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Vorlesung SoSe 2014Einführung in die Physik
Susanne HeinickeJuniorprofessorin . Institut für Physik und ihre Didaktik
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Physik und die anderen
BiologieChemie
Technik
Mathematik
MedizinPhysik
…
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Überblick physikalische Themen in der GS
Themen 1-2• Wasser• Luft• Wärme und Kälte• Licht und Schatten• Magnetismus
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Überblick physikalische Themen in der GS
Themen 3-4• Licht• Feuer• Wasser• Luft• Schall• Stromkreislauf, Modelle und Sicherheitsregeln
• Kraftübertragung, Kräfte, Statik, Bewegung,, Beschleunigung, Wärme(dämmung)
• Energieumwandlung (Wasser, Wind, Licht, Kohle)
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Inhalte der Vorlesung
• Wasser• Luft• Licht und Schatten• Licht (Optik)• Feuer• Schall• Mechanik: Kräfte• Magnetismus• Elektrizität (2x)• Energieumwandlung• Noch ein Termin frei
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Thema 1
Die Welt aus Sicht der PhysikDie Physik aus Sicht der Welt
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Einstiegsfragen
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Was ist Physik?
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Was ist Physik?
Antwort Physiker: „Physik ist, wenn man scheinbar
einfache Sachen - die aber bei genauem Hinsehen
ungeheuer kompliziert sind - so einfach wie möglich erklärt.“
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Was ist Physik?
• Beispiel Trambahn am Hang
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Was ist Physik?
• Beispiel Trambahn am Hang
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Was ist Physik?
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Modelle – ein wichtiges Werkzeug der Physik
Hertz (1894): „Es ist die nächste und in gewissem Sinne wichtigste Aufgabe unserer bewussten Naturerkenntnis, dass sie uns befähige, zukünftige Erfahrungen vorauszusehen, um nach dieser Voraussicht unseres gegenwärtiges Handeln einrichten zu können … Das Verfahren aber … ist dieses: Wir machen uns innere Scheinbilder oder Symbole der äußeren Gegenstände, und zwar machen wir sie von solcher Art, dass die denknotwendigen Folgen der Bilder stets wieder die Bilder seien von den notwendigen Folgen der abgebildeten Gegenstände.“
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Modelle – ein wichtiges Werkzeug der Physik
Wann ist ein Modell ein gutes Modell?Atommodelle
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Modelle – ein wichtiges Werkzeug der Physik
Wann ist ein Modell ein gutes Modell?AtommodelleModelle für Licht
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Der Modellbegriff
S O
M
Verhalten
informationelle Beziehung
Analogie
(Modell-)Original (O)• jedes wie auch immer erfahrbare oder erkennbare Objekt/Phänomen kann Modelloriginal sein
(Modell-)Subjekt (S)• kann Modellbauer oder –nutzer sein
Analogie• Übereinstimmung von mindestens zwei voneinander unterschiedenen Objekten in mindestens einem ihrer Merkmale
Informationelle Beziehung• liegen vor, wenn Modellsubjekt einem Modelloriginal Informationen über ein Modell entnimmt oder in diesem speichert
Modelle – ein wichtiges Werkzeug der Physik
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Welt der naturwissenschaftlichen Modelle
Welt der Phänomene (Realität)
Gestaltungsspielrauma) der Wissenschaft
b) des (Sach-) Unterrichts Disk
repa
nz
in Anlehnung an Weizsäcker (1964)
Modelle – ein wichtiges Werkzeug der Physik
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Modelle – ein wichtiges Werkzeug der Physik
Modelle und Veranschaulichungen im Elementar- und Primarbereich
Rolle der Lehrkraft: Vermittlerposition zwischen Fachinhalt und Lernenden Lernenden zuhörenFachinhalt aufbereitenZugänge schaffen
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Modelle – ein wichtiges Werkzeug der Physik
Modelle und Veranschaulichungen im Elementar- und Primarbereich
Wichtig: adäquates fachliches Hintergrundwissen über
Lerngegenstand im SU hinausAnschlussfähigkeit für Sekundarbereich
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Mythen über Naturwissenschaften (McComas)
Das war:
Mythos 1: Naturwissenschaftliche Modelle repräsentieren die Realität.
