Woher weht der Wind?
| Autor/inn/en: | MJENR/DESCO und französische Académie des sciences / La main à la pâte |
| Publikation: | 1.10.2002 |
| Lernstufe: | 3 |
| Übersicht: |
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| Ziele: |
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| Dauer: | 4 bis 6 Unterrichtsstunden, evtl. sogar 8 |
| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Abb. 1: Wetterfahnen (C [serbisch] entspricht S = Süden)
© Vladimir Filipovic, ZUNS, Belgrad
In dieser Unterrichtseinheit wird klar, wie Naturwissenschaft (Aufbau von
Kenntnissen: hier die Stofflichkeit von Luft, die Wirkung von Kräften)
und Technologie (Anfertigung eines Gegenstands mit bestimmter Funktion und
Nützlichkeit) miteinander verbunden sind.
- Bewegte Luft stellt eine Kraft dar und kann ihrerseits bewegen.
- Man kann sich die Kraft in Maschinen zu Nutzen machen.
- Die Maschinen können Energie erzeugen (Windmühlen,
Windgeneratoren) oder auch nur die Windrichtung anzeigen (Windsack,
Wetterfahne). Der Windsack zeigt auch die Windstärke an.
Aus Gründen der Einfachheit und der pädagogischen Vermittlung (feste Rotationsachse, gedanklicher Zusammenhang mit den Himmelsrichtungen) beschränkt sich die vorliegende Unterrichtseinheit auf die Anfertigung einer Wetterfahne.
Ganz analog lässt sich im Rahmen wahlfreier Komponenten des Lehrplans zur Energie ein Windrad bauen oder ein Segelwagen...
Ergänzend gibt es zu dieser Unterrichtseinheit eine Bechreibung der Stellung dieses Themenbereichs im [französischen] Lehrplan. Da es für den deutschsprachigen Raum so viele verschiedene Lehrpläne gibt, die Lehrpläne sich aber doch in vielen Punkten ähneln, verweisen wir an dieser Stelle auf den französischen Lehrplan.
Möglicher Ablauf der Unterrichtseinheit
Die Unterrichtsstunden dieser Einheit haben nicht alle die gleiche Wichtigkeit und müssen nicht in dieser Reihenfolge bleiben; ihre zeitliche Abfolge ist keine lineare.
Der Ablauf kann auf vielerlei Weise gestaltet werden, jedoch bilden die Unterrichtsstunden 2, 3, 4, und 5 einen unumgänglichen Kern, unbeschadet möglicher Unterbrechungen und Einschübe. Es bleibt den Lehrer/innen überlassen, den Kernstunden, je nach pädagogischem Projekt und im geeigneten Moment, die ein oder andere Unterrichtsstunde hinzuzufügen. Insbesondere lässt sich die Stunde 7 ganz einfach in die Unterrichtsstunde 4 integrieren.
Beispiele für den Ablauf:
- Stunden 2, 3, 4 und 5
- Stunden 6, 2, 3, 4 und 5
- Stunden 2, 3, 7, 4 und 5
- Stunden 2, 3, 4 und 5
- Stunden 2, 3, 4, 5, 8...
N. B.: Die Unterrichtsstunde 1 gehört eher in die Lernstufe 2, aber wenn sie den anderen Stunden unmittelbar vorausgeht, gelangen die Schüler/innen in der Stunde 2 schneller zu den Themen Ausrichtung und Bezugssystem.
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Unterrichts- stunden |
Ausgangsfrage | Schülerarbeiten | Naturwissenschaftliche Herangehensweise | Angestrebte Kenntnisse und Fähigkeiten |
|---|---|---|---|---|
| Stunde 1 | Wie wirkt sich der Wind aus? | Die Schüler/innen gehen von ihren sinnlichen Wahrnehmungen aus, besinnen sich, wie und wo sich Wind bemerkbar gemacht hat und versuchen, ihre Feststellungen zu beschreiben. | Beobachtung | Naturerscheinungen von Menschenwerk unterscheiden können. |
| Stunde 2 | Welche Dinge geben die Windrichtung an? | Kurze Stunde, in der klar wird, dass der Wind Kräfte ausübt und Dinge bewegen kann. | Entwürfe von Experimenten |
Begründen können,
darstellen können |
| Stunde 3 | Welche Eigenschaften haben diese Dinge? | Die Schüler/innen prüfen alle oder einen Teil der Entwürfe aus der vorigen Stunde. | Erste Versuche. Feststellen, welche Merkmale das Ding haben wird. | Erkennen, was wichtig ist. Verstehen, dass der Wind Luft ist, die sich in Bezug auf einen Fixpunkt bewegt. |
| Stunde 4 | Wie baut man eine Wetterfahne? | Die Schüler/innen erkennen im Versuch die Rolle der Massen und Flächen beiderseits der Rotationsachse. | Erste Ausführungen | Begreifen, dass der Wind auf Gegenstände Kraft ausübt. Beobachten, dass die Wetterfahne die Windrichtung anzeigt, wenn die Flächen beiderseits der Rotationsachse sehr verschieden sind. |
| Stunde 5 | Anfertigen einer Wetterfahne | Die Schüler/innen bauen und prüfen unter Berücksichtigung der vorherigen Experimente eine Wetterfahne, die den Erwartungen entspricht. | Bau und Prüfung | Anfertigen eines technischen Geräts, das strengen Vorgaben genügt. |
| Stunde 6 | Warum möchte man herausfinden, woher der Wind weht? | Anhand von Unterlagen denken die Schüler/innen über die historische und gesellschaftliche Rolle von Konstruktionen zur Bestimmung der Windrichtung nach. Vergleich mit der Gegenwart. | Unterlagenrecherche | Im Unterlagenmaterial stichhaltige Kenntnisse suchen und finden |
| Stunde 7 | Wie kann man die Windrichtung bestimmen? |
Die Schüler/innen suchen die Windrichtung zu bestimmen (in der
Schule, bei einem Ausflug, auf einer Karte oder einem Plan).
