Studienseminar Darmstadt für das Lehramt an Gymnasien

Physikalische Untersuchung einfacher

Musikinstrumente mit PC und Soundkarte

- Eine Unterrichtsreihe zur Akustik in einer Klasse 7 -

Pädagogische Prüfungsarbeit im Fach Physik

vorgelegt von Studienreferendar

Stefan Wilhelm

an der

Prälat-Diehl-Schule, Groß-Gerau

Juli 1999

Abstract Pädagogische Prüfungsarbeit am Studienseminar Darmstadt für das Lehramt an Gymnasien Prälat-Diehl-Schule, Groß-Gerau Juli 1999

Stefan Wilhelm Am Oberwiesenweg 11

64572 Büttelborn 06152/911 403

E-Mail: wilhelm@writeme.com

Physikalische Untersuchung einfacher Musikinstrumente mit PC und Soundkarte

- Eine Unterrichtsreihe zur Akustik in einer Klasse 7 -

In dieser Unterrichtseinheit wird versucht, die Akustik möglichst konse-

quent an der Untersuchung von Musikinstrumenten aufzubauen. An ihnen

orientiert sich die Gliederung der physikalischen Inhalte und die Auswahl

der Experimente und Themenschwerpunkte. Die fachübergreifende Aus-

richtung des Themas beinhaltet auch die Einbeziehung musikalischer

Interessen und Lernziele.

Eine zentrale Rolle spielt dabei das Bauen einfacher Instrumente aus alltäg-

lichen Materialien. Schon bei der Herstellung können sich die Schülerinnen

und Schüler konkret handelnd und kreativ mit physikalischen und musikali-

schen Phänomenen auseinandersetzen. Bei den anschließenden Untersu-

chungen sollen an diesen Instrumenten gezielt Zusammenhänge und Ge-

setzmäßigkeiten bezüglich Amplitude, Frequenz und Klangdauer experi-

mentell erfasst werden. Da diese Instrumente einige charakteristische Qua-

litätsmerkmale guter Instrumente nur unzureichend aufweisen, kommt auch

die Betrachtung handelsüblicher Musikinstrumente nicht zu kurz. An ihnen

werden vor allem Eigenschwingungen von Saiten und Luftsäulen unter-

sucht.

Der zweite Schwerpunkt der Arbeit beruht auf dem Einsatz eines Computers

mit Soundkarte und handelsüblicher Software zur Klangbearbeitung. Als

zentrales experimentelles Mittel dient der PC einerseits als Gerät zur

Schallaufzeichnung, andererseits werden mithilfe der grafischen Darstel-

lungsmöglichkeiten (Amplitudenverlauf, Oszillogramm und Frequenz-

spektrum) prinzipielle Unterschiede verschiedener Schallereignisse (Ton,

Klang, Geräusch) erarbeitet. Schließlich wird ein einfaches Verfahren zur

Messung der Schallgeschwindigkeit vorgestellt.

i

Vorbemerkung

Der Ruf nach Unterricht, der über die üblichen Fachgrenzen hinausblickt, ist

nicht neu2, jedoch werden die Forderungen nach fächerübergreifenden

Ansätzen von verschiedenen Seiten lauter und erhalten nach und nach auch

rechtliche Hintergründe3. Die Physik ermöglicht eine ganze Reihe interes-

santer Querverbindungen zu anderen Gebieten, die dazu beitragen können,

den Unterricht dichter am Alltag oder auch an den Interessen der Beteiligten

zu gestalten. Da ich selbst gerne musiziere, fasziniert mich die Akustik und

ihre Verbindung zur Musik und zu Musikinstrumenten ganz besonders. In

der vorliegenden Unterrichtsreihe habe ich versucht, diese eigene Vorliebe

als Anknüpfungspunkt und zur Motivation für den Physikunterricht nutzbar

zu machen.4

1 WAGENSCHEIN, MARTIN: Verstehen lehren, Weinheim und Basel 1977 (6.Aufl.), S. 7 2 z.B. LOCHHAAS, H.: Möglichkeiten und Grenzen fächerverbindenden Unterrichts, Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 49 (1996), S. 493-496 3 siehe z.B. §10 (6) VOGO/BG in ABl. 11/98, S. 739 oder etwas unverbindlicher: HESSISCHES

KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Physik, Sek. I, Frankfurt/M. 1996, S. 10 4 Auch die Idee, die Akustik im Physikunterricht besonders unter musikalischen Gesichtspunkten zu betrachten, ist nicht neu: Auf Leistungskursniveau bewegt sich DIRK KELM (Akustische Phänomene und ihre Auswirkungen auf die Musik, Päd. Prüfungsarbeit am Studienseminar Bensheim 1998). Eine Kooperation für Klasse 6 schildern BRIGITTE JANSEN und EWALD BROCKES (Musik und Akustik, Internet http://www.juelich.fh-aachen.de/overbach/fach/projekt/einl.htm) und mit zusätzlicher Einbindung der Bruchrechnung KATJA PETERS und MATTHIAS LAGEMANN (Eine interdisziplinäre Reihe zur Bruchrechnung/Akustik/Harmonielehre, Der Mathematikunterricht 6 - 1998, S. 11-21). Mit unseren Rahmenbedingungen ist am ehesten die Arbeit von GÖTZ FRIEDEL (Töne, Klänge - Lärm, Päd. Prüfungsarbeit am Studienseminar Bensheim 1998) für Klasse 7 vergleichbar, jedoch behandelt er die Thematik nicht so konsequent an Musikinstrumenten und verwendet auch keinen Computer. Mit der im Folgenden beschriebenen Schwerpunktsetzung hoffe ich, den Ansatz Physik und Musik um einige neue Impulse bereichern zu können.

Der Pädagoge kann nicht anders, als die Grenzen des Faches, auf dem er zuhause ist, überschreiten. Tut er es nicht, so verliert er seine bildende Aufgabe aus den Augen.1

ii

Inhaltsverzeichnis

1 Planung _____________________________________________________1

1.1 Grundsätzliches zum Thema _____________________________________ 1 1.1.1 Schwerpunkte der Arbeit ________________________________________1 1.1.2 Einordnung des Themas in den Rahmenplan Physik ___________________1 1.1.3 Verbindungen zum Fach Musik ___________________________________2

1.2 Die Lerngruppe und weitere Rahmenbedingungen___________________ 3

1.3 Didaktische Analyse_____________________________________________ 6 1.3.1 Kriterien für die Auswahl der Inhalte_______________________________6 1.3.2 Die Auswahl der physikalischen Inhalte ____________________________7

1.4 Die Rolle der Musikinstrumente __________________________________ 15 1.4.1 Der handlungsorientierte Aspekt _________________________________15 1.4.2 Die Zuordnung der Inhalte zu den Instrumenten _____________________15

1.5 Der Einsatz des Computers in der Akustik _________________________ 16 1.5.1 Schallaufzeichnung mit dem Computer ____________________________16 1.5.2 Computer oder Oszilloskop _____________________________________17 1.5.3 Die Auswahl der eingesetzten Software____________________________17

1.6 Die Lernziele der Unterrichtsreihe ________________________________ 18 1.6.1 Fachunabhängige Lernziele _____________________________________18 1.6.2 Physikalische Lernziele ________________________________________18 1.6.3 Musikalische Lernziele_________________________________________20

1.7 Methodische Überlegungen _____________________________________ 21 1.7.1 Methodische Konzepte und Leitideen _____________________________21 1.7.2 Einstiege und Motivation _______________________________________21 1.7.3 Experimente und Sozialformen __________________________________22 1.7.4 Hilfestellung, Sicherung, Wiederholung ___________________________23

2 Durchführung________________________________________________24

2.1 Tabellarische Übersicht zur Unterrichtsreihe _______________________ 24

2.2 Einstieg und Grundlagen (1. bis 4. Stunde) ________________________ 25

2.3 SP1: Schallaufzeichnung mit dem Computer (5./ 6. Stunde) _________ 27 2.3.1 Einzelheiten zur Stundenplanung _________________________________27 2.3.2 Geplanter Ablauf der 5. und 6. Stunde _____________________________28 2.3.3 Durchführung ________________________________________________28 2.3.4 Reflexion ___________________________________________________30

2.4 Klänge und Geräusche (7. Stunde) _______________________________ 32

2.5 SP2: Schallarten und Frequenzspektren (8. Stunde) ________________ 32 2.5.1 Einzelheiten zur Stundenplanung _________________________________32 2.5.2 Geplanter Ablauf der 8. Stunde __________________________________34 2.5.3 Durchführung ________________________________________________34 2.5.4 Reflexion ___________________________________________________35

iii

2.6 Eigenschwingungen und Blasinstrumente (9. bis 11. Stunde) _________ 37

2.7 Schallausbreitung und Schallgeschwindigkeit (12. Stunde) ___________ 38

3 Gesamtreflexion _____________________________________________39

3.1 Die Auswertung der Lernkontrolle ________________________________ 39

3.2 Überprüfung der Lernziele ______________________________________ 40

3.3 Die Instrumente _______________________________________________ 41

3.4 Der Computereinsatz___________________________________________ 42

3.5 Fazit _________________________________________________________ 43

4 Anhang______________________________________________________ I

4.1 Ein bunter Eindruck... ____________________________________________ I

4.2 Arbeitsblätter___________________________________________________ II

4.3 Vier Bearbeitungsbeispiele zur Lernkontrolle _______________________ XII

4.4 Beispiele einsetzbarer Software __________________________________XXI

4.5 Literaturverzeichnis ___________________________________________XXIV

4.6 Abbildungsverzeichnis_________________________________________XXVI

4.7 Erklärung___________________________________________________ XXVII

Seite 1

1 Planung

1.1 Grundsätzliches zum Thema

1.1.1 Schwerpunkte der Arbeit Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht eine Unterrichtsreihe zur Akustik im

Physikunterricht einer 7. Klasse, die unter der besonderen Berücksichtigung

zweier Schwerpunkte geplant, durchgeführt und analysiert werden soll: Der

eine Schwerpunkt sind die „einfachen Musikinstrumente“ als zu un-

tersuchende Objekte, der andere ist der Computer mit Soundkarte als

experimentelles Mittel, mit dem diese untersucht werden sollen.

Das „Einfache“ an den Instrumenten ist in erster Linie im Sinne der Physik

zu verstehen, d.h. es sind Instrumente gemeint, an denen die physikalischen

Grundprinzipien der Klangerzeugung möglichst einfach zu erkennen sind.

Daneben bezieht sich das Wort „einfach“ auch auf die Herstellung: We-

sentlicher Bestandteil des Konzeptes ist, dass die Schülerinnen und Schüler

selbst Musikinstrumente anfertigen, die dann im Zentrum der Untersuchun-

gen stehen. Dadurch bekommen alle Schülerinnen und Schüler Gelegenheit,

sich eigenständig und handelnd mit den akustischen Phänomenen auseinan-

derzusetzen, die sonst denen vorbehalten sind, die ein Instrument spielen.

Die Verbindung von Physik und Musik bietet im besonderen Maße die

Möglichkeit das sonst sehr kognitiv orientierte naturwissenschaftliche Fach

mit emotionalen Erlebnissen zu bereichern. Die physikalische Beobachtung

findet hierbei mindestens über zwei Kanäle - Sehen und Hören - statt. Von

der Wahl der beiden Schwerpunkte erhoffe ich mir letztendlich motivie-

rende Elemente für den Physikunterricht: Das Herstellen und Experimentie-

ren mit den Instrumenten soll sowohl praktisch-handwerklich, als auch mu-

sisch-künstlerisch interessierte Schülerinnen und Schüler für die Physik ge-

winnen, der Computereinsatz dagegen technisch interessierte motivieren.

1.1.2 Einordnung des Themas in den Rahmenplan Physik Die Akustik finden wir im Rahmenplan Physik5 für die Jahrgangsstufe 7 im

Rahmenthema „Licht und Schall“. Unter der Überschrift „Schallerzeugung

5 HESSISCHES KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Physik, Sek. I, Frankfurt/M. 1996, S. 12/18

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und Schallausbreitung“ werden folgende verbindliche Inhalte genannt6: 1. Schallquellen 4. Reflexion des Schalls 6. Schallgeschwindigkeit 2. Schwingungen 5. Lärm und Lärmschutz 3. Entstehung von hohen, tiefen, lauten und leisen Tönen

Hinter diesen verbindlichen Inhalten steht im Rahmenplan in der Erschlie-

ßungskategorie „Natur und Umwelt“ der Schall als unmittelbar wahrnehm-

bares Phänomen, das Hören als Wahrnehmungsvorgang, natürliche Schall-

ereignisse wie der Donner und die Belastung durch Lärm als Auswirkung

physikalisch-technischer Entwicklungen auf die Lebenswelt. In der Er-

schließungskategorie „Alltag und Technik“ finden wir an gleicher Stelle

Geräte zur Wiedergabe und Übertragung akustischer Information und

Lärmschutzmaßnahmen. Die Erschließungskategorie „Fachwissenschaft“

betont den Schwingungsbegriff mit seinen charakteristischen Größen.

1.1.3 Verbindungen zum Fach Musik Die Kooperation der Fächer Physik und Musik bei der Akustik ist nahe-

liegend und laut Rahmenplan Physik auch „empfehlenswert“5. Die prak-

tische Umsetzung dieser Zusammenarbeit wird jedoch erschwert, da die

Akustik von Seiten der Physik in die 7. Jahrgangsstufe gehört, in der bei uns

kein Musikunterricht stattfindet. Dennoch möchte ich kurz auf die Verbin-

dungen des Themas zum Fach Musik eingehen.

Die Inhalte des Faches Musik sind in dem aktuellen Rahmenplan7 nach ver-

schiedenen Umgangsweisen mit Musik gegliedert. Dabei sind die für uns

relevanten Aspekte hauptsächlich unter den Umgangsweisen (1) „Musik ma-

chen mit Stimme, Instrumenten, technischen Medien“ und (8) „Elemente der

Musiklehre ableiten und anwenden“ zu finden. Bei (1) wird der Einsatz

selbst gebauter Instrumente empfohlen (S. 6), sowie der kreative Einsatz

technischer Medien zur Schallaufzeichnung und Wiedergabe thematisiert.

Zu den unter (8) genannten Elementen der Musiklehre zählen „Kenntnisse,

die sich aus den musikalischen Eigenschaften Tondauer, Tonintensität,

Tonhöhe und Klangfarbe und Form ableiten lassen.“ (S. 9) Hier wird die

Verbindung zur physikalischen Begriffsfindung deutlich. Dabei muss klar

6 Das interne Curriculum der Prälat-Diehl-Schule ergänzt diese Aufzählung lediglich um einen Richtwert von acht Unterrichtsstunden für den Zeitbedarf. 7 HESSISCHES KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Musik, Sek. I, Frankfurt/M. 1997

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sein, dass für beide Fächer ein wesentliches Lernziel noch vor den Begriffen

selbst steht: die Schulung der auditiven Wahrnehmung, das Hören, Erken-

nen und Unterscheiden der akustischen Phänomene selbst8.

Im unterrichtspraktischen Teil nennt der Rahmenplan Musik noch die fol-

genden für uns relevanten Ziele: Die Schülerinnen und Schüler sollen

„Fertigkeiten im Umgang mit Stimme und im elementaren Instrumentalspiel

erworben haben“ und „verschiedene Instrumente, ihren Klang und ihre

Spielweise kennen“ (Klassen 5/6), „Kenntnisse über traditionelle Instru-

mente erweitert haben...“ und „Kenntnisse über elektronisches Instrumenta-

rium bei der Produktion und Vermittlung von Musik gewonnen haben“

(Klassen 7/8). Im Thema „Instrumente in Pop und Klassik“ (Klassen 5/6)

sollen die Schülerinnen und Schüler u.a. „typische Instrumente vom Klang

und Bild her kennen und unterscheiden lernen“ und „grundlegende Klang-

erzeugungsarten erforschen“ (S. 22). Stärker als im Rahmenplan finden wir

physikalische Aspekte in Schulbüchern für den Musikunterricht.9

Die Auswahl der Inhalte und Ziele dieser Unterrichtsreihe soll von den In-

teressen der Physik her erfolgen. Dennoch wird deutlich, dass die Schüle-

rinnen und Schüler gleichzeitig auch für ihren Fortgang im Musikunterricht

profitieren können. Da der aktuelle Rahmenplan Musik offen lässt, inwie-

fern akustische Grundlagen im Musikunterricht behandelt werden, ist die

Absprache im konkreten Fall notwendig, um reine Wiederholungen zu ver-

meiden und gegenseitigen Gewinn zu ermöglichen.

