Demonstrationsversuch oder Schülerexperiment

Die erste Entscheidung in der Unterrichtsvorbereitung Physik betrifft die Versuchsform, nicht das Thema. Ein Demonstrationsversuch zeigt ein Phänomen einmal, kontrolliert und mit sauberem Messwert; ein Schülerexperiment lässt die Klasse selbst messen und produziert dabei zwangsläufig streuende Werte. Beide haben ihren Ort: Der Demonstrationsversuch trägt, wenn die Geräte teuer, gefährlich oder selten sind, das Schülerexperiment trägt, wenn der eigene Umgang mit Messgeräten selbst zum Lernziel gehört.

Für die Zeitplanung macht diese Entscheidung den größten Unterschied. Ein Demonstrationsversuch mit vorbereitetem Aufbau kostet in der Stunde selten mehr als 8 bis 10 Minuten für Durchführung und Beobachtung. Ein Schülerexperiment mit sechs Gruppen kostet dagegen 20 bis 25 Minuten allein für Aufbau, Messung und Abbau, selbst wenn die Anleitung eindeutig ist — Rückfragen zur Gerätehandhabung ziehen sich unabhängig vom Thema.

Bei Reihen und Parallelschaltung — dem Gegenstand von Reihen- und Parallelschaltung, Stromkreise verstehen — bewährt sich für eine Einführungsstunde der Demonstrationsversuch mit anschließender kurzer Schülerübung an nur einer der beiden Schaltungen, statt beide Schaltungen in einer Stunde von der Klasse selbst aufbauen zu lassen. Der Beitrag zur Vorbereitung von Reihen- und Parallelschaltung rechnet diesen Zeitbedarf für eine Doppelstunde konkret durch.

Sammlungsausstattung und Ersatzlösungen

Die physikalische Sammlung ist selten vollständig, und die Unterrichtsvorbereitung schließt deshalb eine Bestandsprüfung ein: Sind genug Netzgeräte, Multimeter und Kabel für die geplante Gruppengröße vorhanden, und funktionieren sie noch. Ein defektes Amperemeter fällt oft erst beim Aufbau auf, nicht bei der Planung — weshalb ein kurzer Funktionstest am Vortag Zeit spart, die sonst mitten in der Stunde verloren geht.

Für jeden Schülerversuch lohnt sich eine benannte Ersatzlösung, falls Geräte fehlen oder ausfallen: eine Gruppe weniger mit doppelter Besetzung, ein Tauschgerät aus der Nachbarsammlung, oder im Notfall die Umstellung auf einen Demonstrationsversuch mit der Klasse als Beobachterin. Diese Entscheidung im Kopf zu haben, bevor die Stunde beginnt, verhindert eine Unterbrechung, die mehr Zeit kostet als der Versuch selbst.

Bei Schwingungen und Wellen — dem Thema von Schwingungen und Wellen, Unterrichtsreihe SEK II Physik — ist die Sammlungsausstattung oft der limitierende Faktor, weil Federpendel und Wellenwannen in begrenzter Zahl vorhanden sind. Der Beitrag zur Vorbereitung von Schwingungen und Wellen beschreibt, wie sich eine Klasse mit vier statt acht vorhandenen Federpendeln trotzdem in Gruppenarbeit organisieren lässt, ohne dass die Hälfte der Klasse nur zusieht.

Messunsicherheit vorab einplanen

Messunsicherheit ist kein Fehler, sondern Teil des Ergebnisses, und diese Haltung sollte vor der Messung angekündigt werden, nicht danach als Entschuldigung für abweichende Werte. In der Sekundarstufe I reicht dafür eine qualitative Ankündigung: Die gemessene Zeit oder Länge wird nie exakt mit dem Tafelwert übereinstimmen, und eine Abweichung von 5 bis 10 Prozent ist bei einfachen Aufbauten normal, keine falsche Messung.

