7. – 10. Schuljahr

Marcus Kubsch, Jeffrey Nordine und Knut Neumann

Der System-Transfer-Ansatz

Den Energietransfer zwischen Systemen ins Zentrum stellen

Energie ist ein Basiskonzept im Physikunterricht. Allerdings stellt das Energiekonzept für viele Schülerinnen und Schüler eine Herausforderung dar [1]. Dies beginnt z.B. bei der potentiellen Energie, die für Schülerinnen und Schüler schwer greif- und lokalisierbar ist. Auch der zentrale Aspekt der Energieerhaltung bereitet Lernenden Probleme. Die Energieerhaltung in (den im Unterricht häufig behandelten) geschlossenen Systemen deckt sich nicht mit Alltagserfahrungen mit dissipativen Prozessen (z.B. „Warum muss ich mein Handy aufladen, wenn Energie doch erhalten bleibt?). Aus diesem Grund haben Schülerinnen und Schüler oft Schwierigkeiten, das Konzept der Energieerhaltung konsistent bei verschiedenen Phänomenen sowie über Fächer und Klassenstufen hinweg als Strategie einzusetzen. Als Folge entwickeln nur wenige Schülerinnen und Schüler ein adäquates Energieverständnis [2]. Damit fehlt ihnen jedoch ein wichtiges Analysewerkzeug der Naturwissenschaften.
Als mögliche Lösung dieser Probleme wurde u.a. diskutiert, den Unterricht stärker auf den Transfer und weniger auf die Umwandlung von Energie zu fokussieren (s. z.B. [3]). Das Leitprinzip des sog. System-Transfer-Ansatzes lautet: Bei jedem Phänomen wird Energie zwischen miteinander wechselwirkenden Systemen transferiert. Dabei laufen in den Systemen Prozesse ab, bei denen Energie zu- oder abnimmt (s. Abb. 1 und Kasten 1 sowie Definitionen in Kasten 2).
Leitprinzip des System-Transfer-Ansatzes
Leitprinzip des System-Transfer-Ansatzes
In jedem Phänomen wird Energie zwischen interagierenden Systemen transferiert. Dabei laufen in den Systemen Prozesse ab, bei denen Energie zu- oder abnimmt.
Um Phänomene mithilfe des System-Transfer-Ansatzes zu erklären, muss man sich folgende Fragen stellen:
  • Welche Systeme sind beteiligt?
  • Welche Prozesse laufen in diesen Systemen ab?
  • Welche Energietransfers resultieren daraus?
Systeme, Prozesse und Energietransfer
Systeme, Prozesse und Energietransfer
Systeme
Systeme sind definierte Objekte, in die Energie hinein- und heraustransferiert werden kann.
Prozesse
Damit sind hier messbare Prozesse gemeint, die in Systemen ablaufen und bei denen sich die Energie im System entweder verringert oder vergrößert.
Energietransfer
Energietransfers finden zwischen wechselwirkenden Systemen statt. Die Richtung hängt von den in den Systemen ablaufenden Prozessen ab.
Der System-Transfer-Ansatz im Unterricht
Im Folgenden stellen wir erprobte Aktivitäten vor, die geeignet sind, um die zentralen Konzepte des System-Transfer-Ansatzes in der Mittelstufe einzuführen, zu motivieren und Lernschwierigkeiten (z.B. in Bezug auf den Systembegriff) zu begegnen. Eine tabellarische Übersicht der Unterrichtseinheit sowie die eingesetzten Videos stehen Abonnenten digital zur Verfügung und können auch bei den Autoren angefordert werden.
Systeme
Der Systembegriff erscheint zunächst komplex. Im Rahmen der hier vorgestellten Unterrichtseinheit stellt jedoch häufig schon ein Objekt oder eine kleine Ansammlung von Objekten ein System dar. Entscheidend ist, dass diese Objekete interagieren, also z.B. kollidieren. Wenn Schülerinnen und Schüler ein Phänomen betrachten, müssen sie also entscheiden können, welche Objekte miteinander interagieren.
Einstieg: Experimente mit einem Radiometer
Zu Beginn der Unterrichtseinheit zeigen wir Schülerinnen und Schülern ein Radiometer (s. Abb. 2 ) und geben ihnen Gelegenheit, mit diesem und einer Taschenlampe zu experimentieren. Beleuchtet man das Radiometer, beginnt es sich zu drehen. Ändern die Schülerinnen und Schüler nun die Helligkeit der Taschenlampe (bei gleichzeitigem Konstanthalten des Abstandes zwischen Taschenlampe und Radiometer), ändert sich die Rotationsgeschwindigkeit des Radiometers.
Als interagierende Komponenten lassen sich hierbei die Taschenlampe und das...

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