Was kostet eine Kilowattstunde aus Batterien?

Inhaltsverzeichnis

Vorwort Eine Bestandsaufnahme: Physik – das unbeliebte Fach in der Schule

Einleitung Physik in der Schule

Kapitel 1 Vorstellung des Themas

Kapitel 2 Didaktische Überlegungen
2.1 Einordnung des Themas
2.2 Behandlung des Themas
2.3 Gegenwarts –und Zukunftsbedeutung

Kapitel 3 Lernziele
3.1 Richtziel
3.2 Grobziel
3.3 Feinziel

Kapitel 4 Lösungsmöglichkeiten im Unterricht
4.1 Was kostet eine KWh aus Batterien
4.2 Wie lange müsste die Sonne scheinen, bis eine Solarzelle KWh erzeugt hat?

Kapitel 5 Literaturverzeichnis

Kapitel 6 Anhang
Folie I: Solarzellen
Folie II: Messung mit dem Vielfachmessgerät
Geplanter Tafelanschrieb
Ergebnis des Computermessprogrammes (Grafik einer Mignonzelle)

Vorwort Eine Bestandsaufnahme: Physik – das unbeliebte Fach in der Schule

Physik ist bei den meisten Schülern ein unbeliebtes Fach. Dies ist auch der Grund, weshalb es gerne nach der elften Klasse abgewählt wird. Erkundigt man sich nach der Ablehnung gegenüber der Physik, so erhält man häufig die Antwort, dass der Unterricht schrecklich sei, da man die Physik nicht versteht und nicht nachvollziehen kann. Der derzeitige Physikunterricht beschränkt sich sehr einseitig auf die Vermittlung von Faktenwissen und trägt kaum zu Einsichten, sowie Interessen bei, auch die Bedürfnisse der Schülerinnen und Schüler bleiben unberücksichtigt. Nach genaueren Untersuchungen jedoch kann man feststellen, dass es nicht die Inhalte und Themen sind, welche die Kinder nicht mögen, sondern die Art der Darstellung wie das Fach Unterricht wird. Der Physikunterricht wird zu abstrakt und alltagsfremd abgehalten. Dabei ist die Physik selber sehr lebensnah und bietet eine enorme Zahl von Beispielen aus dem Alltag an. Grund für uns, dieses Seminar zu besuchen war, zu erfahren wie man Schülerinnen und Schüler für das Fach begeistern kann und es lebensnah den Kindern vermittelt.

Einleitung Lernen durch Handeln

„Einen Gegenstand erkennen heißt, in Bezug auf ihn handeln und ihn transformieren, um die Mechanismen dieser Transformation in Verbindung mit den transformierenden Handlungen selbst zu erfassen.“^[1] Jean Piaget 1973

Jean Piagets Gedanken zur Entwicklungspsychologie gehören bis heute zu einem der am weitesten durchgeführten Ansätze. Auch in der Physik, so weisen Backhaus und Schlichting^[2] darauf hin, spielen sie eine große Rolle und haben an Einfluss in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen. Gründe dafür dürften sein, dass Piaget der Didaktik ein plausibles Modell für das menschliche Erkennen, insbesondere für den Erwerb physikalischer Begriffe anbietet und auch ein Grobschema für eine unterrichtsnahe Ermittlung des Lernstandes der Schüler und der gerade vorherrschenden Denkweisen, was für junge Lehrer von zentraler Rolle ist.

Nicht zu vergessen, entwickelte Piaget eine geistvolle, wissenschaftstheoretische Position, die geeignet scheint einen Beitrag zur Einebnung des Grabens zwischen naturwissenschaftlich und geisteswissenschaftlich orientierten Wissenschaftlern zu liefern. Doch die wesentlichen Aussagen der Theorie Piagets sind, dass nur Teile der Wirklichkeit, die aufgrund eines spezifischen erkenntnisleitenden Interesses besonderes Gewicht erhalten, auf ein vereinfachtes Denkmodell abgebildet werden können. Neue Erkenntnisse, so Piaget, werden gewonnen durch neue Informationen aus der Umwelt, die durch Handeln (zum Beispiel durch Zählen, Messen, Kombinieren, Experimentieren etc.) erworben werden. Backhaus erläutert, dass Piaget unter Handlungen Transformationsprozesse zusammenfasst, durch die das Neue nach dem Merkmal der Ähnlichkeit an die bereits existierenden Schemata angepasst wird. Ebenso das Erkennen, das auf Vergleichen beruht; das Unbekannte wird mittels des Bekannten zu erfassen versucht. Backhaus ist der Ansicht, dass die Erkenntnismöglichkeiten eines Subjektes sehr stark von seinen Handlungsmöglichkeiten abhängen, vor allem aber von der Strukturiertheit, Differenziertheit und Koordination des kognitiven Systems. Durch das aktive Handeln entstehen demnach Erkenntnisse und durch diese entspringt Intelligenz. Es muss aber auch erwähnt werden, dass Handeln, auch wenn es mit Mitteln des Denkens funktioniert, Handlungen vollzieht und koordiniert, jedoch in einer verinnerlichten überlegenden Form. Diese verinnerlichten Handlungen sind nichts anderes als die Operationen.