1.2 Die Lerngruppe und weitere Rahmenbedingungen Die Unterrichtsreihe habe ich in der 7b vom 10.2. bis zum 19.3.1999 ge-

halten. In dieser Klasse unterrichte ich seit Beginn des Schuljahres 1998/99

eigenverantwortlich Mathematik und Physik. Im ersten Halbjahr haben wir

uns mit Optik beschäftigt, wobei deutlich wurde, dass die Klasse zum einen

durch interessante Versuche und Erlebnisse gut motiviert werden kann, zum

anderen die Schülerinnen und Schüler aber ohne besondere Impulse nur

verhaltenes Interesse an physikalischen Fragestellungen mitbringen. Bei

8 Siehe auch Umgangsweise (3) „Musik hören“, Rahmenplan Musik S. 7 9 z.B. PRINZ., U./SCHEYTT, A. U.A.: Musik um uns 2 (3. Aufl.), Hannover 1993, S. 166ff und PRINZ., U./SCHEYTT, A. U.A.: Musik um uns 1 (3. Aufl.), Hannover 1991, S. 212ff

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schwierigeren Problemen fehlt teilweise das Durchhaltevermögen, um

Lösungen eigenständig zu erarbeiten. Diese Einschätzung möchte ich an-

hand zweier charakteristischer Situationen erläutern:

Zu Beginn der Optik soll das Licht als Voraussetzung für das Sehen erkannt

werden. Im vollständig verdunkelten Physikraum befinden sich zwei Spiel-

zeugtiere unter einer dimmbaren Lampe, die nach und nach heller geregelt

wird. Mit unglaublichem Eifer versuchen die Schülerinnen und Schüler ihre

Wahrnehmungen zu beschreiben und zu erraten, was zu sehen ist. Alle sind

motiviert und beteiligt. Im zweiten Beispiel sollen die Schülerinnen und

Schüler die wechselnde Gestalt des Mondes erklären, indem sie gruppen-

weise experimentieren: Zwei OH-Projektoren simulieren das Sonnenlicht,

die Erde spielen sie selbst und eine Holzkugel lassen sie als Mond um sich

kreisen. Eine anspruchsvolle Aufgabe, die Beobachtungen in eine zwei-

dimensionale Darstellung auf einem Arbeitsblatt zu übertragen. Dennoch

überraschen mich Äußerungen wie: „Wozu müssen wir das wissen? Ich

schaue mir den Mond eh nie an!“ Formale Überlegungen ohne konkrete

Operationen stellen altersgemäß für die meisten Schülerinnen und Schüler

noch eine Überforderung dar. Dies wurde z.B. bei der Thematisierung des

Modellbegriffs (Lichtstrahl/Sender-Empfänger) deutlich10.

Da in der siebten Klasse bei uns kein Musikunterricht stattfindet, habe ich

die 7b selbst nicht im Musikunterricht erlebt. Von ihrem ehemaligen Musik-

lehrer weiß ich, dass traditionelle Musikinstrumente behandelt, aber keine

selbst gebaut wurden. Zwei Schülerinnen spielen Klarinette, ein Schüler

spielt Geige. Mehrere haben Blockflöte gespielt, scheinen es aber nicht

mehr zu praktizieren. Drei Mädchen spielen Klavier, eine Orgel und auch

Keyboard wird zweimal genannt. Ein Junge hat Gitarre und Trompete

gespielt, einer nennt Schlagzeug.

Ein auffälliges Merkmal der Lerngruppe ist die ungleiche Verteilung der

Geschlechter: Die 7b besteht aus 18 Schülerinnen und nur 8 Schülern. Gra-

vierender machen sich jedoch die Unterschiede im Arbeits- und Sozialver-

halten bemerkbar. Die Gruppe der Jungen teilt sich in vier sehr stille und

vier stark verhaltensauffällige Schüler auf, die durch ihr extrem unkonzen-

10 zu entwicklungspsych. Aspekten vgl. GUDJONS, H.: Päd. Grundwissen, Bad Heilbrunn 1993, S. 114

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triertes und unruhiges Verhalten leider einen sehr großen Anteil der Leh-

reraufmerksamkeit auf sich ziehen. Die überwiegende Mehrheit bearbeitet

gestellte Aufgaben dagegen zuverlässig und die Physikhefte werden insge-

samt ordentlich und gründlich geführt. Die Leistungsstarken der Klasse sind

allesamt eher ruhiger Natur und wollen sich ihrer Sache sicher sein, bevor

sie sich den anderen mitteilen. Von den vier „Störenfrieden“ haben drei im

ersten Halbjahr in Physik eine 5 bekommen. Einer von ihnen hat das Klas-

senziel in fast keinem Fach erreicht. Durch seine Fremdsprachenwahl hat er

jedoch keine Möglichkeit die Schule zu wechseln und so sitzt er in der

Regel die Zeit im Unterricht ab, wobei er oft stört und andere ablenkt.

Die Schülerinnen und Schüler sind es gewohnt Aufgaben und Experimente

tischgruppenweise zu bearbeiten. Dabei ist es üblich, dass jeder für die Dar-

stellung des Ergebnisses in seinem Heft verantwortlich ist, gleichzeitig aber

pro Stunde ein Gruppenergebnis abgegeben wird. In solchen Übungs- und

Experimentierphasen wirkt sich die Konzentrationsschwäche einzelner nicht

so stark auf die anderen aus. Die Gruppenergebnisse zeigen jedoch entspre-

chend unterschiedliche Qualität.

Die wichtigsten Aspekte möchte ich noch einmal kurz zusammenfassen:

(1) Die Lerngruppe zeichnet sich nicht durch besonders starkes Eigen-interesse an physikalischen oder musikalischen Fragestellungen aus, lässt sich aber durch motivierende Impulse begeistern.

(2) Das Durchhaltevermögen in schwierigen und komplexen Aufgaben-stellungen ist nur mäßig ausgeprägt. Überforderungen, insbesondere formal-operative Probleme, wirken schnell demotivierend.

(3) Die wichtigsten Musikinstrumente sind einigermaßen bekannt, aber re-lativ wenige erlernen intensiver eine Instrument.

(4) Der Hauptteil der Klasse arbeitet zuverlässig und gewissenhaft mit, es gibt keine „Vielredner“, alle Leistungsstarken sind eher stiller Natur.

(5) Vier Schüler sorgen für permanente Unterrichtsstörungen und sind nur sehr schwer in den Unterricht zu integrieren.

(6) Gruppenarbeiten sind von der Klasse her möglich und vorteilhaft, wenn die technischen Voraussetzungen gegeben sind.

Der Physikunterricht der 7b liegt normalerweise in zwei Einzelstunden, ich

kann jedoch mit den Mathematikstunden so disponieren, dass ich bei Bedarf

auch Doppelstunden zur Verfügung habe. Schwierig gestaltet sich die Com-

puterausstattung: Nur nach einigen Mühen konnte ein älterer Rechner

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(486er mit 33MHz) aus einer Spende für die Mittelstufe soundfähig gemacht

werden. Bessere Rechner gibt es nur im Oberstufengebäude, das gut zehn

Minuten Fußweg von der Mittelstufe entfernt ist. Nach Absprache mit den

Kollegen der Informatik und Arbeitslehre besteht auch die Möglichkeit ein

schwarzweiß LCD-Display für den OH-Projektor aus dem Informatikraum

zu leihen, sodass der Bildschirminhalt projiziert werden kann.

1.3 Didaktische Analyse

1.3.1 Kriterien für die Auswahl der Inhalte Ich halte die Platzierung der Akustik im Physik-Anfangsunterricht der

Klasse 7 für geeignet. Durch Optik, Akustik und Wärmelehre im ersten Jahr

des Physikunterrichts wird direkt an drei Kanäle unseres Natur- und Um-

welterlebens angeknüpft. Gerade die Akustik mit ihrer Verbindung zur Mu-

sik kann und muss viele Bezüge der Physik zur Alltagswelt der Schülerin-

nen und Schüler bieten. Für nahezu alle Jugendliche spielt Musik eine sehr

wichtige Rolle im Alltag. In den folgenden Überlegungen kommt es darauf

an, diesen Bezug zu nutzen, um den Schülerinnen und Schülern den Lohn

physikalischer Auseinandersetzung mit der Umwelt deutlich zu machen.

Akustikunterricht in dieser Phase muss sich weitestgehend auf ein Kennen-

lernen und Beschreiben grundlegender und exemplarischer Phänomene be-

schränken, da jegliche Mathematisierung weit über das Abstraktionsniveau

und das mathematische Werkzeug der siebten Klasse hinausgeht. Von der

sinnvollen Wahl dieser Phänomene, ihrer Reduktion auf ein angemessenes

Niveau und ihrer Einbettung in die Welt der Jugendlichen wird maßgeblich

der Erfolg der Unterrichtsreihe abhängen. Dabei müssen die Möglichkeiten

der didaktische Reduktion und des Lebensweltbezugs bereits während der

Wahl der Inhalte geprüft werden, da Inhalte ohne entsprechende Eignung

nicht sinnvoll unterrichtet werden können. W. BLEICHROTH11

nennt als

notwendige Bedingungen zu einer sinnvollen Auswahl physikalischer

Unterrichtsinhalte zusammenfassend die Forderung

1. der prinzipiellen Konformität des Inhalts mit Leitzielen des Faches, 2. der Motivierbarkeit des Inhalts im Bezug zur Lerngruppe, und

11 in BLEICHROTH, W. U.A.: Fachdidaktik Physik (2. Aufl.), Köln 1999, S. 108

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3. der Elementarisierbarkeit des Inhalts auf ein der Gruppe angemessenes Niveau.

Das Kennenlernen der Phänomene wird ohne eigenes Beobachten in der

Regel nicht möglich sein. Daher halte ich als weitere Forderung die experi-

mentelle Realisierbarkeit für unverzichtbar: Sinnvolle Unterrichtsinhalte für

diese Klassenstufe müssen den Schülerinnen und Schülern experimentell

(oder zumindest bildlich) bereitgestellt werden. Zwar ist die Frage berech-

tigt, ob es Inhalte gibt, die ohne Anschauungsobjekt motivierbar und ele-

mentarisierbar sind, die Überlegung macht jedoch deutlich, dass die didakti-

schen Entscheidungen bezüglich der Inhalte nicht losgelöst von experimen-

tellen, also fachmethodischen, Entscheidungen getroffen werden können.

Ziele? Welchen Gewinn haben die Lernenden durch die Behandlung des Inhalts

Motivierbar? Wodurch wird der Inhalt

für die Lerngruppe interessant?

Inhalt meist physikalisches

Phänomen oder physikalischer Begriff

Objekt/Experiment? Woran wird der Inhalt im

Unterricht untersucht?

Elementarisierbar? Wie lässt sich der Inhalt

auf ein angemessenes Niveau reduzieren?

Abbildung 1 Bedingungsfelder für die Auswahl der Inhalte

Aus Platzgründen kann ich bei der Erörterung nicht auf alle Aspekte einge-

hen, sondern muss mich auf die wesentlichsten Überlegungen beschränken.

1.3.2 Die Auswahl der physikalischen Inhalte 1.3.2.1 Schallerzeugung

Die grundlegenden Inhalte aus dem Bereich Schallerzeugung (im Rahmen-

plan: Schallquellen, Schwingungen und Entstehung von hohen, tiefen, lauten

und leisen Tönen) bedürfen keiner langen Überlegung: Ohne Schallquellen

gibt es keinen Schall, und ohne dem Schwingungsbegriff und den zugehöri-

gen Größen Frequenz und Amplitude lässt sich wohl kaum eine physikali-

sche Aussage zu akustischen Phänomenen machen. Diese Inhalte sind ent-

sprechend Standard in Physik- und Musikbüchern.

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Das Thema dieser Arbeit gibt uns bestimmte Schallquellen in die Hand, von

denen wir uns eine motivierende Wirkung erhoffen. Bleibt die Frage, ob

diese als Untersuchungsobjekte ausreichend sind, oder ob außer den Musik-

instrumenten andere Schwingungserzeuger nötig bzw. hilfreich erscheinen.

An Saiteninstrumenten oder Stimmgabeln lassen sich die Grundbegriffe der

Akustik gut erfassen. Jedoch haben Schallschwingungen den Nachteil, dass

sie zu schnell für unsere Augen sind. Wir müssen entweder Hilfsmittel zur

Sichtbarmachung einsetzen oder ergänzend langsame Schwingungen be-

trachten. Die Schwingung einer Saite kann mit einfachsten Mitteln qualitativ

sichtbar gemacht werden, indem wir Papierreiter auf ihr tanzen lassen.

Ähnliches bewirken Kügelchen oder Sand auf schwingenden Membranen

(z.B. Lautsprecher). Mit der Schreibstimmgabel lässt sich auf einfache

Weise ein zeitlicher Verlauf aufzeichnen. Durch Zeitlupendarstellung einer

Hochgeschwindigkeitsaufnahme oder mit dem Stroboskop lassen sich

Schwingungsvorgänge genau mit dem Auge verfolgen.

Zur Einführung der Begriffe Frequenz und Amplitude wird üblicherweise

auf ein langsames Fadenpendel zurückgegriffen. Ich finde den Einsatz einer

Blattfeder sinnvoller. An ihr lassen sich hörbare und langsame Schwingun-

gen erzeugen, der direkte Zusammenhang zwischen Frequenz und Tonhöhe

bzw. Amplitude und Lautstärke kann gut beobachtet werden. Ohne vorher-

gehende Betrachtung interessanterer Schallerzeuger, lässt sich die Untersu-

chung der Blattfeder aber schlecht motivieren.

1.3.2.2 Schallausbreitung und Wellenbegriff

Physikalisch gesehen ist Schall ein zeitlich und räumlich periodischer Vor-

gang, also eine Welle. Die Wellenvorstellung ist sicherlich ein physikali-

sches Konzept herausragender Bedeutung, was für die Thematisierung die-

ses Aspekts im Unterricht spricht. Allerdings erscheint es illusorisch, dass

Schülerinnen und Schüler der Klasse 7 in dem gesetzten Zeitrahmen eine

räumliche Vorstellung einer zeitlich variierenden Dichteverteilung ent-

wickeln können. Nach meiner Erfahrung gibt es dabei auch in halbjährigen

Oberstufenkursen zu Schwingungen und Wellen noch genug Schwierigkei-

ten. Andererseits kann der räumliche Aspekt der Schallausbreitung nicht

ganz ausgespart bleiben.

Seite 9

Mögliche Elementarisierungen sehe ich in der Veranschaulichung der

Schwingungsfortpflanzung mithilfe einer Schraubenfeder oder einem Mag-

netrollenmodell. Diese machen den longitudinalen Charakter der Schallwel-

len in Luft

deutlich, ohne

dass entspre-

chende Wel-

lenbegriffe eingeführt werden müssen. Angeregt durch die Beobachtung

einer Schallquelle unter der Vakuumglocke, können sie vorläufig als Ant-

wort auf die Frage dienen, wie der Schall zum Ohr gelangt. Schallausbrei-

tung in anderen Medien lässt sich z.B. mit dem „Fadentelefon“ demonstrie-

ren und sollte meiner Meinung nach im Zusammenhang mit Lärmschutz

behandelt werden.

1.3.2.3 Reflexion des Schalls

Hinter dem verbindlichen Inhalt Reflexion des Schalls stehen die Phäno-

mene Echo und Hall aus dem Alltag. HUYGENSsches Prinzip oder stehende

Wellen ergeben ohne Wellenbegriff keinen Sinn. Das Reflexionsgesetz kann

mit relativ einfachen Experimenten12 bestätigt werden, hat aber seine Be-

deutung eigentlich nur innerhalb einer geometrischen Akustik, in der Rich-

tungsbetrachtungen die entscheidende Rolle spielen (Ultraschallbereich). Im

hörbaren Bereich treten Wellen mit einer einzigen Ausbreitungsrichtung

(ebene Wellen) praktisch nicht auf, außerdem macht das Konzept von

Schallstrahlen durch die starke Beugung dort nicht viel Sinn. Von daher

eignet sich als Unterrichtsinhalt an dieser Stelle lediglich der Fakt, dass

Schall an Gegenständen reflektiert wird und dadurch Hall und Echo entste-

hen. Dies kann am ehesten durch Hörbeispiele motiviert werden, in denen

Geräusche in verschiedenen Räumen bzw. im Freien verglichen werden.

1.3.2.4 Die Schallgeschwindigkeit und ihre Messung

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls spielt für die Musikinstru-

mente eine große Rolle: Über die Beziehung c = λ f wird der

Zusammenhang zwischen geometrischen Abmessungen eines Instruments

12 Ein typisches Experiment ist eine durch einen Reflektor hörbar gemachte Uhr in einem Becherglas. (z.B. in GRESSMANN, M./MATHEA, W.: Fundgrube f. d. Physikunt., Berlin 1996, S. 199)

Abbildung 2 Magnetrollenmodell zur Schallausbreitung

Seite 10

und der erklingenden Tonhöhe beschrieben. Daher erklingen Blasinstru-

mente oder die menschliche Stimme anders, wenn wir sie mit einem anderen

Gas als Luft (z.B. mit Helium) betreiben. Diese Zusammenhänge benötigen

jedoch Überlegungen zu stehenden und damit auch zu fortschreitenden

Wellen, auf die wir ja aus den dargestellten Gründen verzichten wollen.

Die meisten Schülerinnen und Schüler haben den Begriff Schallgeschwin-

digkeit sicherlich schon gehört (Düsenflugzeuge/Überschallknall). Das Phä-

nomen der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls begegnet

ihnen am ehesten im Echo oder in der bekannten Regel zur Bestimmung der

Entfernung eines Gewitters. Anknüpfend an das Echo ist es naheliegend, mit

den Schülerinnen und Schülern über Möglichkeiten der Messung nach-

zudenken. Bei genügend Zeit wäre der Vergleich einer einfachen Lauf-

zeitmessung über große Entfernungen13 und einer Messung mit zwei Mikro-

fonen am Computer interessant.

1.3.2.5 Schallarten und Frequenzanalyse

Es gibt verschiedene Möglichkeiten Schallarten zu unterscheiden.

