Studien zum Physik- und Chemielernen H. Niedderer, H. Fischler, E. Sumfleth [Hrsg.] 259 Jan-Philipp Burde Konzeption und Evaluation eines Unterrichtskonzepts zu einfachen Stromkreisen auf Basis des Elektronengasmodells λογος Studien zum Physik- und Chemielernen Herausgegeben von Hans Niedderer, Helmut Fischler und Elke Sumfleth Diese Reihe im Logos-Verlag bietet ein Forum zur Ver ̈ offentlichung von wissenschaftlichen Studien zum Physik- und Chemielernen. In ihr wer- den Ergebnisse empirischer Untersuchungen zum Physik- und Chemie- lernen dargestellt, z. B. ̈ uber Sch ̈ ulervorstellungen, Lehr-/Lernprozesse in Schule und Hochschule oder Evaluationsstudien. Von Bedeutung sind auch Arbeiten ̈ uber Motivation und Einstellungen sowie Interessensge- biete im Physik- und Chemieunterricht. Die Reihe f ̈ uhlt sich damit der Tradition der empirisch orientierten Forschung in den Fachdidaktiken verpflichtet. Die Herausgeber hoffen, durch die Herausgabe von Studien hoher Qualit ̈ at einen Beitrag zur weiteren Stabilisierung der physik- und chemiedidaktischen Forschung und zur F ̈ orderung eines an den Ergeb- nissen fachdidaktischer Forschung orientierten Unterrichts in den bei- den F ̈ achern zu leisten. Hans Niedderer Helmut Fischler Elke Sumfleth Studien zum Physik- und Chemielernen Band 259 Jan-Philipp Burde Konzeption und Evaluation eines Unterrichtskonzepts zu einfachen Stromkreisen auf Basis des Elektronengasmodells Logos Verlag Berlin λογος Studien zum Physik- und Chemielernen Hans Niedderer, Helmut Fischler, Elke Sumfleth [Hrsg.] Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet ̈ uber http://dnb.d-nb.de abrufbar. c © Copyright Logos Verlag Berlin GmbH 2018 Alle Rechte vorbehalten. ISBN 978-3-8325-4726-4 ISSN 1614-8967 Logos Verlag Berlin GmbH Comeniushof, Gubener Str. 47, D-10243 Berlin Tel.: +49 (0)30 / 42 85 10 90 Fax: +49 (0)30 / 42 85 10 92 https://www.logos-verlag.de Konzeption und Evaluation eines Unterrichtskonzepts zu einfachen Stromkreisen auf Basis des Elektronengasmodells Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften vorgelegt beim Fachbereich Physik der Johann Wolfgang Goethe - Universität in Frankfurt am Main von Jan - Philipp Burde aus Fulda Frankfurt 2018 (D 30) vom Fachbereich Physik der Johann Wolfgang Goethe - Universität als Dissertation angenommen. Dekan: Prof. Dr. Owe Philipsen Gutachter: Prof. Dr. Thomas Wilhelm Prof. Dr. Dr. Hartmut Wiesner Prof. Dr. Martin Hopf Datum der Disputation: 30.05.2018 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ................................ ................................ ................................ ............ 1 1.1 In halt der Arbeit ................................ ................................ ............................ 1 1.2 Didaktischer Hintergrund ................................ ................................ .............. 3 1.3 Grundideen des Unterrichtskonzepts ................................ ............................ 6 A) THEORETISCHE GRUN DLAGEN ................................ ............... 11 2 Die fachlichen Grundlagen der Elektrizitätslehre ................................ ........ 13 2.1 Der elektrische Strom ................................ ................................ ................. 13 2. 2 Elektrisches Feld, Spannung und Potenzial ................................ ................ 13 2.3 Grenzflächen - und Oberflächenladungen ................................ ................... 15 2.4 Das klassische Elektronengasmodell ................................ .......................... 20 2.5 Das Fermi - Gas - Modell ................................ ................................ ............... 21 2.6 Das Bändermodell von Festkörpern ................................ ............................ 22 3 Schülervorstellungen ................................ ................................ ........................ 25 3.1 Generelle Aspekte zu Schülervorstellungen ................................ ............... 25 3.1.1 Schülervorstellungen in der Physik ................................ ................................ .. 25 3.1.2 Das Lernen als aktiver Konstruktionsprozess ................................ .................. 26 3.1.3 Der Einfluss des Vorwissens auf das Lernen in der Physik .............................. 28 3.1.4 Die Eigenschaften von Schülervorstellungen ................................ ................... 30 3.1.5 Theori en zur Wissensorganisation und Conceptual Change ............................ 