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Studienseminar Darmstadt für das Lehramt an Gymnasien
Physikalische Untersuchung einfacher
Musikinstrumente mit PC und Soundkarte
- Eine Unterrichtsreihe zur Akustik in einer Klasse 7 -
Pädagogische Prüfungsarbeit im Fach Physik
vorgelegt von Studienreferendar
Stefan Wilhelm
an der
Prälat-Diehl-Schule, Groß-Gerau
Juli 1999
Abstract Pädagogische Prüfungsarbeit am Studienseminar Darmstadt für das Lehramt an Gymnasien Prälat-Diehl-Schule, Groß-Gerau Juli 1999
Stefan Wilhelm Am Oberwiesenweg 11
64572 Büttelborn 06152/911 403
E-Mail: wilhelm@writeme.com
Physikalische Untersuchung einfacher Musikinstrumente mit PC und Soundkarte
- Eine Unterrichtsreihe zur Akustik in einer Klasse 7 -
In dieser Unterrichtseinheit wird versucht, die Akustik möglichst konse-
quent an der Untersuchung von Musikinstrumenten aufzubauen. An ihnen
orientiert sich die Gliederung der physikalischen Inhalte und die Auswahl
der Experimente und Themenschwerpunkte. Die fachübergreifende Aus-
richtung des Themas beinhaltet auch die Einbeziehung musikalischer
Interessen und Lernziele.
Eine zentrale Rolle spielt dabei das Bauen einfacher Instrumente aus alltäg-
lichen Materialien. Schon bei der Herstellung können sich die Schülerinnen
und Schüler konkret handelnd und kreativ mit physikalischen und musikali-
schen Phänomenen auseinandersetzen. Bei den anschließenden Untersu-
chungen sollen an diesen Instrumenten gezielt Zusammenhänge und Ge-
setzmäßigkeiten bezüglich Amplitude, Frequenz und Klangdauer experi-
mentell erfasst werden. Da diese Instrumente einige charakteristische Qua-
litätsmerkmale guter Instrumente nur unzureichend aufweisen, kommt auch
die Betrachtung handelsüblicher Musikinstrumente nicht zu kurz. An ihnen
werden vor allem Eigenschwingungen von Saiten und Luftsäulen unter-
sucht.
Der zweite Schwerpunkt der Arbeit beruht auf dem Einsatz eines Computers
mit Soundkarte und handelsüblicher Software zur Klangbearbeitung. Als
zentrales experimentelles Mittel dient der PC einerseits als Gerät zur
Schallaufzeichnung, andererseits werden mithilfe der grafischen Darstel-
lungsmöglichkeiten (Amplitudenverlauf, Oszillogramm und Frequenz-
spektrum) prinzipielle Unterschiede verschiedener Schallereignisse (Ton,
Klang, Geräusch) erarbeitet. Schließlich wird ein einfaches Verfahren zur
Messung der Schallgeschwindigkeit vorgestellt.
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Vorbemerkung
Der Ruf nach Unterricht, der über die üblichen Fachgrenzen hinausblickt, ist
nicht neu2, jedoch werden die Forderungen nach fächerübergreifenden
Ansätzen von verschiedenen Seiten lauter und erhalten nach und nach auch
rechtliche Hintergründe3. Die Physik ermöglicht eine ganze Reihe interes-
santer Querverbindungen zu anderen Gebieten, die dazu beitragen können,
den Unterricht dichter am Alltag oder auch an den Interessen der Beteiligten
zu gestalten. Da ich selbst gerne musiziere, fasziniert mich die Akustik und
ihre Verbindung zur Musik und zu Musikinstrumenten ganz besonders. In
der vorliegenden Unterrichtsreihe habe ich versucht, diese eigene Vorliebe
als Anknüpfungspunkt und zur Motivation für den Physikunterricht nutzbar
zu machen.4
1 WAGENSCHEIN, MARTIN: Verstehen lehren, Weinheim und Basel 1977 (6.Aufl.), S. 7 2 z.B. LOCHHAAS, H.: Möglichkeiten und Grenzen fächerverbindenden Unterrichts, Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 49 (1996), S. 493-496 3 siehe z.B. §10 (6) VOGO/BG in ABl. 11/98, S. 739 oder etwas unverbindlicher: HESSISCHES
KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Physik, Sek. I, Frankfurt/M. 1996, S. 10 4 Auch die Idee, die Akustik im Physikunterricht besonders unter musikalischen Gesichtspunkten zu betrachten, ist nicht neu: Auf Leistungskursniveau bewegt sich DIRK KELM (Akustische Phänomene und ihre Auswirkungen auf die Musik, Päd. Prüfungsarbeit am Studienseminar Bensheim 1998). Eine Kooperation für Klasse 6 schildern BRIGITTE JANSEN und EWALD BROCKES (Musik und Akustik, Internet http://www.juelich.fh-aachen.de/overbach/fach/projekt/einl.htm) und mit zusätzlicher Einbindung der Bruchrechnung KATJA PETERS und MATTHIAS LAGEMANN (Eine interdisziplinäre Reihe zur Bruchrechnung/Akustik/Harmonielehre, Der Mathematikunterricht 6 - 1998, S. 11-21). Mit unseren Rahmenbedingungen ist am ehesten die Arbeit von GÖTZ FRIEDEL (Töne, Klänge - Lärm, Päd. Prüfungsarbeit am Studienseminar Bensheim 1998) für Klasse 7 vergleichbar, jedoch behandelt er die Thematik nicht so konsequent an Musikinstrumenten und verwendet auch keinen Computer. Mit der im Folgenden beschriebenen Schwerpunktsetzung hoffe ich, den Ansatz Physik und Musik um einige neue Impulse bereichern zu können.
Der Pädagoge kann nicht anders, als die Grenzen des Faches, auf dem er zuhause ist, überschreiten. Tut er es nicht, so verliert er seine bildende Aufgabe aus den Augen.1
ii
Inhaltsverzeichnis
1 Planung _____________________________________________________1
1.1 Grundsätzliches zum Thema _____________________________________ 1 1.1.1 Schwerpunkte der Arbeit ________________________________________1 1.1.2 Einordnung des Themas in den Rahmenplan Physik ___________________1 1.1.3 Verbindungen zum Fach Musik ___________________________________2
1.2 Die Lerngruppe und weitere Rahmenbedingungen___________________ 3
1.3 Didaktische Analyse_____________________________________________ 6 1.3.1 Kriterien für die Auswahl der Inhalte_______________________________6 1.3.2 Die Auswahl der physikalischen Inhalte ____________________________7
1.4 Die Rolle der Musikinstrumente __________________________________ 15 1.4.1 Der handlungsorientierte Aspekt _________________________________15 1.4.2 Die Zuordnung der Inhalte zu den Instrumenten _____________________15
1.5 Der Einsatz des Computers in der Akustik _________________________ 16 1.5.1 Schallaufzeichnung mit dem Computer ____________________________16 1.5.2 Computer oder Oszilloskop _____________________________________17 1.5.3 Die Auswahl der eingesetzten Software____________________________17
1.6 Die Lernziele der Unterrichtsreihe ________________________________ 18 1.6.1 Fachunabhängige Lernziele _____________________________________18 1.6.2 Physikalische Lernziele ________________________________________18 1.6.3 Musikalische Lernziele_________________________________________20
1.7 Methodische Überlegungen _____________________________________ 21 1.7.1 Methodische Konzepte und Leitideen _____________________________21 1.7.2 Einstiege und Motivation _______________________________________21 1.7.3 Experimente und Sozialformen __________________________________22 1.7.4 Hilfestellung, Sicherung, Wiederholung ___________________________23
2 Durchführung________________________________________________24
2.1 Tabellarische Übersicht zur Unterrichtsreihe _______________________ 24
2.2 Einstieg und Grundlagen (1. bis 4. Stunde) ________________________ 25
2.3 SP1: Schallaufzeichnung mit dem Computer (5./ 6. Stunde) _________ 27 2.3.1 Einzelheiten zur Stundenplanung _________________________________27 2.3.2 Geplanter Ablauf der 5. und 6. Stunde _____________________________28 2.3.3 Durchführung ________________________________________________28 2.3.4 Reflexion ___________________________________________________30
2.4 Klänge und Geräusche (7. Stunde) _______________________________ 32
2.5 SP2: Schallarten und Frequenzspektren (8. Stunde) ________________ 32 2.5.1 Einzelheiten zur Stundenplanung _________________________________32 2.5.2 Geplanter Ablauf der 8. Stunde __________________________________34 2.5.3 Durchführung ________________________________________________34 2.5.4 Reflexion ___________________________________________________35
iii
2.6 Eigenschwingungen und Blasinstrumente (9. bis 11. Stunde) _________ 37
2.7 Schallausbreitung und Schallgeschwindigkeit (12. Stunde) ___________ 38
3 Gesamtreflexion _____________________________________________39
3.1 Die Auswertung der Lernkontrolle ________________________________ 39
3.2 Überprüfung der Lernziele ______________________________________ 40
3.3 Die Instrumente _______________________________________________ 41
3.4 Der Computereinsatz___________________________________________ 42
3.5 Fazit _________________________________________________________ 43
4 Anhang______________________________________________________ I
4.1 Ein bunter Eindruck... ____________________________________________ I
4.2 Arbeitsblätter___________________________________________________ II
4.3 Vier Bearbeitungsbeispiele zur Lernkontrolle _______________________ XII
4.4 Beispiele einsetzbarer Software __________________________________XXI
4.5 Literaturverzeichnis ___________________________________________XXIV
4.6 Abbildungsverzeichnis_________________________________________XXVI
4.7 Erklärung___________________________________________________ XXVII
Seite 1
1 Planung
1.1 Grundsätzliches zum Thema
1.1.1 Schwerpunkte der Arbeit Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht eine Unterrichtsreihe zur Akustik im
Physikunterricht einer 7. Klasse, die unter der besonderen Berücksichtigung
zweier Schwerpunkte geplant, durchgeführt und analysiert werden soll: Der
eine Schwerpunkt sind die „einfachen Musikinstrumente“ als zu un-
tersuchende Objekte, der andere ist der Computer mit Soundkarte als
experimentelles Mittel, mit dem diese untersucht werden sollen.
Das „Einfache“ an den Instrumenten ist in erster Linie im Sinne der Physik
zu verstehen, d.h. es sind Instrumente gemeint, an denen die physikalischen
Grundprinzipien der Klangerzeugung möglichst einfach zu erkennen sind.
Daneben bezieht sich das Wort „einfach“ auch auf die Herstellung: We-
sentlicher Bestandteil des Konzeptes ist, dass die Schülerinnen und Schüler
selbst Musikinstrumente anfertigen, die dann im Zentrum der Untersuchun-
gen stehen. Dadurch bekommen alle Schülerinnen und Schüler Gelegenheit,
sich eigenständig und handelnd mit den akustischen Phänomenen auseinan-
derzusetzen, die sonst denen vorbehalten sind, die ein Instrument spielen.
Die Verbindung von Physik und Musik bietet im besonderen Maße die
Möglichkeit das sonst sehr kognitiv orientierte naturwissenschaftliche Fach
mit emotionalen Erlebnissen zu bereichern. Die physikalische Beobachtung
findet hierbei mindestens über zwei Kanäle - Sehen und Hören - statt. Von
der Wahl der beiden Schwerpunkte erhoffe ich mir letztendlich motivie-
rende Elemente für den Physikunterricht: Das Herstellen und Experimentie-
ren mit den Instrumenten soll sowohl praktisch-handwerklich, als auch mu-
sisch-künstlerisch interessierte Schülerinnen und Schüler für die Physik ge-
winnen, der Computereinsatz dagegen technisch interessierte motivieren.
1.1.2 Einordnung des Themas in den Rahmenplan Physik Die Akustik finden wir im Rahmenplan Physik5 für die Jahrgangsstufe 7 im
Rahmenthema „Licht und Schall“. Unter der Überschrift „Schallerzeugung
5 HESSISCHES KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Physik, Sek. I, Frankfurt/M. 1996, S. 12/18
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und Schallausbreitung“ werden folgende verbindliche Inhalte genannt6: 1. Schallquellen 4. Reflexion des Schalls 6. Schallgeschwindigkeit 2. Schwingungen 5. Lärm und Lärmschutz 3. Entstehung von hohen, tiefen, lauten und leisen Tönen
Hinter diesen verbindlichen Inhalten steht im Rahmenplan in der Erschlie-
ßungskategorie „Natur und Umwelt“ der Schall als unmittelbar wahrnehm-
bares Phänomen, das Hören als Wahrnehmungsvorgang, natürliche Schall-
ereignisse wie der Donner und die Belastung durch Lärm als Auswirkung
physikalisch-technischer Entwicklungen auf die Lebenswelt. In der Er-
schließungskategorie „Alltag und Technik“ finden wir an gleicher Stelle
Geräte zur Wiedergabe und Übertragung akustischer Information und
Lärmschutzmaßnahmen. Die Erschließungskategorie „Fachwissenschaft“
betont den Schwingungsbegriff mit seinen charakteristischen Größen.
1.1.3 Verbindungen zum Fach Musik Die Kooperation der Fächer Physik und Musik bei der Akustik ist nahe-
liegend und laut Rahmenplan Physik auch „empfehlenswert“5. Die prak-
tische Umsetzung dieser Zusammenarbeit wird jedoch erschwert, da die
Akustik von Seiten der Physik in die 7. Jahrgangsstufe gehört, in der bei uns
kein Musikunterricht stattfindet. Dennoch möchte ich kurz auf die Verbin-
dungen des Themas zum Fach Musik eingehen.
Die Inhalte des Faches Musik sind in dem aktuellen Rahmenplan7 nach ver-
schiedenen Umgangsweisen mit Musik gegliedert. Dabei sind die für uns
relevanten Aspekte hauptsächlich unter den Umgangsweisen (1) „Musik ma-
chen mit Stimme, Instrumenten, technischen Medien“ und (8) „Elemente der
Musiklehre ableiten und anwenden“ zu finden. Bei (1) wird der Einsatz
selbst gebauter Instrumente empfohlen (S. 6), sowie der kreative Einsatz
technischer Medien zur Schallaufzeichnung und Wiedergabe thematisiert.
Zu den unter (8) genannten Elementen der Musiklehre zählen „Kenntnisse,
die sich aus den musikalischen Eigenschaften Tondauer, Tonintensität,
Tonhöhe und Klangfarbe und Form ableiten lassen.“ (S. 9) Hier wird die
Verbindung zur physikalischen Begriffsfindung deutlich. Dabei muss klar
6 Das interne Curriculum der Prälat-Diehl-Schule ergänzt diese Aufzählung lediglich um einen Richtwert von acht Unterrichtsstunden für den Zeitbedarf. 7 HESSISCHES KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Musik, Sek. I, Frankfurt/M. 1997
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sein, dass für beide Fächer ein wesentliches Lernziel noch vor den Begriffen
selbst steht: die Schulung der auditiven Wahrnehmung, das Hören, Erken-
nen und Unterscheiden der akustischen Phänomene selbst8.
Im unterrichtspraktischen Teil nennt der Rahmenplan Musik noch die fol-
genden für uns relevanten Ziele: Die Schülerinnen und Schüler sollen
„Fertigkeiten im Umgang mit Stimme und im elementaren Instrumentalspiel
erworben haben“ und „verschiedene Instrumente, ihren Klang und ihre
Spielweise kennen“ (Klassen 5/6), „Kenntnisse über traditionelle Instru-
mente erweitert haben...“ und „Kenntnisse über elektronisches Instrumenta-
rium bei der Produktion und Vermittlung von Musik gewonnen haben“
(Klassen 7/8). Im Thema „Instrumente in Pop und Klassik“ (Klassen 5/6)
sollen die Schülerinnen und Schüler u.a. „typische Instrumente vom Klang
und Bild her kennen und unterscheiden lernen“ und „grundlegende Klang-
erzeugungsarten erforschen“ (S. 22). Stärker als im Rahmenplan finden wir
physikalische Aspekte in Schulbüchern für den Musikunterricht.9
Die Auswahl der Inhalte und Ziele dieser Unterrichtsreihe soll von den In-
teressen der Physik her erfolgen. Dennoch wird deutlich, dass die Schüle-
rinnen und Schüler gleichzeitig auch für ihren Fortgang im Musikunterricht
profitieren können. Da der aktuelle Rahmenplan Musik offen lässt, inwie-
fern akustische Grundlagen im Musikunterricht behandelt werden, ist die
Absprache im konkreten Fall notwendig, um reine Wiederholungen zu ver-
meiden und gegenseitigen Gewinn zu ermöglichen.
