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Inklusive Fachdidaktik - Am Beispiel der Unterrichtsreihe „vom Tragen zum Tragwerk“

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Inklusive Fachdidaktik - Am Beispiel der Unterrichtsreihe „vom Tragen zum Tragwerk“
BrückePF.jpg

Brückenkonstruktion aus Magnetstäben und Kugeln

Kurzbeschreibung
In dieser Experimentierreihe wird ein alltagsnaher und handlungsorientierter Zugang zur Mechanik vorgestellt.
Kategorien
Mechanik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 7, Klasse 8,
Basiskonzept: Wechselwirkung,
Sonstiges
Durchführungsform Demoexperiment, Schüler*innen-Experiment, Gruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 11
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Phillip Fischer
Kontakt: \text{fiserfil}@\text{hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Wiebke Musold
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Mit der Unterzeichnung des Artikel 24 der UN-Konvention über die Rechte von Menschen mit Behinderung, gewann die bereits seit fast 40 Jahren bestehende Integrationsbewegung in Deutschland eine verstärkte Bedeutung. Die Tendenz, dass Schülerinnen und Schüler mit und ohne Förderbedarf zusammen unterrichtet werden, intensiviert sich seit Jahren (vgl. Heimlich [1], 2016, S. 162) und ist an den meisten Berliner Schulen Alltag.
Die Forderung einer Teilhabe für Alle und die damit einhergehenden Prinzipien des gemeinsamen Unterrichts stellt die Fachdidaktiken und die Lehrkräfte vor neuen Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt (vgl. von Öhsen & Schecker [2] , 2015, S.584).
Die Fachdidaktik der Physik steht hierbei jedoch vor besonders großen Herausforderungen. Bislang konnte sich eine inklusive Physikdidaktik an den Universitäten weder als eigenständiger Arbeitsbereich etablieren, noch existieren ausreichend empirische Daten für den inklusiven naturwissenschaftlichen Unterricht, um hilfreiche Konzepte und Handlungsmuster zu entwickeln. Erschwerend kommt hinzu, dass Menschen mit Förderbedarf in der Vergangenheit „keine Bedeutung für Wissenschaft und Technik beigemessen“ wurde und somit auch nicht auf sonderpädagogische Erkenntnisse für das Fach Physik zurückgegriffen werden kann (vgl. von Öhsen & Schecker [2], 2015, S.584; Schulz & Brackertz [3], 2017, S. 122). Das Unterrichtsfach existiert, z.B. in einigen sonderpädagogischen Rahmenlehrplänen für den Förderschwerpunkt geistige Entwicklung, bis heute nicht (vgl. Beeks [4] , 2015, S.129f). Damit ist es nicht verwunderlich, dass inklusive Überlegungen für das Fach Physik bisher noch am Anfang stehen (vgl. von Öhsen & Schecker [2], 2015, S.584).
Im vorliegenden Wiki-Text werden die Experimente aus der Unterrichtsreihe vom „Tragen zum Tragwerk" näher vorgestellt. Diese Unterrichtsreihe wird als geeignet für einen inklusiven Unterricht erachtet.


Inhaltsverzeichnis

Didaktischer Teil

Der Anspruch einer inklusiven Didaktik liegt vor allem darin, dass alle Schülerinnen und Schüler, ob mit oder ohne Förderbedarf, am gleichen Ort lernen, deren individuelle Bedürfnisse berücksichtigt werden und alle Schüler/-innen mit in das Unterrichtsgeschehen einbezogen werden. Dabei ist gerade das gemeinsame Arbeiten und Lernen am Lehr-Lerngegenstand mit der jeweiligen Anerkennung der individuellen Stärken wichtig ( vgl. Heimlich [5] , 2007, S.357ff).
In der Unterrichtspraxis ergeben sich damit Fragen nach einer notwendigen Differenzierung, Individualisierung von Lernwegen und die potentielle Bereitstellung von Alternativen. „Dabei muss die Persönlichkeit und die besondere Lerngeschichte der Lernenden beachtet und geachtet werden“ (vgl. Kircher [6],Girwidz & Häußler, 2015, S. 145).
Die zugrundeliegende Unterrichtsreihe ist alltagsnah, handlungsorientiert und berücksichtigt die unterschiedlichen Ausgangslagen von Schülerinnen und Schülern. Es werden folglich wichtige Prinzipien einer inklusiven Didaktik erfüllt. Für ausführliche Informationen steht der Wiki Artikel Inklusive Fachdidaktik - Eine Annäherung zur Verfügung.

Versuchsanleitung

Vom Tragen zum Tragwerk

Die hier vorgestellte Unterrichtsreihe lässt sich einschließlich der Unterrichtsmaterialien und dem didaktischen Konzept auf der Internetseite der Didaktik der Physik der Humboldt- Universität zu Berlin finden.
Ausgehend von einem lebensweltlichen Bezug zum Thema Kraft, erfolgt eine systematische und schrittweise Heranführung an abstrakte physikalische Vorstellungen ( vgl. Boczianowski [7], 2007, S. 9). Die vorliegende Unterrichtsreihe knüpft daher an die individuelle Lernausgangslage vieler Schülerinnen und Schüler an und begünstigt inklusives Lernen. Mögliche Abwehrhaltungen von Schülerinnen und Schüler gegenüber komplexen physikalischen Themen können somit umgangen werden. Denn Schüler und Schülerinnen, die bereits zum Anfang eines neuen Themas an ihre kognitiven Grenzen gebracht werden, reagieren häufig mit einer Abwehrhaltung zu einem Thema, wodurch das Lernen erschwert wird.
Die ersten Experimente die in der Unterrichtsreihe implementiert sind, werden im Folgenden vorgestellt. Auf ausführliche physikalisch-theoretische Hintergründe und Formeln wird jedoch verzichtet.