32 3.1.6 Unterrichtsstrategien zum Konzeptwechsel ................................ ...................... 38 3.2 Schülervorstellungen zu einfachen Stromkreisen ................................ ....... 41 3.2.1 Die Stromverbrauchsvorstellung (SV) ................................ .............................. 4 4 3.2.2 Der Stromverbrauch ist proportional zum Widerstand (PR) ............................ 46 3.2.3 Die Batterie als konstante Stromquelle (BS) ................................ .................... 46 3.2.4 Die Stromstärke ist unabhängig vom Widerstand (UR) ................................ ... 47 3.2.5 Inverse Widerstandsvorstellung (IR) ................................ ................................ 49 3.2.6 Sequentielle Argum entation (SA) ................................ ................................ ...... 49 3.2.7 Lokales Denken (LD) ................................ ................................ ........................ 50 3.2.8 Probleme beim Erfassen von Parallelschaltungen (PS) ................................ ... 51 3.2.9 Spannung als Eigenschaft des Stroms (UI) ................................ ...................... 52 Inhaltsverzeichnis 3.2.10 Konzeptionelle Schwierigkeiten mit der elektrischen Spannung (KS) ............ 53 4 Analogien und Modelle im Physikunterricht ................................ ................. 55 4.1 Analogien ................................ ................................ ................................ .... 55 4.1.1 Begriffsklärung ................................ ................................ ................................ 55 4.1.2 Lernen mit Analogien ................................ ................................ ....................... 57 4.2 Fachliche und didaktische Aspekte von Modellen ................................ ..... 59 4.3 Schulische Modelle zur Veranschaulichung von Stromkreisen .................. 62 4.3.1 Spannung als Druckdifferenz ................................ ................................ ............ 63 4.3.2 Spannung als Höhendifferenz ................................ ................................ ........... 67 4.3.3 Spannung als Antriebskraft ................................ ................................ ............... 70 4.3.4 Spannung als transportierte Energie pro Ladung ................................ ............ 71 5 Analyse bedeutender Unterrichtskonzepte ................................ .................... 73 5.1 Die Elektrizitätslehre nach dem IPN - Curriculum ................................ ....... 73 5.2 Das Unterrichtskonzept von Wiesner und Jung ................................ .......... 75 5.3 Der Karlsruher Physikkurs (KPK) ................................ .............................. 77 5.4 Das CASTLE - Curriculum von Steinberg ................................ ................... 83 5.5 Das Unterrichtskonzept von Muckenfuß und Walz ................................ .... 88 5.6 Das Unterrichtskonzept von Schwedes und Dudeck ................................ .. 92 5.7 Das Münchener Stäbchenmodell von Gleixner ................................ .......... 95 5.8 Das Unterrichtskonzept von Koller und Späth ................................ ........... 98 5.9 Erkenntnisse aus den Unterrichtskonzepten ................................ ............. 101 B) KONZEPTERARBEITUN G ................................ .......................... 103 6 Entwicklung des Unterrichtskonzepts ................................ .......................... 105 6.1 Didaktische Grundüberlegungen ................................ ............................... 105 6.1.1 Motivation ................................ ................................ ................................ ....... 105 6.1.2 Zentrale Ideen hinter dem Unterrichtskonzept ................................ ............... 107 6.1.3 Elementarisierung des Elektronengasmodells ................................ ................ 112 6.1.4 Mögliche Darstellungsformen des elektrischen Potenzials ............................ 114 6.1.5 Vermittlung einer mikroskopischen Modellvorstellung ................................ .. 116 6.1.6 Didaktisch motivierte Begriffswahl zentraler Konzepte ................................ 118 6.1.7 Die Grenzen und die Anschlussfähigkeit des Elektronengasmodells ............. 120 6.1.8 Übersicht über die zu evaluierende grundlegende Sachstruktur .................... 125 Inhaltsverzeichnis 6.2 Formative Evaluation der grundlegenden Konzeption ............................. 127 6.2.1 Die Methode der Teaching Experiments ................................ ........................ 127 6.2.2 Beschreibung der Teaching Experiments ................................ ....................... 129 6.2.3 Auswertung der Teaching Experiments ................................ .......................... 131 6.2.4 Zusammenfassung und Bewertung der Befunde ................................ ............. 148 6.2.5 Konsequenzen in Hinblick auf das Unterrichtskonzept ................................ .. 152 6.3 Die Sachstruktur des fertigen Unterrichtskonzepts ................................ ... 160 6.3.1 Elektrostatik und Atomvorstellung ................................ ................................ 161 6.3.2 Luftströmungen durch Druckunterschiede ................................ ..................... 161 6.3.3 Batterie, Potenzial und Spannung ................................ ................................ .. 162 6.3.4 Der elektrische Strom und Widerstand ................................ ........................... 163 6.3.5 Die Parallelschaltung ................................ ................................ ..................... 166 6.3.6 Der Kondensator ................................ ................................ ............................ 168 6.3.7 Die Reihenschaltung ................................ ................................ ....................... 169 6. 3.8 Messung und Berechnung von Stromstärke, Spannung und Widerstand ....... 171 C) SUMMATIVE EVALUAT ION ................................ ...................... 173 7 Summative Evaluation des Unterrichtskonzepts ................................ ........ 175 7.1 Die Studie als Design - Based - Research - Projekt ................................ ........ 175 7.2 Forschungsfragen und Ablauf der Studie ................................ ................. 178 7.3 Konzeption der empirischen Studie zum Lernerfolg ................................ 181 7.3.1 Studiendesign ................................ ................................ ................................ .. 181 7.3.2 Stichprobe ................................ ................................ ................................ ....... 184 7.3.3 Testinstrument ................................ ................................ ................................ 185 7.3.4 Erhebung der Schülervorstellungen ................................ ............................... 188 7.3.5 Auswertemethodik ................................ ................................ ........................... 191 7.4 Ergebnisse der empirischen Studie zum Lernerfolg ................................ 198 7.4.1 Generelle Aspekte zum Testinstrument ................................ ........................... 198 7.4.2 Die Pre - und Posttest - Ergebnisse ................................ ................................ ... 211 7.4.3 Analyse des absoluten Lernzuwachses ................................ ........................... 215 7.4.4 Analyse des relativen Lernzuwachses ................................ ............................. 225 7.4.5 Kontrolle der Pretest - Unterschiede ................................ ................................ 228 7.4.6 Vergleich von KG und TG bei gleichen Lehrkräften ................................ ...... 234 7.4.7 Der Lernzuwachs auf Klassenebene ................................ ............................... 238 Inhaltsverzeichnis 7.4.8 Analyse der Schülervorstellungen ................................ ................................ .. 244 7.5 Erstellung eines Hierarchisch Linearen Modells ................................ ...... 249 7.5.1 Beschreibung des allgemeinen Vorgehens und der Kenngrößen ................... 249 7.5.2 Entwicklung eines Hierarchisch Linearen Modells ................................ ........ 254 7.5.3 Darstellung des Gesamtmodells M2a ................................ ............................. 268 7.5.4 Mehrebenenanalytischer Vergleich der Schülervorstellungen ....................... 270 7.6 Schulpraktische Erfahrungen der Lehrkräfte ................................ ............ 273 7.6.1 Stichprobe und Datenerhebung ................................ ................................ ...... 273 7.6.2 Förderung des Konzeptverständnisses ................................ ........................... 274 7.6.3 Didaktische Einschätzung des Unterrichtskonzepts ................................ ....... 276 7.6.4 Detailanalyse zu einzelnen Aspekten des Unterrichtskonzepts ....................... 