Thomas Stalla; Die berufsbildende Schule (BbSch) 47 (1995) 3

Alltagsvorstellungen von Physik
- Ursache für Schwierigkeiten beim Verstehen

Der vorliegende Beitrag zeigt zunächst beispielhaft eine kleine Auswahl von Alltagsvorstellungen zu physikalischen Phänomenen aus Literatur und Praxis. Das eine oder andere der Beispiele wird manchem Leser aus der eigenen Praxis sicher bekannt vorkommen und nicht nur von dort, denn viele der Präkonzepte ähneln gelegentlich dem, was einst die führenden und leitenden Konzepte in der Geschichte der Physik gewesen sind. Präkonzepte aus der Mechanik z. B. lassen sich oft mit der Physik des Aristoteles vergleichen. Auch auf diesen Sachverhalt soll im Verlauf der Ausführungen kurz eingegangen werden. Des weiteren werden Lernstrategien zur Überwindung von Schülervorstellungen vorgestellt.

1 Alltagsvorstellungen als Lernbedingung

Schon vor dem ersten Physikunterricht entwickeln Schüler Vorstellungen über technisch-physikalische Sachverhalte, sogenannte "Präkonzepte". Diese Vorstellungen können vernetzt sein, von Situation zu Situation schwanken, sich beim Lernen mit physikalischen Vorstellungen vermischen, das Lernen be- oder verhindern und sogar den Schulunterricht überdauern.1 Mit anderen Worten bedeutet dies: Der Lehrende muss sich klarmachen, dass die Köpfe der Schüler beim Beginn des Physikunterrichts nicht mit leeren Flaschen zu vergleichen sind, die nun nach Belieben mit Wissen gefüllt werden
können. Es ist im Gegenteil eher so, dass die Köpfe der Schüler mit o. g. Präkonzepten angefüllt sind, die aus Vorstellungen, Ideen, intuitiven Hypothesen und hausgemachten Rezepten bestehen. Präkonzepte sind also vom egozentrischen Standpunkt aus entwickelte, für das Verständnisniveau des Schülers hinreichende, intuitive und naive Erklärungsschemata partikulärer Phänomene. Es handelt sich oft um Eigenschöpfungen des Schülers und somit um für ihn wertvolles mentales Eigentum. Daher sind Präkonzepte extrem resistent und hartnäckig gegenüber herkömmlichem Physikunterricht.2

2 Beispiel für Schwierigkeiten beim Verstehen von Physik
2.1 Atwoodsche Fallmaschine 3

Die Atwoodsche Fallmaschine (s. Abb. 1) wird zunächst statisch betrachtet, wobei der Block auf der rechten Seite etwas tiefer hängt, als der Eimer gleicher Masse auf der linken Seite. 30 % der befragten Schüler gaben an, dass die Gewichte der beiden Objekte nicht gleich seien, mit der Begründung, der Block sei dem Erdboden näher und damit schwerer (Lösung: Eimer und Block vertauschen). Stehen Eimer und Block auf gleicher Höhe, und wird eine zusätzliche Menge Sand (die so klein ist, dass der Eimer sich nicht bewegt) in den Eimer gegeben, so "sehen" dennoch einige Schüler eine Bewegung. Wird eine größere Menge Sand hinzugegeben, so sagen viele Schüler eine gleichförmige Bewegung voraus und "sehen" diese dann auch.

