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Das Banner der Rhetos-Website: zwei griechische Denker betrachten ein physikalisches Universum um sie herum.

Werkstattversuche

Praxisbeispiele

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Basiswissen


Seit dem Jahr 2010 werden in der Mathe-AC Lernwerkstatt in Aachen praktische Versuche mit enger Verbindung zur Mathematik, Physik und Chemie aus der Schule entwickelt. Die Versuche sind so gemacht, dass sich Kinder und Jugendlich möglichst lange und möglichst auch mit Bezug zur Mathematik damit beschäftigen können. Die Seite hier gibt einige Beispiel und Empfehlungen.



Bildbeschreibung und Urheberrecht
Erzeugung von Wasserstoff (oben links), die schwebende Büroklammer (unten links) und der klassische Wellenbandversuch (rechts): drei Beispiele für typische Versuche in einer Lernwerkstatt.☛


Beispiele


Geometrie



Materialkunde



Mechanik



Strömung und Flüssigkeit



Wärmelehre



Magnetismus



Strom



Wellenoptik



Strahlenoptik



Psychologie/Medizin



Konstanz



Proportionalität



umgekehrten Proportionalität



Linearität



quadratischen Funktionen



Versuche zu quintische Funktionen



Versuche zu Exponentialfunktionen



Versuche zu „unbekannten Funktionen“



Stochastik



ersten Ableitung



Chemie



Biologie



19 Tipps aus der Praxis


Wie kann man Experimente so gestalten, dass sich Kinder, Jugendliche oder Studenten möglichst lange, gewinnbringend und vor allem mit Freude damit beschäftigen können? Hier stehen unsere Erfahrungen seit dem Jahr 2010.

