Unterrichtsstunde:Schallübertragung in festen und flüssigen Medien

1. Thema der Unterrichtsreihe:

Schall – Was ist das?

2. Aufbau der Unterrichtsreihe:

1. Einheit: Hörspaziergang – Geräusche in der Umwelt bewusst wahrnehmen
2. Einheit: Schallerzeugung – Geräusche erkennen und machen
3. Einheit: Schallübertragung in Luft
4. Einheit: Schallübertragung in festen und flüssigen Medien
5. Einheit: Schallausbreitung – Experimente zur Schallausbreitung
6. Einheit: Ohr und Hören
7. Einheit: Lärm und Lärmschutz

Fächerübergreifende Aspekte:

Psychomotorik: „Klangteppich“ - Entspannungsübungen zu Musik, Stilleübungen

Deutsch: Geräuschgeschichten, „Der Schatz der Stille“ – ein Hörspiel selbst produzieren

Musik: Herstellung von Musikinstrumenten, „Der tropfende Wasserhahn“ (Lied mit rhythmischer

Begleitung), hohe und tiefe Töne,

Kunst: Malen zu Musik, Klängen und Geräuschen, Zeichnen einer Geräusche-Landkarte

3. Von der Sache zum Thema:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.1. Es: ICH WIR

3.1.1. Sachanalyse

Als Schall werden mechanische Schwingungen (Schallschwingungen) und Wellen (Schallwellen) eines Mediums, insbesondere im Frequenzbereich des menschlichen Hörens, bezeichnet (Hörschall: ca. 16-20.000 Hz).^[1] Die Zahl der Schwingungen pro Sekunde wird als Frequenz des Tones bezeichnet und ist das Maß für die Tonhöhe. Die Maßeinheit der Frequenz ist Hz (Hertz). D.h. je höher ein Ton ist, um so öfter schwingt er, um so höher ist seine Frequenz.^[2] Die Lautstärke eines Tones hängt von der Schwingungsamplitude ab: Je größer die Amplitude, desto lauter der Ton. Die Lautstärke wird in dB (Dezibel) gemessen. Die verschiedenen Formen des Schalls lassen sich in Ton (harmonische Schwingung), Klang (Gemisch von Tönen mit Grundton) und Geräusch (Gemisch zahlreicher Töne, deren Tonhöhe und Lautstärke wechselt) differenzieren. Schall breitet sich in einem homogenen schallleitenden Medium innerhalb eines Schallfelds von der Schallquelle her symmetrisch in alle Richtungen aus. An Grenzflächen zwischen verschiedenen Medien ändern sich die Eigenschaften der Schallwelle. An der Grenzfläche Metall/Luft wird der Schall z. B. praktisch vollständig reflektiert (Echo).^[3] „Die Schallausbreitung ist nur in materiellen Medien möglich. Sie erfolgt ohne Massetransport, jedoch mit Übertragungen mechanischer Größen wie Impuls und Energie.“^[4] Der Schall breitet sich in gasförmigen und flüssigen Medien nur in Form von logitudinalen Schallwellen aus, in festen Medien zusätzlich auch in transversalen Schallwellen.^[5] Abhängig von Anordnung und Koppelung der Teilchen ist die Geschwindigkeit und Intensität der Schallausbreitung in gasförmigen, flüssigen und festen Medien unterschiedlich. Vereinfacht lässt sich sagen: „Je fester die Koppelung [und Anordnung] zwischen den Teilchen, desto schneller [und intensiver] breitet sich Schall aus.“^[6]

Schallübertragung in den verschiedenen Medien (vereinfachte Erklärung):