1.2 Die Lerngruppe und weitere Rahmenbedingungen Die Unterrichtsreihe habe ich in der 7b vom 10.2. bis zum 19.3.1999 ge-
halten. In dieser Klasse unterrichte ich seit Beginn des Schuljahres 1998/99
eigenverantwortlich Mathematik und Physik. Im ersten Halbjahr haben wir
uns mit Optik beschäftigt, wobei deutlich wurde, dass die Klasse zum einen
durch interessante Versuche und Erlebnisse gut motiviert werden kann, zum
anderen die Schülerinnen und Schüler aber ohne besondere Impulse nur
verhaltenes Interesse an physikalischen Fragestellungen mitbringen. Bei
8 Siehe auch Umgangsweise (3) „Musik hören“, Rahmenplan Musik S. 7 9 z.B. PRINZ., U./SCHEYTT, A. U.A.: Musik um uns 2 (3. Aufl.), Hannover 1993, S. 166ff und PRINZ., U./SCHEYTT, A. U.A.: Musik um uns 1 (3. Aufl.), Hannover 1991, S. 212ff
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schwierigeren Problemen fehlt teilweise das Durchhaltevermögen, um
Lösungen eigenständig zu erarbeiten. Diese Einschätzung möchte ich an-
hand zweier charakteristischer Situationen erläutern:
Zu Beginn der Optik soll das Licht als Voraussetzung für das Sehen erkannt
werden. Im vollständig verdunkelten Physikraum befinden sich zwei Spiel-
zeugtiere unter einer dimmbaren Lampe, die nach und nach heller geregelt
wird. Mit unglaublichem Eifer versuchen die Schülerinnen und Schüler ihre
Wahrnehmungen zu beschreiben und zu erraten, was zu sehen ist. Alle sind
motiviert und beteiligt. Im zweiten Beispiel sollen die Schülerinnen und
Schüler die wechselnde Gestalt des Mondes erklären, indem sie gruppen-
weise experimentieren: Zwei OH-Projektoren simulieren das Sonnenlicht,
die Erde spielen sie selbst und eine Holzkugel lassen sie als Mond um sich
kreisen. Eine anspruchsvolle Aufgabe, die Beobachtungen in eine zwei-
dimensionale Darstellung auf einem Arbeitsblatt zu übertragen. Dennoch
überraschen mich Äußerungen wie: „Wozu müssen wir das wissen? Ich
schaue mir den Mond eh nie an!“ Formale Überlegungen ohne konkrete
Operationen stellen altersgemäß für die meisten Schülerinnen und Schüler
noch eine Überforderung dar. Dies wurde z.B. bei der Thematisierung des
Modellbegriffs (Lichtstrahl/Sender-Empfänger) deutlich10.
Da in der siebten Klasse bei uns kein Musikunterricht stattfindet, habe ich
die 7b selbst nicht im Musikunterricht erlebt. Von ihrem ehemaligen Musik-
lehrer weiß ich, dass traditionelle Musikinstrumente behandelt, aber keine
selbst gebaut wurden. Zwei Schülerinnen spielen Klarinette, ein Schüler
spielt Geige. Mehrere haben Blockflöte gespielt, scheinen es aber nicht
mehr zu praktizieren. Drei Mädchen spielen Klavier, eine Orgel und auch
Keyboard wird zweimal genannt. Ein Junge hat Gitarre und Trompete
gespielt, einer nennt Schlagzeug.
Ein auffälliges Merkmal der Lerngruppe ist die ungleiche Verteilung der
Geschlechter: Die 7b besteht aus 18 Schülerinnen und nur 8 Schülern. Gra-
vierender machen sich jedoch die Unterschiede im Arbeits- und Sozialver-
halten bemerkbar. Die Gruppe der Jungen teilt sich in vier sehr stille und
vier stark verhaltensauffällige Schüler auf, die durch ihr extrem unkonzen-
10 zu entwicklungspsych. Aspekten vgl. GUDJONS, H.: Päd. Grundwissen, Bad Heilbrunn 1993, S. 114
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triertes und unruhiges Verhalten leider einen sehr großen Anteil der Leh-
reraufmerksamkeit auf sich ziehen. Die überwiegende Mehrheit bearbeitet
gestellte Aufgaben dagegen zuverlässig und die Physikhefte werden insge-
samt ordentlich und gründlich geführt. Die Leistungsstarken der Klasse sind
allesamt eher ruhiger Natur und wollen sich ihrer Sache sicher sein, bevor
sie sich den anderen mitteilen. Von den vier „Störenfrieden“ haben drei im
ersten Halbjahr in Physik eine 5 bekommen. Einer von ihnen hat das Klas-
senziel in fast keinem Fach erreicht. Durch seine Fremdsprachenwahl hat er
jedoch keine Möglichkeit die Schule zu wechseln und so sitzt er in der
Regel die Zeit im Unterricht ab, wobei er oft stört und andere ablenkt.
Die Schülerinnen und Schüler sind es gewohnt Aufgaben und Experimente
tischgruppenweise zu bearbeiten. Dabei ist es üblich, dass jeder für die Dar-
stellung des Ergebnisses in seinem Heft verantwortlich ist, gleichzeitig aber
pro Stunde ein Gruppenergebnis abgegeben wird. In solchen Übungs- und
Experimentierphasen wirkt sich die Konzentrationsschwäche einzelner nicht
so stark auf die anderen aus. Die Gruppenergebnisse zeigen jedoch entspre-
chend unterschiedliche Qualität.
Die wichtigsten Aspekte möchte ich noch einmal kurz zusammenfassen:
(1) Die Lerngruppe zeichnet sich nicht durch besonders starkes Eigen-interesse an physikalischen oder musikalischen Fragestellungen aus, lässt sich aber durch motivierende Impulse begeistern.
(2) Das Durchhaltevermögen in schwierigen und komplexen Aufgaben-stellungen ist nur mäßig ausgeprägt. Überforderungen, insbesondere formal-operative Probleme, wirken schnell demotivierend.
(3) Die wichtigsten Musikinstrumente sind einigermaßen bekannt, aber re-lativ wenige erlernen intensiver eine Instrument.
(4) Der Hauptteil der Klasse arbeitet zuverlässig und gewissenhaft mit, es gibt keine „Vielredner“, alle Leistungsstarken sind eher stiller Natur.
(5) Vier Schüler sorgen für permanente Unterrichtsstörungen und sind nur sehr schwer in den Unterricht zu integrieren.
(6) Gruppenarbeiten sind von der Klasse her möglich und vorteilhaft, wenn die technischen Voraussetzungen gegeben sind.
Der Physikunterricht der 7b liegt normalerweise in zwei Einzelstunden, ich
kann jedoch mit den Mathematikstunden so disponieren, dass ich bei Bedarf
auch Doppelstunden zur Verfügung habe. Schwierig gestaltet sich die Com-
puterausstattung: Nur nach einigen Mühen konnte ein älterer Rechner
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(486er mit 33MHz) aus einer Spende für die Mittelstufe soundfähig gemacht
werden. Bessere Rechner gibt es nur im Oberstufengebäude, das gut zehn
Minuten Fußweg von der Mittelstufe entfernt ist. Nach Absprache mit den
Kollegen der Informatik und Arbeitslehre besteht auch die Möglichkeit ein
schwarzweiß LCD-Display für den OH-Projektor aus dem Informatikraum
zu leihen, sodass der Bildschirminhalt projiziert werden kann.
1.3 Didaktische Analyse
1.3.1 Kriterien für die Auswahl der Inhalte Ich halte die Platzierung der Akustik im Physik-Anfangsunterricht der
Klasse 7 für geeignet. Durch Optik, Akustik und Wärmelehre im ersten Jahr
des Physikunterrichts wird direkt an drei Kanäle unseres Natur- und Um-
welterlebens angeknüpft. Gerade die Akustik mit ihrer Verbindung zur Mu-
sik kann und muss viele Bezüge der Physik zur Alltagswelt der Schülerin-
nen und Schüler bieten. Für nahezu alle Jugendliche spielt Musik eine sehr
wichtige Rolle im Alltag. In den folgenden Überlegungen kommt es darauf
an, diesen Bezug zu nutzen, um den Schülerinnen und Schülern den Lohn
physikalischer Auseinandersetzung mit der Umwelt deutlich zu machen.
Akustikunterricht in dieser Phase muss sich weitestgehend auf ein Kennen-
lernen und Beschreiben grundlegender und exemplarischer Phänomene be-
schränken, da jegliche Mathematisierung weit über das Abstraktionsniveau
und das mathematische Werkzeug der siebten Klasse hinausgeht. Von der
sinnvollen Wahl dieser Phänomene, ihrer Reduktion auf ein angemessenes
Niveau und ihrer Einbettung in die Welt der Jugendlichen wird maßgeblich
der Erfolg der Unterrichtsreihe abhängen. Dabei müssen die Möglichkeiten
der didaktische Reduktion und des Lebensweltbezugs bereits während der
Wahl der Inhalte geprüft werden, da Inhalte ohne entsprechende Eignung
nicht sinnvoll unterrichtet werden können. W. BLEICHROTH11
nennt als
notwendige Bedingungen zu einer sinnvollen Auswahl physikalischer
Unterrichtsinhalte zusammenfassend die Forderung
1. der prinzipiellen Konformität des Inhalts mit Leitzielen des Faches, 2. der Motivierbarkeit des Inhalts im Bezug zur Lerngruppe, und
11 in BLEICHROTH, W. U.A.: Fachdidaktik Physik (2. Aufl.), Köln 1999, S. 108
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3. der Elementarisierbarkeit des Inhalts auf ein der Gruppe angemessenes Niveau.
Das Kennenlernen der Phänomene wird ohne eigenes Beobachten in der
Regel nicht möglich sein. Daher halte ich als weitere Forderung die experi-
mentelle Realisierbarkeit für unverzichtbar: Sinnvolle Unterrichtsinhalte für
diese Klassenstufe müssen den Schülerinnen und Schülern experimentell
(oder zumindest bildlich) bereitgestellt werden. Zwar ist die Frage berech-
tigt, ob es Inhalte gibt, die ohne Anschauungsobjekt motivierbar und ele-
mentarisierbar sind, die Überlegung macht jedoch deutlich, dass die didakti-
schen Entscheidungen bezüglich der Inhalte nicht losgelöst von experimen-
tellen, also fachmethodischen, Entscheidungen getroffen werden können.
Ziele? Welchen Gewinn haben die Lernenden durch die Behandlung des Inhalts
Motivierbar? Wodurch wird der Inhalt
für die Lerngruppe interessant?
Inhalt meist physikalisches
Phänomen oder physikalischer Begriff
Objekt/Experiment? Woran wird der Inhalt im
Unterricht untersucht?
Elementarisierbar? Wie lässt sich der Inhalt
auf ein angemessenes Niveau reduzieren?
Abbildung 1 Bedingungsfelder für die Auswahl der Inhalte
Aus Platzgründen kann ich bei der Erörterung nicht auf alle Aspekte einge-
hen, sondern muss mich auf die wesentlichsten Überlegungen beschränken.
1.3.2 Die Auswahl der physikalischen Inhalte 1.3.2.1 Schallerzeugung
Die grundlegenden Inhalte aus dem Bereich Schallerzeugung (im Rahmen-
plan: Schallquellen, Schwingungen und Entstehung von hohen, tiefen, lauten
und leisen Tönen) bedürfen keiner langen Überlegung: Ohne Schallquellen
gibt es keinen Schall, und ohne dem Schwingungsbegriff und den zugehöri-
gen Größen Frequenz und Amplitude lässt sich wohl kaum eine physikali-
sche Aussage zu akustischen Phänomenen machen. Diese Inhalte sind ent-
sprechend Standard in Physik- und Musikbüchern.
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Das Thema dieser Arbeit gibt uns bestimmte Schallquellen in die Hand, von
denen wir uns eine motivierende Wirkung erhoffen. Bleibt die Frage, ob
diese als Untersuchungsobjekte ausreichend sind, oder ob außer den Musik-
instrumenten andere Schwingungserzeuger nötig bzw. hilfreich erscheinen.
An Saiteninstrumenten oder Stimmgabeln lassen sich die Grundbegriffe der
Akustik gut erfassen. Jedoch haben Schallschwingungen den Nachteil, dass
sie zu schnell für unsere Augen sind. Wir müssen entweder Hilfsmittel zur
Sichtbarmachung einsetzen oder ergänzend langsame Schwingungen be-
trachten. Die Schwingung einer Saite kann mit einfachsten Mitteln qualitativ
sichtbar gemacht werden, indem wir Papierreiter auf ihr tanzen lassen.
Ähnliches bewirken Kügelchen oder Sand auf schwingenden Membranen
(z.B. Lautsprecher). Mit der Schreibstimmgabel lässt sich auf einfache
Weise ein zeitlicher Verlauf aufzeichnen. Durch Zeitlupendarstellung einer
Hochgeschwindigkeitsaufnahme oder mit dem Stroboskop lassen sich
Schwingungsvorgänge genau mit dem Auge verfolgen.
Zur Einführung der Begriffe Frequenz und Amplitude wird üblicherweise
auf ein langsames Fadenpendel zurückgegriffen. Ich finde den Einsatz einer
Blattfeder sinnvoller. An ihr lassen sich hörbare und langsame Schwingun-
gen erzeugen, der direkte Zusammenhang zwischen Frequenz und Tonhöhe
bzw. Amplitude und Lautstärke kann gut beobachtet werden. Ohne vorher-
gehende Betrachtung interessanterer Schallerzeuger, lässt sich die Untersu-
chung der Blattfeder aber schlecht motivieren.
1.3.2.2 Schallausbreitung und Wellenbegriff
Physikalisch gesehen ist Schall ein zeitlich und räumlich periodischer Vor-
gang, also eine Welle. Die Wellenvorstellung ist sicherlich ein physikali-
sches Konzept herausragender Bedeutung, was für die Thematisierung die-
ses Aspekts im Unterricht spricht. Allerdings erscheint es illusorisch, dass
Schülerinnen und Schüler der Klasse 7 in dem gesetzten Zeitrahmen eine
räumliche Vorstellung einer zeitlich variierenden Dichteverteilung ent-
wickeln können. Nach meiner Erfahrung gibt es dabei auch in halbjährigen
Oberstufenkursen zu Schwingungen und Wellen noch genug Schwierigkei-
ten. Andererseits kann der räumliche Aspekt der Schallausbreitung nicht
ganz ausgespart bleiben.
Seite 9
Mögliche Elementarisierungen sehe ich in der Veranschaulichung der
Schwingungsfortpflanzung mithilfe einer Schraubenfeder oder einem Mag-
netrollenmodell. Diese machen den longitudinalen Charakter der Schallwel-
len in Luft
deutlich, ohne
dass entspre-
chende Wel-
lenbegriffe eingeführt werden müssen. Angeregt durch die Beobachtung
einer Schallquelle unter der Vakuumglocke, können sie vorläufig als Ant-
wort auf die Frage dienen, wie der Schall zum Ohr gelangt. Schallausbrei-
tung in anderen Medien lässt sich z.B. mit dem „Fadentelefon“ demonstrie-
ren und sollte meiner Meinung nach im Zusammenhang mit Lärmschutz
behandelt werden.
1.3.2.3 Reflexion des Schalls
Hinter dem verbindlichen Inhalt Reflexion des Schalls stehen die Phäno-
mene Echo und Hall aus dem Alltag. HUYGENSsches Prinzip oder stehende
Wellen ergeben ohne Wellenbegriff keinen Sinn. Das Reflexionsgesetz kann
mit relativ einfachen Experimenten12 bestätigt werden, hat aber seine Be-
deutung eigentlich nur innerhalb einer geometrischen Akustik, in der Rich-
tungsbetrachtungen die entscheidende Rolle spielen (Ultraschallbereich). Im
hörbaren Bereich treten Wellen mit einer einzigen Ausbreitungsrichtung
(ebene Wellen) praktisch nicht auf, außerdem macht das Konzept von
Schallstrahlen durch die starke Beugung dort nicht viel Sinn. Von daher
eignet sich als Unterrichtsinhalt an dieser Stelle lediglich der Fakt, dass
Schall an Gegenständen reflektiert wird und dadurch Hall und Echo entste-
hen. Dies kann am ehesten durch Hörbeispiele motiviert werden, in denen
Geräusche in verschiedenen Räumen bzw. im Freien verglichen werden.
1.3.2.4 Die Schallgeschwindigkeit und ihre Messung
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls spielt für die Musikinstru-
mente eine große Rolle: Über die Beziehung c = λ f wird der
Zusammenhang zwischen geometrischen Abmessungen eines Instruments
12 Ein typisches Experiment ist eine durch einen Reflektor hörbar gemachte Uhr in einem Becherglas. (z.B. in GRESSMANN, M./MATHEA, W.: Fundgrube f. d. Physikunt., Berlin 1996, S. 199)
Abbildung 2 Magnetrollenmodell zur Schallausbreitung
Seite 10
und der erklingenden Tonhöhe beschrieben. Daher erklingen Blasinstru-
mente oder die menschliche Stimme anders, wenn wir sie mit einem anderen
Gas als Luft (z.B. mit Helium) betreiben. Diese Zusammenhänge benötigen
jedoch Überlegungen zu stehenden und damit auch zu fortschreitenden
Wellen, auf die wir ja aus den dargestellten Gründen verzichten wollen.
Die meisten Schülerinnen und Schüler haben den Begriff Schallgeschwin-
digkeit sicherlich schon gehört (Düsenflugzeuge/Überschallknall). Das Phä-
nomen der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls begegnet
ihnen am ehesten im Echo oder in der bekannten Regel zur Bestimmung der
Entfernung eines Gewitters. Anknüpfend an das Echo ist es naheliegend, mit
den Schülerinnen und Schülern über Möglichkeiten der Messung nach-
zudenken. Bei genügend Zeit wäre der Vergleich einer einfachen Lauf-
zeitmessung über große Entfernungen13 und einer Messung mit zwei Mikro-
fonen am Computer interessant.
1.3.2.5 Schallarten und Frequenzanalyse
Es gibt verschiedene Möglichkeiten Schallarten zu unterscheiden.
M. GRESSMANN und W. MATHEA14 benutzen eine Unterscheidung in Ton,
Klang, Laut, Geräusch und Knall. Ich selbst halte zunächst nur eine Unter-
scheidung von Geräuschen und Klängen für sinnvoll, da diese (relativ) ein-
deutig ist. Laut Höreindruck liegt ein Klang vor, wenn eine (einige wenige)
feste Tonhöhe(n) erkennbar ist (sind). Beim Schwingungsbild ist die
Periodizität das entscheidende Kriterium. Ein Knall braucht als besonders
kurzes Geräusch nicht extra aufgeführt zu werden, und die von Stimmbän-
dern produzierten Laute werden in der Regel zu den Klängen gehören.
Nach der Betrachtung der Schwingungsbilder unterschiedlicher Klänge ist
die Frage interessant, welcher Klang sich am ehesten für einen Hörtest eig-
net. Der reine Sinuston erhält seine herausragende Bedeutung als Spezialfall
durch die Fourieranalyse, die mathematisch natürlich noch nicht zu
verstehen ist. Die Schülerinnen und Schüler können jedoch mithilfe des
Spektrums erkennen, dass nur Stimmgabel oder Sinusgenerator scharfe Fre-
quenzen produzieren. Spektralanalyse ist eine der fruchtbarsten physika-
13 z.B. in HEEPMANN, B. U.A.: Physik für die Sekundarstufe I Klasse 7 (Hessen), Berlin 1996, S. 57 14 GRESSMANN, M./MATHEA, W.: Die Fundgrube f. d. Physikunterricht, Berlin 1996, S. 187f
Seite 11
lischen Methoden in den unterschiedlichsten Gebieten. Ich denke, dass es an
dieser Stelle möglich ist, bereits die Grundidee phänomenologisch und
qualitativ zu vermitteln.
Alternativ oder ergänzend zu der analytischen Betrachtung von Frequenz-
spektren könnte man am Computer auch die Synthese demonstrieren, indem
man versucht, Schwingungsbilder durch Überlagerung harmonischer
Schwingungen nachzubilden15. Ich habe mich für den ersten Weg entschie-
den, da Fourieranalysatoren, wenn auch nur sehr grobe, bereits an vielen
Stereoanlagen vorhanden sind und deshalb näher am Erfahrungsbereich der
Schülerinnen und Schüler liegen. Den Überlagerungsbegriff möchte ich
nicht näher thematisieren16. Allerdings bietet es sich an, eine Schwebung
phänomenologisch als Beispiel zu präsentieren.
1.3.2.6 Eigenschwingungen und Obertöne
Auch wenn die Betrachtung stehender Wellen für uns nicht in Frage kommt,
fasst M. WAGENSCHEIN das Elementare hinter der Thematik Eigenschwin-
gungen so zusammen, dass es auch für unsere Zwecke erreichbar erscheint:
„Eine Saite kann als Ganzes schwingen, sie kann auch in Abteilungen, und dann schneller, schwingen. Sie kann sogar beides gleichzeitig tun und tut es immer. Entsprechend hört ein feines Ohr, wie außer dem Grundton noch leise Obertöne mit einklingen. Das ist auch bei Flöten und Trompeten und in allen Instrumenten so. Und bei jedem Instrument sind diese Obertöne an-dere. So klingt eine Geige anders als eine Flöte, auch wenn sie denselben Ton spielt und ebenso laut. Jedes Instrument hat so seine eigene ,Klangfarbe’.“ 17
Hörbar werden die Eigenschwingungen einer Saite z.B. bei den Flageolett-
tönen einer Gitarre, sichtbar besser bei einem gespanntem Gummiseil, das
über einen Exzenter von einem Motor in Schwingung versetzt wird. Ganz
analog können wir die Naturtöne eines Blechblasinstruments mit den Staub-
figuren im KUNDTschen Rohr vergleichen. Die Frequenzspektren legen das
gleichzeitige Auftreten dieser Eigenschwingungen nahe und führen zum Be-
15 siehe z.B. LINNEMANN, P.: Darstellung beliebiger Funktionen durch eine Fourierreihe unter Einsatz eines Mikrocomputers, Praxis der Naturwissenschaften Physik 8/36 (1987), S. 2-12 16 Er betont stärker die theoretische Seite während ich mich auf die phänomenologische Betrachtung konzentrieren möchte. 17 WAGENSCHEIN, M.: Die pädagogische Dimension der Physik, Braunschweig 1962, S. 236
Seite 12
griff der Klangfarbe. Je nach Zeit, können noch Eigenschwingungen zwei-
dimensionaler Gebilde an CHLADNIschen Klangfiguren betrachtet werden.18
1.3.2.7 Tonleitern, Intervalle und Stimmungen aus physikalischer Sicht
Flageoletttöne werden bei einem Saiteninstrument erzeugt, indem man mit
dem Finger Schwingungsknoten erzwingt. Dies gelingt aufgrund der
Oberschwingungen genau bei der Hälfte, einem Drittel, ... der Saite. Wegen
c = λ f entspricht der Kehrwert dieser Saitenteile dem Frequenzverhältnis
des jeweiligen Intervalls vom Ausgangston zum entsprechenden Oberton.
Abbildung 3 Die Schwingungsmodi einer Saite oder Luftsäule ergeben die Obertonreihe
Entsprechend lassen sich die Frequenzverhältnisse aller Intervalle einer
Tonleiter ableiten. Die aus dieser reinen Stimmung resultierenden Frequen-
zen der C-Dur-Tonleiter sind in der folgenden Tabelle dargestellt19. Prime gr. Sek. gr. Terz Quarte Quinte gr. Sexte gr. Sept. Oktave
Ton c’ d’ e’ f’ g’ a’ h’ c’’ Frequenzverhältnis 1/1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2/1 Frequenz in Hz bei reiner Stimmung 264 297 330 352 396 440 495 528
Frequenz in Hz bei temperierter Stimmung 262 294 330 349 392 440 494 524
Eine solche Berechnung der Frequenzen, führt allerdings in Abhängigkeit
vom Grundton zu unterschiedlichen Ergebnissen, Musikstücke können nicht
in andere Tonarten transponiert werden. Bei der temperierten Stimmung
bleibt nur das 2:1-Verhältnis der Oktave gültig, die anderen Frequenzen
werden angeglichen. Diese Zahlenverhältnisse der reinen Stimmung spielen
18 CHLADNIsche Figuren von Geigenhölzern und Paukenfellen findet man z.B. in WINKLER, K. U.A.: Die Physik der Musikinstrumente (2. Auflage), Heidelberg, Berlin 1998 19 nach EGGEBRECHT, H.H. [HRSG.]: Meyers Taschenlexikon Musik in 3 Bd., Mannheim 1984 und HEEPMANN, B. U.A.: Lehrerbuch zu Cornelsen Physik f. d. Sek. 1 Klasse 7 (Hessen), Berlin 1996
Seite 13
schon in der pythagoreischen Harmonielehre eine wichtige Rolle. Sie führen
zu einer mathematischen Beschreibung der Intervalle20:
• Die Quinte von der Quarte ergibt die Oktave: 32
43
21⋅ =
• Große Terz und Quarte ergeben die große Sexte: 54
43
53⋅ =
• Große Terz und Quinte ergeben die große Septime: 54
32
158⋅ =
• Zwischen großer Sexte und Oktave liegt eine kleine Terz: 21
53
65: =
Das Zusammenspiel von musikalischen Zusammenhängen, ihren physikali-
schen Hintergründen und einer mathematischen Modellierung ist hier ein-
drucksvoll zu erkennen. Dennoch halte ich die Behandlung dieser Inhalte
unter den gegebenen Rahmenbedingungen nicht für sinnvoll. Nur bei di-
rekter Kooperation von Musik-, Physik- und Mathematikunterricht ist der
Umfang dieses Themenkomplexes für die einzelnen Fächer im Maß zu
halten. Allein die musiktheoretischen Grundlagen bedürften einer
ausführlichen Wiederholung. Es bleibt uns daher nichts anderes übrig, als
uns im Wesentlichen auf die Entsprechungen von Halbierung der Saiten-
länge, Verdopplung der Frequenz und Oktavsprung zu beschränken.
1.3.2.8 Erzwungene Schwingungen und Resonanz
Der unter 1.3.2.6 beschriebene Inhaltskomplex hängt eng mit den Fachbe-
griffen der erzwungenen Schwingung und der Resonanz zusammen. Bei den
stehenden Seilwellen und dem KUNDTschen Rohr handelt es sich ja eigent-
lich um Resonanzphänomene bei erzwungenen Schwingungen. Im Bezug
auf Musikinstrumente werden diese Begriffe leicht verwechselt, wenn man
statt von Klangkörpern von Resonanzkörpern spricht. Um ein gleichmäßiges
Klangbild bei einem Instrument zu erhalten, darf der Klangkörper gerade
keine ausgeprägten Resonanzen im entsprechenden Frequenzbereich zeigen.
Die erzwungene Schwingung oder das „Mitschwingen“ ist das Grundprinzip
der Klangverstärkung bei akustischen Instrumenten. Dieses können die
Schülerinnen und Schüler gerade durch den Eigenbau von Instrumenten er-
kunden. Das Phänomen der Resonanz kann gut bei Saiteninstrumenten oder
20 K. PETERS und M. LAGEMANN berechnen in ihrer Unterrichtsreihe in der Klasse 6 hieraus das Pythagoreische Komma als Abweichung der theoretischen Saitenlängen bei zwölf Quintsprüngen
( )[ ]23
12 und sieben Oktavsprüngen ( )[ ]1
2
7. Diese Differenz wird bei der temperierten Stimmung
vertuscht. (PETERS, K./LAGEMANN, M.: Der Mathematikunterricht 6-1998, S. 11-21)
Seite 14
Stimmgabeln beobachtet werden: Gleich oder oktavweise gestimmte Saiten
geraten besonders stark ins Mitschwingen.
1.3.2.9 Energietransport und Energieerhaltung
Durch Experimente mit Klangkörpern können die Schülerinnen und Schüler
leicht auf den Gedanken kommen, dass der Klang eines Instrumentes durch
Vergrößerung desselben beliebig verstärkt werden kann. Physiker wissen
sofort, dass eine Schallwelle Energie transportiert, die erhalten bleibt.
Womit wird also der Lautstärkegewinn „bezahlt“? Die Antwort geben zwei
identische Stimmgabeln, die durch aneinanderstoßen gleich laut klingen.
Wird eine davon mit einem Klangkörper verbunden, ist sie sehr viel lauter
zu hören als die andere. Ist ihr Ton verklungen, klingt die andere aber immer
noch. Ohne die Begriffe Energie und Energietransport thematisieren zu
müssen, kann an dieser Stelle propädeutisch auf den Energiesatz
hingearbeitet werden: Ohne Energiezufuhr erhalten wir Lautstärke nur auf
Kosten der Klangdauer.
1.3.2.10 Lärm und Lärmschutz
Die Erziehung zu ökologisch verantwortlichem Handeln ist eins der wichtig-
sten Bildungsziele21. Deshalb sollte das Thema Lärm und Lärmschutz im
Akustikunterricht in Klasse 7 auf keinen Fall fehlen. Dennoch führt es von
der Untersuchung von Musikinstrumenten eher weg. Zwar hat das Thema
eine besondere Bedeutung für Musiker, es wäre jedoch zu einseitig, den
Umweltaspekt der Akustik darauf zu reduzieren. Ich habe mich daher ent-
schieden, diesen Bereich in der vorliegenden Unterrichtsreihe auszusparen
um ihn anschließend in einer unabhängigen Einheit zu behandeln.22
1.3.2.11 Aufzeichnung und Wiedergabe von Schall
Die Aufzeichnung und Wiedergabe von Schallereignissen spielt im Alltag
eine nicht wegzudenkende Rolle. Deshalb kann man meines Erachtens auf
die im Rahmenplan empfohlene Thematisierung kaum verzichten. Für den
21 KLAFKI, W.: Neue Studien zur Bildungstheorie und Didaktik, Weinheim 1991, S. 43ff 22 Dazu bietet sich einerseits das von GÖTZ FRIEDEL
(Töne, Klänge - Lärm, Päd. Prüfungsarb. am Studiensem. Bensheim 1998) vorgestellte Projekt mit dem Schwergewicht bei der Lärmmessung an, andererseits geben gerade wieder die Musikhörgewohnheiten der Jugendlichen und biologische Aspekte einen interessanten Anknüpfungspunkt (siehe besonders BUNDESZENTRALE FÜR
GESUNDHEITLICHE AUFKLÄRUNG: Lärm & Gesundheit - Materialien für 5.-10. Klassen, Köln).
Seite 15
Unterricht in der Klasse 7 ist dieses Thema jedoch mit einigen Schwierig-
keiten verbunden, auf die ich erst unter 1.5.1 näher eingehen möchte.
1.4 Die Rolle der Musikinstrumente Die Rolle der Untersuchungsobjekte bei den ausgewählten Inhalten soll
möglichst von den Musikinstrumenten übernommen werden. Diesen kommt
dadurch für die Unterrichtsplanung eine motivierende, eine methodische und
eine Gliederungsfunktion zu.
1.4.1 Der handlungsorientierte Aspekt Durch das Entwerfen und Herstellen einfacher Instrumente sollen die
Schülerinnen und Schüler sich kreativ und handelnd mit den physikalischen
und musikalischen Phänomenen auseinandersetzen. Dadurch machen sie auf
enaktiver Ebene Erfahrungen mit Schwingungen und schwingungsfähigen
Systemen, sie erleben den Einfluss von Elastizität, Spannung, Abmessungen
und Material auf den Klang und die Wirkung von Klangkörpern auf die
Lautstärke. Gleichzeitig werden an einfachen, selbst gebauten Instrumenten
die wesentlichen Elemente der Klangerzeugung deutlich, die an manchen
professionellen Geräten durch aufwendige Details eher verdeckt werden. Da
Selbstbauinstrumente jedoch einige charakteristische Qualitätsmerkmale
hochwertiger Musikinstrumente nicht aufzeigen können, darf daneben auch
die Betrachtung handelsüblicher Geräte nicht zu kurz kommen.
1.4.2 Die Zuordnung der Inhalte zu den Instrumenten Die grundlegenden Begriffe (vgl. 1.3.2.1) der Akustik lassen sich meiner
Meinung nach am besten an den Saiteninstrumenten erkennen, da die schall-
erzeugende Schwingung hier am offensichtlichsten ist. Folglich gehören
diese an den Anfang der Unterrichtsreihe. Einflussfaktoren auf Amplitude
und Frequenz, aber auch die Auswirkungen verschiedener Klangkörper (vgl.
1.3.2.8 und 1.3.2.9) lassen sich hier gut untersuchen.
Da zur Betrachtung der Obertöne Frequenzspektren hilfreich sind, bietet es
sich an, die Schallarten (vgl. 1.3.2.5) vor den Eigenschwingungen zu behan-
deln. Daher ist es sinnvoll als zweite Kategorie die Schlaginstrumente zu
untersuchen, da diese im Gegensatz zu Saiten- oder Blasinstrumenten meist
Geräusche produzieren. Die unterschiedlichen musikalischen Einsatzmög-
lichkeiten bekommen hier eine physikalische Begründung.
Seite 16
Bei den Blasinstrumenten ist die Schallerzeugung nicht sichtbar, die Ana-
logie der schwingenden Luftsäule zur Saite wird aber besonders bei den
Eigenschwingungen (1.3.2.6 und 1.3.2.7) deutlich. Deshalb ist es vernünftig,
diese Instrumentengruppe als letzte, im direkten Vergleich, zu behandeln.
Das Thema Schallaufzeichnung (vgl. 1.3.2.11) wird vor der ersten Benut-
zung des Computers relevant, also spätestens bei der Einführung der Schlag-
instrumente. Die restlichen Themengebiete sind eher unabhängig von den
gerade untersuchten Instrumenten. Jedoch sollte das grundlegende Modell
zur Schallausbreitung (vgl. 1.3.2.2) relativ am Anfang eingeführt werden.
1.5 Der Einsatz des Computers in der Akustik
1.5.1 Schallaufzeichnung mit dem Computer Die elektromagnetische Aufzeichnungsmethode der Kompaktkassette ist
zwar im Alltag geläufig, jedoch physikalisch ohne die nötigen
Vorkenntnisse (Elektromagnetismus, WEISSsche Bezirke, ...) nicht zu
durchschauen. Die analoge Schallplatte ist technisch einfach, aber wohl
weitestgehend aus der Erfahrungswelt verschwunden. Die digitale CD ist
eigentlich kein „Schallspeicher“, sondern ein Datenspeicher, wie die CD-
ROM deutlich macht. D.h. der Schwerpunkt bei der Behandlung der CD
läge auf der Digitalisierung des analogen Signals, einem Thema, das mit
dem Rest der Akustik nicht viel zu tun hat.
Im Studiobereich ist schon heute der Computer das Gerät Nr. 1 zur
Schallaufzeichnung. Er hat längst die meisten Bandmaschinen ersetzt, und
auch im Rundfunk sind Plattenschränke zugunsten von Servern gewichen.
Der Trend, dass Computer und ihre verschiedensten Formen der Daten-
speicherung für Tonaufnahmen genutzt werden, wird sich in nächster Zeit
stark auf den Konsumentenbereich fortsetzen. Zum Beispiel gibt es bereits
Walkman-ähnliche Abspielgeräte für Musikdateien, die mit dem Computer
erstellt oder aus dem Internet bezogen werden können. Von daher ist es auf
jeden Fall zukunftsorientiert, im Unterricht gleich den Computer in den
Mittelpunkt der Schallaufzeichnung zu stellen.
Der Computer hat noch weitere didaktische Vorteile gegenüber der CD: Die
Frage der „Aufbewahrung“ der Musik ist jetzt eindeutiger unter das Problem
der Datenspeicherung einzuordnen und kann leichter „vertagt“ werden.
Seite 17
Ferner kann auch die Digitalisierung, wenn sie an dieser Stelle nicht behan-
delt werden soll, leichter „verschwiegen“ werden. Der Computer kann ja die
digitalen Daten dem Anwender jederzeit als analoge Schwingungskurve prä-
sentieren. Die Spur der Schreibstimmgabel ist der Schwingungskurve auf
dem Bildschirm sogar ähnlicher, als der Rille der Schallplatte. Schließlich
stehen uns mit dem Computer, neben den gewohnten Aufnahme- und
Schnittmöglichkeiten, jede Menge weitere interessante Optionen wie
Funktionengenerator oder Hallgerät zur Verfügung.
1.5.2 Computer oder Oszilloskop Durch die Möglichkeiten der Sichtbarmachung der Schwingungen erfüllt
der Computer auch die Funktion des Oszilloskops23. Der Gefahr des Miss-
verstehens des Oszillographenbildes als Bild der Schallwelle kann durch
direkten Vergleich mit dem Bild der Schreibstimmgabel etwas entgegenge-
wirkt werden. So können die Schülerinnen und Schüler die Schwingung der
Schreibspitze zunächst real betrachten und anschließend die Entstehung des
Bildes durch Bewegung der Stimmgabel nachvollziehen. Dennoch ist die
Interpretation des Schwingungsbildes ein zu beachtendes Problem.
Der Computer hat gegenüber dem Oszilloskop den Vorteil des statischen
Bildes. Stünde in der Mittelstufe ein leistungsfähigerer PC zur Verfügung,
könnte man ihn wechselweise auch als dynamisches Oszilloskop verwen-
den. Auf die zusätzliche Einführung eines Oszilloskops möchte ich jedoch
verzichten (weitere Black-Box). Viele Schülerinnen und Schüler könnten
die Experimente mit dem PC sogar zuhause durchführen.
1.5.3 Die Auswahl der eingesetzten Software Grundsätzlich stehen viele Programme zur Verfügung, die unseren Anforde-
rungen bezüglich Aufzeichnung und Sichtbarmachung von Schall genügen.
Einige werden im Anhang 4.4 aufgeführt. Wegen der einfachen Bedienung
und der Übersichtlichkeit durch zwei Anzeigebereiche werde ich zur
23 In der didaktischen Literatur gibt es recht unterschiedliche Meinungen darüber, wann so ein Gerät überhaupt einzuführen sei: „Bei der Ein führung in die Akustik sollte auf keinen Fall sofort ein Oszilloskop eingesetzt werden. Die Schüler würden sonst glauben, auf dem Bildschirm die Schallwellen zu sehen.“ HEEPMANN, B. U.A.: Lehrerbuch zu Cornelsen Physik f. d. S. 1 Kl. 7 (Hessen), Berlin 1996, S. 43 oder „Wir setzen schon sehr früh ein Oszilloskop als optisches Hilfsmittel ein.“ PETERS, K./LAGEMANN, M.: Eine interdisziplinäre Reihe zur Bruchrechnung/Akustik/Harmonielehre, MU 6 (1998), S. 15
Seite 18
Schallaufzeichnung vornehmlich Wave Shaper benutzen, zur Messung der
Schallgeschwindigkeit Cool Edit und als Fourieranalysator und Oszilloskop
FFT. Letzteres läuft aber nur auf einem Rechner im Oberstufengebäude.
1.6 Die Lernziele der Unterrichtsreihe Im Folgenden möchte ich die aus den inhaltlichen Überlegungen resultieren-
den Lernziele der Unterrichtsreihe darstellen. Ziele, die mehrere Kategorien
betreffen, sind nur einmal aufgeführt. Einige Ziele lassen sich bestimmten
Unterrichtsstunden zuordnen, andere beschreiben Intentionen, die während
der gesamten Reihe verfolgt werden. Ein Großteil der operationalisierten
Lernziele aus 1.6.2.2 und 1.6.3.2 sollen in einer einstündigen Lernkontrolle
überprüft werden. Die Zuordnung der Lernziele zu den einzelnen Aufgaben
soll hier aus Platzgründen nicht weiter erläutert werden. Zu Einzelheiten des
Tests möchte ich auf die Auswertung in Abschnitt 3.1 und die im Anhang
4.3 beigelegten Exemplare verweisen.
1.6.1 Fachunabhängige Lernziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ... A1) ihre Fähigkeiten der auditiven Wahrnehmung schulen, das Hören,
Erkennen und Unterscheiden akustischer Phänomene üben24. A2) lernen, still zu sein, um akustische Phänomene wahrzunehmen. A3) erleben, dass naturwissenschaftliche Erkenntnisse auch zum Verstehen
künstlerischer Gebiete hilfreich sein können. A4) merken, dass einige Aspekte der Musik naturgegebenen Bedingungen
unterliegen, andere sich naturwissenschaftlichen Zugängen entziehen. A5) lernen, Interessen auch über Fachgrenzen hinaus zu verfolgen. A6) ihre Kreativität nutzen, um interessante Instrumente zu entwickeln. A7) ihr handwerkliches Geschick ausbauen. A8) ihr Geschick im Umgang mit Computern verbessern. A9) üben, produktiv in Gruppen zu arbeiten und Versuche durchzuführen
ohne andere zu stören. A10) üben, Ergebnisse einfacher Experimente selbständig darzustellen. A11) lernen, Analogien zur Deutung beobachteter Phänomene zu nutzen.
1.6.2 Physikalische Lernziele 1.6.2.1 Allgemeine fachspezifische Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ...
24 HESSISCHES KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Musik, Sek. I, Frankfurt/M. 1997, S. 7
Seite 19
PA1) Grundkenntnisse erwerben, die für das Verständnis der Phänomene und Gesetzmäßigkeiten des Schalls nötig sind.25
PA2) Erscheinungen der Akustik aus Sicht der Physik beobachten und unter angemessener Verwendung der Fachsprache beschreiben.25
PA3) zur freiwilligen Beschäftigung mit Physik angeregt werden.25
1.6.2.2 Inhaltsspezifische Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ... P1) den Schwingungsbegriff, die Größen Frequenz und Amplitude sowie
die Einheit Hertz kennen und mit ihnen argumentieren können.
P2) Schwingungen als Schallursache begreifen.
P3) wissen, dass zur Schallausbreitung immer ein (elastisches) Medium (i.d.R. Luft) notwendig ist und ein anschauliches Modell von der Schallfortpflanzung kennen bzw. verwenden können.
P4) ungefähre Grenzen des hörbaren Frequenzbereichs kennen.
P5) die Zusammenhänge zwischen Tonhöhe und Frequenz sowie Laut-stärke und Amplitude kennen.
P6) Möglichkeiten der Frequenzänderung bei Saiten- und Blas-instrumenten kennen und in Je-desto-Beziehungen benennen können.
P7) wissen, dass die Halbierung der Länge einer Saite der Verdopplung der Frequenz entspricht.
P8) das Grundprinzip analoger Schallaufzeichnung kennen und Schwin-gungsbilder als grafische Darstellung eines zeitlichen Schwingungs-verlaufs interpretieren können.
P9) den Amplitudenverlauf in der grafischen Übersichtsdarstellung einer Klangdatei des Computers erkennen.
P10) das Phänomen einer Schwebung als Ergebnis der Überlagerung zweier Schwingungen ähnlicher Frequenz kennen.
P11) den Begriff des Frequenzspektrums kennenlernen und wissen, dass Schallereignisse i.d.R. mehrere Frequenzen aufweisen
P12) Klänge und Geräusche nach dem Schwingungsbild und dem Fre-quenzspektrum unterscheiden können, typische Schwingungsbilder und Spektren skizzieren und beschreiben können.
P13) Frequenz- und Amplitudenverlauf eines einfachen Schwingungsbildes erkennen und die entsprechende Änderung des Höreindrucks vorhersagen können.
P14) den Sinuston als wichtigen Spezialfall von anderen Klängen am Schwingungsbild und am Frequenzspektrum unterscheiden können.
25 vgl. HESSISCHES KULTUSMINISTERIUM: Rahmenplan Physik, Frankfurt/M. 1996, S. 5ff
Seite 20
P15) den Sinusgenerator kennen und die Frequenz- und Amplituden-einstellung bedienen können.
P16) wissen, dass Saiten und Luftsäulen bei bestimmten Frequenzen Eigenschwingungen besitzen.
P17) die Eigenschwingungsmodi einer gespannten Saite und einer Luftsäule in einer offenen Röhre skizzieren und unterscheiden können.
P18) den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Knoten einer Eigen-schwingung und der Frequenz kennen.
P19) Hall und Echo mithilfe der Schallreflexion erklären können.
P20) ein Messverfahren zur Schallgeschwindigkeit beschreiben können.
1.6.3 Musikalische Lernziele 1.6.3.1 Allgemeine fachspezifische Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ... MA1)einige Musikinstrumente mit ihrem Klang und ihrer Spielweise besser
kennenlernen.26
MA2)Musikinstrumente nach Saiten-, Schlag- und Blasinstrumenten un-terscheiden können.
MA3)Interessen und Vorlieben für bestimmte Instrumente entdecken.
MA4)grundlegende Klangerzeugungsarten kennen und erklären können26.
MA5)lernen, verschiedene Töne auf einfachen Instrumenten zu erzeugen.
1.6.3.2 Inhaltsspezifische Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen ... M1) Möglichkeiten der Tonhöhenveränderung bei Saiten- und Blas-
instrumenten kennen und in Je-desto-Beziehungen benennen können.
M2) wissen, dass die Halbierung der Länge einer Saite der Erhöhung des Tons um eine Oktave entspricht.
M3) die Auswirkung von Klangkörpern auf Lautstärke und Klangdauer eines Instruments beschreiben können.
M4) Klänge und Geräusche nach dem Gehör unterscheiden können.
M5) wissen, dass Instrumentenklänge aus einem Grundton und Obertönen zusammengesetzt sind, und dass diese Mischung charakteristisch für die Klangfarbe eines Instruments ist.
M6) die Möglichkeit der Musikaufzeichnung und -bearbeitung mit dem Computer kennen, und die Grundfunktionen bei entsprechender Soft-ware bedienen können26.
26 siehe Abschnitt 1.1.3
Seite 21
1.7 Methodische Überlegungen
1.7.1 Methodische Konzepte und Leitideen Einige grundsätzliche methodische Ideen und Konzepte sollen in dem Un-
terricht dieser Reihe umgesetzt werden: Der Schwerpunkt der Aktivität soll
möglichst den Schülerinnen und Schülern überlassen werden, entdeckender
Unterricht wird darbietendem vorgezogen. Dennoch wird der enge Zeitrah-
men stark steuernde Eingriffe und Impulse verlangen, was das Klären
zahlreicher Aspekte im eher fragend-entwickelnden Schüler-Lehrer-
Gespräch unvermeidlich macht. Die ausgewählten Inhalte können nur als
exemplarisch für größerer Strukturen und Methoden angesehen werden, von
den konkret untersuchten Phänomenen muss i.d.R. induktiv ver-
allgemeinernd geschlossen werden, um überhaupt zu allgemeingültigen
Aussagen zu gelangen.
Die Notwendigkeit der Motivation durch kognitive Konflikte oder verwun-
dernde Phänomene verhindert ein Vorgehen vom Einfachen zum Kompli-
zierten nach dem Prinzip der kleinen Schritte. Dennoch müssen Überforde-
rungen vermieden und der Weg „vom Sehen zum Verstehen“ bruchlos und
unter „Stärkung der Verwurzelung des Fühlens und Denkens in den vorwis-
senschaftlichen Naturerfahrungen der Kinder“27 gegangen werden.
1.7.2 Einstiege und Motivation Gerade in dieser Klasse kommt den Unterrichtseinstiegen eine besondere
Bedeutung zu28. Daher ist vor allem die erste Stunde voll mit motivierenden
Experimenten, deren Fragen nach und nach beantwortet werden müssen. Mit
möglichst überraschenden oder verblüffenden Experimenten soll generell zu
Beginn der Stunden Neugier geweckt werden. Zum Beispiel:
1. Stunde: Die Elektrogitarre - als lautstarkes Gerät bekannt - stellt sich un-
verstärkt nur leise zirpend vor. Der Verstärker lässt darauf liegende
Papierkügelchen jedoch gleich tanzen.
27 nach WAGENSCHEIN, M./BUCK, P./KÖHNLEIN, W.: Martin Wagenschein - Ein Interview zu seinem Lebenswerk, chimica didactica 1981 7, S. 162 28 Vergleiche Punkte 1, 4 und 5 auf S. 5.
Seite 22
9. Stunde: Ein Motor mit regelbarer Drehzahl setzt über einen Exzenter ein
mehrere Meter langes Gummiseil in Bewegung und regt in diesem Eigen-
schwingungen mit immer mehr Knoten an.
11. Stunde: Die Schülerinnen und Schüler dürfen in ein Mikrofon sprechen,
das über ein Hallgerät mit einem Verstärker verbunden ist. Es lassen sich im
Physiksaal „Badezimmerakustik“ oder „Kathedralenstimmung“ simulieren.
1.7.3 Experimente und Sozialformen Die Sozialform des Unterrichts wird wesentlich durch die Form der Expe-
rimente festgelegt29. Die Lerngruppenbeschreibung und das geringe Ge-
fahrenpotential der akustischen Experimente sprechen dafür, Experimente
möglichst als Schülerversuche durchführen zu lassen. Durch die selbst ge-
bauten Instrumente liegen Untersuchungsgegenstände in ausreichender
Stückzahl und großer Verschiedenheit vor. Im Experimentiersaal lässt man
die Schülerinnen und Schüler am besten zu viert an einem Tisch arbeiten.
Nicht möglich ist das Experimentieren in Gruppen aus technischen Gründen
überall dort, wo der Computer zum Einsatz kommt oder wo andere Demon-
strationsgeräte notwendig sind. Dadurch erhält der Großteil der Unterrichts-
reihe einen eher frontalen Charakter. Jedoch sollen die Schülerinnen und
Schüler auch in Demonstrationsexperimenten stark eingebunden werden.
Theoretische Phasen sollen, wo weder Information noch direkte Steuerung
durch den Lehrer nötig ist, möglichst selbständig von den Schülerinnen und
Schülern in sozialer Kooperation ablaufen. Hier bieten sich im Experi-
mentiersaal ebenso die gewohnten Tischgruppen an, im Hörsaal wird das
Arbeiten zu zweit oder zu dritt innerhalb der Reihe vorteilhafter sein.
Auf eine ausführliche Protokollführung zu den Experimenten verzichte ich
in diesem Stadium des Physikunterrichts noch recht häufig, da eine zu kon-
sequente Dokumentation viel Zeit kostet und leicht die Freude an den Phä-
nomenen und damit an der Physik zerstört. Die Phänomene kennenzulernen
und zu erleben ist an dieser Stelle wichtiger als die physikalisch richtige
Deutung. Die für den naturwissenschaftlichen Fortgang grundlegende Un-
29 BLEICHROTH, W. U.A.: Fachdidaktik Physik (2. Aufl.), Köln 1999, S. 273
Seite 23
terscheidung von Beobachtung und Interpretation liegt für viele noch auf
einem hohen Abstraktionsniveau30, muss aber allmählich geübt werden.
1.7.4 Hilfestellung, Sicherung, Wiederholung Um den notwendigen hohen Grad an Steuerung ohne allzu großen Anteil an
Lehreraktivität im Unterricht realisieren zu können, werden Arbeitsblätter
eine wichtige Rolle innerhalb des Unterrichts übernehmen. Auf ihnen
können gliedernde oder systematisierende Hilfen bereitgestellt und Ergeb-
nisse gesichert werden. Bei der Verwendung einer identischen OH-Folie
können die Schülerinnen und Schüler sehr schnell ihre eigenen Ergebnisse
unter der Kontrolle des Lehrers auf der Folie sammeln und vergleichen.
Reine Wiederholungsfragen zu Beginn der nächsten Stunde sind normaler-
weise für die Lernenden nervtötend und für den Lehrer frustrierend. An-
spruchsvollere Wiederholungsphasen sprengen wiederum leicht den kalku-
lierten Zeitrahmen. In Verbindung mit dieser Unterrichtsreihe möchte ich
eine für mich neue Wiederholungsvariante ausprobieren: Am Anfang jeder
Stunde stellt jeweils eine Schülerin oder ein Schüler der Klasse bis zu drei
vorbereitete Fragen zur letzten Stunde. Erlaubt sind Verständnisfragen und
Testfragen.
