Gravitationskraft im Unterricht verändern – PhET macht es möglich

Von Jana Philipp, Joseph Ferdinand, Christian Fischer

Ein Gewicht von 170 Gramm hängt an einer Feder und bewegt sich leicht auf und ab, die Oszillationsspanne beträgt 70 Zentimeter. Aber was würde passieren, wenn wir uns nun auf dem Mond befänden? Ein Klick – und die Feder schwingt schwächer auf und ab. Die Oszillationsspanne beträgt nun nur noch 12 Zentimeter. Faszinierend, was für einen Einfluss die unterschiedliche Gravitationskraft hat. Auf einer Exkursion zum Mond könnte man so einiges lernen. Allerdings muss man dazu nicht auf den Mond fliegen, es reicht eine Simulationsumgebung, in der  physikalische Gesetze und Regeln sichtbar werden. Oft hilft das Sehen dem Verstehen.

Simulationen für Wissenschaft und Mathematik bietet beispielsweise die Webseite „PhET interactive simulations“. Das Projekt wurde 2002 von Carl Wieman, dem Physik-Nobelpreisträger aus dem Jahr 2001 gegründet. Mehr als 150 interaktive Simulationen für die Fächer Physik, Chemie, Mathematik, Geowissenschaft und Biologie in 93 Sprachen werden darin kostenlos online oder zum Herunterladen zur Verfügung gestellt. Durch Festlegen und Verändern der Simulationsumgebung sollen Schülerinnen und Schüler dazu angeregt werden, eine Verbindung zwischen realen Phänomenen und der dahinterliegenden Wissenschaft herzustellen.

Sie können Laborversuche durchführen und dabei den Forschungskreislauf erleben. Dabei stellte es sich als effektiv heraus, ihnen gut definierte Lernziele zu geben und anleitende, aber nicht beschränkende Explorationsaktivitäten zu planen, die Anregungen für Nachforschungen schaffen können. Neugier und neue Fragestellungen sollen das intrinsische Interesse stärken oder wecken.

Die Simulationen können vielfältig eingesetzt werden, um bei der konzeptuellen Verstehens- und Wissenskonstruktion zu unterstützen: als Demonstration mit der gesamten Klasse, in Kleingruppen, für Hausaufgaben oder beispielsweise auch in Tutorien. Mit PhET sollen nach Perkins und Kollegen (2006) das Engagement der Schülerinnen und Schüler erhöht und das Lernen verbessert werden.

Schüler werden zu Forschern

Dem PhET-Projekt liegt eine schülerzentrierte Lerntheorie zugrunde, das „Inquiry-based learning“ oder zu Deutsch: Forschendes Lernen. Das Forschende Lernen kann wie ein wissenschaftlicher Forschungszyklus verlaufen: von der Entwicklung von Fragen und Hypothesen über die Auswahl der Forschungsmethoden bis hin zur Prüfung der Hypothesen und zur Ergebnisdarstellung (Pedaste et al., 2015). Dadurch können Schülerinnen und Schüler lernen, wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu arbeiten, zu forschen und zu urteilen (scientific literacy). Dies stellt die große Stärke des Forschenden Lernens im Vergleich zu anderen Lernformen dar.

Die verschiedenen Funktionen der PhET-Simulationen können die Schülerinnen und Schüler zu vielerlei verschiedenen Hypothesen, Experimenten und Messungen anregen, in der eingangs beschriebenen Simulation „Massen und Federn“ beispielsweise durch die Möglichkeit, die Federstärke zu verstellen oder das Gewicht und die Gravitationskraft zu verändern.

Vorteile von PhET für das Forschende Lernen und für Lehrkräfte

Die Simulationen in PhET sind einfach und intuitiv gestaltet. Durch die dynamischen grafischen Darstellungen werden Dinge sichtbar, die man bei einem Versuch im Unterricht nicht sehen könnte, zum Beispiel die Richtung und Stärke der Geschwindigkeit und der Beschleunigung als sich bewegende Pfeile. Das Forscherteam um Perkins (2006) konnte den Vorteil der Simulation gegenüber dem realen Experiment im Klassenzimmer zeigen: Schülerinnen und Schüler, die eine Simulation zu Stromkreisläufen nutzten, schnitten besser in der Beantwortung von konzeptuellen Fragen über die Stromkreisläufe und in der Konstruktion von Stromkreisläufen ab, als die Schülerinnen und Schüler, die reales Equipment im Unterricht nutzten.

Trotz mancher irrealen Eigenschaften der Simulationen – wie zum Beispiel die Möglichkeit, die Gravitationskraft von Mond, Erde, Jupiter, Planet X zu wählen oder sie vollkommen frei einzustellen – wird in der Gestaltung und im Inhalt auf die Alltagsnähe zur Zielgruppe geachtet. Viele Simulationen werden so gestaltet, dass sie durch Formulierungen, Details und herangezogene Lerninhalte am alltäglichen Leben und dem Vorwissen der Schülerinnen und Schüler ansetzen.