Sie lernen den Gebrauch der Begriffe: "lokales Bezugssystem", "geographisches Bezugssystem" (Himmelsrichtung). |
Beobachtungen | Die Unterscheidung "lokales Bezugssystem" und "geographisches Bezugssystem" verstehen. Den Kompass gebrauchen können. |
| Stunde 8 | Welches sind die vorherrschenden Winde? | Die Schüler/innen protokollieren regelmäßig die Windrichtung, die die Wetterfahne anzeigt und beobachten die Veränderlichkeit der örtlichen Winde. | Beobachtungen |
Unterrichtsstunde 1. Welche Wirkungen hat der Wind?
Die Schüler/innen gehen von ihren sinnlichen Wahrnehmungen aus, besinnen sich, wie und wo sich Wind bemerkbar macht und versuchen, ihre Feststellungen zu beschreiben.
Ziele
- Erste Annäherung an die Auswirkungen des Windes in der Natur oder auf
die von Menschen geschaffenen Dinge.
- Erläuterung des Unterschiedes zwischen von Menschen geschaffenen Dingen
und solchen, die nicht von ihnen geschaffen wurden.
- Bereicherung des Wortschatzes im Zusammenhang mit den Beobachtungen.
- Sprachliche Bereicherung im Zug der sich stellenden Aufgaben (Beobachtung,
Beschreibung, Deutung, Aufsatz...).
Ausgangslage, Fragestellungen
Damit die Schüler/innen sich nicht durch allzu förmliches Fragen und
Antworten beengt fühlen, kann man das Thema wie folgt inszenieren:
"F. sagt, dass heute ein starker Wind weht. Geht nach draußen und findet
heraus, wie sich diese Behauptung beweisen lässt."
Beispiele von Antworten der Schüler/innen
Blätter, Zweige, die Haare, der nasse Finger, Staub, Erde, Sand, Rauch, "Dampf" aus Schornsteinen, ein Stück Stoff, Wäsche, die zum Trocknen aufgehängt ist, ziehende Wolken, ein Stück Papier, ein Windsack, eine Wetterfahne, ein Drachen...
Besprechung der Antworten und Erarbeiten der Fragestellung
"Welche Unterschiede bestehen zwischen all diesen Antworten, wie kann man sie
ordnen?"
Von Schüler/innen der Lernstufe 2 kann man nicht erwarten, dass sie
aus sich heraus das gewünschte Ordnungsschema finden
(natürlich/geschaffen). Es ist daher nichts dagegen einzuwenden, wenn
der/die Lehrer/in im Lauf des Gesprächs mit der ganzen Klasse drei
Kategorien hervorhebt:
- Auswirkungen des Windes auf den Körper, wahrgenommen mit Hilfe der
fünf Sinne;
- Auswirkungen des Windes auf Dinge in der Natur;
- Auswirkungen des Windes auf die von Menschen geschaffenen Dinge.
Planung der Untersuchungen durch die Schüler/innen
Die Schüler/innen werden aufgefordert, mit Bezug auf die dritte Kategorie
ein Gerät zu entwerfen, anzufertigen und auszuprobieren. Eine weitere
Unterscheidung bietet sich an:
- Von Menschen geschaffene Geräte zur Feststellung von Eigenschaften des
Windes (Geschwindigkeit, Richtung). Falls Kompass oder Windrose zur Sprache
kommen, werden diese vorläufig hier eingeordnet, Bedenken werden
zurückgestellt;
- Dinge, die den Auswirkungen des Windes ausgesetzt sind, aber nicht gebaut
wurden, um Eigenschaften des Windes festzustellen (Dachziegel, die vom Wind
heruntergeweht werden, der Regenschirm, der umgestülpt wird...)
Aufzeichnungen, sprachliche Arbeit
Schriftliche Aufzeichnungen empfehlen sich, damit die Schüler/innen
- erste Beobachtungen im Rahmen der drei Kategorien in eine Form bringen
(Beschreibung, Rechtfertigung der Einordnung in eine bestimmte Kategorie...);
- leicht auszuprobierende Anordnungen vorschlagen.
Die schriftliche Übung ist notwendig, damit die Schüler/innen das Ordnen in Kategorien und die klare Darstellung lernen. Bereicherungen des Wortschatzes: wirbeln, trudeln, verstreuen... Dachziegel werden geschleudert, Papiere nicht, Blätter wirbeln und trudeln, Dachziegel nicht...