277 7.6.5 Erfahrungen im Rahmen eine r Pädagogischen Facharbeit ........................... 280 7.7 Zentrale Ergebnisse der summativen Evaluation ................................ ...... 283 7.7.1 Zentrale Ergebnisse zu Forschungsfrage 1 ................................ .................... 283 7.7.2 Zentrale Ergebnisse zu Forschungsfrage 2 ................................ .................... 285 7.7.3 Zentrale Ergebnisse zu Forschungsfrage 3 ................................ .................... 289 7.7.4 Zentrale Ergebnisse zu Forschungsfrage 4 ................................ .................... 291 D) SCHLUSSBETRACHTUN GEN ................................ .................... 295 8 Die Design - Based - Research - Studie im Rückblick ................................ ....... 297 8.1 Zentrale Erkenntnisse der Studie ................................ .............................. 297 8.1.1 Für die Unterrichtspraxis ................................ ................................ ............... 297 8.1.2 Für eine kontextspezifische Lerntheorie ................................ ......................... 2 98 8.2 Kritische Reflexion der Studie ................................ ................................ .. 300 8.3 Ideen zur Weiterentwicklung und Ausblick ................................ .............. 302 8.3.1 Verbesserungsvorschläge zum Unterrichtskonzept ................................ ........ 302 8.3.2 Offene Fragen ................................ ................................ ................................ 305 9 Zusammenfassung ................................ ................................ .......................... 307 10 Summary of the Doctoral Thesis ................................ ............................... 313 10.1 Motivation ................................ ................................ ................................ 313 10.2 The new curriculum ................................ ................................ .................. 314 10.3 Sample and test instrument ................................ ................................ ....... 317 10.4 Empirical results ................................ ................................ ....................... 318 Inhaltsverzeichnis 11 Danksagungen ................................ ................................ ............................. 321 12 Literaturverzeichnis ................................ ................................ ................... 323 13 A nhang ................................ ................................ ................................ ......... 343 Vorbemerkung zum Sprachgebrauch Zwar wurde in der vorliegenden Arbeit versucht, bei Personen sowohl die weibliche als auch die männliche Form zu benutzen, jedoch wurde aufgrund der leichteren Lesbarkeit teilweise auf eine separate Nennung der weiblichen Form verzichtet. Sofern sich nicht explizit auf das Geschlecht der Personen bezogen wird, sind mit der männlichen Form also immer beide Ge- schlechter gemeint Kapitel 1 : Einleitung 1 1 Einleitung Kaum eine Entdeckung hat unsere Zivilisation so nachhaltig geprägt wie die Entdeckung der Elektrizität. Gleichzeitig haben die meisten Menschen aber nur sehr vage Vorstellungen von grundlegenden elektrischen Größen wie Spannung , Widerstand und Stromstärke und ihrer wechselseitigen Beziehung in einfachen Stromkreisen Dies ist u.a. darauf zurückzuführen, dass es dem Physikunterricht seit Jahrzehnten trotz intensiver Bemühungen seitens der Lehr- kräfte nicht gelingt, jungen Menschen angemessene physikalische Vorstellungen von den Vorgängen in sogenannten einfachen Stromkre ise n zu vermitteln Neben dem damit einherge- henden hohen Frustrationspotenzial für die Lernenden ist dieser Zustand insbesondere vor dem Hintergrund bedenklich, dass der Physikunterricht u.a. den Anspruch hat, den Schülerin- nen und Schülern in einer zunehme nd naturwissenschaftlich - technisch geprägten Welt eine angemessene gesellschaftliche und berufliche Teilhabe zu ermöglichen („ Scientific Literacy “) Aus physikdidaktischer Perspektive besteht deshalb eine Notwendigkeit darin, auf Basis einer ausführlichen Analyse typischer Lernschwierigkeiten und bisheriger Unterrichtsansätze in der Elektrizitätslehre einen umfassenden didaktischen Lösungsansatz zu erarbeiten . Das Ziel die- ser Arbeit besteht deshalb in der theorie geleiteten Entwicklung und empirischen Evalua tion eines entsprechenden Unterrichtskonzepts zur Elektrizitätslehre für die ersten Jahre des Phy- sikunterrichts in der Sek undarstufe I (im Folgenden „ Anfangsunterricht “ genannt) , um einen evidenzbasierten Beitrag zu dessen Verbesserung zu leisten 1.1 Inhalt der Arbeit Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Evaluation eines Unterricht s konzepts zur Elektri- zitätslehre für den Anfangsunterricht im Schulfach Physik , das zum Ziel hat, den Lernenden ein qualitatives , konzeptionelles Verständnis der Grundbegriffe Potenzial, Spannung, Strom- stärke und Widerstand sowie ihrer wechselseitigen Beziehung in einfachen Stromkreise n zu ermöglichen. Besonderer Wert wird dabei daraufgelegt, den Lernenden eine anschauliche Vorstellung der elektrisc hen Spannung und ihrer Bedeutung in Hinblick auf den elektrischen Strom zu vermitteln. Da hierzu auf eine didaktisch elementarisierte Form des klassischen Elektronengasmodells zurückgegriffen wird, werden in Kapitel 2 zunächst die fachlichen Grundlagen der Elektrizitätslehre dargestellt. Hier wird der Frage nachgegangen, wie es über- haupt zu einem Strom in einem einfachen Stromkreis kommt und welche Modelle zur Erklä- rung der Leitungsvorgänge existieren. Nach einer kurzen Klärung der Grundbegriffe der ein- fachen Elektrizitätslehre befasst sich dieses Kapitel insbesondere mit der Rolle von Grenz - und Oberflächenladungen bei der Erzeugung eines elektrischen Feldes im Leit erinneren, das dort den elektrischen Strom bewirkt Da sich die Alltagserfahrungen vieler Menschen auf das Betätigen von Schaltern oder das Wechseln von Batterien beschränk en , elektrische Prozesse im Allgemeinen unseren Sin- nen verborgen bleiben und die Al ltagssprache mit Begriffen wie „ Stromverbrauch “ oder „ lee- ren Batterien “ falsche Vorstellungen nahelegt, kommen viele Lernende bereits mit einem Kapitel 1 : Einleitung 2 problematischen Vorverständnis zu den Vorgängen in elektrischen Stromkreisen in den Un- terricht. In der Physikdid aktik sind solche Schülervorstellungen seit den 1970er Jahren Ge- genstand intensiver Forschung, wobei sich diese Vorstellungen als äußerst stabil erwi e sen haben und häufig der Übernahme einer physikalisch korrekten Vorstellung im Wege stehen. Kapitel 3 setzt sich daher mit dem großen Thema der Schülervorstellungen in der Physikdi- daktik auseinander, wobei einerseits generelle Aspekte zu diesem Thema wie die Eige nschaf- ten und Ursachen von Schülervorstellungen beleuchtet und andererseits die für diese Arbeit relevanten Schülervorstellungen zu einfachen Stromkreisen vorgestellt werden. Vor dem Hintergrund, dass das hier entwickelte Unterrichtskonzept auf dem Modell des Elektronengases aufbaut, beschäftigt sich Kapitel 4 mit dem Analogie - und Modellbegriff und gängigen schulischen Modellen zur Veranschaulichung von einfachen S tromkreisen im Anfangsunterricht. Da Modelle und Analogien häufig unsystematisch und unreflektiert im Unterricht eingesetzt werden, findet zudem eine didaktische Auseinandersetzung mit Aspek- ten zum Lernen mit Analogien und Modellen statt. In Hinblick auf d ie Entwicklung eines di- daktisch begründeten Unterrichtskonzepts ist zudem eine A nalyse bisherige r Unterrichtskon- zepte zu diesem Thema unerlässlich, die vor dem Hintergrund der Erkenntnisse der Schüler- vorstellungsforschung seit den 1970er Jahren entwickelt wurden. In Kapitel 5 werden deshalb bedeutende Unterrichtskonzepte der physikdidaktischen Forschung vorgestellt und kritisch reflektiert In dem sich anschließende n Kapitel 6 wird in einem ersten Teil die Entwicklung des hier vorgestellten Unterrichtskonzepts dokumentiert, wobei zunächst einmal dargelegt wird, weshalb aus didaktischer Sicht dringender Handlungsbedarf für ein innovatives Unterrichts- konzept zur Einführung in die Elektrizitätslehre besteht und worin die zentralen didaktischen Ideen hinter dem in dieser Arbeit entwickelten Konzept liegen . Darauf aufbauend wird die grundlegende Sachstruktur des angedachten Konzepts vorgestellt, die mit Hilfe der Methode der Teaching Experiments mit einzelnen Lernenden auf ihre Verständlichkeit hin überprüft wurde. Die Befunde dieser formativen Evaluation und ihre Konsequenzen für das fertige Un- terrichtskonzept werden in der zweiten Hälfte dieses Kapitels dargelegt. Auf Basis der Erfahrungen mit den Teaching Experiments wurde dann ein umfassen- des Unterrichtskonzept inklusive Unterrichtsmaterialien entwickelt, dessen summative Evalu- ation Gegenstand des Kapitels 7 ist. Nach einer Verortung der Studie als Design - Based - Research - Projekt werden die Forschungsfragen und die Konzeption