qualitative und quantitative Angeben von Feh-lern und Fehlerquellen Teil eines Protokolls sein.

• „Messvorgang“

Basis einer jeden Messung ist, dass man mit dem zu verwendenden Messgerät umgehen kann (Justierung, Ablesen), und dass man die physikalische Einheit kennt, in der das Mess-gerät misst. Bevor SchülerInnen selbst experimentieren, müssen diese Fertigkeiten verin-nerlicht sein. Das Messen unter strikter Anweisung leistet hier einen wertvollen Beitrag, da das Hantieren mit Gerätschaften nur durch das Befolgen von Anweisungen erlernbar ist. Darunter verstehe ich, dass zum Beispiel auf einem Arbeitsblatt detailliert beschrieben wird, wie die Lernenden vorzugehen haben und welche Richtlinien sie einhalten müssen. Bei komplexeren Aufgabenstellungen in der Oberstufe kann ebenfalls auf eine solche Ar-beitsweise zurückgegriffen werden, damit sichergestellt werden kann, dass die SchülerIn-nen dem Unterricht folgen können. In weiterer Folge ist wichtig, dass die Lernenden erken-nen, dass sie, wenn sie bestimmte physikalische Größen ermitteln wollen, andere dazu mes-sen müssen. Dabei tritt die Mathematisierung wieder in den Vordergrund, da die Jugendli-chen formelhafte Zusammenhänge kennen müssen, um auf diesem Niveau Berechnungen durchführen zu können. Hat man dieses Stadium erreicht, müssen keine strikten Messan-weisungen mehr erteilt werden. Die Lernenden entwickeln ab hier selbst ein Gespür für den Arbeitsablauf. Als Lehrkraft war man dann erfolgreich, wenn ein Jugendlicher selbst auf die Idee kommt, dass er/sie eine Beobachtung in Form einer Messung festhalten möchte, damit er/sie mit den ermittelten Daten weiterarbeiten kann. Die in den einzelnen Thermometern aufgelisteten Aspekte sind als Zielkompetenzen zu ver-stehen. Dabei fließen natürlich die Aspekte für Graph, Tabelle und Fehler mit in den Mess-prozess ein, dennoch erachte ich es als wichtig, sie gesondert hervorzuheben. Außerdem will ich mit den kleinen „Messstrichen“ zeigen, dass die einzelnen Punkte Zeit benötigen, um erarbeitet und verinnerlicht zu werden, bevor man eine Stufe weiter geht. Die Striche, die über dem jeweiligen höchsten Level ausgeführt sind, sollen andeuten, dass es immer Raum nach oben gibt, insbesondere in Richtung Selbstständigkeit der SchülerInnen.

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3.3.3.3. IMST Projekte „Messen“ 2011/2012IMST Projekte „Messen“ 2011/2012IMST Projekte „Messen“ 2011/2012IMST Projekte „Messen“ 2011/2012 Das Projekt IMST zielt auf die Verbesserung der Qualität in den MINDT-Fächern ab (vgl. Kapitel 1). Dabei fördert das Themenprogramm „Kompetenzen im mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht“ gezielt Projekte, die für einen bestimmten Kompetenz-zuwachs in diesen Fächern sorgen. Im Kapitel 1.4 habe ich fünf Projekte aufgelistet, die für einen Zuwachs der Messkompetenz sorgen sollten. Eines dieser Projekte wurde leider nicht beendet und zwei weitere werden aufgrund einer zu unspezifischen Ausrichtung von Mess-kompetenzen nicht evaluiert. Im Folgenden beschäftige ich mich also mit diesen zwei Pro-jekten:

• Physikunterricht in der Freiarbeit (Projekt-ID: 724) • MPh4 – Mathematik und Physik in der 4. Klasse AHS koordiniert und kompetenzori-entiert unterrichten (Projekt-ID: 726)

Die ProjektnehmerInnen verfassten vor Beginn ihrer Projekte einen Projektantrag, in dem etwaige Vorgängerprojekte, die Motivation dieses Projekts, die Ziele auf LehrerInnen- bzw. SchülerInnenebene, die Inhalte und ein Zeitplan zu finden sind. Nach Beendigung des Pro-jekts wurde ein Endbericht verfasst, der den detaillierten, tatsächlichen Ablauf und eine eigene Evaluierung zum Projekt beinhaltet. ForschungsfrageForschungsfrageForschungsfrageForschungsfrage Ziel der Projekte war es, die Messkompetenz zu fördern. Dahingehend stellt sich nun die Frage: WiWiWiWie gelingt den LehrerInnen die Förderung der Messkompetenz im Rahmen ihrer e gelingt den LehrerInnen die Förderung der Messkompetenz im Rahmen ihrer e gelingt den LehrerInnen die Förderung der Messkompetenz im Rahmen ihrer e gelingt den LehrerInnen die Förderung der Messkompetenz im Rahmen ihrer IMSTIMSTIMSTIMST----Projekte?Projekte?Projekte?Projekte? Im Folgenden möchte ich also herausfinden:

• wie diese Projekte abgelaufen sind, • wie sich die Schwerpunktsetzung im Projektverlauf, vom Antrag bis zum Endbe-

richt, verändert hat, • wie die Messkompetenz von den ProjektnehmerInnen verstanden wurde, • welche Methode(n) zur Förderung der Messkompetenz eingesetzt wurde(n) und

abschließend, • ob diese tatsächlich erfolgreich war(en) bzw. was man vielleicht ändern könn-

te/sollte.

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Diese Fragen möchte ich mit dem Vergleich und der Analyse des Projektantrags wie auch des Projektendberichts beantworten. Ich möchte hier nochmals betonen, dass die Projekte nicht mit Hilfe meines Modells evaluiert werden, da diese vor dessen Entwicklung gelaufen sind. 3.1. Physikunterricht in der Freiarbeit AusgangslageAusgangslageAusgangslageAusgangslage Projektleitung:::: Helmtraut Motschilnig, MA Ausführende Schule:::: NMS Wölfnitz Projektdauer:::: Schuljahr 2011/2012 Jahrgang:::: 7. Schulstufe; 3a Klasse mit 24 SchülerInnen (10 w/14 m) und 3b Klasse mit 25 SchülerInnen (10 w/15 m) Ausführendes Unterrichtsfach:::: Physik (Motschilnig 2012, S. 3-4). Zusammenfassung des ProjektantragsZusammenfassung des ProjektantragsZusammenfassung des ProjektantragsZusammenfassung des Projektantrags Als Vorgängerprojekt wird das Projekt „Stationenpläne im Physikunterricht zur Förderung von Methodenkompetenzen und experimentelle Kompetenzen“ genannt, welches von der-selben Leiterin durchgeführt wurde. Die Motivation des aktuellen Projekts ist auf das Er-gebnis des Vorgängerprojekts zurückzuführen, in denen die Kinder durch das Arbeiten mit Stationenplänen Methodenkompetenzen und experimentelle Kompetenzen erlangt haben. Nun sollen diese Kompetenzen verstärkt in der Freiarbeit gefördert werden. Ziel auf der SchülerInnenebene ist, dass die Kinder ohne Scheu selbstständig in der Freiarbeitsstunde arbeiten und sich gegenseitig bei Schwierigkeiten helfen, um dadurch ihre Methoden- und Experimentierkompetenz zu fördern. Auf LehrerInnenebene sieht man auch diese Kompe-tenzförderung als oberstes Ziel, jedoch greift die Lehrperson nie direkt in den Ablauf der Stunde ein, sie fungiert als Coach. Inhaltlich soll das Thema Elektrizität im Rahmen der wö-chentlich stattfindenden Freiarbeit (M, E, D, Ph und Rel, wobei die Kinder selber entschei-den können, wann sie Ph machen) erarbeitet werden. Der zeitliche Rahmen wird auf 2-3 Monate geschätzt und als Evaluierungsmethoden werden Fragebögen, einzelne SchülerIn-nenbefragungen und Statements der Freiarbeitslehrkräfte verwendet (Rath, 2012a, S. 1-2).

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Zusammenfassung des EndberichtsZusammenfassung des EndberichtsZusammenfassung des EndberichtsZusammenfassung des Endberichts Wichtig sind die Rahmenbedingungen, in denen das Projekt abgelaufen ist: So ist die besag-te Schule seit dem Schuljahr 2009/2010 eine „Neue Mittelschule“, die sich als Ziel einen Kompetenzerwerb im sozialen, methodischen und handelnden Bereich sowie der Lesekom-petenz bei den Lernenden gesetzt hat. Zu diesem Zweck ist die zweite Stunde täglich als Freiarbeitsstunde angelegt. In der 7. Schulstufe umfasst diese Stunde die Fächer Deutsch, Englisch, Mathematik, Physik und Religion. Pro Woche gibt es einen Freiarbeitsplan, der von den SchülerInnen selbstständig erarbeitet werden muss. Dabei steht ihnen frei, wann sie welche Aufgaben in welchem Fach erledigen. Wichtig sind vor allem das ungestörte Arbei-ten und dass zuerst ein(e) MitschülerIn vor der Lehrperson um Hilfe gebeten wird. Die Auf-gaben in der Freiarbeit sind so gestellt, dass Selbstkontrolle möglich ist (Motschilnig, 2012, S. 5-6). Ziel des Projekts war es den Physikunterricht wieder abwechslungsreicher zu gestalten. Die im Vorjahr erworbenen experimentellen und methodischen Kompetenzen sollten bestätigt werden. „Die Schüler und Schülerinnen sollten mit Hilfe ihrer Fragen animiert werden, die experimentelle Kompetenz „Messen“ zu erlangen“(Motschilnig, 2012, S.7). Ausgehend vom Vorgängerprojekt, bei dem die SchülerInnen bereits die experimentelle Kompetenz „Mes-sen“ erlangten, wurden folgende Fragen als Zielsetzung formuliert:

• Kann bei Mädchen und Buben im Zuge der Freiarbeit die Messkompetenz gleichwer-tig gestärkt werden? • Wird durch die angestrebte Teamarbeit die soziale Kompetenz gefördert? • Trägt das Formulieren von Arbeitsaufträgen und Protokollblättern zu der Förde-rung der Sprachkompetenz bei?

Das Interesse an Physik sollte geschlechtsspezifisch gefördert werden und auch die Evaluie-rung mittels Fragebogen sollte exakte geschlechterspezifische Ergebnisse liefern (Motschil-nig, 2012, S.7). Das Projekt lief über das gesamte Schuljahr an. Organisatorisch wurden am Beginn des Schuljahres die Regeln für die Freiarbeit allgemein und dann speziell für die Physikfreiar-beit aufgestellt. Darin wurde nochmals geklärt, dass die Kinder zu den Experimenten Proto-kolle zu verfassen haben und dass die Arbeitsplätze sauber zu hinterlassen sind. Außerdem wurde nochmals betont, dass man bei Schwierigkeiten zuerst seine MitschülerInnen befra-gen solle. Inhaltlich wurden die Themen Zustandsformen, Energie, Müll und Elektrizität in der Freiarbeit mittels Texten (Rätsel, Fragen, Lückentexte), Internetrecherchen, Experimen-ten, Plakaten mit Präsentationen und Spielen in der Freiarbeit aufgearbeitet (Motschilnig, 2012, S. 8). „Anhand des Themas „Galvanisches Element“ aus dem Gebiet der Elektrizität

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will ich sehen, ob die Schüler die experimentelle Kompetenz „Messen“ erlangt ha-ben“(Motschilnig, 2012, S. 9). Die SchülerInnen mussten sich bei diesen Versuchen in Zwei-erteams organisieren. Dabei mussten sie die Versuchsanleitungen durchlesen, sich das Ma-terial besorgen, die Versuche entsprechend den Anleitungen durchführen, ein Protokoll schreiben und sich Zusatzaufgaben überlegen, die sie mit Hilfe der Versuche klären sollten. Galvanisches Element Galvanisches Element Galvanisches Element Galvanisches Element IIII Material: Material: Material: Material: zwei verschiedene Metalle, Apfel, Voltmeter, Leuchtdiode a) Formuliere 5 Fragen zu diesem Thema! b) Führe deine Versuche durch, die du benötigst um deine Fragen zu beantworten! c) Deine Fragen, Zeichnungen und Antworten müssen auf einem Protokollblatt stehen! Galvanisches Element IIGalvanisches Element IIGalvanisches Element IIGalvanisches Element II Material: Material: Material: Material: Apfel, Kartoffel, Kupfer- und Zinkblech, Experimentierkabel, Messgerät a) Führe den Versuch nach Abbildung durch!

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 3.23.23.23.2: Anweisung 2. Aus: Motschilnig, 2012, S. 11: Anweisung 2. Aus: Motschilnig, 2012, S. 11: Anweisung 2. Aus: Motschilnig, 2012, S. 11: Anweisung 2. Aus: Motschilnig, 2012, S. 11

Abbildung 3.1: Anweisung 1. Aus: Motschilnig, 2012, S. 9Abbildung 3.1: Anweisung 1. Aus: Motschilnig, 2012, S. 9Abbildung 3.1: Anweisung 1. Aus: Motschilnig, 2012, S. 9Abbildung 3.1: Anweisung 1. Aus: Motschilnig, 2012, S. 9

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b) Verwende für den oben dargestellten Versuch eine Kartoffel. Was beobach-test du? c) Die Mundbatterie Verbinde gereinigtes Kupfer bzw. Zink-blech mit einem Messgerät und führe den Versuch durch! Was kannst du beobachten? Elektrische SpannungElektrische SpannungElektrische SpannungElektrische Spannung Material: Material: Material: Material: Apfel oder Zitrone, Nagel , Kupferblech, Kopfhörer, Münzen, Kochsalzlösung, Messgerät a) Führe den Versuch gemäß der Skizze durch! Was beobachtest du beim Kopfhörer?

b) Führe den Versuch gemäß der Skizze durch! Aus welchen Teilen besteht deine Batterie? Miss die Spannung bei mehr oder weniger Metallstücken!




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Galvanisches Element IIIGalvanisches Element IIIGalvanisches Element IIIGalvanisches Element III Material: Material: Material: Material: 3 Gläser, 3 verzinkte Schrauben, 3 Kupferblechstücke oder Rohrstücke aus Kupfer, Kreppklebeband, 4 Kabel mit Klemmen, LED, saures Wasser a) Klebe pro Glas eine Schraube innen am Rand fest. Die Schraube sollte noch ca. 1 cm aus dem Glas zeigen. b) Klebe das Kupferteil am Glasrand fest. c) Verbinde nun die Gläser wie in der Abbildung. Die Projektleiterin sammelte ihre Beobachtungen pro Versuch:

• Galvanisches Element I

Paar A erkannte, dass bei zwei gleichen Metallen keine Spannung erzeugt wird und dass der Apfel ein Teil des Experiments sein muss. Paar B stellte fest, dass man nicht unbedingt einen Apfel braucht, sondern auch die Flüssigkeiten von Zitronen, Orangen und Kartoffeln als Elektrolyt fungieren. Paar C schloss eine LED zwischen die Kabelverbindung und stellte sich die Frage, warum die LED nicht funktionierte. Als Kontrolle wurde ein digitales Messgerät verwendet. Allerdings war der Messbereich falsch eingestellt, weswegen diese Messung scheiterte. Mit einem analogen Messgerät konnten sie dann feststellen, dass obwohl die LED nicht leuchtete trotzdem eine Spannung erzeugt wird. Das Paar folgerte daraus, dass die erzeugte Spannung nicht ausreicht, um die LED zum Leuchten zu bringen. Paar D stellte ebenfalls fest, dass Zitronen und Orangen auch als Elektrolyt fungieren.