M. GRESSMANN und W. MATHEA14 benutzen eine Unterscheidung in Ton,

Klang, Laut, Geräusch und Knall. Ich selbst halte zunächst nur eine Unter-

scheidung von Geräuschen und Klängen für sinnvoll, da diese (relativ) ein-

deutig ist. Laut Höreindruck liegt ein Klang vor, wenn eine (einige wenige)

feste Tonhöhe(n) erkennbar ist (sind). Beim Schwingungsbild ist die

Periodizität das entscheidende Kriterium. Ein Knall braucht als besonders

kurzes Geräusch nicht extra aufgeführt zu werden, und die von Stimmbän-

dern produzierten Laute werden in der Regel zu den Klängen gehören.

Nach der Betrachtung der Schwingungsbilder unterschiedlicher Klänge ist

die Frage interessant, welcher Klang sich am ehesten für einen Hörtest eig-

net. Der reine Sinuston erhält seine herausragende Bedeutung als Spezialfall

durch die Fourieranalyse, die mathematisch natürlich noch nicht zu

verstehen ist. Die Schülerinnen und Schüler können jedoch mithilfe des

Spektrums erkennen, dass nur Stimmgabel oder Sinusgenerator scharfe Fre-

quenzen produzieren. Spektralanalyse ist eine der fruchtbarsten physika-

13 z.B. in HEEPMANN, B. U.A.: Physik für die Sekundarstufe I Klasse 7 (Hessen), Berlin 1996, S. 57 14 GRESSMANN, M./MATHEA, W.: Die Fundgrube f. d. Physikunterricht, Berlin 1996, S. 187f

Seite 11

lischen Methoden in den unterschiedlichsten Gebieten. Ich denke, dass es an

dieser Stelle möglich ist, bereits die Grundidee phänomenologisch und

qualitativ zu vermitteln.

Alternativ oder ergänzend zu der analytischen Betrachtung von Frequenz-

spektren könnte man am Computer auch die Synthese demonstrieren, indem

man versucht, Schwingungsbilder durch Überlagerung harmonischer

Schwingungen nachzubilden15. Ich habe mich für den ersten Weg entschie-

den, da Fourieranalysatoren, wenn auch nur sehr grobe, bereits an vielen

Stereoanlagen vorhanden sind und deshalb näher am Erfahrungsbereich der

Schülerinnen und Schüler liegen. Den Überlagerungsbegriff möchte ich

nicht näher thematisieren16. Allerdings bietet es sich an, eine Schwebung

phänomenologisch als Beispiel zu präsentieren.

1.3.2.6 Eigenschwingungen und Obertöne

Auch wenn die Betrachtung stehender Wellen für uns nicht in Frage kommt,

fasst M. WAGENSCHEIN das Elementare hinter der Thematik Eigenschwin-

gungen so zusammen, dass es auch für unsere Zwecke erreichbar erscheint:

„Eine Saite kann als Ganzes schwingen, sie kann auch in Abteilungen, und dann schneller, schwingen. Sie kann sogar beides gleichzeitig tun und tut es immer. Entsprechend hört ein feines Ohr, wie außer dem Grundton noch leise Obertöne mit einklingen. Das ist auch bei Flöten und Trompeten und in allen Instrumenten so. Und bei jedem Instrument sind diese Obertöne an-dere. So klingt eine Geige anders als eine Flöte, auch wenn sie denselben Ton spielt und ebenso laut. Jedes Instrument hat so seine eigene ,Klangfarbe’.“ 17

Hörbar werden die Eigenschwingungen einer Saite z.B. bei den Flageolett-

tönen einer Gitarre, sichtbar besser bei einem gespanntem Gummiseil, das

über einen Exzenter von einem Motor in Schwingung versetzt wird. Ganz

analog können wir die Naturtöne eines Blechblasinstruments mit den Staub-

figuren im KUNDTschen Rohr vergleichen. Die Frequenzspektren legen das

gleichzeitige Auftreten dieser Eigenschwingungen nahe und führen zum Be-

15 siehe z.B. LINNEMANN, P.: Darstellung beliebiger Funktionen durch eine Fourierreihe unter Einsatz eines Mikrocomputers, Praxis der Naturwissenschaften Physik 8/36 (1987), S. 2-12 16 Er betont stärker die theoretische Seite während ich mich auf die phänomenologische Betrachtung konzentrieren möchte. 17 WAGENSCHEIN, M.: Die pädagogische Dimension der Physik, Braunschweig 1962, S. 236

Seite 12

griff der Klangfarbe. Je nach Zeit, können noch Eigenschwingungen zwei-

dimensionaler Gebilde an CHLADNIschen Klangfiguren betrachtet werden.18

1.3.2.7 Tonleitern, Intervalle und Stimmungen aus physikalischer Sicht

Flageoletttöne werden bei einem Saiteninstrument erzeugt, indem man mit

dem Finger Schwingungsknoten erzwingt. Dies gelingt aufgrund der

Oberschwingungen genau bei der Hälfte, einem Drittel, ... der Saite. Wegen

c = λ f entspricht der Kehrwert dieser Saitenteile dem Frequenzverhältnis

des jeweiligen Intervalls vom Ausgangston zum entsprechenden Oberton.

Abbildung 3 Die Schwingungsmodi einer Saite oder Luftsäule ergeben die Obertonreihe

Entsprechend lassen sich die Frequenzverhältnisse aller Intervalle einer

Tonleiter ableiten. Die aus dieser reinen Stimmung resultierenden Frequen-

zen der C-Dur-Tonleiter sind in der folgenden Tabelle dargestellt19. Prime gr. Sek. gr. Terz Quarte Quinte gr. Sexte gr. Sept. Oktave

Ton c’ d’ e’ f’ g’ a’ h’ c’’ Frequenzverhältnis 1/1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2/1 Frequenz in Hz bei reiner Stimmung 264 297 330 352 396 440 495 528

Frequenz in Hz bei temperierter Stimmung 262 294 330 349 392 440 494 524

Eine solche Berechnung der Frequenzen, führt allerdings in Abhängigkeit

vom Grundton zu unterschiedlichen Ergebnissen, Musikstücke können nicht

in andere Tonarten transponiert werden. Bei der temperierten Stimmung

bleibt nur das 2:1-Verhältnis der Oktave gültig, die anderen Frequenzen

werden angeglichen. Diese Zahlenverhältnisse der reinen Stimmung spielen

18 CHLADNIsche Figuren von Geigenhölzern und Paukenfellen findet man z.B. in WINKLER, K. U.A.: Die Physik der Musikinstrumente (2. Auflage), Heidelberg, Berlin 1998 19 nach EGGEBRECHT, H.H. [HRSG.]: Meyers Taschenlexikon Musik in 3 Bd., Mannheim 1984 und HEEPMANN, B. U.A.: Lehrerbuch zu Cornelsen Physik f. d. Sek. 1 Klasse 7 (Hessen), Berlin 1996

Seite 13

schon in der pythagoreischen Harmonielehre eine wichtige Rolle. Sie führen

zu einer mathematischen Beschreibung der Intervalle20:

• Die Quinte von der Quarte ergibt die Oktave: 32

43

21⋅ =

• Große Terz und Quarte ergeben die große Sexte: 54

43

53⋅ =

• Große Terz und Quinte ergeben die große Septime: 54

32

158⋅ =

• Zwischen großer Sexte und Oktave liegt eine kleine Terz: 21

53

65: =

Das Zusammenspiel von musikalischen Zusammenhängen, ihren physikali-

schen Hintergründen und einer mathematischen Modellierung ist hier ein-

drucksvoll zu erkennen. Dennoch halte ich die Behandlung dieser Inhalte

unter den gegebenen Rahmenbedingungen nicht für sinnvoll. Nur bei di-

rekter Kooperation von Musik-, Physik- und Mathematikunterricht ist der

Umfang dieses Themenkomplexes für die einzelnen Fächer im Maß zu

halten. Allein die musiktheoretischen Grundlagen bedürften einer

ausführlichen Wiederholung. Es bleibt uns daher nichts anderes übrig, als

uns im Wesentlichen auf die Entsprechungen von Halbierung der Saiten-

länge, Verdopplung der Frequenz und Oktavsprung zu beschränken.

1.3.2.8 Erzwungene Schwingungen und Resonanz

Der unter 1.3.2.6 beschriebene Inhaltskomplex hängt eng mit den Fachbe-

griffen der erzwungenen Schwingung und der Resonanz zusammen. Bei den

stehenden Seilwellen und dem KUNDTschen Rohr handelt es sich ja eigent-

lich um Resonanzphänomene bei erzwungenen Schwingungen. Im Bezug

auf Musikinstrumente werden diese Begriffe leicht verwechselt, wenn man

statt von Klangkörpern von Resonanzkörpern spricht. Um ein gleichmäßiges

Klangbild bei einem Instrument zu erhalten, darf der Klangkörper gerade

keine ausgeprägten Resonanzen im entsprechenden Frequenzbereich zeigen.

Die erzwungene Schwingung oder das „Mitschwingen“ ist das Grundprinzip

der Klangverstärkung bei akustischen Instrumenten. Dieses können die

Schülerinnen und Schüler gerade durch den Eigenbau von Instrumenten er-

kunden. Das Phänomen der Resonanz kann gut bei Saiteninstrumenten oder

20 K. PETERS und M. LAGEMANN berechnen in ihrer Unterrichtsreihe in der Klasse 6 hieraus das Pythagoreische Komma als Abweichung der theoretischen Saitenlängen bei zwölf Quintsprüngen

( )[ ]23

12 und sieben Oktavsprüngen ( )[ ]1

2

7. Diese Differenz wird bei der temperierten Stimmung

vertuscht. (PETERS, K./LAGEMANN, M.: Der Mathematikunterricht 6-1998, S. 11-21)

Seite 14

Stimmgabeln beobachtet werden: Gleich oder oktavweise gestimmte Saiten

geraten besonders stark ins Mitschwingen.

1.3.2.9 Energietransport und Energieerhaltung

Durch Experimente mit Klangkörpern können die Schülerinnen und Schüler

leicht auf den Gedanken kommen, dass der Klang eines Instrumentes durch

Vergrößerung desselben beliebig verstärkt werden kann. Physiker wissen

sofort, dass eine Schallwelle Energie transportiert, die erhalten bleibt.

Womit wird also der Lautstärkegewinn „bezahlt“? Die Antwort geben zwei

identische Stimmgabeln, die durch aneinanderstoßen gleich laut klingen.

Wird eine davon mit einem Klangkörper verbunden, ist sie sehr viel lauter

zu hören als die andere. Ist ihr Ton verklungen, klingt die andere aber immer

noch. Ohne die Begriffe Energie und Energietransport thematisieren zu

müssen, kann an dieser Stelle propädeutisch auf den Energiesatz

hingearbeitet werden: Ohne Energiezufuhr erhalten wir Lautstärke nur auf

Kosten der Klangdauer.

1.3.2.10 Lärm und Lärmschutz

Die Erziehung zu ökologisch verantwortlichem Handeln ist eins der wichtig-

sten Bildungsziele21. Deshalb sollte das Thema Lärm und Lärmschutz im

Akustikunterricht in Klasse 7 auf keinen Fall fehlen. Dennoch führt es von

der Untersuchung von Musikinstrumenten eher weg. Zwar hat das Thema

eine besondere Bedeutung für Musiker, es wäre jedoch zu einseitig, den

Umweltaspekt der Akustik darauf zu reduzieren. Ich habe mich daher ent-

schieden, diesen Bereich in der vorliegenden Unterrichtsreihe auszusparen

um ihn anschließend in einer unabhängigen Einheit zu behandeln.22

1.3.2.11 Aufzeichnung und Wiedergabe von Schall

Die Aufzeichnung und Wiedergabe von Schallereignissen spielt im Alltag

eine nicht wegzudenkende Rolle. Deshalb kann man meines Erachtens auf

die im Rahmenplan empfohlene Thematisierung kaum verzichten. Für den

21 KLAFKI, W.: Neue Studien zur Bildungstheorie und Didaktik, Weinheim 1991, S. 43ff 22 Dazu bietet sich einerseits das von GÖTZ FRIEDEL

(Töne, Klänge - Lärm, Päd. Prüfungsarb. am Studiensem. Bensheim 1998) vorgestellte Projekt mit dem Schwergewicht bei der Lärmmessung an, andererseits geben gerade wieder die Musikhörgewohnheiten der Jugendlichen und biologische Aspekte einen interessanten Anknüpfungspunkt (siehe besonders BUNDESZENTRALE FÜR

GESUNDHEITLICHE AUFKLÄRUNG: Lärm & Gesundheit - Materialien für 5.-10. Klassen, Köln).

Seite 15

Unterricht in der Klasse 7 ist dieses Thema jedoch mit einigen Schwierig-

keiten verbunden, auf die ich erst unter 1.5.1 näher eingehen möchte.

1.4 Die Rolle der Musikinstrumente Die Rolle der Untersuchungsobjekte bei den ausgewählten Inhalten soll

möglichst von den Musikinstrumenten übernommen werden. Diesen kommt

dadurch für die Unterrichtsplanung eine motivierende, eine methodische und

eine Gliederungsfunktion zu.

1.4.1 Der handlungsorientierte Aspekt Durch das Entwerfen und Herstellen einfacher Instrumente sollen die

Schülerinnen und Schüler sich kreativ und handelnd mit den physikalischen

und musikalischen Phänomenen auseinandersetzen. Dadurch machen sie auf

enaktiver Ebene Erfahrungen mit Schwingungen und schwingungsfähigen

Systemen, sie erleben den Einfluss von Elastizität, Spannung, Abmessungen

und Material auf den Klang und die Wirkung von Klangkörpern auf die

Lautstärke. Gleichzeitig werden an einfachen, selbst gebauten Instrumenten

die wesentlichen Elemente der Klangerzeugung deutlich, die an manchen

professionellen Geräten durch aufwendige Details eher verdeckt werden. Da

Selbstbauinstrumente jedoch einige charakteristische Qualitätsmerkmale

hochwertiger Musikinstrumente nicht aufzeigen können, darf daneben auch

die Betrachtung handelsüblicher Geräte nicht zu kurz kommen.

1.4.2 Die Zuordnung der Inhalte zu den Instrumenten Die grundlegenden Begriffe (vgl. 1.3.2.1) der Akustik lassen sich meiner

Meinung nach am besten an den Saiteninstrumenten erkennen, da die schall-

erzeugende Schwingung hier am offensichtlichsten ist. Folglich gehören

diese an den Anfang der Unterrichtsreihe. Einflussfaktoren auf Amplitude

und Frequenz, aber auch die Auswirkungen verschiedener Klangkörper (vgl.

1.3.2.8 und 1.3.2.9) lassen sich hier gut untersuchen.

Da zur Betrachtung der Obertöne Frequenzspektren hilfreich sind, bietet es

sich an, die Schallarten (vgl. 1.3.2.5) vor den Eigenschwingungen zu behan-

deln. Daher ist es sinnvoll als zweite Kategorie die Schlaginstrumente zu

untersuchen, da diese im Gegensatz zu Saiten- oder Blasinstrumenten meist

Geräusche produzieren. Die unterschiedlichen musikalischen Einsatzmög-

lichkeiten bekommen hier eine physikalische Begründung.

Seite 16

Bei den Blasinstrumenten ist die Schallerzeugung nicht sichtbar, die Ana-

logie der schwingenden Luftsäule zur Saite wird aber besonders bei den

Eigenschwingungen (1.3.2.6 und 1.3.2.7) deutlich. Deshalb ist es vernünftig,

diese Instrumentengruppe als letzte, im direkten Vergleich, zu behandeln.

Das Thema Schallaufzeichnung (vgl. 1.3.2.11) wird vor der ersten Benut-

zung des Computers relevant, also spätestens bei der Einführung der Schlag-

instrumente. Die restlichen Themengebiete sind eher unabhängig von den

gerade untersuchten Instrumenten. Jedoch sollte das grundlegende Modell

zur Schallausbreitung (vgl. 1.3.2.2) relativ am Anfang eingeführt werden.

1.5 Der Einsatz des Computers in der Akustik

1.5.1 Schallaufzeichnung mit dem Computer Die elektromagnetische Aufzeichnungsmethode der Kompaktkassette ist

zwar im Alltag geläufig, jedoch physikalisch ohne die nötigen

Vorkenntnisse (Elektromagnetismus, WEISSsche Bezirke, ...) nicht zu

durchschauen. Die analoge Schallplatte ist technisch einfach, aber wohl

weitestgehend aus der Erfahrungswelt verschwunden. Die digitale CD ist

eigentlich kein „Schallspeicher“, sondern ein Datenspeicher, wie die CD-

ROM deutlich macht. D.h. der Schwerpunkt bei der Behandlung der CD

läge auf der Digitalisierung des analogen Signals, einem Thema, das mit

dem Rest der Akustik nicht viel zu tun hat.

Im Studiobereich ist schon heute der Computer das Gerät Nr. 1 zur

Schallaufzeichnung. Er hat längst die meisten Bandmaschinen ersetzt, und

auch im Rundfunk sind Plattenschränke zugunsten von Servern gewichen.

