Hintergründe

Handtücher und Lappen nicht vergessen! 

Einheitswürfel zu verschiedenen Materialien können in der Lernwerkstatt Physik gegen ein Pfand ausgeliehen werden. (Ähnliche Würfel gibt es inzwischen auch im Lehrmittelhandel.)

Um die Gewichts- bzw. Volumenmessungen durchführen zu können, werden entsprechende Messgeräte benötigt.

Es ist eine Waage erforderlich, da einige Versuche mit Gegenständen gleichen Gewichts bezüglich der Schwimmeigenschaften verglichen werden sollen. Auf das subjektive Gefühl ist kein Verlass. Für manche Personen fühlt sich ein beispielsweise 100g schweres Metallstück aufgrund des geringeren Volumens schwerer an, als ein 100g schweres Stück aus Knete. Dazu müssen die jeweiligen Gegenstände allerdings auch sehr exakt gleich viel wiegen. Alternativ zur Messung mit der Waage kann man auch einen Blindversuch durchführen lassen, bei dem die Gegenstände an Fäden hängend blind (d.h. mit geschlossenen Augen oder hinter einem Karton) verglichen werden sollen.

Um die Wasserverdrängung gut beobachten zu können, sollte der Querschnitt des Behälters, in dem die Gegenstände getestet werden, möglichst klein sein, sowie auf die Testgegenstände angepasst sein (siehe auch didaktischer Hintergrund). Eine ml-Skala ermöglicht erst ein genaues quantitatives Messen. (Link zu Folien?)

Vorsicht Falle:

Häufig findet man die Aussage, dass bei einem schwimmenden Körper die Auftriebskraft größer sei als die Schwerkraft oder dass die Auftriebskraft überwiege. Dies ist fachlich falsch. Im schwimmenden Zustand sind Auftriebskraft und Schwerkraft genau gleich groß. Wäre dies nicht der Fall, würde der Körper eine Kraft nach oben erfahren und er müsste in diese Richtung beschleunigt werden. Näheres finden Sie hier: (Link: zum Fachlichen Hintergrund Auftrieb).

Das Thema Schwimmen und Sinken begegnet den Kindern häufig im alltäglichen Leben. So bringen Kinder aus diesen Erfahrungen häufig bereits das Vorwissen mit, dass Holz schwimmt und Metall sinkt.

Das physikalische Phänomen Auftrieb, welches mit dem Thema Schwimmen und Sinken zusammenhängt, ist für viele weitere Naturphänomene grundlegend. Die zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten gelten auch für Gase, so sind viele Wetterphänomene ohne das Verständnis des Auftriebs von wärmeren Luftmassen (und damit Luft von geringerer Dichte) nicht wirklich zu verstehen.

Experimentelles Arbeiten im Unterricht bietet die Möglichkeit, im Unterricht fachmethodische Kompetenzen im Bereich der naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen anzubahnen. Damit Kinder auf längere Sicht in die Lage versetzt werden, einfache Versuche selbst zu planen, ist es wichtig immer wieder, die naturwissenschaftlichen Methoden, mit den Kindern gemeinsam zu hinterfragen und zu durchdenken, wie z.B. das Ableiten einer Frage aus einem Phänomen, das Formulieren einer Vermutung, Überlegungen zum Beobachtungsfokus, die Gestaltung fairer Experimente (die Parametervariation) oder die Dokumentation der Ergebnisse.

Jedes naturwissenschaftliche Thema sollte genutzt werden, um naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen anzubahnen. Beide Zielebenen im Blick zu behalten, den Aufbau von Fachwissen und den Aufbau naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen, stellt eine Herausforderung im Sachunterricht dar. Um den Kompetenzaufbau planen zu können, sind für die einzelnen aufgeführten Versuche, die naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen angegeben, die hier eine besondere Rolle spielen können.

