Didaktische Hinweise
zur Unterrichtseinheit "Atomphysik für die Sek. I"

 

Wie entsteht beim Quantensprung das Licht? Wieso stürzen die Elektronen nicht in den Kern?

"Schüler kennen eine zeitgemäße Atomvorstellung" so die Forderung der neuen Bildungsstandards für Physik in Baden-Württemberg für die Klassenstufe 9/10. Atomphysik in der Mittelstufe? Sind die Schüler dem überhaupt gewachsen? Es läge nahe, unter diesen Umständen auf das Bohrsche Atommodell zurückzugreifen, denn es ist einfach zu erklären und zu verstehen. Zeitgemäß ist es jedoch nicht. Viele Physiklehrer werden wohl vor diesem Dilemma stehen, wenn sie in den nächsten Jahren zum ersten Mal nach den neuen Bildungsstandards unterrichten. Kann in der Mittelstufe des Gymnasiums überhaupt eine zeitgemäße und gleichzeitig schülergerechte Atomvorstellung vermittelt werden? Diese Frage wurde zum Anlass genommen eine Unterrichtseinheit zur Atomphysik für die Sekundarstufe I zu entwickeln.


Zur Vermittlung einer zeitgemäßen Atomvorstellung müsste man sich eigentlich der Quantentheorie bedienen. Die Quantentheorie ist jedoch eine rein mathematische Theorie und somit für den Unterricht in der Mittelstufe nicht geeignet. Um trotzdem eine zeitgemäße Atomvorstellung unterrichten zu können, müssen Bilder, Analogien und vor allem Modelle herangezogen werden, die die Quantentheorie veranschaulichen. Der Lehrer kann sich hier verschiedener Modelle bedienen.

Die entwickelte Unterrichtseinheit zur Atomphysik wurde versuchsweise in zwei zehnten Klassen zeitgleich unterrichtet. In beiden Klassen waren die verwendeten Bilder und Animationen, die schüleraktiven Methoden und der Lehrer gleich. Die Unterrichtseinheit zur Atomphysik unterschied sich in beiden Klassen nur im verwendeten Modell: Im Physikunterricht der Klasse 10d wurde das Elektroniummodell unterrichtet, im Chemieunterricht der Klasse 10c dagegen das Modell der Aufenthaltswahrscheinlichkeit .

Der Zusammenhang zwischen Aufenthaltswahrscheinlichkeit und der Falschfarbendarstellung wurde in der Klasse 10c zusätzlich mit einer Animation [Video] erläutert.

 


Schülerkonzept
während Einheit

Wie kann nun beurteilt werden, welches der beiden Modelle bei den Schülern zu einem besserem Verständnis geführt hat? Naturwissenschaftlicher Unterricht muss sich zunächst an den Schülern orienterien: Was für Konzepte bringen die Schüler in den Unterricht mit (Präkonzepte)? Wie kann man den Schülern die physikalische Sichtweise so vermitteln, dass sie ein neues Konzept annehmen und auch außerhalb des Unterrichts verwenden?

In beiden zehnten Klassen wurden zunächst die Präkonzepte der Schüler mit einem Fragebogen ermittelt. Auf diesen Vorstellungen wurde während des Unterrichts aufgebaut. Während der Einheit und zum Abschluss wurden die Konzepte wiederholt mit dem gleichen Fragebogen ermittelt.
Ob durch die Unterrichtseinheit nun wirklich ein Konzeptwechsel bei den Schülern stattgefunden hat, kann erst Monate nach der eigentlichen Einheit geprüft werden. Hierzu wurden die Konzepte erneut fünf Monate nach der Unterrichtseinheit abgefragt. Die Ermittlung der Konzepte erfolgte stets ohne Notenbeurteilung.

 

Konzeptwechsel der Schüler zum Elektroniummodell und der Entstehung von Licht [PDF].
Interpretation:
Direkt nach der Unterrichtseinheit konnten ca. 66 % der Schüler ein Atom mit Hilfe des Elektroniummodells richtig beschreiben. Fünf Monate nach Beendigung der Unterrichtseinheit waren es ca. 60 %. Das Elektroniummodell war innerhalb dieser Zeit im Physikunterricht nicht mehr wiederholt worden; im Gegenteil, im Chemieunterricht hatte die Klasse mit dem Bohrschen Atommodell sogar ein abweichendes Modell gelernt. Auffallend war, dass viele Schüler fünf Monate nach der Einheit Atome unter Rückgriff auf Alltagsbeispiele verbal beschrieben, wie folgende Schülervorstellung zeigt [Bild].
Wie Licht auf atomarer Ebene entsteht konnten fünf Monate später ca. 70 % der Schüler korrekt beschreiben. Hier musste durch den Unterricht kein Konzeptwechsel stattfinden, da die Schüler keine Präkonzepte zur Lichtentstehung gehabt hatten.


Konzeptwechsel der Schüler zum Modell der Aufenthaltswahrscheinlichkeit und der Entstehung von Licht [PDF].
Interpretation:
Die Unterrichtseinheit zur Aufenthaltswahrscheinlichkeit fand innerhalb des Chemieunterrichtes statt.
Direkt nach der Unterrichtseinheit konnten ca. 35 % der Schüler ein Atom mit dem Modell der Aufenthatlswahrscheinlichkeit richtig beschreiben. Fünf Monate nach Beendigung der Unterrichtseinheit waren es plötzlich ca. 60 %. Der Chemielehrer berichtete, dass er problemlos auf der Unterrichtseinheit zur Atomphysik aufbauen konnte. Auch wurde wenige Wochen vor der letzen Konzeptermittlung eine Klassenarbeit geschrieben. Aufgefallen ist, dass einige Schüler Schwierigkeiten hatten, die Atomhülle verbal zu beschreiben. Viele Schüler nannten nur den Begriff Aufenthaltswahrscheinlichkeit oder zeichneten ein Bild, wie folgende Schülervorstellung zeigt [Bild].
Wie Licht auf atomarer Ebene entsteht konnten fünf Monate später ca. 38 % der Schüler korrekt beschreiben. Auch hier musste durch den Unterricht kein Konzeptwechsel stattfinden, da die Schüler keine Präkonzepte zur Lichtentstehung gehabt hatten. Einigen Schülern viel es schwer die schwingenden Bilder mit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit zu verknüpfen. Manche interpretierten die Animationen zu den atomaren Übergängen als "hin und her schwappendes Zeugs".


 

 

Abschlussbemerkung:
Die erarbeitete Unterrichtseinheit zur Atomphysik kann sowohl mit dem Elektroniummodell als auch mit dem Modell der Aufenthaltswahrscheinlichkeit unterrichtet werden.
Durch den direkten Vergleich der beiden Modelle innerhalb von zwei Klassen sind natürlich noch keine handfesten Aussagen über die Vor- und Nachteile der Modelle im Unterricht der Sekundarstufe I möglich. Zum einen war die Schülerstichprobe zu klein und schließlich waren zu viele Randbedingungen offen. Der Vergleich der beiden Klassen kann höchstens Hinweise geben - mehr nicht. Die Untersuchung im großen Stil wäre sicherlich ein interessantes Feld für die empirische Unterrichtsforschung.

Die hier beschriebene Unterrichtseinheit erreichte beim Wettbewerb "Ausgezeichnete Unterrichtskonzepte mit Multimedien" den ersten Platz. Der Wettbewerb wurde im Jahr 2006 von der Zeitschrift LA Multimedia und der Gesellschaft für Pädagogik und Information (GPI) ausgetragen.

P. Bronner
Faust-Gymnasium Staufen
Schuljahr 2005/06