Die PhET-Simulationen lassen sich immer auf den Ausgangszustand zurückstellen. So können auch Anpassungen der Hypothesen schnell getestet werden. Da bei einer Demonstration durch die Lehrkraft alle die gleichen Objekte und Bewegungsabläufe sehen, besteht durch die Nutzung von Simulationen im Unterricht ein einheitliches Bild. Dadurch kann der Fokus der Lehrkraft und der Schülerinnen und Schüler direkt auf die Verstehensprozesse gelenkt werden.

Für Lehrkräfte stehen auf den PhET-Webseiten viele Tipps zur optimalen Nutzung bereit. Wenn sie sich anmelden, erhalten sie darüber hinaus Zugang zu Lehrvideos und zur Community. Außerdem bietet die Plattform Lehrkräften die Möglichkeit, zahlreiche Unterrichtsmaterialien zu den jeweiligen Simulationen zu teilen, sodass mittlerweile eine weitreichende Sammlung bereitsteht, welcher Lehrkräfte aber auch den eigenen Kontext anpassen sollten (Fischer & Dershimer, 2016).

Digitale Medien effektiv einsetzen

Digitale Medien sind heutzutage nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken und werden auch zunehmend in Bildungseinrichtungen eingesetzt. Die große Schwierigkeit dabei ist es, die Medien im Unterricht möglichst effektiv einzusetzen. Die lernwirksame Orchestrierung im Unterricht steht im Vordergrund, sodass digitale Medien von der Lehrkraft als Instrument zur Erreichung der Lehr- und Lernziele genutzt werden können.

Alles in allem können digitale Medien nicht alle Unterrichtsaspekte gleichzeitig bedienen. Deshalb sollten Plattformen wie PhET in Kombination mit anderen didaktischen Vorgehensweisen genutzt werden. Der alleinige Einsatz der Medien ist kein Erfolgsrezept: zum effektiven Einsatz im Unterricht ist immer eine didaktische Ausbildung notwendig, sodass die Vorteile der verschiedenen Medien am wirksamsten genutzt werden können.


Dieser Beitrag ist Teil einer Serie von Blogbeiträgen, die aus dem Seminar „Digitale Medien und Pädagogische Psychologie“ (Prof. Dr. Christian Fischer, Wintersemester 2019/2020) an der Universität Tübingen im Masterstudiengang „Empirische Bildungsforschung und Pädagogische Psychologie“ entstanden sind. Im Mittelpunkt dieses Seminars stand die Auseinandersetzung mit digitalen Lehr-Lernumgebungen unter Gesichtspunkten von Lerntheorien der Pädagogischen Psychologie.

Siehe auch:

Lehrkräftefortbildung durch Soziale Medien!?

Programmieren kinderleicht: schnelle Erfolgserlebnisse mit Scratch

Khan Academy: Lernen mit einem digitalen Nachhilfelehrer

Inquiry-based Learning – Forschendes Lernen im Unterricht

Digitale Wissensmedien für den Unterricht: Quo Vadis

Medienkompetenz: Noch viel Luft nach oben


Über die Autorinnen und Autoren

Jana Philipp, B.A., studiert Empirische Bildungsforschung und Pädagogische Psychologie (M.Sc.) an der Eberhard Karls Universität Tübingen.

Joseph Ferdinand, M.Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Hector-Institut für Empirische Bildungsforschung der Eberhard Karls Universität Tübingen.

Christian Fischer, Ph.D. ist Tenure-Track-Professor für Educational Effectiveness am Hector-Institut für Empirische Bildungsforschung der Eberhard Karls Universität Tübingen.

Weiterführende Literatur

Fischer, C. & Dershimer, R. C. (2016). Preparing teachers to use educational games, virtual experiments, and interactive science simulations to engage students in the practices of science. In L.-J. Thoms & R. Girwidz (Eds.), Proceedings of the 20th International Conference on Multimedia in Physics Teaching and Learning (pp. 263-270). Mulhouse, France: European Physical Society.

Pedaste, M., Mäeots, M., Siiman, L., de Jong, T., van Riesen, S., Kamp, E., . . . & Tsourlidaki, E. (2015). Phases of inquiry-based learning: Definitions and the inquiry cycle. Educational Research Review 14, 47–61. doi: http://dx.doi.org/10.1016/ j.edurev.2015.02.003

Perkins, K., Adams, W., Dubson, M., Finkelstein, N., Reid, S., Wieman, C. & LeMaster, R. (2006). PhET: Interactive Simulations for Teaching and Learning Physics. The Physics Teacher Vol. 44, 18–23. doi: 10.1119/1.2150754

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