Beispiele von Versuchsanordnungen
Ein randvolles Glas Wasser (bei Wind zeigen sich kleine Wellen). Ein Lappen, angebunden an eine hinreichend standfeste Flasche, Papier an einem Faden... Solche Anordnungen probiert man am besten draußen aus. Anschließend Skizzen und schematische Darstellung im Experimentierheft.
Unterrichtsstunde 2. Welche Dinge zeigen die Windrichtung an?
Die Schüler/innen stellen sich Anordnungen vor, mit denen man herausfinden kann, woher der Wind weht. Kurze Unterrichtsstunde, die dennoch in zwei Teilen durchgenommen werden kann, vorausgesetzt, sie liegen zeitlich nicht zu weit auseinander.
Ziel
Die Schüler/innen ihre Vorstellungen entwickeln lassen, sie im Einzelnen besprechen, um das Ziel der weiteren Arbeit festzulegen.
Anweisung
Jeder/jede Schüler/in beantwortet die Frage: "Kennt ihr Dinge, die man benutzen kann, um herauszufinden, woher der Wind weht? Wie verwendet man die?" Die Schüler/innen beschreiben ihre Einfälle in Zeichnungen und/oder Texten in ihren Experimentierheften. Die/der Lehrende überzeugt sich, dass die Anweisung auch richtig verstanden wurde. Je nach Alter und Vorerfahrung der Schüler/innen beobachtet man gelegentlich Schwierigkeiten, die Frage nach der Windrichtung von der nach der Herkunft (der Ursache) des Windes zu trennen.
Die Frage "Warum gibt es Wind?" ist zwar berechtigt, kann aber hier nicht behandelt werden; sie ist für die Schule zu kompliziert.
Anordnungen, wie sie die Schüler/innen vorschlagen
- "Ich binde einen Luftballon an eine Schnur und sehe in welche Richtung er
treibt";
- "Ich nehme ein Heft, dessen Seiten sich drehen lassen (Ringbuch) und halte
das Heft so, dass der Wind die Seiten dreht."
- "Ich knüpfte eine Schnur, ein Stück Stoff an einen Stock."
- "Ich nehme eine Fahne."
- "Ich nehme einen Windsack."
- "Ich nehme eine Wetterfahne."
- "Mit einem Satelliten."
- "Mit einem Kompass."[1]
Abb. 2: Drei Vorschläge der Kinder
Behandlung der Schülervorschläge
Auf zweierlei Weise kann man zu sinnvollen Fragen kommen (siehe die "Anhaltspunkte für den praktischen Umgang mit einer Unterrichtseinheit").
- Direkt, ohne Umschweife:
Der/die Lehrer/in fordert die Schüler/innen auf, ihre Vorschläge in
die unten stehenden, somit a priori vorgegebenen Kategorien einzuordnen. Jede
Gruppe (hier vier bis sechs Schüler/innen) erarbeitet eine
begründete Ordnung aller Vorschläge der Gruppenmitglieder und
schreibt sie auf ein Plakat. Mit den Plakaten kann der/die Lehrer/in eine
vergleichende Diskussion anregen, die Hindernisse werden erkannt und die im
Rahmen der Unterrichtseinheit haltbar und machbar erscheinenden
Vorschläge von nicht haltbaren getrennt.
- Indirekt, über einen Umweg:
Alle Vorschläge werden von der/dem Lehrenden aufgeschrieben. Die
Alternative ist dann:
- Die Schüler/innen einigen sich untereinander, zum Beispiel in Zweiergruppen, auf eine Einordnung in hier ebenfalls a priori vorgegebene Kategorien. In Vierergruppen, gegebenenfalls dann auch von Gruppe zu Gruppe, wird gegenübergestellt und schließlich der Klasse eine begründete Einordnung vorgelegt.
- Die Schüler/innen arbeiten in kleinen Gruppen Kategorien selbst aus, sie stützen sich dabei auf Erfahrungen aus der ersten Unterrichtsstunde. Sie schlagen eine Ordnung vor. Austausch und Diskussion kreisen dann sowohl um die Kategorien als auch um die Zuordnung.
Beispiele möglicher Kategorien
Kategorie 1: Anordnungen, die der Fragestellung entsprechen, aber in der Klasse nicht machbar sind: Es gibt Satelliten, die die Atmosphäre vom Weltraum aus beobachten und Windrichtungen erkennen können (zum Beispiel über den Ozeanen). Aber man wird doch in der Klasse keinen Satelliten bauen!
Kategorie 2: Alles was unmittelbar einen der fünf Sinne anspricht. Das Geräusch des Windes in den Ohren, der feuchte Finger...
Kategorie 3: Alles was mit Beobachtungen in der Umgebung zusammenhängt:
Richtung des Rauchs, gebeugte Bäume, fliegende Blätter...
Kategorie 4: Geräte, Gegenstände. Wetterfahne, Windsack, Wollfaden,
Kompass, Windrose... Sie unterscheiden sich in:
- Dinge, die vom Wind verformt werden (Schnur, Flüssigkeiten);
- Dinge, die sich um einen Haltepunkt herum bewegen (befestigte
Gegenstände).
