Fortbildungsangebote Physik

Das MINT-Lernzentrum der ETH Zürich bietet in regelmässigen Abständen Fortbildungen für Lehrpersonen zu zentralen Themen der Schulfächer Chemie, Mathematik und Physik an. In diesen Fortbildungen werden die Lehrpersonen im Einsatz von Unterrichtseinheiten geschult, die am MINT-Lernzentrum über mehrere Jahre von erfahrenen Lehrpersonen gemeinsam mit Lehr- und Lernforschern entwickelt sowie im Unterricht getestet wurden.

 

Transfer von der Forschung in die schulische Praxis

Die Unterrichtseinheiten zeichnen sich durch den Transfer von der empirischen Lehr- und Lernforschung in die schulische Praxis aus. Naturwissenschaftliche und mathematische Themen werden mit Lernformen unterrichtet, die sich in experimentellen Vergleichsstudien als besonders lernwirksam erwiesen haben, und die das Verstehen und die Konstruktion von intelligentem Wissen fördern. Die Lehrpersonen werden in den Fortbildungen darin geschult, diese Lernformen im Unterricht selbständig einzusetzen. Die Themen der Unterrichtseinheiten sind so gewählt, dass es sich dabei um zentrale Themen des mathematisch-naturwissenschaftlichen Curriculums handelt. 

Umfang und zentrale Elemente der Unterrichtseinheiten

Die Unterrichtseinheiten umfassen stets mehrere Lektionen, wobei die Anzahl der Lektionen variieren kann. Zusätzlich zu den Kernlektionen enthalten alle Unterrichtseinheiten optionale Lektionen zur Vertiefung des Lernstoffs. Die Unterrichtseinheiten sind modular aufgebaut und können – je nach Bedarf – mit anderen Unterrichtseinheiten des MINT-Lernzentrums (zu anderen Themen sowie zum gleichen Thema auf unterschiedlichen Klassenstufen) kombiniert werden. Im Einzelnen zeichnen sich die Unterrichtseinheiten durch folgende Elemente aus:

  • Vorschläge für den Aufbau der Lektionen, mit genauer Darstellung der Lernziele, des erforderlichen Vorwissens sowie der Schülervorstellungen, die zu Verständnisschwierigkeiten führen können.

  • Vor- und Nachtests für die Erhebung der Schülervorstellungen sowie zur Kontrolle der Lernfortschritte.

  • Einstiege in die Lektionen mit kognitiv aktivierenden Phänomenen, die das Interesse der Schülerinnen und Schüler wecken, und die ihnen die Grenzen ihres Wissens aufzeigen.

  • Genaue Beschreibungen aller Experimente mit Aufträgen für die Schülerinnen und Schüler zur Vor- und Nachbereitung.

  • Aufträge und Arbeitsblätter für das selbständige Erarbeiten zentraler Lerninhalte.

  • Inhaltlich auf die einzelnen Lektionen abgestimmte Vorschläge für Selbsterklärungs-Aufträge sowie für metakognitive Fragen – zur Vertiefung des Lernstoffs sowie zur selbständigen Kontrolle des eigenen Lernstandes.

  • Ausgearbeitete Unterrichtsmaterialien: kopierfähige Arbeits- und Aufgabenblätter sowie Folien und Power-Point-Präsentationen zu allen Aufträgen und Experimenten.

  • Aufträge zum forschenden Lernen – zur Vertiefung des Lernstoffs sowie zur Förderung wissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen.

Zusätzlich wird eine Lernsoftware bereitgestellt, mit der die Schülerinnen und Schüler Aufträge zu den einzelnen Lektionen zu Hause bearbeiten können, und mit der die Lehrpersonen diese Aufträge zeitsparend korrigieren sowie den Schülerinnen und Schülern Rückmeldung geben können.

 

 

 

Die aktuellen Veranstaltungen im Detail

  • Grundkonzepte der Mechanik

Grundkonzepte der Mechanik: (9. und 10. Schuljahr, Gymnasium)

Thema
Ein gutes Verständnis der mechanischen Grundkonzepte ist die Grundlage für den weiteren Wissensaufbau sowie Freude und Erfolg im Fach Physik. Dabei ist es aber oft schwierig die Schülerinnen und Schüler für diesen elementaren und auch schwierigen Teil der Physik zu begeistern. Mithilfe dieser Lerneinheit werden diese gezielt angeleitet, sich die elementaren Grundkonzepte anhand beobachtbarer Alltagsphänomene durch eigenes Nachdenken und Diskutieren selbst zu erschliessen. Dabei helfen Lernformen, die sich in aktuellen empirischen Studien als besonders lernwirksam erwiesen haben, die häufig ungünstigen Alltagskonzepte zu überwinden. Das durch diese Methode verbesserte Konzeptverständnis erleichtert es den Schülerinnen und Schülern, anschliessend die formale Beschreibung der Sachverhalte mit geringerem Aufwand besser zu verstehen und Problemstellungen leichter zu bewältigen. Erste Untersuchungen haben bereits ergeben, dass Schülerinnen und Schüler, die mit diesem Kurs unterrichtet wurden, neben einem besseren Konzeptverständnis auch signifikant bessere Leistungen im Lösen der Aufgaben erbrachten als die Vergleichsgruppen.

Inhalte und Ziele
Die Unterrichtseinheit besteht aus sechs Sequenzen mit 16 Lektionen. Jede Lektion zeichnet sich durch anregende Unterrichtseinstiege aus und bietet unterschiedliche Vertiefungsmöglichkeiten. Dadurch lässt sich der Einsatz dieser Lerneinheit sowohl dem Vorwissen und den Bedürfnissen der Schülerinnen und Schüler als auch den Anforderungen der Lehrpläne optimal anpassen. Die Sequenzen mit ihren Themenbereichen sind:

1. Trägheit und Bewegung
Lektion 1: Braucht Bewegung immer einen Antrieb?
Lektion 2: Was versteht man unter gleichförmiger Bewegung?
Lektion 3: Äquivalenz von Ruhe und gleichförmiger Bewegung
2. Masse und Gewicht
Lektion 4: Trägheit und Masse
Lektion 5: Unterschied zwischen Masse und Gewicht
Lektion 6: Eigenschaften und Messung von Kräften
3. Kraft und Beschleunigung
Lektion 7: Welche Wirkung hat eine konstante Kraft?
Lektion 8: Die gleichmässig beschleunigte Bewegung
Lektion 9: Welche Kraft ist zur Beschleunigung erforderlich?
4. Gleichgewicht
Lektion 10: Gewicht und Normalkraft
Lektion 11: Kräfteparallelogramm
Lektion 12: Schwerpunkt und Drehmoment
5. Wechselwirkung
Lektion 13: Wirkung und Gegenwirkung
Lektion 14: Das Wechselwirkungsgesetz
Lektion 15: Wie berechnet man Reibungskräfte?
6. Die Grundgesetze
Lektion 16: Die Newtonschen Axiome im Zusammenspiel

 

Einblick in die Lerneinheit

Weitere Beispiele für Testfragen, Arbeitsblätter und Selbsterklärungsaufträge im Abschnitt Beispiele.

 

Angebote
Vorträge und Präsentationen zu aktuellen Themen der modernen Lehr- und Lernforschung sowie Diskussion der Unterrichtsmaterialien und Übungen zur Anwendung und Vertiefung. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer erhalten umfangreiches, sorgfältig ausgearbeitetes und sofort einsetzbares Unterrichtsmaterial (ausführliches Skript mit vielen Informationen und Hinweisen für die Lehrpersonen, Pre- und Posttests zur Messung des Lernerfolges, Vorschläge für Selbsterklärungen und metakognitives Training, Aufgaben- und Arbeitsblätter mit Lösungen, Lesetexte, Folien sowie zu jeder Lektion eine gut elaborierte Bildschirmpräsentation).

 

Informationen zum Kurs

 


 

  • Mechanische Energieformen

Energie in der Mechanik: Wie Energie- und Impulserhaltung den Ablauf natürlicher und technischer Vorgänge steuern (9. und 10. Schuljahr, Gymnasium)

Diese Unterrichtseinheit bietet einen Einstieg in die MINT-Unterrichtseinheiten zum Thema „Energie in Naturwissenschaft und Technik“. Ein lehr- und lernforschungsbasierter Aufbau der Lerninhalte, unterstützt durch lernwirksame Aufträge, fördert das Verständnis des mechanischen Energie- und Impulskonzepts. Die Unterrichtseinheit eignet sich auch zur Ergänzung und Vertiefung der Unterrichtseinheit zu den Grundkonzepten der Mechanik (siehe oben).

Beispiel eines Auftrags zur Erarbeitung der Formel für Lageenergie

Lageenergie

Frage 1: Welche Grössen bestimmen die Wirkung des Fallhammers?

 

Frage 2: Wäre die Wirkung des Fallhammers auf dem Mond ebenso gross wie auf der Erde?

 

Frage 3: Wird die Wirkung umso grösser, je grösser die einzelnen Faktoren werden?

 

Frage 4: Durch welche Rechenarten müssen die verschiedenen Grössen miteinander verknüpft werden? Ist es zum Beispiel sinnvoll, die Grössen zu addieren?

 

Inhalt und Aufbau:

Die Lerneinheit besteht aus sechs Sequenzen und zehn Lektionen sowie Aufrägen zum forschenden Lernen:

1. Energieformen und ihre Berechnung
Lektion 1: Die Grundformen der mechanischen Energie
Lektion 2: Die Berechnung der mechanischen Energie
2. Energieumwandlung und -erhaltung
Lektion 3: Energieumwandlung
Lektion 4: Energieerhaltung
3. Arbeit und Leistung
Lektion 5: Arbeit als Energieänderung
Lektion 6: Leistung
4. Etwas fehlt noch: Der Impuls
Lektion 7: Impulserhaltung
Lektion 8: Anwendungen der Energie- und Impulserhaltung
5. Impulserhaltung und Energieentwertung
Lektion 9: Energie und Impuls mit Reibung
Lektion 10: Energieentwertung - Innere Energie - Temperatur
6. Aufträge zum forschenden Lernen
Zusatz 1: Forschendes Lernen, wozu?
Zusatz 2: Mögliche Formen des forschenden Lernens, Beispiele
 

Angebote
Vorträge und Präsentationen zu aktuellen Themen der modernen Lehr- und Lernforschung sowie Diskussion der Unterrichtsmaterialien und Übungen zur Anwendung und Vertiefung. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer erhalten umfangreiches, sorgfältig ausgearbeitetes und sofort einsetzbares Unterrichtsmaterial (ausführliches Skript mit vielen Informationen und Hinweisen für die Lehrpersonen, Pre- und Posttests zur Messung des Lernerfolges, Vorschläge für Selbsterklärungen und metakognitives Training, Aufgaben- und Arbeitsblätter mit Lösungen, Lesetexte, Folien sowie zu jeder Lektion eine gut elaborierte Bildschirmpräsentation).

 

Informationen zum Kurs

 

  • Energie in der Thermodynamik

Energie in der Thermodynamik (9. und 10. Schuljahr, Gymnasium)

In dieser Unterrichtseinheit ist die Energie das Leitmotiv für die Behandlung der Thermodynamik. Inhaltlich liegt der Fokus auf einem guten konzeptionellen Verständnis der Grundbegriffe der Thermodynamik und auf technischen Anwendungen im Bereich der Energietechnik (Solar- und Aufwindkraftwerke, thermische Energiespeicher, Minergiehäuser). Die Unterrichtseinheit eignet sich besonders gut, um im Anschluss an die Unterrichtseinheit zur Energie in der Mechanik das Verständnis des Energiekonzepts zu erweitern. Sie kann aber auch unabhängig von dieser Unterrichtseinheit eingesetzt werden.

Parabolspiegel

Warum sinkt die Temperatur im Brennpunkt des linken Parabolspiegels, wenn man in den Brennpunkt des rechten Parabolspiegels Eis legt?

Themen:

1. Temperatur, innere Energie und Wärme
Lektion 1: Unterschied zwischen Temperatur und innerer Energie
Lektion 2: Temperaturmessung und gebräuchliche zahlen
Lektion 3: Die Änderung der inneren Energie
2. Das Konzept der Wärmekapazität
Lektion 4: Von welchen Eigenschaften hängt die Temperaturänderung eines Stoffes ab?
Lektion 5: Die Bedeutung der spezifischen Wärmekapazität
Lektion 6: Die Messung der spezifischen Wärmekapazität
3. Aggregatzustände und thermische Energiespeicher
Lektion 7: Aggregatzustände und innere Energie
Lektion 8: Unter welchen Bedingungen finden Änderungen von Aggregatzuständen statt?
Lektion 9: Anwendung in der Technik: Thermische Energiespeicher
4. Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung
Lektion 10: Wärmeleitung
Lektion 11: Konvektion
Lektion 12: Wärmestrahlung
5. Wärme-Arbeits-Maschinen als thermische Energiewandler
Lektion 13: Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit
Lektion 14: Der thermodynamische Wirkungsgrad
Lektion 15: Die Entropie als Mass für Struktur und Unordnung


Warum entzündet sich das Streichholz im Brennpunkt des rechten Parabolspiegels, wenn man im Brennpunkt des linken Parabolspiegels eine Glühlampe anschaltet – aber nicht, wenn man die Glühlampe durch eine LED-Lampe ersetzt?

Warum entzündet sich das Streichholz im Brennpunkt des rechten Parabolspiegels, wenn man im Brennpunkt des linken Parabolspiegels eine Glühlampe anschaltet – aber nicht, wenn man die Glühlampe durch eine LED-Lampe ersetzt?

 

  • Schallausbreitung

7. und 8. März 2014:
Schallausbreitung: Wie man mit Schall Entfernungen messen und Verborgenes sichtbar machen kann (7. bis 9. Schuljahr, Sekundarstufe I), Dr. Anna Prieur

Das Thema „Schallausbreitung“ eignet sich gut als Einführung in die Physik. Dabei werden unter anderem folgende Fragen thematisiert: Wie gelangt Schall von einer Schallquelle zu unseren Ohren? Wie kann man die Geschwindigkeit von Schall messen? Wie kann man mit Schall die Wassertiefe messen? Wie und warum kann man mit Schall ein Baby im Mutterbauch sehen? Warum kann Schall „um die Ecke gehen“? Wie orientieren sich Tiere mit Hilfe von Schall? Im Kurs werden zunächst die physikalischen Grundlagen der Schallausbreitung vermittelt, anschliessend werden sie anhand technischer Anwendungen vertieft. Für die Teilnahme an dieser Fortbildung sind keine besonderen Vorkenntnisse in Physik erforderlich.

Themen der Lektionen: (1) Schall braucht einen Träger, (2) und (3) Schall ist eine Welle, (4) und (5) Der Einfluss von Form und Material des Schallträgers auf die Schallübertragung, (6) Theorie und Vorbereitung zur Messung der Schallgeschwindigkeit in Luft, (7) Experiment und Auswertung, (8) Der Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Wellenlänge, (9) Reflexion und Transmission von Wellen, (10) Das Echolot: Wie kann man mit Schall die Wassertiefe messen? (11) Ultraschalluntersuchung: Wie und warum kann man mit Schall ein Baby im Mutterbauch sehen? (12) Materialprüfung: Wie prüft man, ob das Drahtseil eines Skilifts im Innern keine Risse hat? (13) und (14) Aufträge zum Forschenden Lernen.

Die Mondfähre ist gelandet und die Astronauten begrüssen ihren Kollegen mit Applaus

Die Mondfähre ist gelandet und die Astronauten begrüssen ihren Kollegen mit Applaus. Kann der gelandete Astronaut das hören?

 

 

  • Das stömungsverhalten unserer Flüsse


Flussrevitalisierung (9. bis 12. Schuljahr, Gymnasium)

Aufbau der Unterrichtseinheit:

I. Einstiegslektion: Warum revitalisiert man heute viele Flüsse, nachdem man so viel Zeit und Geld investiert hat, um sie auszuheben, zu begradigen und einzudämmen?

II. Unterrichtsangebote für verschiedene Schulfächer (jeweils 3 bis 4 Lektionen)

(1) Unterrichtsangebot für das Fach Chemie: Kalkkreislauf und Flussrevitalisierung. Chemie und politische Entscheidungsprozesse. Themen der Lektionen: (1) Flussrevitalisierung und Trinkwasserschutz, (2) Kalkkreislauf und Leitfähigkeit, (3) Messmethode und politischer Prozess.

(2) Unterrichtsangebot für das Fach Physik: Das Fliessverhalten unserer Flüsse. Themen der Lektionen: (1) Entstehung natürlicher Flussläufe, (2) Eigenschaften strömender Flüssigkeiten, (3) Gerinneströmungen, (4) Energie der Flüsse.

(3) Unterrichtsangebot für das Fach Mathematik: Drei Lektionen zur Berechnung von Flussquerschnitten.

Vor_Revitalisierung Nach_Revitalisierung

Abbildungen: Flussabschnitte der Thur nahe Niederneunforn (Nordost-Schweiz) vor (links) und nach (rechts) der Revitalisierung, Foto: BHAteam Frauenfeld.

Mehr Informationen zu dieser Unterrichtseinheit finden Sie hier.

 

  • Vom Doppelspalt zum Quantencomputer

Thema
Diese Unterrichtseinheit vermittelt den Schülerinnen und Schülern die wichtigsten Konzepte der Quantenphysik, sodass sie in der Lage sind, auch die Grundlagen der Quanteninformatik zu verstehen. Unterstützt wird dieses Ziel einerseits durch Lernformen, die sich in aktuellen, empirischen Studien als besonders lernwirksam erwiesen haben und andererseits durch Inhalte und Experimente, die im Rahmen von QSIT entwickelt wurden und den Lernenden auch einen Einblick in die aktuelle Forschung bieten. Die Unterrichtseinheit besteht aus vier Sequenzen mit jeweils drei Lektionen. Jede Lektion bietet unterschiedliche Vertiefungsmöglichkeiten. Dadurch lässt sich der Einsatz dieser Lerneinheit sowohl dem Vorwissen und den Bedürfnissen der Schülerinnen und Schüler als auch den Anforderungen der Lehrpläne optimal anpassen.

