Vielfalt in der Geographie begegnen fächerübergreifende Umsetzungen mit geo-physikalischem Schwerpunkt am Beispiel von Experimenten Modellen ...

18. Bayerischer Schulgeographentag vom
        8.- 10. März 2018 in Bayreuth

     Vielfalt in der Geographie begegnen

 fächerübergreifende Umsetzungen mit geo-
 physikalischem Schwerpunkt am Beispiel von
      Experimenten
      Modellen
      Wettbewerbsbeiträgen

                                    Isabel Hörmann

Hintergrund

In den Lehrplänen der Unterrichtsfächer Geographie und Physik am
bayerischen Gymnasium (ISB Bayern 2017) sind einige Themen gelistet, die
sich hervorragend für disziplinumspannende Vorhaben eignen.

Dabei tangieren die Umsetzungsvorschläge
 kompetenzorientierte geophysikalische Experimente
 den Bau eines Handyspektrometers als Beitrag zum Verständnis von
  Strahlung

 das Thema Nachhaltigkeit im Design von Modellen
 erfolgreich umgesetzte Wettbewerbsbeiträge zur naturwissenschaftlich
  geprägten Geographie als Beitrag zur Schulung von praxisrelevanten
  naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen

1) Erdbebenforschung im handlungsorientierten
          Geographieunterricht – ein naturwissenschaftliches
          kompetenzorientiertes Experiment

Hintergründe

 großes Interesse an der Erdbebenthematik (Entstehung,
  Auswirkungen, Schutzmaßnahmen) von Schüler- und Lehrerseite
  (Trend 2001 & 2007 sowie Hemmer & Hemmer 2014)
 methodische Großform des Experiments führt Beliebtheitsskala an,
  jedoch Schlusslicht Dasein in der Einsatzhäufigkeit (Hemmer &
  Hemmer 2005)

 Verwendung des Strukturmodells nach Otto et al. (2010)

      Entwicklung einer kompetenzorientierten Experimentierreihe
       rund um die Erdbebenforschung (Hörmann 2015)

Entwicklung einer kompetenzorientierten Experimentier-
         reihe rund um die Erdbebenforschung (Hörmann 2015)

1.   Ziel des Versuchs: Experimenteller Nachweis eines Erdbebens
     einschließlich der Bestimmung der Intensität und Richtungsherkunft
     des plattentektonischen Ereignisses
2.   Implementationsvorschläge des physikalischen Schülerexperiments
     in die Unterrichtspraxis in Anlehnung an den bayerischen
     Gymnasiallehrplan (vgl. ISB Bayern 2017 a und b)
3.   Zielgruppe: Schülerinnen und Schüler ab der 9. Jahrgangsstufe,
     Unterrichtsfächer Geographie und Physik
4.    Vorbereitung:
     a. Kenntnisse zu theoretischen Grundlagen der Plattentektonik,
        insbesondere zur Erdbebenthematik
     b. Kenntnisse zur Thematik „Elektromagnetische Induktion“
     c. routinierter Umgang der Schüler in experimenteller Situation
5.   Zeitbedarf: 45 Minuten (1 Schulstunde)
6.   Materialien und Aufbau der Versuchsanordnung

Durch das Schülerexperiment zur Erdbebenforschung
zu erwerbende Kompetenzen (vgl. Hörmann 2015, S. 59)

Die praktische Durchführung des geophysikalischen
         Schülerexperiments nach dem Strukturmodell
         naturwissenschaftlichen Arbeitens nach Otto et al. 2010

1.   Formulierung der naturwissenschaftlichen Fragestellung
     „Wie muss man ein quantitatives Schülerexperiment zur
     Erdbebenforschung beschaffen sein, damit mit diesem überhaupt
     ein Erdbeben registriert und anschließend dessen Intensität und
     Herkunftsrichtung experimentell herausgefunden werden kann?“

2.   Generieren der Hypothese(n)
     a. „Erdbebenforschung ist mittels des physikalischen Prinzips der
        elektromagnetischen Induktion im quantitativen Schüler-
        experiment umsetzbar.“
     b. „Im Experiment wird die Bestimmung der Intensität des
        Erdbebens und somit der induzierten Spannung geleistet.“
     c. „Es erfolgt experimentell die Bestimmung der Herkunftsrichtung
        des Erdbebens.“

Die praktische Durchführung des geophysikalischen
       Schülerexperiments nach dem Strukturmodell
       naturwissenschaftlichen Arbeitens nach Otto et al. 2010

3. Planung des Experiments
   „Impulse durch Versuchsmaterialien für Versuchsaufbau und –
   durchführung, Freiräume für kreative Abänderungen“