Der Trend, dass Computer und ihre verschiedensten Formen der Daten-

speicherung für Tonaufnahmen genutzt werden, wird sich in nächster Zeit

stark auf den Konsumentenbereich fortsetzen. Zum Beispiel gibt es bereits

Walkman-ähnliche Abspielgeräte für Musikdateien, die mit dem Computer

erstellt oder aus dem Internet bezogen werden können. Von daher ist es auf

jeden Fall zukunftsorientiert, im Unterricht gleich den Computer in den

Mittelpunkt der Schallaufzeichnung zu stellen.

Der Computer hat noch weitere didaktische Vorteile gegenüber der CD: Die

Frage der „Aufbewahrung“ der Musik ist jetzt eindeutiger unter das Problem

der Datenspeicherung einzuordnen und kann leichter „vertagt“ werden.

Seite 17

Ferner kann auch die Digitalisierung, wenn sie an dieser Stelle nicht behan-

delt werden soll, leichter „verschwiegen“ werden. Der Computer kann ja die

digitalen Daten dem Anwender jederzeit als analoge Schwingungskurve prä-

sentieren. Die Spur der Schreibstimmgabel ist der Schwingungskurve auf

dem Bildschirm sogar ähnlicher, als der Rille der Schallplatte. Schließlich

stehen uns mit dem Computer, neben den gewohnten Aufnahme- und

Schnittmöglichkeiten, jede Menge weitere interessante Optionen wie

Funktionengenerator oder Hallgerät zur Verfügung.

1.5.2 Computer oder Oszilloskop Durch die Möglichkeiten der Sichtbarmachung der Schwingungen erfüllt

der Computer auch die Funktion des Oszilloskops23. Der Gefahr des Miss-

verstehens des Oszillographenbildes als Bild der Schallwelle kann durch

direkten Vergleich mit dem Bild der Schreibstimmgabel etwas entgegenge-

wirkt werden. So können die Schülerinnen und Schüler die Schwingung der

Schreibspitze zunächst real betrachten und anschließend die Entstehung des

Bildes durch Bewegung der Stimmgabel nachvollziehen. Dennoch ist die

Interpretation des Schwingungsbildes ein zu beachtendes Problem.

Der Computer hat gegenüber dem Oszilloskop den Vorteil des statischen

Bildes. Stünde in der Mittelstufe ein leistungsfähigerer PC zur Verfügung,

könnte man ihn wechselweise auch als dynamisches Oszilloskop verwen-

den. Auf die zusätzliche Einführung eines Oszilloskops möchte ich jedoch

verzichten (weitere Black-Box). Viele Schülerinnen und Schüler könnten

die Experimente mit dem PC sogar zuhause durchführen.

1.5.3 Die Auswahl der eingesetzten Software Grundsätzlich stehen viele Programme zur Verfügung, die unseren Anforde-

rungen bezüglich Aufzeichnung und Sichtbarmachung von Schall genügen.

Einige werden im Anhang 4.4 aufgeführt. Wegen der einfachen Bedienung

und der Übersichtlichkeit durch zwei Anzeigebereiche werde ich zur

23 In der didaktischen Literatur gibt es recht unterschiedliche Meinungen darüber, wann so ein Gerät überhaupt einzuführen sei: „Bei der Ein führung in die Akustik sollte auf keinen Fall sofort ein Oszilloskop eingesetzt werden. Die Schüler würden sonst glauben, auf dem Bildschirm die Schallwellen zu sehen.“ HEEPMANN, B. U.A.: Lehrerbuch zu Cornelsen Physik f. d. S. 1 Kl. 7 (Hessen), Berlin 1996, S. 43 oder „Wir setzen schon sehr früh ein Oszilloskop als optisches Hilfsmittel ein.“ PETERS, K./LAGEMANN, M.: Eine interdisziplinäre Reihe zur Bruchrechnung/Akustik/Harmonielehre, MU 6 (1998), S. 15

Seite 18

Schallaufzeichnung vornehmlich Wave Shaper benutzen, zur Messung der

Schallgeschwindigkeit Cool Edit und als Fourieranalysator und Oszilloskop

FFT. Letzteres läuft aber nur auf einem Rechner im Oberstufengebäude.

1.6 Die Lernziele der Unterrichtsreihe Im Folgenden möchte ich die aus den inhaltlichen Überlegungen resultieren-

den Lernziele der Unterrichtsreihe darstellen. Ziele, die mehrere Kategorien

betreffen, sind nur einmal aufgeführt. Einige Ziele lassen sich bestimmten

Unterrichtsstunden zuordnen, andere beschreiben Intentionen, die während

der gesamten Reihe verfolgt werden. Ein Großteil der operationalisierten

Lernziele aus 1.6.2.2 und 1.6.3.2 sollen in einer einstündigen Lernkontrolle

überprüft werden. Die Zuordnung der Lernziele zu den einzelnen Aufgaben

soll hier aus Platzgründen nicht weiter erläutert werden. Zu Einzelheiten des

Tests möchte ich auf die Auswertung in Abschnitt 3.1 und die im Anhang

4.3 beigelegten Exemplare verweisen.

1.6.1 Fachunabhängige Lernziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ... A1) ihre Fähigkeiten der auditiven Wahrnehmung schulen, das Hören,

Erkennen und Unterscheiden akustischer Phänomene üben24. A2) lernen, still zu sein, um akustische Phänomene wahrzunehmen. A3) erleben, dass naturwissenschaftliche Erkenntnisse auch zum Verstehen

künstlerischer Gebiete hilfreich sein können. A4) merken, dass einige Aspekte der Musik naturgegebenen Bedingungen

unterliegen, andere sich naturwissenschaftlichen Zugängen entziehen. A5) lernen, Interessen auch über Fachgrenzen hinaus zu verfolgen. A6) ihre Kreativität nutzen, um interessante Instrumente zu entwickeln. A7) ihr handwerkliches Geschick ausbauen. A8) ihr Geschick im Umgang mit Computern verbessern. A9) üben, produktiv in Gruppen zu arbeiten und Versuche durchzuführen

ohne andere zu stören. A10) üben, Ergebnisse einfacher Experimente selbständig darzustellen. A11) lernen, Analogien zur Deutung beobachteter Phänomene zu nutzen.

1.6.2 Physikalische Lernziele 1.6.2.1 Allgemeine fachspezifische Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ...

24 HESSISCHES KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Musik, Sek. I, Frankfurt/M. 1997, S. 7

Seite 19

PA1) Grundkenntnisse erwerben, die für das Verständnis der Phänomene und Gesetzmäßigkeiten des Schalls nötig sind.25

PA2) Erscheinungen der Akustik aus Sicht der Physik beobachten und unter angemessener Verwendung der Fachsprache beschreiben.25

PA3) zur freiwilligen Beschäftigung mit Physik angeregt werden.25

1.6.2.2 Inhaltsspezifische Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ... P1) den Schwingungsbegriff, die Größen Frequenz und Amplitude sowie

die Einheit Hertz kennen und mit ihnen argumentieren können.

P2) Schwingungen als Schallursache begreifen.

P3) wissen, dass zur Schallausbreitung immer ein (elastisches) Medium (i.d.R. Luft) notwendig ist und ein anschauliches Modell von der Schallfortpflanzung kennen bzw. verwenden können.

P4) ungefähre Grenzen des hörbaren Frequenzbereichs kennen.

P5) die Zusammenhänge zwischen Tonhöhe und Frequenz sowie Laut-stärke und Amplitude kennen.

P6) Möglichkeiten der Frequenzänderung bei Saiten- und Blas-instrumenten kennen und in Je-desto-Beziehungen benennen können.

P7) wissen, dass die Halbierung der Länge einer Saite der Verdopplung der Frequenz entspricht.

P8) das Grundprinzip analoger Schallaufzeichnung kennen und Schwin-gungsbilder als grafische Darstellung eines zeitlichen Schwingungs-verlaufs interpretieren können.

P9) den Amplitudenverlauf in der grafischen Übersichtsdarstellung einer Klangdatei des Computers erkennen.

P10) das Phänomen einer Schwebung als Ergebnis der Überlagerung zweier Schwingungen ähnlicher Frequenz kennen.

P11) den Begriff des Frequenzspektrums kennenlernen und wissen, dass Schallereignisse i.d.R. mehrere Frequenzen aufweisen

P12) Klänge und Geräusche nach dem Schwingungsbild und dem Fre-quenzspektrum unterscheiden können, typische Schwingungsbilder und Spektren skizzieren und beschreiben können.

P13) Frequenz- und Amplitudenverlauf eines einfachen Schwingungsbildes erkennen und die entsprechende Änderung des Höreindrucks vorhersagen können.

P14) den Sinuston als wichtigen Spezialfall von anderen Klängen am Schwingungsbild und am Frequenzspektrum unterscheiden können.

25 vgl. HESSISCHES KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Physik, Frankfurt/M. 1996, S. 5ff

Seite 20

P15) den Sinusgenerator kennen und die Frequenz- und Amplituden-einstellung bedienen können.

P16) wissen, dass Saiten und Luftsäulen bei bestimmten Frequenzen Eigenschwingungen besitzen.

P17) die Eigenschwingungsmodi einer gespannten Saite und einer Luftsäule in einer offenen Röhre skizzieren und unterscheiden können.

P18) den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Knoten einer Eigen-schwingung und der Frequenz kennen.

P19) Hall und Echo mithilfe der Schallreflexion erklären können.

P20) ein Messverfahren zur Schallgeschwindigkeit beschreiben können.

1.6.3 Musikalische Lernziele 1.6.3.1 Allgemeine fachspezifische Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ... MA1)einige Musikinstrumente mit ihrem Klang und ihrer Spielweise besser

kennenlernen.26

MA2)Musikinstrumente nach Saiten-, Schlag- und Blasinstrumenten un-terscheiden können.

MA3)Interessen und Vorlieben für bestimmte Instrumente entdecken.

MA4)grundlegende Klangerzeugungsarten kennen und erklären können26.

MA5)lernen, verschiedene Töne auf einfachen Instrumenten zu erzeugen.

1.6.3.2 Inhaltsspezifische Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ... M1) Möglichkeiten der Tonhöhenveränderung bei Saiten- und Blas-

instrumenten kennen und in Je-desto-Beziehungen benennen können.

M2) wissen, dass die Halbierung der Länge einer Saite der Erhöhung des Tons um eine Oktave entspricht.

M3) die Auswirkung von Klangkörpern auf Lautstärke und Klangdauer eines Instruments beschreiben können.

M4) Klänge und Geräusche nach dem Gehör unterscheiden können.

M5) wissen, dass Instrumentenklänge aus einem Grundton und Obertönen zusammengesetzt sind, und dass diese Mischung charakteristisch für die Klangfarbe eines Instruments ist.

M6) die Möglichkeit der Musikaufzeichnung und -bearbeitung mit dem Computer kennen, und die Grundfunktionen bei entsprechender Soft-ware bedienen können26.

26 siehe Abschnitt 1.1.3

Seite 21

1.7 Methodische Überlegungen

1.7.1 Methodische Konzepte und Leitideen Einige grundsätzliche methodische Ideen und Konzepte sollen in dem Un-

terricht dieser Reihe umgesetzt werden: Der Schwerpunkt der Aktivität soll

möglichst den Schülerinnen und Schülern überlassen werden, entdeckender

Unterricht wird darbietendem vorgezogen. Dennoch wird der enge Zeitrah-

men stark steuernde Eingriffe und Impulse verlangen, was das Klären

zahlreicher Aspekte im eher fragend-entwickelnden Schüler-Lehrer-

Gespräch unvermeidlich macht. Die ausgewählten Inhalte können nur als

exemplarisch für größerer Strukturen und Methoden angesehen werden, von

den konkret untersuchten Phänomenen muss i.d.R. induktiv ver-

allgemeinernd geschlossen werden, um überhaupt zu allgemeingültigen

Aussagen zu gelangen.

Die Notwendigkeit der Motivation durch kognitive Konflikte oder verwun-

dernde Phänomene verhindert ein Vorgehen vom Einfachen zum Kompli-

zierten nach dem Prinzip der kleinen Schritte. Dennoch müssen Überforde-

rungen vermieden und der Weg „vom Sehen zum Verstehen“ bruchlos und

unter „Stärkung der Verwurzelung des Fühlens und Denkens in den vorwis-

senschaftlichen Naturerfahrungen der Kinder“27 gegangen werden.

1.7.2 Einstiege und Motivation Gerade in dieser Klasse kommt den Unterrichtseinstiegen eine besondere

Bedeutung zu28. Daher ist vor allem die erste Stunde voll mit motivierenden

Experimenten, deren Fragen nach und nach beantwortet werden müssen. Mit

möglichst überraschenden oder verblüffenden Experimenten soll generell zu

Beginn der Stunden Neugier geweckt werden. Zum Beispiel:

1. Stunde: Die Elektrogitarre - als lautstarkes Gerät bekannt - stellt sich un-

verstärkt nur leise zirpend vor. Der Verstärker lässt darauf liegende

Papierkügelchen jedoch gleich tanzen.

27 nach WAGENSCHEIN, M./BUCK, P./KÖHNLEIN, W.: Martin Wagenschein - Ein Interview zu seinem Lebenswerk, chimica didactica 1981 7, S. 162 28 Vergleiche Punkte 1, 4 und 5 auf S. 5.

Seite 22

9. Stunde: Ein Motor mit regelbarer Drehzahl setzt über einen Exzenter ein

mehrere Meter langes Gummiseil in Bewegung und regt in diesem Eigen-

schwingungen mit immer mehr Knoten an.

11. Stunde: Die Schülerinnen und Schüler dürfen in ein Mikrofon sprechen,

das über ein Hallgerät mit einem Verstärker verbunden ist. Es lassen sich im

Physiksaal „Badezimmerakustik“ oder „Kathedralenstimmung“ simulieren.

1.7.3 Experimente und Sozialformen Die Sozialform des Unterrichts wird wesentlich durch die Form der Expe-

rimente festgelegt29. Die Lerngruppenbeschreibung und das geringe Ge-

fahrenpotential der akustischen Experimente sprechen dafür, Experimente

möglichst als Schülerversuche durchführen zu lassen. Durch die selbst ge-

bauten Instrumente liegen Untersuchungsgegenstände in ausreichender

Stückzahl und großer Verschiedenheit vor. Im Experimentiersaal lässt man

die Schülerinnen und Schüler am besten zu viert an einem Tisch arbeiten.

Nicht möglich ist das Experimentieren in Gruppen aus technischen Gründen

überall dort, wo der Computer zum Einsatz kommt oder wo andere Demon-

strationsgeräte notwendig sind. Dadurch erhält der Großteil der Unterrichts-

reihe einen eher frontalen Charakter. Jedoch sollen die Schülerinnen und

Schüler auch in Demonstrationsexperimenten stark eingebunden werden.

Theoretische Phasen sollen, wo weder Information noch direkte Steuerung

durch den Lehrer nötig ist, möglichst selbständig von den Schülerinnen und

Schülern in sozialer Kooperation ablaufen. Hier bieten sich im Experi-

mentiersaal ebenso die gewohnten Tischgruppen an, im Hörsaal wird das

Arbeiten zu zweit oder zu dritt innerhalb der Reihe vorteilhafter sein.

Auf eine ausführliche Protokollführung zu den Experimenten verzichte ich

in diesem Stadium des Physikunterrichts noch recht häufig, da eine zu kon-

sequente Dokumentation viel Zeit kostet und leicht die Freude an den Phä-

nomenen und damit an der Physik zerstört. Die Phänomene kennenzulernen

und zu erleben ist an dieser Stelle wichtiger als die physikalisch richtige

Deutung. Die für den naturwissenschaftlichen Fortgang grundlegende Un-

29 BLEICHROTH, W. U.A.: Fachdidaktik Physik (2. Aufl.), Köln 1999, S. 273

Seite 23

terscheidung von Beobachtung und Interpretation liegt für viele noch auf

einem hohen Abstraktionsniveau30, muss aber allmählich geübt werden.

1.7.4 Hilfestellung, Sicherung, Wiederholung Um den notwendigen hohen Grad an Steuerung ohne allzu großen Anteil an

Lehreraktivität im Unterricht realisieren zu können, werden Arbeitsblätter

eine wichtige Rolle innerhalb des Unterrichts übernehmen. Auf ihnen

können gliedernde oder systematisierende Hilfen bereitgestellt und Ergeb-

nisse gesichert werden. Bei der Verwendung einer identischen OH-Folie

können die Schülerinnen und Schüler sehr schnell ihre eigenen Ergebnisse

unter der Kontrolle des Lehrers auf der Folie sammeln und vergleichen.

Reine Wiederholungsfragen zu Beginn der nächsten Stunde sind normaler-

weise für die Lernenden nervtötend und für den Lehrer frustrierend. An-

spruchsvollere Wiederholungsphasen sprengen wiederum leicht den kalku-

lierten Zeitrahmen. In Verbindung mit dieser Unterrichtsreihe möchte ich

eine für mich neue Wiederholungsvariante ausprobieren: Am Anfang jeder

Stunde stellt jeweils eine Schülerin oder ein Schüler der Klasse bis zu drei

vorbereitete Fragen zur letzten Stunde. Erlaubt sind Verständnisfragen und

Testfragen.