Anordnungen dieser letzten Kategorie werden im Folgenden hergestellt und ausprobiert.
Anregungen
Es wird begründet, warum die Kategorien 1, 2 und 3 hier nicht zum Zuge
kommen.
- Kategorie 1: unrealistisch;
- Kategorie 2: zu subjektiv, von dem/der Beobachter/in abhängig;
- Kategorie 3: nicht reproduzierbar, nicht allgemeingültig und ungenau.
Übrig bleibt die konkrete Aufgabe, einen technischen Gegenstand anzufertigen, der auf die Windkraft anspricht und die Windrichtung auf sichere Weise angibt.
Aufzeichnungen
Weiter oben war die Rede von gemeinsamen Aufzeichnungen, von Hilfstexten oder Zusammenfassungen.
Doch kann auch jeder/jede Schüler/in in seinem/ihrem Experimentierheft notieren, was ihm/ihr durch den Kopf geht.
Man wird darauf hinwirken, dass folgende Erkenntnis zum Ausdruck kommt: Wenn man genau wissen möchte, woher der Wind weht, braucht man ein Ding, das sich verformt oder von der Windkraft ausgerichtet wird.
Unterrichtsstunde 3. Welche Eigenschaften haben diese Dinge?
Erste Versuche und Herausfinden der Merkmale, die der Eigenbau haben soll. Die Schüler/innen prüfen alle oder einen Teil der in der Stunde gemachten Vorschläge und beginnen zweckentsprechende (Konstruktions-)Merkmale auszumachen. Diese Unterrichtsstunde zieht sich länger hin und muss unter Umständen in zwei Teilen durchgenommen werden.
Ziel
Beim Ausprobieren der verschiedenen Gegenstände, werden den Schüler/innen bestimmte Bedingungen klar, die ein Ding erfüllen muss, damit es Antworten auf die doppelte Frage vom Anfang der zweiten Unterrichtsstunde geben kann. Sie lernen Konstruktionsmerkmale für den Eigenbau auszumachen (zu diesem Zeitpunkt sind noch Windsack und Wetterfahne im Rennen).
In dieser Stunde wird die Frage "Wie macht man Wind?" erläutert und beantwortet.
Anweisungen
In einer Versuchsanordnung kann jeder/jede Schüler/in die eigenen, im Lauf der 2. Stunde bereits mehr oder weniger verwandelte, Vorstellungen experimentell prüfen. Damit jeder Einzelne möglichst gut und erfolgreich arbeitet, werden vorzugsweise Zweiergruppen gebildet. Jedoch bestimmt der/die Lehrer/in anhand der Gruppendynamik in der Klasse die beste Aufteilung.
"Ein Ding finden und ausprobieren, das anzeigt, woher der Wind weht - man braucht also Wind - wie kann man das machen?"
Was ausprobiert werden sollen, wird aus den Schülervorschlägen der vorangegangenen Stunde ausgewählt.
Wenn nicht schon in der vorigen Stunde geschehen, werden die nicht haltbaren (Kompass, Windrose) oder zu ungenauen (Wollfaden) Vorschläge jetzt verworfen. Im Lauf der ersten Versuche lenkt der/die Lehrer/in die Schüler/innen hin zum Bau einer Wetterfahne. Der Windsack, den die Schüler/innen oft gut kennen, bleibt eine machbare Lösung.
Die Frage des Bezugssystems wird entweder anhand der Schülervorschläge oder anhand der unten beschriebenen Versuchsanordnung gestellt.
Von Schüler/innen durchgeführte Untersuchungen
Eine Testanordnung kann wie folgt eingerichtet werden (siehe Abb. 3). Man achte darauf, dass der Ventilator ein Schutzgitter hat, und man auf keinen Fall mit den Flügeln in Berührung kommen kann. Wenn die Frage des Bezugssystems nicht gleich aufkommt, verschiebt man sie auf später (siehe Unterrichtsstunde 7). Das Experiment gelingt am besten mit einem genügend großen Ventilator (10 bis 20 cm Durchmesser). Für die Übertragung der Anordnung ins Protokoll kann der Plan in der obigen schematischen Zeichnung Verwendung finden, können Kennzeichnungen, da wo es geht, angebracht werden oder Vorschläge der Schüler/innen zum Tragen kommen.
Abb. 3: Einrichtung zum Ausprobieren der von der Klasse gefundenen Gegenstände.
Ein Tisch mit Rollen, auf dem ein Ventilator steht, kann um einen fest stehenden Tisch herum bewegt werden. Man achte darauf, dass der Luftstrom in genügendem Abstand über den Tisch streicht (20 cm oder mehr).
Der rollende Tisch kann auf einem Kreis gelegene, in regelmäßigen Abständen um den Probiertisch verteilte Stellungen einnehmen (siehe die sechs nummerierten Positionen in der schematischen Darstellung).
Das zu untersuchende Ding wird in der Mitte des Tisches festgemacht.
Die Konstruktionen der Schüler/innen müssen erkennen lassen, wo der Ventilator steht, für jede seiner Stellungen muss die Anzeige verschieden sein.
