MINT Fächer und die Anschaulichkeit für Schülerinnen und Schüler

Im Rückblick auf ein aus der Sicht unserer Schüler erfolgreiches ABACUS–Nachhilfe Jahr, sollte ursprünglich mein Beitrag dazu dienen, noch einmal das „Hohe Lied“ der Analysis anzustimmen. Natürlich zur Motivation speziell der E bis Q2 Schülerinnen und Schüler.
Im Sinne der Fragestellung: „Wozu lernen wir das eigentlich alles?“ wollte ich aufzeigen, wie unverzichtbar die Integralrechnung in der Praxis der Messtechnik beim Aufzeichnen der Mittelwerte von Wechsel- und Gleichgrößen ist. Parallel zu dieser Absicht wurde dann meine Aufmerksamkeit durch die Veröffentlichung der Ergebnisse aus der neuesten PISA-Studie sowie die zahlreichen Kommentare hierzu in der Presse in Anspruch genommen.

Diese Neuauflage ist dem Schwerpunkt „MINT-Fächer„, im besonderen der Mathematik, gewidmet. Das Hamburger Abendblatt vom 04.12.2013 titelte im Politikteil „Die Schwachen holen auf“ und führte aus, dass sich die deutschen Teilnehmer im internationalen Vergleich seit 2003 deutlich verbessert haben. So kann man es wohlwollend interpretieren und dieses war gewiss ein positives Signal zum Jahresbeginn 2014.

Aber einen erheblichen Wermutstropfen enthält die Botschaft dennoch: Die Mädchen haben gegenüber den Jungen deutlich schlechter abgeschnitten: „Alle Bemühungen, Mädchen für die so genannten MINT-Fächer zu begeistern, haben bisher offensichtlich nicht gefruchtet“ (Zitat).

Auch die Kommentare der Wirtschaft zeigen, dass die verschiedenen Verbände nach wie vor besorgt sind um die Rekrutierung des erforderlichen Nachwuchses: „Wir brauchen mehr Begeisterung für Mathematik, gerade auch bei Mädchen und jungen Frauen, die wir für die technischen Berufe gewinnen wollen“ konstatiert Gesamtmetall in der gleichen Ausgabe. An anderer Stelle findet man verschiedene Deutungsversuche hierzu, die man natürlich mit Vorsicht genießen muss. Ein Ansatzpunkt sei die bei MINT-Fächern häufig „fehlende Anschaulichkeit“ der Phänomene, die es zu erlernen gilt.

Damit korreliert die Äußerung einer ABACUS-Schülerin zum Thema Mathematik und Physik: „Mein Problem ist, dass ich mir das in der Schule alles nicht vorstellen kann.“

Hier scheint es in der Anschaulichkeit noch Potenzial nach oben zu geben. Die bekannte Hattie-Studie nennt ja unter den Maßnahmen, die bei der Verbesserung der Lehr- und Lernergebnisse „richtig“ wirksam sind: „Quality of teaching“ unter anderem im Verbund mit „Providing feedback„.

Dazu gehören aus meiner Sicht sehr vordergründig die vom Lehrer klare Herausstellung des Anwendungsbezuges (Warum ist das Teil meiner Schulausbildung?) und die Stärkung der Vorstellungskraft durch möglichst anschauliche Darstellung des zu vermittelnden Stoffes (Wie kann ich die Auswirkungen z. B. dieses physikalischen Sachverhaltes mit meinen Sinnen wahrnehmen?).

Es ist sicher nicht zu leugnen, dass es Bereiche zum Beispiel in der Physik gibt, die das Vorstellungsvermögen einer Schülerin bzw. eines Schülers mehr strapazieren als andere. Anders als in der Mechanik, wo uns die Basisgrößen – wie Länge, Masse und Zeit – mit ihren Einheiten m, kg und s sowie auch deren Auswirkungen etwa in Form von Kraft, Geschwindigkeit und Beschleunigung aus der Wahrnehmung heraus unmittelbar zugänglich sind, verhält es sich beispielsweise in der Elektrophysik.

Größen wie der elektrische Strom, die Spannung oder auch die magnetische Induktion mit ihren Einheiten sind im strengen Sinne des Wortes nicht anschaulich. Aber man kann ihr Vorhandensein mit Hilfe ihrer Folgewirkungen sehr wohl anschaulich machen. Bestens geeignet ist hier ein Elektromotor, der als Begriff allgemein bekannt (siehe z. B. E-Mobil) und im Physiklabor einer Schule zum hier beabsichtigten Zwecke verfügbar sein sollte.

Wenn wir im Experiment zunächst das Erregerfeld des Motors einschalten, sehen wir keine Veränderung: Das magnetische Feld, das sich im Eisenkern des Erregerpoles und im Luftspalt zwischen dem Läufer und dem Ständer des Motors in radialer Richtung ausbildet, schließt sich über das Eisenpaket des Ständers und ist mit den Augen nicht sichtbar. Legen wir dann die Ankerwicklung des Motors an eine Spannungsquelle, so beginnt in den Leitern der Ankerwicklung ein Strom zu fließen. Auch dieser Stromfluss ist nicht sichtbar. Aber wir nehmen mit aller Deutlichkeit wahr, dass der Läufer des Motors beginnt zu drehen.

Das gleichzeitige Vorhandensein von Stromfluss und Magnetfeld hat die so genannte Lorentzkraft zur Folge, die in tangentialer Richtung am Läuferumfang des Motors wirkt. Diese Kraft bildet über die Länge des Läuferradius als Hebelarm das Drehmoment, das die Drehbewegung des Läufers verursacht. Wenn der Motor in diesem Experiment durch eine Arbeitsmaschine belastet ist, dann wird das Vorhandensein des Stromflusses zusätzlich durch einen anderen Effekt veranschaulicht: Das Ständergehäuse erwärmt sich mehr oder weniger kräftig, man kann sich durchaus die „Pfoten“ daran verbrennen.

Wärmeerzeugung, ob gewollt zum Beispiel beim Braten der Weihnachtsgans im Backofen oder ungewollt als Stromwärmeverluste wie beim Motor zuvor, ist also auch ein Anzeichen für Stromfluss und dient der Anschaulichkeit. Das Vorhandensein des Magnetflusses kann unter Bedingungen, die hier nicht näher erläutert werden können, aber im Rahmen des Physikunterrichtes durchaus erklärbar sind, mit Geräuschen (Körper- und Luftschall) verbunden, also mit den Ohren wahrnehmbar sein.

Das Experiment mit dem Elektromotor hat zweierlei Charme: Physikalische Größen, deren Vorhandensein mit den Augen grundsätzlich nicht wahrnehmbar ist, werden durch ihre Auswirkungen veranschaulicht. Zum andern – der ABACUS Nachhilfelehrer kann es wieder nicht lassen 😉 – wird überdeutlich, warum wir das Vektorprodukt im Mathematikunterricht lernen:

Das Vektorprodukt aus dem gerichteten Stromfluss und der Induktion ergibt die Lorentzkraft, das Vektorprodukt aus Lorentzkraft und Hebelarm das antreibende Drehmoment.

Vielleicht kommen wir im Neuen Jahr auf die Anwendung der Integralrechnung bei der Messtechnik zurück. Doch zunächst wünsche ich den Lesern und speziell allen internen und externen ABACUS-Partnern ein friedvolles und erfolgreiches 2014.