Das Tragen von Lasten

In der ersten Sequenz der Reihe sollen die Schülerinnen und Schüler durch ein alltagsnahes Schülerexperiment, intuitiv und am Körper spürbar, mit der Kraft vertraut gemacht werden. Wobei zunächst die Begriffe „Zug“ und „Druck“ als Synonyme für die spürbar und sichtbar werdenden Kräfte verwendet werden. „Zug“ und „Druck“ sind dabei nicht im physikalischen Sinne zu verstehen. Sondern werden verwendet „um Kräfte nach ihren Richtungen bezüglich eines Körpers zu kategorisieren. „Zug“ und „Druck“ werden stets im Miteinander gebraucht, um sich von der eigentlichen physikalischen Definition des Drucks abzusetzen" (vgl. Boczianowski [7], 2007, S. 9f). Die Darstellung von Pfeile durchzieht die gesamte Unterrichtsreihe.
Dadurch besteht das Potential, dass alle Schülerinnen und Schüler mit in den Unterricht einbezogen werden. Durch ein multisensorisches, lebensnahes und handlungsorientiertes Experiment werden die unterschiedlichen Bedürfnisse von Schüler/-innen berücksichtigt. Gleichfalls werden sprachliche Differenzen beachtet, indem auf Fachausdrücke zunächst verzichtet wird.

Aufbau

Eine Getränkekiste

Durchführung

Aufgabe ist es, einen Flaschenkasten möglichst einfach zu halten. Hierbei müssen die Schüler und Schülerinnen verschiedene Möglichkeiten ausprobieren. Etwaige Hilfsmittel sind dabei nicht erlaubt. Es darf nur der eigene Körper verwendet werden. Der empfundene „Zug“ und „Druck“ soll dabei wahrgenommen werden. Durch die unterschiedlichen Methoden des Haltens, verstärkt oder verringert sich der wahrgenommene „Zug“ und „Druck“. Dabei gilt zu beachten, dass kein Schwung genommen wird, damit das System statisch bleibt. Weiterhin sollten die Schüler und Schülerinnen eine möglichst gerade Körperhaltung beim Tragen einnehmen, sodass ein Vergleich der unterschiedlichen Methoden gewährleistet werden kann.

Ergebnisse

Es ergeben sich viele Möglichkeiten die Getränkekiste zu halten. Je näher die Getränkekiste am Körper getragen wird, desto geringer ist der empfundene „Zug“ und „Druck“. Am geringsten ist der wahrgenommene „Zug“ und „Druck“, wenn die Getränkekiste auf dem Kopf getragen wird.

Auswertung

Abb.1 Darstellung des Tragens der Getränkekiste mit Pfeilen

Die Beobachtungen am eigenen Körper lassen sich anschließend an entsprechenden visuellen Repräsentationen als Pfeile symbolisieren (siehe Abbildung 1). Die einfachste Methode ist es, wenn der Kasten auf den Kopf getragen wird, da hierbei der mögliche Abstand zum eigenen Körper am geringsten ist. Alternativ kann der Kasten auch auf einer Schulter getragen und mit einer Hand stabilisiert werden. Auch hierbei wird der Abstand zum Körper relativ klein gehalten.
Pfeile werden dabei intuitiv als Symbole eingeführt. Für die Pfeile gelten die folgenden Regeln:
1. „Zug" wird als roter Pfeil symbolisiert (Eine Person zieht den Kasten nach oben).
2. „Druck" wird als grüner Pfeil symbolisiert (Eine Person drückt den Kasten nach oben).
3. Pfeillänge und Kraftbetrag sind proportional zueinander.
4. Der Angriffspunkt kann als Punkt markiert werden. Angriffspunkte können bei dieser Herangehensweise auch an der Spitze eines Pfeils sein.
5. „Der Pfeil wird in dem Körper gezeichnet von dem die Kraft 'wahrgenommen' wird". „Kraftpfeile sind klar den Objekten zugeordnet, die die Kraft erfahren" (vgl. Boczianowski [7], 2007, S. 9f).

Sicherheitshinweise

Ein sicherer Umgang mit der Getränkekiste und ein rücksichtsvolles Arbeiten müssen gewährleistet sein, da beim Herunterfallen etwaige Verletzungen nicht ausgeschlossen werden können. Denn eine volle Getränkekiste wiegt ca. 17kg. Im Idealfall sollte die Getränkekiste mit Plastikflaschen bestückt sein, um das Potential eines Glasbruchs zu bannen.

Grundelemente von Tragwerken

In diesem Teil der Unterrichtsreihe werden drei Lehrerexperimente durchgeführt. Ziel ist es, erste Erkenntnisse über die Grundelemente von Tragwerken zu gewinnen.
Für viele Schülerinnen und Schüler ist die Mechanik keine einfaches Thema. Die Unterrichtsreihe „vom Tragen zum Tragwerk“ berücksichtigt genau dies. Durch „die Untersuchung von Tragwerken, wie Brücken, Kränen und Masten“ ( Boczianowski [7],2007, S. 9) wird ein Alltagsbezug hergestellt, der in der Lebenswelt von Lernenden wiederzufinden ist und somit das Interesse zu physikalischen Themen fördert und inklusives Lernen begünstigt.
Die im vorherigen Versuch empfundenen Wahrnehmungen von „Zug“ und „Druck“ lassen sich anhand ausgewählter Beispiele vertiefen. Damit wird eine Verbindung von eigener Wahrnehmung und der Funktionsweise verschiedener Tragwerke im Stadtbild geschaffen. Gleichfalls lässt sich damit schrittweise die eigene Wahrnehmung physikalisch begründen.