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Mythos 4: Es gibt eine allgemeine und universell einsetzbare Methode der Naturwissenschaften
Mythen über Naturwissenschaften (McComas)
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Was ist ein Experiment?
Experiment in der Wissenschaft
Experiment im Unterricht
Unterscheidung notwendig!
Experimente im Sachunterricht
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Wissenschaftliches Experiment vs. Experiment im Unterricht
Experiment in der Wissenschaft Experiment im Unterricht
Ziel: Erkenntnisfortschritt fürdie Wissenschaft
neues Wissen durch Begründung, Bestätigung oder Verwerfung einer wissenschaft- lichen Hypothese
Ziel: Erkenntnisfortschritt für die Lernenden
Reproduktion wissenschaftlich bekannten Wissens zu Bildungs- zwecken
„wissenschaftliches Experiment“ „(Schul-) Versuch“
Experimente im Sachunterricht
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Das Experiment in der Wissenschaft
„Das Experiment in der physikalischen Forschung ist ein wiederholbares, objektives, d.h. vom Durchführenden unabhängiges Verfahren zur Erkenntnisgewinnung. Unter festgelegten und kontrollierbaren Rahmenbedingungen werden Beobachtungen und Messungen an physikalischen Prozessen und Objekten durchgeführt.“
aus Kircher et al. (2010, 244)
Experimente im Sachunterricht
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• motivationale Komponente• Anschaulichkeit• Möglichkeit der Weltbegegnung und
Selbsterfahrung: haptisch, optisch, …
Erkläre mir, und ich vergesse. Zeige mir, und ich erinnere. Lass es mich tun, und ich verstehe.
Konfuzius
Experimente im Sachunterricht
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Mythos 13: Hypothesen werden erst zu Theorien, dann zu (Natur)Gesetzen.
Mythen über Naturwissenschaften
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Mythos: Von der Hypothese zum Gesetz
Beobachtung Hypothese Theorie Gesetz
„nur eine Theorie“
• Hypothesen• behaupten Zusammenhang zwischen mindestens zwei
Variablen.• lassen sich z.T. in die Form mathematischer Sätze
bringen.
unzutreffende Annahme:
Mythen über Naturwissenschaften
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Mythos: Von der Hypothese zum Gesetz• Gesetze• sind strukturell mit Hypothesen identisch.• können aus empirisch „bewährten“ Hypothesen
hervorgehen.
• Theorien • sind ganze Systeme von wissenschaftlichen Sätzen
(Gesetzen). Relativitätstheorie
Mythen über Naturwissenschaften
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Mythos 6: Die Wissenschaft und ihre Methoden liefern absolute Beweise.
Mythen über Naturwissenschaften
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Mythos: Naturwissenschaften beweisen• Naturwissenschaften können nicht beweisen eine naturwissenschaftliche Theorie kann nur widerlegt, aber nie bewiesen werden
„Schwanenbeispiel“Theorie: Es gibt nur weiße Schwäne Fund eines weißen Schwans: Bestärkung der Theorie, aber kein Beweis, da potenzielle Existenz eines schwarzen Schwans nicht ausgeschlossen werden kann. Fund eines schwarzen Schwans: Widerlegung der Theorie (Falsifikation).
Mythen über Naturwissenschaften
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Mythos 15: Naturwissenschaft ist ein eigenbrötlerisches Bestreben.
Mythen über NaturwissenschaftenMythen über Naturwissenschaften
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Draw a scientist
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Draw a scientist• 26% of students drew a Lab coat
20% of students drew Eyeglasses
27% of students drew untamed hair
44% of students drew scientific tools (desk, table, test tubes)
51% drew a male scientist
27% drew a female scientist
22% drew no gender preferenceBeispiel
Draw a scientist
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Draw a scientist - warum ist das wichtig?
• Stereotypen festigen sich früh – schaffen Distanz zu Lebenswelt der Kinder
• Vor allem Mädchen können sich abgeschreckt fühlen
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Mythen über Naturwissenschaften
Mythos 9: Wissenschaftler sind besonders objektiv.
Mythos 12: Naturwissenschaftliche Erkenntnis wird schnell und direkt akzeptiert.
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Die Naturwissenschaft – ein objektives Streben nach Wahrheit?
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Mythos 8:Die (Natur)Wissenschaft und ihre Methoden kann alle Fragen beantworten.
Mythen über Naturwissenschaften