Auf schriftliche Hausaufgaben im üblichen Sinne möchte ich weitestgehend
während der Reihe verzichten. Stattdessen sollen alle Schülerinnen und
Schüler drei Musikinstrumente bauen, mit denen sie anschließend im Unter-
richt experimentieren. Dabei stehen Anleitungen mit einfachen (eher
langweiligen) Instrumenten, aber auch anspruchsvollere Konstruktionen zur
Auswahl. Für jedes Instrument steht mindestens eine Woche Bauzeit zur
Verfügung, sodass Gelegenheit besteht, hier handwerklich aufwendige und
kreative Leistungen in den Physikunterricht einzubringen. Dadurch möchte
ich auch das Interesse an einer solchen Aufgabe testen.
30 Vergleiche Punkt 2 auf S. 5.
Seite 24
2 Durchführung
2.1 Tabellarische Übersicht zur Unterrichtsreihe Std. Inhalte/ Experimente Ziele 1. Was ist Schall?
• Zum Einstieg spielt der L. auf einer E-Gitarre, zunächst ohne, dann mit Verstärker.
• Papierreiter auf den Saiten bzw. Papierkügelchen über dem Lautsprecher machen Schwingungen sichtbar.
• Experimente mit Klingel unter der Vakuumglocke und Handtrommel vor einer Kerzenflamme machen die Funktion der Luft bei der Schallausbreitung deutlich.
P1 P2 P3
HA Bau eines Saiten- oder Zupfinstruments A6/7 2. Grundbegriffe
• Abstoßende Magnetrollen als Modell für Schall-schwingungen in der Luft
• Beobachtung von Amplitude und Frequenz der Schwingung einer Blattfeder
P1 P3 P5
3./4. Versuche an den selbst gebauten Saiteninstrumenten • Die S. untersuchen an ihren Instrumenten die Einfluss-
faktoren auf Lautstärke und Tonhöhe bzw. Amplitude und Frequenz der Schwingung.
• Ergebnisvergleich und -verifikation an der Gitarre • Die S. untersuchen den Einfluss verschiedener Klang-
körper auf Lautstärke und Sustain an ihren Instrumenten. • Verifikation der Ergebnisse durch Vergleich zweier
identischer Stimmgabeln mit und ohne Klangkörper.
A9 A10 P1 P5 P6 M1 M3
HA Bau eines Schlag- oder Percussioninstruments A6/7
5./6. Schallaufzeichnung mit dem Computer (Schwerpunkt 1)
• Versuch mit der Schreibstimmgabel auf dem OH-Projektor • Aufnahme und Sichtbarmachung folgender Schall-
ereignisse mit dem Computer: 1. Stimmgabelton 2. Schwebung zweier Stimmgabeln 3. Funktionsgenerator 4. Die gebauten Schlag- und Saiteninstrumente
A8 P8 P9 P10 P13 P15 M6
7. Klänge und Geräusche (Unterrichtsbesuch) • „Nachstimmen“ von Stimmgabel, Gitarre und Trommel • Unterscheidung von Klängen und Geräuschen bei den
selbst gebauten Instrumenten nach dem Gehör • Unterscheidung der Schwingungskurven
P9 P12 P13 P14 M4/6
HA Bau eines Blasinstruments A6/7
Seite 25
8. Töne, Klänge, Geräusche und ihre Frequenzspektren • Beobachtung der Frequenzspektren von (Schwerpunkt 2)
• Stimmgabeln • verschiedenen Musikinstrumenten • Funktionsgenerator
• Testen des hörbaren Bereichs mit dem Funktionsgenerator
A8 P11 P12 P14 P4 M4/5
9. Eigenschwingungen einer Saite • Demonstration d. Schwingungsmodi eines Gummiseils • Erzeugung verschiedener Schwingungsmodi einer
Gitarrensaite mit Flageoletttönen
P16 - P18 P7 M2/5
10. Eigenschwingungen von Luftsäulen • Demonstration d. Schwingungsmodi am KUNDTschen Rohr • Vergleich mit den Naturtönen bei
(Blech-) Blasinstrumenten
A11 P16 -P18 M5
11. Untersuchungen an den Blasinstrumenten • Die S. vergleichen die versch. Arten der Tonerzeugung. • Die S. untersuchen die Abhängigkeit der Tonhöhe von der
Länge der Luftsäule
A9 A11 P6 M1
12. Test 13. Schallausbreitung und Schallgeschwindigkeit
• Demonstration der Veränderung von Geräuschen durch Schallreflexion mithilfe künstlich erzeugten Halls
• Messung der Schallgeschwindigkeit mit zwei Mikrofonen und Computer
A8 P19 P20
Im Folgenden möchte ich die Durchführung der Unterrichtsreihe zusam-
menfassen und erste reflektorische Schlüsse ziehen. Dabei lege ich beson-
dere Schwerpunkte auf die Doppelstunde 5/6 „Schallaufzeichnung mit dem
Computer“ und die Stunde 8 „Töne, Klänge, Geräusche ...“, da diese
Stunden besonders eng mit den Schwerpunkten der Arbeit verbunden sind.
2.2 Einstieg und Grundlagen (1. bis 4. Stunde) Ein kurzes Gespräch über den Begriff Akustik führt sehr schnell zur Frage
„Was ist Schall?“. Als ich daraufhin die Elektrogitarre hervorhole, ist die
Neugier der Schülerinnen und Schüler groß. Natürlich gilt sie in diesem
Moment eher der Frage, ob bzw. was ein Physiklehrer wohl auf der Gitarre
spielen kann. Als das Ergebnis überraschend leise ausfällt: „Da muss ein
Lautsprecher dran!“ Aha - der Unterschied ist nicht zu leugnen. Papierreiter
auf den Saiten bringen uns zum Schwingungsbegriff.
Seite 26
Nun stelle ich eine Handtrommel mit Papierkügelchen auf dem Fell auf den
Lautsprecher. Als die Kügelchen zu „Pink Panther“ tanzen ist die Begeiste-
rung groß. Schnell werden auch Unterschiede bei hohen und tiefen, lauten
und leisen Tönen entdeckt, die nach Erklärungen verlangen. Trotzdem führe
ich zunächst noch eine Klingel unter der Vakuumglocke vor und lasse eine
Kerzenflamme nach der Handtrommel zucken. Bei der Zusammenfassung
am Ende der ersten Stunde sind viele Gedanken noch sehr unausgegoren.
Vorläufiges Endergebnis: Schall entsteht durch Schwingungen.
In der zweiten Stunde arbeiten wir uns von der anderen Seite heran. Zu-
nächst mit den Magnetrollen als Erklärungsmodell für die Beobachtungen
an Vakuum und Kerze, dann werden mit den hohen und tiefen Tönen einer
Blattfeder die Begriffe Frequenz und Amplitude eingeführt. Dabei können
die Fragen der letzten Stunde weitestgehend beantwortet werden.
Im Zentrum der nächsten beiden Stunden stehen Schülerversuche mit den
gebastelten Saiteninstrumenten (Arbeitsblatt 2). Die besten Ergebnisse der
ersten Experimentierstunde werden auf einem zusätzlichen Arbeitsblatt (2b)
gesammelt und in der zweiten vervollständigt. Dann werden auch Gitarren
und Stimmgabeln mit und ohne Klangkörper zu Hilfe genommen.
Reflexion: Der Einstieg ins Thema hat motiviert, die Versuche sind gut an-
gekommen. Das Hauptziel der ersten Stunde (P2) ist erreicht worden, den-
noch erscheint mir der Zusammenhang zwischen Schall und Schwingung in
vielen Argumentationen noch recht schwammig. Obwohl die zweite Stunde
den Zielen P1 und P3 weitestgehend gerecht geworden ist, habe ich den
Eindruck, mit geschickteren Impulsen an verschiedenen Stellen der ersten
beiden Stunden hätte mehr aus dem Potential der Experimente herausgeholt
werden können. Bezüglich P5 wird in der zweiten Stunde nur noch der Zu-
sammenhang zwischen Tonhöhe und Frequenz festgehalten, die Verbindung
von Lautstärke mit Amplitude macht dadurch auch einigen Gruppen in den
Schülerexperimenten Schwierigkeiten.
Die gebauten Saiteninstrumente variieren von ganz einfachen Gummis über
Joghurtdosen bis zu aufwendigen Instrumenten (vgl. 4.1). Insgesamt bin ich
positiv überrascht, wie viele Schülerinnen und Schüler sich beim Bau doch
sichtlich Mühe gegeben haben. Beim Experimentieren in der 3. und 4.
Seite 27
Stunde gibt es viel Spaß, die Konzentration und die Ergebnisse der Gruppen
unterscheiden sich erwartungsgemäß stark, sind aber insgesamt positiv. Da
ich die Arbeitszeit in der ersten Experimentierstunde zu spät abbreche, ver-
läuft die Zwischenbesprechung recht ineffektiv. Durch das Arbeitsblatt 2b
können die fehlenden Punkte im zweiten Teil jedoch gezielt angegangen
werden. Ich denke, die anvisierten Ziele sind zu einem hohen Grad erreicht.
2.3 SP1: Schallaufzeichnung mit dem Computer (5./ 6. Stunde)
2.3.1 Einzelheiten zur Stundenplanung Die Planung dieser Doppelstunde basiert im Wesentlichen auf den didakti-
schen Überlegungen aus Abschnitt 1.5. Wichtiger als die Betrachtung phy-
sikalische Inhalte ist hier die Einführung neuer Werkzeuge für die folgenden
Untersuchungen. Die Aufgabe der Stunde besteht primär darin, den Com-
puter als Gerät zur Aufzeichnung und Sichtbarmachung von Schallereignis-
sen vorzustellen (A8, M6, P9, P13). Dabei ist es naheliegend, das
Grundprinzip analoger Schallaufzeichnung mit möglichst einfachen Mitteln
(Schreibstimmgabel) voranzustellen, um eine sinnvolle Interpretation der
Schwingungsbilder zu ermöglichen (P8). Ferner soll der Sinusgenerator als
Laborgerät zur Schallerzeugung kennengelernt werden (P15).
Als erste Anwendung der neuen Hilfsmittel und als inhaltlicher Exkurs soll
die Schwebung zweier leicht verstimmter Stimmgabeln visualisiert werden
(P10). Schließlich bringen die Schülerinnen und Schüler ihre gebauten
Schlaginstrumente mit, an denen in den folgenden Stunden der Unterschied
zwischen Klängen und Geräuschen erarbeitet werden soll. Die Instrumente
müssen folglich am Anfang eingesammelt werden, sollen aber noch in
dieser Doppelstunde vorgestellt und entsprechend „gewürdigt“ werden.
Diese inhaltliche Festlegung bewirkt eine methodische Schwierigkeit: Es
stehen lauter Demonstrationsexperimente im Mittelpunkt, an denen die
Schülerinnen und Schüler zwar beteiligt werden sollen, bei denen aber
schlecht von einer frontalen Unterrichtsausrichtung abgewichen werden
kann. Bleibt zu hoffen, dass der Mangel an Abwechslung in der Unterrichts-
struktur durch Neugier auf die Geräte und Experimente kompensiert wird.
Seite 28
2.3.2 Geplanter Ablauf der 5. und 6. Stunde Phase Inhalt geplantes
Lehrerverhalten erwartetes
Verhalten der S. Unt.-form
Medien
1. Einstieg Aufzeichnen einer Schwingung mit der Schreib-stimmgabel
L. zeigt die Schreibstimm-gabel und demonstriert den Versuch auf dem OH-Projektor. L. fragt nach den Ursachen für das unter-schiedliche Aussehen der Spuren.
S. diskutieren Wiederholungsfragen. S. diskutieren Einfluss von Amplitude und Bewe-gungsgeschwindigkeit.
Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch
Schreib- stimmgabel und Glas-scheibe mit Sand auf OH-Projektor
2. Er-arbeitung 1
Aufzeichnen einer Schwingung mit dem Computer
L. demonstriert Aufnahme einer Stimmgabel mit Mikrofon und Computer sowie die Zoomfunktion des Programms.
S. assistieren bei der Auf-nahme und diskutieren Parallelen und Unter-schiede der Schwingungsbilder.
Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch
Computer und Stimm-gabel
3. Anwen-dung und Exkurs Sicherung
Aufzeichnung einer Schwebung
L. demonstriert Schwebung mit zwei Stimmgabeln.
S. beschreiben ihren Höreindruck. S. vergleichen Hör-eindruck mit dem Schwingungsbild. S. formulieren eine Beschreibung zum Phä-nomen „Schwebung“
Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch
Computer und Stimm-gabeln mit Reiter zur Verstim-mung Tafel
4. Er-arbeitung 2
Aufzeichnung von Sinus-tönen mit dem Sinus-generator
L. demonstriert Funktionsweise des Sinusgenerators.
S. beschreiben die physi-kalischen Größen, die durch die unterschiedlichen Regelungsmöglichkeiten beeinflusst werden. S. nehmen Töne mit variierender Frequenz und Amplitude auf und lokali-sieren die Veränderungen im Schwingungsbild.
Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch
Computer und Sinus-generator mit Laut-sprecher
5. Vertiefung und Vor-bereitung der näch-sten Std.
Aufzeichnung der selbst gebauten Instrumente
L. organisiert Aufnahme.
L. speichert gelungene Aufnahmen für die nächsten Stunden.
S. bedienen Computer und Mikrofon und nehmen die Schlaginstrumente auf.
gemein-sames Experi-ment
Computer und Instru-mente
2.3.3 Durchführung Als ich zu Beginn der Stunde mit der Schreibstimmgabel durch die Reihen
gehe, damit alle sie aus der Nähe begutachten können, geht von ihr mehr
Faszination aus, als ich gedacht habe. Dies liegt wohl einerseits an der recht
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anschaulichen Größe, andererseits sind die Schülerinnen und Schüler richtig
neugierig, was es mit der „Kralle“ an dem einen Zinken auf sich hat. Auch
die Demonstration der „Schreibfunktion“ löst Erstaunen aus. Allerdings
wird dabei bereits deutlich, wie schwer den Schülerinnen und Schülern die
Interpretation des entstandenen Bildes fällt.
Auch der Computer macht neugierig. Die „Freaks“ müssen gleich fachsim-
peln und feststellen, dass sie zuhause viel modernere Gräte haben. Die
Bedienung stellt erwartungsgemäß kein Problem dar. Überraschung tritt ein,
als beim Zoomen auf dem Bildschirm das gleiche Bild wie bei der
Schreibstimmgabel auftaucht: „Man sieht die Schwingung!“ - Wie diese
Aussage zu verstehen ist, beschäftigt uns in der folgenden Diskussion.
Anschließend möchte ich, voller Tatendrang eines Physikers, das kennen-
gelernte Hilfsmittel nutzen, um ein akustisches Phänomen zu untersuchen,
wenigstens „etwas richtige Physik“ in dieser Stunde. Also schlage ich zwei
zueinander leicht verstimmte Stimmgabeln an und lasse die Schülerinnen
und Schüler ihren Höreindruck beschreiben. Die Antworten sind für mich
ziemlich desillusionierend: „Jetzt hört man sogar die Schwingung!“. Natür-
lich versuche ich durch entsprechendes Wiederholen des Experiments
(Stimmgabeln einzeln und zusammen ...) und Nachfragen („Schwingt denn
bei einer einzelnen Stimmgabel nichts?“) die Begriffe zu trennen und zu
sortieren, aber es wird deutlich, dass es den Schülerinnen und Schülern nicht
möglich ist, die Schwebung als (langsame) Schwankung in der Lautstärke
einer (schnellen) Schallschwingung zu erkennen. Auch das entsprechende
Bild auf dem Computer schafft keine Klarheit. Immer noch laufen die
Begriffe durcheinander. Ich beende das (für den Fortgang ja nicht notwen-
dige) Thema Schwebung und lasse die Zusammenfassung unter den Tisch
fallen, denn die hätte ich wahrscheinlich selbst formulieren müssen.
Zwei Punkte stehen für den Rest der Doppelstunde noch auf dem Programm
und sind für die nächste Stunde von großer Bedeutung. Zunächst soll der
Sinusgenerator kennengelernt werden und schließlich müssen endlich die
Schlaginstrumente zum Einsatz kommen. Die Bedienung des Sinusgenera-
tors ist schnell verstanden, allerdings entpuppt sich der Versuch, mit ihm im
Unterricht von den Schülerinnen und Schülern interessante Schwingungs-
Seite 30
bilder auf dem Computer erzeugen zu lassen, als sehr mutig. Es gehört doch
großes Geschick dazu, die Frequenz schnell genug zu ändern, um die Ände-
rung anschließend auf dem Bildschirm wiederfinden zu können. Außerdem
ändert sich mit der Frequenz auch die Amplitude stark, was zu einigen Ver-
wirrungen führte. Schließlich ist aber das Wichtigste zu erkennen.
Nun sind alle heiß darauf, ihre Trommeln, Rasseln und Klappern vorzustel-
len und aufzunehmen. Die Unterschiede der Schwingungsbilder zu den bis-
herigen sind deutlich zu erkennen, sollen aber erst in der nächsten Stunde
thematisiert werden. Neben den Instrumenten müssen natürlich auch einige
Sprüche im Computer verewigt werden und zwei Mädchen wollen unbe-
dingt ihren Song aufnehmen. Das kann ich aufgreifen und es gelingt an-
satzweise Klassenmusizieren, als wir versuchen, den Song mit einem
passenden Rhythmus aus unseren Instrumenten zu unterlegen.