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• Galvanisches Element II

Bei diesem Versuch wurde heftig diskutiert, ob denn eine Kartoffel auch als Elektrolyt fun-gieren kann oder nicht. Nachdem das erste Paar den Versuch mit einer Kartoffel durchge-führt hatte und das Ergebnis bekannt gab, war den anderen auch klar, dass die Kartoffel als Elektrolyt fungiert. Die Mundbatterie wurde von einigen SchülerInnen skeptisch durchge-führt, doch letztendlich überwog das „AHA“-Erlebnis, dass man mit Speichel und unter-schiedlichen Metallen auch Spannung erzeugen kann.

• Elektrische Spannung

Das Experiment mit den Kopfhörern wurde mit sehr wenig Phantasie durchgeführt. Paar H stellte fest, dass man mit mehreren Münzen eine höhere Spannung erhält. Andere Paare hatten Probleme beim Herstellen der Kochsalzlösung, doch die anderen KlassenkameradIn-nen konnten helfen.

• Galvanisches Element III

Paar X konnte hier nur anhand der Materialen erkennen, dass der Versuch eine Hinterei-nanderausführung von galvanischen Elementen ist, mit denen man die LED zum Leuchten bringen kann. Sie bauten die Anordnung korrekt auf und bestätigten ihre Theorie (Mot-schilnig, 2012, S. 9-13). Am Jahresende wurde die Evaluierungsmethode des Stimmungsbarometers eingesetzt. Da-bei wurden die vier Ecken des Gruppenraums mit „hat mir sehr gut gefallen“, „hat mir gut gefallen“, „hat mir gefallen“ und „hat mir überhaupt nicht gefallen“ gekennzeichnet und die SchülerInnen konnten sich für eine Ecke – sprich für ihre Meinung – entscheiden. Die Pro-jektleiterin sammelte auch hier wieder Statements für ihre Untersuchung ein:

• Ecke „hat mir sehr gut gefallen“

Für diese Ecke entschieden sich 15 Schüler und 10 Schülerinnen. Die offenen Fragen erga-ben, dass es den Kindern gefiel ohne Zeitdruck zu arbeiten, die Arbeitsanweisungen gut waren, sich die Lehrerin im Hintergrund hielt, dass sie fachlich diskutieren konnten, dass sie nicht immer zu Hause lernen mussten und dass das Protokollschreiben besser als im Vor-jahr verlief.

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• Ecke „hat mir gut gefallen“

11 Schüler und 5 Schülerinnen entschieden sich hierfür. Auch hier waren die Gründe das Arbeiten mit dem Partner, weil sich die Lehrerin im Hintergrund aufhielt und die Arbeits-anweisungen gut waren. Schüler D mochte das Protokollschreiben allerdings nicht.

• Ecke „hat mir gefallen“

Für diese Ecke entschieden sich 4 Schüler und 3 Schülerinnen. Schüler F würde gerne mehr Hilfe seitens der Lehrerin erhalten und weniger von den MitschülerInnen, Schüler G meinte sogar, er fühlte sich von den anderen gestört. Schülerin H gefiel es, dass sie die Arbeiten der anderen übernehmen konnte und Schülerin G könnte sich für das nächste Jahr wieder eine Physikfreiarbeit vorstellen.

• Ecke „hat mir überhaupt nicht gefallen“

1 Schüler und 1 Schülerin entschieden sich für diese Ecke, weil ihnen das selbstständige Arbeiten nicht so gefallen hat, und weil zu viele Schüler und Schülerinnen im Gruppenraum anwesend waren (Motschilnig, 2012, S. 14-15). In der Reflexion schreibt die Projektleiterin, dass sie sich die Freiarbeit in Physik einfacher vorgestellt habe und dass die Suche nach geeigneten Materialien oft schwierig war. Außer-dem musste sie die Kinder – entgegen des Freiarbeitsprinzips der Schule – in der Physik-freiarbeit fix zuteilen, da nicht genügend Experimentiermaterialien für 50 Kinder zur Verfü-gung standen. Dank ihrer hilfsbereiten KollegInnen konnte sie immer den Gruppenraum nutzen. „Mit dem „Physik in der Freiarbeit“ wollte ich das Ziel erreichen, dass die Schüler und Schülerinnen der 3a und 3b Klasse, die ja im Vorjahr mit dem Projekt „Stationenarbei-ten im Physikunterricht“ die Methodenkompetenzen wie verschiedene Medien zur Beschaf-fung von Informationen, eigene Meinung gegenüber Sachverhalten zu entwickeln, sich aus-zudrücken, diskutieren und experimentelle Kompetenzen wie beobachten, experimentieren und präsentieren, erreicht haben, verbessert werden“(Motschilnig, 2012, S. 16). Die Metho-denkompetenzen wurden mit Sicherheit verbessert, da das Ausformulieren der Protokolle im Vergleich zum Vorjahr viel besser gelungen ist. Außerdem waren die Diskussionen quali-tativ und die Argumentationen sehr gut. Eine Verbesserung der experimentellen Kompeten-zen wurde ebenfalls beobachtet und bei der Präsentation am Ende in einer Physikstunde abgeprüft. Mädchen und Buben verbesserten sich gleichermaßen. Auch bei den sozialen Kompetenzen konnte dies festgestellt werden. „Das Hauptziel meines Projektes war es, dass

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die Schüler und Schülerinnen die experimentelle Kompetenz „Messen“ erlangen. Ich kann dazu sagen, dass ich durch Beobachtung bei den Versuchen und Kontrollen der Protokolle festgestellt habe, dass der Großteil der Schüler und Schülerinnen die experimentelle Kom-petenz „Messen“ erlangt haben“(Motschilnig, 2012, S. 17). AnalyseAnalyseAnalyseAnalyse Der SchwerpunktSchwerpunktSchwerpunktSchwerpunkt des Projekts hatte sich während der Durchführung nicht sehr verändert. Aus dem Antrag geht klar hervor, dass die Leiterin methodische und experimentelle Kompe-tenzen gleichermaßen verstärken wollte. Allerdings werden in diesem Zusammenhang die Wörter „Messen“ und „Messkompetenz“ nicht erwähnt. Das ist ein Zeichen dafür, dass die-ses besondere Augenmerk erst später hinzugekommen ist. Im Endbericht werden die Ziele in Form von Fragen dargestellt, woraus hervorgeht, wie die Messkompetenz als Teil der Messkompetenz als Teil der Messkompetenz als Teil der Messkompetenz als Teil der experimentexperimentexperimentexperimentellen Kompetenzellen Kompetenzellen Kompetenzellen Kompetenz aufgefasst wurde. Zusätzlich sollten durch das Projekt auch noch soziale Kompetenzen verstärkt werden. Die Entwicklung dieser Kompetenzen wurde im Verlauf der Freiarbeit beobachtet und anhand der Protokollführung bewiesen. Was die MesskompeMesskompeMesskompeMesskompetenztenztenztenz betrifft, so sollten die SchülerInnen sich diese mit Hilfe von Fragen aneimit Hilfe von Fragen aneimit Hilfe von Fragen aneimit Hilfe von Fragen aneig-g-g-g-nennennennen. Betrachtet man die Erkenntnisse, die die Jugendlichen bei den galvanischen Elementen gewannen, stelle ich fest, dass die Messkompetenz gezielt geschult wurde. Zwar liegen im Bericht keine expliziten Messergebnisse vor, ich gehe aber davon aus, dass die Arbeitsan-weisungen, wie sie in den Abbildungen dargestellt sind, eingehalten wurden. Den Aussagen der Kinder in der Evaluierung entnehme ich, dass die Arbeitsaufträge selbstständig gelöst wurden. Leider sind im Anhang des Endberichts keine weiteren Materialien, die in der Frei-arbeit durchgenommen wurden, vorhanden. Dadurch sehe ich die Aussage, dass die Ler-nenden die Messkompetenz erlangt haben, sehr skeptisch. Ich denke nicht, dass man an-hand von vier Beispielen, die noch dazu in dasselbe Thema fallen, eine Kompetenz erlangen kann, dennoch tragen die angeführten Beispiele sicher zu einer Verbesserung der Mess-kompetenz bei. Bezogen auf die Forschungsfrage kann ich eine sehr gute Förderung der Messkompetenz feststellen. Die Freiarbeitsstunde dieser Schule bietet jeder Lehrkraft viele neue Möglichkeiten das Kompetenzmodell NAWI 8 umzusetzen und gezielt einzelne Kom-petenzen zu fördern.

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3.2. MPh4 – Mathematik und Physik koordiniert kompetenzorientiert unterrich-ten

AusgangslageAusgangslageAusgangslageAusgangslage Projektleitung:::: Norbert Steinkellner, Christa Preis, Waltraud Knechtl, Gerhard Rath Ausführende Schule:::: BRG Kepler, Graz Projektdauer:::: Schuljahr 2011/2012 Jahrgang:::: 8. Schulstufe; 4a Klasse mit 27 SchülerInnen (9 w/18 m) und 4c Klasse mit 24 SchülerInnen (0 w/24 m) Ausführendes Unterrichtsfach:::: Mathematik, Physik (Steinkellner, 2012, S. 1-4). Zusammenfassung des ProjektantragesZusammenfassung des ProjektantragesZusammenfassung des ProjektantragesZusammenfassung des Projektantrages Als Vorgängerprojekte werden „MPh2“, „MPh3“. „MPh5“, „MPh6“, „MPh7“ und „MPh8“ ge-nannt, die ab dem Jahr 2004 in jedem Schuljahr außer 2008/2009 liefen. Diese Projekte lieferten eine immer stärker werdende Basis in Richtung fächerübergreifender Kompeten-zen. Zentrale Motivation dieses Projektes war es, den Projektzyklus zu vervollständigen, um somit ein beispielgebendes Konzept für einen fächerübergreifenden Unterricht in Mathema-tik und Physik zu liefern. Ziel auf der SchülerInnenebene war es, der „Schubladisierung“ entgegenzuwirken und ein Bewusstsein für die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der genannten Unterrichtsfächer zu schaffen. Weiters sollte der Sinn und die Anwendung ma-thematischer Methoden anhand von Messdaten und anhand des mathematischen Forma-lismus in den naturwissenschaftlichen Fächern gezeigt werden. Der Aufbau eines konkreten Konzeptes, das einheitliche Auftreten beider Fächer in der Terminologie und in der Anwen-dung mathematischer Werkzeuge, das gegenseitige Kennenlernen der Lehrpläne und die punktuelle Aufhebung der Fächertrennung waren die Ziele auf der LehrerInnenebene. In-haltlich sollten beispielsweise folgende Themen verknüpft werden, um so zu einer Kompe-tenzsteigerung zu kommen: Radioaktivität Statistik Lehrsatz des Pythagoras Geometrische Optik Kreis und Zylinder Elektrizitätslehre (Draht und Spule) Lineare Gleichungen Magnetische Grundsätze Der Zeitplan sah folgendermaßen aus: Sommer 2011 Analyse der Lehrpläne und -mittel.

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September 2011 Koordinierte Jahresplanung Oktober 2011 Erhebung bereits vorhandener Kompetenzen Oktober 2011 bis Mai 2012

Festlegung der koordinierten Bereiche; Aufbau des Projektberichts und Aufbau der Materialien; Zusammenarbeit nach den erstellten Plänen

Juni 2012 Leistungsbeurteilung und integrierte Evaluierung mit Schlussevaluierung und Refle-xion

Die Evaluierungen sollten auch mehrstufig durchgeführt werden: Einerseits durch die Leis-tungsbeurteilung, andererseits aber auch durch Fragebögen und einer gezielten Kompe-tenztestung am Ende der 8. Schulstufe. Die Aufgaben und Materialien sollten gendergerecht erstellt werden. Dadurch, dass eine reine Knabenklasse vorhanden war, konnten ge-schlechtsdifferenzierte Beobachtungen durchgeführt werden (Rath, 2012b, S. 1-4). Zusammenfassung des EndberichtsZusammenfassung des EndberichtsZusammenfassung des EndberichtsZusammenfassung des Endberichts Die Zielebenen der SchülerInnen und LehrerInnen bleiben im Endbericht gleich wie im An-trag (Steinkellner, 2012a, S. 4-5). Im Hinblick auf die Messkompetenz wurden im Zuge der IMST-Herbsttagung noch feinere Ziele definiert:

• „Entwicklung der Kompetenz, zu einer Fragestellung ein quantitatives Experiment planen und durchführen können • Entwicklung der Kompetenz, Messungen aus einem Experiment und mathematische Zusammenhänge miteinander in Beziehung zu setzen • Entwicklung der Kompetenz, einen mathematischen Zusammenhang als messbares Experiment aufzubauen“ (Steinkellner, 2012a, S. 6)

Die Vorüberlegungen zum Projekteinstieg führten zu folgenden Koordinationsbereichen: Lehrsatz des Pythagoras Geschwindigkeits- und Kräfteaddition;

historische astronomische Instrumente Bruchterme Optik, Elektrizität Statistische Methoden Radioaktivität Kreise Bewegungen (Planeten)

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Im Laufe der Vorgängerprojekte hat es sich für die ProjektleiterInnen als praktisch erwie-sen, die schriftlichen Arbeiten der Lernenden als Basis der Evaluaierung heranzuziehen. Dazu wurden Kriterien auf Basis des Feinziels zur Messkompetenz formuliert:

• „Einen Messaufbau planen können, • Für das Messexperiment nötige Materialien wählen können, • Erkennen, wann man welches Messgerät benötigt, • Messgeräte verwenden und richtig ablesen können, • Messungen korrekt und übersichtlich protokollieren können, • Messungen richtig interpretieren können, • Messfehler bzw. fehlerhaften Messaufbau erkennen können, • Grenzen der Messung erkennen, • Einen Messaufbau skizzieren können.“ (Steinkellner, 2012a, S. 7-8)