der empirischen Studie beschrieben. Es schließt sich eine ausführliche Darstellung der Ergebnisse der empirischen S tudie zur Evaluation der Lernförderlichkeit des Unterrichtskonzepts in der Schulpraxis an, wobei zur Analyse auf verschiedene in der didaktischen Forschung übliche statistische Me- thoden zurückgegriffen wird. Neben einer Betrachtung der nach dem Unterricht noch vorhan- denen Schülervorstellungen in der Elektrizitätslehre findet auch die Entwicklung eines Hie- rarchisch Linearen Modells statt, um der Abhängigkeit des Lernerfolgs von der Klassenzuge- hörigkeit adäquat Rechnung zu tragen. Entsprechend der Forschungsp hilosophie von Design - Kapitel 1 : Einleitung 3 Based - Research wurden neben den Schülerleistungen auch die schulpraktischen Erfahrungen der Lehrkräfte mit dem Unterrichtskonzept erhoben, um einen umfassenderen Blick auf das Unterrichtskonzept sowie seine Stärken und Schwächen zu be kommen. Den inhaltlichen Abschluss dieser Arbeit stellt Kapitel 8 dar, in dem zentrale Erkennt- nisse zusammengefasst, das methodische und inhaltliche Vorgehen kritisch reflektiert und Ideen zur Weiterentwicklung des Unterrichtskonzepts auf Basis der in dieser Studie gewon- nenen Erkenntnisse formuliert werden. 1.2 D idaktische r Hintergrund 1 Für den enttäuschend niedrigen Lernerfolg im Elektrizitätslehreunterricht können sicherlich eine ganze Reihe an Gründe n angeführt werden . N eben der prinzipiellen Unanschaulichkeit der Elektrizitätslehre , die mit hohen Anforderungen an das abstrakte Denkvermögen der Schülerinn en und Schüler einhergeht, haben sich in diesem Gebiet der Physik aber allen voran die stabilen Schülervorstellungen und die aus ihnen resultierenden Lernschwierigkeiten als besonderes Lernhemmnis erwiesen (siehe Kapitel 3 ) Es hat sich insbesondere gezeigt, dass v iele Lernende dazu neigen, Stromkreise ausschließlich mit Hilfe des Strom - und Wid er- standsbegriffs zu analysieren und die elektrische Spannung ledigl ich als Eigenschaft des Stroms wahrnehmen (Stichwort „ Stromspannung “). Dies ist nicht nur bedauerlich, weil die elektrische Spannung an sich z.B. beim Umgang mit Batterien im Alltag eine relevante Größe darstellt, sondern insbesondere auch, weil ohne einen adäquaten Spannungsbegriff ein ange- messenes Verständnis elektrischer Stromkreise nur schwer vorstellbar ist Den Grund für die Dominanz des Strom - gegenüber des Spannungsbegriffs sehen Cohen et al. (1983) in der Tat- sache, dass im Anfangsunte rricht zur Elektrizitätslehre in der Regel zunächst das Stromkon- zept ausführlich behandelt und die elektrische Spannung erst später thematisiert wird. Sie schreiben in diesem Zusammenhang „ first impressions are strong and may impede a later, more rigorous, study of electricity ” (ebd, S . 411 ) und fragen, ob es deshalb nicht ratsamer wäre , die elektrische Spannung vor dem elektrischen Strom einzuführen und insbesondere die Ursache - Wirkungs - Beziehung zwischen Spannung und Strom stärker in den Fokus zu rücken D a sich die physikalischen Vorgänge bei elektrischen Stromkreisen der direkten Wahrnehmung entziehen , ist es naheliegend, auf Analogien und Modelle zurückzugreifen, um den Lernenden das Verständnis der abstrakten Konzepte durch den Vergleich mit etwas Be- k anntem zu erleichtern . Viele dieser Analogien und Modell haben sich jedoch als entweder didaktisch oder fachlich fragwürdig erwiesen (vgl. Abschnitt 4.3 ). Verschied ene didaktische Studien bescheinigen dem sogenannten Potenzialansatz jedoch eine vergleichsweise hohe Lernförderlichkeit zur Vermittlung eines angemessenen Verständnisses elektrischer Strom- kreise und insbesondere der elektrischen Spannung. Dieser bis Anfan g des 20. Jahrhunderts verbreitete Ansatz (vgl. Jochmann et al. 1914 ) wurde in den 1980er Jahren von Herrmann und Schmälzle (1984) wiederentdeckt, nachdem sich in der Zwischenzeit de r Fokus im Unte rricht 1 Teile dieses Abschnitts wurden bereits in Burde et al. 2014 und Burde und Wilhelm 2016a veröffentlicht. Kapitel 1 : Einleitung 4 aus historischen und nicht didaktischen Gründen vom Potenzialbegriff zum Strombegriff ver- schoben hatte (Gleixner 1998, S. 62) In den Folgejahren wurde der Potenzialansatz von di- versen Unterri chtskonzepten aufgegriffen und in verschiedensten Formen umgesetzt (Stein- berg und Wainwright 1 993; Schwedes et al. 1995; Schumacher und Wiesner 1997; Gleixner 1998; Waltner et al. 2009) Gemeinsam haben diese Unterrichtskonzepte , da s s sie das elektri- sche Potenzial explizit oder implizit zum