Die Aufzählung unter dem Punkt „Bezüge zu naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen“ ist jedoch nicht weiter konkretisiert. So sind unter dem Punkt „Betrachten und gezielt beobachten“, sowohl kurze und stark angeleitete Beobachtungsaufträge denkbar, als auch längere Beobachtungsaufgaben, bei denen Schülerinnen und Schüler den Beobachtungsfokus reflektieren. Gemäß dem Perspektivrahmen Sachunterricht (GDSU 2013) sollen Kinder in die Lage versetzt werden, Fragen zunehmend bewusst im Experiment zu beantworten und naturwissenschaftliche Methoden gleichfalls zunehmend bewusst anzuwenden. Die Versuche sind vom fachlichen Niveau her gekennzeichnet, die verschiedenen Niveaustufen des Kompetenzaufbaus, wurden demgegenüber jedoch nicht angegeben. Der Kompetenzaufbau ist insofern berücksichtigt, als bei den aufgeführten Versuchen, die Anforderungen bezogen auf die naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen steigen, je komplexer inhaltlich gearbeitet wird.

So können die aufgeführten Versuche genutzt werden, im Unterricht zunehmend sachbezogene Merkmale für eine vergleichende Beobachtung zu nutzen als auch eine zunehmende Anzahl von Merkmalen in den Beobachtungsfokus zu nehmen. Es sind Versuche (Untersuchungen) mit einfachen Beobachtungen (schwimmt/sinkt), als auch solche, bei denen Eintauchtiefe, Verdrängung oder Auftrieb vergleichend sowohl zuerst qualitativ als auch später ggf. quantitativ vergleichend beobachtet werden können. Während für die inhaltlich einfacheren Versuche die Dokumentation sehr einfach gehalten werden kann, erfordert eine Messreihe naturgemäß eine umfassendere Dokumentation z.B. in einer Tabelle. Inhalt als auch Methoden können zunehmend komplexer bearbeitet werden.

Eine der vier auf die naturwissenschaftliche Perspektive bezogenen Denk-, Arbeits-, und Handlungsweisen ist: „Naturphänomene auf Regelhaftigkeiten zurückzuführen“ Mit der je …., desto … Beziehung wird ein grundschulgerechtes Sprachmuster für eine  Regelhaftigkeit angeboten. Hierauf wird bei den verschiedenen Versuchen, bei denen dieses Sprachmuster auch einen inhaltlichen Lernzuwachs verspricht, hingewiesen.

Aufgrund der Komplexität des Themas „Schwimmen und Sinken“ sollte das Thema bei der Vorbereitung des Unterrichts gut strukturiert werden (siehe oben). In den Versuchen ist das Material bereits so strukturiert, dass die Parametervariation berücksichtigt ist, es wird jeweils nur das Volumen oder nur das Gewicht variiert. Überlegungen, dazu, warum es notwendig ist, nur einen Einflussfaktor (eine Variable) zu verändern und die anderen konstant zu halten, können gemeinsam mit den Kindern im Nachhinein angestellt werden. So könnte man nach der Erkundung der Zusammenhänge überlegen, ob die gewonnenen Erkenntnisse auch mit Experimentiermaterial möglich gewesen wäre, bei dem die Gegenstände sich nicht nur in einer Größe unterscheiden.

