7. – 8. Schuljahr

David Hadinek, Susanne Weßnigk und Knut Neumann

Energie (be)greifbar machen

Das Würfelmodell im Unterricht zum Thema Energie

Lernende haben bereits vor dem Unterricht eine Vorstellung von Energie mit Ideen wie „Bewegung, „Leben oder „Industrie. Diese Ideen stammen aus ihrer Lebenswelt [1]. Zugleich erleben sie, dass alle Prozesse aufhören und jede Aktivität erneute Anstrengung benötigt. Wenn Schülerinnen und Schüler also bereits eine grobe Idee von Energie haben, so scheint diese die Energieerhaltung nicht intuitiv mit einzuschließen.
Um den Lernprozess zu einem Verständnis von Energie als Erhaltungsgröße zu unterstützen, bieten sich verschiedene Modelle und Repräsentationen an. Dieser Beitrag beschreibt ein für den Unterricht praktikables Modell zur Betrachtung von Prozessen unter Energieperspektive das Würfelmodell (vgl. [2]). Dieses Modell vereint auf intuitive Weise die Kerneigenschaften von Energie: Wandlung zwischen Energieformen bei gleichzeitiger Erhaltung der Gesamtmenge. Ziel ist es, die Schülerinnen und Schüler an das Thema der Energieentwertung bei Energieumwandlungsprozessen und damit auch an den Prozess der Reibung heranzuführen. Bezüglich der Bildungsstandards [3] ist der Ansatz in den Kompetenzbereichen Fachwissen (Umwandlung, Entwertung und Erhaltung von Energie) sowie Erkenntnisgewinnung (Modellbildung und -nutzung) zu verorten.
Elemente des Würfelmodells
Ein Würfel (z.B. aus Holz) repräsentiert im Würfelmodell eine Energie-Einheit. Gerade im Anfangsunterricht, bei dem noch keine Quantisierung oder Berechnung stattfindet, muss dabei noch keine konkrete Größe (z.B. 1 Joule) festgesetzt werden. Somit ist das Modell auch anschlussfähig für eine spätere quantitative Betrachtung, etwa im Kontomodell.
Über die reine Erfassung von Energiemengen hinaus leistet das Modell jedoch noch mehr: Auf den Seiten eines Würfels sind verschiedene Energieformen als Symbol oder Abkürzung dargestellt. Die für die Schülerinnen und Schüler gerade sichtbare Seite repräsentiert die entsprechende Energieform. Abbildung 1 zeigt verschiedene Mengen Lageenergie, dargestellt durch Würfel. Hierbei sind das reale Objekt und die mit ihm einhergehenden sichtbaren physikalischen Größen (Masse und Höhe) direkt mit der ikonischen Darstellung mit den Würfeln verknüpft.
Bei der Übertragung und Umwandlung von Energie wird der Würfel gedreht, sodass nun eine andere Energieform sichtbar wird:
  • Beispiel: Fällt ein Apfel vom Baum herunter, verringert sich seine Höhe und seine Geschwindigkeit nimmt zu. Die Würfel müssen in diesem Fall im fortlaufenden Prozess nach und nach von Lageenergie auf Bewegungsenergie gedreht werden. Vereinfacht können auch nur Anfangs- und Endzustand dargestellt werden.
Nutzt man die Eigenschaften des Modells, lässt sich auch zur Energieumwandlung in thermische Energie und damit zur Energieentwertung überleiten. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Würfel auch nach dem jeweiligen Prozess einer Energieform und einem Träger zugeordnet werden müssen:
  • Beispiel: Bei einem heruntergefallenen Apfel, der auf dem Boden liegt, passen nun die bisher bekannten Energieformen nicht mehr. Es steht daher die weiterführende Frage im Raum: Wo ist die Energie hin?
Nutzung des Würfelmodells
Das Würfelmodell kann zu verschiedenen Zeitpunkten in den Unterricht eingebunden werden. Beispielsweise kann es als Anschauungsmaterial dienen, noch bevor unterschiedliche Energieformen bekannt sind. Ebenso kann es zur Veranschaulichung von Energieerhaltung genutzt werden, nachdem bereits viel über Energie gesprochen wurde. Von dieser Entscheidung hängt dann ab, in welchem Komplexitätsgrad das Modell eingeführt wird und um welche Aspekte es später erweitert werden muss.
Ein Mittelweg zwischen den beiden eben skizzierten Einsatzvarianten ist die Nutzung des Würfelmodells nach dem Erlernen von wenigstens zwei Energieformen und den entsprechenden Größen, von denen sie abhängen (Bsp.: Bewegungsenergie:...

Weiterlesen im Heft

Vorteile im Abo

Exklusiver Online-Zugriff auf die digitalen Ausgaben der abonnierten Zeitschrift
Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen