Modellbildungssysteme im Physikunterricht

Es gibt viele Möglichkeiten den Bereich Multimedia im Physikunterricht einzubringen (siehe Mindmap).

Physik multimedial

Eigentlich eignen sich der mathematisch-naturwissenschaftliche Bereich hervorragend dazu, aber nicht nur  in diesem. Aus einem Mix an Werkzeugen habe ich für meine mündliche Prüfung in der Physikdidaktik die grafikorientierte Modellbildung (roter Zweig) ausgesucht. Dies aus mehreren Gründen:

1. Ich arbeite gerne mit dem Computer und sehe ihn auch als notwendiges Werkzeug für spätere Generationen an. Der Umgang damit muss professionell geübt werden.
2. Der Einsatz von Modellbildungssystemen verträgt sich gut mit einem offenen, schülerzentrierten Unterricht. Ich schätze mich selber eher so ein, dass ich diese Art von Unterricht besser unterstützen kann. Persönlich verspreche ich mir von einem schülerzentrierten Unterricht auch mehr Erfolge, auf Schüler- und auf Lehrerseite.
3. Modellbilgungssysteme lassen sich gut auf andere Fächer/Bereiche übertragen. Man kann ebenso Prozesse aus der Wirtschaft, der Technik, Biologie, Chemie und Umwelt abbilden. Eine kleine Unterrichts-Sammlung findet man auf der Homepage vom Verein Systemdynamik im Unterricht. Also ein Werkzeug für viele Bereiche. Somit dürfte das Effizienzpotential sehr hoch sein, dies setzt aber auch einen konsequenten Einsatz voraus.
4. Ich erhoffe mir eine höhere Akzeptanz und auch eine höhere Motivation der Schüler. Nicht alleine der Einsatz eines Modellierungssystems ist der Grund, sondern es könnten komplexere Aufgaben aus der Lebenswelt der Schüler behandelt werden, da der mathematische Aufwand beim Verwenden eines Modellbildungssystems eher in den Hintergrund rückt. Weiter könnte ich mir vorstellen aus einem ganzen Pool von Unterrichtsideen die Schüler selber auswählen zu lassen (zum Beispiel aus einer Ideen-Tag-Cloud; eigene Notiz: Diese Idee weiter konkretisieren.) Der Unterricht könnte so vielleicht noch mehr an den Interessen der Schüler angepasst werden. Das man solche Beispiele die  in der Welt der Schüler liegt, bringen sollte,  wusste bereits Galilei.

Was sind die Ziele beim Einsatz von Modellbildungssystemen im Physikunterricht?

Nach Horst Schecker gibt es drei verschiedene Art und Weisen, wie sich Modellbildungssysteme positiv auf den Unterricht auswirken können:

• durch Betonung der grundlegenden begrifflichen Struktur der Physik (qualitatives Verständniss),
• durch Einbeziehung komplexer Phänomene aus Natur und Technik, die die  physikalische Kompetenz stärker herausfordern (Lebensweltbezug),
• durch mehr Möglichkeiten für Schüler zur Entfaltung ihrer eigenen Ideen (Schülerorientierung).

Es soll klar die Physik in den Vordergrund treten, was dadurch erreicht wird die Schüler von der Mathematik zu entlasten. Modellbildungssysteme dürfen auch nicht mit Simulationsprogrammen verwechselt werden, da in Simulationsprogrammen das physikalische Modell bereits enthalten ist. Es werden lediglich Parameter verändert. Bei einem Modellbildungssystem geht es um die Erarbeitung der physikalischen Beschreibung eines Vorganges – das Modell selbst.

Wie ist die systemdynamische Modellbildung zu verstehen?

Die Grafik zeigt wie die Notation, wie sie im Modellbildungsprogramm DYNASYS verwendet wird.  Zu sehen ist ein Flußdiagramm eines Fallschirmspringers. Das Beispiel habe ich aus der Seite von Walter Hupfeld entnommen. Dort wird sehr gut beschrieben,  wie die einzelnen Elemente zu verstehen sind und es finden sich noch eine Modellsammlung als Anregung auch außerhalb der Physik. Im Prinzip gibt es nur vier Bausteine und zwar Zustandsgrößen (Rechteck), Änderungsraten (Pfeil mit „Ventil“ ), Einflußgrößen (Kreis) und Einflüsse (schmale Pfeile).  Was so aussieht wie ein Kleeblatt symbolisiert die Systemgrenze. Um ein Verständnis darüber zu bekommen, wie diese grafikorientierte Modellbildung funktioniert ist es erforderlich sich praktisch damit auseinander zu setzen. Mein Tipp dazu DYNASYS kostenfrei runterladen und die Modelle von Walter Hupfeld nachbilden. Das Einarbeiten geht recht flott. Den Nutzen erkennt man dann schnell, wenn man die Modelle nach seinen Bedürfnissen abändert.

Vielleicht ist es noch recht interessant zu wissen, dass die Systemdynamik (Forrester) ihren Ursprung im Bereich der Ökonomie (Logistik, Lagerbestände, Wirtschaftskreisläufe) hat. Dies ist ein weiteres Indiz dafür wie vielseitig solche Modellbildungssysteme einzusetzen sind.