Da die letzte Aufnahme bis zum Klingeln dauert, wird die Zeit zum Auf-
räumen der Instrumente knapp. Wir entscheiden uns, auch die folgende
Mathematikstunde im Physiksaal durchzuführen. Prompt kommt eine
Gruppe Schülerinnen nach der großen Pause mit zwei neuen Kompositionen
zurück, die unbedingt noch aufgenommen werden müssen. Wann verbrin-
gen sie schon eine ganze Pause mit Inhalten aus dem Physikunterricht ... ?
2.3.4 Reflexion So viel Spaß (und Krach...) gibt es im Physikunterricht selten und die ent-
standenen Klangdateien bieten schönes Material für die nächste Stunde. Der
Eifer, mit dem die Schülerinnen und Schüler mitgemacht haben, ist sehr
erfreulich. Dies gilt besonders im Hinblick auf die fehlenden Wechsel in
Methode und Sozialform über eine ganze Doppelstunde. Die Voraussetzun-
gen für die nächsten Stunden sind geschaffen, die Möglichkeit der
Schallaufzeichnung mit dem Computer und die Software sind gut kennen-
gelernt worden (Ziele A8 und M6).
Im Hinblick auf die physikalischen Zielsetzungen mag jedoch keine rechte
Zufriedenheit aufkommen. Im Nachhinein wirkt der Übergang von der
Schreibstimmgabel zum Computer zu abrupt. Bezüglich des Ziels P8 er-
scheint es mir jetzt doch lohnend, einen kurzen (historischen) Ausflug zur
analogen Schallplatte einzuschieben. Die vergrößerte Aufnahme einer
Seite 31
Schallplattenrille und eine Demonstration des Wiedergabeprinzips mithilfe
einer Nadel und einem Blatt Papier31 wären hilfreich gewesen. Das analoge
Bild im Computer hätte dann deutlich gemacht, dass der Computer die
gleiche Information wie die Schallplattenrille speichert.
Bezüglich P8, P10 und P13 wäre es besser den Sinusgenerator vor der
Schwebung zu behandeln, wobei man eventuell auf vorbereitete Dateien
zurückgreifen sollte, in denen die entscheidenden Größen besonders deutlich
zu erkennen sind. Spätestens hier müssten in einer Sicherungsphase die
wesentlichen Merkmale etwa folgendermaßen dokumentiert werden:
Schreibstimmgabel: (Frequenz fest)
Amplitude groß (Ton laut)
Amplitude klein (Ton leise)
Bewegungsgeschwindigkeit groß
Bewegungsgeschwindigkeit klein
Computer: („Bewegungsgeschwindigkeit“ fest)
Amplitude groß (Ton laut)
Amplitude klein (Ton leise)
Frequenz hoch (Ton hoch)
Frequenz niedrig (Ton niedrig)
Abbildung 4 Tafelbild einer möglichen zusätzlichen Sicherungsphase
Wahrscheinlich wäre es anschließend leichter, die Schwebung mithilfe des
Schwingungsbildes zu verstehen (P10). Die grundsätzliche Schwierigkeit
lag hier jedoch bei der auditiven Wahrnehmung (A1). Vielleicht hätte an
dieser Stelle ein Echtzeitoszilloskop geholfen, bei dem das optische An- und
Abschwellen der Amplitude parallel zum akustischen Ereignis stattgefunden
hätte. Der Transfer vom zeitlichen Erleben zur grafischen Darstellung
entlang einer Achse wäre erleichtert worden. Eventuell wäre es auch
hilfreich, beide Stimmgabeln auf getrennte Stereokanäle aufzunehmen, um
zwischen beiden parallel dargestellten Schallereignissen und ihrer Überlage-
31 BADER, F./DORN, F.: Physik - Mittelstufe, Hannover 1980, S. 187
Seite 32
rung wechseln zu können. Die Ziele P9 und P15 sind meines Erachtens gut
erreicht worden.
2.4 Klänge und Geräusche (7. Stunde) In der 7. Stunde soll der Unterschied zwischen Klängen und Geräuschen
anhand des Höreindrucks und des Schwingungsbildes erarbeitet werden
(P12-P14, M4). Zunächst versuchen die Schülerinnen und Schüler den Si-
nusgenerator auf „Töne“ verschiedener Instrumente einzustimmen. Bei der
Stimmgabel ist es kein Problem, bei der Gitarre etwas schwieriger, bei der
Trommel ist es unmöglich, womit wir ein Entscheidungskriterium nach dem
Höreindruck haben. Anschließend werden vorgegebene Stichworte
(Arbeitsblatt 4) den Schwingungsbildern eines Gitarrentons und einer Snare-
Drum zugeordnet. Der daraus entstehende Katalog eignet sich zur allgemei-
nen Charakterisierung. Schließlich sind die Schülerinnen und Schüler in der
Lage, die Beispiele auf Arbeitsblatt 5 den entsprechenden Schallquellen
(Stimmgabel, Saitenbrett und Kronkorkenrassel von den Schülerinstrumen-
ten, sowie ein Ausschnitt des Gesangsduos der letzten Stunde) zuzuordnen.
2.5 SP2: Schallarten und Frequenzspektren (8. Stunde)
2.5.1 Einzelheiten zur Stundenplanung Grundlage der Planung der 8. Stunde sind die didaktischen Überlegungen
aus Abschnitt 1.3.2.5. Die Schülerinnen und Schüler sollen den Begriff des
Frequenzspektrums kennenlernen und wissen, das Schallereignisse i.d.R.
mehrere Frequenzen aufweisen (P11). Weiterhin sollen sie auch anhand des
Spektrums Klänge, Geräusche und den Sinuston unterscheiden können
(P12, P14). Aus den gelernten Eigenschaften üblicher Instrumentenklänge
(M5) sollen sie schließlich zu der Einsicht gelangen, dass sich der Sinuston
zur Durchführung eines Hörtests am besten eignet und dies mit dem
Sinusgenerator praktisch erproben (P4).
Die Frequenzspektren sollen mit dem Programm FFT betrachtet werden, das
allerdings auf dem Rechner in der Mittelstufe nicht läuft. Daher entscheide
ich mich, die Schülerinnen und Schüler zu einer Randstunde in die
Oberstufe zu bestellen, was eine ungewohnte Lernumgebung bedeutet. Um
zunächst die Funktionsweise des Programms zu verstehen, halte ich zum
Einstieg die gewohnte Stimmgabel für die beste Lösung. Das
Seite 33
Schwingungsbild ist inzwischen gut bekannt und kann im bewegten Oszil-
logramm schnell wiedererkannt werden, das Spektrum stellt sich
erwartungsgemäß als einzelne Frequenz dar. Da viele Stimmgabeln
unterschiedlicher Frequenz zur Verfügung stehen, lässt sich die
Abhängigkeit der Lage des Peaks von der Tonhöhe gut erkennen. Hier
brauchen wir das Zwischenergebnis: Je höher ein Ton, desto weiter rechts
wird die Frequenz angezeigt.
Nun sollen andere Klänge und Geräusche betrachtet werden. Dass die selbst
gebauten Saiteninstrumente nicht so gut „klingen“ wie handelsübliche, liegt
an einem hohen Geräuschanteil, also an vielen störenden Frequenzen.
Deshalb eignen sich die meisten davon nicht um Klangspektren zu
betrachten. Stattdessen stehen eine Gitarre und eine Geige zur Verfügung.
Gut lassen sich jedoch viele der Percussioninstrumente als Beispiele für
Geräusche einsetzen. Alternativ kann man auch die Klasse hohe und tiefe
Töne singen lassen und die Veränderungen im Spektrum beobachten.
Die Sozialform des Unterrichts wird wieder stark durch den Computer und
die Demonstrationsexperimente festgelegt. Verschiedene methodische Mög-
lichkeiten gibt es allerdings bei der Auswertung des Gesehenen und der Er-
gebnissicherung: Wird den Schülerinnen und Schülern das recht anspruchs-
volle Ergebnis sehr stark vorstrukturiert in die Hand gegeben, so sind sie
wahrscheinlich in der Lage einige entscheidende Schritte selbständig (in
kleinen Gruppen) zu vollziehen. Möchte man jedoch die Problemstellung
selbst offener lassen, so wird der Lehrer beim Lösungsprozess stärker
eingreifen und steuern müssen. Da in der 7. Stunde das Arbeitsblatt wichtige
Hilfestellungen übernahm, möchte ich diesmal probieren, inwiefern die
Schülerinnen und Schüler in der Lage sind, selbständig im Gespräch die
Unterscheidungsmerkmale aus den Beobachtungen zu extrahieren. Da die
Bilder, an denen diesmal gearbeitet werden muss, nur kurz zu sehen sind,
hat die Bearbeitung dieser Phase im Plenum auch den Vorteil, dass die
Versuche jederzeit wiederholt werden können.
Seite 34
2.5.2 Geplanter Ablauf der 8. Stunde Phase Inhalt geplantes
Lehrerverhalten erwartetes
Verhalten der S. Unt.-form
Medien
1. Einstieg Schwingungsbilder und Spektren verschiedener Stimmgabeln
L. demonstriert FFT durch Anschlagen verschiedener Stimmgabeln.
S. diskutieren Wiederholungsfragen. S. erkennen im Oszillo-grafenfenster das ge-wohnte Schwingungsbild. S. erkennen, dass die Lage des Peaks im Analy-satorfenster der Tonhöhe entspricht.
L.-S.- Expe-riment
Computer, Stimm-gabeln
2. Er-arbeitung
Schwingungsbilder und Spektren verschiedener Musik-instrumente
L. fragt, wie beide Kurven bei Gitarre / Geige / Selbstbauinstrumenten aussehen werden.
S. äußern ihre Vermutungen. S. führen Versuche durch. S. äußern ihre Beobachtungen.
Demon-strations-experi-ment L.-S.- Gespräch
Computer, Instru-mente
3. Sicherung Zusammen-fassung der charakteris-tischen Merkmale
L. strukturiert Tafelbild. S. skizzieren Schwin-gungsbilder des Stimmgabeltons, eines Klanges und eines Geräusches. S. skizzieren zugehöriges Frequenzspektrum. S. formulieren Unter-scheidungskriterien.
L.-S.- Gespräch
Tafel
4. Vertiefung
Konzeption und Durch-führung eines Hörtests
L. fragt, welcher Schall-erzeuger für einen Hörtest am geeignetsten ist.
S. argumentieren für Stimmgabelton oder Generator. S. testen hörbaren Bereich mit Sinusgenerator.
L.-S.- Gespräch L.-S.- Expe-riment
Sinus-generator mit Laut-sprecher
2.5.3 Durchführung Die besonderen Rahmenbedingungen dieser Stunde sind nicht zu leugnen.
Zwar sind alle Schülerinnen und Schüler morgens am Hörsaal im Ober-
stufengebäude angekommen, aber im Gegensatz zur gewohnten Umgebung
ist der stickige und fensterlose Raum ganz und gar nicht geeignet,
Siebtklässlern die Oberstufe schmackhaft zu machen. Stattdessen breitet
sich Protest aus. Als zweiten großen Konzentrationskiller stellt sich die
Tatsache heraus, dass die folgende Mathematikstunde die letzte vor der
Klassenarbeit ist. Natürlich möchte die Klasse lieber gleich ihre Fragen zur
Mathematik stellen.
Seite 35
Die schwierige Stimmung behindert zugleich die Experimente, für die ab-
solute Ruhe nötig ist. Aber gerade die „besonders Lebhaften“ der Klasse
können nun kaum der Versuchung widerstehen, die Anzeige des Computers
mit irgendwelchen Spaßlauten zu beschäftigen. Als einer von ihnen den
ansteigenden Frequenzpeak einer Stimmgabel auch noch lautstark als Phal-
lus deutet, gibt es natürlich bei jedem weiteren Experiment Kommentare.
Die mangelnde Aufmerksamkeit in der ersten Phase setzt sich in den fol-
genden fort, dabei wird aber auch deutlich, dass schon zu viele das Grund-
prinzip des Analysators nicht mitbekommen haben. Bei den Instrumenten
geht entsprechend alles durcheinander. Breite Peaks scheinen eher als laute
Klänge gedeutet zu werden. Dazu kommt, dass der einzige Junge, der Geige
spielen kann, zur Zeit eine starke Außenseiterrolle in der Klasse einnimmt.
Folglich wird mehr auf Witze als auf den Bildschirm geachtet.
Durch ständiges zur Ruhe bringen vergeht die Zeit ohne große Fortschritte.
Viel zu spät breche ich die zweite Phase ab und demonstriere noch einmal
das Grundprinzip des Analysators, indem ich mit dem Sinusgenerator das
Spektrum durchfahre. Nun gibt es doch noch einige Aha-Erlebnisse. Den-
noch sind die Schülerinnen und Schüler kaum in der Lage Strukturen in
komplexeren Spektren zu entdecken. Alles weitere bleibt auf der Strecke.
2.5.4 Reflexion „Manchmal ist halt der Wurm drin...“ lässt sich leicht sagen, aber ein Zu-
sammentreffen mehrerer ungünstiger Rahmenbedingungen ist hier nicht zu
leugnen. Dennoch wäre es zu einfach, allein darin die Ursache für den
überwiegenden Misserfolg dieser Stunde zu sehen. Daneben habe ich
sicherlich auch einige grundsätzliche, im Thema liegende, Schwierigkeiten
unterschätzt und Chancen nicht oder zu spät genutzt.
Ein deutlicher Durchbruch gelang mit dem Einsatz des Sinusgenerators. An
keiner anderen Stelle wurde das „Wandern“ der Frequenz so deutlich. Die
Kopplung zwischen der akustischen Änderung der Tonhöhe und der
optischen Bewegung des Spektrums ist durch die kontinuierliche Änderung
deutlicher als bei den Stimmgabeln. Bei denen könnte die unterschiedliche
Lage der Spitzen ja auch von der Position oder irgendwelchen anderen
Seite 36
Eigenschaften der Stimmgabeln abhängen. Von daher halte ich es für
sinnvoll, das nächste Mal direkt mit dem Sinusgenerator einzusteigen.
Die Stimmgabeln bieten dann, wenn das Anzeigeprinzip schon verstanden
ist, die Möglichkeit, die Wirkung der „Mischung“ bzw. Überlagerung
zweier Töne im Schwingungsbild bewusst zu beobachten, wobei im Fre-
quenzspektrum beide Frequenzen erhalten bleiben. Wird bereits hier eine
Sicherungsphase eingeschoben, in der der Überlagerungsbegriff eben doch
eine wichtigere Rolle bekommt, kann sicherlich einiges gewonnen werden.
Nimmt man nun an-
schließend das
Schwingungsbild
eines Klanges zum
Vergleich, so kommen
die Schülerinnen und
Schüler vielleicht
selbst auf den Gedan-
ken, dass dieser aus
entsprechend mehr
Frequenzen zusam-
mengesetzt sein muss.
Danach ist eventuell
auch die Unterschei-
dung von Klängen und Geräuschen nicht mehr so schwer, da von Anfang an
bewusst nach Peaks im Spektrum gesucht wird. Ein großes Problem in der
Stunde lag durch das offene Herangehen darin, dass die Schülerinnen und
Schüler gar nicht gewusst haben, wonach sie Ausschau halten müssen.
Dadurch sind die regelmäßigen Spitzen der bewegten Klangspektren zu
wenig aufgefallen. Die Reduktion der Bilder auf die wesentlichen Linien
erscheint mir im Nachhinein als ein wichtiger Schritt, bei dem der Lehrer
unbedingt helfen muss. Schließlich deutet es aber auch darauf hin, dass bei
einer solchen größeren Ausführlichkeit selbst mit besserer Konzentration
mehr Zeit zur Verfügung stehen muss.
Abbildung 5 Mögliches Tafelbild einer zusätzlichen Sicherungsphase
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Um dennoch eine gewisse Ergebnissicherung zu erreichen, erstelle ich Ar-
beitsblatt 6 und lasse es am Anfang der nächsten Stunde bearbeiten. Durch
die „bereinigten“ Bilder der Frequenzspektren können die Schülerinnen und
Schüler leicht die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale formulieren. Der
Hörtest kann nach der Mathematikarbeit nachgeholt werden.
2.6 Eigenschwingungen und Blasinstrumente (9. bis 11. Stunde) In den Stunden 9 bis 11 kam der Computer nicht zum Einsatz, weshalb ich
mich hier sehr kurz fassen möchte. Nach dem Nachtrag zur 8. Stunde be-
ginnen wir das Thema Eigenschwingungen mit der Erzeugung der ersten
Eigenschwingungsmodi eines mehrere Meter langen Gummiseils. Das die-
ser einfache Versuch schon durch seine Abmessungen beeindruckt, habe ich
erhofft. Mit einer derart bemerkenswerten Reaktion der Klasse habe ich
allerdings nicht gerechnet: Kaum fängt die „Riesensaite“ an zu schwingen,
gehen die ersten Finger hoch. Bis der siebte Schwingungsknoten erscheint
(mehr geht nicht) muss ich mehrfach zum Abwarten und weiteren
Beobachten auffordern, schließlich meldet sich die ganze Klasse. Durch die
entstandene Konzentration und die Fülle der Beiträge entsteht eine recht
gute Beschreibung des Phänomens. Mithilfe der Flageoletttöne auf der Gi-
tarre können nun Angaben über Tonhöhen bzw. Frequenzverhältnisse der
ersten vier Eigenschwingungen gemacht werden, wobei ich allerdings er-
wartungsgemäß beim Erkennen der Intervalle helfen muss.
