Fach Physik + X

Aus Wikifinum
Wechseln zu: Navigation, Suche

Physik + X im Schuljahr 2010/2011

Physik + X im Schuljahr 2012/2013



Inhaltsverzeichnis

Die Ziele des Faches Physik + X

Die grundlegenden Ziele des Wahlpflichtbereiches Physik + X entsprechen den Zielen, die in den Richtlinien für das Fach Physik an Gymnasien in Nordrhein-Westfalen formuliert sind. Zusätzlich wurden von der Fachkonferenz sechs wichtige Punkte formuliert, die besondere Berücksichtigung bei der Durchführung des Unterrichts im Wahlpflichtbereich PhysiX finden sollen:

  • Der Erwerb der Fähigkeit entscheidende physikalische – bzw. naturwissenschaftliche – Inhalte aus einer größeren Menge an Informationen (Lehrbuchtexte, Internet, Lexika, ...) herauszufinden und in geeigneter Form festzuhalten. In einem zweiten Schritt sollen die Grundlagen einer Präsentation dieser Inhalte festgelegt werden und eine solche Präsentation erfolgen.
  • Die Möglichkeit zur handwerklichen Beschäftigung beim Bau physikalischer Modelle oder Geräte. Dadurch soll ein Zugang zu Problemen der Mechanik – und deren Lösung – geschaffen werden, die erst bei einer konkreten Realisation geplanter Vorhaben auftreten.
  • Das Kennenlernen eines konkreten aber dennoch komplexen Problems am Beispiel der Grundlagen zur Robotersteuerung. Dazu sollen Roboter gebaut, programmiert und gesteuert werden.
  • Die langfristige und intensive Beschäftigung mit einem klar abgegrenzten Bereich der Physik ohne direkt vom physikalischen Inhalt auszugehen. Dabei soll an den Alltagserfahrungen der Lernenden in den jeweiligen Bereichen angeknüpft werden.
  • Das Einüben von Abstrahierungen physikalischer Problemen mit Hilfe von Computereinsatz. Durch die Verwendung von Computerprogrammen zur Modellbildung müssen physikalische Zusammenhänge bis auf graphische Symbole abstrahiert werden. Die Ergebnisse einer solchen Abstraktion sind – über die vom Computer vorhergesagten Ergebnisse zu realen Experimenten – durch Messungen überprüfbar.
  • Das sorgfältige Aufnehmen und Bearbeiten von Messwerten und deren Weiterverwendung. Dies soll besonders berücksichtigt werden, da im normalen Physikunterricht die Zeit dazu nicht zur Verfügung steht, der Umgang mit solchen Messwerten jedoch zur Interpretation von Messergebnissen notwendig ist.


Konzeption der obligatorischen Unterrichtseinheiten im Fach Physik + X

Wie funktioniert das?

Vor dem Hintergrund dieser Frage wählen die Schülerinnen und Schüler einen Alltagsgegenstand aus, um dessen Funktionsweise in Gruppen zu erarbeiten. Bei der Auswahl ist darauf zu achten, dass der Gegenstand physikalische Geheimnisse verbergen sollte, die im Alltag niemand hinterfragt (Kaffeemaschine, elektrische Zahnbürste, Rauchmelder, …). In Kleingruppen werden Informationen über die ausgewählten Gegenstände gesucht und ausgewertet, um dem gesamten Kurs im Rahmen eines computerunterstützten Vortrags erklären zu können, wie das Gerät funktioniert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf einer für ein Referat sinnvollen Reduktion des physikalischen Inhalts.

Auf diese Aufgabe wird der gesamte Kurs vorbereitet, indem an mindestens einem Beispiel die Kriterien für eine inhaltliche Reduktion gemeinsam erarbeitet werden. Am gleichen Beispiel werden Kriterien für einen guten Vortrag erarbeitet, dabei soll deutlich werden, dass bei jeder (computerunterstützten) Präsentation der Inhalt vor dem Effekt der Darstellung stehen muss. Es werden Richtlinien für die Erstellung einer Präsentation abgeleitet, die eine Grundlage der späteren Bewertung bilden.

Die Erarbeitung des physikalischen Inhaltes und die anschließende Erstellung des Referates erfolgt in Kleingruppen. Durch zufällige Auswahlverfahren kann dabei eine gleichmäßige Beteiligung der Lernenden an der Gruppenarbeit unterstützt werden. Neben der Bewertung des gehaltenen Referates (in die alle Lernenden einbezogen werden können) wird in der Klassenarbeit das Reduzieren eines physikalischen Inhaltes an Hand eines Sachtextes überprüft.

Bauen und Zeichnen

Das Ziel dieser Unterrichtseinheit liegt im Bau eigener Modelle oder selbst entworfener Geräte. Dies umfasst eine Planungsphase, den Bau und das Testen des eigenen Produkts. Besonders bewährt hat sich in der Vergangenheit die Herstellung eines sog. SOMA – Würfels.

Um den Erfolg der Planung gewährleisten zu können, werden die Schülerinnen und Schüler in die Grundlagen des technischen Zeichnens (Dreitafelprojektion, isometrische Darstellungen, Maßstäbe, …) eingeführt. Die darauf beruhende schriftliche Dokumentation der Planung dient als Bewertungsgrundlage. Durch den anschließenden Bau des selbst geplanten Produkts fließen in das Fach PhysiX Elemente des Werkunterrichts ein, in denen die Schülerinnen und Schüler an die Arbeit mit Holz, Säge, Hammer, Leim, usw. herangeführt werden.