Es wird empfohlen, da wo die Schüler/innen von sich aus auf die Begriffe Nord, Süd, Ost, West, Nordwest ... kommen, keine anderen, vorläufigen Kennzeichnungen einzuführen (zum Beispiel für die Positionen des Ventilatortisches). Falls das geographische Bezugssystem im Unterrichtsraum (zum Beispiel aus den Geographiestunden) schon vorhanden ist, sollte man es benutzen.
Das beobachtete Verhalten der "Apparaturen" und die Deutungen der Erfinder/innen werden unter Mithilfe der/des Lehrenden miteinander verglichen und einander gegenübergestellt. Im Gespräch entsteht eine genaue Vorstellung von den Merkmalen, die bewirken, dass die Gegenstände ihren Zweck erfüllen.
Abb. 4: Wettervogel, Windmühle auf einem Sockel und Luftballon an einem Faden: Untersuchungsobjekte einer Klasse in der Lernstufe 2
Aufzeichnungen
Die Schüler/innen notieren im Experimentierheft ihr Vorhaben und was sie sich davon erhoffen, dann die Herstellungsversuche, das Ausprobieren und die Beobachtungen. Sie schreiben auch auf, aus welchen Gründen ein ausprobiertes Stück bewahrt oder verworfen wird.
Die Notwendigkeit eines Bezugssystems entsteht aus der Notwendigkeit der Mitteilung und der Aufzeichnung (Wenn zum Beispiel diese Unterrichtseinheit nicht im gewohnten Unterrichtsraum durchgenommen wird). Sie kann auch durch Fragen wie "Wohin geht der Wind?" oder "Wie kann man wissen, ob der Wind immer aus der gleichen Richtung weht?" usw. ins Spiel gebracht werden.
Beobachtungen geben Anlass zu einer Diskussion, die zur Aufstellung von Kriterien für den Eigenbau führt.
- Das Gerät zeigt auch bei regelmäßigem Wind verschiedene
Richtungen an, es erreicht keinen Gleichgewichtszustand (Beispiel Wollfaden).
- Das Gerät hält starkem Wind nicht stand oder verformt sich
(Abhilfe: Sockel, Verstrebung).
- Das Gerät zeigt bei schwachem Wind nichts an (die Frage der Schwelle).
- Das Gerät verträgt keinen Regen!
Beispiele endgültiger Sätze
- Der Wind ist ein Luftstrom, der aus einer Richtung (stromaufwärts)
kommt und in eine Richtung (stromabwärts) geht. Er hat also in einem
gegebenen Bezugssystem eine bestimmte Richtung.
- Ein Gegenstand, der sich mit dem Wind dreht, kann anzeigen, woher der Wind
weht.
- Damit man diese Richtung angeben kann, muss der Gegenstand einen Zeiger
haben und man braucht ein Bezugssystem, ein örtliches oder ein
geographisches (die vier Himmelsrichtungen).
Von der Klasse herausgefundene Konstruktionsmerkmale
- Unsymmetrie der Gegenstände, damit auch die Polung des Luftstroms zu
erkennen ist (stromaufwärts, stromabwärts, von wo kommt... wohin
geht...).
- Falls das Ding eine Rotationsachse besitzt, Vertikalität der Achse und
Verminderung der Reibung.
- Empfindlichkeit der Anzeige (Material, Form).
- Stabilität der Richtungsanzeige bei stabilem Wind.
Ratschläge
Die Frage "Wie macht man Wind?" dürfte während der
Schülerversuche leicht eine Antwort finden. Der Wind wird ohne weiteres
mit dem in Bewegung gesetzten Ventilator in Verbindung gebracht. Der Wind ist
bewegte Luft. Der Begriff Bewegung muss unbedingt genauer erörtert
werden: Bewegung in Bezug auf Koordinaten. Zu diesem Zweck kann die/der
Lehrende vergleichende Beobachtungen anregen zwischen:
- einem Ventilator, der Luft in Bewegung versetzt;
- der Ortsveränderung eines Windrads (oder Windsacks) im Luftstrom, was
zur Drehung des Windrads (oder zum sich Aufrichten des Windsacks) führt.
Man kommt zu dem Schluss, dass der Wind eine Luftbewegung in Bezug auf ein Bezugssystem ist (Begriff der relativen Bewegung).
Unterrichtsstunde 4. Wie baut man eine Wetterfahne?
In dieser Unterrichtsstunde sind die Schüler/innen vor allem damit beschäftigt, die Rolle der beiden Flächen beiderseits der Rotationsachse der Wetterfahne zu erkennen.
Ziel
Im Versuch und, wenn nötig, in Nebenversuchen eine wesentliche Voraussetzung der Wetterfahne ermitteln: die Verteilung der Massen und der Flächen beiderseits der Rotationsachse.
Beantwortung der Frage: "Wie wirkt der Wind?"
Bemerkungen für die Lehrer/innen
Technisch einwandfreie Drehbarkeit (kein Verdrehen der Achse, minimale Reibung) setzt voraus, dass die Massen beiderseits der Achse sich im Gleichgewicht befinden. Falls das nicht der Fall ist, wird die Lebensdauer des Geräts verkürzt, und Reibung schränkt die Genauigkeit der Anzeige ein. Gleichgewicht ist erreicht, wenn der Schwerpunkt des Drehkörpers auf der Achse liegt. Das kann auf folgende Weise geprüft werden: Da wo kein Wind geht, hält man die Achse waagerecht, dann muss die Wetterfahne in jeder Richtung in die man sie dreht, stehen bleiben (die Physiker/innen sprechen von neutralem Gleichgewicht).