Backhaus und Schlichting schließen sich der Auffassung von Jung^[3] an, dass die geistige Entwicklung inhaltsbestimmt betrachtet werden muss, in einem weitaus stärkeren Ausmaß als Piaget vorschlägt. Inhaltliche Momente, spezielle Weltbilder oder Mechanismen, also die Vorstellungen der Schüler, spielen in ihrem Denken eine nicht zu unterschätzende Rolle. Da ein großer Teil des Gelernten aus dem Alltagsdiskurs hervorgeht, kommt der Alltagspraxis und der Alltagssprache für die Schülervorstellungen eine besondere Bedeutung zu.

Eine Einigkeit herrscht unter den Wissenschaftlern allerdings in dem Punkt, dass das Argument des eigenen Handelns bei der Entwicklung der Erkenntnisfähigkeit und damit der Intelligenz der Schüler eine wichtige Rolle spielt. Den physischen Erfahrungen und dem konkret handelnden Umgang mit den Objekten der Umwelt kommt dabei insbesondere bei jüngeren Schülern eine Schlüsselstellung zu. Dabei handelt es sich um keine neuentdeckte Einsicht. Martin Wagenschein hat sich mit unzähligen Beispielen und Anregungen im Rahmen seines Begriffs des genetischen Lernens für die Förderung der Schüleraktivitäten eingesetzt. Und gerade deswegen ist es wichtig, dass der Unterricht schülerbezogen ist, das heißt, dem alltäglichen Leben der Schüler angepasst wird, damit die Schülerinnen und Schüler verstehen was sie lernen und auch die Bedeutung für das Leben sehen.

Kapitel 1 Vorstellung des Themas:

Die Batterie existiert schon lange und erfüllt ihren Nutzen beispielsweise zum Start eines Motors. Inzwischen hat sich das Einsatzspektrum verändert. Neben dem kräftigen Energieschub zum Anlassen der Maschine muss die Batterie heute zusätzlich zahlreiche Kleinverbraucher über einen längeren Zeitraum mit Energie versorgen. Dazu zählen beispielsweise Geräte für die elektronische Navigation, Autopiloten, die Innenraum- und Cockpitbeleuchtung, Kühlschrank und Radio. Aber auch Fernseher, Videogerät, Mikrowelle und Kaffeemaschine hängen, mit oder ohne Umformer, am 12 Volt Bordnetz. Industrie und Werften haben diesem Trend längst Rechnung getragen. Die Batteriehersteller, in dem sie spezielle Starter- und Verbraucherbatterien auf den Markt gebracht haben, die Bootshersteller durch die Installation von zwei getrennten Batteriekreisläufen. Mit diesen hier beschriebenen wideraufladbaren Akkus wird der Versuch allerdings nicht durchgeführt. Sie könnten zwar benutzt werden, doch wäre dies deutlich aufwendiger.

Daher möchten wir uns bei der Durchführung ausschließlich auf Batterien beschränken, die weggeworfen werden, wenn sie leer sind, also auf so genannte „Primärelemente“.

- Was kostet eine Kilowattstunde (KWh) aus Batterien?
- Wie lange müsste die Sonne scheinen, bis die Solarzelle 1 Kilowattstunde abgegeben hat?