3 Parallelen zwischen Schülervorstellungen und der historischen Impetus Theorie

Es wurde bereits erwähnt, dass die naiven und intuitiven Lösungsansätze bezüglich physikalischer Phänomene oftmals erstaunliche Ähnlichkeiten mit inzwischen überholten Konzepten aus der Geschichte der Physik aufweisen. Diese überraschende Tatsache soll an zwei Beispielen aus der Mechanik belegt werden:
  • In einem Zeichentrickfilm wird eine Kanonenkugel waagerecht abgeschossen. Sie bewegt sich eine Zeitlang waagerecht durch die Luft, bis sie schließlich "erschöpft" senkrecht zu Boden fällt.4
  • Auf die Frage, was mit einem Stein passiert, den man im Gehen fallen lässt, antworten viele Testpersonen, er werde senkrecht unterhalb des Punktes landen, an dem man ihn loslässt.4
Diese Vorstellungen ähneln der Impetus Theorie, die nach Aristoteles (384 - 322 v. Chr.) das Weltbild beherrschte. Nach dieser Theorie hatte man angenommen, dass eine Bewegung nur durch eine "lebendige Kraft", eben jenen "Impetus", aufrechterhalten werden könne, was immer auch unter dieser "lebendigen Kraft" zu verstehen sei. So prägt z. B. ein Werfer einem Projektil diesen Impetus auf, der den Körper befähigt, sich weiter in die vorgegebene Richtung zu bewegen. Durch die "Anstrengung" des Fluges wird der Impetus verzehrt und das bewegte Objekt kommt zum Stillstand bzw. fällt zu Boden.5,4
Nach dieser Theorie hatte man angenommen, dass eine Bewegung nur durch eine "lebendige Kraft", eben jenen "Impetus", aufrechterhalten werden könne, was immer auch unter dieser "lebendigen Kraft" zu verstehen sei. So prägt z. B. ein Werfer einem Projektil diesen Impetus auf, der den Körper befähigt, sich weiter in die vorgegebene Richtung zu bewegen. Durch die "Anstrengung" des Fluges wird der Impetus verzehrt und das bewegte Objekt kommt zum Stillstand bzw. fällt zu Boden.5,4
Erst Galilei (1564 - 1642) erkannte, dass hier die Folge äußerer Einwirkungen auf einen bewegten Körper mit seinem grundsätzlichen Bewegungsverhalten verwechselt worden war, und erst Newton (1643 - 1727) fasste seine Erfahrungen im Trägheitsprinzip (Erstes Newtonsches Axiom) zusammen, wonach ein Körper im Zustand der Ruhe oder der gleichförmig geradlinigen Bewegung verharrt, solange keine äußeren Einflüsse auf ihn wirken.' Es ist also nicht angebracht, die Präkonzepte von Schülern zu belächeln oder als Störung wegwerfend zu behandeln, denn es handelt sich um ihr eigenes für sie wertvolles Gedankengut, das z. T. sogar in den Köpfen vergangener Physikergenerationen entwickelt worden war und so die Geschichte der Physik nachhaltig beeinflusste. Es muss vielmehr nach Methoden und Lösungen gesucht werden, diese Präkonzepte zu transformieren bzw. ihre physikalisch richtigen Bestandteile für das weiterführende Lernen nutzbar zu machen.

4 Lehrstrategien zur Überwindung von Schülervorstellungen

Zunächst sollte festgestellt werden, was vom Schüler gefordert wird, wenn man ihm abverlangt, seine Präkonzepte zu ändern bzw. über Bord zu werfen. Es geht ihm dabei sicher nicht anders als dem Physiker selbst, und dies wurde von Heisenberg recht treffend wie folgt beschrieben:6

"Wer in der Wissenschaft arbeitet, ist gewöhnt, im Laufe des Lebens neue Erscheinungen oder neue Deutungen von Erscheinungen kennenzulernen, vielleicht sogar selbst zu entdecken. Er ist darauf vorbereitet, sein Denken mit neuen Inhalten zu füllen. Er kann also gar nicht konservativ im üblichen Sinne am Altgewohnten festhalten wollen. Anders ist es, wenn neue Gruppen von Phänomenen Änderungen in der Struktur des Denkens erzwingen. Hier haben selbst bedeutende Physiker die größten Schwierigkeiten. Denn die Forderung nach der Änderung der Denkstruktur kann das Gefühl erwecken, es soll einem der Boden unter den Füßen weggezogen werden."

Heraus lassen sich zunächst generelle Konsequenzen für den Lehrenden ableiten:2 Der Physiklehrer muss über die Entwicklung seiner eigenen Denkstrukturen reflektieren, sich erinnern, wie schwierig und über welche Fehler, Misskonzepte etc. sich sein eigenes konzeptuelles Physikverständnis entwickelt hat. Dann fällt es ihm leichter, sich in die Denkstrukturen seiner Schüler hineinzuversetzen, ihnen ihre Präkonzepte bewusst zu machen und deren Transformation in physikalische Konzepte gezielt zu steuern. Als hilfreich kann sich dabei ein Repertoire an Fragen wie diesen erweisen:2
  • Was nahm man früher als richtig an ... ?
  • Woher wissen wir überhaupt ... ?
  • Warum glauben wir heute, dass ... ?
  • Welche Evidenzen haben wir eigentlich, dass es (z. B. Atome gibt)?
  • Was ist wirklich beobachtet, was sind Schlussfolgerungen
  • Von wo aus starten wir eigentlich ... ?
  • Was nehmen wir als gegeben hin ... ?
  • Warum hinterfragen wir es nicht mehr ... ?
  • Wie passen Einzelfakten in übergeordnete Strukturen ... ?
  • Wie sind diese miteinander verknüpft ... ?
Eine spezielle Strategie wurde für die Probleme der Mechanik entwickelt:7 Zentrales Anliegen ist, in der Diskussion zwischen Lehrer und Schüler Analogien zwischen schon richtig gesehener Ankersituation und noch falsch beschriebener Zielsituation herzustellen. In einer Art Überbrückngsstrategie soll die Reichweite bereits richtiger qualitativer Vorstellungen erweitert und der Anwendungsbereich falscher Vorstellungen zurückgedrängt werden. In Abb. 4 wird das Vorgehen erläutert.1