Einknickende Säulen

Eine Konstruktion wird gebaut, um diese dann anschließend zum Einstürzen zu bringen. Durch das Einstürzen werden wirkende Kräfte sichtbar und somit für Schülerinnen und Schüler wahrnehmbarer. Gleichfalls ist das Experiment gut nachvollziehbar, da die Materialien alltagsnah sind und der Aufbau puristisch. Dadurch besteht das Potential, dass alle Schüler und Schülerinnen dem Versuch folgen können.

Aufbau
Abb.2 Aufbau der Konstruktion "Einknickende Säulen"

Für die Durchführung der Experimente werden verschiedene alltagsnahe Materialien gebraucht:
1. Vier Blätter A4 Papier
2. 8 Büroklammern
3. Eine feste Holzplatte
4. Unterschiedlich schwere Steine
Die verwendeten Materialien sind in Abbildung 2 zu sehen. Für die vier Säulen wird je eine A4 Papier zu einem Hohlzylinder der Länge nach aufgerollt. Der Papierzylinder sollte einen Durchmesser von 4 bis 5 cm besitzen. Mit je einer Büroklammer wird der Hohlzylinder oben und unten fixiert. Dabei ist zu beachten, dass alle vier Säulen ungefähr den gleichen Durchmesser aufweisen. Anschließend werden die vier Säulen auf eine ebene Fläche gestellt. Dabei muss die Breite und Länge der Holzplatte berücksichtigt werden. Nachdem die vier Säulen stehen, wird die Holzplatte vorsichtig draufgelegt.

Durchführung
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Video: Zusammenbruch der Konstruktion

Die gebaute Konstruktion wird schrittweise mit Steinen belastet bis sie zusammenbricht. Dabei sollten die Steine möglichst gleichmäßig auf der Holzplatte verteilt werden, da die Konstruktion sonst zur Seite kippt. Ebenfalls sollte nicht mit dem größten Stein, der die Konstruktion einstürzen lässt, angefangen werden. Vielmehr sollte eine langsame schrittweise Belastung der Konstruktion mit Steinen erfolgen. Das steigert die Spannung für die Schülerinnen und Schüler. Vor dem Belasten mit Steinen sollte überprüft werden, ob die Konstruktion auch stabil steht, damit diese nicht bei einer geringen Belastung nachgibt. Es bietet sich an, die Konstruktion auf dem Fußboden zu bauen.
In dem Video wird die Konstruktion langsam mit Steinen belastet, sodass sie zusammenbricht.

Ergebnisse

Die gebaute Konstruktion stürzt abrupt ein. Sie konnte Belastungen von bis zu ca. 25kg tragen.Die Holzplatte bleibt dabei unbeschädigt. Die gebauten Papiersäulen weisen jedoch einen Knick auf.

Auswertung
Abb.3 Konstruktion mit Darstellung der grünen „Druck“- Pfeile
Abb.4 Entstandene Knicke bei den Säulen

Die vier Säulen erfahren einen „Druck“ von oben. Die Holzplatte dagegen erfährt einen „Druck“ von unten. Der Angriffspunkt ist der Berührungspunkt von Säule und Holzplatte. Wird der „Druck“ auf die Säulen zu groß, stürzt die Konstruktion ein. Bei geringerem „Druck“ bleibt die Konstruktion stehen. Die entsprechenden „Druck“- Pfeile zeigen zum Angriffspunkt (siehe Abbildung 3).
Die Untersuchung ergibt, dass alle vier Säulen einen Knick aufweisen (siehe Abbildung 4). Dieser befindet sich immer ca. in der Mitte der Säulen und verläuft horizontal. Die Säulen werden nicht zerdrückt.
Es zeigt sich, dass die Papiersäulen stabil gegenüber den Belastungen von oben sind. Es sind Querkräfte, welche die Säulen zur Seite einknicken lassen und in Folge die gesamte Konstruktion zum Einsturz bringen.

Sicherheitshinweise

Durch das abrupte Einstürzen sollte ein Sicherheitsabstand eingehalten werden. Sodass die herunterfallenden Steine und die zusammenbrechende Konstruktion niemanden verletzen.

Reißendes Seil

Die hier gebaute Konstruktion wird durch Belastung zum Reißen gebracht. Durch die starke Veranschaulichung der wirkenden Kräfte werden viele Sinne angesprochen. Das Reißen des Seils und das Fallen der Konstruktion bewirken einen visuellen Reiz. Beim Aufprall der Konstruktion werden auditive Reize gesetzt. Dies weckt Interesse und steigert die Motivation für den Lerngegenstand. Darüber hinaus können Schüler und Schülerinnen mit Wahrnehmungsstörungen durch das Erzeugen verschiedener sensorischer Reize im Experiment konkrete Wechselwirkungen der Größen "Zug" und "Druck" direkt beobachten. Hierbei wird der inklusive Anspruch des Versuchs deutlich.


Aufbau
Abb.5 Verwendete alltagsnahe Materialien

Materialien:
1. Paketkordel
2. Plastikbeutel
3. Steine

An den Henkeln einer Plastiktüte wird eine ca. 30cm lange Paketkordel geknüpft. Diese hatte einenDurchmesser von 0,2cm.

Durchführung

Die Plastiktüte wird zunächst mit kleinen Steinen beladen. Danach wird sie an der Paketkordel hochgehoben, bis der Beutel den Boden nicht mehr berührt. Das Hochheben sollte ohne Ruck erfolgen. Durch das geringe Gewicht reißt die Paketkordel zunächst nicht. Der Beutel wird wieder runter gelassen bis er auf dem Boden liegt und es werden mehr Steine hinein gefüllt. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die Paketkordel reißt. Dabei ist zu beachten, dass Henkel und Paketkordel ordentlich verknotet sind, damit der Knoten sich nicht löst.

Ergebnisse

Die verwendete Paketkordel reißt plötzlich bei einer Belastung von ca. 14kg und der beladene Beutel fällt herunter. Die Henkel des Beutels und der Beutel selbst bleiben unbeschädigt.