Die erste konkrete Umsetzung fand aufgrund der Beteiligung der Schule an der „Langen Nacht der Museen“ statt. Zweckmäßig für die Kooperation wurde der Lehrsatz des Pythago-ras als Unterrichtsthema in Mathematik vorgezogen. In Physik recherchierte und baute man historische astronomische Instrumente nach (die erstellten Gebrauchsanleitungen sind im Anhang). Es wurde ein eigener Raum für die Aktion gestaltet, in dem die angeführten Geräte selbst gebaut werden konnten. Insgesamt wurden ca. 200 Modelle gebaut. Leider gelang die Kooperation mit Mathematik nicht so, wie es sich die Projektteilnehmenden gewünscht hatten, da der pythagoreische Lehrsatz alleine nicht reicht. Es werden nämlich ausnahmslos Winkelfunktionen benötigt. Es wurde angedacht, diese in vereinfachter Weise noch im Ma-thematikunterricht einzubauen. Diese Idee wurde dann aber wieder verworfen. Die ange-strebte Kooperation wurde in diesem Fall also nicht erbracht (Steinkellner, 2012a, S. 9-10). Allerdings lieferte der freie Fall den Leitenden doch noch Stoff, um den Lehrsatz des Pytha-goras im Physikunterricht einzubauen. Hierfür wurde ein Stoffgebiet aus der Oberstufe (die Addition von rechtwinkelig aufeinander stehenden Vektoren) vorgezogen, welches die Kin-der gut verstanden (Steinkellner, 2012a, S. 11). Nach diesen Erfahrungen wurde das Konzept im Zuge der IMST-Herbsttagung weiterentwi-ckelt und eine klar strukturierte Sequenz, in der man von vornherein die angestrebten Kompetenzen mit Hilfe des erweiterten Spinnenmodells (vgl. Abbildung 2.5) klar definierte, herausgearbeitet. Konkret sollte es eine Verbindung von Sammellinsen und Bruchgleichun-gen geben. Diese Sequenz wurde zuerst in der 4a und später (mit Einbeziehung der gewon-nenen Erkenntnisse) in der 4c durchgeführt. Die physikalischen Inhalte wurden schrittwei-se und aufeinander aufbauend erarbeitet. So bildete „Beobachtungen am Wasserglas“ das erste Experiment dieser Sequenz. Die Kinder sollten Beobachtungen notieren und eigene Fragen für eine weiterführende Untersuchung stellen (vgl. Anhang a). Es wurde eine Viel-

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zahl an Beobachtungen angestellt. Der Beobachtungsbogen von Reichel/Schittelkopf (vgl. Abbildung Anhang 1) regte durch die vielen vorgegebenen Leerfelder dazu an. Ausgehend von den selbst aufgestellten Forschungsfragen, wurden die eigenen Experimente in Form von Gruppenarbeiten durchgeführt. Im Wesentlichen konnten die Projektleitenden die beo-bachtete Phänomene auf „Linsen-Effekte: Spiegelung“, „Vergrößern, Verkleinern, Umdre-hen“ und „Brechung: Versetzung“ reduzieren. Als nächstes wurden Sammellinsen unter-sucht. Zuvor gab es ein Demonstrationsexperiment, welches als Einführung des reellen Bil-des gedacht war. Die Untersuchung der Sammellinsen erfolgte wieder in Gruppen (vgl. An-hang b) und ergab, dass Sammellinsen immer umgekehrte Bilder erzeugen und abstands-abhängig eine Vergrößerung bzw. eine Verkleinerung des reellen Bildes auftritt. Ausgehend von diesen Ergebnissen kam es zu einer ersten mathematischen Modellierung: Die Größen-verhältnisse sollten in Form von Ungleichungen angeschrieben werden. Dadurch wurden die Beobachtungen in einen kompakten kurzen Ausdruck niedergeschrieben. Abermals kam es zu konkreten Fragen und Vermutungen seitens der Lernenden („Ist das eine Funktion? Ist g:b = G:B? Ist B g = G.b oder g b = G.B?“ (Steinkellner, 2012a, S. 16)), die in einem wei-terführenden Experiment (vgl. Anhang c) geklärt werden sollten. Dem Endbericht liegen die Ergebnisse zweier Gruppen bei: Die eine erkannte, dass geringe Abweichungen in der Länge reichen würden, damit die Gleichung bestätigt ist, die andere musste zwei Messungen durchführen, da die erste schlecht zur Theorie passte, und kommentierte die Ergebnisse nicht. Allerdings seien, so die Interpretation der Projektleitenden, die Messungen mit dem vorhandenen Material nicht sonderlich genau durchführbar. Die genannte Aufgabenstellung wurde dann auch mit Hilfe des Computers simuliert (Steinkellner, 2012a, S. 12-18). Als zentralen Teil der Sequenz werden die folgenden Stunden, basierend auf einem Bruch-gleichungsbeispiel (vgl. Abbildung 3.7), genannt.

Abbildung 3.7: Angabe aus Kraker/Preis S. 59. Aus: Steinkellner, 2012a, S. 18Abbildung 3.7: Angabe aus Kraker/Preis S. 59. Aus: Steinkellner, 2012a, S. 18Abbildung 3.7: Angabe aus Kraker/Preis S. 59. Aus: Steinkellner, 2012a, S. 18Abbildung 3.7: Angabe aus Kraker/Preis S. 59. Aus: Steinkellner, 2012a, S. 18

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Vor dem Bearbeiten wurden die Lernenden gebeten, Fragen aufzuschreiben. Dabei wurde der Begriff der Brennweite genannt und auch schon Fragen zu den Lösungen gestellt. Das Beispiel brachte sehr viel Neues in den Unterricht und stellte die Kinder vor eine mathema-tische Herausforderung. Als nachteilig wurde gesehen, dass die Begriffe „Brennpunkt“ und „Brennweite“ nicht gekannt wurden, obwohl diese bereits klar sein hätten sollen. Außerdem wurden die Fragen als Ausgangslage für weitere Untersuchungen verwendet, denn das Bei-spiel wurde in ein Messexperiment für den Physikunterricht umgewandelt. Dabei sollten die Werte im praktischen Versuch ermittelt werden. Die Interpretation dieser Experimente ergab Folgendes: PlanungPlanungPlanungPlanung: In allen Gruppen wurden die Experimente zielgerecht geplant und die richtigen Materialien ausgewählt. DurchführungDurchführungDurchführungDurchführung: Die Angaben des Mathematikbuchs wurden 1:1 übernommen, obwohl im Experiment eine andere Linse verwendet wurde. Dies wird von den Leitenden als mangeln-des Bewusstsein über die Bedeutung der Brennweite gesehen. DokumentationDokumentationDokumentationDokumentation: Zwei Gruppen beschrieben sehr genau, skizzierten und beschrifteten wie gefordert, zwei andere listeten nur Messwerte auf und haben fast keine Tätigkeiten proto-kolliert und die restlichen Gruppen agierten dazwischen. Aufbereitung der Daten, Vergleich mit der RechnungAufbereitung der Daten, Vergleich mit der RechnungAufbereitung der Daten, Vergleich mit der RechnungAufbereitung der Daten, Vergleich mit der Rechnung: Interessanterweise trat dieser Aspekt bei den zwei Gruppen mit der schlechtesten Dokumentation am besten hervor. Es scheint, als ob eine genau Dokumentation und eine mathematische Auswertung sich nicht gegensei-tig ausschließen. In einer weiteren Physikstunde wurden konzeptionelle Fehler und Wissenslücken aufgear-beitet. Abschließend wurde das Eingangsexperiment mit dem Wasserglas wiederholt. Die-ses Mal sollte die aufgearbeitete Theorie mit einfließen (vgl. Anhang d). Die Ergebnisse zeig-ten eine intensive Auseinandersetzung mit der Aufgabe. Es wurde von allen Gruppen ver-sucht eigenständige Konzepte und mathematische Formeln mit einfließen zu lassen (Stein-kellner, 2012a, S. 18-22).

Das Arbeiten mit der 4a zeigte den Leitenden, dass Schwierigkeiten gerade im Um-gang mit Begriffen wie „Brennweite“, „Fokus“ usw. auftauchten. Darum wurde der Unter-richt in der 4c anders gestaltet und der Einstieg spielerisch gemacht, indem die Lernenden selbst die Brennweiten von Linsen herausfinden sollten, um so die Materialien für einen folgenden Teleskopbau kennenzulernen. Dazu wurden vier Aufgabenstellungen zum freien Experimentieren gestellt (vgl. Anhang e). Die Lernenden waren mit Begeisterung beim Ex-perimentieren. Allerdings überwog der qualitative Charakter und es wurden in dieser Stun-de kaum quantitative Messungen durchgeführt, weswegen man eine zweite Stunde heran-

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zog. Der Schritt zum quantitativen Experiment wurde durch das Arbeitsblatt „Von der Lupe zum Teleskop“ (vgl. Abbildung Anhang 2) durchgeführt. Im nächsten Schritt sollte diese Klasse auch das Beispiel in Abbildung 3.7 in Mathematik rechnerisch und in Physik experi-mentell lösen. Dem E-Mailverkehr der Leitenden ist hier zu entnehmen, dass das Beispiel gleich an die vorhandenen Linsen im Physikfundus angeglichen wurde. Somit wollte man den Problemen, die die Vorgängerklasse hatte, entgegenwirken. Allerdings hatte die 4c gro-be Schwierigkeiten beim Umformen der Linsengleichung, was zu einem zeitlichen Verzug führte (Steinkellner, 2012a, S. 22-25). Die Interpretation der Ergebnisse der 4c lautet wie folgt: Planung:Planung:Planung:Planung: Alle Gruppen waren in der Lage, die benötigten Materialien für die Experimente auszusuchen, korrekt aufzubauen und durchzuführen. Die Wahl der Gegenstandsweiten war aber willkürlich, außer bei einer Gruppe, bei der man eine Systematik erkannte. Durchführung: Durchführung: Durchführung: Durchführung: Die Gruppen machten drei bis sechs Messungen. Allerdings fand zielgerichte-tes Arbeiten erst nach mehrmaliger Aufforderung statt. Darum verlief das Experimentieren noch sehr unstrukturiert. So wurden Messwerte nicht hinterfragt oder verglichen (eine Gruppe arbeitete versehentlich zweimal mit derselben Gegenstandsweite und erhielt unter-schiedliche Messergebnisse, was nicht auffiel). Dokumentation: Dokumentation: Dokumentation: Dokumentation: Die Qualität der Protokolle war mangelhaft, teilweise mussten die Protokol-le in Form einer Hausübung gefordert werden. Nur zwei der fünf Gruppen gestalteten eine übersichtliche Tabelle mit den Messwerten, Skizzen fehlten teilweise komplett oder waren nur unbeschriftete Handskizzen. Die Rechnungen hingegen wurden gut dokumentiert. Aufbereitung der Daten, Vergleich mit der Rechnung: Aufbereitung der Daten, Vergleich mit der Rechnung: Aufbereitung der Daten, Vergleich mit der Rechnung: Aufbereitung der Daten, Vergleich mit der Rechnung: Hier ergab sich ein Unterschied, ob zuerst der praktische Teil und danach der rechnerische oder umgekehrt durchgeführt wur-de: Hatten die Lernenden zuvor gerechnet, stellten sie im praktischen Teil die Linsen so ein, dass sie mit den Rechenergebnissen übereinstimmten und bewerteten das experimentelle Ergebnis mit „passt“ bzw. „ergibt das Gleiche“. Wurde hingegen zuerst experimentiert und danach gerechnet, geschah wohl aus Zeitgründen nur ein mäßiger Vergleich der Werte. Eine Gruppe wertete so zum Beispiel alle Ergebnisse mit „gerechnet: falsch“ (Steinkellner, 2012a, S. 26-27).

Reflektierend heben die Projektleitenden die gute Koordination zwischen den Fä-chern und die tolle Kommunikation untereinander hervor. Es wurde Wert auf eine einheitli-che Fachsprache in beiden Unterrichtsfächern gelegt und die Lehrbücher in verschiedenster Hinsicht durchbesprochen. Punktuell wurden sogar die Fächertrennungen aufgehoben und gemeinsame Einheiten abgehalten. Leider geschah eine tatsächliche Vernetzung nur bei den Bruchgleichungen und den Linsengleichungen. Auf der Ebene der Lernenden ließ sich nicht

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feststellen, inwieweit das Projekt dazu beitrug, dass Ähnlichkeiten, Unterschiede und Zu-sammenhänge beider Unterrichtsfächer erkannt wurden. Allerdings kann von einer Über-windung der „Schubladisierung“ gesprochen werden, da die SchülerInnen in einem Unter-richtsfach häufig auf das andere verwiesen. Die Lernenden erhielten praktische Erfahrung mit dem Experimentieren, wenn auch das Festhalten in Form der Protokolle nicht zufrie-denstellend ausfiel. „Durch vielerlei Messungen im Unterricht […] und den damit aufgetre-tenen Fragen („von wo weg muss ich messen?“) kann von einer Förderung der Messkompe-tenz sicher gesprochen werden.“ (Steinkellner, 2012a, S. 29). Allerdings schafften es die Jugendlichen zu einer Fragestellung ein quantitatives Experiment zu planen. Leider wurde die Kompetenz, Messergebnisse und mathematische Beziehungen im Zusammenhang zu erkennen, weitgehend nicht erreicht. Zusammenfassend wurden viele der angestrebten Ziele erreicht, die Arbeitsweise von Jungen und Mädchen unterschied sich nicht grundsätz-lich voneinander (Steinkellner, 2012a, S. 28-30).

AnalyseAnalyseAnalyseAnalyse Bei diesem Projekt merkt man, dass es bereits sechs Vorgängerprojekte gab. Die Koordina-tion und Kooperation der Leitenden ist sehr gut gelaufen, was die E-Mail-Auszüge aus dem Endbericht belegen. Aufgrund dessen hat sich der Schwerpunkt Schwerpunkt Schwerpunkt Schwerpunkt des Projekts im Verlauf nicht geändertnicht geändertnicht geändertnicht geändert. Die angestrebte „Entschubladisierung“ wurde erfolgreich umgesetzt und auch die Vernetzung von Mathematik und Physik ist durch die Aussagen der SchülerInnen erkennbar. Der besondere Schwerpunkt der Messkompetenz ist auch erst dem Abschluss-bericht zu entnehmen. Man erkennt aber, dass sich die Leitenden sehr viele Gedanken zu dieser Kompetenz gemacht haben, da Kriterien Kriterien Kriterien Kriterien einer Messkompetenzeiner Messkompetenzeiner Messkompetenzeiner Messkompetenz verwendet wurden (vgl. Seite 74).