Auf schriftliche Hausaufgaben im üblichen Sinne möchte ich weitestgehend

während der Reihe verzichten. Stattdessen sollen alle Schülerinnen und

Schüler drei Musikinstrumente bauen, mit denen sie anschließend im Unter-

richt experimentieren. Dabei stehen Anleitungen mit einfachen (eher

langweiligen) Instrumenten, aber auch anspruchsvollere Konstruktionen zur

Auswahl. Für jedes Instrument steht mindestens eine Woche Bauzeit zur

Verfügung, sodass Gelegenheit besteht, hier handwerklich aufwendige und

kreative Leistungen in den Physikunterricht einzubringen. Dadurch möchte

ich auch das Interesse an einer solchen Aufgabe testen.

30 Vergleiche Punkt 2 auf S. 5.

Seite 24

2 Durchführung

2.1 Tabellarische Übersicht zur Unterrichtsreihe Std. Inhalte/ Experimente Ziele 1. Was ist Schall?

• Zum Einstieg spielt der L. auf einer E-Gitarre, zunächst ohne, dann mit Verstärker.

• Papierreiter auf den Saiten bzw. Papierkügelchen über dem Lautsprecher machen Schwingungen sichtbar.

• Experimente mit Klingel unter der Vakuumglocke und Handtrommel vor einer Kerzenflamme machen die Funktion der Luft bei der Schallausbreitung deutlich.

P1 P2 P3

HA Bau eines Saiten- oder Zupfinstruments A6/7 2. Grundbegriffe

• Abstoßende Magnetrollen als Modell für Schall-schwingungen in der Luft

• Beobachtung von Amplitude und Frequenz der Schwingung einer Blattfeder

P1 P3 P5

3./4. Versuche an den selbst gebauten Saiteninstrumenten • Die S. untersuchen an ihren Instrumenten die Einfluss-

faktoren auf Lautstärke und Tonhöhe bzw. Amplitude und Frequenz der Schwingung.

• Ergebnisvergleich und -verifikation an der Gitarre • Die S. untersuchen den Einfluss verschiedener Klang-

körper auf Lautstärke und Sustain an ihren Instrumenten. • Verifikation der Ergebnisse durch Vergleich zweier

identischer Stimmgabeln mit und ohne Klangkörper.

A9 A10 P1 P5 P6 M1 M3

HA Bau eines Schlag- oder Percussioninstruments A6/7

5./6. Schallaufzeichnung mit dem Computer (Schwerpunkt 1)

• Versuch mit der Schreibstimmgabel auf dem OH-Projektor • Aufnahme und Sichtbarmachung folgender Schall-

ereignisse mit dem Computer: 1. Stimmgabelton 2. Schwebung zweier Stimmgabeln 3. Funktionsgenerator 4. Die gebauten Schlag- und Saiteninstrumente

A8 P8 P9 P10 P13 P15 M6

7. Klänge und Geräusche (Unterrichtsbesuch) • „Nachstimmen“ von Stimmgabel, Gitarre und Trommel • Unterscheidung von Klängen und Geräuschen bei den

selbst gebauten Instrumenten nach dem Gehör • Unterscheidung der Schwingungskurven

P9 P12 P13 P14 M4/6

HA Bau eines Blasinstruments A6/7

Seite 25

8. Töne, Klänge, Geräusche und ihre Frequenzspektren • Beobachtung der Frequenzspektren von (Schwerpunkt 2)

• Stimmgabeln • verschiedenen Musikinstrumenten • Funktionsgenerator

• Testen des hörbaren Bereichs mit dem Funktionsgenerator

A8 P11 P12 P14 P4 M4/5

9. Eigenschwingungen einer Saite • Demonstration d. Schwingungsmodi eines Gummiseils • Erzeugung verschiedener Schwingungsmodi einer

Gitarrensaite mit Flageoletttönen

P16 - P18 P7 M2/5

10. Eigenschwingungen von Luftsäulen • Demonstration d. Schwingungsmodi am KUNDTschen Rohr • Vergleich mit den Naturtönen bei

(Blech-) Blasinstrumenten

A11 P16 -P18 M5

11. Untersuchungen an den Blasinstrumenten • Die S. vergleichen die versch. Arten der Tonerzeugung. • Die S. untersuchen die Abhängigkeit der Tonhöhe von der

Länge der Luftsäule

A9 A11 P6 M1

12. Test 13. Schallausbreitung und Schallgeschwindigkeit

• Demonstration der Veränderung von Geräuschen durch Schallreflexion mithilfe künstlich erzeugten Halls

• Messung der Schallgeschwindigkeit mit zwei Mikrofonen und Computer

A8 P19 P20

Im Folgenden möchte ich die Durchführung der Unterrichtsreihe zusam-

menfassen und erste reflektorische Schlüsse ziehen. Dabei lege ich beson-

dere Schwerpunkte auf die Doppelstunde 5/6 „Schallaufzeichnung mit dem

Computer“ und die Stunde 8 „Töne, Klänge, Geräusche ...“, da diese

Stunden besonders eng mit den Schwerpunkten der Arbeit verbunden sind.

2.2 Einstieg und Grundlagen (1. bis 4. Stunde) Ein kurzes Gespräch über den Begriff Akustik führt sehr schnell zur Frage

„Was ist Schall?“. Als ich daraufhin die Elektrogitarre hervorhole, ist die

Neugier der Schülerinnen und Schüler groß. Natürlich gilt sie in diesem

Moment eher der Frage, ob bzw. was ein Physiklehrer wohl auf der Gitarre

spielen kann. Als das Ergebnis überraschend leise ausfällt: „Da muss ein

Lautsprecher dran!“ Aha - der Unterschied ist nicht zu leugnen. Papierreiter

auf den Saiten bringen uns zum Schwingungsbegriff.

Seite 26

Nun stelle ich eine Handtrommel mit Papierkügelchen auf dem Fell auf den

Lautsprecher. Als die Kügelchen zu „Pink Panther“ tanzen ist die Begeiste-

rung groß. Schnell werden auch Unterschiede bei hohen und tiefen, lauten

und leisen Tönen entdeckt, die nach Erklärungen verlangen. Trotzdem führe

ich zunächst noch eine Klingel unter der Vakuumglocke vor und lasse eine

Kerzenflamme nach der Handtrommel zucken. Bei der Zusammenfassung

am Ende der ersten Stunde sind viele Gedanken noch sehr unausgegoren.

Vorläufiges Endergebnis: Schall entsteht durch Schwingungen.

In der zweiten Stunde arbeiten wir uns von der anderen Seite heran. Zu-

nächst mit den Magnetrollen als Erklärungsmodell für die Beobachtungen

an Vakuum und Kerze, dann werden mit den hohen und tiefen Tönen einer

Blattfeder die Begriffe Frequenz und Amplitude eingeführt. Dabei können

die Fragen der letzten Stunde weitestgehend beantwortet werden.

Im Zentrum der nächsten beiden Stunden stehen Schülerversuche mit den

gebastelten Saiteninstrumenten (Arbeitsblatt 2). Die besten Ergebnisse der

ersten Experimentierstunde werden auf einem zusätzlichen Arbeitsblatt (2b)

gesammelt und in der zweiten vervollständigt. Dann werden auch Gitarren

und Stimmgabeln mit und ohne Klangkörper zu Hilfe genommen.

Reflexion: Der Einstieg ins Thema hat motiviert, die Versuche sind gut an-

gekommen. Das Hauptziel der ersten Stunde (P2) ist erreicht worden, den-

noch erscheint mir der Zusammenhang zwischen Schall und Schwingung in

vielen Argumentationen noch recht schwammig. Obwohl die zweite Stunde

den Zielen P1 und P3 weitestgehend gerecht geworden ist, habe ich den

Eindruck, mit geschickteren Impulsen an verschiedenen Stellen der ersten

beiden Stunden hätte mehr aus dem Potential der Experimente herausgeholt

werden können. Bezüglich P5 wird in der zweiten Stunde nur noch der Zu-

sammenhang zwischen Tonhöhe und Frequenz festgehalten, die Verbindung

von Lautstärke mit Amplitude macht dadurch auch einigen Gruppen in den

Schülerexperimenten Schwierigkeiten.

Die gebauten Saiteninstrumente variieren von ganz einfachen Gummis über

Joghurtdosen bis zu aufwendigen Instrumenten (vgl. 4.1). Insgesamt bin ich

positiv überrascht, wie viele Schülerinnen und Schüler sich beim Bau doch

sichtlich Mühe gegeben haben. Beim Experimentieren in der 3. und 4.

Seite 27

Stunde gibt es viel Spaß, die Konzentration und die Ergebnisse der Gruppen

unterscheiden sich erwartungsgemäß stark, sind aber insgesamt positiv. Da

ich die Arbeitszeit in der ersten Experimentierstunde zu spät abbreche, ver-

läuft die Zwischenbesprechung recht ineffektiv. Durch das Arbeitsblatt 2b

können die fehlenden Punkte im zweiten Teil jedoch gezielt angegangen

werden. Ich denke, die anvisierten Ziele sind zu einem hohen Grad erreicht.

2.3 SP1: Schallaufzeichnung mit dem Computer (5./ 6. Stunde)

2.3.1 Einzelheiten zur Stundenplanung Die Planung dieser Doppelstunde basiert im Wesentlichen auf den didakti-

schen Überlegungen aus Abschnitt 1.5. Wichtiger als die Betrachtung phy-

sikalische Inhalte ist hier die Einführung neuer Werkzeuge für die folgenden

Untersuchungen. Die Aufgabe der Stunde besteht primär darin, den Com-

puter als Gerät zur Aufzeichnung und Sichtbarmachung von Schallereignis-

sen vorzustellen (A8, M6, P9, P13). Dabei ist es naheliegend, das

Grundprinzip analoger Schallaufzeichnung mit möglichst einfachen Mitteln

(Schreibstimmgabel) voranzustellen, um eine sinnvolle Interpretation der

Schwingungsbilder zu ermöglichen (P8). Ferner soll der Sinusgenerator als

Laborgerät zur Schallerzeugung kennengelernt werden (P15).

Als erste Anwendung der neuen Hilfsmittel und als inhaltlicher Exkurs soll

die Schwebung zweier leicht verstimmter Stimmgabeln visualisiert werden

(P10). Schließlich bringen die Schülerinnen und Schüler ihre gebauten

Schlaginstrumente mit, an denen in den folgenden Stunden der Unterschied

zwischen Klängen und Geräuschen erarbeitet werden soll. Die Instrumente

müssen folglich am Anfang eingesammelt werden, sollen aber noch in

dieser Doppelstunde vorgestellt und entsprechend „gewürdigt“ werden.

Diese inhaltliche Festlegung bewirkt eine methodische Schwierigkeit: Es

stehen lauter Demonstrationsexperimente im Mittelpunkt, an denen die

Schülerinnen und Schüler zwar beteiligt werden sollen, bei denen aber

schlecht von einer frontalen Unterrichtsausrichtung abgewichen werden

kann. Bleibt zu hoffen, dass der Mangel an Abwechslung in der Unterrichts-

struktur durch Neugier auf die Geräte und Experimente kompensiert wird.

Seite 28

2.3.2 Geplanter Ablauf der 5. und 6. Stunde Phase Inhalt geplantes

Lehrerverhalten erwartetes

Verhalten der S. Unt.-form

Medien

1. Einstieg Aufzeichnen einer Schwingung mit der Schreib-stimmgabel

L. zeigt die Schreibstimm-gabel und demonstriert den Versuch auf dem OH-Projektor. L. fragt nach den Ursachen für das unter-schiedliche Aussehen der Spuren.

S. diskutieren Wiederholungsfragen. S. diskutieren Einfluss von Amplitude und Bewe-gungsgeschwindigkeit.

Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch

Schreib- stimmgabel und Glas-scheibe mit Sand auf OH-Projektor

2. Er-arbeitung 1

Aufzeichnen einer Schwingung mit dem Computer

L. demonstriert Aufnahme einer Stimmgabel mit Mikrofon und Computer sowie die Zoomfunktion des Programms.

S. assistieren bei der Auf-nahme und diskutieren Parallelen und Unter-schiede der Schwingungsbilder.

Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch

Computer und Stimm-gabel

3. Anwen-dung und Exkurs Sicherung

Aufzeichnung einer Schwebung

L. demonstriert Schwebung mit zwei Stimmgabeln.

S. beschreiben ihren Höreindruck. S. vergleichen Hör-eindruck mit dem Schwingungsbild. S. formulieren eine Beschreibung zum Phä-nomen „Schwebung“

Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch

Computer und Stimm-gabeln mit Reiter zur Verstim-mung Tafel

4. Er-arbeitung 2

Aufzeichnung von Sinus-tönen mit dem Sinus-generator

L. demonstriert Funktionsweise des Sinusgenerators.

S. beschreiben die physi-kalischen Größen, die durch die unterschiedlichen Regelungsmöglichkeiten beeinflusst werden. S. nehmen Töne mit variierender Frequenz und Amplitude auf und lokali-sieren die Veränderungen im Schwingungsbild.

Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch

Computer und Sinus-generator mit Laut-sprecher

5. Vertiefung und Vor-bereitung der näch-sten Std.

Aufzeichnung der selbst gebauten Instrumente

L. organisiert Aufnahme.

L. speichert gelungene Aufnahmen für die nächsten Stunden.

S. bedienen Computer und Mikrofon und nehmen die Schlaginstrumente auf.

gemein-sames Experi-ment

Computer und Instru-mente

2.3.3 Durchführung Als ich zu Beginn der Stunde mit der Schreibstimmgabel durch die Reihen

gehe, damit alle sie aus der Nähe begutachten können, geht von ihr mehr

Faszination aus, als ich gedacht habe. Dies liegt wohl einerseits an der recht

Seite 29

anschaulichen Größe, andererseits sind die Schülerinnen und Schüler richtig

neugierig, was es mit der „Kralle“ an dem einen Zinken auf sich hat. Auch

die Demonstration der „Schreibfunktion“ löst Erstaunen aus. Allerdings

wird dabei bereits deutlich, wie schwer den Schülerinnen und Schülern die

Interpretation des entstandenen Bildes fällt.

Auch der Computer macht neugierig. Die „Freaks“ müssen gleich fachsim-

peln und feststellen, dass sie zuhause viel modernere Gräte haben. Die

Bedienung stellt erwartungsgemäß kein Problem dar. Überraschung tritt ein,

als beim Zoomen auf dem Bildschirm das gleiche Bild wie bei der

Schreibstimmgabel auftaucht: „Man sieht die Schwingung!“ - Wie diese

Aussage zu verstehen ist, beschäftigt uns in der folgenden Diskussion.

Anschließend möchte ich, voller Tatendrang eines Physikers, das kennen-

gelernte Hilfsmittel nutzen, um ein akustisches Phänomen zu untersuchen,

wenigstens „etwas richtige Physik“ in dieser Stunde. Also schlage ich zwei

zueinander leicht verstimmte Stimmgabeln an und lasse die Schülerinnen

und Schüler ihren Höreindruck beschreiben. Die Antworten sind für mich

ziemlich desillusionierend: „Jetzt hört man sogar die Schwingung!“. Natür-

lich versuche ich durch entsprechendes Wiederholen des Experiments

(Stimmgabeln einzeln und zusammen ...) und Nachfragen („Schwingt denn

bei einer einzelnen Stimmgabel nichts?“) die Begriffe zu trennen und zu

sortieren, aber es wird deutlich, dass es den Schülerinnen und Schülern nicht

möglich ist, die Schwebung als (langsame) Schwankung in der Lautstärke

einer (schnellen) Schallschwingung zu erkennen. Auch das entsprechende

Bild auf dem Computer schafft keine Klarheit. Immer noch laufen die

Begriffe durcheinander. Ich beende das (für den Fortgang ja nicht notwen-

dige) Thema Schwebung und lasse die Zusammenfassung unter den Tisch

fallen, denn die hätte ich wahrscheinlich selbst formulieren müssen.

Zwei Punkte stehen für den Rest der Doppelstunde noch auf dem Programm

und sind für die nächste Stunde von großer Bedeutung. Zunächst soll der

Sinusgenerator kennengelernt werden und schließlich müssen endlich die

Schlaginstrumente zum Einsatz kommen. Die Bedienung des Sinusgenera-

tors ist schnell verstanden, allerdings entpuppt sich der Versuch, mit ihm im

Unterricht von den Schülerinnen und Schülern interessante Schwingungs-

Seite 30

bilder auf dem Computer erzeugen zu lassen, als sehr mutig. Es gehört doch

großes Geschick dazu, die Frequenz schnell genug zu ändern, um die Ände-

rung anschließend auf dem Bildschirm wiederfinden zu können. Außerdem

ändert sich mit der Frequenz auch die Amplitude stark, was zu einigen Ver-

wirrungen führte. Schließlich ist aber das Wichtigste zu erkennen.

Nun sind alle heiß darauf, ihre Trommeln, Rasseln und Klappern vorzustel-

len und aufzunehmen. Die Unterschiede der Schwingungsbilder zu den bis-

herigen sind deutlich zu erkennen, sollen aber erst in der nächsten Stunde

thematisiert werden. Neben den Instrumenten müssen natürlich auch einige

Sprüche im Computer verewigt werden und zwei Mädchen wollen unbe-

dingt ihren Song aufnehmen. Das kann ich aufgreifen und es gelingt an-

satzweise Klassenmusizieren, als wir versuchen, den Song mit einem

passenden Rhythmus aus unseren Instrumenten zu unterlegen.