Ab der Sekundarstufe II wird die Messunsicherheit selbst zum Gegenstand: eine Fehlerabschätzung, die angibt, woher die Abweichung stammt — Reaktionszeit beim Stoppen, Ablesegenauigkeit am Lineal, Schwankung der Netzspannung. Diese Zuordnung braucht in der Vorbereitung eine eigene Überlegung, welche Fehlerquelle bei diesem speziellen Aufbau tatsächlich dominiert, statt eine allgemeine Floskel zu verwenden.

Für die Vorbereitung lohnt sich eine kurze Notiz zu jedem Versuch: welche Fehlerquelle vermutlich am stärksten wirkt und in welcher Größenordnung sie die Messwerte verschiebt. Diese Notiz muss nicht in die Anleitung für die Klasse übernommen werden, hilft aber, auf Rückfragen vorbereitet zu sein, wenn ein Messwert deutlich von der Erwartung abweicht und die Klasse nach dem Grund fragt.

Bei Versuchen zum freien Fall — dem Gegenstand von Freier Fall, Waagerechter Wurf und Geschwindigkeit — dominiert meist die Reaktionszeit beim manuellen Stoppen, was Abweichungen von 10 bis 15 Prozent erklärt, bevor überhaupt der Luftwiderstand eine Rolle spielt. Wer diese Größenordnung vorab kennt, kann sie der Klasse als Erwartungswert nennen und vermeidet die Situation, dass ein plausibler Messwert als Fehler der Schülerin gedeutet wird.

Mathematisierungsgrad je Stufe

Der Grad der Mathematisierung ist die Stellschraube, an der eine Physikstunde am häufigsten zu hoch oder zu niedrig angesetzt wird. In der Unterstufe trägt eine qualitative Beschreibung — schneller, langsamer, stärker — weiter als eine verfrühte Formel, die auswendig gelernt, aber nicht verstanden wird. Der Übergang zur Formel gehört an den Punkt, an dem die Klasse den Zusammenhang schon in Worten korrekt beschreiben kann.

In der Sekundarstufe I kommt die Formel als Beschreibung eines bereits verstandenen Zusammenhangs hinzu, mit einfachen Zahlenwerten, die im Kopf überschlagen werden können. Eine Aufgabe mit krummen Zahlen, die einen Taschenrechner erfordert, lenkt in dieser Phase von der physikalischen Aussage ab und prüft Rechenfertigkeit statt Verständnis.

Ab der Qualifikationsphase, etwa bei Photoeffekt und Quantenphysik — dem Gegenstand von Photoeffekt und Quantenphysik, Unterrichtsreihe Physik SEK II — wird die Formel selbst zum Erkenntnismittel, weil sich am Rechenweg zeigt, welche Größe unabhängig von welcher anderen ist. Hier lohnt sich in der Vorbereitung, die Rechnung einmal selbst durchzuführen, bevor sie der Klasse vorgelegt wird — nicht um das Ergebnis zu prüfen, sondern um die Stelle zu finden, an der die Herleitung tatsächlich stockt.

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Demonstrationsversuch gegen Schülerexperiment

Aufbauzeit realistisch einplanen

Die Aufbauzeit eines Versuchs wird in Anleitungen fast immer optimistisch angegeben, weil sie für eine bereits geübte Lehrkraft im eigenen Fachraum gilt. Für den ersten Durchlauf eines neuen Versuchs sollte die doppelte angegebene Zeit eingeplant werden — nicht in der Stunde selbst, sondern als eigener Testaufbau am Vortag, bei dem Fehlerquellen im Kabelweg oder in der Gerätereihenfolge auffallen, bevor die Klasse zuschaut.

Bei mobilen Aufbauten, die zwischen Fachräumen transportiert werden, kommt eine zusätzliche Zeitspanne für Transport und erneuten Aufbau hinzu, die in der Randstundenplanung leicht übersehen wird. Ein Versuch, der im Vorbereitungsraum in 10 Minuten steht, kann im Klassenraum durch fehlende Steckdosen oder einen anderen Tischabstand 20 Minuten brauchen.