Abb.6 Konstruktion mit schematischen „Zug“-Pfeilen
Auswertung

Bei dieser Konstruktion erfährt die Paketkordel einen „Zug“. Das Gewicht der Steine zieht an der Kordel, wodurch sie bei einer spezifischen Belastung reißt und der Beutel zu Boden fällt. Die Abbildung 6 zeigt schematisch den Versuchsaufbau mit den entsprechenden „Zug“-Pfeilen im statischen Falle. Die „Zug“-Pfeile weisen vom Angriffspunkt weg.

Sicherheitshinweise

Bei der Durchführung ist auf die Position der Füße zu achten, da ansonsten die Gefahr besteht, dass die Füße vom herunterfallenden Beutel getroffen werden.

Belasteter Träger

In diesem Experiment wird ein belasteter Träger untersucht. Die verwendeten Materialien sind in der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler wiederzufinden. Die damit möglichen Handlungen, in Form von Experimenten, werden nicht unnötig abstrahiert. Die Wahrnehmung der Schülerinnen und Schüler wird mit eingebracht und das Lernen am gemeinsamen Lerngegenstand unterstützt.

Aufbau
Abb.7 Materialien für belasteten Träger

Materialien:
1. Zwei Holzstützen
2. Flexible Holzplatte
3. Schaumstoffquader
4. Steine
5. Edding
Die beiden Holzstützen werden parallel zueinander, im Abstand der Länge der Holzplatte, aufgestellt. Anschließend wird die Holzplatte auf die beiden Holzstücke gelegt.
Gleiche Aufbauweise wird mit dem Schaumstoffquader wiederholt. An der Vorderseite des Quaders wird ein Raster mit dem Edding aufgemalt. Hierzu wird in dessen Mitte eine horizontale Linie gezogen und vertikale Linien in regelmäßigen Abständen. Das so entstandene Muster besteht aus mehreren Vierecken.

Durchführung

Die gebaute Konstruktion wird solange mit Steinen belastet, bis eine Verformung sichtbar wird. Die Steine sollten dabei nacheinander und mittig auf der Holzplatte positioniert werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Holzplatte nicht zu stark belastet wird, da sie brechen kann.
Ebenfalls wird die Konstruktion mit dem Quader belastet bis eine Verformung erkennbar wird. Dabei ist darauf zu achten, dass der Quader nicht zu stark belastet wird, da er sonst den Boden berührt und somit die Ergebnisse verfälscht werden.

Ergebnisse
Abb.8 Belastete Holzplatte
Abb.9 Belasteter Schaumstoffquader

Eine sichtbare Verformung tritt bei der verwendeten Holzplatte bei ca. 9kg auf. Durch die Belastung verformte sich die Platte in der Mitte nach unten. An den Seiten wölbte sie sich nach oben (Abbildung 8).
Eine gut sichtbare Verformung tritt beim Schaumstoffquader bei einer Belastung von 2 kg auf (Abbildung 9). Das an der Seite des Quaders aufgebrachte Raster verändert sich durch die Verformung. Die Vierecke, welche oberhalb der horizontalen Linie des Raster liegen, werden gedrückt. Die unterhalb der horizontalen Linie liegen, werden auseinander gezogen. Dies wird vor allem in der Mitte des belasteten Trägers sichtbar.

Auswertung
Abb.10 Belasteter Schaumstoffquader mit „Zug“- und „Druck“- Pfeilen

Der belastete Träger stellt sich als eine Kombination aus „Zug“ und „Druck“ heraus. Dies wird an dem Muster des verformten Schaumstoffquaders deutlich (siehe Abbildung 10). Der obere Teil wird gedrückt und der untere Teil gezogen. Dementsprechend lässt sich ein stabiler Träger als eine Kombination aus einem Seil, das gezogen wird und einer Stütze, die gedrückt wird, beschreiben.
Auch die Schülerinnen und Schüler konnten im ersten Versuche „Zug“ und „Druck“ am eigenen Körper wahrnehmen. Sie können ihre eigene Wahrnehmung auf den belasteten Träger übertragen. Da sie selber beim Tragen von Lasten als Träger fungieren.

Sicherheitshinweise

Das aufgebrachte Raster auf dem Schaumstoffquader kann abfärben. Mit den schweren Steinen sollte vorsichtig gearbeitet werden, es besteht die Gefahr von Quetschungen.

Kräfte in Seilkonstruktionen

In dieser Sequenz werden 6 Schülerexperimente zu Seilkonstruktionen realisiert. Dabei erfolgt zunächst ein phänomenorientiertes Experiment und anschließend vier quantitative Gruppenexperimente. Abschließend wird auf das phänomenorientierte Experiment nochmals eingegangen.
Der Einstieg wird an die Lernausgangslage der Schülerinnen und Schüler angepasst. Gleichfalls sind in inklusiven Settings kooperative Methoden unerlässlich. Durch die Gruppenexperimente können die Schülerinnen und Schüler untereinander kommunizieren, sich über Erfahrungen, Eindrücke und Wahrnehmungen austauschen und dabei voneinander lernen und gemeinsam im Klassenverbund agieren.
Die aus den vorherigen Sequenzen wahrgenommen Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler können mit den bisherigen Erkenntnissen noch nicht ausreichend erklärt werden. Die Wahrnehmung, dass beim Tragen der Getränkekiste der empfundene „Zug“ und „Druck" mit größer werdenden Abstand zum Körper steigt, muss noch geklärt werden.

Das Tragen eins Steines

Ziel ist es, einen schweren Stein an einem Seil zu tragen. Dadurch ist eine Lernumgebung geschaffen, die zum mitmachen anregt und herausfordert. Ein aktives und gemeinschaftliches Handeln wird begünstigt und fördert das Miteinander.