Kapitel 2 Didaktische Analyse

2.1 Einordnung des Themas in den Lehrplan:

Das Thema „Was kostet eine Kilowattstunde aus Batterien“ findet sich im Lehrplan nicht, aber man könnte es im Unterricht mit Schülern behandeln, wenn folgende mathematischen und physikalischen Fähigkeiten und Fertigkeiten durchführbar sind:

MATHEMATISCHE KENNTNISSE:

- Dreisatz
- Auflösung nach einer Unbekannten
- Umrechnungen von Maßen und Größen
- Schätzen und Überschlagen

PHYSIKALISCHE KENNTNISSE:

- Erfahrungen im Umgang mit Messgeräten
- Vorkenntnisse über den elektrischen Stromkreis
- Zusammenhang von Strom/Spannung (elektrischer Leistung)
- Errechnen der elektrischen Leistung
- Grundinformationen über den Aufbau einer Solarzelle

Bezug zum Bildungsplan

MATHEMATIK

Schon in der 5. Klasse wird in der Hauptschule in der LPE 3 Sachrechnen das Schätzen und Messen von Größen behandelt, dabei sollen die Schüler Größenbereiche kennen lernen und Maßeinheiten umwandeln sowie mit Größen rechen. Der Zweisatz / Dreisatz, der für dieses Thema unverzichtbar ist, soll in der 6. und 7. Klassenstufe Inhalt sein. Aufgaben des täglichen Lebens und selbstständiges Lösen soll gefördert werden. Dies würde bei dem gewählten Thema zutreffen, da die Schüler versuchen können, eigene Ideen zur Lösung des dargestellten Problems zu finden. Der Bildungsplan sieht deshalb vor, gerade Problemstellungen aus den Naturwissenschaften aufzugreifen und diese mathematisch zu lösen.

In der 8. Klasse soll dabei speziell darauf eingegangen werden, dass Gleichungen und Formeln nach einer bestimmten Variablen aufgelöst werden.

PHYSIK

Die für unser Thema benötigten Fähigkeiten und Kenntnisse finden sich hauptsächlich in der 8. Klasse in der LPE 2 Der Stromkreis und in der 9. Klassenstufe in der LPE 1 und 2 Elektrizität im Alltag und Energieumwandlung, Energienutzung und deren Auswirkungen auf die Umwelt. In der 10. Klasse wird dann noch auf elektrische Begriffe und Wechselstrom eingegangen, was für unser Thema auch von Bedeutung ist.

2.2 Behandlung des Themas

Es wäre nahe liegend unser Thema in der 9. Klasse einzuplanen, da die Schüler ihre Vorerfahrungen, die sie in der 8. Klasse bei der LPE Der Stromkreis erworben haben, zu wiederholen. Hinzu kommt, dass sie über die in der 8. Klasse erworbenen Kenntnisse, wie Messungen in einfachen und verzweigten Stromkreisen verfügen, so dass es keine Probleme geben dürfte bei den notwendigen Versuchen. Des Weiteren sind den Schülern die Einheiten der Spannung und der Stromstärke vertraut, ebenso wie Umrechnungen zu diesen Größen. Es würde sich anbieten, das Thema mit der LPE 2 in der 9. Klasse zu verbinden, da sie die Möglichkeit haben über regenerative Energien zu sprechen. Dabei könnte dann die Solarenergie bzw. die Solarzelle näher betrachtet werden. Dabei können auch auf Energiesparmaßnahmen im persönlichen Bereich der Schüler und die Bedeutung der Energie für unser Leben zur Sprache kommen. Zudem sollte man aber sichergehen, dass LPE 1 im Unterricht behandelt und verstanden wurde und davon ausgehend, dann dieses Projekt aufbauen. Die LPE 1 beinhaltet neben Leistungsvergleichen elektrischer Geräte auch das Errechnen der elektrischen Arbeit und der Leistung. Die Schüler würden somit nicht überfordert werden und Verständnisschwierigkeiten würden sicherlich keine auftreten. Die Lehrkraft hätte aber die Möglichkeit das Thema, je nach Leistungsstand der Schüler, anzupassen, indem sie unterschiedliche Lösungsversuche zulässt und die Schüler damit eigene Erfahrungen sammeln lässt und sie selbstständig ihren Fähigkeiten und Fertigkeiten entsprechend arbeiten lässt.

[...]

^[1] Piaget 1973, S. 31, In: Backhaus & Schlichting: Physikunterricht 5-10, S. 21ff

^[2] Backhaus & Schlichting: Physikunterricht 5-10, S. 21ff

^[3] Jung, 1978: S. 125; In: Backhaus und Schlichting: Physikunterricht 5-10, S. 21ff