Für Hebelgesetz und Flaschenzug lohnt sich eine feste Aufbaureihenfolge, die einmal notiert und dann wiederverwendet wird: erst die Befestigung, dann die Gewichte, zuletzt die Messskala. Diese Reihenfolge einzuhalten kostet beim ersten Mal Zeit, spart sie aber bei jeder folgenden Verwendung desselben Aufbaus, weil kein Schritt neu überlegt werden muss. Der Beitrag zur ersten Doppelstunde zu Hebelgesetz und Flaschenzug beschreibt genau diese Aufbaureihenfolge für den Einstieg in das Thema und rechnet vor, wie viel Zeit für Aufbau, Messung und Auswertung realistisch bleibt, wenn der Aufbau zum ersten Mal in dieser Klasse steht.

Auch bei wiederkehrenden Aufbauten lohnt eine kurze schriftliche Checkliste, die nach der ersten Durchführung ergänzt wird: welche Schraube sich lockert, welches Kabel zu kurz ist, welche Reihenfolge sich als unpraktisch erwiesen hat. Diese Liste wächst über die Jahre und ersetzt irgendwann die vollständige Neuplanung des Aufbaus, weil die entscheidenden Stolperstellen bereits bekannt sind. Sie lässt sich zudem an eine Kollegin weitergeben, die denselben Versuch zum ersten Mal aufbaut, und spart dieser den Weg über die eigenen Fehlversuche.

Fachfremd unterrichten und kurzfristig übernehmen

Wer eine Physikstunde fachfremd übernimmt, sollte auf Schülerexperimente mit unbekannten Geräten verzichten und stattdessen auf einen einfachen Demonstrationsversuch mit vorhersehbarem Ausgang setzen — einen, den Sie selbst vorab einmal durchgeführt haben und dessen Ergebnis Sie kennen. Der Ehrgeiz, ein neues Schülerexperiment einzuführen, ohne die Geräte selbst schon bedient zu haben, führt regelmäßig zu Verzögerungen, die die gesamte Stunde durcheinanderbringen.

Beim Radioaktiven Zerfall — einem Thema, das fachfremd besonders häufig unterrichtet wird — liegt die größte Hürde nicht im Experiment, sondern in der sicheren Einordnung von Größenordnungen und Halbwertszeiten. Der Beitrag zur fachfremden Vorbereitung von Radioaktivem Zerfall beschreibt, wie sich diese Einordnung über ein vorbereitetes Tafelbild absichern lässt, statt sie frei vorzutragen. Ein solches Tafelbild lässt sich einmal sorgfältig vorbereiten und dann für mehrere Klassen unverändert wiederverwenden, was den Vorbereitungsaufwand über das Schuljahr erheblich senkt.

Für eine kurzfristig zu übernehmende Stunde zur Atomphysik — Strahlung und Linienspektren — reicht ein Abend Vorbereitung, wenn der Versuch entfällt und stattdessen ein Spektrumsbild ausgewertet wird. Der Beitrag zur Vorbereitung von Atomphysik an einem Abend beschreibt diesen reduzierten, aber tragfähigen Zuschnitt für die kurzfristige Übernahme.

Arbeitsteilung in der Fachschaft

Physikstunden mit aufwendigem Aufbau lohnen sich für eine Arbeitsteilung in der Fachschaft, bei der eine Kollegin den Aufbau einmal dokumentiert und dieses Protokoll allen Parallelklassen zur Verfügung stellt. Ein Aufbaufoto mit Kabelweg und Geräteliste erspart jeder folgenden Lehrkraft den eigenen Testaufbau und reduziert die Vorbereitungszeit auf das Lesen des Protokolls.

Bei Quantenphysik — einem Thema mit hohem Abstraktionsgrad und wenig experimentellem Anteil — trägt die Arbeitsteilung eher auf der Ebene der Erklärungsansätze: Welche Analogie funktioniert in der Klasse, welche führt zu Fehlvorstellungen. Der Beitrag zur Arbeitsteilung bei Quantenphysik in der Fachschaft beschreibt, wie eine Fachschaft eine gemeinsame Sammlung bewährter Erklärungsansätze aufbaut, die über die Jahre wächst.