Aufbau
Abb.11 Materialien für das Tragen eines Steins

Materialien:
1. Schwerer Stein
2. Stabile Seile

Mit einem Seil, im Idealfall ein Metalldraht, wird der schwere Stein so umwickelt und verknotet, dass er angehoben werden kann. Dabei sollte beim Verknoten eine Schlaufe geformt werden (Abb.11). Anschließend wird das andere Seil durch die Schlaufe am Stein gezogen. Für das Tragseil bietet sich z.B. ein dickes Springseil an.

Durchführung

Zwei Schüler/-innen stehen zunächst eng parallel beieinander und versuchen den schweren Stein an dem Seil hochzuheben. Das Seil sollte auf beiden Seiten gleich lang sein. Nachdem sie ihn hochheben konnten, setzten die beiden Schüler/-innen den Stein wieder vorsichtig ab. Nachfolgend vergrößern die beiden Schüler/innen ihren Abstand systematisch und versuchen wieder den Stein am Seil anzuheben. Dabei muss das Seil zwischen den Schüler/-innen straff gespannt sein.

Ergebnisse

Wenn die Schüler/-innen nahe beinander stehen, gelingt es ihnen gemeinsam relativ leicht den schweren Stein zu heben. Entfernen sich die beiden Schüler/-innen jedoch weiter voneinander, so gelingt es ihnen kaum noch den Stein hochzuheben. Obwohl weder der Stein, noch die Versuchsteilnehmer/-innen gewechselt wurden.

Auswertung
Abb.12 Darstellung des Experiments mit Pfeilen

Die Ergebnisse lassen sich erneut anhand ausgewählter visueller Bildern mit Kraftpfeilen verdeutlichen. Der empfundene „Zug“ wird als roter Pfeil symbolisiert, wobei drauf zu achten ist, dass die Länge des Pfeils den Betrag des empfundenen „Zugs“ wiederspiegeln soll (siehe Abbildung 12). Je weiter die Schüler/-innen auseinandergehen, desto größer wird der empfundene „Zug“. An den Seilenden wirken starke Zugkräfte. Diese werden stärker, wenn sich die Schüler/-innen weiter voneinander entfernen.
Es besteht eine Analogie zum Tragen der Getränkekiste. Bei beiden Experimenten nimmt der empfundene „Zug“ und „Druck“ mit steigendem Abstand zur Last zu.

Sicherheitshinweise

Die Materialien sollten vorher auf ihre Reißfestigkeit geprüft werden. Es besteht Verletzungsgefahr.

Messung der Reißfestigkeit bei variabler Masse

Das Ergebnis aus dem vorherigen Versuch ist für Schüler und Schülerinnen häufig verblüffend. Obwohl weder Träger noch der Stein ausgetauscht wurden, erhöhte sich der empfundene „Zug“ beim Auseinandergehen. Dies soll an quantitativen Untersuchungen vertieft und erklärt werden.

Aufbau
Abb.13 Aufbau und Materialien für variable Masse

Materialien:
1. Stativmaterial
2. Nähseide oder Garn
3. Plastiktüte
4. Trichter
5. Sand
6. Waage
7. Messbecher

Aus dem Stativmaterial wird entsprechend der Abbildung 13 ein Rahmen konstruiert. An den Henkeln der Plastiktüte wird die Nähseide befestigt. Die Nähseide wird zurecht geschnitten, sodass die Plastiktüte nicht mehr den Boden berührt, wenn das andere Ende der Nähseide oben am Rahmen befestigt wird.

Durchführung

Zunächst muss die mit dem leeren Messbecher belastete Waage auf Null tariert werden. Mithilfe eines Trichters wird der Sand langsam nacheinander in die Tüte gefüllt, bis die Nähseide reißt. Der Sand aus der Tüte wird in den Messbecher umgefüllt und das Gewicht mit der Waage bestimmt.

Ergebnisse

Es wurde eine "normale" Nähseide und eine "reißfeste" Nähseide untersucht. Dabei wurden folgende Messwerte aufgenommen:

Tabelle 1: Messung der Reißfestigkeit bei variabler Masse
Versuch Masse in g ("normale" Nähseide) Masse in g ("reißfeste" Nähseide)
1 1008 2200
2 995 2150
3 1000 2189
4 1019 2202
5 989 2138
6 1012 2176
Auswertung

Die verwendete "normale" Nähseide reißt bei einer durchschnittlichen Belastung von (1004 +/- 5)g . Die "reißfeste" Nähseide bei einer durchschnittlichen Belastung von (2176 +/- 11)g . Die Unsicherheiten ergeben sich aus dem Konfidenzintervall. Wobei in diesem Rahmen und im Folgenden, auf eine ausführliche Fehlerbetrachtung und Rechnung verzichtet wird.
Die "reißfeste" Nähseide kann um mehr als das Doppelte belastet werden. In den weiteren Versuchen soll die Nähseide ebenfalls zum Reißen gebracht werden. Dies wäre mit der "reißfesten" Nähseide jedoch sehr aufwendig. Deswegen empfiehlt es sich, die "normale" Nähseide zu verwenden.
Alternativ lassen sich die Reißversuche auch mit Wägestücken durchführen. Reis kann als Alternative zu Sand verwendet werden.

Sicherheitshinweise

Je nach verwendeter Nähseide können mehre Kilogramm Sand in die Plastiktüte gefüllt werden. Ein umsichtiges Arbeiten muss daher gewährleistet sein. Es besteht die Gefahr von Quetschungen.

Messung der Reißfestigkeit bei variablem Winkel

In diesem Versuch wird die Reißfestigkeit der Nähseide bei verändertem Winkel untersucht.