Den Leistungen der SchülerInnen kann man entnehmen, dass nicht jeder Punkt voll-ends erreicht wurde. Für eine klare Gegenüberstellung und Interpretation der Mess- und Rechenergebnisse wurde wenig Zeit in Anspruch genommen. Außerdem waren die Ergeb-nisse davon abhängig, ob zuerst gemessen und dann gerechnet wurde oder umgekehrt. Das Protokollieren fiel sehr schwer. Da die Aufgabenstellungen in Gruppen gelöst wurden, gehe ich davon aus, dass die jeweilige Lehrkraft nur wenige Instruktionen gab. Dies wirkte sich auf die Qualität der Protokolle aus. Immerhin wurde ein Beobachtungsbogen für die einzel-nen Experimente ausgeteilt, mit dessen Hilfe die Lernenden gute Ergebnisse erzielten. Man hätte auch einen Leitfaden zum Protokollieren zur Verfügung stellen können, dann hätte man diese Problematik vermutlich in den Griff bekommen, da die Jugendlichen dieses Jahr-ganges offenbar gut mit solchen Hilfsmitteln umgehen können. VerbesserungspotentialVerbesserungspotentialVerbesserungspotentialVerbesserungspotential ist

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also eher auf organisatorischer Ebene möglich, was das Zeitmanagement und die Instrukti-onen betrifft. Ansonsten wurden die Experimente ausgehend von einem Alltagsbeispiel entwickelt und im letzten Schritt wieder darauf zurückgegriffen. Hier spiegelt sich ebenfalls die langjährige Erfahrung wider. Ein weiterer Vorteil, nämlich dass das Projekt in beiden Klassen zeitversetzt ablief, wurde bestens genutzt. So wurde das Konzept in der 4c an die Erfahrungen, die in der 4a gemacht wurden, angeglichen. 3.3. Zusammenfassung Leider wurde die kategorische Unterteilung der IMST-Projekte in MesskompetenzMesskompetenzMesskompetenzMesskompetenz, SpracSpracSpracSprach-h-h-h-kompetenzkompetenzkompetenzkompetenz, BewertungskompetenzBewertungskompetenzBewertungskompetenzBewertungskompetenz und BeobachtungskompetenzBeobachtungskompetenzBeobachtungskompetenzBeobachtungskompetenz erst nach der Bewilligung der Projekte vollzogen, was sich wesentlich auf die Inhalte ausgewirkt hat. So beinhalten nur die zwei von mir analysierten Projekte (von insgesamt fünf) explizit die Messkompe-tenz. Hier empfiehlt es sich, nur jene Projekte zu bewilligen, die von vornherein einer Kate-gorie zuzuordnen sind.

Beide Projekte verstehen die Messkompetenz als Teil der experimentellen Kompetenz. Aus diesem Grund sind auch die Arbeitsanweisungen als Experimente zu einem Teilgebiet der Physik angelegt. „MPh4“ schlüsselt die Messkompetenz sogar noch weiter auf, sodass auch die Fehlerbetrachtung und das Dokumentieren darin enthalten sind. So vielfältig die Messkompetenz ist, so vielfältig sind auch die Möglichkeiten, wie sie gefördert und angeeig-net werden kann. Beide Projekte setzen eine hohe Selbstständigkeit bei den Lernenden vo-raus (besonders die Freiarbeit), wobei man merkt, dass ohne Instruktionen auch qualitativ Schlechtes erzeugt werden kann. Es wird deutlich, dass die Erfahrungen mit dem kompe-tenzorientierten Unterricht noch nicht sehr groß sind, da gerade in „Physikunterricht in der Freiarbeit“ oft davon gesprochen wird, dass die Messkompetenz nun erlangt sei. Die Analy-sen zeigen mir jedoch, dass die Messkompetenz nur schrittweise aufbauend und mit vielen variierenden Experimenten gefördert werden kann, bis der angestrebte Grad der Selbst-ständigkeit, wie ich ihn auch in meinem Modell aufzeige (vgl. Kapitel 2.3.3), erreicht wird.

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4.4.4.4. BeispielsammlungBeispielsammlungBeispielsammlungBeispielsammlung ---- MessenMessenMessenMessen Dieses Kapitel enthält eine Aufgabensammlung mit neun Beispielen von unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad. Sie reichen von Ableseübungen bis hin zu komplett offenen Fragestel-lungen. Inhaltlich fokussieren sie den Bereich des Messens, wie ich ihn im Kapitel 2 näher ausgeführt habe. Dabei habe ich besonderen Wert auf das von mir dargestellte Modell zur Messkompetenz (vgl. Kapitel 2.3.3) gelegt: Es unterscheidet die Kompetenzaspekte „Mess-vorgang“, „Arbeiten mit Diagrammen“, „Arbeiten mit Tabellen“ und „Fehlerbetrachtung“, aus denen sich die Messkompetenz zusammensetzt. Alle Beispiele besitzen ein Angaben-blatt für die Lernenden und einen Lösungsvorschlag für die LehrerInnen. Außerdem findet man einen didaktischen Kommentar zu jeder Aufgabe, der die jeweilige Zuordnung in NAWI 8, das Anforderungsniveau bestimmter Kompetenzaspekte der Messkompetenz nach dem „Thermometer-Modell“, Hinweise bei der Durchführung und die Quelle beinhaltet.

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„Able„Able„Able„Ableseübungen und Arbeiten mit Grafseübungen und Arbeiten mit Grafseübungen und Arbeiten mit Grafseübungen und Arbeiten mit Grafen“en“en“en“ Didaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer Kommentar

• Zielgruppe: 7. Schulstufe7. Schulstufe7. Schulstufe7. Schulstufe • Quelle: BIFIE-Aufgabenpool Naturwissenschaften [abgeändert]. • Zuordnung zum Kompetenzmodell:

˗ Inhaltsdimension: P3 P3 P3 P3 –––– WärmelehreWärmelehreWärmelehreWärmelehre:::: Grundlegende Begriffe und Zusammen-hänge ˗ Anforderungsniveau: Grafik - waagrecht, ˗ Handlungsdimension: Erkenntnisse gewinnen/Wissen organisieren: Grafik - senkrecht

Frage 1, 2:

Frage 3: Frage 4

IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444

IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII WWWW 1111 W W W W 2222 WWWW 3333 W W W W 4444 Kompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: Messvorgang Kompetenzaspekte: Diagramme und TabellenKompetenzaspekte: Diagramme und TabellenKompetenzaspekte: Diagramme und TabellenKompetenzaspekte: Diagramme und Tabellen

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BeispielBeispielBeispielBeispiel: Temperaturmessung: Temperaturmessung: Temperaturmessung: Temperaturmessung Vielleicht findest du bei dir zu Hause eine digitale Wetterstation. Diese kann dir die Uhrzeit, das Datum und die aktuelle Innen- und Außentemperatur mitteilen.

Frage 1Frage 1Frage 1Frage 1: Kannst du die Innentemperatur ablesen? Kreuze die richtige Aussage an!

o -2,0°C o 22,1°C o 41°C o 26°C

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.14.14.14.1: Wetterstation. Aus: BIFIE: Wetterstation. Aus: BIFIE: Wetterstation. Aus: BIFIE: Wetterstation. Aus: BIFIE----AufgabenpoolAufgabenpoolAufgabenpoolAufgabenpool, S. 1, S. 1, S. 1, S. 1

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Frage 2Frage 2Frage 2Frage 2: Häufig findet man auch noch ältere Thermometer. Lies auch damit die Temperatur ab!

o -10°C o 22°C o 10°C o 2,2°C

Frage 3Frage 3Frage 3Frage 3: Gudrun hat mit ihrer Wetterstation regelmäßig die Temperatur ermittelt und diese in einer Tabelle aufgestellt. Welches Diagramm spiegelt die Tabelle wieder?

Uhrzeit gemessene Temperatur

08:00 18,0°C 10:00 22,0°C 12:00 26,8°C 14:00 29,6°C 16:00 30,7°C 18:00 29,7°C 20:00 27,0°C 22:00 23,0°C

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.24.24.24.2: Thermom: Thermom: Thermom: Thermometer. Aus: BIFIE Aufgabenpooleter. Aus: BIFIE Aufgabenpooleter. Aus: BIFIE Aufgabenpooleter. Aus: BIFIE Aufgabenpool, S. 2, S. 2, S. 2, S. 2

84

Warum hast du dich für diese Antwort entschieden? Begründe in eigenen Worten!

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.3: Diagramme. Aus: BIFIE4.3: Diagramme. Aus: BIFIE4.3: Diagramme. Aus: BIFIE4.3: Diagramme. Aus: BIFIE----Aufgabenpool, S. 3Aufgabenpool, S. 3Aufgabenpool, S. 3Aufgabenpool, S. 3

85

Frage 4Frage 4Frage 4Frage 4: Folgendes Diagramm zeigt den Temperaturverlauf über mehrere Tage. An welchem Tag und zu welcher Uhrzeit wurde die höchste Temperatur gemessen?

o 03. Mai um ca. 14:00 o 02. Juni um ca. 18:00 o 02. Juni um ca. 02:00 o 03. Juni um ca. 14:00

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.4: Temperaturentwicklung. Aus: BIFIE4.4: Temperaturentwicklung. Aus: BIFIE4.4: Temperaturentwicklung. Aus: BIFIE4.4: Temperaturentwicklung. Aus: BIFIE----Aufgabenpool, S. 4Aufgabenpool, S. 4Aufgabenpool, S. 4Aufgabenpool, S. 4

86

Lösungserwartung Beispiel: Temperaturmessung Frage 1Frage 1Frage 1Frage 1: Kannst du die Innentemperatur ablesen? Kreuze die richtige Aussage an!

o -2,0°C o 22,1°C o 41°C o 26°C

Frage 2Frage 2Frage 2Frage 2: Häufig findet man auch noch ältere Thermometer. Lies auch damit die Temperatur ab!

o -10°C o 22°C o 10°C o 2,2°C

Frage 3Frage 3Frage 3Frage 3: Gudrun hat mit ihrer Wetterstation regelmäßig die Temperatur ermittelt und diese in einer Tabelle aufgestellt. Welches Diagramm spiegelt die Tabelle wieder?

o A o B o C o D

Warum hast du dich dafür entschieden? Begründe in eigenen Worten! Bei C und D steigt die Temperatur nur an, die Werte in der Tabelle fallen aber auch wieder ab. Also bleiben nur mehr A und B zur Auswahl. Vergleicht man hier einige Daten aus der Tabelle mit den Grafiken, findet man bei A keine Übereinstimmung. Übrig bleibt B. Frage 4Frage 4Frage 4Frage 4: Folgendes Diagramm zeigt den Temperaturverlauf über mehrere Tage. An welchem Tag und zu welcher Uhrzeit wurde die höchste Temperatur gemessen?

o 03. Mai um ca. 14:00 o 02. Juni um ca. 18:00 o 02. Juni um ca. 02:00 o 03. Juni um ca. 14:00

87

„Volumenmessung „Volumenmessung „Volumenmessung „Volumenmessung –––– Rechnen mit der Rechnen mit der Rechnen mit der Rechnen mit der DichteDichteDichteDichte““““

Didaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer Kommentar • Zielgruppe: 6666. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe • Quelle: Genseke, 2010, S. 19 • Zuordnung zum Kompetenzmodell:

˗ Inhaltsdimension: P1 P1 P1 P1 –––– MechanikMechanikMechanikMechanik:::: Grundlegende Begriffe und Zusammen-hänge ˗ Anforderungsniveau: Grafik - waagrecht, ˗ Handlungsdimension: Erkenntnisse gewinnen: Grafik - senkrecht

Frage 1, 2:

Frage 3: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444

IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444

Kompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: Messvorgang Kompetenzaspekt: Kompetenzaspekt: Kompetenzaspekt: Kompetenzaspekt: FehlerbetrachtungFehlerbetrachtungFehlerbetrachtungFehlerbetrachtung

88

BeispielBeispielBeispielBeispiel: Froschkönig: Froschkönig: Froschkönig: Froschkönig Du kennst bestimmt das Märchen vom Froschkönig. Darin spielt die Prinzessin im Garten mit einem goldenen Ball und während sie ihn spielerisch in die Luft wirft, passiert das Un-glück: Er fällt in den Brunnen, wo ihr der Froschkönig zu Hilfe kommt. Ihr sollt folgende Aufgabenstellung lösen: Kann man eine Kugel aus Gold Kann man eine Kugel aus Gold Kann man eine Kugel aus Gold Kann man eine Kugel aus Gold so einfach in die so einfach in die so einfach in die so einfach in die Luft werfenLuft werfenLuft werfenLuft werfen und wieder auffangen, wie es im Märchen beschrieben wird?und wieder auffangen, wie es im Märchen beschrieben wird?und wieder auffangen, wie es im Märchen beschrieben wird?und wieder auffangen, wie es im Märchen beschrieben wird? Gehe dazu wie folgt vor: Du benötigst:

• Drei verschieden große Bälle. Sie sollten nicht zu groß sein (z. B: Tennisball, Tischtennisball).

• Messbecher, in denen die Bälle Platz haben. • Die Dichte von Gold. Suche im Schulbuch oder verwende dein Smart-Phone

für die Suche. Frage 1Frage 1Frage 1Frage 1: Wie groß ist das Volumen deiner Bälle? Messanweisung: Fülle den Messbecher mit Wasser und lies dessen Volumen ab. Tauche nun einen Ball vollständig ein und lies nun das Volumen ab. Berechne das Volumen des Balls mit VBall = V1 - V2. Bestimme mit dieser Differenzenmethode alle Volumina und gib außerdem eine qualitative Fehlerschätzung an! Frage 2:Frage 2:Frage 2:Frage 2: Wie schwer sind deine „Goldbälle“? Messanweisung: Mit der ermittelten Dichte des Goldes kannst du nun die Masse von Gold-bällen berechnen, die die gleiche Größe wie deine Bälle aufweisen. Dazu muss man die For-mel der Dichte a = bc in d = a ∙ f umwandeln. Frage 3Frage 3Frage 3Frage 3: Kannst du mit den ermittelten Massen die Aufgabenstellung lösen? Wie lautet deine Interpretation?

89

Lösungserwartung Beispiel: Froschkönig Frage 1: Frage 1: Frage 1: Frage 1: Man füllt den Messbecher auf eine bestimmte Marke (z.B.: 600 ml) und taucht die Bälle vollständig ein. Über die Differenzenmethode wird das Volumen bestimmt: Ball 1 (Igelball): V1 = 115 cm³ Ball 2 (Schaumstoffball): V2 = 200cm³ Ball 3 (Tennisball): V3 = 120cm³ Man muss aufpassen, dass man beim Ablesen des Wasserstandes möglichst gerade auf die Skala blickt. Manche Bälle schwimmen und müssen deshalb mit der Hand eingetaucht wer-den. Es ergeben sich Messfehler, wenn die Finger teilweise ins Wasser getaucht werden, weil sie auch Wasser verdrängen. Manche Bälle saugen Wasser auf, dadurch werden sie etwas größer. Frage 2: Frage 2: Frage 2: Frage 2: ahijk = 19,3g/cm³. Daraus ergeben sich folgende Massen: m1 = 2219,5g @ 2,2kg m2 = 3860 g @ 3,9kg m3 = 2316g @ 2,32kg FrageFrageFrageFrage 3:3:3:3: Das In-die-Luft-Werfen ist bei den verwendeten Bällen kaum ein Problem. Allerdings muss man sich beim Fangen konzentrieren. Das spielerische Verhalten der Prinzessin kann also nicht bestätigt werden.

