Informatik-unterstützter Physikunterricht am Beispiel des Arduino

Christopher Kommetter, Martin Ebner, Sandra Schön, Martin Ebner, Sandra Schön

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2018
• ISBN drucken: 9783752869774
• eBook-ISBN: 9783752891560
• Auflage: 1
• Thema: Sozialwissenschaften
• Thema: Soziologie

Das vorliegende Buch gibt einen Überblick über die Möglichkeiten, den Informatikunterricht in den Physikunterricht zu integrieren. Dabei werden Definitionen von fächerübergreifenden Unterricht verglichen und aufgezeigt, wie durch den Einsatz eines handlungsorientierten Unterrichts, am Beispiel eines Stationsbetriebes, ein Beitrag geleistet werden kann, informatorische Systeme in den Unterricht zu integrieren. Es werden diverse Technologien wie der Raspberry Pi, der Calliope, der Arduino und weitere hinsichtlich ihrer Integrationsmöglichkeiten im Physikunterricht und finanziellen Aspekte untersucht.Schließlich wird eine Unterrichtssequenz zum Erlernen der Kompetenzen rund um das Thema Beschleunigung mithilfe von Arduinos vorgestellt. Diese wurde an einer Oberstufe durchgeführt und wird hier hinsichtlich der vermittelten Kompetenzen aus beiden Fächern analysiert. Der Arduino kann vielseitig in Unterrichtsgegenständen, vorrangig im Bereich der Naturwissenschaften, eingesetzt werden und hat den Vorteil der geringen Anschaffungskosten.

Teil I.

Theoretischer Hintergrund - der fächerübergreifende Unterricht und die Rahmenbedingungen

1. Einleitung

Erst kürzlich stellte Apple einen Rahmenlehrplan vor, welcher sich in bestehende Unterrichtspläne für jedes Fach integrieren lässt und der den Einsatz von iPads in allen Fächern und Schulstufen ermöglicht¹. Eine flächendeckende Ausstattung mit iPads und der nötigen Infrastruktur an allen österreichischen Schulen würde zweifelsfrei Unmengen an finanziellen Mitteln verschlingen. Viele Lehrunterlagen mit wesentlich günstigeren Technologien werden, sofern sie überhaupt eingesetzt werden, in den Informatikunterricht eingegliedert.

Themengebiete der Informatik, wie sie derzeit im gleichnamigen Unterrichtsfach bearbeitet werden, beispielsweise Tabellenkalkulationen und Microsoft Word, sollten nicht als eigenständige Kompetenzen im Informatikunterricht erlernt werden, sondern vielmehr als Werkzeug in mehrere Unterrichtsfächer übernommen werden und hier durch gezielten Einsatz ihren Platz finden. Vergleichbar mit dem Taschenrechner im Mathematikunterricht könnten sich auch Tabellenkalkulationsprogramme, wie Microsoft EXCEL, aus dem Informatikunterricht in den Mathematik- und Physikunterricht verlagern. Durch Anwendung dieser Software wird ein neuer Zugang geschaffen und als Hilfe empfunden, anstelle eines weiteren Lernaufwandes. Eine große Auswahl an günstigen Einplatinencomputern und Mikrocontrollern kann hier neben dem Vermitteln von Kompetenzen der Informatik auch in anderen Unterrichtsgegenständen eingesetzt werden und vermittelt Kompetenzen beider Unterrichtsgegenstände. Vor Allem im Physikunterricht stellen diese Technologien eine Alternative zu teurem Equipment, wie etwa Oszilloskopen, für den Einsatz als Werkzeuge für Schüler oder Demonstrationsversuche dar.

Mit dieser Arbeit wird versucht, eine Verbindung zwischen den beiden Unterrichtsfächern Informatik und Physik zu entwickeln. Diese Verbindung soll ganzheitliche Lernmöglichkeiten für Schülerinnen und Schüler schaffen, wie dies durch die Trennung in Einzelfächer nicht möglich wäre. Die Auslagerung von informatischen Systemen in Unterrichtsfächer wie Physik sollen zu einem Lernzuwachs von Kompetenzen der Informatik führen. Das Ziel dieser Arbeit stellt die Beantwortung einer Reihe an zentralen Fragestellungen dar.