Diese Form der Arbeitsteilung setzt voraus, dass die Dokumentation knapp bleibt — eine halbe Seite mit den entscheidenden Stolperstellen ist brauchbarer als ein vollständiger Stundenentwurf, den die übernehmende Lehrkraft ohnehin an die eigene Klasse anpassen muss. Auch eine kurze mündliche Absprache in der Fachschaftssitzung leistet oft mehr als ein ausführliches Protokoll, solange sie tatsächlich stattfindet und nicht auf spätere Gelegenheit verschoben wird, die dann selten kommt.

Fertiges Material in 20 Minuten prüfen

Fertiges Material spart Zeit nur, wenn die Prüfung nicht entfällt. Vier Fragen genügen: Ist der Versuchsaufbau mit der eigenen Sammlungsausstattung durchführbar? Ist die angegebene Messunsicherheit realistisch für die eigene Ausstattung? Passt der Mathematisierungsgrad zur Stufe? Und ist die angegebene Aufbauzeit für einen ersten Durchlauf oder für einen geübten Aufbau kalkuliert.

Die vierte Frage ist die, an der viele frei verfügbare Materialien scheitern, weil sie mit eingespielten Aufbauten kalkuliert wurden und die Zeit für den ersten Durchlauf nicht mitliefern. Bei einem Material zu Elektrischen und Magnetischen Feldern etwa lohnt sich der Blick, ob ein Testaufbau vorab empfohlen wird oder ob die Anleitung suggeriert, der Aufbau gelinge beim ersten Versuch reibungslos.

Für Themen mit hohem Materialbedarf lohnt der Blick in eine sortierte Sammlung mehr als die Einzelsuche; die Physik-Reihen im Katalog für Sek I und Sek II sind nach Themenblock und Stufe geordnet, sodass Versuchsaufbau, Sicherheitshinweise und Zeitbedarf bereits zusammen vorliegen. Ministeriell geprüft ist keines dieser Materialien — die Passung zu den Vorgaben Ihres Landes und die Verfügbarkeit der benötigten Geräte prüfen Sie beim Sichten selbst mit. Gerade bei Versuchen mit besonderem Gerätebedarf lohnt sich diese Prüfung vor der Stunde und nicht erst am Stundentag, wenn ein fehlendes Bauteil nicht mehr kurzfristig zu beschaffen ist.

Wie sich einzelne Physikstunden zu einer Reihe über mehrere Wochen ordnen lassen — Begriffe schrittweise aufbauen, qualitativ vor quantitativ —, behandelt die Seite zur Unterrichtsreihe Physik. Der Kopf-Pillar zu Material, Zeitbedarf und Stundenaufbau beschreibt die Grundlagen der Einzelstundenplanung fachunabhängig.

Bausteine einer vorbereiteten Physikstunde

• Die Versuchsform wird vor dem Thema entschieden: Demonstrations- oder Schülerexperiment.
• Ein Ersatzaufbau steht bereit, falls Geräte fehlen oder ausfallen.
• Messunsicherheit wird vor der Messung angekündigt, nicht danach als Entschuldigung nachgereicht.
• Der Mathematisierungsgrad folgt der Stufe: qualitativ zuerst, Formel erst nach verstandenem Zusammenhang.
• Für den ersten Durchlauf eines neuen Versuchs wird die doppelte angegebene Aufbauzeit eingeplant.
• Bei fachfremder Übernahme wird auf unbekannte Schülerexperimente verzichtet, ein bekannter Demonstrationsversuch bevorzugt.
• Aufwendige Aufbauten werden in der Fachschaft dokumentiert und für Parallelklassen wiederverwendet.
• Fertiges Material wird auf Sammlungsausstattung, Messunsicherheit, Mathematisierungsgrad und Aufbauzeit geprüft.

Häufige Fragen