Bei der Untersuchung von Zusammenhängen immer nur eine Größe zu verändern und andere Einflussfaktoren (möglichst) konstant zu halten, ist beim wissenschaftlichen Vorgehen äußerst wichtig. (Man spricht in diesem Zusammenhang von der Variablen-Kontrollstrategie.) Mit dem Wissen, dass Variablen wie Farbe oder Oberflächenstruktur des Gegenstandes keinen Einfluss auf die Schwimmfähigkeit haben, können diese Größen bei den Versuchen außer Acht gelassen werden. Für kindliche Forscherfragen kann es wichtig sein, gezielt auch diese Parameter zu variieren, wenn eine Vermutung, (z.B. die Oberflächenstruktur könnte einen Einfluss haben) im Experiment bestätigt oder verworfen werden soll. Je nach Präkonzepten der Kinder können Vermutungen und Fragen dieser Art eine Rolle spielen. Daher ist es wichtig, alle denkbaren Variablen im Blick zu haben, auch wenn bei den aufgeführten Versuchen gezielt nur zwei Parameter variiert werden. Wissenschaftler können das Ergebnis eines Experimentes nicht kennen (in dem Punkt geht es ihnen wie den Kindern). Sie müssen ein Experiment so planen, dass das Ergebnis möglichst eindeutig ist. Dazu gehört auch, zu klären, welche Größen einen Einfluss haben könnten und zu entscheiden, welche Größen gleich gehalten werden sollen und welche Größe verändert wird, also die Parameter gezielt zu variieren. An einzelnen Versuchen sollen Kinder im Sachunterricht exemplarisch immer wieder über Entscheidungen dieser Art nachdenken, um die besondere Methode der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung zu erlernen.

Es gibt jedoch eine Reihe anderer naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen, die in der Primarstufe gelernt werden müssen, bevor die gezielte Variation von Parametern durchdrungen werden kann. Das Thema Schwimmen und Sinken bietet Möglichkeiten für jede Altersstufe in der Grundschule, als auch für die Differenzierung innerhalb der Klasse.

Es gibt jedoch eine Reihe anderer naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen, die in der Primarstufe gelernt werden müssen, bevor die Bedeutung der Parametervariation durchdrungen werden kann. Das Thema Schwimmen und Sinken bietet Möglichkeiten für jede Altersstufe in der Grundschule, als auch für die Differenzierung innerhalb der Klasse.

Für Grundschüler und Grundschülerinnen ist die Dichte als Quotient aus Masse und Volumen eine schwer erfassbare Größe

Wenn herausgearbeitet wird, dass Gewicht und Volumenwichtige Eigenschaften eines Gegenstandes sind, die die Schwimmfähigkeit bestimmen, ist eine wesentliche Erkenntnis gewonnen. (Im späteren Physikunterricht spielt die Unterscheidung des Begriffs Masse von dem Alltagsbegriff „Gewicht“ eine wichtige Rolle. In der Grundschule wäre diese Unterscheidung verfrüht.)

Die Dichte beschreibt eine Materialeigenschaft, die die Schwimmfähigkeit bestimmt. Als Zwischenkonzept kann in der Grundschule anstelle der Dichte auch vom Gewicht des Materials gesprochen werden, das wiederum über das Gewicht eines Einheitswürfels konkretisiert und anschaulich gemacht werden kann.

Für die Frage „Warum schwimmt ein Schiff“ reicht das Verständnis der Schwimmfähigkeit als Materialeigenschaft jedoch nicht aus. Zur Klärung der Frage, warum ein Schiff aus Metall schwimmt, während ein Quader aus Metall sinkt, ist es erforderlich über die Konzepte zur Schwimmfähigkeit von Material hinaus zu denken. Dabei helfen Versuche, Beobachtungen und Überlegungen weiter, welche die Wasserverdrängung und den Auftrieb berücksichtigen.

Eine Besonderheit beim Thema Schwimmen und Sinken ist, dass auch anspruchsvollere naturwissenschaftliche Arbeitsweisen geübt werden können, da mit recht einfachen Mitteln z.B. das verdrängte Volumen gemessen und verglichen werden kann. Beim Arbeiten mit Wasser als Flüssigkeit kommt die Tastsache hinzu, dass die Dichte von ca. 1 g/cm³ das Erkennen und Nachmessen des Archimedischen Prinzips begünstigt (siehe auch fachlicher Hintergrund Auftrieb). Mit entsprechenden Materialien kann im ganzzahligen Zahlenraum bis hundert bzw. bis 1000 gemessen und gerechnet werden, um dem Archimedischen Prinzip auf die Spur zu kommen.