90

„Arbeiten mit Graf„Arbeiten mit Graf„Arbeiten mit Graf„Arbeiten mit Grafenenenen““““ Didaktischer Didaktischer Didaktischer Didaktischer KommentarKommentarKommentarKommentar

• Zielgruppe: 6666. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe • Quelle: Leisen, 2011, S. 78 • Zuordnung zum Kompetenzmodell:

˗ Inhaltsdimension: P2 P2 P2 P2 –––– MechanikMechanikMechanikMechanik:::: Ich kann einfache Bewegungen beschrei-ben ˗ Anforderungsniveau: Grafik - waagrecht, ˗ Handlungsdimension: Erkenntnisse gewinnen/Wissen organisieren: Grafik - senkrecht

Frage 1, 2: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 W 3W 3W 3W 3 Frage 3: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 W 3W 3W 3W 3

Kompetenzaspekt: DiagrammeKompetenzaspekt: DiagrammeKompetenzaspekt: DiagrammeKompetenzaspekt: Diagramme

91

BeispielBeispielBeispielBeispiel: : : : FahrradtourFahrradtourFahrradtourFahrradtour Silvia, Anna, Simon und Markus machen zusammen eine Radtour. Folgende Grafik be-schreibt den Geschwindigkeitsverlauf der vier im Zusammenhang mit der vergangenen Zeit:

Silvia startet zunächst nicht so schnell, möchte dann aber die anderen einholen und fährt schneller. Danach fährt sie mit konstanter Geschwindigkeit weiter. Markus will unbedingt der Schnellste sein und startet gleich voll durch. Allerdings ermüdet er und wird dadurch immer langsamer. Frage 1: Frage 1: Frage 1: Frage 1: Fülle die Lücke: Zu Silvia gehört Graf ………… und zu Markus die Nummer…………… Frage 2: Frage 2: Frage 2: Frage 2: Beschreibe die anderen beiden Grafen von Simon und Anna (du kannst dir aussu-chen, wem du welche Nummer gibst) so, wie oben bei Silvia und Markus. Frage 3: Frage 3: Frage 3: Frage 3: Beschreibe Graf Nr. 4 und verwende dabei die Begriffe: Beschleunigung, Wegstre-cke, Geschwindigkeit, konstant, Zeit.

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.54.54.54.5: Geschwindigkeitsverlauf. : Geschwindigkeitsverlauf. : Geschwindigkeitsverlauf. : Geschwindigkeitsverlauf. Aus: Aus: Aus: Aus: Leisen, 2011, S. 78Leisen, 2011, S. 78Leisen, 2011, S. 78Leisen, 2011, S. 78

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Lösungserwartung Beispiel: Fahrradtour Frage 1: Frage 1: Frage 1: Frage 1: Zu Silvia gehört Graf 1 und zu Markus die Nummer 3. Frage 2: Frage 2: Frage 2: Frage 2: Anna ist sehr sportlich und erreicht von der Gruppe die schnellste Geschwindigkeit. Sie kann sie aber nicht halten und lässt das Rad ausrollen. Als es ihr zu langsam wird, fährt sie wieder schneller. Simon ist der gemütlichste: Er beschleunigt so lange, bis er ein für sich passendes Tempo erreicht und hält es bis zum Schluss. Frage 3:Frage 3:Frage 3:Frage 3: RadfahrerIn Nr. 4 beschleunigt zu Beginn gleich stark, wie RadfahrerIn Nr. 3. Er/Sie kann die nötige Kraft für eine konstante BeschleunigungBeschleunigungBeschleunigungBeschleunigung nicht aufbringen und beschleunigt dadurch weniger stark, aber um eine längere ZeitZeitZeitZeit. Dadurch fährt er/sie insgesamt am schnellsten. Danach verringert sich die GeschwindigkeitGeschwindigkeitGeschwindigkeitGeschwindigkeit konstantkonstantkonstantkonstant über eine gewisse WeWeWeWeg-g-g-g-streckestreckestreckestrecke, ehe es danach zu einer konstanten Beschleunigung kommt.

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„Mittelwert und Standardabweichung„Mittelwert und Standardabweichung„Mittelwert und Standardabweichung„Mittelwert und Standardabweichung““““ Didaktischer Didaktischer Didaktischer Didaktischer KommentarKommentarKommentarKommentar

• Zielgruppe: 8888. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe • Quelle: Markus Lendl • Zuordnung zum Kompetenzmodell:

˗ Inhaltsdimension: P1 P1 P1 P1 –––– MechanikMechanikMechanikMechanik:::: Ich kann grundlegende Begriffe anwenden ˗ Anforderungsniveau: Grafik - waagrecht, ˗ Handlungsdimension: Erkenntnisse gewinnen/Wissen organisieren: Grafik - senkrecht

Frage 3, 4, 5: Rechenbeispiele => keine Handlungszuordnung im NAWI 8 Frage 1, 2: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 W 3W 3W 3W 3 Frage 6: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 Frage 7:

Die Beispiele dienen dazu, die Formeln für Mittelwert und Standardabweichung einzufüh-ren oder zu wiederholen.

IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 Kompetenzaspekt: TabellenKompetenzaspekt: TabellenKompetenzaspekt: TabellenKompetenzaspekt: Tabellen Kompetenzaspekt: FehlerbetrachtungKompetenzaspekt: FehlerbetrachtungKompetenzaspekt: FehlerbetrachtungKompetenzaspekt: Fehlerbetrachtung

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BeispielBeispielBeispielBeispiel: Auf der : Auf der : Auf der : Auf der einsameneinsameneinsameneinsamen InselInselInselInsel Robinson Crusoe kam beim Segeln in einen Sturm und strandete auf einer einsamen Insel. Teile seines Schiffes und der Fracht wurden ebenfalls auf die Insel gespült; unter anderem drei Fässer voll mit Erbsen. Während Robinson auf das rettende Schiff des Königs wartet, ist er gezwungen eine Hütte als Unterschlupf zu bauen. Damit die Behausung stabil genug ist, muss er sie genau ausmessen und auf das Gewicht hin überprüfen. Ihm kommt eine Idee: Da er keinen Meterstab und keine Waage mit hat, verwendet er seine Elle (Unterarm) zum Längenmessen und die Erbsen als Gewichtreferenz. Frage 1: Frage 1: Frage 1: Frage 1: Miss die Länge deiner Elle mit einem Rollmeter oder Meterstab und notiere sie. Miss dabei von der Spitze des Mittelfingers bis zum Ellenbogen. Das ist zwar etwas länger als deine Elle, aber der Mittelfinger eignet sich gut als Ausgangspunkt. Elle: ……………………..cm Vergleiche deinen Messwert mit dem deines Sitznachbarn! Was fällt auf? Warum ist das so? Frage 2:Frage 2:Frage 2:Frage 2: Sammle nun alle „Ellen“ der Klasse und notiere sie in die Tabellen:

Schüler-Nummer

Länge [cm]

Schüler-Nummer

Länge [cm]

95

Du hast nun n Messwerte gesammelt. Dabei ist n die Anzahl der Messungen, die ihr insge-samt gemacht habt. Um die Messwerte unterscheiden zu können, verwendet man folgende Symbolik: x7 bedeutet der siebte Messwert. Für einen beliebigen Messwert verwendet man den Buchstaben i, also xi. Addiere nun alle xi! Also x1 + x2 + ….. + xn. Damit man nicht immer diese Summe anschrei-ben muss, verwendet man das Symbol ∑ nopoqr . Das bedeutet, du musst z.B. bei ∑ nosoqr die ersten drei Messwerte addieren und bei ∑ nopoqr eben n Messwerte. Z.B.: x1 = 5, x2 = 4, x3 = 6. Dann ist ∑ nosoqr = x1 + x2 + x3 = 5 + 4 + 6 = 15. Frage 3:Frage 3:Frage 3:Frage 3:

o ∑ nosoqr =

o ∑ notoqr =

o Schreibe in die neue Symbolik und berechne: x3 + x4 + x5

Du hast sicher schon vom MittelwertMittelwertMittelwertMittelwert gehört? Den benutzt man, wenn man eine Messgröße angeben will, bei der mehrere Messwerte vorliegen. Z.B.: „Im Mittel besuchten heuer täglich 150 Personen das Schwimmbad.“ oder „Im Mittel sind die Besucher des Museums 45 Jahre alt.“ Berechnet wird der Mittelwert, indem man alle Messgrößen addiert und durch ihre Anzahl durchdividiert. Also:

n̅ = ∑ nopoqrv FrageFrageFrageFrage 4: 4: 4: 4:

o Berechne den Mittelwert der fünf Zahlen aus Frage 3. o Berechne den Mittelwert eurer Ellen.

Du hast vielleicht schon gesehen, dass nach einer Zahl ein ± steht. Das bedeutet, dass die Zahl nach oben oder nach unten abweichen kann. Beim Mittelwert ist die Angabe dieser Abweichung sehr wichtig, da die Abweichung beurteilt, wie gut sich der Mittelwert als „Richtwert“ eignet.

xi Zahl 1 58 2 69 3 70 4 81 5 55

96

Stell dir z. B. vor, du bekommst 10€ Taschengeld. Dein reicher Freund erhält 90€. Im Mittel erhält also jeder 50€. Das stimmt aber mit den tatsächlichen Werten nur wenig überein, weil der Mittelwert hier sehr ungünstig ist, da die Abweichungen zu groß sind. Diese StaStaStaStan-n-n-n-dardabweichung dardabweichung dardabweichung dardabweichung berechnet man, indem man von jedem xi den Mittelwert abzieht und diese Zahl quadriert. Die quadrierten Zahlen müssen wieder addiert und durch die Gesamtanzahl dividiert werden. Anschließend muss man nun die Wurzel ziehen. Also:

x = y∑ (no − n̅){poqr v Es sieht nun kompliziert aus. Ihr müsst aber nur aufpassen, dass ihr euch beim Eintippen in den Taschenrechner keinen Fehler macht. Ein Beispiel:

n̅ = ∑ nopoqrv = 4 + 2 + 3 + 1 + 55 = 3 (4 − 3){ + (2 − 3){ + (3 − 3){ + (1 − 3){ + (5 − 3){ = 1 + 1 + 0 + 4 + 4 = 10 r|t = 2 √2 = 1,41 Der Mittelwert ist 3 ± 1,41

Frage 5:Frage 5:Frage 5:Frage 5: o Berechne die Standardabweichung der fünf Zahlen aus Frage 3. o Berechne die Standardabweichung eurer Ellen.

Frage 6:Frage 6:Frage 6:Frage 6: Robinson Crusoe verwendete Erbsen als Gewichtreferenz. Überlege dir, wie man das Gewicht einer einzelnen Erbse ermitteln kann, wenn dir nur eine sehr grobe Waage zur Verfügung steht (du kannst eine Erbse damit nicht abwägen). Verwende dabei n̅ und s! FraFraFraFrage 7:ge 7:ge 7:ge 7: Wie viele Erbsen wiegt: a) 1 Liter Wasser? b) 1€-Münze? c) ein afrikanischer Ele-fant? Ist es sinnvoll Erbsen als Gewichtreferenz zu nehmen?

xi Zahl 1 4 2 2 3 3 4 1 5 5

97

Lösungserwartung Beispiel: Auf der einsamen Insel

Frage 1:Frage 1:Frage 1:Frage 1: ca. 30 cm. Alle sind unterschiedlich groß, weil die SchülerInnen unterschiedlich groß sind. Frage 2:Frage 2:Frage 2:Frage 2: - Frage 3:Frage 3:Frage 3:Frage 3:

o ∑ nosoqr = 197 o ∑ notoqr = 333 o Schreibe in die neue Symbolik und berechne: x3 + x4 + x5 = ∑ no = 206toqs

Frage 4:Frage 4:Frage 4:Frage 4: o 66,6 o ca. 32 cm

Frage 5:Frage 5:Frage 5:Frage 5: o 9,3

o -

Frage 6:Frage 6:Frage 6:Frage 6: Man wiegt eine fixe Anzahl an Erbsen, dadurch erhält man deren Gesamtgewicht. Wenn man dieses durch die Anzahl der verwendeten Erbsen dividiert, erhält man den Mittelwert des Erbsengewichts. Wenn man das ca. vier Mal durchführt, kann man sich aus diesen Werten die Standardabweichung berechnen: 10 Erbsen: 20 g => eine Erbse: 2 g 15 Erbsen: 31 g => eine Erbse: 2,06g 20 Erbsen: 41 g => eine Erbse: 2,05 g 25 Erbsen: 53 g => eine Erbse: 2,12 g n̅ = 2,06~ x = 0,042 Also: Gewicht einer Erbse 2,06 ± 0,04 g Frage 7:Frage 7:Frage 7:Frage 7: 1 Liter Wasser = 1kg = 1000g ~ 486 Erbsen 1€-Münze wiegt 7,5 g ~ 4 Erbsen Ein Elefant wiegt im Schnitt 5t = 1000.000g ~ 485437 Erbsen. Es ist nicht sinnvoll in Erbsen zu rechnen, da bei schweren Dingen eine viel zu große Anzahl verwendet werden müsste, außer man würde in „Kiloerbsen“ usw. rechnen. Außerdem besitzen alle Erbsen ein unterschiedliches Gewicht, was einen Vergleich erschwert.

98

„Kraftmessung„Kraftmessung„Kraftmessung„Kraftmessung““““ Didaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer Kommentar

• Zielgruppe: 6666. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe • Quelle: Genseke, 2010, S. 19 • Zuordnung zum Kompetenzmodell:

˗ Inhaltsdimension: P1 P1 P1 P1 –––– MechanikMechanikMechanikMechanik:::: Grundlegende Begriffe und Zusammen-hänge ˗ Anforderungsniveau: Grafik - waagrecht, ˗ Handlungsdimension: Erkenntnisse gewinnen: Grafik - senkrecht

Frage 1, 2: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444

Kompetenzanspekt: FehlerbetrachtungKompetenzanspekt: FehlerbetrachtungKompetenzanspekt: FehlerbetrachtungKompetenzanspekt: Fehlerbetrachtung Kompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: Messvorgang

99

Beispiel: RapunzelBeispiel: RapunzelBeispiel: RapunzelBeispiel: Rapunzel Im Märchen „Rapunzel“ wird die Prinzessin in einen 20 Ellen hohen Turm gesperrt. Der Turm hat keine Tür. Nur ganz oben befindet sich ein Fenster, durch das man hinein/hinaus könnte. Die Zauberin und der Prinz gelangen in den Turm, indem sie Rapunzel auffordern ihre Haare herabzulassen, damit sie daran zum Fenster hochklettern können. Frage 1: Frage 1: Frage 1: Frage 1: Finde mit Hilfe deines Internethandys heraus, wie schnell Haare wachsen und be-rechne, wie alt Rapunzel sein müsste, damit ihre Haare lang genug sind, damit man daran hochklettern kann. Eine Elle ist ca. 70 cm lang. Frage 2:Frage 2:Frage 2:Frage 2: Finde heraus, wie viel Gewicht ein menschliches Haar aushält. Verwende dazu eine Federwaage und filme den Messvorgang mit deinem Handy. Das erleichtert die Auswertung. Angenommen, Rapunzel war eine blonde Prinzessin, dann befinden sich im Durchschnitt 140000 Haare auf ihrem Kopf. Können ihre Haare das Gewicht des Prinzen aushalten? Wa-rum ist die Methode des „Haarehochkletterns“ trotzdem verwerflich?

100

Lösungserwartung Beispiel: Rapunzel Frage 1:Frage 1:Frage 1:Frage 1: Haare wachsen im Schnitt 0,35mm/Tag. Der Turm ist 20 Ellen, also 14000mm hoch. Daraus ergibt sich: r�|||bb|,stbb/�� = 40000 ��~� => �|||| ��s�| ��/�� ~111 ��ℎ��. Frage 2:Frage 2:Frage 2:Frage 2: Ein Haar kann eine Kraft bis zu 2 N aushalten ohne zu reißen. Wir wollen sicherheitshalber mit einem Wert von 1,5 N rechnen. Angenommen der Prinz wiegt 70 kg. Dann entspricht das einem Gewicht von 700 N. Rapun-zels Haare können 140000 ∙ 1,5 N = 210000 N halten. Der Prinz könnte also theoretisch daran hoch klettern, allerdings ist zu bezweifeln, ob das Genick und die Kopfhaut dieser Belastung standhalten.