Für die Umsetzung eines fächerübergreifenden Unterrichts zwischen Physik und Informatik ergeben sich die folgenden Fragestellungen, welche im Verlauf dieser Arbeit beantwortet werden:

• Können durch den Einsatz von Arduinos als Werkzeuge für Experimente im Physikunterricht die Schülerinnen und Schüler auch Kompetenzen aus dem Unterrichtsfach Informatik erwerben?
• Ist der Mehraufwand für Lehrkräfte, den der Einsatz von Arduinos im Physikunterricht mit sich bringt, im Bezug auf den Lernzuwachs der Schülerinnen und Schüler, im Vergleich zu herkömmlichen Unterrichtsmethoden, gerechtfertigt?
• Rechtfertigt der Lernzuwachs aus dem Bereich Informatik die dafür verwendete Unterrichtszeit des Faches Physik durch den Einsatz von Arduinos?
• Wie legitimieren sich die Anschaffungskosten von Arduinos im Physikunterricht gegenüber alternativen Technologien?

Die Arbeit gliedert sich in drei Teile, beginnend mit einer Literaturrecherche, welche den theoretischen und rechtlichen Rahmen dieser Arbeit bildet. Im zweiten Teil wird ein Unterrichtsbeispiel mit dem Einsatz von Arduinos im Physikunterricht beschrieben und die Durchführung festgehalten. Der dritte Teil befasst sich mit der Analyse der durch die Durchführung gewonnenen Daten und fasst die Antworten auf die oben angeführten zentralen Fragestellungen zusammen.

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¹Quelle: Apple Newsroom: Apple stellt Everyone Can Create vor, um Kreativität bei Schülern zu fördern, https://www.apple.com/at/newsroom/2018/03/apple-unveils-everyone-can-create-curriculum-to-spark-student-creativity/ -zul. aufgerufen am 29.3.2018

2. Fächerübergreifender Unterricht

Im Folgenden werden die Vorzüge und Probleme des fächerübergreifenden Unterrichts beleuchtet und Methoden zur Realisierung festgehalten. Es wird auch versucht, die diversen Begriffe zuzuordnen und zu kategorisieren, um eine Definition zur Abgrenzung vom Fachunterricht zu schaffen. Am Ende dieses Kapitels wird der Stationsunterricht als Form des handlungsorientierten Unterrichts angeführt, da diese Form des Unterrichts für die Unterrichtseinheiten im praktischen Teil gewählt wurde.

2.1. Ein Versuch einer Begriffsdefinition

In der Literatur finden sich unterschiedliche Begriffe für die Form der Organisation von Unterricht, die sich zwischen einem reinen Fachunterricht und einem nicht nach Fächern gegliederten Unterricht bewegt. So lassen sich die Begriffe fächerverbindender und fächerübergreifender Unterricht als Sammelbegriff aller Formen des Unterrichts, die eine parallele Behandlung zusammenhängender Inhalte aus mehreren Fächern vorsehen, nennen.²

Der fächerübergreifende Unterricht stellt eine Form der Organisation dar, die, zeitlich begrenzt, Inhalte aus unterschiedlichen Schulfächern thematisch verknüpft³. Die Facetten des fächerübergreifenden Unterrichts sind äußerst weitreichend und erstrecken sich vom simplen Aufgreifen ausgewählter Themenbereiche außerhalb des eigenen Spezialgebietes bis hin zu komplexen Projekten (vgl. Dieterich, 2008, S. 21). Die verschiedenen Facetten beschreiben die Art und den Umfang der Verbindung zweier oder mehrerer Unterrichtsgegenstände. In der Literatur finden sich verschiedene Definitionen, welche keine generellen Grenzen zulassen. So unterscheidet Schwill (2013) zwischen fächerübergreifendem und fächerintegrativem Unterricht. Wie in Tabelle 2.1 aufgelistet, unterscheidet er beim fächerübergreifenden Unterricht zudem zwischen einer ausweitenden und einer verbindenden Organisation des Unterrichts.