Aufbau
Abb.14 Aufbau und Materialien für variablem Winkel

Materialien:
1. Maßstab
2. Stativmaterial
3. Sand
4. Nähseide
5. Rollen
6. Trichter
7. Waage
8. Plastiktüte
9. Messbecher

Entsprechend der Abbildung 14 wird aus dem Stativmaterial und den Rollen die Konstruktion gebaut. In der Mitte der Konstruktion wird der Maßstab befestigt. Ein Stück Nähseide (ca. 150cm lang) wird durch die Henkel der Plastiktüte und über die beiden Rollen gezogen.

Durchführung

Die Plastiktüte wird mit einer vorher gemessenen Masse an Sand gefüllt. Aufgrund der bereits bestimmten Reißfestigkeit sollte die Masse kleiner als 2000g sein, aber größer als 1000g. An beiden Enden der Nähseide wird langsam und gleichmäßig gezogen, sodass die Plastiktüte sich mittig zu heben beginnt. Die Höhe bei der die Nähseide reißt, wird am Maßstab bestimmt und notiert. Gleichfalls muss für die späteren Berechnungen die Höhe und der Abstand der beiden Rollen bestimmt werden. Die Waage muss mit dem Messbecher auf Null tariert werden.

Ergebnisse

Es wurden die folgenden 6 Messdaten bestimmt:

Tabelle 2: Messung der Reißfestigkeit bei variablem Winkel
Versuch Masse in g Höhe bei der das Seil reißt (in cm)
1. 1100 60
2. 1300 54
3. 1500 45
4. 1700 35
5. 1800 /
6. 1900 /

Die Rollen haben eine Höhe von 80,5cm und einen Abstand von 60cm.

Auswertung
Tabelle 3: Ergebnisse der Reißfestigkeit bei variablem Winkel
Differenz von Rollenhöhe und Reißhöhe (in cm) Masse (in g) Winkel (in °)
80-60=20 1100 113
80-54=26 1300 98
80-45=35 1500 81
80-35=45 1700 67

Anhand der gemessenen Daten lässt sich der Winkel berechnen. Es gilt:
α=(arctan(l/2h))*2  ; wobei l der Abstand der beiden Rollen zueinander ist und h die errechnete Höhe aus der Differenz zwischen Rollenhöhe und Reißhöhe.

Aufgrund der eingeschränkten Höhe der Konstruktion und der Länge des verwendeten Beutels lassen sich nur große Winkel mit dieser Methode untersuchen. Bei einer geringen Höhe und damit verbunden einem kleinerem Winkel, liegt der Beutel auf dem Boden auf. Dadurch erfährt die Nähseide kein "Zug" und kann nicht reißen. Es bietet sich an, den Versuch mit Wägestücken auszuführen.
Aus den Ergebnissen lässt sich schließen, dass mit sinkender Masse die Plastiktüte höher gezogen werden kann bis die Nähseide reißt. Je höher die Plastiktüte gezogen werden kann, desto größer wird der Winkel der durch die Nähseide aufgespannt wird. Wenn der Winkel kleiner ist, kann mehr Masse von der Nähseide ausgehalten werden. Wenn der Winkel groß ist, kann weniger ausgehalten werden.
Für das Tragen von Lasten und das Bauen von Konstruktionen kann festgehalten werden, dass entweder die Masse möglichst klein gehalten werden sollte oder der Winkel zwischen Träger und Last.

Sicherheitshinweise

Die gebaute Konstruktion ist je nach verwendetem Stativmaterial und Rollen relativ instabil. Es besteht die Gefahr von Quetschungen.

Messung der Reißfestigkeit bei festem Winkel und variabler Masse

In diesem Versuch soll die Reißfestigkeit der verwendeten Nähseide bei einem festem Winkel mit variablen Massen bestimmt werden und somit eine Vertiefung der bisherigen Erkenntnisse erfolgen.

Aufbau
Abb.15Aufbau und Materialien

Materialien:
1. Stativmaterial
2. Geodreieck
3. Sand
4. Nähseide
5. Plastiktüte
6. Trichter
7. Waage
8. Messbecher
9. "Reiter"
Entsprechend der Abbildung 15 wird aus dem Stativmaterial die vorgesehene Konstruktion gebaut. Zwei verschiebbare "Reiter" werden oben auf der Konstruktion in einem spezifischen Abstand eingestellt und mit Schrauben fixiert. Die Nähseide wird durch die Henkel der Plastiktüte gezogen. Die beiden Enden der Nähseide werden jeweils hinter die "Reiter" befestigt.

Durchführung

Die Plastiktüte muss mittig zu den beiden "Reitern" ausgerichtet werden. Mit einem Geodreieck kann nun der Winkel, der von der Nähseide aufgespannt wird, bestimmt werden. Gleichfalls kann eine Nachjustierung der Plastiktüte erfolgen. Die Plastiktüte hängt mittig, wenn die senkrechte Linie auf dem Geodreieck den aufgespannten Winkel halbiert. Dabei ist drauf zu achten, dass das Geodreieck möglichst gerade gehalten wird. Anschließend wird mit Hilfe des Trichters die Tüte solange mit Sand gefüllt, bis die Nähseide reißt. Die Masse des Sands wird mit der Waage bestimmt. Dazu wird der Sand in den Messbecher gefüllt. Dieses Vorgehen ist mit verschiedenen Winkeln zu wiederholen.