Aus physikalischen Gründen dreht sich die Wetterfahne nur dann genau in den Wind, wenn die Flächen beiderseits der Achse sehr ungleich sind, die kleine Fläche zeigt stromaufwärts, in die Richtung, aus der der Wind weht. Diese Ungleichverteilung der Flächen ist wichtig.
Erstaunlicherweise kann ein Gerät mit zwei ebenen, in Bezug auf die Achse symmetrischen, Flächen sich sogar senkrecht zur Windrichtung stellen: ein einfaches Gegenbeispiel zur empirischen Regel, dass bewegliche Gegenstände sich derart einstellen, dass die dem Wind ausgesetzte Fläche möglichst klein ist.
Diese Bemerkungen sind nicht für die Schüler/innen bestimmt. Sie sollen dem/der Lehrer/in helfen, die Versuchsergebnisse der Schüler/innen zu deuten und sie beim experimentellen Entdecken anzuleiten.
Anregungen der/des Lehrenden
Leicht unsymmetrische Wetterfahnen werden den Schüler/inne/n mit folgender Anweisung gegeben:
"Probiert das Ding aus und schlagt vor, wie man die Genauigkeit der Anzeige verbessern kann."
Es geht darum, dass die Schüler/innen die Fehlerhaftigkeit des Geräts erkennen; im Versuch kann leicht bewiesen werden, dass die angezeigte Richtung deutlich von der Windrichtung verschieden ist. Die Deutung und die mehr oder weniger empirische Auseinandersetzung mit den Ergebnissen veranlassen die Schüler/innen, die Flächen beiderseits der Achse besonders unsymmetrisch zu gestalten. Man wird auch darauf hinweisen, dass bei gleicher Einstellung des Ventilators verschiedene Flächen im Wind auch verschiedene Bewegungen ausführen. Auf diese Weise lässt sich die Frage "Wie wirkt der Wind?" stellen, die man aber auch anhand von Bemerkungen der Schüler/innen angehen kann. Etwa wenn gesagt wird: "Der Wind lässt die Wetterfahne umfallen" oder "der Wind stößt gegen die Wetterfahne". Man kann auch erst nach den Versuchen davon sprechen oder die Diskussion während der Experimentierphase vorbereiten: Man wird versuchen, Situationen zu schaffen, die zu Äußerungen führen wie: Der Wind "schiebt" die Gegenstände oder, genauer, der Wind übt Kraft auf die Flächen aus und die Kraft ist umso größer, je größer die Fläche ist.
Der/dem Lehrenden zur Beachtung
In den Seewetterberichten bezeichnet der Begriff "Windstärke" (auf der Beaufortskala, [der französische Ausdruck für Windstärke bedeutet wörtlich "Kraft des Windes", Anmerkung des Übersetzers]) die Windgeschwindigkeit. Um Verwirrung zu vermeiden, wird hier von Geschwindigkeit (ausgedrückt in Kilometer pro Stunde, km/h) gesprochen. Die Begriffe Stärke und Kraft sind im wissenschaftlichen Sprachgebrauch anderweitig vergeben (auf Körper ausgeübte Kräfte, Stromstärke).
Ergebnisse der ersten Bauversuche
- Drehung um die waagerecht gestellte Achse statt Gleichgewicht in jedem
Punkt;
- Wetterfahne klemmt und bleibt in Stellungen stehen, die nicht die
Windrichtung angeben;
- einwandfreie Ausrichtung auf den Ventilator (wenn die Schüler/innen
ihren Versuch erfolgreich beenden, fordert der/die Lehrer/in sie auf, zum
besseren Verständnis eine andere, "ebenso gelungene" Form
auszuprobieren).
Beispiele persönlicher Aufzeichnungen
Abb. 5 und 6
Man kann zum Beispiel die Klasse die jeweilige Gesamtheit der Geräte, "die funktionieren" und "die nicht funktionieren" betrachten lassen. Die Kinder kommen dabei auf Veränderungen und Verbesserungen, die sie anbringen und ausprobieren können.
Die möglichen räumlichen Bezugssysteme können an dieser Stelle behandelt werden; man kann sie aber auch erst in einer späteren Unterrichtsstunde besprechen.
Unterrichtsstunde 5. Bau einer Wetterfahne
Die Schüler/innen bauen eine Wetterfahne, die den Kriterien genügt, die die Klasse aufgrund der vorangegangenen Konstruktionen und Versuche aufgestellt hat.
Ziel
Das Ding mit den vorgegebenen Merkmalen bauen und zeigen, dass es tut, was es soll.
Jeder/jede Schüler/in (oder jedes Team) baut eine Wetterfahne die den gemeinsam aufgestellten Kriterien entspricht. Man wird jedes Modell schriftlich (Text und schematische Zeichnung) dokumentieren und im Austausch mit dem/der Lehrer/in die Texte kritisch durchlesen und diskutieren. Auf diese Weise wird geprüft, ob jeder Eigenbau auch den Kriterien genügt.