Roboter - MindStorms

Die Unterrichtseinheit Roboter wird mit Hilfe der LEGO mindstorms® Roboterbausätze durchgeführt. Diese Bausätze beinhalten einen programmierbaren Baustein (RCX) und die bekannten LEGO – Bauelemente wie gelochte Steine, Achsen, Zahnräder, unterschiedlichste Steckverbindungen und verschiedenes mehr.

Der RCX besitzt drei verschiedene Eingänge und Ausgänge. Die Programmierung erfolgt mit Hilfe des PC und einer speziellen graphisch orientierten Software. Diese Software ermöglicht eine sehr übersichtliche Darstellung des Programmablaufs, dessen Richtigkeit am Verhalten des Roboters direkt überprüft werden kann. Verschiedene Sensoren für die Eingänge des programmierbaren Bausteines ermöglichen den Aufbau von „entscheidungsfähigen“ Robotern (z.B. Sortiermaschinen).

Die Verwendung der LEGO – Bauelemente erleichtert den Lernenden die Konstruktion von Hebeln, Übersetzungen und Getrieben, welche z.B. benötigt werden, wenn Motoren bzw. Motorsteuerungen an Grenzen von Drehmomenten, Laufgeschwindigkeiten, oder Laufzeiten stoßen. Die Unterrichtsreihe ermöglicht eine Anwendung von Programmstrukturen der Informatik, die durch das „Verhalten“ des eigenen Roboters nach den Gesetzen der Mechanik direkt überprüft werden. Das Endziel einer solchen Unterrichtseinheit könnte der Aufbau einer eigenen „Fertigungsstraße“ sein. Dazu würden die Fertigungsschritte durch die Roboter einzelner Gruppen erledigt. Ein solches Vorgehen hat den Vorteil, dass die große Bedeutung der Schnittstellen zwischen den einzelnen Fertigungsschritten problematisiert wird.

Schwerpunkt

Hierbei handelt es sich nicht notwendigerweise um eine einzige Unterrichtseinheit. Es können im Verlauf des zweijährigen Wahlpflichtbereiches auch mehrere Schwerpunkte an verschiedenen Stellen mit unterschiedlicher Länge gesetzt werden. Innerhalb eines Schwerpunktes erfolgt die Beschäftigung mit einem klar umgrenzten physikalischen Sachgebiet, welches nicht Bestandteil der Lehrpläne des regulären Physikunterrichts ist. Als Beispiele solcher Schwerpunktthemen seien das Fliegen, der Schiffsbau oder die Physik der Musikinstrumente genannt. Welche Schwerpunkte, wann und wie gesetzt werden, liegt in der Verantwortung der Lehrperson.

LOCAD – „Vom Abakus zum Taschenrechner“ oder „ 1 + 1 = 10 ?“

In dieser Lerneinheit beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit Zahlensystemen. Hierbei werden Lerninhalte aus der Unter- und Mittelstufe des Faches Mathematik aufgegriffen. Stellenwertsysteme wie das Dual- oder Hexagesimalsystem werden altersgerecht eingeführt und das Rechnen in diesen „neuen“ Systemen schrittweise entwickelt.

In einem zweiten Schritt werden die gewonnen Ergebnisse auf das Innenleben eines Taschenrechners übertagen und mit Hilfe von logischen Funktionen die wichtigsten Rechenoperationen nachgebildet. In einem abschließenden Projekt müssen die Schülerinnen und Schüler die einzelnen Bauelemente (logische Funktionen) so verknüpfen, dass beispielsweise die Addition in einem Taschenrechner simuliert werden kann. Diese Simulation findet mit Hilfe der Software LOCAD statt, die jeder Schülerin und jedem Schüler auch für die häusliche Arbeit zur Verfügung gestellt wird.

Die Projektarbeit betont darüber hinaus gruppendynamische Prozesse und den sozialen Umgang miteinander.

Langzeitmessung

Im Laufe des Wahlpflichtbereiches PhysiX muss eine Erhebung von Messdaten über einen längeren Zeitrauem erfolgen. Die dafür notwendigen Messungen sollten in der Regel bei den Lernenden zu Hause erfolgen. Für Langzeitmessungen sind die Themenbereiche Astronomie und vor allem Meteorologie geeignet. Messungen zum Stromverbrauch im Haushalt sind ebenfalls denkbar. Die gewonnenen Messdaten werden im Unterricht tabellarisch und zeichnerisch aufgearbeitet. Der Umgang mit Ungenauigkeiten und Messfehlern wird dadurch thematisiert, dass die Auswertung zu Aussagen führen wird, die auf der Gesamtheit der Messungen beruhen. Einzelne Messwerte können abweichen. Der zeitliche Umfang der Beschäftigung mit einer solchen Langzeitmessung im Unterricht ist weniger konzentriert, und läuft parallel zu anderen Themen.


Außerschulische Physik + X-Wettbewerbe

Freestyle Physics

Intel Challenge

zdi-Roboterwettbewerb

LEGO-in-der-Schule.de First-LEGO-League


Links

Dreitafelprojektion in Google-Books: Technisches Zeichnen von Ulrich Kurz,Herbert Wittel]

Übungen zur Dreitafelprojektion in Google-Books: Technisches Zeichnen von Susanna Labisch,Christian Weber]