Unterrichtsmaterialien zu Computereinsatz
in der Newton`schen Dynamik

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  Hintergrund der Unterrichtsmaterialien
Auf dieser Seite finden Sie Arbeitsmaterialien, die im Zuge einer Forschungsstudie zum Computereinsatz im Mechanikunterricht der gymnasialen Oberstufe erstellt wurden. Diese Materialien wurden in dem von der gemeinnützigen Stiftung GIERSCH finanzierten Schülerlabor der Goethe-Universität Frankfurt erprobt und evaluiert. Unten finden Sie dazu ausführliche Literatur.

Im Unterricht wird zu oft nur auf Idealsituationen fokussiert, so dass eine Kluft zwischen Unterricht und Alltag entsteht. Realsituationen sind komplex und mathematisch schwierig. Mit entsprechender Software können aber reale Bewegungen mit Reibungseinflüssen behandelt werden.
Mit einer Modellbildungssoftware (hier: Newton-II) kann der Nutzer die auf den Körper wirkenden Kräfte, die Anfangsbedingungen der Bewegung und die Masse des Objekts eingeben und die Software berechnet die Bewegung numerisch. Ein Vergleich mit Realdaten ermöglicht eine Überprüfung des erstellten Modells und stellt eine Verbindung zur Realität bzw. zum Experiment her.
Videoanalysesoftware (hier: measure dynamics) bietet die Möglichkeit, eine gefilmte Bewegung auszuwerten und die Messwerte in verschiedener Weise aufzubereiten. Von den durch die Software dargestellten kinematischen Größen kann dann auf die wirkenden Kräfte geschlossen werden, was die Newton’schen Gesetze vertiefen kann.
Bei beiden Varianten wird immer zunächst ein Realexperiment durchgeführt, welches daraufhin mit dem Computer näher betrachtet wird. Die Programme sind einfach zu bedienen, um zu ermöglichen, dass Lernende selbstständig damit arbeiten können und die Einarbeitungszeit gering ist.

Sie finden dazu auf dieser Seite ein Arbeitsheft für die mathematische Modellbildung und eines für die Videoanalyse, die von Schülerinnen und Schülern durchgearbeitet werden können, sowie die dazugehörigen Videos, die für die Videoanalyse und die Generierung der Vergleichsdaten zur Modellierung dienen können. Die Hefte sind für eine Dauer von etwa 3,5 Zeitstunden konzipiert, sodass sich im Unterricht immer nur Teile daraus verwenden lassen. Die Experimente wurden bewusst in dieser Reihenfolge ausgewählt, es können aber auch einzelne Experimente oder eine andere Reihenfolge durchgeführt werden. Dabei ist zu bedenken, dass bei der ersten Nutzung eine Einarbeitungszeit nötig ist, in der die Schülerinnen und Schüler lernen mit dem Programm umzugehen. Dementsprechend ist es sinnvoll, das gewählte Programm mehrfach im Unterricht einzusetzen.

Die Videos sollten im "VLC media Player" betrachtet werden oder in "measure dynamics" mit "Konvertieren" geöffnet werden.
   Download
Arbeitsheft Modellbildung
Anleitung Newton-II und Hinweise

Arbeitsheft Videoanalyse
Anleitung measure dynamics

4 Videos von Fallkegel, Wagen und Katapult
Video Kreisbewegung, Version1
Video Kreisbewegung, gedreht & bearbeitet
[Download als pdf, 1,1 MB]
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Creative Commons Lizenzvertrag
Diese Werke sind lizenziert unter der Creative Commons Lizenz "Namensnennung - Nicht-kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Deutschland"
   Bilder
Fall eines Papierfallkegels mit Luftreibung: Stroboskopbild und Beschleunigungsdiagramm (rot: berechnete Werte, grün: gemessene Werte)
Wagen auf der Fahrbahn, der das erste Stück angezogen wird: Stroboskopbild und Beschleunigungsdiagramm (rot: berechnete Werte, grün: gemessene Werte)
Schiefer Wurf einer Styroporkugel Eine rotierende Kugel, die nach Abschalten des Magneten wegrollt
   Veröffentlichungen
  1. WEBER, J.; WILHELM, T.
    The benefit of computational modelling in physics teaching: A historical overview
    European Journal of Physics, Volume 41, Number 3, 2020, 034003 (18pp), DOI: 10.1088/1361-6404/ab7a7f
    [Download bei Eur. J. Phys.]

  2. WEBER, J.; WILHELM, T.
    Eine vergleichende Untersuchung zur Newton’schen Mechanik
    HABIG, S. (Hrsg.): Naturwissenschaftliche Kompetenzen in der Gesellschaft von morgen, Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Wien 2019, Band 40, 2020, S. 459 - 462,
    https://gdcp-ev.de/?p=3797

  3. WEBER, J.; WILHELM, T.
    Mathematische Modellbildung in einer vergleichenden Untersuchung
    PhyDid-B - Didaktik der Physik – DPG-Frühjahrstagung, 2019, S. 323 - 329, www.phydid.de

    [Download bei phydid.de]

  4. WEBER, J.; WILHELM, T.
    Kombination von mathematischer Modellbildung mit Videoanalyse
    MAURER, CHR. (Hrsg.): Naturwissenschaftliche Bildung als Grundlage für berufliche und gesellschaftliche Teilhabe, Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Kiel 2018, Band 39, 2019, S. 795 – 798,
    https://gdcp-ev.de/wp-content/tb2019/TB2019_795_Weber.pdf

  5. WEBER, J.; WILHELM, T.
    Vergleich von modellierten Daten mit Videoanalysedaten mit verschiedener Software
    Plus Lucis, Nr. 4, 2018, S. 18 - 25
    [Download des gesamten Heftes als pdf]


| 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 |