Unterrichtseinheit 6. Warum möchte man herausfinden, woher der Wind weht?
In Unterlagen und Nachschlagewerken gehen die Schüler/innen der geschichtlichen und gesellschaftlichen Bedeutung der Windrichtungsbestimmung nach. Sie vergleichen diese Bedeutung in der Vergangenheit mit der heutigen. "Warum möchte man herausfinden, woher der Wind weht und wozu?"
Schülerantworten
- "Um mit bestimmten Fahrzeugen fahren zu können (Segelboot, Segelwagen...)"
- "Um sich sicher fortbewegen zu können (Autos, Schiffe, Flugzeuge mit Windsäcken an den Start- und Landebahnen)."
- "Beim Zelten muss man sein Zelt nach der Windrichtung aufstellen."
- "Wenn man im Sommer im Garten grillt oder Feuer macht, muss man auf die Windrichtung achten, damit keine Funken auf trockenes Gras fallen und ein Feuer ausbricht und auch damit der Rauch nicht die Nachbarn belästigt."
- "Wenn man Bäume pflanzt, muss man die vorherrschende Windrichtung kennen."
- "Wenn der Wind aus nördlicher Richtung weht, weiß ich, dass das Wetter schön wird, Südwind dagegen bringt Regen (je nach Gegend, natürlich...)."
Unterlagen
Sammlung von Sprichwörtern und allerlei einschlägigen Ausdrücken.
Unterlagen zum Verständnis der Geschichte der Wetterfahne.
Materialien zu der Vielzahl der Formen von Wetterfahnen, die die Menschen entworfen und gebaut haben.
Diese Unterrichtsstunde stützt sich vorwiegend auf die Beschäftigung mit Unterlagen. Man wird besonders die empfohlenen Quellen beachten. Soweit wie möglich wird man sich auf aktuelles Material stützen oder Menschen in der Umgebung ausfragen (Alte Leute, Landwirtinnen und Landwirte, Gärtner/innen, Seefahrer/innen, Fischer/innen, Feuerwehrleute, Pilot/inn/en usw.). Die Arbeit lässt sich unter Umständen einfacher in Verbindung mit einem Ausflug durchführen. Historische Pläne, Bilder und Schriften sollten besonders beachtet werden.
Unterrichtsstunde 7. Welches Bezugssystem soll für die Windrichtung gewählt werden?
Die Schüler/innen probieren, wie sie die Windrichtung angeben können (in der Schulumgebung, auf einer Karte oder am Versuchstisch. Sie machen sich mit den Begriffen "örtliches Bezugssystem" (zum Beispiel die Wände des Schulgebäudes) und "geographisches Bezugssystem" (Himmelsrichtungen) vertraut (soweit sie ihnen noch nicht geläufig sind).
Diese Stunde kann auch innerhalb der Unterrichtsstunde 3 abgehandelt werden oder ganz unabhängig, während der Arbeit an der Wetterfahne oder im Lauf des Schuljahres bei anderer Gelegenheit. Da sie im [französischen] Lehrplan an anderer Stelle vorgesehen ist, wird sie hier nicht weiter entwickelt. Man achte aber darauf, dass jeder/jede Schüler/in ein passendes Bezugssystem zu gebrauchen weiß.
Unterrichtsstunde 8. Welches sind die vorherrschenden Winde?
Die Schüler/innen beobachten regelmäßig die Windrichtung, die ihnen die Wetterfahne angibt. Sie nehmen eine große Anzahl von Daten auf, um die örtlich vorherrschende Windrichtung zu bestimmen. Die Unterrichtsstunde steht im Zusammenhang mit dem Geographie- und Mathematikunterricht.
Man kann eine Scheibe anfertigen und die Himmelsrichtungen auf ihr markieren. Nach jeder Messung (zum Beispiel einmal pro Tag) klebt man einen Aufkleber in den der Windrichtung entsprechenden Sektor der Scheibe. Da wo die Aufkleber sich häufen, sprechen die Statistiker auch von einer "Punktwolke". Die Ausdehnung dieser Punktwolken ist ein Maß einerseits für die Schwankungen der Windrichtung, andererseits für die Mess(un)genauigkeit.
Abb. 7
Aufzeichnungen der Messungen
Aus den Häufungen der Aufkleber ergeben sich die vorherrschenden Winde; in unserem Fall: N-NW und O.
Im obigen Schema wurde ein Aufkleber im Zentrum angebracht, wenn kein Wind wehte. Die Zahl der Aufkleber könnte auch durch ein Papierband, dessen Länge der Zahl der Messpunkte entspricht, dargestellt werden. Je nach dem, welche Darstellungsformen die Schüler/innen aus dem Mathematik- oder Geographieunterricht kennen, kann man verschiedene Diagramme zeichnen.