Gestaltung


  • a) Alles auf einen Griff: Experimente sollten auf einen Griff mit allen nötige Teilen verfügbar sein. Sehr gut bewährt haben sich dazu unsere standardisierten Holzkisten. Hat man Angst, dass man eh wieder längere Zeit und ohne Erfolgsgarantie nach wichtigen Teilen suchen muss, lässt man es irgendwann ganz sein. Siehe als Beispiel den 👉 WH54 Physik-Raum
  • b) Fest Orte: man sollte immer wissen, wo man etwas findet. Hier hat sich bewährt, dass die Teile feste Orte in den Räumen haben. Je seltener man umräumt, desto besser.
  • c) Alles auf einen Blick: sind Versuche in zweiter Reihe hinter Büchern oder in selten genutzten Kisten in dunklen Ecken aufbewahrt, geraten sie schnell in Vergessenheit. Je mehr ständig sichtbar, etwa an der Wand, ist, desto öfters nutzt man es auch.
  • d) Wysiwyg: what-you-see-is-what-you-get heißt frei übersetzt, dass die Funktion aller Bauteile von außen gut einsehbar ist. Wie ein Flüssigkeitsthermometer funktioniert sieht man. Wie eine elektronische Waage die Masse bestimmt sieht man nicht, sie ist eine Black Box. Je durchsichtiger die Gegenstände die physikalischen Prinzipien zeigen, desto besser. Siehe zu dieser Idee etwa den 👉 Spiritusausdehnungsversuch
  • e) KISS: keep it simple and stupid. Man kann eine Wellenwanne mit Stroboskop, appgesteuerten Erregern, pfiffigen Wasserauslässen und Wellendämpfern an den Rändern ausstatten. Doch dann beschäftigen sich Lernende oft mehr mit den technischen Rafinessen als mit den physikalischen Prinzipien. Je simpler, so meine Erfahrung, desto besser. Siehe dazu unsere Versuche mit der 👉 Wellenwanne
  • f) Reparierbarkeit: unsere Materialien bestehen zum größten Teil aus haushaltsüblichen Mitteln oder aus Dingen aus dem Baumarkt. Nichts gefährdet die langfristige Nutzung eines Experiments mehr als ein kleines aber zwingend nötiges Ersatzteil, das man nicht mehr nachkaufen kann. Ein Beispiel für einen Aufbau ganz aus Haushaltsmaterial ist die 👉 Streichholzrakete
  • g) Verwaltbar: es tut weh, wenn man ein liebgewonnenes Experiment "entsorgt", in das man einmal viele Stunden kreativer Arbeit gesteckt hat. Aber es macht sich immer wieder bezahlt, wenn die Menge an Material "verwaltbar" und übersichtlich bleibt: if in doubt throw it out.
  • h) Sicherheit: richtig viel Freude haben viele Lernende am eigenen Experimentieren, oft lange Zeit ohne "Beaufsichtigung". Hier hat es sich bewährt, dass wir lange Zeit nach Experimenten gesucht haben, die man mit ungefährlichen Mitteln durchführen kann. Ein Beispiel dazu ist das Experiment 👉 Zementation (Calciumacetat)
  • i) Dokumentiert: die Fähigkeit Experimente alleine durchführen zu können schwankt von Schüler zu Schüler ganz beträchtlich. Manchen genügt es, wenn sie die Kernidee verstanden haben, andere benötigen detaillierte Schritt-für-Schritt-Anleitungen. Zu fast jedem Experiment haben wir deshalb eine ausführliche Dokumentation. Sehr hilfreich ist es, wenn ein QR-Code am Experiment selbst sofort zur Anleitung führt.
  • j) Old School: das heißt für uns vor allem, dass wir viele gute Bücher rund um Naturwissenschaften, Mathematik, Philosophie, Geschichte, Technik oder Natur haben. Gerade jüngere Kinder lieben das Blättern in altersgerechten Sachbüchern. Für die Älteren ist die Arbeit mit einschlägigen Lehrbüchern, teilweise auf dem Niveau eines Bachelor-Studiums, von großem Wert. So baut sich über die Zeit ein gutes Leseverständnis auf. Internet ist oft (nicht immer) intellektuelles Finger Food. Bücher vermitteln oft (nicht immer) "Gedanken am Stück". Siehe beispielhaft unsere 👉 Physik Lehrbücher
  • k) Reizarmut: wir haben insgesamt zwei große und zwei kleine Schiefertafeln zum Schreiben mit Kreide. Fast alles Schüler nutzen die Tafeln gerne um darauf große Übersichten anzulegen. Sehr bewährt hat sich, dass man an die großen Tafel Magnete anheften kann. So lassen sich viele Versuche, etwa mit einer optischen Bank, direkt an Tafel ausführen. Die möglichen Vorteile eines Whiteboards werden nach meiner Erfahrung durch die ablenkende Beschäftigung mit der Technik und durch die Verführung zu einem zu hastigen Abspulen von Inhalten seitens der Lehrer und Schüler zunicht gemacht.
  • l) Freie Tische: sehr großen Wert lege ich auf große und immer ganz frei geräumte Tische. Für ein vernünftiges Lernen braucht man Platz für Bücher, sein Tablet, Stifte, Versuchsaufbauten, Schreibunterlagen und was sonst noch. Jede Tischfläche sollte mindestens einen halben Quadratmeter Platz anbieten. Je mehr, desto besser.
  • m) Spiralcurriculum: viele Experimente kann man mit Gewinn schon in der Grundschule durchführen. Oft kann exakt dasselbe Experiment aber auch noch bis tief in ein Studium unter immer neuen Aspekten betrachtet werden. Wie auf einer spiralförmigen Wendeltreppe führt das Experiment um sich selbt kreisend mit jeder Umrundung zu einer höheren Stufe der Erkenntnis. Legt man Lerninhalte gezielt nach diesem Prinzip an, spricht man von einem 👉 Spiralcurriculum

Storytelling


Man kann ein farbloses Experiment (Stoßgesetze der Physik) durch eine gute Rahmengeschichte (Wärmetod des Universums) aufwerten. Die passende Story drumherum hängt dabei stark vom Alter und der Neigung der Kinder und Jugendlichen ab. Es gibt einige Tendenzen.