Tabelle 2.1.: Begriffsdefinitionen fächerübergreifender Unterricht nach Schwill (2013)

Begriff(e)	Definition
fächerübergreifend fachaufweitend	Das Einzelfach steht im Mittelpunkt. Es werden Beziehungen zu anderen Unterrichtsfächern oder zum Umfeld im Alltag der Lernenden hergestellt. Es werden z. B. Themen im Zuge von Projekten aus anderen Fächern herangezogen, die Unterrichtsstruktur wird allerdings vom Einzelfach bestimmt.
fächerübergreifend fächerverbindend	Zwei oder mehrere Einzelfächer bestimmen parallel den Unterricht. Inhalte erfordern ein gemeinsames Arbeiten in ausgewählten Bereichen oder Projekten.
fächerintegrativ	Arbeiten in Projekten, bei denen die traditionelle Fachstruktur der Einzelfächer aufgegeben wird. Es lässt sich nicht mehr klar definieren welches Fach unterrichtet wird.

Fächerübergreifender Unterricht lässt sich auch nach der Integration im Stundenplan und der Koordination der Lehrkräfte unterteilen, welche sich mit den in der Tabelle genannten Begriffen und Definitionen großteils decken. Hier wird nach Metzger (2013) zwischen vier Phasen unterschieden.

Fächerüberschreitend Inhalte eines anderen Schulfaches werden eingebunden. Es bedarf keiner Absprache mit Fachlehrerinnen und Fachlehrern der anderen Fächer sowie keiner Änderung im Stundenplan.

Fächerverknüpfend (oder fächerverbindend) Ein gemeinsames Themengebiet wird in zwei oder mehreren Unterrichtsfächern zeitgleich erarbeitet. Jedes Fach beleuchtet das Thema aus seiner Fachperspektive. Es bedarf einer Absprache und Koordination zwischen den Lehrenden.

Fächerkoordinierend (oder integriert) Ein Thema wird aus den Perspektiven verschiedener Fachrichtungen im gemeinsamen Unterricht, etwa durch Projektwochen, Thementage und dergleichen, bearbeitet. Die Vermittlung der Inhalte kann auch durch nur eine Lehrkraft erfolgen.

Integriert Eine Lehrperson unterrichtet mehrere Fachrichtungen in einem integrativen Fach, wie Naturwissenschaften, Mensch und Umwelt oder Sachunterricht.

(Vgl. Metzger, 2013, S. 32)

Rein auf die Unterrichtsorganisation bezogen lässt sich der fächerübergreifende Unterricht in fünf Kategorien unterteilen, welche sich wiederum teils mit den genannten decken:

Beim fächerüberschreitenden Unterricht werden aus dem Fachunterricht heraus Assoziationen zu Themenbereichen anderer Fächer geschaffen.

Werden diese Assoziationen wechselseitig in zwei oder mehreren Unterrichtsgegenständen geschaffen, ist von einem fächerverknüpfenden Unterricht zu sprechen.

Werden bereits bei der Planung des Unterrichtes zwei oder mehrere Fächer aufeinander abgestimmt, beispielsweise ...

Inhaltsverzeichnis

• Abstract
• Inhaltsverzeichnis
• Teil I: Theoretischer Hintergrund - der fächerübergreifende Unterricht und die Rahmenbedingungen
• Teil II: Praktischer Teil - die Vorbereitungen und Unterrichtssequenzen
• Teil III: Analyse - Auswertung der Erkenntnisse
• Appendix
• Anhang A: Vorerhebung
• Anhang B: Enderhebung
• Anhang C: Cheat-Sheet
• Weitere Informationen
• Impressum