Unterrichtsgegenstand machen und darauf aufbau- end die elektrische Spannung als Potenzialdifferenz einführen. Gleixner (1998, S. 219) schreibt hierzu auf Basis seiner qualitativen Untersuchungen zum Stäbchenmodell: „ Vo r al- lem scheint die Einführung des Potentialbegriffes für die Schülerinnen und Schüler eine we- sentliche Hilfe für das Verständnis und die korrekte Anwendung des Spannungsbeg r iff [sic] zu sein “. Im Gegensatz zu anderen Herangehensweisen wie z.B. der Einführ ung der elektri- schen Spannung als Arbeitsfähigkeit 𝑈 = 𝑊 𝑄 oder Antriebskraft (vgl. Abschnitt 4.3 ) wird beim Potenzialansatz also zunächst versucht, bei den Lernen den ein Verständnis für die der elektri- schen Spannung zugrundeliegende n physikalische n Größe des elektrischen Potenzials herzu- stellen Ein solches Vorgehen ist nicht nur lerntheoretisch naheliegend, sondern hat insbeson- dere den Vorteil, dass das elektrisc he Potenzial im Gegensatz zur elektrischen Spannung kei- ne Differenzgröße darstellt . Das elektrische Potenzial kann also im Gegensatz zur Spannung einem Leiterab schnitt lokal zugeordnet werden, was den Lernenden das Verständnis erleich- tert. Als besonders hi lfreich hat es sich dabei erwiesen, das elektrische Potenzial zu visualisie- ren, um den Lernenden den Aufbau eines angemess enen mentalen Modells zu ermöglichen, weshalb z.B. beim Stäbchenmodell (siehe Abb 1 ) das Potenzial durch unterschiedliche Stäb- chenhöhen dargestellt wird (Gleixner 1998) Auch Schwedes et al. (1995, S. 35) berichten darüber , dass die Verwend ung einer Doppelwassersäule statt einer Pumpe zum Erzeugen von Druckunterschieden im geschlossenen Wasserstromkreis zu einem deut lich höheren Lerner- folg führ t , weil mit den unterschiedlichen Wasserpegelständen die Wasserdruckdifferenz als Antrieb der Wasse rströmung für die Lernende n klar erkennbar wird. Abb 1 : Visualisierung des elektrischen Potenzials mit Hilfe des Stäbch en modell s nach Gleixner (1998) (Quelle: Burde und Wilhelm 2017c, S. 11 ; vgl. Koller 2008a, S. 122 ) Kapitel 1 : Einleitung 5 Wie in Abschnitt 4.3 dieser Arbeit dargelegt, haben sich die bisherigen Ansätze jedoch ledig lich zur Veranschaulichung einzelner Aspekte der Elektrizitätslehre bewährt. Das Stäb- chenmodell von Gleixner liefert beispielsweise eine anschauliche Darstellung des Potenzials, lässt aber offen, was das Potenzial ist und gibt keine anschauliche Erklärung für den elektri- schen Strom. Beim geschlossenen Wasserkreislauf mit Doppelwassersäule ist zwar der Poten- zialunterschied an der Batterie über die unterschiedlichen Pegelhöhen visuell leicht wahr- nehmbar, ein Verständnis für die Druck - bzw. Potenzialunterschie de an den Widerständen entwickeln aber nur wenige Lernende, da sich Wasser unter hohem Druck in nichts Sichtba- rem von Wasser unter geringem Druck unterscheidet . Wird der Wasserdruck experimentell mit Hilfe von Druckmessern veranschaulicht, stellt dies für die Lernenden ein neues Phäno- men dar , „ [...] dessen Verhalten bei komplexeren Schaltungen nicht vorhersagbar oder ab- leitbar ist, sondern von Fall zu Fall zur Kenntnis genommen und gelernt werden muss “ (Här- tel 2012a, S. 24) Zudem hat sich dieses Modell grundsätzlich als problematische Lernhilfe erwiesen, da Lernende zu Wasserstromkreisen nicht nur die gleichen Schülervorstellung en besitzen wie zu elektrischen Stromkreisen, sondern der dieser Analogie zugrundeliegende Wasserdruck für sie intuitiv nicht zugänglich ist (Burde und Wilhelm 2016a) Andere Modelle wie d as Fahrradkettenmodell bzw. der starre Elektronenring eignen sich hingegen gut gegen die Stromverbrauch svorstellung, können aber nicht den Spannung sbegriff erklären oder wie sich der Strom an einer Parallelschaltung aufteilt. Es mangelt also bisher an einem anschauli- chen und dennoch erklärungsmächtigen Modell für die vergleichsweise unanschauliche Elekt- rizi tätslehre (vgl. Abschnitt 4.3 ) Als besonders vielversprechend hat sich die von Steinberg und Wainwright (1993) in ihrem CASTLE - Curriculum verwendete Luftdruck analogie erwiesen, bei der das elektrische Potenzial nicht mit dem Wasser - sondern mit dem Luftdruck verglichen wird. Gegenüber der Wasserdruckanalogie besteht der Vorteil der Luftdruckanalogie insbesondere darin, dass die Lernenden aus dem Alltag bereits eine ans chlussfähige Luftdruckvorstellung mitbringen , wo- hingegen Wasser von den Schülern in der Regel als ein inkompressibles Kontinuum wahrge- nommen wird. Insbesondere besitzen Lernende aus dem Alltag keinerlei Erfahrungen