Die Numerik dahinter

Was macht eigentlich ein ein Modellbildungssystem? Die Antwort ist recht primitiv: Sie nutzt Differenzengleichungen wie das Euler-Verfahren und das Runge-Kutta 2 oder 4 Verfahren. Ich gehe hier nicht weiter darauf ein, da die Verfahren sehr gut auf der Seite von Walter Hupfeld beschrieben sind. (Siehe Links zu den Verfahren oder unter dem Abschnitt Quellen Punkt 8.) Im Prinzip könnte man das Gleiche auch mit einem Tabellenkalkulationsprogramm durchführen. Erstens ist es nicht so anschaulich und zweitens will man ja weg von der Mathematik .(Was nicht heißen soll, die Mathematik aus dem Physikunterricht zu verbannen. Dafür ist die Mathematik zu sehr mit der Physik verheiratet.)  Der Schwerpunkt soll hier die physikalische Modulierung sein!

Wie wirkt sich der Einsatz von Modellbildungssystemen im Physikunterricht aus?

Es zeigt sich, dass allein durch den Computereinsatz und die Nutzung von Modellbildungssystemen kein besserer Unterricht zu erwarten ist. Dies hat mehrere Ursachen:

• „Nur wenn Lehrer grundsätzlich – also unabhängig vom Computereinsatz – zu einer offenen Unterrichtsgestaltung bereit und methodisch in der Lage sind, kann das didaktische Potential der Modellbildung zur Entfaltung kommen.“
• Einen Nutzen erhält man nur bei einem wiederkehrenden Einsatz von strukturorientierten Modellbildungssystemen
• Damit sich die Schüler ein Meta-Wissen aneignen können muss der Unterricht so gestaltet sein, dass Zeit bleibt, um die Ergebnisse aus dem Modellbildungssystem zu reflektieren. Eine typische Frage wäre: „Auf welchem Wege sind wir eigentlich zu den Ergebnissen gekommen?“
• Ein Unterrichtserfolg stellt sich eher dann ein, wenn die Lehrer die Unterrichtsschwerpunkte insgesamt – also nicht nur in den computergestützten Unterrichtssequenzen – von formalen Inhalten hin zur grundlegenden begrifflichen Durchdringung von Phänomenen verlangt.

Auf der Schülerseite waren zwei Grundtypen auszumachen, wie die Schüler an die Aufgaben mit dem Modellbildungssystem herangingen:

1. Die eine Gruppe ist eher gleichungsorientiert, das heißt sie versucht Formeln wie s=1/2 g t² möglichst 1 zu 1 in das Modellbildungssystem einzusetzen. Die Parameter des Programmes werden durch probieren so lange angepasst bis es den Erwartungen entspricht.
2. Die begriffsorientierte Gruppe versucht ausgehend von den physikalischen Begriffen Zusammenhänge verbal zu beschreiben und diese dann im Modell umzusetzen.

Angestrebt wird eine Begriffsorientierung da im Physikunterricht versucht werden soll den Schülern die physikalischen Zusamenhänge, also ein Meta-Wissen nahezubringen. Leider zeigen Langzeitstudien dass die gleichungsorientierte Gruppe zahlreicher ist. Dies liegt an der verbreiteten Einstellung physikalisches Wissen drücke sich vorrangig in Formelkenntnissen und Rechenfertigkeiten aus. Dadurch werden Unterrichtsinhalte hinsichtlich ihrer Beutung falsch gewichtet.

Im Großen und Ganzen geht diese Art des Unterrichts eher in die Richtung, weniger Formeln und Rechnungen zu mehr Gesprächen über physikalische Zusammenhängen. Weiter können auch komplexere Zusammenhänge wie Meteoritenbewegungen, Einschwingvorgänge oder im Projektunterricht gar einfache Atmosphärenmodelle angegangen werden. Hier zeigt sich auch eine weitere Stärke von Modellbildungssystemen und zwar kann es Fächerübergreifend eingesetzt werden. Wachstumsraten wie sie in der Biologie vorkommen können ebenso simuliert werden wie Umsatzentwicklungen in Betrieben.

Quellen:

1. Von Horst P. Schecker, Physik – Modellieren, 1. Aufl., Naturwissenschaftliche Reihe (Stuttgart: Klett, 1998).
2. Horst P. Schecker, “Modellbildung im Physikunterricht,” Institut für Didaktik der Naturwissenschaften, 2003, http://didaktik.physik.uni-bremen.de/cpu/mat_mbs/mod_mbs.htm.
3. Hupfeld-Software, “Dynasys – Modellbildung und Simulation dynamischer Systeme,” Hupfeld-Software, 2009, http://www.hupfeld-software.de/pmwiki/pmwiki.php?n=Main.Dynasys.
4. isee systems, “STELLA Education & Research,” isee systems — The World Leader in Systems Thinking Software, 2009, http://www.iseesystems.com/.
5. Eichendorff-Gymnasium Koblenz, “Treibhauseffekt,” Web-Seite zum Treibhauseffekt der Klima AG des Eichendorff-Gymnasiums Koblenz, Mai 1997, http://www.uni-koblenz.de/~odsleis/klima/index.html.
6. Raimund Girwidz, “Lerntheoretische Konzepte für Multimediaanwendungen zur Physik,” Physik und Didaktik in Schule und Hochschule (PhyDid) 1, no. 3 (April 28, 2004): 09-19.
7. “Systemdynamik im Unterricht,” Vereinsseite, Systemdynamik im Unterricht, 2008, http://www.sysdyn.ch/.
8. Walter Hupfeld, “Modellbildung und Simulation dynamischer Systeme,” Modellbildung und Simulation dynamischer Systeme, Juni 11, 2008, http://zope.schulnetz.hamm.de/modsim/index_html.