Voraussetzungen für die praktische Umsetzung der Unterrichtseinheit
Das Arbeitsprogramm dieser Unterrichtseinheit wurde in der Lernstufe 3 (4. bis 6. Klasse) entwickelt; aber die zweifache Frage: "Kennt ihr Dinge, mit denen man herausfinden kann, woher der Wind weht? Wie macht man das?" wurde auch Schüler/inne/n der Lernstufe 2 gestellt. Der Vergleich der Antworten zeigt, wie fest bestimmte Vorstellungen sitzen, und wie stark sie von der Alltagsumgebung geprägt werden. Zum Beispiel: "Der Wind wirkt nur auf leichte Gegenstände", "die Wolken machen den Wind".
Die Unterrichtseinheit soll kein Modell sein, sie will lediglich für jeden Abschnitt des "Grundmusters einer Unterrichtseinheit" der/dem Lehrenden Beispiele vermitteln, mit denen er das Werkzeug für den Unterricht nach dem Lehrplan herstellen kann.
Die gesellschaftliche und geschichtliche Dimension des Gegenstandes, die Arbeit am einschlägigen Wortschatz, beanspruchen in der Unterrichtseinheit viel Zeit. Das ist umso mehr gerechtfertigt, als der Gegenstand "Wetterfahne" zwar von pädagogischem Interesse ist, aber längst nicht mehr die Bedeutung hat, die er in der Vergangenheit hatte. Im heutigen städtischen Umfeld kann er sogar ganz unbekannt sein. Das Ziel ist also nicht nur eine Wetterfahne herzustellen, sondern sämtliche Lernmöglichkeiten, die dieser technologische Gegenstand bietet, möglichst auszuschöpfen.
Materialien
Für die Klasse:
Ventilator(en) mit Schutzgitter
Für jede Zweier- oder andere Gruppe von Schüler/inne/n:
Strohhalme, abgestumpfte Zahnstocher, Papier, Karton, Schnur, Wolle,
Musterklammern, Stofflappen, leere Nähgarnrollen, Stifte, Zapfen,
Korkstopfen, Schere, Leim, Knete...
Zur Herstellung des Sockels: eine mit Sand (oder Wasser) gefüllte Plastikflasche, ein Holzbrettchen oder eine kleine Kunststoffplatte.
Weitere Materialien hängen von dem ab, was die Schüler/innen in Unterrichtsstunde 3 vorschlagen (und was dann zu beschaffen ist).
Voraussichtliche Dauer
Mindestens vier, maximal sechs oder auch acht Unterrichtsstunden.
Empfohlene Arbeitsblätter
Arbeitsblatt 3: "Luft", Arbeitsblatt 23: "Elektrizität", Arbeitsblatt 24: "Hebel und Waagen", und Arbeitsblatt 25: "Übertragung von Bewegungen".
Mögliche Erweiterungen
Diese Unterrichtseinheit kann eine Einleitung zu anderen Unterrichtseinheiten abgeben oder auch die Gelegenheit bieten, früher erworbenes Wissen wieder zu beleben. Zwei Beispiele:
Bezug zur Unterrichtseinheit "Hebel und Waagen"
Wenn vorher schon über Hebel und Waagen gearbeitet wurde, ist das dabei erworbene Wissen zum Hebel gut zu gebrauchen, wenn es um das Austarieren der Wetterfahne geht. Andersherum können die Erfahrungen und Begrifflichkeiten, die notwendigerweise beim Bau der Wetterfahne gesammelt und erworben wurden, im Unterricht zum Hebel explizit wieder zum Tragen kommen.
Bezug zur Unterrichtseinheit "Ist Luft ein Stoff?"
Falls die Unterrichtseinheit "Woher weht der Wind?" erst nachher durchgenommen wird, kann man die Frage "Wenn Luft ein Stoff ist, wie wirkt sie dann auf Gegenstände, wenn sie sich in Bezug auf sie bewegt?" einbringen. Weil Luft eben ein Stoff ist, kann sie auf Gegenstände wirken, wenn sie sich bewegt. Die Wirkung kommt durch die relative Ortsveränderung von Gegenstand und Luft zustande, sie hängt ab von der Angriffsfläche, die der Gegenstand dem Wind bietet, sei es, dass die Luft sich bewegt (Wind), sei es, dass der Gegenstand bewegt wird.
Falls die Unterrichtseinheit "Woher weht der Wind" zuerst durchgenommen wird, kann man aus ihr heraus zur Frage "Was ist Wind?" kommen. Zum Beispiel kann der/die Lehrer/in die Windkraft mit anderen Kraftwirkungen auf Gegenstände vergleichen und die Schüler/innen zu den Fragen "Was ist Luft?"; "Ist Luft ein Stoff?" veranlassen.
Orientierende Auswahl von Internetseiten
Folgende Seiten können den Schüler/innen bei der Unterlagenrecherche von Nutzen sein und der/dem Lehrenden bei der Vorbereitung des Unterrichts.
Beispiele von Wetterfahnen
In Google das Stichwort "Wetterfahnen" eingeben.
Autor/inn/en
CM 1 (4. Klasse) der Montaigne-Schule in
Sevran.
CM 2 (5. Klasse) der Simone-de-Beauvoir-Schule in
Saint-Fons.
Fußnote
1: Die ersten beiden Vorschläge der Kinder sind natürlich unhaltbar. Im Weiteren wird ihnen das auch selbst klar.