101

„Freiarbeit „Freiarbeit „Freiarbeit „Freiarbeit –––– galvanische Elemente“galvanische Elemente“galvanische Elemente“galvanische Elemente“ Didaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer Kommentar

• Zielgruppe: 7777. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe • Quelle: IMST-Projekt: Physikunterricht in der Freiarbeit – Helmtraut Motschilnig S. 9- 13; Auch die verwendeten Abbildungen sind aus diesem Bericht entnommen • Zuordnung zum Kompetenzmodell:

˗ Inhaltsdimension: P2 P2 P2 P2 –––– Elektrizität und MagnetismusElektrizität und MagnetismusElektrizität und MagnetismusElektrizität und Magnetismus:::: Grundlegende Begriffe, Stromkreise und Erklärungen für elektrische Phänomene. ˗ Anforderungsniveau: Grafik waagrecht, ˗ Handlungsdimension: Erkenntnisse gewinnen/Schlüsse ziehen: Grafik senk-recht

Die folgenden Arbeitsblätter dienen als Arbeitsanweisungen für eine Freiarbeit im Physikun-terricht. Es ist empfehlenswert, die Materialen auf einem separaten Tisch bereit zu stellen. Die Lehrperson sollte wenn möglich nur wenig selbst in das Geschehen eingreifen. Die Ler-nenden müssen am Ende der Freiarbeit Protokolle abgeben. Voraussetzung ist, dass die Lernenden mit Multimetern, Experimentierkabeln und Froschklemmen umgehen können und den Begriff „Elektrolyt“ bereits kennen. Letzterer kann aber im Zuge der Freiarbeit auch selbst erarbeitet werden. Arbeitsblatt 1: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 Arbeitsblatt 2, 3: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 S 4S 4S 4S 4 Arbeitsblatt 4: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 S 4S 4S 4S 4 Kompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: Messvorgang

102

Beispiel: Arbeitsanweisungen zur Freiarbeit bei galvanischen Beispiel: Arbeitsanweisungen zur Freiarbeit bei galvanischen Beispiel: Arbeitsanweisungen zur Freiarbeit bei galvanischen Beispiel: Arbeitsanweisungen zur Freiarbeit bei galvanischen ElementenElementenElementenElementen

�------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Galvanisches Element IGalvanisches Element IGalvanisches Element IGalvanisches Element I Material: Material: Material: Material: zwei verschiedene Metalle, Apfel, Voltmeter, Leuchtdiode a) Formuliere 5 Fragen zu diesem Thema! b) Führe deine Versuche durch, die du benötigst um deine Fragen zu beantworten! c) Deine Fragen, Zeichnungen und Antworten müs-sen auf einem Protokollblatt stehen! �------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Galvanisches Element IIGalvanisches Element IIGalvanisches Element IIGalvanisches Element II Material: Material: Material: Material: Apfel, Kartoffel, Kupfer- und Zinkblech, Experimentierkabel, Messgerät a) Führe den Versuch nach unten stehenden Abbildungen durch!

b) Verwende für den oben dargestellten Ver-such eine Kartoffel. Was beobachtest du? c) Die Mundbatterie Verbinde gereinigtes Kupfer bzw. Zinkblech mit einem Messgerät und führe den Versuch durch! Was kannst du beobachten?

103

Elektrische SpannungElektrische SpannungElektrische SpannungElektrische Spannung Material: Material: Material: Material: Apfel oder Zitrone, Nagel , Kupferblech, Kopfhörer, Münzen, Kochsalzlösung, Messgerät a) Führe den Versuch gemäß der Skizze durch! Was beobachtest du beim Kopfhörer?

b) Führe den Versuch gemäß der Skizze durch! Aus welchen Teilen besteht deine Batterie? Miss die Spannung bei mehr oder weniger Metallstücken!

�------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Galvanisches Element IIIGalvanisches Element IIIGalvanisches Element IIIGalvanisches Element III Material: Material: Material: Material: 3 Gläser, 3 verzinkte Schrauben, 3 Kupferblechstücke oder Rohrstücke aus Kupfer, Kreppklebeband, 4 Kabel mit Klemmen, LED, saures Wasser a) Klebe pro Glas eine Schraube innen am Rand fest. Die Schraube sollte noch ca. 1 cm aus dem Glas zeigen. b) Klebe das Kupferteil am Glasrand fest. c) Verbinde nun die Gläser wie in der Abbildung.

104

Lösungserwartung Beispiel: Arbeitsanweisungen zur Freiarbeit bei galvanischen Elementen

Die Messwerte sind abhängig vom verwendeten Material. Ein Richtwert der Spannung für einen Apfel mit Kupfer und Zink ist etwa 1 V. Arbeitsblatt 1: Arbeitsblatt 1: Arbeitsblatt 1: Arbeitsblatt 1: Mögliche Erkenntnisse sind:

• Man benötigt zwei unterschiedliche Metalle • Zwei gleiche Metalle erzeugen keine Spannung • Die Spannung variiert bei unterschiedlichen Metallen • Der durch die Spannung erzeugte Strom reicht nicht aus, damit die LED leuchtet. • Ein Apfel mit Kupfer und Zink erzeugt ca. 1 V

Arbeitsblatt 2: Arbeitsblatt 2: Arbeitsblatt 2: Arbeitsblatt 2: Auch der Kartoffelsaft und der eigene Speichel fungieren als Elektrolyt. Arbeitsblatt 3:Arbeitsblatt 3:Arbeitsblatt 3:Arbeitsblatt 3: Man hört ein Rauschen am Kopfhörer. Eine Batterie besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen und einem Elektrolyt. Je höher der „Stapel“ wird, desto stärker wird die Batterie. Arbeitsblatt 4:Arbeitsblatt 4:Arbeitsblatt 4:Arbeitsblatt 4: Erst eine Hintereinanderausführung von galvanischen Elementen erzeugt die benötigte Spannung/den notwendigen Strom, damit die LED leuchtet.

105

„Längenmessung, arbeiten mit Di„Längenmessung, arbeiten mit Di„Längenmessung, arbeiten mit Di„Längenmessung, arbeiten mit Dia-a-a-a-grammen durch die Linsengleichunggrammen durch die Linsengleichunggrammen durch die Linsengleichunggrammen durch die Linsengleichung““““

Didaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer Kommentar • Zielgruppe: 8888. . . . SchulstufeSchulstufeSchulstufeSchulstufe • Quelle: Markus Lendl

• Zuordnung zum Kompetenzmodell:

˗ Inhaltsdimension: P4 P4 P4 P4 –––– OptikOptikOptikOptik:::: Grundliegende Begriffe und Formeln ˗ Anforderungsniveau: Grafik - waagrecht, ˗ Handlungsdimension: Erkenntnisse gewinnen/Wissen organisieren: Grafik - senkrecht

Aufgabenstellung: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 EEEE 2222 EEEE 3333 EEEE 4444 W 3W 3W 3W 3

106

Die Aufgabenstellung beschäftigt sich mit der experimentellen Herleitung der Linsenglei-chung. Sie weist starken reproduzierenden Charakter auf, da die Anweisungen Schritt für Schritt zu befolgen sind. Dennoch müssen die Lernenden den Versuch ohne Skizze aufbauen können. Es sind bereits Vorkenntnisse von linearen Funktionen nötig. In der Oberstufe kann dasselbe Experiment mit weniger Anleitungen durchgeführt werden. Auf die mathemati-sche Herleitung der Linsengleichung mit den ähnlichen Dreiecken wird nicht eingegangen, sie ist aber davor oder im Anschluss empfehlenswert.

Kompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: Messvorgang Kompetenzaspekt: Diagramme und TabellenKompetenzaspekt: Diagramme und TabellenKompetenzaspekt: Diagramme und TabellenKompetenzaspekt: Diagramme und Tabellen

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Beispiel: LinsengleichungBeispiel: LinsengleichungBeispiel: LinsengleichungBeispiel: Linsengleichung Lies zunächst die Anweisungen durch, bevor du mit dem Arbeiten beginnst.

• Besorge dir folgende Materialien: Teelicht, Sammellinse, Schirm, Schienenbahn. • Welche Brennweite hat deine Linse? • Baue mit den Materialien einen Versuch auf, sodass das Teelicht durch die Linse auf

den Schirm abgebildet wird. Die Positionen des Lichts und der Linse sollten ver-stellbar sein.

• Stelle zehn verschiedene Positionen ein, in denen du ein scharfes Bild am Schirm er-kennst.

• Dokumentiere jeweils Gegenstandsweite g und Bildweite b. • Erstelle eine Tabelle mit den Werten für 1/g und 1/b. • Addiere nun die jeweiligen Wertepaare und vergleiche sie mit 1/f. • Worauf schließt du?

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Lösungserwartung Beispiel: Linsengleichung Je nach Sammellinsentyp variieren die Ergebnisse. Nachfolgend die Ergebnisse einer Sam-mellinse (+150):

g [mm]g [mm]g [mm]g [mm] b [mm]b [mm]b [mm]b [mm] 1/g [1/mm]1/g [1/mm]1/g [1/mm]1/g [1/mm] 1/b [1/mm]1/b [1/mm]1/b [1/mm]1/b [1/mm] 1/b + 1/f 1/b + 1/f 1/b + 1/f 1/b + 1/f [1/mm][1/mm][1/mm][1/mm]

200,8 800 0,005 0,0013 0,0063 813 185,9 0,0012 0,005 0,0062

194,6 729,9 0,005 0,0014 0,0064 735,3 194,9 0,0014 0,005 0,0064 193,4 714,3 0,005 0,0014 0,0064 714,3 196,9 0,0014 0,005 0,0064 194,9 684,9 0,005 0,0015 0,0065 680,3 199,6 0,0015 0,005 0,0065 201,6 649,4 0,005 0,0015 0,0065 649,4 201,6 0,0015 0,005 0,0065

Der Wert für 1/f = 0,006. Berücksichtigt man Ablesefehler, dann ergibt sich, dass r� = r� + r�

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„Arbeiten mit Graf„Arbeiten mit Graf„Arbeiten mit Graf„Arbeiten mit Grafen und Tabellenen und Tabellenen und Tabellenen und Tabellen““““ Didaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer Kommentar

• Zielgruppe: 9.9.9.9.----10101010. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe • Quelle: Duenbostl S. 17 • Zuordnung zum Kompetenzmodell:

˗ Inhaltsdimension: P4 P4 P4 P4 –––– MechanikMechanikMechanikMechanik:::: Energieformen und deren Umwandlung ˗ Anforderungsniveau: Grafik - waagrecht, ˗ Handlungsdimension: Erkenntnisse gewinnen/Wissen organisieren: Grafik - senkrecht

Frage 1, 2: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII WWWW 1111 W W W W 2222 W W W W 3333 W W W W 4444 Frage 3: IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII WWWW 1111 W W W W 2222 W W W W 3333 W W W W 4444 E 4E 4E 4E 4

Kompetenzaspekt: DiagrammeKompetenzaspekt: DiagrammeKompetenzaspekt: DiagrammeKompetenzaspekt: Diagramme Kompetenzaspekt: TabellenKompetenzaspekt: TabellenKompetenzaspekt: TabellenKompetenzaspekt: Tabellen

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Beispiel: Energieumwandlung

Das obige Diagramm zeigt die Bewegung eines Balls, der zu Boden fällt, wieder hoch fliegt usw. Frage 1:Frage 1:Frage 1:Frage 1: Lies aus dem Diagramm die Ausgangshöhe und dann die jeweilige Höhe der Um-kehrpunkte ab und trage die Werte in eine Tabelle ein. Ermittle aus diesen Höhen und einer gegebenen Masse m = 1 kg die potenzielle Energie an den Umkehrpunkten und schreibe sie in dieselbe Tabelle. Frage 2:Frage 2:Frage 2:Frage 2: Die kinetische Energie ist an den unteren Umkehrpunkten Null, weil der Ball kurz-fristig in Ruhe ist. Du kannst aber die Aufprallgeschwindigkeit mit Hilfe der Formel aus dem freien Fall berechnen: � = �2~ℎ . Die Höhe h ist dabei die des vorhergehenden Umkehr-punktes. Trage die ermittelten Geschwindigkeiten zusammen mit den Aufprallzeiten auch in eine Tabelle ein und ermittle zum jeweiligen Zeitpunkt die kinetische Energie, die du eben-falls in der Tabelle festhältst. Frage 3:Frage 3:Frage 3:Frage 3: Stelle eine Energiebilanz in der ersten und zweiten Fallperiode auf. Ermittle dazu die potenzielle und kinetische Energie im Zehntelsekundentakt. Fasse physikalische Grö-ßen, die du für nötig erachtest, wieder in einer Tabelle zusammen. Was fällt dir dabei auf? Wo wird Energie umgesetzt? Wie erkennt man das?