Eine allgemeine Strategie, die mehr den radikalen Wechsel als die Entwicklung von Schülervorstellungen betont,besteht darin, kognitive Konflikte zu erzeugen. In der Praxis treten dabei Schwierigkeiten auf, wenn der Schüler das Problem im Rahmen der eigenen falschen Vorstellungen auflöst. Dazu kommt, dass sich viele erfolglose Schüler nur ungern auf kognitive Konflikte einlassen.1 Eine weitere Strategie kann sein, dem Schüler zu vermitteln, wie man lernt.8 Dabei soll vermieden werden, dass der Lernende den Lerninhalt einfach in einer linearen Abfolge von Lernschritten vom Lehrer auf sich selbst überträgt und dabei passiv bleibt. Vielmehr soll der Schüler sein eigenes Lernen reflektieren, so dass Systemdenken, gezieltes Fragen, Darstellen der eigenen Wissensstruktur und Aufzeigen von Alternativen gefördert werden. Dieser methodische Ansatz fordert also, dass das Lernen der Inhalte durch das Einüben der Strategie ergänzt werden muss. Dabei muss natürlich berücksichtigt werden, dass für den Schüler die Methode, wie man etwas lernt, erst dann eine Bedeutung erhält, wenn er die Frage, warum er etwas lernen soll, für sich selbst positiv beantworten kann.

6 Unterhaltungswert naiver Vorstellungen von physikalischen Phänomenen

Anhand folgenden Beispiels soll abschließend gezeigt werden, dass naive Vorstellungen von physikalischen Phänomenen über einen nicht geringen Unterhaltungswert verfügen können, sofern sie z. B. bildlich angemessen umgesetzt werden.2

Abb 4.
Eine Lehrstrategie, die mit Analogien arbeitet, lässt sich am folgenden Beispiel aus der Mechanik erklären: ein Buch liegt auf einem Tisch. Gefragt ist nach den Kräften, die auf das Buch wirken. Zunächst werden die meisten Schüler davon ausgehen, dass der Tisch keine nach oben gerichtete Kraft auf das Buch ausübt. Liegt das Buch dagegen auf einer Feder, werden sie eine aufwärts gerichtete Kraft fordern, gleichzeitig aber eine Analogie zwischen dieser richtig erkannten Ankersituation ("Ein Buch liegt auf einer Feder") und der noch falsch erfassten Zielsituation ("Ein Buch liegt auf einem Tisch") ablehnen. Eine Brückensituation, in der das Buch beispielsweise auf einer biegsamen Tischplatte liegt, kann den Schülern das Verständnis erleichtern.

Thomas Stalla; Die berufsbildende Schule (BbSch) 47 (1995) 3

Literatur

1 Von Rhöneck, C.: Schwierigkeiten beim Verstehen von Physik. In: Physikalische Blätter, Heft 3/1992, S. 177 - 180.
2Nachtigall, D.: Was lernen unsere Schüler im Physikunterricht? Krise und Ausweg. In: Physikalische Blätter, Heft 3/1992, S. 169 - 173.
3M c D e r m o t t , L.: Physics Today, Heft 37 / 1984, S. 24 - 32.
4Degen, R.: Naive Physik von Mickey Mouse, Die Rheinpfalz, Nr. 270, Ludwigshafen, 20. 11. 1992.
5Grehn, J. / Hessberg, A. v. / H o 1 z , H: G. u. a.: Physik für den kursorientierten Unterricht in der gymnasialen Oberstufe, Düsseldorf 1978.
6H e i s e n b e r g , W.: Schritte über Grenzen, München 1985, S. 239 - 251.

7Brown, D.E./ Clement, J.:Instructional Science, 1989, S. 237 - 261.
8White, R.T./ Gunstone, R.E:Int. J. of Science Educ., 1989, S. 481 - 489.
9P f u n d t , H. / D u i d t , R.: Bibliographie Alltagsvorstellungen und naturwissenschaftlicher Unterricht, IPN-Kurzberichte, Kiel 1991.
10K r i s t , H.: Entwicklung naiver Bewegungskonzepte: Je flacher desto weiter? In: Zeitschrift für Entwicklungspsychologie und Pädagogische Psychologie, Heft 3/92, S. 171 - 183.
11D u i t , R. (Hrsg.): Alltagsvorstellungen, Naturwissenschaft im Unterricht, Physik/Chemie, Heft 13, 1986.