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Entwicklung und Evaluation einer Unterrichtseinheit zur elektromagnetischen Induktion
Die elektromagnetische Induktion ist ein wichtiges Thema sowohl in der Sekundarstufe I als auch in der Sekundarstufe II. Allerdings ist es für Schülerinnen und Schüler ein ausgesprochen schwieriger Lerngegenstand. In diesem Bereich zeigt sich, dass Schülerinnen und Schüler häufig bruchstückartiges oder inkonsistentes Wissen erworben haben. Dies belegen unter anderem Studien von Thong (2008), Saglam (2006) und Maloney (2001), sowie eigene Erhebungen.
Im laufenden Projekt wird ein Zugang gewählt, der im Gegensatz zum herkömmlichen Ansatz alle Phänomene einheitlich erklärt, und somit die Komplexität reduziert und den Lernprozess unterstützt. Das entwickelte Unterrichtskonzept verfolgt das Ziel, zunächst ein grundlegendes qualitatives Verständnis der Schülerinnen und Schüler für die elektromagnetische Induktion aufzubauen. Im Gegensatz zu häufigen Einführungen der elektromagnetischen Induktion über die Lorentzkraft wird in unserem Ansatz konsequent die Änderung des magnetischen Flusses betrachtet, um so eine einheitliche Darstellung zu erzielen. Dadurch wird es möglich, alle Phänomene, die auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion beruhen, strukturell ähnlich zu erklären. Der Ansatz ist der folgende: Als Maß für die Größe magnetischer Fluss dient die Anzahl der magnetischen Feldlinien, die die vom Leiter eingeschlossene Fläche durchstoßen. Eine Veränderung des magnetischen Flusses durch eine vom Leiter eingeschlossene Fläche induziert im Leiter ein elektrisches Feld. Es kommt daher im Leiter zu einer Ladungsverschiebung. Im Falle eines geschlossenen Leiters fließt ein Induktionsstrom.
Zusätzlich zur Unterrichtssequenz wird ein auf diese zugeschnittener Test zur Überprüfung des Fachwissens entwickelt und evaluiert. Dieser Test beinhaltet lernzielorientierte Aufgaben. Einige der Aufgaben werden in einem zweistufigen Multiple-Choice-Format entwickelt.
Forschungsmethodisch folgt das Projekt der „Didaktischen Rekonstruktion“. Dabei wird das Unterrichtskonzept durch Akzeptanzbefragungen, Erprobungen in der Schule und Überprüfungen der Lernleistung iterativ optimiert.
Neben der Optimierung des Unterrichtskonzeptes sollen folgende Forschungsfragen beantwortet werden:
- Ist von den Schülerinnen und Schülern fachliche Kompetenz erworben worden?
- Ist die Unterrichtseinheit für den Einsatz im Schulalltag geeignet, d.h. ist sie ökologisch valide?
Zur Entwicklung und Evaluation der Unterrichtseinheit sind folgende Beiträge vorhanden:
- Erfmann, C., Berger, R. (2015): Ein elementarer Zugang zur Induktion. In: Praxis der Naturwissenschaften Physik in der Schule. Aulis Verlag. S. 13-25
- Erfmann, C., Berger, R. (2015): Entwicklung und Evaluation mehrstufiger Multiple-Choice Aufgaben zur Erfassung qualitativer Aspekte der elektromagnetischen Induktion. PhyDid B – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung (eingereicht)
- Erfmann, C. & Berger, R. (2014). Evaluation einer Unterrichtseinheit zur Induktion in der Sekundarstufe II. In S. Bernholt (Hrsg.), Naturwissenschaftliche Bildung zwischen Science- und Fachunterricht. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in München 2013 (S. 357 - 359). Kiel: IPN. Den Artikel finden Sie hier.
- Erfmann, C. & Berger, R. (2014). Eine Unterrichtseinheit zur vereinheitlichten Darstellung der elektromagnetischen Induktion in der Sekundarstufe 2. In PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung 2013. Den Artikel finden Sie hier.
Unterrichtseinheit zur elektromagnetischen Induktion
Die Unterrichtseinheit stellt eine alternative Herangehensweise zur Erarbeitung der elektromagnetischen Induktion dar. Diese Einheit umfasst acht Unterrichtsstunden. Unsere Erfahrungen zeigen, dass das Konzept besonders für Kurse auf grundliegendem Niveau geeignet ist. Ein Einsatz in einem Kurs auf erhöhtem Niveau ist ebenfalls möglich.
Das entwickelte Unterrichtskonzept verfolgt das Ziel, zunächst ein grundlegendes qualitatives Verständnis bei den Schülerinnen und Schüler für die elektromagnetische Induktion aufzubauen. Hierdurch soll der Blick der Schülerinnen und Schüler zunächst ganz zentral auf die wesentlichen Vorgänge bei der Induktion gelenkt werden ohne dabei durch Formeln und Berechnungen unterbrochen zu werden.
In der Unterrichtseinheit werden alle Phänomene mit einer einheitlichen Induktionsregel begründet. Hierbei wird konsequent die Änderung des magnetischen Flusses betrachtet, um so eine einheitliche Darstellung zu erzielen. Dadurch wird es möglich, alle Phänomene, die auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion beruhen, strukturell ähnlich zu erklären. Der magnetische Fluss wird als zentrale Größe für die Erklärung herangezogen. Im Unterrichtskonzept ist die Anzahl der Feldlinien, die eine vom Leiter eingeschlossene Fläche durchstoßen, ein Maß für den magnetischen Fluss. Zur Einführung des magnetischen Flusses ist ein Simulationsprogramm entwickelt worden.
Das Simulationsprogramm, sowie alle weiteren Materialien zur Unterrichtseinheit (Arbeitsblätter, Lösungen, Versuchsbeschreibungen und detaillierte Ablaufpläne) finden Sie weiter unten zum Herunterladen.