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.6: Energieumwandlung. Aus: 4.6: Energieumwandlung. Aus: 4.6: Energieumwandlung. Aus: 4.6: Energieumwandlung. Aus: DuenbostlDuenbostlDuenbostlDuenbostl S. 17S. 17S. 17S. 17

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LösungserwartungLösungserwartungLösungserwartungLösungserwartung BeispielBeispielBeispielBeispiel: : : : EnergieumwandlungEnergieumwandlungEnergieumwandlungEnergieumwandlung Frage 1:Frage 1:Frage 1:Frage 1: Frage 2:Frage 2:Frage 2:Frage 2: Frage 3:Frage 3:Frage 3:Frage 3: Man erkennt, dass die Gesamtenergie für jeden Zeitpunkt erhalten bleibt. Das bedeutet, dass während des Flugvorganges keine (in Wirklichkeit sehr wenig) Energie in Wärme umge-wandelt wird. Die Hauptumsetzung findet also während der Verformung beim Aufprall statt. Dies äußert sich darin, dass sich die maximale Flughöhe sukzessive verringert, die Gesamtenergie während des Flugs jedoch gleich bleibt.

hmax [m] Epot [J] 0,69 6,9 0,5 5 0,38 3,8 0,3 3 0,23 2,3 0,18 1,8 0,14 1,4

t [s] v [m/s] Ekin [J] 1,9 3,71 6,9 2,55 3,16 5 3,15 2,76 3,8 3,7 2,45 3 4,15 2,14 2,3 4,6 1,9 1,8 5 1,67 1,4

t [s] h [m] ∆ h [m] Epot [J] Ekin [J] Eges [J] 1,5 0,69 0 6,9 0 6,9 1,6 0,62 0,07 6,2 0,7 6,9 1,7 0,46 0,23 4,6 2,3 6,9 1,8 0,22 0,47 2,2 4,7 6,9 2,22 0,5 0 5 0 5 2,3 0,47 0,03 4,7 0,3 5 2,4 0,36 0,14 3,6 1,4 5

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„Offene Frage„Offene Frage„Offene Frage„Offene Fragestellungenstellungenstellungenstellungen““““ Didaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer KommentarDidaktischer Kommentar

• Zielgruppe: 9.9.9.9.----12121212. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe. Schulstufe • Idee: VO: Projektlabor I, VO: Projektlabor II • Zuordnung zum Kompetenzmodell:

˗ Inhaltsdimension: P4 P4 P4 P4 –––– MechanikMechanikMechanikMechanik:::: Energieformen und deren Umwandlung, Arbeiten mit Begriffen, wie: Bremsweg, Arbeit, Geschwindigkeit, Verzöge-rung, usw., Videoanalyse, Notwendigkeit einer Messung erkennen, Arbeiten im Team ˗ Anforderungsniveau: Grafik - waagrecht, ˗ Handlungsdimension: Erkenntnisse gewinnen/Wissen organisieren: Grafik - senkrecht

Aufgabe 1: Aufgabe 2:

IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 E E E E 2222 E E E E 3333 E E E E 4444 W 3W 3W 3W 3

IIII IIIIIIII IIIIIIIIIIII EEEE 1111 E E E E 2222 E E E E 3333 E E E E 4444 W 3W 3W 3W 3

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Kompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: MessvorgangKompetenzaspekt: Messvorgang Kompetenzaspekt: Kompetenzaspekt: Kompetenzaspekt: Kompetenzaspekt: Diagramme und TabellenDiagramme und TabellenDiagramme und TabellenDiagramme und Tabellen

Kompetenzaspekt: FehlerbetrachtungKompetenzaspekt: FehlerbetrachtungKompetenzaspekt: FehlerbetrachtungKompetenzaspekt: Fehlerbetrachtung

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BeispielBeispielBeispielBeispiel: offene Aufgabenstellungen: offene Aufgabenstellungen: offene Aufgabenstellungen: offene Aufgabenstellungen �------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Verzögerung eines Fahrrads In der folgenden Aufgabenstellung sollt ihr die Verzögerung eines Fahrrads selbstständig ermitteln. Teilt euch dazu (je nach Klassengröße) in zwei bis drei Gruppen auf. Zumindest ein Mitglied pro Gruppe sollte ein Fahrrad dabei haben. Euch stehen sämtliche Gerätschaf-ten des Physiksaals zur Verfügung. Ihr könnt euer Experiment aber auch im Freien durch-führen. Protokolliert euer Vorgehen genau und macht auch eine qualitative und quantitative Fehlerabschätzung. �------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Gauss-Kanone Eine Reihe identischer Stahlkugeln enthält einen starken Magneten. Eine weitere Stahlkugel kollidiert mit der Reihe, was dazu führt, dass die Kugel am anderen Ende der Reihe mit ho-her Geschwindigkeit „weggeschossen“ wird. Beschreibe den Effekt mit eigenen Worten und stelle folgende Untersuchungen an: Was ist die ideale Anzahl an Kugeln, um den Effekt zu maximieren? Wo liegt dabei die ideale Position des Magneten? Welche Geschwindigkeit kann erzielt werden, wenn man die hinrollende Kugel nicht selbst beschleunigt, sondern nur die magnetische Anziehung verwendet? Skizze:

Abbildung 4.7: Beispielskizze GaussAbbildung 4.7: Beispielskizze GaussAbbildung 4.7: Beispielskizze GaussAbbildung 4.7: Beispielskizze Gauss----KanoneKanoneKanoneKanone �------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Lösungserwartung Beispiel: offene Aufgabenstellungen Verzögerung eines Fahrrads Ideal wäre eine Versuchsdurchführung, bei der man mittels Fahrgeschwindigkeit und Bremszeit die Verzögerung berechnet. Dabei teilt sich jede Gruppe in verschiedene Arbeits-gruppen auf: Längenmesser, Zeitstopper, Protokollierer und Fahrer. Ziel ist es, die Verzöge-rung über die Fahrgeschwindigkeit zu ermitteln (die in einem wohldefinierten Bereich als konstant angenommen wird). Nach der internen Gruppeneinteilung werden die jeweiligen Materialien (Stoppuhr, Maßband) vergeben und eine Strecke im Freien abgesteckt. Dabei gibt es den Beschleunigungsbereich, den Bereich konstanter Geschwindigkeit und den Bremsbereich. Es werden die Zeiten für das Durchfahren der Bereiche gemessen sowie de-ren Längen. Die Daten werden vom Protokollierteam gesammelt und anschließend ausge-wertet. Es empfiehlt sich, mehrere Zeitmesser einzusetzen und dann mit dem Mittelwert weiterzurechnen. Verwendete Formeln: s = v0 ∙ t und 0 = v0 - a ∙ t

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.84.84.84.8: Lösungsvorschlag: Lösungsvorschlag: Lösungsvorschlag: Lösungsvorschlag

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Gauss-Kanone, Lösungspräsentation unter: http://prezi.com/exsj_xcfwdc4/copy-of-gaussian-cannon/ (14.04.2013) Das Prinzip der Gauss-Kanone ist auf Energie und Impulserhaltung zurückzuführen. Der Magnet sorgt unmittelbar vor dem Aufprall noch zusätzlich für eine Beschleunigung, wes-wegen die Kugel die Reihe mit einer viel größeren Geschwindigkeit anstößt, als deren Start-geschwindigkeit. Der Impuls wird in der Reihe übertragen und die letzte Kugel „schießt“ davon. Um die gegebenen Fragestellungen zu klären, ist eine High-Speed-Kamera von Vorteil, da sich die Geschwindigkeits- und Zeitmessungen so am ehesten umsetzen lassen. Ideale Anzahl:

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.94.94.94.9: Anzahl/Geschwindigkeitsdiagramm: Anzahl/Geschwindigkeitsdiagramm: Anzahl/Geschwindigkeitsdiagramm: Anzahl/Geschwindigkeitsdiagramm Sieben Kugeln sind also eine gute Voraussetzung für eine maximale „Schussgeschwindig-keit“. Bei weniger hat der Magnet einen zu großen Einfluss, da er die „Geschosskugel“ bremst und bei einer zu großen Anzahl geht Energie durch Reibung verloren. Dabei ist es wichtig, die Magnetposition nicht zu variieren, dies wird erst in der zweiten Fragestellung geklärt. Ideale Position: Um diese Fragestellung zu klären, müssen verschiedene Videos mit jeweils verschiedenen Magnetpositionen gedreht werden. Eine qualitative Analyse der Videos reicht hier völlig aus, um daraus zu schließen, dass die erste Position die beste ist. Beispiele für solche Videos

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finden Sie online unter: http://prezi.com/exsj_xcfwdc4/copy-of-gaussian-cannon/ (14.04.2013). Höchstgeschwindigkeit: Um dies zu ermitteln, sind höhere mathematische Kenntnisse erforderlich. Man kann zum Beispiel die Kraft messen, mit der der Magnet die Kugel anzieht. Man verbindet dabei die angezogene Kugel mit einer Federwaage und filmt dabei die zurückgelegte Wegstrecke und die Kraftanzeige. Nun kann man mit W = F ∙ s die Arbeit für ein kleines Wegstück errechnen. Summiert man dies über die gesamte Wegstrecke, erhält man die Arbeit, die der Magnet an der Kugel verrichtet hat. Diese kann man der kinetischen Energie der „Geschosskugel“ gleichsetzen und die Geschwindigkeit berechnen:

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.11: Messergebnisse Gauss4.11: Messergebnisse Gauss4.11: Messergebnisse Gauss4.11: Messergebnisse Gauss----KanoneKanoneKanoneKanone

AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.10: Geschwindigkeitsberechnung4.10: Geschwindigkeitsberechnung4.10: Geschwindigkeitsberechnung4.10: Geschwindigkeitsberechnung

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5.5.5.5. ZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassung Ein kompetenzorientierter Unterricht soll dazu führen, bei den Lernenden eine Balance aus Wissen, Können, Handeln und handelndem Umgang mit Wissen herzustellen. Das Kompe-tenzmodell NAWI 8 bietet einen konkreten Ansatz, wie man dies in den naturwissenschaft-lichen Fächern umsetzen kann. Im Rahmen des Physikunterrichts kann die Selbstständig-keit der Jugendlichen durch eigenes Experimentieren besonders gut gefördert werden. Die Messkompetenz gliedert sich als Komponente experimenteller Kompetenz ein. Der Messvorgang ist zwar stets Teil theoretischer Modelle zur experimentellen Kompetenz, es zeigte sich aber, dass eine gesonderte Betrachtung weitere Aspekte aufzeigen kann, die die bestehenden Modelle zur experimentellen Kompetenz nicht berücksichtigen. Es wurde in dieser Arbeit aufgezeigt, dass die Messkompetenz einen aufbauenden Charakter aufweist und in vier eigenständige Unterteilungen gegliedert werden kann: das „Arbeiten mit Dia-grammen“, das „Arbeiten mit Tabellen“, die „Messung“ selbst und die „Fehlerbetrachtung“. Diese Punkte konnte ich in einem Modell zur Förderung der Messkompetenz eingliedern, wobei auch der Grad der Selbstständigkeit der Lernenden berücksichtigt wird. Die Analyse der IMST-Projekte ließ große Unterschiede in der Umsetzung der Mess-kompetenz erkennen. Einigen LehrerInnenteams gelang es gut die Messkompetenz aufzu-schlüsseln, andere Projekte hatten eine geringere Konzentrierung auf diese Kompetenz. Die evaluierten Projekte bestätigten mich in der Annahme, dass die Messkompetenz schrittwei-se aufgebaut werden muss, und dass durch eine Variation an Beispielen (also Experimen-ten) mit unterschiedlichen Schwerpunkten diese gut gefördert werden kann. Für zukünftige Projekte schlage ich vor, dass bereits vor dem Einreichen durch die LehrerInnen bekannt ist, welche Kompetenz mit dem jeweiligen Projekt gefördert werden soll. Das erleichtert die Begleitforschung und wirkt sich auf die Qualität der Projekte aus, da man sich untereinander im Zuge der Begleitworkshops besser austauschen kann. Außer-dem empfehle ich eine gezielte Begleitevaluation, um den tatsächlichen Kompetenzzuwachs pro Projekt besser beurteilen zu können. Abschließend bleibt mir noch zu sagen, dass ich während des Verfassens meiner Diplomarbeit sehr viel Einblick in den kompetenzorientierten Unterricht gewonnen habe und mich diesbezüglich bestens für meine Lehrerkarriere vorbereitet fühle. Ich könnte mir selber vorstellen, an einem IMST-Projekt mitzuarbeiten, da solche Projekte Wesentliches zur Qualitätssteigerung und –sicherung im österreichischen Schulwesen beitragen.

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AbbildungsverzeichnisAbbildungsverzeichnisAbbildungsverzeichnisAbbildungsverzeichnis AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 1111.1.1.1.1: : : : Qualitätszyklus. Aus: Breit et al, 2012, S. 16 Abbildung 1.2:Abbildung 1.2:Abbildung 1.2:Abbildung 1.2: Unterrichtsabfolge aus Sicht der Lernenden (nach Sormann, 2011, S.32) AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 1111.3.3.3.3: : : : Struktur von IMST. Aus: Krainer 2009, S. 12 Abbildung 1.4: Abbildung 1.4: Abbildung 1.4: Abbildung 1.4: Zusammenspiel von Themenprogrammen und Netzwerkprogramm. Aus: Krainer,

2009, S.7 Abbildung 1.5:Abbildung 1.5:Abbildung 1.5:Abbildung 1.5: Kompetenzmodell NAWI 8. Aus: BIFIE, 2011, S.1 Abbildung 2.1: Abbildung 2.1: Abbildung 2.1: Abbildung 2.1: Kompetenzstufen bei der Suche im Hypothesen-Suchraum. Aus: Hammann, 2004, S.

200 Abbildung Abbildung Abbildung Abbildung 2222.2.2.2.2: : : : Kompetenzstufen bei der Suche im Experimentier-Suchraum. Aus: Hammann, 2004, S.

201 Abbildung 2.3Abbildung 2.3Abbildung 2.3Abbildung 2.3: : : : Kompetenzstufen beim Analysieren von Daten. Aus: Hammann, 2004, S. 202 Abbildung 2.4: Abbildung 2.4: Abbildung 2.4: Abbildung 2.4: Analyse des Experiments. Aus: Analyse des Experiments (nach Hammann) Abbildung 2.5: Abbildung 2.5: Abbildung 2.5: Abbildung 2.5: Experimentelle Teilkompetenzen. Aus: Maiseyenka et al., 2011, S. 1 Abbildung 2.6: Abbildung 2.6: Abbildung 2.6: Abbildung 2.6: Modell experimenteller Kompetenz. Aus: Schreiber et al, 2009, S. 2 Abbildung 2.7: Abbildung 2.7: Abbildung 2.7: Abbildung 2.7: Mittelwert der aufgewandten Zeit pro Kompetenz. Aus: Lugitsch, 2011, S. 96 Abbildung 2.8: Abbildung 2.8: Abbildung 2.8: Abbildung 2.8: Mittelwert der Maximalwerte gezeigter Kompetenzen. Aus: Lugitsch, 2011, S. 97 AbbildunAbbildunAbbildunAbbildung 2.9: g 2.9: g 2.9: g 2.9: Versuchsanordnung 1. Aus: Lerch, 1973, S.40 Abbildung 2.10: Abbildung 2.10: Abbildung 2.10: Abbildung 2.10: Versuchsanordnung 2. Aus: Lerch, 1973, S. 41 Abbildung 2.11: Abbildung 2.11: Abbildung 2.11: Abbildung 2.11: Versuchsanordnung 3a. Aus: Lerch, 1973, S. 42 Abbildung 2.12: Abbildung 2.12: Abbildung 2.12: Abbildung 2.12: Versuchsanordnung 3b. Aus: Lerch, 1973, S. 42 Abbildung 2.13: Abbildung 2.13: Abbildung 2.13: Abbildung 2.13: Ableseübung. Aus: Wolfbauer et al,1990, S. 37 Abbildung 2.14: Abbildung 2.14: Abbildung 2.14: Abbildung 2.14: Dichtebestimmung. Aus: Wolfbauer et al,1990, S. 39 Abbildung 2.15: Abbildung 2.15: Abbildung 2.15: Abbildung 2.15: Temperaturverlauf 1. Aus: Wolfbauer & Fürnstahl, 2007, S. 24 Abbildung 2.16: Abbildung 2.16: Abbildung 2.16: Abbildung 2.16: Temperaturverlauf 2. Aus: Wolfbauer & Fürnstahl, 2007, S. 38 Abbildung 2.17: Abbildung 2.17: Abbildung 2.17: Abbildung 2.17: Temperaturverlauf 3. Aus: Wolfbauer & Fürnstahl, 2007, S. 33 Abbildung 2.18: Abbildung 2.18: Abbildung 2.18: Abbildung 2.18: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit Diagrammen Abbildung 2.19: Abbildung 2.19: Abbildung 2.19: Abbildung 2.19: Kompetenzaspekt: Arbeiten mit Tabellen Abbildung 2.20: Abbildung 2.20: Abbildung 2.20: Abbildung 2.20: Kompetenzaspekt: Fehlerbetrachtung AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 2.21: 2.21: 2.21: 2.21: Kompetenzaspekt: Messvorgang Abbildung 3.1: Abbildung 3.1: Abbildung 3.1: Abbildung 3.1: Anweisung 1. Aus: Motschilnig, 2012, S. 9 Abbildung 3.2: Abbildung 3.2: Abbildung 3.2: Abbildung 3.2: Anweisung 2. Aus: Motschilnig, 2012, S. 11 Abbildung 3.3: Abbildung 3.3: Abbildung 3.3: Abbildung 3.3: Anweisung 3. Aus: Motschilnig, 2012, S. 11 Abbildung 3.4: Abbildung 3.4: Abbildung 3.4: Abbildung 3.4: Anweisung 4. Aus: Motschilnig, 2012, S. 12