Da die letzte Aufnahme bis zum Klingeln dauert, wird die Zeit zum Auf-

räumen der Instrumente knapp. Wir entscheiden uns, auch die folgende

Mathematikstunde im Physiksaal durchzuführen. Prompt kommt eine

Gruppe Schülerinnen nach der großen Pause mit zwei neuen Kompositionen

zurück, die unbedingt noch aufgenommen werden müssen. Wann verbrin-

gen sie schon eine ganze Pause mit Inhalten aus dem Physikunterricht ... ?

2.3.4 Reflexion So viel Spaß (und Krach...) gibt es im Physikunterricht selten und die ent-

standenen Klangdateien bieten schönes Material für die nächste Stunde. Der

Eifer, mit dem die Schülerinnen und Schüler mitgemacht haben, ist sehr

erfreulich. Dies gilt besonders im Hinblick auf die fehlenden Wechsel in

Methode und Sozialform über eine ganze Doppelstunde. Die Voraussetzun-

gen für die nächsten Stunden sind geschaffen, die Möglichkeit der

Schallaufzeichnung mit dem Computer und die Software sind gut kennen-

gelernt worden (Ziele A8 und M6).

Im Hinblick auf die physikalischen Zielsetzungen mag jedoch keine rechte

Zufriedenheit aufkommen. Im Nachhinein wirkt der Übergang von der

Schreibstimmgabel zum Computer zu abrupt. Bezüglich des Ziels P8 er-

scheint es mir jetzt doch lohnend, einen kurzen (historischen) Ausflug zur

analogen Schallplatte einzuschieben. Die vergrößerte Aufnahme einer

Seite 31

Schallplattenrille und eine Demonstration des Wiedergabeprinzips mithilfe

einer Nadel und einem Blatt Papier31 wären hilfreich gewesen. Das analoge

Bild im Computer hätte dann deutlich gemacht, dass der Computer die

gleiche Information wie die Schallplattenrille speichert.

Bezüglich P8, P10 und P13 wäre es besser den Sinusgenerator vor der

Schwebung zu behandeln, wobei man eventuell auf vorbereitete Dateien

zurückgreifen sollte, in denen die entscheidenden Größen besonders deutlich

zu erkennen sind. Spätestens hier müssten in einer Sicherungsphase die

wesentlichen Merkmale etwa folgendermaßen dokumentiert werden:

Schreibstimmgabel: (Frequenz fest)

Amplitude groß (Ton laut)

Amplitude klein (Ton leise)

Bewegungsgeschwindigkeit groß

Bewegungsgeschwindigkeit klein

Computer: („Bewegungsgeschwindigkeit“ fest)

Amplitude groß (Ton laut)

Amplitude klein (Ton leise)

Frequenz hoch (Ton hoch)

Frequenz niedrig (Ton niedrig)

Abbildung 4 Tafelbild einer möglichen zusätzlichen Sicherungsphase

Wahrscheinlich wäre es anschließend leichter, die Schwebung mithilfe des

Schwingungsbildes zu verstehen (P10). Die grundsätzliche Schwierigkeit

lag hier jedoch bei der auditiven Wahrnehmung (A1). Vielleicht hätte an

dieser Stelle ein Echtzeitoszilloskop geholfen, bei dem das optische An- und

Abschwellen der Amplitude parallel zum akustischen Ereignis stattgefunden

hätte. Der Transfer vom zeitlichen Erleben zur grafischen Darstellung

entlang einer Achse wäre erleichtert worden. Eventuell wäre es auch

hilfreich, beide Stimmgabeln auf getrennte Stereokanäle aufzunehmen, um

zwischen beiden parallel dargestellten Schallereignissen und ihrer Überlage-

31 BADER, F./DORN, F.: Physik - Mittelstufe, Hannover 1980, S. 187

Seite 32

rung wechseln zu können. Die Ziele P9 und P15 sind meines Erachtens gut

erreicht worden.

2.4 Klänge und Geräusche (7. Stunde) In der 7. Stunde soll der Unterschied zwischen Klängen und Geräuschen

anhand des Höreindrucks und des Schwingungsbildes erarbeitet werden

(P12-P14, M4). Zunächst versuchen die Schülerinnen und Schüler den Si-

nusgenerator auf „Töne“ verschiedener Instrumente einzustimmen. Bei der

Stimmgabel ist es kein Problem, bei der Gitarre etwas schwieriger, bei der

Trommel ist es unmöglich, womit wir ein Entscheidungskriterium nach dem

Höreindruck haben. Anschließend werden vorgegebene Stichworte

(Arbeitsblatt 4) den Schwingungsbildern eines Gitarrentons und einer Snare-

Drum zugeordnet. Der daraus entstehende Katalog eignet sich zur allgemei-

nen Charakterisierung. Schließlich sind die Schülerinnen und Schüler in der

Lage, die Beispiele auf Arbeitsblatt 5 den entsprechenden Schallquellen

(Stimmgabel, Saitenbrett und Kronkorkenrassel von den Schülerinstrumen-

ten, sowie ein Ausschnitt des Gesangsduos der letzten Stunde) zuzuordnen.

2.5 SP2: Schallarten und Frequenzspektren (8. Stunde)

2.5.1 Einzelheiten zur Stundenplanung Grundlage der Planung der 8. Stunde sind die didaktischen Überlegungen

aus Abschnitt 1.3.2.5. Die Schülerinnen und Schüler sollen den Begriff des

Frequenzspektrums kennenlernen und wissen, das Schallereignisse i.d.R.

mehrere Frequenzen aufweisen (P11). Weiterhin sollen sie auch anhand des

Spektrums Klänge, Geräusche und den Sinuston unterscheiden können

(P12, P14). Aus den gelernten Eigenschaften üblicher Instrumentenklänge

(M5) sollen sie schließlich zu der Einsicht gelangen, dass sich der Sinuston

zur Durchführung eines Hörtests am besten eignet und dies mit dem

Sinusgenerator praktisch erproben (P4).

Die Frequenzspektren sollen mit dem Programm FFT betrachtet werden, das

allerdings auf dem Rechner in der Mittelstufe nicht läuft. Daher entscheide

ich mich, die Schülerinnen und Schüler zu einer Randstunde in die

Oberstufe zu bestellen, was eine ungewohnte Lernumgebung bedeutet. Um

zunächst die Funktionsweise des Programms zu verstehen, halte ich zum

Einstieg die gewohnte Stimmgabel für die beste Lösung. Das

Seite 33

Schwingungsbild ist inzwischen gut bekannt und kann im bewegten Oszil-

logramm schnell wiedererkannt werden, das Spektrum stellt sich

erwartungsgemäß als einzelne Frequenz dar. Da viele Stimmgabeln

unterschiedlicher Frequenz zur Verfügung stehen, lässt sich die

Abhängigkeit der Lage des Peaks von der Tonhöhe gut erkennen. Hier

brauchen wir das Zwischenergebnis: Je höher ein Ton, desto weiter rechts

wird die Frequenz angezeigt.

Nun sollen andere Klänge und Geräusche betrachtet werden. Dass die selbst

gebauten Saiteninstrumente nicht so gut „klingen“ wie handelsübliche, liegt

an einem hohen Geräuschanteil, also an vielen störenden Frequenzen.

Deshalb eignen sich die meisten davon nicht um Klangspektren zu

betrachten. Stattdessen stehen eine Gitarre und eine Geige zur Verfügung.

Gut lassen sich jedoch viele der Percussioninstrumente als Beispiele für

Geräusche einsetzen. Alternativ kann man auch die Klasse hohe und tiefe

Töne singen lassen und die Veränderungen im Spektrum beobachten.

Die Sozialform des Unterrichts wird wieder stark durch den Computer und

die Demonstrationsexperimente festgelegt. Verschiedene methodische Mög-

lichkeiten gibt es allerdings bei der Auswertung des Gesehenen und der Er-

gebnissicherung: Wird den Schülerinnen und Schülern das recht anspruchs-

volle Ergebnis sehr stark vorstrukturiert in die Hand gegeben, so sind sie

wahrscheinlich in der Lage einige entscheidende Schritte selbständig (in

kleinen Gruppen) zu vollziehen. Möchte man jedoch die Problemstellung

selbst offener lassen, so wird der Lehrer beim Lösungsprozess stärker

eingreifen und steuern müssen. Da in der 7. Stunde das Arbeitsblatt wichtige

Hilfestellungen übernahm, möchte ich diesmal probieren, inwiefern die

Schülerinnen und Schüler in der Lage sind, selbständig im Gespräch die

Unterscheidungsmerkmale aus den Beobachtungen zu extrahieren. Da die

Bilder, an denen diesmal gearbeitet werden muss, nur kurz zu sehen sind,

hat die Bearbeitung dieser Phase im Plenum auch den Vorteil, dass die

Versuche jederzeit wiederholt werden können.

Seite 34

2.5.2 Geplanter Ablauf der 8. Stunde Phase Inhalt geplantes

Lehrerverhalten erwartetes

Verhalten der S. Unt.-form

Medien

1. Einstieg Schwingungsbilder und Spektren verschiedener Stimmgabeln

L. demonstriert FFT durch Anschlagen verschiedener Stimmgabeln.

S. diskutieren Wiederholungsfragen. S. erkennen im Oszillo-grafenfenster das ge-wohnte Schwingungsbild. S. erkennen, dass die Lage des Peaks im Analy-satorfenster der Tonhöhe entspricht.

L.-S.- Expe-riment

Computer, Stimm-gabeln

2. Er-arbeitung

Schwingungsbilder und Spektren verschiedener Musik-instrumente

L. fragt, wie beide Kurven bei Gitarre / Geige / Selbstbauinstrumenten aussehen werden.

S. äußern ihre Vermutungen. S. führen Versuche durch. S. äußern ihre Beobachtungen.

Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch

Computer, Instru-mente

3. Sicherung Zusammen-fassung der charakteris-tischen Merkmale

L. strukturiert Tafelbild. S. skizzieren Schwin-gungsbilder des Stimmgabeltons, eines Klanges und eines Geräusches. S. skizzieren zugehöriges Frequenzspektrum. S. formulieren Unter-scheidungskriterien.

L.-S.- Gespräch

Tafel

4. Vertiefung

Konzeption und Durch-führung eines Hörtests

L. fragt, welcher Schall-erzeuger für einen Hörtest am geeignetsten ist.

S. argumentieren für Stimmgabelton oder Generator. S. testen hörbaren Bereich mit Sinusgenerator.

L.-S.- Gespräch L.-S.- Expe-riment

Sinus-generator mit Laut-sprecher

2.5.3 Durchführung Die besonderen Rahmenbedingungen dieser Stunde sind nicht zu leugnen.

Zwar sind alle Schülerinnen und Schüler morgens am Hörsaal im Ober-

stufengebäude angekommen, aber im Gegensatz zur gewohnten Umgebung

ist der stickige und fensterlose Raum ganz und gar nicht geeignet,

Siebtklässlern die Oberstufe schmackhaft zu machen. Stattdessen breitet

sich Protest aus. Als zweiten großen Konzentrationskiller stellt sich die

Tatsache heraus, dass die folgende Mathematikstunde die letzte vor der

Klassenarbeit ist. Natürlich möchte die Klasse lieber gleich ihre Fragen zur

Mathematik stellen.

Seite 35

Die schwierige Stimmung behindert zugleich die Experimente, für die ab-

solute Ruhe nötig ist. Aber gerade die „besonders Lebhaften“ der Klasse

können nun kaum der Versuchung widerstehen, die Anzeige des Computers

mit irgendwelchen Spaßlauten zu beschäftigen. Als einer von ihnen den

ansteigenden Frequenzpeak einer Stimmgabel auch noch lautstark als Phal-

lus deutet, gibt es natürlich bei jedem weiteren Experiment Kommentare.

Die mangelnde Aufmerksamkeit in der ersten Phase setzt sich in den fol-

genden fort, dabei wird aber auch deutlich, dass schon zu viele das Grund-

prinzip des Analysators nicht mitbekommen haben. Bei den Instrumenten

geht entsprechend alles durcheinander. Breite Peaks scheinen eher als laute

Klänge gedeutet zu werden. Dazu kommt, dass der einzige Junge, der Geige

spielen kann, zur Zeit eine starke Außenseiterrolle in der Klasse einnimmt.

Folglich wird mehr auf Witze als auf den Bildschirm geachtet.

Durch ständiges zur Ruhe bringen vergeht die Zeit ohne große Fortschritte.

Viel zu spät breche ich die zweite Phase ab und demonstriere noch einmal

das Grundprinzip des Analysators, indem ich mit dem Sinusgenerator das

Spektrum durchfahre. Nun gibt es doch noch einige Aha-Erlebnisse. Den-

noch sind die Schülerinnen und Schüler kaum in der Lage Strukturen in

komplexeren Spektren zu entdecken. Alles weitere bleibt auf der Strecke.

2.5.4 Reflexion „Manchmal ist halt der Wurm drin...“ lässt sich leicht sagen, aber ein Zu-

sammentreffen mehrerer ungünstiger Rahmenbedingungen ist hier nicht zu

leugnen. Dennoch wäre es zu einfach, allein darin die Ursache für den

überwiegenden Misserfolg dieser Stunde zu sehen. Daneben habe ich

sicherlich auch einige grundsätzliche, im Thema liegende, Schwierigkeiten

unterschätzt und Chancen nicht oder zu spät genutzt.

Ein deutlicher Durchbruch gelang mit dem Einsatz des Sinusgenerators. An

keiner anderen Stelle wurde das „Wandern“ der Frequenz so deutlich. Die

Kopplung zwischen der akustischen Änderung der Tonhöhe und der

optischen Bewegung des Spektrums ist durch die kontinuierliche Änderung

deutlicher als bei den Stimmgabeln. Bei denen könnte die unterschiedliche

Lage der Spitzen ja auch von der Position oder irgendwelchen anderen

Seite 36

Eigenschaften der Stimmgabeln abhängen. Von daher halte ich es für

sinnvoll, das nächste Mal direkt mit dem Sinusgenerator einzusteigen.

Die Stimmgabeln bieten dann, wenn das Anzeigeprinzip schon verstanden

ist, die Möglichkeit, die Wirkung der „Mischung“ bzw. Überlagerung

zweier Töne im Schwingungsbild bewusst zu beobachten, wobei im Fre-

quenzspektrum beide Frequenzen erhalten bleiben. Wird bereits hier eine

Sicherungsphase eingeschoben, in der der Überlagerungsbegriff eben doch

eine wichtigere Rolle bekommt, kann sicherlich einiges gewonnen werden.

Nimmt man nun an-

schließend das

Schwingungsbild

eines Klanges zum

Vergleich, so kommen

die Schülerinnen und

Schüler vielleicht

selbst auf den Gedan-

ken, dass dieser aus

entsprechend mehr

Frequenzen zusam-

mengesetzt sein muss.

Danach ist eventuell

auch die Unterschei-

dung von Klängen und Geräuschen nicht mehr so schwer, da von Anfang an

bewusst nach Peaks im Spektrum gesucht wird. Ein großes Problem in der

Stunde lag durch das offene Herangehen darin, dass die Schülerinnen und

Schüler gar nicht gewusst haben, wonach sie Ausschau halten müssen.

Dadurch sind die regelmäßigen Spitzen der bewegten Klangspektren zu

wenig aufgefallen. Die Reduktion der Bilder auf die wesentlichen Linien

erscheint mir im Nachhinein als ein wichtiger Schritt, bei dem der Lehrer

unbedingt helfen muss. Schließlich deutet es aber auch darauf hin, dass bei

einer solchen größeren Ausführlichkeit selbst mit besserer Konzentration

mehr Zeit zur Verfügung stehen muss.

Abbildung 5 Mögliches Tafelbild einer zusätzlichen Sicherungsphase

Seite 37

Um dennoch eine gewisse Ergebnissicherung zu erreichen, erstelle ich Ar-

beitsblatt 6 und lasse es am Anfang der nächsten Stunde bearbeiten. Durch

die „bereinigten“ Bilder der Frequenzspektren können die Schülerinnen und

Schüler leicht die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale formulieren. Der

Hörtest kann nach der Mathematikarbeit nachgeholt werden.

2.6 Eigenschwingungen und Blasinstrumente (9. bis 11. Stunde) In den Stunden 9 bis 11 kam der Computer nicht zum Einsatz, weshalb ich

mich hier sehr kurz fassen möchte. Nach dem Nachtrag zur 8. Stunde be-

ginnen wir das Thema Eigenschwingungen mit der Erzeugung der ersten

Eigenschwingungsmodi eines mehrere Meter langen Gummiseils. Das die-

ser einfache Versuch schon durch seine Abmessungen beeindruckt, habe ich

erhofft. Mit einer derart bemerkenswerten Reaktion der Klasse habe ich

allerdings nicht gerechnet: Kaum fängt die „Riesensaite“ an zu schwingen,

gehen die ersten Finger hoch. Bis der siebte Schwingungsknoten erscheint

(mehr geht nicht) muss ich mehrfach zum Abwarten und weiteren

Beobachten auffordern, schließlich meldet sich die ganze Klasse. Durch die

entstandene Konzentration und die Fülle der Beiträge entsteht eine recht

gute Beschreibung des Phänomens. Mithilfe der Flageoletttöne auf der Gi-

tarre können nun Angaben über Tonhöhen bzw. Frequenzverhältnisse der

ersten vier Eigenschwingungen gemacht werden, wobei ich allerdings er-

wartungsgemäß beim Erkennen der Intervalle helfen muss.