4. Durchführung des Experiments
   „Dokumentation der Beobachtungen sowie
   quantitativen/qualitativen Ergebnisse auf Arbeitsblatt oder auch
   Erstellung einer Bildabfolge mit Hilfe des Smartphones“

5. Analyse der Daten und weitere Auswertung
   „Rückblick auf Punkte1 und 2: Verifizieren der Hypothesen;
   Erkennen und Deuten von Zusammenhängen aus den Momentauf-
   nahmen; Wiederholung von Punkt 4 mit gezielten Variationen“

2) Bau eines Handyspektrometers als Beitrag zum
        Verständnis von Strahlung (inklusiver thermischer und
        energetischer Eigenschaften)
Hintergrund
Zahlreiche Studien (z.B. PARCHMANN 1996, NIEBERT 2010; SCHULER 2011)
zeigen:
       die Themen ‚Treibhauseffekt‘ und ‚Ozon(-loch)‘ werden
       fälschlicherweise oftmals als ein Phänomen verstanden

Erklärung
 fehlerhafte Verwendung von Fachbegriffen und deren häufige
  Verwechslung
 keine eindeutige Zuordnung physikalischer Grundlagen im Hinblick
  auf die beteiligten Strahlungsarten und deren Eigenschaften
 keine Differenzierung von thermischen und energetischen
  Eigenschaften der beteiligten Strahlung

Das Handyspektrometer

Ziel: Zerlegung von Strahlung in ihre Farbanteile (d.h. in ihre einzelnen
Wellenlängen)
 Informationen zum Emissions- und Absorptionsverhalten von
  Materialien
 Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Materials und dessen
  Zusammensetzung (thermische und energetische Eigenschaften)

Zielgruppe: Schüler der Jahrgangsstufen 9-12
Zeitlicher Bedarf: Bau des Handyspektrometers im Unterricht (45
Minuten), Dokumentation und Auswertung der aufgenommenen Bilder
als Hausaufgabe (45 Minuten)

Aufgabe 1: Erfassung unterschiedlicher Lichtquellen
(Intensität/Wellenlänge) (vgl. http://www.ipp.mpg.de/)

Aufgabe 2: Erfassung des Emissions-/Absorptions-
verhaltens – Albedowerte (zeitlicher Verlauf der
Beleuchtungsstärke)
          1.   Installation der phyphox App
          2.   Auswahl des Lichtsensors
          3.   Aufnahme des zeitlichen Verlaufs der
               Beleuchtungsstärke [t (s) – E(lx) –Diagramm] bzw.
               direkter Export der aufgenommenen Werte in
               Excel
          4.   Untersuchung der Beleuchtungsstärke
               unterschiedlicher Strahlungsquellen
          5.   Untersuchung des Emissions-/Absorptions-
               verhalten ausgewählter Materialien
               (z.B. Bestrahlung von einer dunklen, grauen, weiß
               lackierten Oberfläche bzw. eines Wasserbeckens mit
               einer definierten Strahlungsquelle; vgl. der Diagramme
               hinsichtlich Abschwächung der Beleuchtungsstärke)
          6.   Untersuchung der thermischen Eigenschaften

               Abb.: Hörmann, 2018

3) Bau nachhaltiger Modelle – Landeswettbewerb
           SolarMobil
Hintergrund
 Thema im Unterricht : regenerative Energie(n); Herstellung,
  Speicherung und Nutzung „grünen“ Stroms und deren konkrete
  Umsetzung
 Artikel „Die Elektroschrott-Republik“ von Jacopo Ottaviani,
  erschienen in „Der Spiegel“, April 2016

Umsetzung im Landeswettbewerb SolarMobil 2016
 Bau eines SolarMobils: reibungslose Funktionsfähigkeit & Kernidee
  der Nachhaltigkeit
 Wettbewerbsreglement: für die Fahrzeugkonstruktion und
  Funktionsweise dürfen nur recycelte Materialien und
  nachwachsende Rohstoffe einfließen
 explizite Erklärung der Design-Architektur vor Fachjury sowie in
  einem Posterbeitrag

4) Wettbewerbsbeitrag Leibniz Intel Challenge:
             naturwissenschaftlich geprägte Geographie zur
             Schulung von praxis-relevanten
             naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen
Ziel des Wettbewerbs:
nachhaltige Interessenaktivierung und -förderung in Bezug auf
praxisrelevante naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen

Ablauf:
Vier Aufgabenblöcke mit theoretischen und praktischen
Aufgabenstellungen, Einsenden der Lösung
(Antworten in vollständigen Sätzen, in z. T. aufwändigen Diagrammen,
Dokumentation der durchgeführten Experimente mittels Fotos und
Videos, Basteln der Regenwippe und des Anemometers, Erstellen von
Quellcodes, u. a.)