Ergebnisse

Es wurden folgende Messwerte aufgenommen:

Tabelle 4: Messung der Reißfestigkeit bei festem Winkel
Versuch Winkel 0° Winkel 40° Winkel 60° Winkel 90° Winkel 120°
1. Seil reißt bei 2012g 1834g 1720g 1451g 1024g
2. Seil reißt bei 2025g 1869g 1751g 1431g 1009g
3. Seil reißt bei 1997g 1821g 1747g 1429g 1007g
4. Seil reißt bei 2035g 1840g 1736g 1444g 998g
5. Seil reißt bei 2043g 1851g 1740g 1419g 1023g
6. Seil reißt bei 2015g 1816g 1739g 1423g 1020g
Auswertung

Mit den aufgenommenen Werten ergeben sich folgende Mittelwerte:

Tabelle 5: Ergebnisse der Reißfestigkeit bei festem Winkel
Winkel 0° Winkel 40° Winkel 60° Winkel 90° Winkel 120°
Mittelwerte 2021g 1839g 1739g 1433g 1014g

Bei einem Winkel von 0° kann das Nähgarn doppelt so viel tragen, da sich das Gewicht des auf beide Nähgarnseiten gleichmäßig verteilen kann. Beide Garnseiten können jeweils das Gleiche an „Zug“ aushalten. Mit steigendem Winkel kann weniger Sand in den Beutel gefüllt werden. Bei 40° reißt die Nähseide bei 1839g, bei 60° bei 1739g und bei 90° bei 1433g. Bei 120° hat sich die mögliche Belastung halbiert. Die Nähseide reißt bereits bei 1014g. Jede Nähgarnseite kann nur noch die Hälfte des ursprünglichen Gewichts tragen. Im Umkehrschluss lässt sich feststellen, dass bei größer werdenden Winkel die Zugkraft auf die jeweilige Garnseite anwächst. Dadurch reißt die Nähseide bei immer weniger Belastung.
Für theoretische Erklärungen bietet sich der Wikiartikel Addition von Kräften an.
Mit diesen Erkenntnissen können die Schülerinnen und Schüler auch ihre Wahrnehmungen erklären. Bei beiden Experimenten zum Tragen spüren sie ein größer werdenden „Zug“ und „Druck“ wenn der Abstand zum Stein/ zur Getränkekiste größer wird und somit auch der Winkel zwischen Träger (der eigene Körper) und Last. Der wahrgenommene „Zug“ und „Druck“ ist gleichfalls vom Winkel abhängig. Deswegen fällt es ihnen schwerer, wenn die Getränkekiste weiter vom Körper getragen wird.
Bei Konstruktionen müssen auch die Winkel zwischen den einzelnen Elementen berücksichtigt werden. Diese sollten möglichst klein sein, damit die Zugkraft minimiert wird.

Sicherheitshinweise

Je nach verwendeten Sand kann dieser sehr stauben. Es sollte langsam und ruhig mit dem Sand gearbeitet werden.

Knotenexperiment

Ziel ist es, die wirkenden Kräfte an einem Knoten zu bestimmen. Dieser Versuch ist in ähnlicher Weise und ausführlich in dem Wikiartikel Addition von Kräften zu finden und wird daher nur kurz dargestellt.

Aufbau
Abb.16 Materialien für das Knotenexperiment

Materialien:
1. Nähseide
2. Federkraftmesser
3. ggf. Unterlegblöcke
Drei gleichlange Stücke der Nähseide werden an einem Ende zusammen geknotet. Das andere Ende der Nähseide wird jeweils mit einem Federkraftmesser verbunden. Die Federkraftmesser können gegebenenfalls auch auf Unterlagen gelegt werden, damit später besser gezeichnet werden kann.

Durchführung

An allen drei Federkraftmessern wird in jeweils eine andere Richtung gezogen. Die Winkel zwischen dem Nähgarn können variiert werden. Zum Zeichnen der entsprechenden Pfeile wird ein Blatt Papier unterhalb des Knotens gelegt. Die jeweilige Ausrichtung des Federkraftmesser bestimmt die Richtung des Pfeils. Die am jeweiligen Federkraftmesser angezeigte Kraft bestimmt die Länge der Pfeile.

Ergebnisse

Es lässt sich an allen drei Federkraftmessern jeweils so ziehen, dass sich der Knoten in Ruhe befindet. Dies gilt für beliebige Winkel.

Auswertung

Wenn die Summe aller einwirkenden Kräfte auf dem Knoten null ist, so befindet er sich in Ruhe.

Sicherheitshinweise

Die Federkraftmesser sollten nie stärker als die jeweils vorgegebene Maximalkraft belastet werden.

Tragen eines Steines mit Hilfe eines Trägers

Mithilfe der bisherigen Erkenntnisse, lässt sich das Tragen eines Steins vereinfachen. Im Experiment zum belasteten Träger stellte sich raus, dass sich ein stabiler Träger als eine Kombination aus Stütze und Seil darstellen lässt. Das Tragen des Steins kann mit einer Querstange unterstützt werden. Ziel ist es wieder, den Stein anzuheben.

Aufbau
Abb.17 Aufbau für Tragen eines Steins mit Querstange

Materialien:
1. Ein schwerer Stein
2. Stabile Seile
3. Holzstange

Mit einem Seil, im Idealfall ein Metalldraht, wird der schwere Stein so umwickelt und erknotet, dass er angehoben werden kann. Dazu sollte beim Verknoten eine Schlaufe geformt werden. Anschließend wird das Seil mit den Griffen voran durch die Schlaufe am Stein gezogen. Die beiden Enden des anderen Seils werden an die Enden der Holzstange geknotet.

Durchführung

Zwei Schüler/-innen umfassen die Enden der Holzstange und heben diese gleichmäßig und langsam an, solange bis sich der Stein zu heben beginnt.

Ergebnisse

Die Schüler/-innen können den schweren Stein leicht anheben. Dies gelingt trotz des größeren Abstands der Schüler/-innen voneinander. Im Vergleich zum Heben des Steins ohne Holzstange, gelingt es ihnen auch deutlich leichter.

