10. – 10. Schuljahr

Michael Ludemann und Martin Ernst Kraus

Energieerhaltung anwenden, Energiebilanzen beherrschen

Eine Methode zur Diagnose des Verständnisses der Energieerhaltung bei Schülerinnen und Schülern

Welcher Lehrkraft ist nicht der folgende Schülerdialog bekannt: „Ich weiß den Ansatz nicht. „Du musst einfach nur Ekin = Epot!. Obwohl das Prinzip der Energieerhaltung auch in dieser verkürzten Form Potenzial hat, reicht es gerade bei komplexeren Problemen nicht aus. So wäre dieser Ansatz bei der Beispielaufgabe in Kasten 2 nicht zielführend. Wenn die Schülerinnen und Schüler den Energieansatz nicht detailliert hergeleitet haben (wie z.B. in Kasten 1 dargestellt), kann man als Lehrkraft nicht davon ausgehen, dass das Prinzip der Energieerhaltung verstanden wurde. Es fehlt oft an heuristischen Strategien, die es den Schülerinnen und Schülern erlauben würden, für unterschiedlich geartete Probleme Lösungen zu finden.
Deswegen sollte die Herleitung der Energiebilanz für verschiedene Probleme im Unterricht besprochen (s. Abb. 1 ) und gleichzeitig aufmerksam verfolgt werden, wie sich das Verständnis der Energieerhaltung entwickelt. Der vorliegende Beitrag ist im Rahmen einer Examensarbeit entstanden. Die vorgestellte Unterrichtssequenz beinhaltet eine Methode zur formativen Diagnostik, die die Entwicklung eben dieses Verständnisses der Energieerhaltung (kontinuierlich) überprüft.
Unterrichtssequenz
Das Ziel der Unterrichtssequenz besteht darin, dass Schülerinnen und Schülern der Klassenstufe 10 (in einer Sequenz aus drei Doppelstunden) ihre Kenntnisse und Fähigkeiten zum Energiekonzept anwenden können. Dabei sollen sie den Anfangs- und Endzustand (und ggf. günstige Zwischenzustände) eines Systems innerhalb eines konkreten Prozessablaufes analysieren und durch Ausnutzung einer entsprechenden Energiebilanz quantitative Größen dieses Prozesses berechnen können (s. Beispiel in Kasten 2 ). Um Unterschiede in den individuellen Vorkenntnissen auszugleichen, werden die Aspekte Energieformen und Energieumwandlung zu Beginn der Sequenz wiederholt.
Kontomodell
Zur Visualisierung der Energieumwandlung dient das Kontomodell. In Abbildung 2 ist es beispielhaft für die Aufgabe aus Kasten 2 dargestellt. Man betrachtet bei diesem Modell einen physikalischen Prozess zu bestimmten Zeitpunkten und ordnet Energieformen und deren relativen Füllstand einander zu. Dabei müssen die Schülerinnen und Schüler zunächst die Zeitpunkte innerhalb des Prozesses bestimmen, bei denen jeweils ein Konto vollständig gefüllt ist. Dies stellt einen eigenen Erkenntnisschritt dar.
Die Visualisierung einzelner Energieformen als Konten dient der kognitiven Vorbereitung auf die quantitative Bilanzierung. Als differenzierendes Hilfsmittel kann zusätzlich das Konto der Gesamtenergie verwendet werden, das im verlustfreien physikalischen Ideal stets vollständig gefüllt bleibt und so an die Energieerhaltung in geschlossenen Systemen erinnert.
Das Modell beruht implizit auf der Energieerhaltung und ist gut geeignet, das Verständnis der Energieerhaltung zu vertiefen. Zum einen fördert es das erforderliche Kompensationsdenken: „Eine Energieform nimmt zu, eine andere entsprechend ab [1]. Außerdem unterstützt es den Umgang mit der „Eigentümlichkeit [der Energie] eines situationalen Moments [2]. Ausgehend von den ausgefüllten Konten soll der Betrag der Gesamtenergie des betrachteten Systems bestimmt und anschließend dazu genutzt werden, Größen zu den unterschiedlichen Zeitpunkten zu berechnen.
Diagnostik
Begleitend zur Unterrichtssequenz soll untersucht und beobachtet werden, wie sich das Verständnis der Energieerhaltung bei den Schülerinnen und Schülern entwickelt. Dazu wird das Verfahren der Zettelabfrage [3] im Vorfeld jeder Doppelstunde durchgeführt. Hierbei werden zu Unterrichtsbeginn leere DIN-A6-Blätter ausgeteilt. Eine kurze Aufgabe zur Energieerhaltung wird projiziert. Die Bearbeitungszeit beträgt fünf Minuten. Die Abgabe erfolgt nicht...

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