4) Wettbewerbsbeitrag Leibniz Intel Challenge

1. Aufgabenblock „Wetter und Wettergeschehen“:
Überblick über die konventionellen Methoden der Wetterelemente-
beobachtung & deren Bestimmung
Praxisnähe zu Informations- und Kommunikationstechnologien

2. Aufgabenblock „Wettererfassung“:
(Aufbau und Funktionsweise des Sensors), Inbetriebnahme des
Microcontrollers (Temperatur- und Lichtsensor)

4) Wettbewerbsbeitrag Leibniz Intel Challenge

3. Aufgabenblock:
„Regen und Luftfeuchte“
Bestimmung der beiden
Klimaelemente mittels Bau einer
geeigneten Messvorrichtung, deren
Verbindung zu Microcontroller,
Betrachtung der Kennlinien

4. Aufgabenblock:
Luftdruck und Wind

Vielen Dank
     für Ihre
Aufmerksamkeit!

Quellenverzeichnis
Hemmer, I. & Hemmer, M. (2010): Schülerinteresse an Themen, Regionen und Arbeitsweisen des Geographieunterrichts. Ergebnisse
der empirischen Forschung und deren Konsequenzen für die Unterrichtspraxis. Weingarten (= Geographiedidaktische Forschungen
Band 46).
Hörmann, I. (2015): Erdbebenforschung im handlungsorientierten Geographieunterricht– ein naturwissenschaftliches
kompetenzorientiertes Experiment. GW Unterricht 138 (2/2015), S. 56-64
ISB Bayern – Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung München (2018 a): Fachlehrpläne Geographie am Gymnasium.
http://www.isb.bayern. de/gymnasium/faecher/gesellschaftswissenschaften/geographie/
ISB Bayern – Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung München (2018 b): Fachlehrpläne Physik am Gymnasium.
http://www.isb.bayern.de/gymnasium/faecher/
Otto, K.-H., L. Mönter, S. Hof & J. Wirth (2010): Das geographische Experiment im Fokus empirischer Lehr-/Lernforschung. In:
Geographie und ihre Didaktik/Journalof Geography Education 38. Jg., H. 3, 133–145.
Trend, R. (2004): Children‘s personal interests in selected geoscience topics. In: Teaching Earth Sciences 29 (1), 9–18.
Trend, R. (2005): Individual, situational and topic interest in geoscience among 11- and 12-year-old children. In: Research Papers in
Education, H.3, 271–302.
Trend, R. (2007): Fostering progress in children‘s developing geoscience interests. In: Geographie und ihre Didaktik 35, H. 4, 168–184.
Hörmann, I. (2018): „Fehlvorstellungen zum Thema Ozon vermeiden – eine Design-based Research-Studie unter besonderer
Berücksichtigung der methodischen Großform des Experiments und motivationaler Perspektiven“, Dissertationsprojekt an der
Universität Augsburg
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (2018): Modell eines Handyspektrometers. http://www.ipp.mpg.de/
4071579/Funktionsprinzip.pdf
Niebert, K. (2010): Den Klimawandel verstehen. Eine didaktische Rekonstruktion der globalen Erwärmung. Didaktisches Zentrum
Oldenburg, Oldenburg.
Parchmann, I. (1996): Treibhauseffekt und Ozonloch ‐ ein großes Durcheinander. PLUS LUCIS, 2, S. 33ff.
Schuler, S. (2011): Alltagstheorien zu den Ursachen und Folgen des globalen Klimawandels – Erhebung und Analyse von
Schülervorstellungen aus geographiedidaktischer Perspektive. Dissertation. Bochumer Geographische Arbeiten Bd. 78. Bochum:
Europäischer Universitätsverlag.
Hörmann, I. (2016): Bericht zum SolarMobil2016 Wettbewerb. http://holbein-
gymnasium.de/bilder/solarprojekte/SolarMobil2016_Bericht.pdf
Hörmann. I. (2016): Posterbeitrag zum SolarMobil2016 Wettbewerb. http://holbein-
gymnasium.de/bilder/solarprojekte/SolarMobil2016_Plakat.pdf
Ottaviani, J. (2016): Die Elektroschrott-Republik, Spiegel 04/2016. http://www.spiegel.de/forum/wirtschaft/expedition-uebermorgen-
die-elektroschrott-republik-thread-442429-1.html
Hörmann, I. (2013): Bericht zum Wettbewerb Leibniz Intel Challenge. http://www.holbein-gymnasium.de/Leibniz_Wettbewerb.pdf