Auswertung
Abb.18 Tragen eines Steines mit Träger

Die Holzstange erleichtert den Schüler/-innen das Anheben bzw. Tragen des Steines deutlich. Der wahrgenommene „Zug“ und „Druck" wird geringer. Hierbei wird eine Kombination aus Seil („Zug“) und Stütze („Druck") angewendet, wodurch die Schüler/-innen den Stein heben können. Sie fungieren als stabile Träger. In Abbildung 18 wird dies veranschaulicht. Die Zugkräfte werden wieder mit roten Pfeilen und die Druckkräfte mit grünen Pfeilen symbolisiert.
Auf theoretischer Ebene bietet sich die Beschäftigung mit dem Cremona-Plan an. Dazu kann Bezug zum vorherigen Experiment genommen werden. Auch an den Knotenpunkten einer statischen Konstruktion addieren sich die wirkenden Kräfte zu null. Beim Cremona-Plan kann jeder Angriffspunkt einem Kräfteplan zugeordnet werden. In diesem Plan sind die Pfeile parallel verschiebbar. Richtung und Betrag bleiben dabei erhalten. Durch das Verschieben lässt sich ein Polygonzug erstellen der „vom freien Fußpunkt bis zu freien Spitze" gezeichnet werden kann. Damit lassen sich Pfeile problemlos addieren (vgl. Boczianowski [7], 2007, S. 9f)..

Sicherheitshinweise

Um Unfälle zu vermeiden, sollten die Materialien und Knoten vor dem Versuch auf ihre Reißfestigkeit geprüft werden. Es besteht die Gefahr von Quetschungen.

Brücken

Die aus den vorherigen Experimenten gewonnenen Erkenntnisse und Wahrnehmungen können in einen sinnstiftenden Kontext, dem Bauen von Brücken, eingebracht werden.

Aufbau

Zum Bau der Brücken können verschiedenste Materialien verwendet werden. So eigenen sich z.B. :
1. Magnetstäbe und Metallkugeln
2. Nudeln, Klebepistolen
3. Holzstäbe (Schaschlikspieße), Kleber
Diverse Computerprogramme können ebenfalls für den Entwurf der Brücke genutzt werden.

Durchführung

Auf die Materialien muss sich vorher geeignet werden. Des Weiteren können diverse Randbedingungen festgelegt werden. Jedoch sollten die Schülerinnen und Schüler das bisher erworbene Wissen anwenden. Die entworfene Brücke sollte möglichst viele Knotenpunkte aufweisen und aus einer Kombination aus Seil und Stütze bestehen. Gleichfalls sollten große Winkel vermieden werden. Es bietet sich an, möglichst viele Dreiecke in die Konstruktion einzubauen.

Ergebnisse

Abb.19 Eine Brücke aus Magnetstäben und Kugeln

Mit den verwendeten Materialien lassen sich nahezu beliebig viele Brückenkonstruktionen realisieren. (siehe Abbildung 19)

Auswertung

Abb.20 Chremona - Plan für eine Brücke

Die Auswertung kann anhand spezifischer Kriterien vollzogen werden. Beispielsweise:
1. wie stabil die Konstruktion ist .
2. welche Belastungen die Konstruktion aushält.
3. wie lang die gebaute Konstruktion ist.
4. optische Kriterien. etc.
Die Kräfte lassen sich im statischen Fall wieder mit dem Cremona - Plan beschreiben. Dies ist in der Abbildung 20 veranschaulicht. Für jeden Knotenpunkt lässt sich ein geschlossenes Krafteck erstellen.
Große Brückenkonstruktionen, Kräne oder Riesenräder etc. können so nachgebaut werden. Sie lassen sich aus einer Kombination aus Seil und Stütze darstellen. Die Kombination aus vielen Knotenpunkten, kleinen Winkeln und Elementen die „Zug“ und „Druck“ vertragen, machen diese Konstruktionen so stabil.

Sicherheitshinweise

Vorsicht, wenn mit Heißkleber gearbeitet wird. Es besteht Verbrennungsgefahr.

Literatur

  1. Heimlich, U. (2016): Pädagogik bei Lernschwierigkeiten; 2. Auflage, Julius Klinkhardt Verlag, Bad Heilbrunn
  2. 2,0 2,1 2,2 von Öhsen, R. & H. Schecker (2015): Inklusiver naturwissenschaftlicher Unterricht: Praxiserfahrungen an Bremer Schulen. In Sascha Bernholt (Hrsg.): Heterogenität und Diversität – Vielfalt der Voraussetzungen im naturwissenschaftlichen Unterricht - Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik Jahrestagung in Bremen 2014 (S. 585-587), IPN Verlag, Kiel
  3. Schulz, A. & S. Brackertz (2017): Inklusive Fachdidaktik Physik. In K. Ziemen (Hrsg.): Lexikon Inklusion (S. 122-123); Vandenhoeck & Rubrecht, Göttingen
  4. Beeks, B. (2015) : Wie fließt der Strom ? Ein Unterrichtsbeispiel aus dem Fach Physik. In J. Riegert & O. Musenberg (Hrsg.) : Inklusiver Fachunterricht in der Sekundarstufe (S.126-130); Kohlhammer, Stuttgart
  5. Heimlich, U. (2007): Didaktik des gemeinsamen Unterrichts. In J. Walter & F. B. Wember (Hrsg.): Sonderpädagogik des Lernens (S. 357- 372); Hogrefe, Göttingen; u.a.
  6. Kirchner, E. & R. Girwidz & P. Häußler (2015): Physikdidaktik Theorie und Praxis, 3. Auflage; Springer Verlag, Berlin, Heidelberg
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 Boczianowski, F. (2007): Vom Tragen zum Tragwerk. Naturwissenschaften im Unterricht Physik, Ausgabe 2/07 Heft 98 (S. 9- 16); Klett, Seelze

Siehe auch

Hier können Sie auf andere Artikel im Wiki verweisen, die entweder Ihren Versuch anders darstellen oder thematisch sehr dicht an Ihren Artikel liegen. Fügen Sie dazu einfach einen internen Link ein. [[Kategorie:{{{2}}}]]