Konzeption und Evaluation eines Kinematik/Dynamik-Lehrgangs zur ...

4 Interventionsstudie zur graphischen Modellbildung mit VisEdit 61
Das Lösen von komplexen Rechenaufgaben ist in der Schule jedoch kaum möglich. Hängt z.B. eine
Kraft und damit die Beschleunigung von der Geschwindigkeit oder vom Ort ab, kann dies zu Differentialgleichungen
führen, die nur schwer oder überhaupt nicht explizit lösbar sind, sondern lediglich
numerisch mit Hilfe eines Computers. Eine gute Lösung bilden hier die Modellbildungssysteme.
„Physikalische Modellbildung ist die Beschreibung eines Phänomens durch Formulierung von
Hypothesen über die Verknüpfungen einer begrenzten Anzahl von Modellgrößen“ (Schecker et al.,
1989, S. 360). Es geht um Hypothesen über die Verknüpfung von Größen. Simulation ist die Anwendung
bzw. der Ablauf eines Modells unter Setzung bestimmter Randbedingungen, was erst nach
Erstellen des Modells im zweiten Schritt möglich ist. Somit stehen Modellbildung und Simulation
in enger Wechselwirkung. Von größerer didaktischer Relevanz ist aber die Entwicklung des Modells,
nicht dessen Simulation. Natürlich werden auch hier noch Elementarisierungen vorgenommen.
Man kann aber schrittweise den Grad der Elementarisierung verringern, indem man zunächst
vernachlässigte Effekte wie Reibung zusätzlich berücksichtigt.
Man kommt selbst bei sehr komplexen Phänomenen mit wenigen Grundbegriffen und Grundregeln
der Mechanik aus. Im gängigen Physikunterricht stehen mehr spezielle Gleichungen im Mittelpunkt;
bei der Behandlung gleichförmig beschleunigter Bewegungen z.B. die Bewegungsfunktio-
1 2
nen x = 2 ⋅a
⋅t
+ v ⋅t
+ x0
und v a ⋅t
+ v0
= . Bei Modellbildungssystemen bilden die grundlegenden
Definitionen wie v = )x/)t und a = )v/)t und fundamentalen Gesetze wie a = ΣF
/ m die Grundlage.
„Eine große Anzahl von Phänomenen soll durch eine kleine Anzahl allgemeingültiger Gesetze und
Regeln (‚power tools‘) erklärt werden“ (Bethge, 1992, S. 153). Beim Arbeiten mit Modellbildung
werden statt einer Fülle spezieller Formeln für Einzelfälle die strukturellen Zusammenhänge betont;
nicht das quantitative Rechnen, sondern qualitative Zusammenhänge stehen im Vordergrund. Dieses
qualitative Durchdenken physikalischer Probleme kann durch das Arbeiten mit Modellbildungssystemen
gefördert werden.
Der bayerische Physiklehrplan für das achtjährige Gymnasium schreibt numerische Verfahren explizit
für reale Bewegungsabläufe vor. Das Thema „die Mechanik Newtons“ ist dabei eingebunden
in das Jahrgangsstufenthema „physikalische Weltbilder“ (zehnte Jahrgangsstufe): von historischen
Weltbildern über ein mechanistisches bis hin zu modernen Weltbildern, wie sie die Quantenphysik
liefert. Gerade die Vorhersagbarkeit in einem mechanistischen Weltbild und die Reichweite des
zweiten newtonschen Gesetzes kann mit Modellbildung verdeutlicht werden. Zurzeit werden die
physikalischen Grundzusammenhänge im Unterricht allerdings noch durch eine Vielzahl spezieller
Lösungen überdeckt.
Neben diesen beiden Aspekten „Betonung der physikalischen Struktur“ und „Einbeziehung komplexer
authentischer Probleme“ weisen SANDER (2000, S. 47) und SANDER ET AL. (2001, S. 149)
außerdem darauf hin, dass beim Einbeziehen von Modellbildung in das experimentelle Praktikum
an der Universität eine wissenschaftliche Vorgehensweise gefördert wird, indem zwischen theoretischer
und experimenteller Perspektive hin und her gewechselt wird. Dabei wird die Möglichkeit
geschaffen, eigene Ideen eigenständig zu entfalten und zu verfolgen.