Wichtig ist es, das komplexe Thema im Unterricht gut zu strukturieren. Wenn beide Themenaspekte (Schwimmfähigkeit von Material und Schwimmfähigkeit von Schiffen) bearbeitet werden, sollte klar werden, unter welchen Bedingungen die verschiedenen Erklärungsmuster gelten.

Bei der Untersuchung der Schwimmfähigkeit von Material sind die Zusammenhänge für Schülerinnen und Schüler leichter zu durchschauen, wenn der Fokus auf einem Parameter, entweder dem Gewicht oder dem Volumen liegt und der andere Parameter bei der Auswahl der Gegenstände jeweils konstant gehalten wird. Auf diese Weise kann auch ein Verständnis der systematischen Parametervariation (siehe Link Zum Aufbau naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen) angebahnt werden (vgl. Perspektivrahmen Sachunterricht). Unter den Versuchsvorschlägen finden sich entsprechend Versuche, bei denen entweder das Gewicht oder das Volumen von Gegenständen gleich gehalten wird. (Ggfls. hierzu Link Zum Aufbau naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen)

Bei der weiteren Untersuchung des Auftriebs ist die Beobachtung der Wasserverdrängung für das Verständnis wesentlich. Die Behälter, in denen die Schwimmfähigkeit getestet werden soll, müssen deshalb gut ausgewählt werden. Der Querschnitt des Behälters sollte möglichst klein sein, damit der Anstieg des Wasserspiegels gut zu beobachten ist, und muss auf die jeweiligen Testgegenstände angepasst sein.

Die Wasserverdrängung eines Gegenstands lässt sich nicht allgemein angeben, da die Verdrängung von der Lage im Wasser abhängt: Schwimmende Gegenstände z.B. verdrängen mehr Wasser, wenn sie untergetaucht sind, als wenn sie schwimmen. Beim Unterpunkt Verdrängung (Link) sind Möglichkeiten der Strukturierung über die Materialauswahl aufgezeigt.

Zur Begegnung verbreiteter Alltagsvorstellungen, die aus physikalischer Sicht wenig tragfähig sind und daher im Unterricht verändert werden sollten, finden sich hier (Link Versuche Schülervorstellungen) weitere Versuche.

Viele Menschen denken intuitiv, dass das Gewicht eines Gegenstandes darüber entscheidet, ob der Gegenstand in Wasser schwimmt oder untergeht. Tatsächlich ist es aber nicht das Gewicht, denn z.B. schwimmt ein schwerer Baumstamm, während eine leichte Stecknadel untergeht.

Für Gegenstände, die ganz in Wasser eintauchen wie der Baumstamm oder die Stecknadel, lässt sich eine einfache Regel formulieren: Ist die Dichte des Materials geringer als die Dichte des Wassers, dann steigt der Gegenstand an die Wasseroberfläche. Ist die Dichte größer, dann sinkt der Gegenstand zu Boden. Die Dichte bezeichnet das Verhältnis von Masse (das, was man im Alltag mit Gewicht bezeichnet) und Volumen eines Körpers, eine übliche Einheit ist g/cm³. (Für andere Flüssigkeiten mit anderer Dichte verhält es sich entsprechend.)

Setzt man ein Spielzeugboot aus Metall auf das Wasser, kann das Boot trotz der höheren Dichte schwimmen. Würde man das Boot aber vollständig untertauchen, würde das Boot auf den Boden sinken.  In diesem Fall hängt die Schwimmfähigkeit nicht (wie beim Baumstamm oder der Stecknadel) von der Schwimmfähigkeit des Materials ab, sondern die Form kommt als entscheidender Einflussfaktor hinzu.

Weitere fachliche Informationen zur Frage „Warum schwimmt ein Schiff?“ sind beim Unterpunkt Auftrieb zu finden.

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