mit dem Wasserdruck in geschlossenen Wass erkreisläufen, wohingegen jedes Kind schon einmal die Erfahrung gemacht haben dürfte, dass in Luftmatratzen, Fußbällen oder Fahrradreifen die Luft komprimiert ist, „ unter Druck steht “ und deshalb „ gegen die Wände drückt “ . Von hier aus ist es für sie nur ei n kleiner Schritt zu erkennen, dass die Luft so lange zu Bereichen niedrigeren Luftdrucks strömt, bis sich die Drücke angeglichen haben und somit kein Druckunterschied mehr besteht Auch wenn das CASTLE - Curriculum entgegen der Ideen von Cohen et al. (1983) zunächst ausführlich den elektrischen Strom thematisiert und erst später auf die ihn verursachen den „elektrischen Druckunterschiede “ eingeht, berichten Steinberg und Wain- wright (1993) von einer gegenüber dem traditionellen Unterricht deutlich erhöhten Lernför- derlichkeit des Curriculums und führen dies u.a. auf die dem Konzept zugrundeliegende intui- tive und dennoch erklärungsmächtige Luftdruck a nalogie zurück Kapitel 1 : Einleitung 6 1.3 Grundidee n des Unterrichtskonzepts 2 Die Grundidee des Elektronengasmodells besteht darin , dass sich in Metallen wie z.B. Kupfer die Elektronen in Teilchenform befinden und sich dort ähnlich einem Gas verhalten. In einem einfachen Stromkreis bestehend aus einer Batterie und einem Lämpchen sorgt eine Batterie im didaktisch vereinfachten Elektronengasmodell nun für eine Ungleichverteilung der Elekt- ronen im Kupferleiter. Dabei wird die Batterie als Elektr onenpumpe betrachtet, die Elektro- nen aus dem mit dem Pluspol verbundenen Leiterstück in das mit dem Minuspol verbundene Leiterstück pumpt. Entsprechend des Modells sinkt damit die Elektronendichte im mit dem Pluspol verbundenen Leiterstück, während sie im mit dem Minuspol verbundenen Leiterstück ansteigt. Mit diesen Grundannahmen wei s t die in dieser Arbeit verwendete Modellvorstellung nicht nur Ähnlichkeiten zum fachlichen Drude - Modell auf (vgl. Abschnitt 2.4 ), sondern auch zu früheren didaktischen Überlegungen zur Nutzung des Elektron en gasmodells in der Schule u.a. von Kircher (1975, S. 75ff) sowie Rhöneck und Völker (1982) . Im Gegensatz zu den da- maligen Ansätzen, die mit vergleichsweise unintuitiven Elektronendichten bzw. Ladungsun- terschieden arbeite n , wird im hier vorgeschlagenen Unterrichtskonzept versucht, ähnlic h dem CASTLE - Curriculum von Steinberg und Wainwright (1993) auf dem intuitiven Luftd ruckver- ständnis der Lernenden aufzubauen. Die Idee dabei ist, dass es im Leiter aufgrund der gegen- seitigen Coulomb - Abstoßung der Elektronen zu einem von der Elektronendichte abhä ngigen „ elektrischen Druck “ kommt Im mit dem Minuspol verbundenen Leiterstück entsteht also ein hoher elektrischer Druck , wohingegen der elektrische Druck im Leiterstück, das mit dem Pluspol verbunden ist, absinkt. Durch Gleichsetzen des „ elektrischen Dru cks “ mit dem elektrischen Potenzial kann die elektrische Spannung im Elektronengasmodell so als „ elektri- scher Druckunterschied “ und Antrieb des elektrischen Stroms interpretiert werden. Die so bei den Lernenden etablierte Ankervorstellung des elektrischen Potenzials geht historisch auf Volta zurück, der aufgrund seiner Versuche mit Elektrometern um 1770 davon ausging, dass die freibeweglichen Ladungen in Leitern sich wie ein kompressibles Fluid mit druckähnlichen Eigenschaften verhielten (Steinberg 2008) An dieser Stelle könnte man einwenden, dass die Dichte der Leitungselektronen in ei- nem Stromkreis kon stant ist und die Leitungselektronen dam it kein kompressibles Fluid dar- stell en . Tatsächlich sind die Elektronen in Leitern aber in Folge von Ober - und Grenz flä- chen ladungen nicht völlig homogen über den gesamten Stromkreis verteilt (vgl. Abschnitt 2.3 ) . An einem Widerstand in einem einfachen Stromkreis entsteht beispielsweise an der ei- nen Grenzfläche mit dem Leiter eine Elektronenanreiche rung, während es an der anderen Grenzfläche zu einem Elektronenmangel kommt (Chabay und Sherwood 2011, S. 767) Das die Leitungselektronen antreibende elektrische Feld im Stromkreis ist dabei eine Folge dieser Grenzflächenladungen am Widerstand bzw. der Oberflächenladungen auf dem Leiter. Da s dem hier vorgeschlagenen Unterrichtskonzept zugrundeliegende Elektronengasmodell unter- scheidet im Rahmen der didaktischen Elementarisierung bewusst nicht zwischen Leitungs- elektronen und Grenz - bzw. Oberflächenladungen und beschränkt sich stattdessen darauf, 2 Teile dieses Abschnitts wurden bereits in Burde und Wilhelm ( 2017b ) veröffentlicht.