  • n) Stoffumwandlungen: jüngere Kindern sind unendlich fasziniert von der Umwandelbarkeit der Stoffe. Sie scheinenoch ganz naiv das Faszinosum zu erleben, dass in der reinen Materie selbst steckt. Ein Klassiker dazu ist der Versuch zur 👉 Fällung (Natriumsulfat)
  • o) Phänomenal: einer der größten Spaßkiller ist es, wenn man Kindern zu schnell fertige und zu abstrakte Theorien aufdrängt. Sie interessieren sich noch nicht so sehr für die Frage nach Modellen oder Theorien. Sie können aber ausdauernd darin schwelgen, aus Tintentropfen in Wasser immer neue Formen und Farben herauszuholen oder den Formen- und Farbenreichtum von Kristallen zu beschreiben. Siehe auch 👉 Phänomenologie
  • p) Grenzerfahrungen: gerade jüngere Kinder lieben Fragen nach dem Höchsten, Schnellsten und Besten und anderen Extrema. Und um das Machbare auszutesten lieben sie Versuche, bei denen man das Material an die Grenzen seiner Fähigkeitkeiten bringt. "Kaputtmachen" ist oft gut. Ein gutes Beispiel dafür ist der 👉 Lupen-Albedo-Versuch
  • q) Optimierbar: ebenso beliebt wie das Austesten von Grenzen ist die ständige Verbesserung von Dingen. Wer gerne Wettbewerbe hat, kann hier in Konkurrenz zu anderen Personen gesetzt werden. Siehe dazu etwa den 👉 Filz-Trocknungs-Versuch
  • r) Mathe-Zauber: in der Schule und noch mehr in der Hochschule werden Physik und Chemie oft gleichgesetzt mit einer formelhaften Mathematisierung. Die Faszination, dass die Welt um uns herum Zahlengesetzen zu folgen scheint, stellt sich bei Kindern ab einem Alter von etwa 14 Jahren oft spontan ein: ein Junge beschrieb einmal, er fände es "gruselig", dass sich rechtwinklige Dreiecke an den Satz des Pythagoras hielten. Viele Schüler sind fasziniert davon, dass man bei 200 geworfenen Würfeln meist (nicht immer) zwischen 28 und 38 Sechsen wirft. Dieses Gefühl des Zauberhaften kann man nutzen, um die (nicht zu früh), die Natur auch mathematisch zu beschreiben. Siehe als beispielhaftes Experiment dazu den 👉 200-Würfel-Versuch
  • s) Philosophierbar: ab vielleicht 14 bis 16 Jahren Lebensalter wandelt sich das Interesse vieler Jugendlicher. Gesellschaftliche und philosophische Themen gewinnen dann an Bedeutung. Bei philosophisch geneigten Jugendlichen sind Themen wie unser kosmologisches Schicksal, der Freie Wille oder auch religiöse Aspekte und historische Aspekte ein motivierender Rahmen. Ein bewährtes Beispiel dafür ist die Entstehung des Wärmetodes des Universums aus den Stoßgesetzen. Siehe dazu auch 👉 Wärmetod
  • t) Anwendbar: während manche Jugendliche einen starken Drang zur reinen Grundlagenforschung, zur Theorie oder auch Philosophie haben, finden andere die praktische Anwendbarkeit wichtiger. Oft changiert das Interesse der Jugendlichen noch unentschieden. Verblüffend fand ich selbst, dass man tatsächlich dazu forscht, wie man mit Salz Böden verfestigen kann (z. B. für Pisten für Flugzeuge und Autos im Krieg). Die rein akademische Frage, ob Salz Sand zementieren kann, gewinnt so plötzlich eine spannende praktische Bedeutung. Bei dem weiten Feld der Anwendungen motiviert oft die Medizin ganz besonders stark.

Persönliche Anmerkung


 Portrait von Gunter Heim Der ideale Versuch ist einfach und schnell aufgebaut, er bietet etwas für Altersklassen von 5 bis 25, ist reich na spannenden Phänomenen, bietet viele Möglichkeiten der Mathematisierung, hat viele praktische Anwendungsbezüge, eine bewegende Geschichte aus der Historie und tiefgehende philosophische Bedeutungen. So utopisch das klingen mag, so reichern sich viele der hier beschriebenen Versuche über die Jahr immer mehr mit solchen Aspekten an. Die Vision wäre am Ende eine Lernwerkstatt mit vielleicht 200 Standard-Versuchen, mit denen man jeder Situation gerecht werden. Wir arbeiten dran :-)

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