Schülervorstellung Ausdehnung bei Erwärmung -
Hausarbeit von Lion Cornelius Glatz

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   Inhalt und Relevanz der Arbeit

In der Physikdidaktik ist man heute überzeugt, dass es beim Unterrichten sehr wichtig ist, die Vorstellungen der Schüler, die sie zu einem Thema oder Begriff bereits aus dem Alltag mitbringen, zu kennen und zu berücksichtigen. So wurden in den letzten vierzig Jahren viele Schülervorstellungen erforscht und auf diesen Grundlagen auch geeignete Unterrichtskonzepte für die Schule entwickelt. Zu manchen Themen gibt es jedoch wenig Forschung. Dazu gehört auch die Ausdehnung bei Erwärmung.

Herr Glatz hat in seiner wissenschaftlichen Hausarbeit „Erhebung von Schülervorstellungen zur Ausdehnung bei Erwärmung“ mit Hilfe von Interviews untersucht, welche Vorstellungen Schüler zur Ausdehnung bei Erwärmung haben.

Im zweiten Kapitel wird Allgemeines zu Schülervorstellungen gemäß dem aktuellen Stand der Forschung erläutert. Dann wird Didaktisches zur Wärmelehre dargelegt, wie Modelle, der Begriff „Wärme“, konkrete Schülervorstellungen und konkrete Unterrichtsvorschläge. Im dritten Kapitel wird das Vorgehen der gewählten Erhebung beschrieben: Ein Leitfadeninterview mit Experimenten mit zwölf Schülerinnen und Schülern der Klassenstufen 5 und 6. An Experimenten wurde gezeigt: Eine Eisenkugel, die nach Erhitzen nicht mehr durch den Ring passt, Wasser, das bei Erhitzen im Glasrohr aufsteigt, und ein Luftballon auf einer horizontal liegenden Flasche, der sich bei Erwärmung ausdehnt. Im vierten Kapitel wird dargelegt, wie die Interviewdaten aufbereitet und ausgewertet wurden. Im Kapitel 5.1 werden die Argumentationen der zwölf interviewten Schüler beschrieben. Im Kapitel 5.2 werden die gefundenen Vorstellungen geordnet, verallgemeinert und in Bezug zu bisherigen Forschungsergebnissen gebracht.

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Die wissenschaftliche Hausarbeit [Download als pdf, 2,0 MB]
   Ergebnisse aus der Arbeit
Angelehnt an Gropengießer (2008) werden die Verallgemeinerungen der einzelnen, in den Interviews gefundenen Konzepte in tabellarischer Form dargestellt. Die rechte Seite bietet dabei jeweils den Überblick der Konzepte der Schülerinnen und Schüler und enthält Formulierungen der Schüler. Auf der linken Seite befindet sich jeweils die Verallgemeinerung des Konzeptes.

Metall wird bei Erwärmung dadurch größer,
dass ein Teil der Materie schmilzt und sich als neue Schicht darüberlegt.
Lena: Die Metallkugel ist innen komplett ausgefüllt und besteht aus mehreren Schichten. Nach Erwärmung hat sich eine neue Schicht drüber gebildet.
Lydia: Das Metall ist etwas geschmolzen und dadurch größer geworden. Es hat sich etwas verbreitet, gedehnt, ausgebreitet.
Daniel: Das Eisen wird heiß und dann wird ein kleines bisschen davon, aber nur ganz wenig, flüssig und das kommt dann an der Seite wieder direkt neu drauf.
Julia: Das Metall hat sich ausgebreitet, weil sich da irgendwie eine Schicht drum gebildet hat. Die Schicht kam aus der Hitze.
Felix: Bei der Kugel schmilzt das Metall und wird irgendwie ausgebreitet oder so.

Erwärmtes Wasser und
Verdunstung oder Wasserdampf
steigen nach oben.
Lena: Luft und Wasser verdunsten und steigen nach oben.
Lydia: Verdunstete Luft wurde durch die Hitze in den Luftballon transportiert.
Michael: Der Dampf ist gekochtes Wasser. Das Wasser und alles hat sich erwärmt und ist nach oben gekommen.
Daniel: Durch die heiße Luft bläst sich der Luftballon auf. Da wir das Wasser erhitzen ist da ja Wasserdampf und der Wasserdampf steigt nach oben. Dadurch, dass es abkühlt, geht der Wasserdampf auch wieder aus dem Luftballon raus.
Felix: Das Wasser und die rote Farbe sind weiter hochgestiegen, weil heiß geht nach oben. Wenn man das Wasser drüber schüttet, ist es gleich wie wenn es drinnen ist: Die heiße Luft geht dann nach oben.

Materie besteht aus
kleinen Teilchen, die bei Erwärmung größer werden, sich ausdehnen.
Lena: Das Eisen besteht aus Elementarmagneten. Bei Hitze werden die größer und breiten sich aus.
Anna: Wasser sind so kleine Teilchen, die sind alle miteinander verbunden. Wenn das jetzt erwärmt wird, dann werden diese Teilchen vielleicht größer oder zusammengedrückt.
Michael: Wenn die Atome erhitzt werden, breiten die sich aus.
Diego: Die Moleküle werden größer, breiten sich aus.
Tom: Atome sind vielleicht so gasförmige Kügelchen, die in der Luft irgendwie herumschwirren.

Hitze ist ein Stoff,
der Platz verbraucht und andere Stoffe verdrängt.
Lukas:In dem Wasser ist etwas, das es nach oben hält. Diese Hitze verbraucht ein bisschen Platz.
Lydia: Die Hitze nimmt dem Metall den Platz im Inneren weg. Das Wasser ist hochgekommen, weil dort die Hitze den Platz verbraucht.
Anna: Hitze macht Druck. Dieser Druck lässt die Flüssigkeit nach oben steigen.
 
Durch Hitze kann Luft
in Stoffen entstehen.
Julia: Das Wasser ist durch die Hitze hochgestiegen. Da ist noch Luft aus der Hitze unten dazugekommen. Es ist heiß geworden und dann entsteht irgendwie Luft.
Heike: Nachdem die Kugel heiß gemacht wurde, geht die so raus und innen wird die hohl. Innendrinnen ist dann Luft.

Anthropomorphe
Erklärungen
Tom: Die Flasche wird erwärmt und dann kann es sein, dass die Luft raus will, weil es in diesem Teil sehr heiß wird, aber nicht raus kann und dann in diesen Luftballon rein.
Felix: Könnte sein, dass der Luftballon abfliegt. Dadurch, dass Wärme kommt, will er dann weg, sozusagen.

Magnetische
Reaktionen
Lena: Wenn die Metallkugel erwärmt wird, sind die Elementarmagnete ungeordnet und dehnen sich aus. Dadurch ist sie nicht mehr magnetisch und wird größer.
  

| Prof. Dr. Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt am Main |
| vorher: Didaktik der Physik, Universität Augsburg |
| ehemals: Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik, Universität Würzburg |