Inhalte und Ziele
In dieser Lerneinheit werden die Schülerinnen und Schüler gezielt angeleitet, sich die elementaren Konzepte der Quantentheorie aus beobachtbaren Erscheinungen durch eigenes Nachdenken selbst zu erschliessen. Andererseits werden die bis heute unverstandenen Aspekte dieser Theorie ganz klar dargelegt und diskutiert, damit angehende Studentinnen und Studenten genau wissen, woran in dieser Disziplin heute geforscht wird und welchen Herausforderungen sie sich allenfalls stellen müssen.

Die Themen der einzelnen Sequenzen:

1. Die Eigenschaften des Lichtes
Lektion 1: Reflexion und Brechung
Lektion 2: Interferenzerscheinungen
Lektion 3: Fotoelektrischer Effekt
2. Die Eigenschaften der Materie
Lektion 4: Atommodelle
Lektion 5: Spektrallinien
Lektion 6: Die Wellennatur der Materie
3. Eigenschaften von Quantenobjekten
Lektion 7: Unbestimmtheit
Lektion 8: Superposition
Lektion 9: Verschränkung
4. Die Grundlagen der Quanteninformatik
Lektion 10: Vom klassischen Bit zum Qubit
Lektion 11: Einfache Schaltkreise
Lektion 12: Kryptografie und Teleportation

Angebote
Vorträge und Präsentationen zu aktuellen Themen der modernen Lehr- und Lernforschung sowie Diskussion der Unterrichtsmaterialien und Übungen zur Anwendung und Vertiefung. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer erhalten umfangreiches, sorgfältig ausgearbeitetes und sofort einsetzbares Unterrichtsmaterial.

 

 

Informationen zum Kurs (im HS 2015)

  • Zielpublikum: Maturitätsschullehrpersonen für Physik
  • Teilnehmerzahl: 5-10 Personen
  • Kursort: ETH Zürich, MINT-Lernzentrum, Clausiusstrasse 59, 8092 Zürich
  • Kosten: Auf Anfrage
  • Nächster Termin: 11. und 12. Dezember 2015
  • Anmeldung:    -bis 27.11.2015 an schumacher@ifv.gess.ethz.ch
  • Weitere Informationen unter http://www.educ.ethz.ch/mint/fort

 

 

Veranstaltungsort und zeitlicher Ablauf der Fortbildungen

Die Fortbildungen finden an der ETH Zürich statt. Sie sind so aufgebaut, dass am Freitag von 14 bis 17 Uhr von Dr. Ralph Schumacher eine Einführung in die moderne Lehr- und Lernforschung präsentiert wird.

Im Mittelpunkt stehen dabei Lernformen, die sich in empirischen Untersuchungen als besonders lernwirksam erwiesen haben. Am Samstag werden von 9 bis 16 Uhr die Unterrichtseinheiten im Einzelnen vorgestellt sowie Experimente und Übungen durchgeführt.

Zu jeder Fortbildung gehört zudem Folgendes:

  • ein zusätzlicher Termin zur Vertiefung bzw. zur Besprechung von Fragen zur praktischen Umsetzung (4 Stunden)
  • ein unterrichtsbegleitendes Coaching (4 Termine zu jeweils 2 Stunden)

 

Die oben erwähnten Vor- und Nachtests sowie die Lernsoftware werden darüber hinaus nicht nur der Lehrperson, die an der Fortbildung teilnimmt, sondern auch den übrigen Lehrpersonen der jeweiligen Fachschaft zur Verfügung gestellt.

Die Fortbildungen sind kostenpflichtig.

Beispiele zum Download

Testfragen, kognitiv aktivierende Einstiege in die Lektion, Arbeitsblätter, Selbsterklärungsaufträge und metakognitives Training:

 

 

 

 

 

 

Termine im Herbstsemester 2015:

  • Grundkonzepte der Mechanik:
  • Energieformen in der Mechanik:
  • Energie in der Thermodynamik:
  • Schallausbreitung:
  • Das Fliessverhalten unserer Flüsse:
  • Vom Doppelspalt zum Quantencomputer:

13. und 14. November

13. und 14. November

23. und 24. Oktober

Auf Anfrage

23. und 24. Oktober

11. und 12. Dezember

Anmeldung und weitere Informationen

Dr. Ralph Schumacher
ETH Zürich
MINT-Lernzentrum
Clausiusstrasse 59
8092 Zürich

Homepage und E-Mail Adresse: Dr. Ralph Schumacher

 

Herzlich Willkommen