Nun stellt sich mir eine Gewissensentscheidung: Wegen einem kollidieren-
den Unterrichtsbesuch und einer Fortbildung fehlt nun doch noch eine
Stunde bis zu den Ferien. Es bleibt mir nur die Wahl, die letzte Stunde erst
nach den Ferien zu halten oder zu kürzen. Ich entscheide mich dafür, die
Stunden 10 und 11 zusammenzulegen. Die 10. Stunde verkraftet die Kür-
zung ganz gut, die Analogie zwischen der schwingenden Luftsäule und der
Saite wird am KUNDTschen Rohr gut erkannt. Schmerzlicher ist der Zeit-
verlust für die 11. Stunde. Besonders schade ist, dass mit den mitgebrachten
Blasinstrumenten nicht mehr viel experimentiert werden kann. Im Hinblick
auf die knappe Würdigung habe ich allerdings erlaubt, auch handelsübliche
Blasinstrumente mitzubringen, statt selbst welche zu bauen. Dies beschert
uns eine regelrechte Blockflötenflut. An diesen kann jedoch durch Überbla-
Seite 38
sen die Parallele zu den Flageoletttönen gezogen werden. Die Naturtonreihe
lässt sich gut genug an einem mitgebrachten Gartenschlauch-Posthorn (vgl.
4.1) demonstrieren, sodass ich meine Trompete im Koffer lassen kann.
Interessant ist auch der Vergleich zwischen den unterschiedlichen Arten der
Tonerzeugung („Lippe“ der Flöte, Lippen des Hornbläsers, Rohrblatt),
zumal ein Mädchen ihre Klarinette mitgebracht hat. Die Mechanismen zur
Längenänderung der Luftsäule bleiben ziemlich auf der Strecke. Schade ist
besonders, dass die für die 11. Stunde geplanten Untersuchungen dadurch
nicht als Schülerübungen stattfinden können. Wahrscheinlich wäre die
Verschiebung der 12. Stunde über die Ferien doch das geringere Übel
gewesen.
2.7 Schallausbreitung und Schallgeschwindigkeit (12. Stunde) Der Einstieg mit dem Hallgerät sorgt für viel Spaß, bringt uns aber auch gut
zum Thema Schallreflexion. Etliche Schülerinnen und Schüler berichten von
ihren „Echoerfahrungen“. Die Zeit für die Messung der Schallgeschwin-
digkeit ist recht knapp, aber schnell sind zwei Schülerinnen mit Mikrofonen
im Physiksaal postiert und ein aufgeblasener Luftballon wird vor dem einen
Mikrofon zerstochen. Mit dem Abstand der beiden Mikrofone (7,5 m)
ermitteln wir aus der am Computer zu erkennenden Zeitdifferenz (0,022 s,
vgl. Abbildung 12 in 4.4) überraschend genau eine Schallgeschwindigkeit
von 340 m/s - ein runder Abschluss der Reihe.
Seite 39
3 Gesamtreflexion
3.1 Die Auswertung der Lernkontrolle Die abschließende Reflexion der Unterrichtsreihe als Gesamtheit möchte ich
mit einer Analyse der Lernkontrolle beginnen. Die Aufgabenstellung ist in
den im Anhang 4.3
beigefügten Arbeiten
zu finden. Obwohl
keine Eins erreicht
wurde, ist das Ge-
samtergebnis gerade
durch viele gute
Zweien erfreulich.
Hat eine zu schwere
Aufgabe sehr gute
Ergebnisse verhin-
dert?
Nehmen wir die
einzelnen Aufgaben
etwas näher unter die
Lupe, wird deutlich,
dass es eine solche
Aufgabe nicht gibt.
Allein die Auf-
gabe 6, bei der bloß
ein Punkt zu errei-
chen war, ist nur von
9 Schülerinnen und
Schülern (36%) ge-
löst worden. Bei
allen anderen Aufga-
ben wurden deutlich
über die Hälfte der
Punkte erreicht. Ein
1 2 3 4 5 60123456789
Anzahl der Arbeiten
1 2 3 4 5 6
Note
Plus
Glatt
Minus
Abbildung 6 Notenspiegel der Lernkontrolle
1 2 3 4 5 6 7 8 90
20
40
60
80
Erreichte Prozent
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Aufgabe
Abbildung 7 Prozentsatz der insgesamt erreichten Punkte
1 2 3 4 5 6 7 8 902468
10121416
Anzahl der Arbeiten
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Aufgabe
100%
< 50%
Abbildung 8 Anzahl der Arbeiten mit voller und geringer Punktzahl
Seite 40
Blick auf die Arbeiten mit voller und geringer Punktzahl bei den einzelnen
Fragen macht deutlich, dass alle Aufgaben lösbar waren, die Qualität der
Bearbeitung jedoch stets stark divergiert. Zu jeder Aufgabe gibt es mehrere
Arbeiten mit voller Punktzahl.
Betrachten wir Aufgabe 7 etwas genauer, so spiegeln sich im Ergebnis der
Lernkontrolle ganz gut die in Abschnitt 2.5 beschrieben Schwierigkeiten der
8. Stunde wieder. Im Aufgabenteil b alleine wurden nur 32% der Punkte
erreicht, dagegen in Teil a über 90% und in Teil c 68%.
Bei einer qualitativen Betrachtung fallen vor allem enorme Schwierigkeiten
beim Erkennen der Frequenzänderung in Aufgabe 8 auf. Hier schönt die
Statistik, da 16 Arbeiten genau bei 50%, also einem Punkt von zweien
liegen. Dass sogar bis zum Schluss nicht alle den grundsätzlichen Zu-
sammenhang zwischen Schall und Schwingungen (P2) verstanden haben,
wird daran deutlich, dass bei Aufgabe 1 vereinzelt zu den Instrumenten
„schwingt“ bzw. „schwingt nicht“ angegeben wurde.
3.2 Überprüfung der Lernziele Die allgemeinen Ziele sind natürlich so wenig abprüfbar, wie sie innerhalb
einer zwölfstündigen Unterrichtsreihe erreichbar sind. Dennoch ist die Über-
legung notwendig, inwiefern der Unterricht zu einer Förderung dieser Ziele
beigetragen hat oder nicht. Sicherlich haben die Schülerinnen und Schüler
wiederholt genau hinhören müssen und dazu auch die Bedeutung der Stille
als Voraussetzung erfahren (A2). Die neu kennengelernten Visualisierungen
akustischer Ereignisse haben gewiss dazu beigetragen, manchen
Höreindruck präziser wahrzunehmen (A1).
Der fachübergreifende Aspekt (A3 -A5) hätte bei einer Kooperation mit
Musikunterricht sicherlich sehr viel stärker ausgebaut werden können. Die
Fülle der physikalischen Erscheinungen hat keinen zeitlichen Spielraum für
größere Ausflüge in die Musik gelassen. Gerne hätte ich die Schülerinnen
und Schüler mehr mit ihren Instrumenten musizieren lassen, ein paar
Liedtexte waren auf Folie vorbereitet, sind aber aus Zeitgründen nie zum
Einsatz gekommen. Dennoch wurde meines Erachtens deutlich, dass Physik
und Musik einiges gemeinsam haben.
Seite 41
Bezüglich methodischer Kompetenzen (A9 - A11) ist es in erster Linie be-
dauerlich, dass die Gruppenarbeit in der 11. Stunde wegfallen musste. Nicht
nur dadurch hatte der Großteil der Reihe einen überwiegend frontalen
Charakter. Es sollte weiter daran gearbeitet werden, trotz der vielen Demon-
strationsversuche eine größere Vielfalt in der Organisationsform des Unter-
richts zu erreichen. Den allgemeinen physikalischen und musikalischen
Zielen ist die Unterrichtsreihe meiner Meinung nach gut gerecht geworden.
Einen Überblick über die Erreichung der inhaltsspezifischen Ziele gibt die
Auswertung des Tests: Die Schwierigkeiten in Aufgabe 6 weisen auf deutli-
che Defizite bei den Grundbegriffen und vor allem im Umgang mit der Ein-
heit Hertz (P1) hin. Die erwähnten Probleme zur Schwingung als
Schallursache (P2) ordne ich dagegen eher als Einzelfälle ein.
Gravierend sind die durch den Test offenbarten Probleme bezüglich des Zu-
sammenhangs von Frequenz und Schwingungsbild (P13). Im Nachhinein
erkenne ich mehrere Situationen im Unterricht, an denen diese Probleme
sich bereits zeigten. Leider sind sie mir nicht rechtzeitig bewusst geworden,
um noch entsprechend angemessen darauf zu reagieren. Eine deutliche
Verbesserung hätte sicherlich die im Abschnitt 2.3.4 beschriebene
Sicherungsphase bewirkt. Fragen zum Thema Schwebung (P10) sind im
Test ganz ausgespart worden.
Auch befürchtete Defizite aus der 8. Stunde haben sich in der Lernkontrolle
bestätigt. Dies betrifft das Verständnis des Frequenzspektrums (P11) und die
damit zusammenhängenden Merkmale der Schallarten (P12, M5). Die ent-
sprechende Charakterisierung nach dem Höreindruck (M4) und dem
Schwingungsbild (P12) scheint dafür umso besser verstanden worden zu
sein. Bezüglich der restlichen Ziele, gerade auch der musikalischen, habe
ich einen recht positiven Eindruck, der durch den Test gestützt wird.
3.3 Die Instrumente Die Konzentration auf Musikinstrumente als Beobachtungsgegenstände hat
sich meiner Meinung nach bewährt. Von ihnen geht eine gewisse
Faszination aus und auch die aus ihnen resultierende Gliederung der Inhalte
ist logisch und lässt sich gut durchhalten. Bis auf „Lärm und Lärmschutz“
konnten alle Pflichtthemen des Rahmenplans in das Konzept eingeordnet
Seite 42
werden, und selbst bei diesem lassen sich Anknüpfungsmöglichkeiten zur
Musik finden32.
Natürlich bleibt die Gewichtung der physikalischen Inhalte trotz aller Argu-
mentationen im didaktischen Teil überwiegend Geschmackssache. Wer z.B.
mehr Wert auf Aspekte der Schallausbreitung legt, sollte eher ein anderes
Konzept wählen. Hier böte sich vielleicht sogar ein Schwerpunkt Ultraschall
(etwa „Sehen mit Schall“) an. Mein Konzept tritt hier sehr kurz, dafür
werden die Schallarten und die Eigenschwingungen recht ausführlich behan-
delt, die im Rahmenplan nicht vorgeschrieben sind.
Auch der handlungsorientierte Aspekt bei den selbst gebauten Instrumenten
darf meiner Meinung nach abschließend positiv gewertet werden. Selbst,
wenn der Eifer bei der dritten Hausaufgabe etwas nachließ, haben viele
Schülerinnen und Schüler Kreativität und Geschick eingebracht (A6/7).
Wahrscheinlich ist die siebte Klasse aber auch die letzte Station, in der sich
die Heranwachsenden für diese Aufgaben begeistern können, vielleicht liegt
der Erfolg hier sogar maßgeblich an der wirklich guten Arbeitshaltung eines
Großteils der Klasse. Postitiv ist auch, dass dabei gerade drei der vier Schü-
ler, die sonst eher störend auffallen, großen Einsatz gezeigt haben.
3.4 Der Computereinsatz Den Einsatz des Computers als zentralem Hilfsmittel im Akustikunterricht
kann ich nach dieser Unterrichtseinheit nur empfehlen. Gerade die Auf-
zeichnung und Sichtbarmachung des Schalls mit dem PC hat den Schülerin-
nen und Schülern viel Spaß gemacht. Erwartungsgemäß hat die Bedienung
keine Probleme bereitet (A8) und es gab keinerlei Technikscheu.
Gegenüber dem winzigen Oszilloskop, das in der Physiksammlung unserer
Mittelstufe zur Verfügung steht, hat der Computer jede Menge Vorteile. In-
teressant ist auch der Kostenvergleich: Ein ausgedienter 486er aus einer
Spende, eine Soundkarte, etwas low-cost Software und ein paar Boxen
gegen ein Laborgerät. Nun wäre die Aufgabe findiger Programmierer zu
prüfen, ob die Analog-Digital-Wandler einer üblichen Soundkarte nicht
auch zur Messwerterfassung auf ganz anderen Gebieten genutzt werden
32 Zu Musikhörgewohnheiten von Jugendlichen und deren Auswirkungen gibt es gutes Material in BUNDESZENTR. F. GESUNDH. AUFKLÄRUNG: Lärm & Gesundheit - Materialien für 5.-10. Klassen, Köln
Seite 43
können. Wichtig wäre vor allem eine Alternative zum Programm FFT zu
finden, die auch auf dem Mittelstufenrechner läuft. Vielleicht verbessern
sich ja auch eines Tages die Mittel zur Rechnerausstattung der Schulen ...
Für viele Schülerinnen und Schüler sind die Untersuchungen mit dem PC
leicht zuhause durchführbar. Daher können wir das Vorgehen durchaus als
Alltagsphysik auffassen und ich hoffe, hier die eine oder andere Anregung
für eigenständiges Experimentieren gegeben zu haben (PA3, M6).
3.5 Fazit Für ein abschließendes Resümee möchte ich die wichtigsten Gedanken noch
einmal zusammenfassen. Mein Eindruck ist, dass wir trotz der
musikalischen Aspekte relativ viel Physik in der zur Verfügung stehenden
Zeit untergebracht haben. Die Stärken des Konzeptes liegen meiner Ansicht
nach vor allem in den folgenden Punkten:
• Die fachübergreifende Ausrichtung eröffnet der Schulphysik ein interes-santes Anwendungsgebiet.
• Die Musikinstrumente im Zentrum der Untersuchung geben dem Unter-richt eine schlüssige Struktur und bieten viele motivierende Aspekte.
• Die Vielzahl ansprechender Experimente führt die Schülerinnen und Schüler gut an die interessanten Erscheinungen der Akustik heran.
• Die selbst gebauten Instrumente bieten die Möglichkeit einer handlungs-orientierten Auseinandersetzung mit den physikalischen Phänomenen.
• Der Computer stellt sich als äußerst effektives und schülernahes Hilfsmittel in der Akustik heraus.
• Die vielen motivierenden Aspekte haben geholfen, auch problematische Schülerinnen und Schüler stärker in den Physikunterricht einzubinden.
Als Nachteil der Grundkonzeption bleibt für mich eigentlich nur:
• Die Konzentration auf Musikinstrumente lässt gewisse andere Aspekte der Akustik etwas kurz kommen (z.B. Schallausbreitung in verschiede-nen Medien, Ultraschall, Stimme und Ohr) oder „vertagt“ sie auf eine anschließende Einheit zu Lärm und Lärmschutz.
Dagegen haben sich bei der konkreten Umsetzung der Unterrichtsreihe die
folgenden Schwachpunkte herausgestellt, aus denen für eine weitere Durch-
führung zu lernen ist:
Seite 44
• Als Sozialform des Unterrichts überwiegt, auch bedingt durch die vielen Demonstrationsversuche und den Computereinsatz, sehr stark die frontale Ausrichtung.
• Die Schülerinnen und Schüler zeigten große Schwierigkeiten bei der einfachen Umrechnung einer Frequenz (Aufgabe 6 der Lernkontrolle).
• Die meisten Schülerinnen und Schüler konnten den Zusammenhang zwi-schen Frequenzänderungen und ihren Auswirkungen auf das Schwin-gungsbild nicht erkennen, was am Grundverständnis des Schwingungs-bildes als Darstellung der Auslenkung über der Zeit zweifeln lässt.
• Viele Schülerinnen und Schüler waren nicht in der Lage die prinzipiellen Unterschiede der Frequenzspektren verschiedener Schallarten darzustel-len, wodurch auch das Grundverständnis dieser Darstellungsform in Zweifel gezogen wird.
Der erste Punkt fordert dazu auf, weitere Möglichkeiten zu finden, Erarbei-
tungsphasen zu dezentralisieren und Selbständigkeit bzw. Problemlöse-
fähigkeit der Schülerinnen und Schüler stärker zu fördern. Vorstellbar ist
dies, außer bei der ungekürzten 11. Stunde, eventuell durch die Zusammen-
fassung mehrerer Demonstrationsexperimente zu einem Parcours, an dessen
Stationen die Versuche in Kleingruppen durchgeführt werden.
Die anderen drei Punkte lassen sich möglicherweise auf eine gemeinsame
Ursache zurückführen: Durch die Fülle der Phänomene und Experimente
scheinen Sicherungs- und Übungsphasen etwas zu kurz gekommen zu sein.
Ansätze zur Verbesserung habe ich in den Reflexionen schon gegeben. Die
Herausforderung dabei wird jedoch sein, eine höhere Detailliertheit und Sy-
stematik in der Ergebnissicherung zu erreichen, ohne in eine Didaktik der
kleinen Schritte zu verfallen und die Problemstellungen zu sehr einengen zu
müssen. Die Gradwanderung zwischen der Offenheit in den Impulsen und
der Genauigkeit im Ergebnis scheint diesmal eher auf Kosten der Exaktheit
gegangen zu sein. So wurden z.B. Schwingungsbild und Spektrum rein phä-
nomenologisch an den Geräten eingeführt, ohne dass die den Diagrammen
zugrundeliegenden Achsen ausführlich thematisiert wurden.
Die Deutung der Bilder hätte auf jeden Fall stärker geübt werden müssen.