Nun stellt sich mir eine Gewissensentscheidung: Wegen einem kollidieren-

den Unterrichtsbesuch und einer Fortbildung fehlt nun doch noch eine

Stunde bis zu den Ferien. Es bleibt mir nur die Wahl, die letzte Stunde erst

nach den Ferien zu halten oder zu kürzen. Ich entscheide mich dafür, die

Stunden 10 und 11 zusammenzulegen. Die 10. Stunde verkraftet die Kür-

zung ganz gut, die Analogie zwischen der schwingenden Luftsäule und der

Saite wird am KUNDTschen Rohr gut erkannt. Schmerzlicher ist der Zeit-

verlust für die 11. Stunde. Besonders schade ist, dass mit den mitgebrachten

Blasinstrumenten nicht mehr viel experimentiert werden kann. Im Hinblick

auf die knappe Würdigung habe ich allerdings erlaubt, auch handelsübliche

Blasinstrumente mitzubringen, statt selbst welche zu bauen. Dies beschert

uns eine regelrechte Blockflötenflut. An diesen kann jedoch durch Überbla-

Seite 38

sen die Parallele zu den Flageoletttönen gezogen werden. Die Naturtonreihe

lässt sich gut genug an einem mitgebrachten Gartenschlauch-Posthorn (vgl.

4.1) demonstrieren, sodass ich meine Trompete im Koffer lassen kann.

Interessant ist auch der Vergleich zwischen den unterschiedlichen Arten der

Tonerzeugung („Lippe“ der Flöte, Lippen des Hornbläsers, Rohrblatt),

zumal ein Mädchen ihre Klarinette mitgebracht hat. Die Mechanismen zur

Längenänderung der Luftsäule bleiben ziemlich auf der Strecke. Schade ist

besonders, dass die für die 11. Stunde geplanten Untersuchungen dadurch

nicht als Schülerübungen stattfinden können. Wahrscheinlich wäre die

Verschiebung der 12. Stunde über die Ferien doch das geringere Übel

gewesen.

2.7 Schallausbreitung und Schallgeschwindigkeit (12. Stunde) Der Einstieg mit dem Hallgerät sorgt für viel Spaß, bringt uns aber auch gut

zum Thema Schallreflexion. Etliche Schülerinnen und Schüler berichten von

ihren „Echoerfahrungen“. Die Zeit für die Messung der Schallgeschwin-

digkeit ist recht knapp, aber schnell sind zwei Schülerinnen mit Mikrofonen

im Physiksaal postiert und ein aufgeblasener Luftballon wird vor dem einen

Mikrofon zerstochen. Mit dem Abstand der beiden Mikrofone (7,5 m)

ermitteln wir aus der am Computer zu erkennenden Zeitdifferenz (0,022 s,

vgl. Abbildung 12 in 4.4) überraschend genau eine Schallgeschwindigkeit

von 340 m/s - ein runder Abschluss der Reihe.

Seite 39

3 Gesamtreflexion

3.1 Die Auswertung der Lernkontrolle Die abschließende Reflexion der Unterrichtsreihe als Gesamtheit möchte ich

mit einer Analyse der Lernkontrolle beginnen. Die Aufgabenstellung ist in

den im Anhang 4.3

beigefügten Arbeiten

zu finden. Obwohl

keine Eins erreicht

wurde, ist das Ge-

samtergebnis gerade

durch viele gute

Zweien erfreulich.

Hat eine zu schwere

Aufgabe sehr gute

Ergebnisse verhin-

dert?

Nehmen wir die

einzelnen Aufgaben

etwas näher unter die

Lupe, wird deutlich,

dass es eine solche

Aufgabe nicht gibt.

Allein die Auf-

gabe 6, bei der bloß

ein Punkt zu errei-

chen war, ist nur von

9 Schülerinnen und

Schülern (36%) ge-

löst worden. Bei

allen anderen Aufga-

ben wurden deutlich

über die Hälfte der

Punkte erreicht. Ein

1 2 3 4 5 60123456789

Anzahl der Arbeiten

1 2 3 4 5 6

Note

Plus

Glatt

Minus

Abbildung 6 Notenspiegel der Lernkontrolle

1 2 3 4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

Erreichte Prozent

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Aufgabe

Abbildung 7 Prozentsatz der insgesamt erreichten Punkte

1 2 3 4 5 6 7 8 902468

10121416

Anzahl der Arbeiten

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Aufgabe

100%

< 50%

Abbildung 8 Anzahl der Arbeiten mit voller und geringer Punktzahl

Seite 40

Blick auf die Arbeiten mit voller und geringer Punktzahl bei den einzelnen

Fragen macht deutlich, dass alle Aufgaben lösbar waren, die Qualität der

Bearbeitung jedoch stets stark divergiert. Zu jeder Aufgabe gibt es mehrere

Arbeiten mit voller Punktzahl.

Betrachten wir Aufgabe 7 etwas genauer, so spiegeln sich im Ergebnis der

Lernkontrolle ganz gut die in Abschnitt 2.5 beschrieben Schwierigkeiten der

8. Stunde wieder. Im Aufgabenteil b alleine wurden nur 32% der Punkte

erreicht, dagegen in Teil a über 90% und in Teil c 68%.

Bei einer qualitativen Betrachtung fallen vor allem enorme Schwierigkeiten

beim Erkennen der Frequenzänderung in Aufgabe 8 auf. Hier schönt die

Statistik, da 16 Arbeiten genau bei 50%, also einem Punkt von zweien

liegen. Dass sogar bis zum Schluss nicht alle den grundsätzlichen Zu-

sammenhang zwischen Schall und Schwingungen (P2) verstanden haben,

wird daran deutlich, dass bei Aufgabe 1 vereinzelt zu den Instrumenten

„schwingt“ bzw. „schwingt nicht“ angegeben wurde.

3.2 Überprüfung der Lernziele Die allgemeinen Ziele sind natürlich so wenig abprüfbar, wie sie innerhalb

einer zwölfstündigen Unterrichtsreihe erreichbar sind. Dennoch ist die Über-

legung notwendig, inwiefern der Unterricht zu einer Förderung dieser Ziele

beigetragen hat oder nicht. Sicherlich haben die Schülerinnen und Schüler

wiederholt genau hinhören müssen und dazu auch die Bedeutung der Stille

als Voraussetzung erfahren (A2). Die neu kennengelernten Visualisierungen

akustischer Ereignisse haben gewiss dazu beigetragen, manchen

Höreindruck präziser wahrzunehmen (A1).

Der fachübergreifende Aspekt (A3 -A5) hätte bei einer Kooperation mit

Musikunterricht sicherlich sehr viel stärker ausgebaut werden können. Die

Fülle der physikalischen Erscheinungen hat keinen zeitlichen Spielraum für

größere Ausflüge in die Musik gelassen. Gerne hätte ich die Schülerinnen

und Schüler mehr mit ihren Instrumenten musizieren lassen, ein paar

Liedtexte waren auf Folie vorbereitet, sind aber aus Zeitgründen nie zum

Einsatz gekommen. Dennoch wurde meines Erachtens deutlich, dass Physik

und Musik einiges gemeinsam haben.

Seite 41

Bezüglich methodischer Kompetenzen (A9 - A11) ist es in erster Linie be-

dauerlich, dass die Gruppenarbeit in der 11. Stunde wegfallen musste. Nicht

nur dadurch hatte der Großteil der Reihe einen überwiegend frontalen

Charakter. Es sollte weiter daran gearbeitet werden, trotz der vielen Demon-

strationsversuche eine größere Vielfalt in der Organisationsform des Unter-

richts zu erreichen. Den allgemeinen physikalischen und musikalischen

Zielen ist die Unterrichtsreihe meiner Meinung nach gut gerecht geworden.

Einen Überblick über die Erreichung der inhaltsspezifischen Ziele gibt die

Auswertung des Tests: Die Schwierigkeiten in Aufgabe 6 weisen auf deutli-

che Defizite bei den Grundbegriffen und vor allem im Umgang mit der Ein-

heit Hertz (P1) hin. Die erwähnten Probleme zur Schwingung als

Schallursache (P2) ordne ich dagegen eher als Einzelfälle ein.

Gravierend sind die durch den Test offenbarten Probleme bezüglich des Zu-

sammenhangs von Frequenz und Schwingungsbild (P13). Im Nachhinein

erkenne ich mehrere Situationen im Unterricht, an denen diese Probleme

sich bereits zeigten. Leider sind sie mir nicht rechtzeitig bewusst geworden,

um noch entsprechend angemessen darauf zu reagieren. Eine deutliche

Verbesserung hätte sicherlich die im Abschnitt 2.3.4 beschriebene

Sicherungsphase bewirkt. Fragen zum Thema Schwebung (P10) sind im

Test ganz ausgespart worden.

Auch befürchtete Defizite aus der 8. Stunde haben sich in der Lernkontrolle

bestätigt. Dies betrifft das Verständnis des Frequenzspektrums (P11) und die

damit zusammenhängenden Merkmale der Schallarten (P12, M5). Die ent-

sprechende Charakterisierung nach dem Höreindruck (M4) und dem

Schwingungsbild (P12) scheint dafür umso besser verstanden worden zu

sein. Bezüglich der restlichen Ziele, gerade auch der musikalischen, habe

ich einen recht positiven Eindruck, der durch den Test gestützt wird.

3.3 Die Instrumente Die Konzentration auf Musikinstrumente als Beobachtungsgegenstände hat

sich meiner Meinung nach bewährt. Von ihnen geht eine gewisse

Faszination aus und auch die aus ihnen resultierende Gliederung der Inhalte

ist logisch und lässt sich gut durchhalten. Bis auf „Lärm und Lärmschutz“

konnten alle Pflichtthemen des Rahmenplans in das Konzept eingeordnet

Seite 42

werden, und selbst bei diesem lassen sich Anknüpfungsmöglichkeiten zur

Musik finden32.

Natürlich bleibt die Gewichtung der physikalischen Inhalte trotz aller Argu-

mentationen im didaktischen Teil überwiegend Geschmackssache. Wer z.B.

mehr Wert auf Aspekte der Schallausbreitung legt, sollte eher ein anderes

Konzept wählen. Hier böte sich vielleicht sogar ein Schwerpunkt Ultraschall

(etwa „Sehen mit Schall“) an. Mein Konzept tritt hier sehr kurz, dafür

werden die Schallarten und die Eigenschwingungen recht ausführlich behan-

delt, die im Rahmenplan nicht vorgeschrieben sind.

Auch der handlungsorientierte Aspekt bei den selbst gebauten Instrumenten

darf meiner Meinung nach abschließend positiv gewertet werden. Selbst,

wenn der Eifer bei der dritten Hausaufgabe etwas nachließ, haben viele

Schülerinnen und Schüler Kreativität und Geschick eingebracht (A6/7).

Wahrscheinlich ist die siebte Klasse aber auch die letzte Station, in der sich

die Heranwachsenden für diese Aufgaben begeistern können, vielleicht liegt

der Erfolg hier sogar maßgeblich an der wirklich guten Arbeitshaltung eines

Großteils der Klasse. Postitiv ist auch, dass dabei gerade drei der vier Schü-

ler, die sonst eher störend auffallen, großen Einsatz gezeigt haben.

3.4 Der Computereinsatz Den Einsatz des Computers als zentralem Hilfsmittel im Akustikunterricht

kann ich nach dieser Unterrichtseinheit nur empfehlen. Gerade die Auf-

zeichnung und Sichtbarmachung des Schalls mit dem PC hat den Schülerin-

nen und Schülern viel Spaß gemacht. Erwartungsgemäß hat die Bedienung

keine Probleme bereitet (A8) und es gab keinerlei Technikscheu.

Gegenüber dem winzigen Oszilloskop, das in der Physiksammlung unserer

Mittelstufe zur Verfügung steht, hat der Computer jede Menge Vorteile. In-

teressant ist auch der Kostenvergleich: Ein ausgedienter 486er aus einer

Spende, eine Soundkarte, etwas low-cost Software und ein paar Boxen

gegen ein Laborgerät. Nun wäre die Aufgabe findiger Programmierer zu

prüfen, ob die Analog-Digital-Wandler einer üblichen Soundkarte nicht

auch zur Messwerterfassung auf ganz anderen Gebieten genutzt werden

32 Zu Musikhörgewohnheiten von Jugendlichen und deren Auswirkungen gibt es gutes Material in BUNDESZENTR. F. GESUNDH. AUFKLÄRUNG: Lärm & Gesundheit - Materialien für 5.-10. Klassen, Köln

Seite 43

können. Wichtig wäre vor allem eine Alternative zum Programm FFT zu

finden, die auch auf dem Mittelstufenrechner läuft. Vielleicht verbessern

sich ja auch eines Tages die Mittel zur Rechnerausstattung der Schulen ...

Für viele Schülerinnen und Schüler sind die Untersuchungen mit dem PC

leicht zuhause durchführbar. Daher können wir das Vorgehen durchaus als

Alltagsphysik auffassen und ich hoffe, hier die eine oder andere Anregung

für eigenständiges Experimentieren gegeben zu haben (PA3, M6).

3.5 Fazit Für ein abschließendes Resümee möchte ich die wichtigsten Gedanken noch

einmal zusammenfassen. Mein Eindruck ist, dass wir trotz der

musikalischen Aspekte relativ viel Physik in der zur Verfügung stehenden

Zeit untergebracht haben. Die Stärken des Konzeptes liegen meiner Ansicht

nach vor allem in den folgenden Punkten:

• Die fachübergreifende Ausrichtung eröffnet der Schulphysik ein interes-santes Anwendungsgebiet.

• Die Musikinstrumente im Zentrum der Untersuchung geben dem Unter-richt eine schlüssige Struktur und bieten viele motivierende Aspekte.

• Die Vielzahl ansprechender Experimente führt die Schülerinnen und Schüler gut an die interessanten Erscheinungen der Akustik heran.

• Die selbst gebauten Instrumente bieten die Möglichkeit einer handlungs-orientierten Auseinandersetzung mit den physikalischen Phänomenen.

• Der Computer stellt sich als äußerst effektives und schülernahes Hilfsmittel in der Akustik heraus.

• Die vielen motivierenden Aspekte haben geholfen, auch problematische Schülerinnen und Schüler stärker in den Physikunterricht einzubinden.

Als Nachteil der Grundkonzeption bleibt für mich eigentlich nur:

• Die Konzentration auf Musikinstrumente lässt gewisse andere Aspekte der Akustik etwas kurz kommen (z.B. Schallausbreitung in verschiede-nen Medien, Ultraschall, Stimme und Ohr) oder „vertagt“ sie auf eine anschließende Einheit zu Lärm und Lärmschutz.

Dagegen haben sich bei der konkreten Umsetzung der Unterrichtsreihe die

folgenden Schwachpunkte herausgestellt, aus denen für eine weitere Durch-

führung zu lernen ist:

Seite 44

• Als Sozialform des Unterrichts überwiegt, auch bedingt durch die vielen Demonstrationsversuche und den Computereinsatz, sehr stark die frontale Ausrichtung.

• Die Schülerinnen und Schüler zeigten große Schwierigkeiten bei der einfachen Umrechnung einer Frequenz (Aufgabe 6 der Lernkontrolle).

• Die meisten Schülerinnen und Schüler konnten den Zusammenhang zwi-schen Frequenzänderungen und ihren Auswirkungen auf das Schwin-gungsbild nicht erkennen, was am Grundverständnis des Schwingungs-bildes als Darstellung der Auslenkung über der Zeit zweifeln lässt.

• Viele Schülerinnen und Schüler waren nicht in der Lage die prinzipiellen Unterschiede der Frequenzspektren verschiedener Schallarten darzustel-len, wodurch auch das Grundverständnis dieser Darstellungsform in Zweifel gezogen wird.

Der erste Punkt fordert dazu auf, weitere Möglichkeiten zu finden, Erarbei-

tungsphasen zu dezentralisieren und Selbständigkeit bzw. Problemlöse-

fähigkeit der Schülerinnen und Schüler stärker zu fördern. Vorstellbar ist

dies, außer bei der ungekürzten 11. Stunde, eventuell durch die Zusammen-

fassung mehrerer Demonstrationsexperimente zu einem Parcours, an dessen

Stationen die Versuche in Kleingruppen durchgeführt werden.

Die anderen drei Punkte lassen sich möglicherweise auf eine gemeinsame

Ursache zurückführen: Durch die Fülle der Phänomene und Experimente

scheinen Sicherungs- und Übungsphasen etwas zu kurz gekommen zu sein.

Ansätze zur Verbesserung habe ich in den Reflexionen schon gegeben. Die

Herausforderung dabei wird jedoch sein, eine höhere Detailliertheit und Sy-

stematik in der Ergebnissicherung zu erreichen, ohne in eine Didaktik der

kleinen Schritte zu verfallen und die Problemstellungen zu sehr einengen zu

müssen. Die Gradwanderung zwischen der Offenheit in den Impulsen und

der Genauigkeit im Ergebnis scheint diesmal eher auf Kosten der Exaktheit

gegangen zu sein. So wurden z.B. Schwingungsbild und Spektrum rein phä-

nomenologisch an den Geräten eingeführt, ohne dass die den Diagrammen

zugrundeliegenden Achsen ausführlich thematisiert wurden.

Die Deutung der Bilder hätte auf jeden Fall stärker geübt werden müssen.