Abbildung 3.5: Abbildung 3.5: Abbildung 3.5: Abbildung 3.5: Anweisung 5. Aus: Motschilnig, 2012, S. 12 Abbildung 3.6: Abbildung 3.6: Abbildung 3.6: Abbildung 3.6: Anweisung 6. Aus: Motschilnig, 2012, S. 13 Abbildung 3.7: Abbildung 3.7: Abbildung 3.7: Abbildung 3.7: Angabe aus Kraker/Preis S. 59. Aus: Steinkellner, 2012a, S. 18

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Abbildung 4.1: Abbildung 4.1: Abbildung 4.1: Abbildung 4.1: Wetterstation. Aus: BIFIE-Aufgabenpool, S. 1 Abbildung 4.2: Abbildung 4.2: Abbildung 4.2: Abbildung 4.2: Thermometer. Aus: BIFIE Aufgabenpool, S. 2 Abbildung 4.3: Abbildung 4.3: Abbildung 4.3: Abbildung 4.3: Diagramme. Aus: BIFIE-Aufgabenpool, S. 3 Abbildung 4.4: Abbildung 4.4: Abbildung 4.4: Abbildung 4.4: Temperaturentwicklung. Aus: BIFIE-Aufgabenpool, S. 4 Abbildung 4.5: Abbildung 4.5: Abbildung 4.5: Abbildung 4.5: Geschwindigkeitsverlauf. Aus: Leisen, 2011, S. 78 AbbildungAbbildungAbbildungAbbildung 4.6: 4.6: 4.6: 4.6: Energieumwandlung. Aus: Duenbostl S. 17 Abbildung 4.7: Abbildung 4.7: Abbildung 4.7: Abbildung 4.7: Beispielskizze Gauss-Kanone Abbildung 4.8Abbildung 4.8Abbildung 4.8Abbildung 4.8: : : : Lösungsvorschlag Abbildung 4.9Abbildung 4.9Abbildung 4.9Abbildung 4.9: : : : Anzahl/Geschwindigkeitsdiagramm Abbildung 4.10Abbildung 4.10Abbildung 4.10Abbildung 4.10: : : : Geschwindigkeitsberechnung AbbilduAbbilduAbbilduAbbildung 4.11ng 4.11ng 4.11ng 4.11: : : : Messergebnisse Gauss-Kanone Abbildung AnhangAbbildung AnhangAbbildung AnhangAbbildung Anhang 1111: : : : Beobachtungsbogen Reichel/Schittelkopf. Aus: Steinkellner, 2012b, S. 6 Abbildung Anhang 2: Abbildung Anhang 2: Abbildung Anhang 2: Abbildung Anhang 2: Von der Lupe zum Teleskop. Aus: Steinkellner, 2012b, S. 8

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AnhangAnhangAnhangAnhang Anhang A - NAWI 8 Detaillierte Detaillierte Detaillierte Detaillierte InhaltsdimensionenInhaltsdimensionenInhaltsdimensionenInhaltsdimensionen „BIOLOGIE:„BIOLOGIE:„BIOLOGIE:„BIOLOGIE: Ich kann folgende Inhalte beobachten, benennen, beschreiben, bewerten, Experimente dazu planen etc.: Planet Erde B1:

• ausgewählte Gesteinsarten • Boden • Kreislauf der Gesteine und Bewegungen der Erdkruste • Geschichte der Erde und seiner Lebewesen

Ökosysteme B2: • Stoffkreislauf, Energieumwandlung und Wechselwirkungen in Modellökosystemen • Wirkung des Menschen in Ökosystemen (Land- und Forstwirtschaft,Tourismus, Na-turschutz…) • Ökosysteme, die für Weltklima und Welternährung eine besondere Bedeutung ha-ben • Kennzeichen für gesunde und kranke Wälder, Gewässer und Böden • Besonderheiten des Ökosystems Stadt • Wirkungen des Konsumverhaltens in Ökosystemen und auf Mitmenschen (Nahrung, Rohstoffe, Energie, Klima) und Möglichkeiten, sich umweltgerecht und nachhaltig zu verhalten

Organismen B3: • ausgewählte Tier- und Pflanzenarten, auch aus eigener Beobachtung • charakteristische Merkmale von Pflanzen- und Tiergruppen (Wirbeltiere,Wirbellose …) • Merkmale und Lebensweisen von Mikroorganismen und Pilzen • Bedürfnisse von Tieren und Pflanzen • Arten der Verständigung zwischen Lebewesen (chemische, akustische, optische, haptische Signale) • Ernährungsweise von Tieren und Pflanzen • Fortpflanzung bei Menschen, Tieren und Pflanzen in Grundzügen

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• Weitergabe der Erbanlagen bei Menschen, Tieren und Pflanzen • Alltagsanwendungen von Gentechnik (Nahrungsmittel, Medizin), Möglichkeiten und Risiken • Gesundheit und Krankheit

Organe B4: • Lage und Aufgabe ausgewählter Organe und Organsysteme des menschlichen Kör-pers (Verdauung, Kreislauf, Atmung) • charakteristische Organe ausgewählter Vertreter des Tierreichs • Organe von Pflanzen und ihre Aufgaben • Möglichkeiten der Kommunikation zwischen Organen (Nerven, Hormone)

Zelle B5: • Aufbau von Lebewesen aus Zellen • innere Organisation von Zellen

CHEMIE:CHEMIE:CHEMIE:CHEMIE: Ich kann Auskunft geben über folgende Inhalte und sie (anhand von Beispielen) erklären: Aufbauprinzipien der Materie C1: • Teilchenmodell der Materie • Atommodell • Periodensystem der Elemente • Elementsymbole, Summen-, Struktur- und Gerüstformeln • chemische Bindungen

Einteilung und Eigenschafen der Stoffe C2: • unterschiedliche Eigenschaften von Gemengen und Reinstoffen • Eigenschaften wichtiger Substanzen und Stoffklassen • physikalische Trennverfahren und deren Anwendung

Grundmuster chemischer Reaktionen C3: • Unterschied von Zustandsänderung (physikalischer Vorgang) und Stoffumwandlung (chemische Reaktion) • Massenerhalt bei chemischen Reaktionen • exotherme und endotherme Reaktionen

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• Oxidation und Reduktion • Säuren, Basen, Neutralisation, Salze, pH-Wert • Reaktionen ausgewählter organischer Stoffe

Rohstoffquellen und ihre verantwortungsbewusste Nutzung C4: • Nutzung und Schutz von Luft, Wasser, Boden • Bedeutung, Gewinnung und Verarbeitung wichtiger anorganischer und organischer Rohstoffe • Wiederverwertung und Entsorgung • chemische Grundkenntnisse in praxisrelevanten Bereichen (Kleidung, Wohnen, Energieversorgung, Verkehr, Technik) Biochemie und Gesundheitserziehung C5: • wichtige Inhaltsstoffe der Nahrung • Funktionen und Reaktionen von Stoffen in der Nahrung • Wirkung von Genussmitteln, Medikamenten und Drogen • Stoffe für Reinigung und Hygiene • sicherheits- und verantwortungsbewusster Umgang mit Stoffen in allen Lebensbe-reichen und deren vorschriftsmäßige Entsorgung PHYSIK:PHYSIK:PHYSIK:PHYSIK: Ich kann folgende Inhalte beobachten, benennen, beschreiben, bewerten, Experimente dazu planen etc.: Mechanik P1: • grundlegende physikalische Begriffe und Größen (Zeit, Länge, Masse, Dichte, Ge-schwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, Schwerkraft, Leistung, Energie) • einfache Bewegungen • Kräfte als Ursache für Bewegungsänderungen • Energieformen und deren Umwandlung

Elektrizität und Magnetismus P2: • grundlegende physikalische Begriffe und Größen (elektrisch geladene Teilchen, Spannung, Stromstärke, Widerstand, Gleichstrom,Wechselstrom) • Erklärungen für elektrische Erscheinungen in Natur und Technik

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• einfache Stromkreise (Ohm’sche Beziehung, Serienschaltung und Parallelschaltung von Verbrauchern) • Unterschied zwischen Permanentmagnet und Elektromagnet • Weg der elektrischen Energie vom Kraftwerk zum Verbraucher • Sicherheitsaspekte beim Umgang mit elektrischer Energie

Wärmelehre P3: • grundlegende physikalische Begriffe und Größen (Temperatur, Druck, Energie, Wärmekapazität) • Umwandlung innerer Energie in andere Energieformen • Zusammenhang zwischen Energie, Temperatur und Teilchenbewegung • Zustandsformen „fest“, „flüssig“ und „gasförmig“ und deren Übergänge am Beispiel Wasser Optik P4: • grundlegende physikalische Begriffe und Größen (Spiegelung/Reflexion, Brechung, Lichtgeschwindigkeit) • Ausbreitung von Licht und Entstehung von Schatten • Sender-Empfänger-Streu-Vorstellung • Kurzsichtigkeit und Weitsichtigkeit sowie deren Korrektur • Zerlegung von Licht: sichtbare, infrarote und ultraviolette Strahlung

Aufbau der Materie P5: • Teilchenmodell der Materie • radioaktiver Zerfall als natürlicher Prozess (Halbwertszeit, Kernumwandlungen) • Eigenschaften und Auswirkungen ionisierender Strahlung • Unterschied Kernfusion und Kernspaltung“ (BIFIE, 2011, S. 3-5)

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Anhang B - IMST Projekte 2011/2012 MPh4 MPh4 MPh4 MPh4 –––– Beobachtungsbogen Reichel/Beobachtungsbogen Reichel/Beobachtungsbogen Reichel/Beobachtungsbogen Reichel/SchittelkopfSchittelkopfSchittelkopfSchittelkopf

MPh4 MPh4 MPh4 MPh4 –––– Unterrichtssequenzen zu Sammellinsen Unterrichtssequenzen zu Sammellinsen Unterrichtssequenzen zu Sammellinsen Unterrichtssequenzen zu Sammellinsen –––– BruchgleichungenBruchgleichungenBruchgleichungenBruchgleichungen Anhang aAnhang aAnhang aAnhang a)))) „1. Beobachtungen am Wasserglas

a) Wasserglas wird vorgezeigt. Frage: Wie sehen die Finger aus, wenn man von oben

schräg durch das Glas schaut?

b) Anstellen von Vermutungen

Abbildung Anhang 1: Beobachtungsbogen Reichel/Schittelkopf. Aus: Steinkellner, 2012b, S. 6Abbildung Anhang 1: Beobachtungsbogen Reichel/Schittelkopf. Aus: Steinkellner, 2012b, S. 6Abbildung Anhang 1: Beobachtungsbogen Reichel/Schittelkopf. Aus: Steinkellner, 2012b, S. 6Abbildung Anhang 1: Beobachtungsbogen Reichel/Schittelkopf. Aus: Steinkellner, 2012b, S. 6

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c) Gläser werden ausgeteilt. Beobachtungsbogen. Schülerinnen und Schüler halten Be-

obachtungen fest und sollen eigene Fragen für weitere Untersuchungen stellen.“ (Stein-

kellner, 2012a, S. 12)

Anhang bAnhang bAnhang bAnhang b)))) „Aufgabe: Untersuchen von Sammellinsen (Schülerversuch in Kleingruppen) Wann macht eine Linse welche Bilder? Material: Teelichter, Sammellinsen (+50mm, +100mm, +300mm), Maßband, Schirm (Blatt Papier).“ (Steinkellner, 2012a, S. 15) Anhang cAnhang cAnhang cAnhang c)))) „Aufgabe Plant ein Experiment mit einfachen Mitteln, mit dem diese Frage geklärt werden kann! Do-kumentiert die Vorgangsweise. Bestätigt sich die Annahme?“ (Steinkellner, 2012a, S. 16) Anhang dAnhang dAnhang dAnhang d)))) „Aufgabe: Klären der Beobachtungen am Wasserglas durch Modelle. Zieht eure Beobachtungsprotokolle aus Stunde 1,2 heran, Wassergläser sind vorhanden. Konzentriert euch auf wenige Beobachtungen und versucht diese durch die gelernten Mo-delle zu erklären.

• Welche Linseneffekte können wir beobachten?

• Wo sind Ähnlichkeiten – Unterschiede zu den Linsen der Sammlung?

• Welche Werte können wir messen? (Brennweite?)“ (Steinkellner, 2012a, S. 21)

Anhang e)Anhang e)Anhang e)Anhang e) „Was Linsen alles können: Lupe, Mikroskop und Fernrohr Aufgabe 1: Holt aus dem Materialkasten verschiedene Linsen und Spiegel und stellt fest, ob man diese als Brennglas verwenden könnte! Ermittelt dabei auch, wie weit der Brennpunkt von der Linse bzw. dem Spiegel entfernt ist, und notiert euch alles, was euch sonst noch beim Experimentieren mit den Linsen/Spiegeln auffällt! Aufgabe 2: Nehmt verschiedene Linsen. Welche kann man als Lupen verwenden? Überlegt euch Methoden, wie ihr die Vergrößerung dieser Lupen bestimmen könnt! Aufgabe 3: Versucht, aus zwei Linsen ein Mikroskop nachzubauen. Welche Linsen müsst ihr dazu wie anordnen? Wie stark vergrößert euer Mikroskop? Aufgabe 4: Aus Linsen kann man zwei Arten von Fernrohren bauen: eines aus zwei „+“-Linsen (=Keplerfernrohr), eines aus einer „+“ und einer „-„ Linse (Galileifernrohr). Baut beide aus Stativschienen auf und fertigt vom fertigen Fernrohr jeweils eine beschriftete Skizze mit Maßangaben an! Wie stark vergrößern eure Fernrohre?“ (Steinkellner, 2012a, S. 23).

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Abbildung Anhang 2: Von der Lupe zum Teleskop. Aus: Steinkellner, Abbildung Anhang 2: Von der Lupe zum Teleskop. Aus: Steinkellner, Abbildung Anhang 2: Von der Lupe zum Teleskop. Aus: Steinkellner, Abbildung Anhang 2: Von der Lupe zum Teleskop. Aus: Steinkellner, 2012b, S. 82012b, S. 82012b, S. 82012b, S. 8

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Messkompetenz im naturwissenschaftlichen Unterricht