Dazu sollte man in Erwägung ziehen, neben dem Bauen der Instrumente
doch auch traditionellere Übungsaufgaben als Hausaufgaben zu stellen. Da-
bei könnten die Schülerinnen und Schüler z.B. Überlagerungen von
Seite 45
Schwingungen grafisch konstruieren oder auch einfach Frequenzen von ei-
ner Einheit in die andere umrechnen (vgl. 3.1). Andererseits darf das Üben
dieser Tätigkeiten nicht, wie so oft, zur Hauptbeschäftigung des
Physikunterrichts entarten.33
Bleiben zum Schluss noch einige zusammenfassende Verbesserungsvor-
schläge und Ideen zum Weiterdenken:
• Die Wiederholungsfragen durch Schülerinnen und Schüler sind eine gute Möglichkeit, kurze Wiederholungsphasen an den Anfang der Unterrichts-stunden zu stellen.
• Rückblickend erscheint zwischen der Behandlung der Schreibstimmgabel und der Einführung des Computers ein Blick zur Schallplatte lohnenswert.
• Überlegenswert wäre es, die Eigenschwingungen vor der Betrachtung von Frequenzspektren zu behandeln. Dann wäre der Vergleich der Frequenzspitzen eines Instrumentenklanges mit den Obertönen leichter.
• Im Bezug zu den restlichen Inhalten der Klasse 7 sollte man überlegen, ob es nicht vorteilhaft wäre, die Akustik vor der Optik zu unterrichten. Sie setzt keine Inhalte der Optik voraus, dafür könnte aber die Schallausbreitung als Analogon zur Lichtausbreitung und sogar zur Wär-meausbreitung dienlich sein. Die Sender-Empfänger-Vorstellung scheint mir in der Akustik viel naheliegender als in der Optik. Ähnliches gilt für die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Schall und Licht.
• Sollten sich die Rahmenbedingungen dahingehend ändern, dass eine Kooperation mit parallel laufendem Musikunterricht möglich wird, sollte die Chance unbedingt genutzt werden.
• Steht mehr Zeit zur Verfügung, z.B. im Rahmen einer Projektwoche, kann auch die Idee von K. PETERS und M. LAGEMANN
34 aufgegriffen und
zusätzlich Mathematikunterricht mit eingebunden werden.
33 Nicht, um Versäumtes zu rechtfertigen, aber um die anders gesetzten Schwerpunkte zu begründen: „Es ist keine Wissenschaft, wenn man Grad Celsius in Grad Kelvin umrechnet. Das ist nötig, aber es ist nicht Naturwissenschaft. ... Man muß auch Definitionen lernen. Aber kann das nicht in der allerersten Stunde zerstörend wirken?“ FEYNMAN, R.P.: Was ist Naturwissenschaft?, Physik und Didaktik 2 (1987), S. 105-116 34 PETERS, K./LAGEMANN, M.: E. interdiszipl. Reihe z. Bruchrechnung/Akustik/ Harmonielehre, Der Mathematikunterricht 6 (1998), S. 11-21
Anhang Seite I
4 Anhang
4.1 Ein bunter Eindruck...
Abbildung 9 Schülerinnen und Schüler mit einigen ihrer Werke
Oben links hält ein Mädchen ihre Dosenlaute in der Hand. Daneben und links unten sind zahlreiche Gummizithern zu sehen. Die zwei Jungen unten rechts experimentieren mit einem großen Saitenbrett. In der oberen rechten Ecke sehen wir einige Dosenschlagzeuge, in der Mitte befinden sich Sandpapierbretter, verschiedene Rasseln, Dosentrommeln und ein richtig abgestimmtes hängendes Xylophon. Links davon befinden sich eine Strohalm-Panflöte und ein gelbes Gartenschlauch-Posthorn. Auf der rechten Seite ist ein großer Spiralschlauch-Dudelsack, mit dem man ordentlich hupen kann...
Anhang Seite II
4.2 Arbeitsblätter Arbeitsblatt 1 Bauanleitungen für Zupfinstrumente III
Arbeitsblatt 2 Versuche mit den Saiteninstrumenten IV
Arbeitsblatt 2b Versuche mit den Saiteninstrumenten II V
Arbeitsblatt 3 Bauanleitungen für Schlaginstrumente VI
Arbeitsblatt 4 Klänge und Geräusche VII
Arbeitsblatt 5 Übung zu Klänge und Geräusche VIII
Arbeitsblatt 6 Frequenzverteilungen von Tönen, Klängen und Geräuschen IX
Arbeitsblatt 7 Bauanleitungen für Blasinstrumente X
Arbeitsblatt 8 Schwingungen einer Saite XI
Arbeitsblatt 9 Schwingungen einer Luftsäule XI
Anhang Seite XII
4.3 Vier Bearbeitungsbeispiele zur Lernkontrolle
Erwartungen und Bewertung in Stichworten:
Aufgabe 1 Punkte Instrument Stichwort
•• Gitarre / Violine: Saite •• Trompete: Lippen oder Luft im Instrument •• Klarinette: Rohrblatt oder Luft im Instrument •• Becken / Trommel: Becken / Fell (Luft 1 Punkt)
Aufgabe 2 • Spannung verändern • fester - lockerer • Dicke verändern • dicker - dünner • Länge verändern • länger - kürzer max. 4
Aufgabe 3 • nein • keine Luft
Aufgabe 4 • lauter / leiser • kürzer / länger
Aufgabe 5/ 6/ 8 • 1 Punkt pro richtige Antwort
Aufgabe 7 a) ••• 1 Punkt pro Zeichnung, in der das Wesentliche erkennbar ist b) ••• 1 Punkt pro Charakterisierung des Frequenzspektrums c) •••
jeweils ein Punkt für (max.3)
• Tonhöhe erkennbar - nicht erkennbar • Schwingungskurve eines Klanges ist regelmäßig /
periodisch • Schwingungskurve eines Geräusches ist unperiodisch
/ chaotisch • Beispiele
Aufgabe 9 • Oberschwingung ist höher • Oktave oder Frequenzverdoppelung
Anhang Seite XXI
4.4 Beispiele einsetzbarer Software In der folgenden Tabelle habe ich vier in der Akustik verwendbare Programme mit Bezugsquellen und den wichtigsten Vor- und Nachteilen aufgeführt. Einen optischen Eindruck vermitteln die angefügten Bildschirmausdrucke.
Programm Vorteile Nachteile 1. Wave Shaper
(Willow Pond Corporation) Wurde oft mit billigen Soundkarten geliefert, scheint aber nicht mehr vertrieben zu werden.
• einfache Bedienung / übersichtlich
• getrennte Anzeigebereiche für Übersicht und Zoom
• kaum überflüssige Funktionen
• heller Hintergrund (Display)
• falsche Berechnung der Zeitskala
• keine getrennte Darstellung der Stereokanäle
• keine Frequenzanalyse
2. Cool Edit (Syntrillium Software Corporation) Shareware Programm zur Klang-bearbeitung. (http://www.goldwave.com)
• integrierter Funktions-generator
• gute Frequenzanalyse (statisch)
• Stereodarstellung
• etwas unübersichtlicher • schwarzer Hintergrund
3. GoldWave (Chris S. Craig) Shareware Programm zur Klang-bearbeitung. (http://www.goldwave.com)
• großer Funktionsumfang • Pegelanzeige und kleines
Fourierspektrum bei den Bedienungselementen.
• Stereodarstellung
• unübersichtlich • Bedienung etwas
gewöhnungsbedürftig
4. FFT (P.Krahmer) Echtzeit Oszilloskop mit Fast Fourier Analysator (http://www.zum.de/ZUM/Faecher/P/Bay/Kra/home/programm.htm)
• Bei entsprechendem Rechner ist eine schnelle und gute Darstellung möglich.
• kostenlos
• DOS-Programm • läuft bei uns nicht auf dem
Rechner der Mittelstufe • Einstellungen können nicht
gespeichert werden
Abbildung 10 Eine mit Wave Shaper aufgenommene Schwebung zweier Stimmgabeln. Das Programm wurde in den Stunden 5-7 verwendet.
Anhang Seite XXII
Abbildung 11 Die Obertöne einer Gitarre sind mit FFT gut zu sehen (8. Stunde).
Abbildung 12 Messung der Schallgeschwindigkeit mit Cool Edit (12. Stunde) Aufgrund der unterschiedlichen Entfernung der Mikrofone zum Luftballon ist das Signal des oberen Kanals nur schwach zu erkennen.
Anhang Seite XXIII
Abbildung 13 Mit GoldWave dargestellter Klang des „7b-Duetts“. Dieses Programm habe ich in der Unterrichtsreihe nicht verwendet.
Abbildung 14 Die Bedienelemente bei GoldWave enthalten bereits kleine Spektralanalysatoren.
Anhang Seite XXIV
4.5 Literaturverzeichnis 1. BADER, F. / DORN, F. Physik - Mittelstufe Hannover 1980
2. BECKMANN, R. Handbuch der PA-Technik Aachen 1989
3. BLEICHROTH, W. u.a. Fachdidaktik Physik (2. Aufl.) Köln 1999
4. BOYSEN, G. u.a. Physik für Gymnasien Sek. I (Gesamtband A)
Berlin 1991
5. BREDTHAUER, W. u.a. Impulse Physik 1 Stuttgart 1993
6. BUNDESZENTRALE FÜR
GESUNDHEITLICHE
AUFKLÄRUNG
Lärm & Gesundheit Materialien für 5.-10. Klassen
Köln
7. CIEPLIK, D. / LOGES, W.
Projekte im Physikunterricht der Sek. I Vortragsskript zur Interschul’97 im Bezug auf WALZ Blickpunkt Physik
Berlin 1997
8. DROSDOWSKI, G. [Hrsg.]
Der Duden Bd. 1 (21. Aufl.) Rechtschreibung der deutschen Sprache
Mannheim, Leipzig, Wien, Zürich 1996
9. DUIT, R. / HÄUSSLER, P. / KIRCHNER, E.
Unterricht Physik Köln 1981
10. EGGEBRECHT, H.H. [Hrsg.]
Meyers Taschenlexikon Musik in 3 Bd. Mannheim 1984
11. FEYNMAN, R.P. Was ist Naturwissenschaft? Physik u. Didaktik 2 (1987)
S. 105-116
12. FRIEDEL, G. Töne, Klänge - Lärm Päd. Prüfungsarbeit
Studienseminar Bensheim 1998
13. GREHN, J. / KRAUSE, J.
Metzler Physik Hannover 1998
14. GRESSMANN, M. / MATHEA, W.
Die Fundgrube für den Physikunterricht Berlin 1996
15. GUDJONS, H. Pädagogisches Grundwissen Bad Heilbrunn 1993
16. HEEPMANN, B. u.a. Lehrerbuch zu Cornelsen Physik für die Sek. 1 Klasse 7 (Hessen)
Berlin 1996
17. HEEPMANN, B. u.a. Physik für die Sek. 1 Klasse 7 (Hessen) Berlin 1996
18. HIBS (HESS. INST. F. BILDUNGSPLANUNG U. SCHULENTWICKLUNG)
Materialien zum Unterricht Musik 4 Wiesbaden 1989
19. HESSISCHES
KULTUSMINISTERIUM Rahmenplan Physik, Sek. I Frankfurt/M. 1996
20. HESSISCHES
KULTUSMINISTERIUM Rahmenplan Musik, Sek. I Frankfurt/M. 1997
21. KAUTSCH, CHR. Musikinstrumente Bauen und Erkunden ???
22. KELM, D. Akustische Phänomene und ihre Auswirkungen auf die Musik, Päd. Prüfungsarbeit
Studienseminar Bensheim 1998
23. KLAFKI, W. Neue Studien zur Bildungstheorie und Didaktik Weinheim 1991
Anhang Seite XXV
24. KUHN, W. Physik 1 Braunschweig 1996
25. LINNEMANN, P. Darstellung beliebiger Funktionen durch eine Fourierreihe unter Einsatz eines Mikrocomputers
Praxis der Naturw. Physik 8/36 (1987)
S. 2-12
26. LOCHHAAS, H. Möglichkeiten und Grenzen fächerverbindenden Unterrichts
MNU 49/8 (1996) S. 493-496
27. PETERS, K. / LAGEMANN, M.
Eine interdisziplinäre Reihe zur Bruchrechnung/Akustik/Harmonielehre
MU 6 (1998) S. 11-21
28. PRINZ., U. / SCHEYTT, A. u.a.
Musik um uns 1 (3. Aufl.) Hannover 1991
29. PRINZ., U. / SCHEYTT, A. u.a.
Musik um uns 2 (3. Aufl.) Hannover 1993
30. SCHMIDT, B. Darstellung akustischer Schwingungen und Wellen auf dem Computer
junge wissenschaft 38 (1995), S. 30-33
31. WAGENSCHEIN, M. Die pädagogische Dimension der Physik Braunschweig 1962
32. WAGENSCHEIN, M. / BUCK, P. / KÖHNLEIN, W.
Martin Wagenschein - Ein Interview zu seinem Lebenswerk
chimica didactica 7 (1981)
S. 161-175
33. WAGENSCHEIN, M. Verstehen lehren (6. Aufl.) Weinheim, Basel 1977
34. WALZ, A. Blickpunkt Physik Hannover 1997
35. WINKLER, K. u.a. Die Physik der Musikinstrumente (2. Aufl.) Beiträge aus Spektrum der Wissenschaft
Heidelberg, Berlin 1998
Internetadressen 1. JANSEN, B./
BROCKES, E. Musik und Akustik http://www.juelich.fh-aachen.de/overbach/fach/projekt/einl.htm
2. KRAHMER, P. Akustik http://www.zum.de/ZUM/Faecher/P/Bay/Kra/home/akustik.htm
3. SCHOMMER, F./ KABUSS, W.
Messung der Schallgeschwindigkeit mit einer Soundkarte http://www.users.aol.com/gykophys/vschall.htm
4. GOLDWAVE GoldWave Digital Audio Editor http://www.goldwave.com
Anhang Seite XXVI
4.6 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 S. 7 nach eigenem Entwurf
Abbildung 2 S. 9 in Anlehnung an [GRESSMANN, M./MATHEA, W., Berlin 1996], S. 190
Abbildung 3 S. 12 in Anlehnung an [EGGEBRECHT, H.H. [HRSG.], Mannheim 1984] Bd. 2, S. 346
Abbildung 4 S. 31 nach eigenem Entwurf
Abbildung 5 S. 36 nach eigenem Entwurf
Abbildung 6 S. 39 nach eigenem Entwurf
Abbildung 7 S. 39 nach eigenem Entwurf
Abbildung 8 S. 39 nach eigenem Entwurf
Abbildung 9 Anhang I nach eigenem Entwurf
Abbildung 10 Anhang XXI Ausdruck der Programmoberfläche
Abbildung 11 Anhang XXII Ausdruck der Programmoberfläche
Abbildung 12 Anhang XXII Ausdruck der Programmoberfläche
Abbildung 13 Anhang XXIII Ausdruck der Programmoberfläche
Abbildung 14 Anhang XXIII Ausdruck der Programmoberfläche
Dosenlaute und Saitenbrett Arbeitsblatt 1* [CIEPLIK, D. / LOGES, W., Berlin 1997]
Stabgeige u. Gummizithern Arbeitsblatt 1* [KAUTSCH, CHR., ??? ]
Saitendosen Arbeitsblatt 1* [HIBS, Wiesbaden 1989] S. 23
Gitarrenspieler Arbeitsblatt 1* unbekannt
Gitarrenspieler Arbeitsblatt 2/2b unbekannt
Gitarre Arbeitsblatt 2/2b CCP Development GmbH
Trommeln Arbeitsblatt 3* [CIEPLIK, D. / LOGES, W., Berlin 1997]
Sandpapierbretter, Wabbel-bleche und Gluckerpauke
Arbeitsblatt 3* [HIBS, Wiesbaden 1989] S. 22
Mensch Arbeitsblatt 3-6 unbekannt
Flötenspieler Arbeitsblatt 7* unbekannt
Halmoboe, Luftpumpe, Ballon und Spiralschläuche
Arbeitsblatt 7* [HIBS, Wiesbaden 1989] S. 21
Gras- / Papierfieper Arbeitsblatt 7* [CIEPLIK, D. / LOGES, W., Berlin 1997]
Dudelsack Arbeitsblatt 7* unbekannt
Seilwellenversuch Arbeitsblatt 8/9 [GREHN, J./KRAUSE, J., Hannover 1998] S. 138
KUNDTsches Rohr Arbeitsblatt 8/9 [GREHN, J./KRAUSE, J., Hannover 1998] S. 142
Instrumente u. Astronauten Lernkontrolle Corel Corporation 1994
*Die Texte zu den Bauanleitungen der Instrumente entstammen den gleichen Quellen wie die zugehörigen Bilder.
Anhang Seite XXVII
4.7 Erklärung Ich versichere, dass ich die Arbeit selbständig verfasst und keine anderen als
die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe. Sämtliche Stellen der Arbeit,
die anderen benutzten Werken im Wortlaut oder dem Sinne nach entnom-
men sind, habe ich in jedem einzelnen Falle unter Angabe der Quelle als
Entlehnung kenntlich gemacht.
__________________________________
Ich bin damit einverstanden, dass ein unkorrigiertes Exemplar der Arbeit
über die Bibliothek des Studienseminars Darmstadt an Interessenten aus-
geliehen werden kann.
__________________________________
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