- feste Medien (z.B. Eisen): In festen Medien sind die Abstände zwischen den Teilchen sehr gering und sie sind fest miteinander gekoppelt. Die Schallschwingung wird unmittelbar weiter gegeben und breitet sich sehr schnell und intensiv aus.
- flüssige Medien (z.B. Wasser): In flüssigen Medien sind die Abstände zwischen den Teilchen größer als in festen Stoffen. Die Koppelung erfolgt durch Kohäsionskräfte. Die Schallschwingungen breiten sich langsamer aus, da es eine längere Zeit dauert, bis ein Teilchen das nächste anstößt.
- gasförmige Medien (z.B. Luft): In gasförmigen Medien sind die Teilchen vergleichsweise weit voneinander entfernt und frei beweglich. Wenn eine Schallquelle schwingt, erzeugt sie in der umgebenden Luft Luftverdichtungen und –verdünnungen, die sich kugelförmig nach allen Seiten ausbreiten. Dabei treffen die Teilchen erst nach einer gewissen Zeit auf das nächste Teilchen.

Ausgewählte Beispiele für Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Stoffen bei 20°C (nach Keen 1979, S. 13)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

m/s = zurückgelegte Meter pro Sekunde

3.1.2. Bezug zu Richtlinien und Lehrplan:

Das Thema „Schallübertragung in festen und flüssigen Medien“ ist im Lehrplan dem Bereich „Natur und Leben zuzuordnen“ und unter den Schwerpunkt „Luft“ zu fassen.^[7] Die Auseinandersetzung mit der Schallübertragung regt die „Begegnung mit belebter und unbelebter Natur, mit physikalischen Phänomenen sowie die Beobachtung der eigenen Sinneserfahrungen“ an. Die Auswahl der Experimente zur Schallübertragung von flüssigen und festen Medien fordert die Kinder „zum Analysieren, Sortieren und Vergleichen auf und hilft ihnen dabei Ordnungsvorstellungen und naturwissenschaftlich begründete Muster und Modelle zu erklären.“^[8] Das Deuten und Verstehen von Schall und Schallübertragung hilft den Schülerinnen und Schülern, sich in ihrer Lebenswelt zurecht zu finden, sie zu erschließen und sie zu verstehen.^[9] Der inhaltliche Schwerpunkt der Stunde ist, dass die Kinder durch das eigenständige Experimentieren erkennen, dass Schall sich auch in festen Medien und Wasser ausbreitet. Dies ist ein Beitrag zur Kompetenzerwartung „Die Schülerinnen und Schüler planen und führen Versuche durch und werten Ergebnisse aus.“ Das Planen, Durchführen und Auswerten dieser naturwissenschaftlichen Experimente fördert bei den Schülerinnen und Schülern auch eine „kritisch-konstruktive Haltung zu Naturwissenschaft und Technik“^[10]

Das Lernarrangement ist so gewählt, dass die Kinder Sachbereiche der eigenen Lebenswelt erkunden und erforschen. Die Partner- / Kleingruppenarbeit und der gemeinsame Austausch fördern Teamfähigkeit, Arbeitsteilung und soziale Kooperation.^[11] „Dazu werden die Wissbegier der Schülerinnen und Schüler, ihr Interesse und ihre Freude an der forschenden handelnden Auseinandersetzung mit ihrer Umwelt geweckt und gefördert.“^[12] Ihre bereits vorhandenen Vorstellungen, Erfahrungen und Deutungen von der Schallübertragung werden genutzt, erweitert und ausgebaut.^[13]

3.2. Wir:

3.2.1. Lernvoraussetzungen:

Allgemein:

Die Klasse 3a besuchen 7 Mädchen und 11 Jungen. Ich begleite die Klasse seit Anfang des Schuljahres 2006/2007 als Klassenlehrerin.

In der Klasse herrscht allgemein eine vertrauensvolle Atmosphäre. Die Kinder zeigen meist einen freundlichen und verständnisvollen Umgang miteinander und sind es gewohnt, sich gegenseitig bei Schwierigkeiten zu helfen. Der starke Anteil an Jungen ist jedoch spürbar. Die Klassengemeinschaft besteht erst seit dem zweiten Schuljahr. Ein Junge (Dominik) ist in diesem Schuljahr umzugsbedingt in die Klasse dazu gekommen. Mehr als die Hälfte der Kinder der Klasse haben einen Migrationshintergrund und wachsen mit einer anderen Muttersprache auf, wobei die damit verbundenen sprachlichen Voraussetzungen unterschiedlich sind. Die meisten Kinder leben bereits seit ihrer Geburt in Deutschland und besuchten einen deutschen Kindergarten. Beim Sprechen sind vereinzelt Schwierigkeiten in Wortfindung, Grammatik und Syntax zu beobachten. Im schriftsprachlichen Bereich haben einige Kinder Probleme, sich genau auszudrücken und orthographische Regeln, die sich von der Lautung herableiten lassen (z.B. Doppelkonsonant nach kurzem Vokal) umzusetzen. Der Leistungsstand ist relativ heterogen. Es gibt sowohl leistungsstärkere als auch ‑schwächere Kinder. Arbeitshaltung und Arbeitstempo entsprechen dem heterogenen Leistungstand. Drei Kinder werden im Rahmen des Gemeinsamen Unterrichts sonderpädagogisch gefördert. Die Förderschwerpunkte liegen im Bereich „Lernen“. Ihr Leistungsstand ist sehr unterschiedlich. Alle drei werden zieldifferent gefördert.

Neuen Unterrichtsinhalten stehen die Kinder meist offen und aufgeschlossen gegenüber. Die meisten Kinder beteiligen sich aufmerksam und gerne am Unterrichtsgeschehen. Im Allgemeinen sind die Kinder gut zu motivieren.

Sachstruktureller Entwicklungsstand:

Die Kinder haben sich im Rahmen der Unterrichtsreihe Wetter bereits mit dem Thema Luft auseinander gesetzt. So war ihnen auch bereits die Schallausbreitung bei Gewitter und der Zusammenhang zwischen dem Sehen des Blitzes und dem Hören des Donners bekannt. Sie hatten zu Beginn dieser Unterrichtsreihe unterschiedliche Vorerfahrungen und unterschiedliches Wissen zum Thema und Begriff Schall. Einigen Kindern waren Begriffe wie Schallschutzmauer, Echo, Ton, Klang bekannt. Während eines Hörspazierganges und im Rahmen eines Hörrätsels konnten sie jedoch viele Alltagsgeräusche sehr genau bestimmen. Sie hatten viele Ideen wie Schall erzeugt wird. Dabei stand eher die Tätigkeit im Vordergrund. Das Schwingen der Gegenstände wurde erst im Rahmen der durchgeführten Experimente erkannt. Dabei haben die Kinder festgestellt, dass die Gegenstände „vibrieren“. In einer weiteren Einheit haben die Kinder erkannt, dass Luft Schall weiter leitet und er so an das Ohr gelangt. Sie haben erfahren, dass Schall einen „Druck“ ausübt, der die Luft so stark zum Schwingen bringen kann, dass beispielsweise eine Kerze von einer Schallwelle gelöscht, oder man Schall am eigenen Körper spüren kann (z.B. Schallwelle einer Trommel vor dem Bauch). Einige Kinder haben in diesem Zusammenhang Begriffe wie „Schallwelle“ und „Schalldruck“ selbst entwickelt.

Methodenkompetenz:

Das Experimentieren in Gruppen ist den Kindern bereits aus Experimenten zu Luft und Luftdruck im Rahmen der Unterrichtsreihe „Wetter“ und aus Experimenten zur eigenen Stimme im Rahmen der Unterrichtsreihe „Kinder lernen mitzureden“ bekannt. Sie sind mit Gruppen- und Partnerarbeit vertraut. Die Forscherregeln sind im Rahmen der Unterrichtsreihe sukzessive entstanden und mit den Kindern gemeinsam entwickelt worden. Manchmal müssen sie noch an die Einhaltung dieser erinnert werden, insbesondere „erst vermuten, dann ausprobieren.“ Das Entwickeln eigener Experimente hatte bisher einen hohen Aufforderungscharakter. Es war für die Kinder jedoch noch eine große Herausforderung und wird durch gemeinsames Entwickeln und Materialimpulse erst angebahnt. Das Dokumentieren in einem gemeinsamen Forscherheft ist für die Kinder neu und es fällt ihnen noch manchmal schwer, sich abzusprechen, was sie schreiben wollen und wer schreibt.

Hinweise zu einzelnen Schülerinnen und Schülern

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3.2.2. Bedeutung des Themas für die Kinder

Die alltägliche Umwelt der Kinder, vor allem im Wohnumfeld Stadt, ist „mit Schall gefüllt“. Sie sind täglich und fast ununterbrochen von vielen angenehmen und unangenehmen Geräuschen (z.B. Straßenbahn, Eisenbahn, Straßenverkehr), Tönen (z.B. elektronische Musik) und Klängen (z.B. klassische Musikinstrumente, Popmusik) umgeben. Kinder erschließen sich ihre Welt zu einem wesentlichen Teil, indem sie hören, das Gehörte verarbeiten, darauf reagieren und kommunizieren, indem sie Geräusche, Klänge, Lärm erzeugen.

Wie diese Geräusche, Töne, Klänge und Lärm sich verbreiten und in Ohr gelangen ist vielen nicht bewusst.

Die Auseinandersetzung mit der Übertragung von Schall verhilft ihnen durch Probieren, Erkunden und Experimentieren den Gesetzmäßigkeiten der Schallphänomene auf die Spur zu kommen. So können sie Schallphänomene in der Umwelt und eigene Schallkonstruktionen in Ansätzen verstehen und erklären. Das ungeordnete Vorwissen (Präkonzepte) der Kinder über Schall kann strukturiert werden. Nicht zuletzt trägt die Auseinandersetzung mit Schall auch zur Gesundheitserziehung bei, indem den Kindern über das Verständnis des Phänomens auch die Auswirkungen von Lärm und die Notwendigkeit von Lärmschutz bewusst werden können. Auch werden die Kinder sensibilisiert, dem Phänomen Schall bewusster zu begegnen.

Das forschende Lernen leistet einen Beitrag zur Denkentwicklung und zur Selbständigkeit der Kinder.

Das Interesse und die Motivation der Kinder, sich mit naturwissenschaftlichen Phänomenen auseinander zu setzen, kann geweckt werden. Auch den häufigen Erfahrungsdefiziten von Mädchen in diesem Bereich kann entgegengewirkt werden.

[...]

^[1] vgl. BROCKHAUS Naturwissenschaft und Technik, S. 1727

^[2] vgl. Klasse(n)kisten für den Sachunterricht: Ein Projekt des Seminars Didaktik des Sachunterrichts im Rahmen von KiNT. Kinder lernen Naturwissenschaft und Technik, Entwurf, S. 28

^[3] http://de.wikipedia.org/wiki/Schallausbreitung

^[4] BROCKHAUS Naturwissenschaft und Technik, S. 1727

^[5] vgl. BROCKHAUS Naturwissenschaft und Technik, S. 1727

^[6] Klasse(n)kisten für den Sachunterricht: Ein Projekt des Seminars Didaktik des Sachunterrichts im Rahmen von KiNT. Kinder lernen Naturwissenschaft und Technik, Entwurf, S. 34

^[7] Ministerium für Schule und Weiterbildung Nordrhein-Westfalen: Lehrplan Sachunterricht. Entwurf, Düsseldorf, 28.01.2008, S. 7

^[8] Ebd. S. 7

^[9] Ebd. S. 5

^[10] Ebd. S. 5

^[11] Ebd. S. 5

^[12] Ebd. S. 5

^[13] vgl. ebd. S. 5