Dazu sollte man in Erwägung ziehen, neben dem Bauen der Instrumente

doch auch traditionellere Übungsaufgaben als Hausaufgaben zu stellen. Da-

bei könnten die Schülerinnen und Schüler z.B. Überlagerungen von

Seite 45

Schwingungen grafisch konstruieren oder auch einfach Frequenzen von ei-

ner Einheit in die andere umrechnen (vgl. 3.1). Andererseits darf das Üben

dieser Tätigkeiten nicht, wie so oft, zur Hauptbeschäftigung des

Physikunterrichts entarten.33

Bleiben zum Schluss noch einige zusammenfassende Verbesserungsvor-

schläge und Ideen zum Weiterdenken:

• Die Wiederholungsfragen durch Schülerinnen und Schüler sind eine gute Möglichkeit, kurze Wiederholungsphasen an den Anfang der Unterrichts-stunden zu stellen.

• Rückblickend erscheint zwischen der Behandlung der Schreibstimmgabel und der Einführung des Computers ein Blick zur Schallplatte lohnenswert.

• Überlegenswert wäre es, die Eigenschwingungen vor der Betrachtung von Frequenzspektren zu behandeln. Dann wäre der Vergleich der Frequenzspitzen eines Instrumentenklanges mit den Obertönen leichter.

• Im Bezug zu den restlichen Inhalten der Klasse 7 sollte man überlegen, ob es nicht vorteilhaft wäre, die Akustik vor der Optik zu unterrichten. Sie setzt keine Inhalte der Optik voraus, dafür könnte aber die Schallausbreitung als Analogon zur Lichtausbreitung und sogar zur Wär-meausbreitung dienlich sein. Die Sender-Empfänger-Vorstellung scheint mir in der Akustik viel naheliegender als in der Optik. Ähnliches gilt für die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Schall und Licht.

• Sollten sich die Rahmenbedingungen dahingehend ändern, dass eine Kooperation mit parallel laufendem Musikunterricht möglich wird, sollte die Chance unbedingt genutzt werden.

• Steht mehr Zeit zur Verfügung, z.B. im Rahmen einer Projektwoche, kann auch die Idee von K. PETERS und M. LAGEMANN

34 aufgegriffen und

zusätzlich Mathematikunterricht mit eingebunden werden.

33 Nicht, um Versäumtes zu rechtfertigen, aber um die anders gesetzten Schwerpunkte zu begründen: „Es ist keine Wissenschaft, wenn man Grad Celsius in Grad Kelvin umrechnet. Das ist nötig, aber es ist nicht Naturwissenschaft. ... Man muß auch Definitionen lernen. Aber kann das nicht in der allerersten Stunde zerstörend wirken?“ FEYNMAN, R.P.: Was ist Naturwissenschaft?, Physik und Didaktik 2 (1987), S. 105-116 34 PETERS, K./LAGEMANN, M.: E. interdiszipl. Reihe z. Bruchrechnung/Akustik/ Harmonielehre, Der Mathematikunterricht 6 (1998), S. 11-21

Anhang Seite I

4 Anhang

4.1 Ein bunter Eindruck...

Abbildung 9 Schülerinnen und Schüler mit einigen ihrer Werke

Oben links hält ein Mädchen ihre Dosenlaute in der Hand. Daneben und links unten sind zahlreiche Gummizithern zu sehen. Die zwei Jungen unten rechts experimentieren mit einem großen Saitenbrett. In der oberen rechten Ecke sehen wir einige Dosenschlagzeuge, in der Mitte befinden sich Sandpapierbretter, verschiedene Rasseln, Dosentrommeln und ein richtig abgestimmtes hängendes Xylophon. Links davon befinden sich eine Strohalm-Panflöte und ein gelbes Gartenschlauch-Posthorn. Auf der rechten Seite ist ein großer Spiralschlauch-Dudelsack, mit dem man ordentlich hupen kann...

Anhang Seite II

4.2 Arbeitsblätter Arbeitsblatt 1 Bauanleitungen für Zupfinstrumente III

Arbeitsblatt 2 Versuche mit den Saiteninstrumenten IV

Arbeitsblatt 2b Versuche mit den Saiteninstrumenten II V

Arbeitsblatt 3 Bauanleitungen für Schlaginstrumente VI

Arbeitsblatt 4 Klänge und Geräusche VII

Arbeitsblatt 5 Übung zu Klänge und Geräusche VIII

Arbeitsblatt 6 Frequenzverteilungen von Tönen, Klängen und Geräuschen IX

Arbeitsblatt 7 Bauanleitungen für Blasinstrumente X

Arbeitsblatt 8 Schwingungen einer Saite XI

Arbeitsblatt 9 Schwingungen einer Luftsäule XI

Anhang Seite XII

4.3 Vier Bearbeitungsbeispiele zur Lernkontrolle

Erwartungen und Bewertung in Stichworten:

Aufgabe 1 Punkte Instrument Stichwort

•• Gitarre / Violine: Saite •• Trompete: Lippen oder Luft im Instrument •• Klarinette: Rohrblatt oder Luft im Instrument •• Becken / Trommel: Becken / Fell (Luft 1 Punkt)

Aufgabe 2 • Spannung verändern • fester - lockerer • Dicke verändern • dicker - dünner • Länge verändern • länger - kürzer max. 4

Aufgabe 3 • nein • keine Luft

Aufgabe 4 • lauter / leiser • kürzer / länger

Aufgabe 5/ 6/ 8 • 1 Punkt pro richtige Antwort

Aufgabe 7 a) ••• 1 Punkt pro Zeichnung, in der das Wesentliche erkennbar ist b) ••• 1 Punkt pro Charakterisierung des Frequenzspektrums c) •••

jeweils ein Punkt für (max.3)

• Tonhöhe erkennbar - nicht erkennbar • Schwingungskurve eines Klanges ist regelmäßig /

periodisch • Schwingungskurve eines Geräusches ist unperiodisch

/ chaotisch • Beispiele

Aufgabe 9 • Oberschwingung ist höher • Oktave oder Frequenzverdoppelung

Anhang Seite XXI

4.4 Beispiele einsetzbarer Software In der folgenden Tabelle habe ich vier in der Akustik verwendbare Programme mit Bezugsquellen und den wichtigsten Vor- und Nachteilen aufgeführt. Einen optischen Eindruck vermitteln die angefügten Bildschirmausdrucke.

Programm Vorteile Nachteile 1. Wave Shaper

(Willow Pond Corporation) Wurde oft mit billigen Soundkarten geliefert, scheint aber nicht mehr vertrieben zu werden.

• einfache Bedienung / übersichtlich

• getrennte Anzeigebereiche für Übersicht und Zoom

• kaum überflüssige Funktionen

• heller Hintergrund (Display)

• falsche Berechnung der Zeitskala

• keine getrennte Darstellung der Stereokanäle

• keine Frequenzanalyse

2. Cool Edit (Syntrillium Software Corporation) Shareware Programm zur Klang-bearbeitung. (http://www.goldwave.com)

• integrierter Funktions-generator

• gute Frequenzanalyse (statisch)

• Stereodarstellung

• etwas unübersichtlicher • schwarzer Hintergrund

3. GoldWave (Chris S. Craig) Shareware Programm zur Klang-bearbeitung. (http://www.goldwave.com)

• großer Funktionsumfang • Pegelanzeige und kleines

Fourierspektrum bei den Bedienungselementen.

• Stereodarstellung

• unübersichtlich • Bedienung etwas

gewöhnungsbedürftig

4. FFT (P.Krahmer) Echtzeit Oszilloskop mit Fast Fourier Analysator (http://www.zum.de/ZUM/Faecher/P/Bay/Kra/home/programm.htm)

• Bei entsprechendem Rechner ist eine schnelle und gute Darstellung möglich.

• kostenlos

• DOS-Programm • läuft bei uns nicht auf dem

Rechner der Mittelstufe • Einstellungen können nicht

gespeichert werden

Abbildung 10 Eine mit Wave Shaper aufgenommene Schwebung zweier Stimmgabeln. Das Programm wurde in den Stunden 5-7 verwendet.

Anhang Seite XXII

Abbildung 11 Die Obertöne einer Gitarre sind mit FFT gut zu sehen (8. Stunde).

Abbildung 12 Messung der Schallgeschwindigkeit mit Cool Edit (12. Stunde) Aufgrund der unterschiedlichen Entfernung der Mikrofone zum Luftballon ist das Signal des oberen Kanals nur schwach zu erkennen.

Anhang Seite XXIII

Abbildung 13 Mit GoldWave dargestellter Klang des „7b-Duetts“. Dieses Programm habe ich in der Unterrichtsreihe nicht verwendet.

Abbildung 14 Die Bedienelemente bei GoldWave enthalten bereits kleine Spektralanalysatoren.

Anhang Seite XXIV

4.5 Literaturverzeichnis 1. BADER, F. / DORN, F. Physik - Mittelstufe Hannover 1980

2. BECKMANN, R. Handbuch der PA-Technik Aachen 1989

3. BLEICHROTH, W. u.a. Fachdidaktik Physik (2. Aufl.) Köln 1999

4. BOYSEN, G. u.a. Physik für Gymnasien Sek. I (Gesamtband A)

Berlin 1991

5. BREDTHAUER, W. u.a. Impulse Physik 1 Stuttgart 1993

6. BUNDESZENTRALE FÜR

GESUNDHEITLICHE

AUFKLÄRUNG

Lärm & Gesundheit Materialien für 5.-10. Klassen

Köln

7. CIEPLIK, D. / LOGES, W.

Projekte im Physikunterricht der Sek. I Vortragsskript zur Interschul’97 im Bezug auf WALZ Blickpunkt Physik

Berlin 1997

8. DROSDOWSKI, G. [Hrsg.]

Der Duden Bd. 1 (21. Aufl.) Rechtschreibung der deutschen Sprache

Mannheim, Leipzig, Wien, Zürich 1996

9. DUIT, R. / HÄUSSLER, P. / KIRCHNER, E.

Unterricht Physik Köln 1981

10. EGGEBRECHT, H.H. [Hrsg.]

Meyers Taschenlexikon Musik in 3 Bd. Mannheim 1984

11. FEYNMAN, R.P. Was ist Naturwissenschaft? Physik u. Didaktik 2 (1987)

S. 105-116

12. FRIEDEL, G. Töne, Klänge - Lärm Päd. Prüfungsarbeit

Studienseminar Bensheim 1998

13. GREHN, J. / KRAUSE, J.

Metzler Physik Hannover 1998

14. GRESSMANN, M. / MATHEA, W.

Die Fundgrube für den Physikunterricht Berlin 1996

15. GUDJONS, H. Pädagogisches Grundwissen Bad Heilbrunn 1993

16. HEEPMANN, B. u.a. Lehrerbuch zu Cornelsen Physik für die Sek. 1 Klasse 7 (Hessen)

Berlin 1996

17. HEEPMANN, B. u.a. Physik für die Sek. 1 Klasse 7 (Hessen) Berlin 1996

18. HIBS (HESS. INST. F. BILDUNGSPLANUNG U. SCHULENTWICKLUNG)

Materialien zum Unterricht Musik 4 Wiesbaden 1989

19. HESSISCHES

KULTUSMINISTERIUM Rahmenplan Physik, Sek. I Frankfurt/M. 1996

20. HESSISCHES

KULTUSMINISTERIUM Rahmenplan Musik, Sek. I Frankfurt/M. 1997

21. KAUTSCH, CHR. Musikinstrumente Bauen und Erkunden ???

22. KELM, D. Akustische Phänomene und ihre Auswirkungen auf die Musik, Päd. Prüfungsarbeit

Studienseminar Bensheim 1998

23. KLAFKI, W. Neue Studien zur Bildungstheorie und Didaktik Weinheim 1991

Anhang Seite XXV

24. KUHN, W. Physik 1 Braunschweig 1996

25. LINNEMANN, P. Darstellung beliebiger Funktionen durch eine Fourierreihe unter Einsatz eines Mikrocomputers

Praxis der Naturw. Physik 8/36 (1987)

S. 2-12

26. LOCHHAAS, H. Möglichkeiten und Grenzen fächerverbindenden Unterrichts

MNU 49/8 (1996) S. 493-496

27. PETERS, K. / LAGEMANN, M.

Eine interdisziplinäre Reihe zur Bruchrechnung/Akustik/Harmonielehre

MU 6 (1998) S. 11-21

28. PRINZ., U. / SCHEYTT, A. u.a.

Musik um uns 1 (3. Aufl.) Hannover 1991

29. PRINZ., U. / SCHEYTT, A. u.a.

Musik um uns 2 (3. Aufl.) Hannover 1993

30. SCHMIDT, B. Darstellung akustischer Schwingungen und Wellen auf dem Computer

junge wissenschaft 38 (1995), S. 30-33

31. WAGENSCHEIN, M. Die pädagogische Dimension der Physik Braunschweig 1962

32. WAGENSCHEIN, M. / BUCK, P. / KÖHNLEIN, W.

Martin Wagenschein - Ein Interview zu seinem Lebenswerk

chimica didactica 7 (1981)

S. 161-175

33. WAGENSCHEIN, M. Verstehen lehren (6. Aufl.) Weinheim, Basel 1977

34. WALZ, A. Blickpunkt Physik Hannover 1997

35. WINKLER, K. u.a. Die Physik der Musikinstrumente (2. Aufl.) Beiträge aus Spektrum der Wissenschaft

Heidelberg, Berlin 1998

Internetadressen 1. JANSEN, B./

BROCKES, E. Musik und Akustik http://www.juelich.fh-aachen.de/overbach/fach/projekt/einl.htm

2. KRAHMER, P. Akustik http://www.zum.de/ZUM/Faecher/P/Bay/Kra/home/akustik.htm

3. SCHOMMER, F./ KABUSS, W.

Messung der Schallgeschwindigkeit mit einer Soundkarte http://www.users.aol.com/gykophys/vschall.htm

4. GOLDWAVE GoldWave Digital Audio Editor http://www.goldwave.com

Anhang Seite XXVI

4.6 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 S. 7 nach eigenem Entwurf

Abbildung 2 S. 9 in Anlehnung an [GRESSMANN, M./MATHEA, W., Berlin 1996], S. 190

Abbildung 3 S. 12 in Anlehnung an [EGGEBRECHT, H.H. [HRSG.], Mannheim 1984] Bd. 2, S. 346

Abbildung 4 S. 31 nach eigenem Entwurf

Abbildung 5 S. 36 nach eigenem Entwurf

Abbildung 6 S. 39 nach eigenem Entwurf

Abbildung 7 S. 39 nach eigenem Entwurf

Abbildung 8 S. 39 nach eigenem Entwurf

Abbildung 9 Anhang I nach eigenem Entwurf

Abbildung 10 Anhang XXI Ausdruck der Programmoberfläche

Abbildung 11 Anhang XXII Ausdruck der Programmoberfläche

Abbildung 12 Anhang XXII Ausdruck der Programmoberfläche

Abbildung 13 Anhang XXIII Ausdruck der Programmoberfläche

Abbildung 14 Anhang XXIII Ausdruck der Programmoberfläche

Dosenlaute und Saitenbrett Arbeitsblatt 1* [CIEPLIK, D. / LOGES, W., Berlin 1997]

Stabgeige u. Gummizithern Arbeitsblatt 1* [KAUTSCH, CHR., ??? ]

Saitendosen Arbeitsblatt 1* [HIBS, Wiesbaden 1989] S. 23

Gitarrenspieler Arbeitsblatt 1* unbekannt

Gitarrenspieler Arbeitsblatt 2/2b unbekannt

Gitarre Arbeitsblatt 2/2b CCP Development GmbH

Trommeln Arbeitsblatt 3* [CIEPLIK, D. / LOGES, W., Berlin 1997]

Sandpapierbretter, Wabbel-bleche und Gluckerpauke

Arbeitsblatt 3* [HIBS, Wiesbaden 1989] S. 22

Mensch Arbeitsblatt 3-6 unbekannt

Flötenspieler Arbeitsblatt 7* unbekannt

Halmoboe, Luftpumpe, Ballon und Spiralschläuche

Arbeitsblatt 7* [HIBS, Wiesbaden 1989] S. 21

Gras- / Papierfieper Arbeitsblatt 7* [CIEPLIK, D. / LOGES, W., Berlin 1997]

Dudelsack Arbeitsblatt 7* unbekannt

Seilwellenversuch Arbeitsblatt 8/9 [GREHN, J./KRAUSE, J., Hannover 1998] S. 138

KUNDTsches Rohr Arbeitsblatt 8/9 [GREHN, J./KRAUSE, J., Hannover 1998] S. 142

Instrumente u. Astronauten Lernkontrolle Corel Corporation 1994

*Die Texte zu den Bauanleitungen der Instrumente entstammen den gleichen Quellen wie die zugehörigen Bilder.

Anhang Seite XXVII

4.7 Erklärung Ich versichere, dass ich die Arbeit selbständig verfasst und keine anderen als

die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe. Sämtliche Stellen der Arbeit,

die anderen benutzten Werken im Wortlaut oder dem Sinne nach entnom-

men sind, habe ich in jedem einzelnen Falle unter Angabe der Quelle als

Entlehnung kenntlich gemacht.

__________________________________

Ich bin damit einverstanden, dass ein unkorrigiertes Exemplar der Arbeit

über die Bibliothek des Studienseminars Darmstadt an Interessenten aus-

geliehen werden kann.

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